KR100687085B1 - 용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 모재의 용접과 절단 작업을 위한 소형 플라즈마 토치의 설계와 제작에 관한 것으로, 특히 플라즈마 토치를 이용한 용접과 절단 작업이 모두 이송식 아크방전에 의한 열플라즈마를 공통적인 열원으로 사용한다는 점에 착안하여 토치 헤드부에 나사산으로 체결되어 있는 음극, 노즐, 보호기체 캡의 세 가지 부품만 교체하면 두 가지 작업의 상호 전환이 가능하도록 하여서, 용접과 절단 작업을 모두 해야 하는 경우에 있어서의 편의성과 토치의 제작과 유지에 있어서의 경제성을 향상시키기 위하여 고안되었다.

이송식 플라즈마 토치, 플라즈마 용접, 플라즈마 절단, 음극, 노즐, 보호기체 캡

Description

용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마 토치 {COMPACT-SIZED PLASMA TORCH WITH A CONVENIENCE OF MUTUAL CONVERSION BETWEEN WELDING AND CUTTING PROCESS}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접을 위한 경우(A)와 절단을 위한 경우(B)의 플라즈마 토치의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 용접 작업을 위한 음극의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 용접 작업을 위한 노즐의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 용접 작업을 위한 보호기체 캡의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 절단 작업을 위한 음극의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 절단 작업을 위한 노즐의 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 절단 작업을 위한 보호기체 캡의 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 방전기체의 와류운동을 형성하는 기체주입링 평면도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1-1a: 용접용 음극팁 1-1b: 절단용 음극팁

1-2a: 용접용 음극몸체 1-2b: 절단용 음극몸체

2a: 용접용 노즐 2b: 절단용 노즐

3a: 용접용 보호기체 캡 3b: 절단용 보호기체 캡

4: 음극 냉각기체 가이드

5-1: 음극 가이드 5-2: 음극 가이드 절연체

6: 파일럿전원 가이드

7: 토치외장

8: 파일럿전원 도입체

9: 기체주입링

10-1: 가이드부 절연체 10-2: 도입부 절연체

본 발명은 금속 모재를 정밀하게 용접하거나 절단하는 소형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 이송식 아크방전으로부터 비롯된 열플라즈마를 열원으로 하여 모재 혹은 모재와 용접봉을 동시에 용융시킨 후 자연냉각 시키면 용접이 이루어지고, 고속의 열플라즈마 제트를 이용하여 모재를 용융시키면서 용융물을 제거하면 절단이 이루어진다. 플라즈마 토치를 이용한 용접은 전원공급기의 전류를 조절하여 출력을 자유롭게 할 수 있기 때문에 용접 입열의 조정이 용이하여 박판 용접이 가능하고, 거의 모든 금속용접에 적용할 수 있으며, 용접부의 기계적, 열적, 화학적 성질이 우 수하여 변형이 적다는 장점이 있다. 또한 플라즈마 토치를 이용한 절단 역시 출력을 자유롭게 조절하여 절단부 이외의 모재 손상을 최소화 할 수 있으며, 비철금속을 포함한 거의 모든 금속에 적용할 수 있고, 다양한 종류의 방전기체를 사용할 수 있으며, 절단 속도가 빠르고, 기기 제작 및 운용비용이 낮으며, 조작이 간편하다는 장점이 있다.

플라즈마 토치를 이용한 용접과 절단은 공통적으로 이송식 아크방전에 의한 열플라즈마를 모재 용융을 위한 열원으로 사용하지만, 용접은 상대적으로 저속이며 공간적으로 광범위한 열플라즈마를 발생시켜서 넓은 용융지를 형성하고 용융된 모재를 용융지 내에 구속시키는 조건이 필요하다. 반면 절단은 상대적으로 고속이며 공간적으로 집중된 열플라즈마를 발생시켜서 좁은 용융지를 형성함과 동시에 용융물을 제거해야 한다. 이렇듯 용접과 절단은 작업 목적에 따라 상이한 열플라즈마의 특성이 요구되기 때문에 현재까지 용접 또는 절단을 위한 플라즈마 토치는 서로 개별적으로 주로 개발되어 왔으며, 이에 따라 기기의 제작과 운용에 있어서 기술과 비용의 비효율을 가져왔고 특히, 산업현장에서 용접과 절단 작업을 번갈아 해야 할 경우 작업의 전환이 있을 때마다 토치를 바꾸어야 하는 불편함을 초래하였다. 따라서 기술의 집중과 비용의 절감 및 작업의 편의성을 위하여, 용접과 절단이 동시에 가능하며, 두 작업의 상호 전환이 간편한 플라즈마 토치가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 도 1과 같이 연결부가 나사산으 로 되어있어서 토치 몸체로부터 분리와 체결이 간편한 음극, 노즐, 보호기체 캡의 세 종류의 부품만 교체하면 용접과 절단 작업의 상호변환이 가능하며, 각각의 작업 목적에 맞는 특성을 지닌 열플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하였다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

분리 가능한 용접용 음극(1-1a, 1-2a), 노즐(2a), 보호기체 캡(3a)과;

분리 가능한 절단용 음극(1-1b, 1-2b), 노즐(2b), 보호기체 캡(3b)과;

상기 음극과 결합되어 아크전류의 통로 구실을 하는 음극 가이드(5-1)와;

상기 노즐과 결합되며, 절단시 초기방전을 위한 고주파 고전압 전원의 통로 구실을 하는 파일럿전원 가이드(6)와;

상기 보호기체 캡과 결합되는 토치외장(7)과;

보호기체가 음극 몸체(1-2a, 1-2b) 및 음극 가이드(5-1)를 냉각시킬 수 있도록 하는 음극 냉각기체 가이드(4), 전원공급기로부터 파일럿전원을 받아들여 파일럿전원 가이드에 전달하며, 방전기체가 주입되는 파일럿전원 도입체(8), 방전기체의 와류운동을 형성하는 기체주입링(9), 파일럿전원 가이드(6)와 음극 가이드(5-1) 사이의 이상 방전을 막아주는 음극 가이드 절연체(5-2), 가이드부 절연체(10-1) 및 도입부 절연체(10-2)로 구성되는 토치를 제공한다.

특히, 상기 플라즈마 토치는

방전을 위하여 봉형태로 형성된 음극본체와 상기 음극본체의 말단에 결합되는 음극 첨두로 이루어지는 음극과

상기 음극의 외주에 소정간격을 두고 상기 음극을 감싸듯이 형성되어 방전기체통로를 형성하는 노즐과,

상기 노즐의 외주에 소정간격을 두고 형성되어 보호기체통로를 형성하는 보호기체 캡은 상기 플라즈마 토치와 결합/분리 되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 플라즈마 토치로 용접 작업을 위한 경우에는

상기 음극첨두는 원뿔형의 텅스텐 재질로 형성되며

상기 노즐의 말단은 상기 음극보다 위쪽에 세라믹 재질로 형성되며

상기 보호기체 캡은 상기 노즐보다 위쪽에 형성되어 저속의 공간적으로 넓은 열플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 할 수도 있다.

상기 플라즈마 토치로 절단 작업을 위한 경우에는

상기 음극 첨두는 평평한 모양의 하프늄 재질로 형성되며

상기 노즐은 상기 음극을 완전히 감싸되 그 출구는 상기 음극보다 아래쪽에 금속재질로 형성되며

상기 보호기체캡의 말단은 상기 노즐의 출구보다 좀더 아래쪽에 형성되어 고속의 공간적으로 집중된 열플라즈마를 발생시키는 것일 수 있다.

상기 노즐의 출구쪽 내경은 1.5mm이상이며 바람직하게는 2mm 내외 일 수 있다.

상기 플라즈마 토치는, 공간적인 열플라즈마의 분포를 더욱 확장하게 하고, 절단 시에는 아크의 움직임을 안정화시키기 위하여, 원주 방향으로 등 간격으로 소정의 각도로 경사지게 뚫린 복수개의 구멍을 구비한 기체주입링(6)을 상기 노즐의 상단 에 배치하여 상기 기체 주입링으로 주입된 기체의 와류운동을 증가시키도록 하는 것일 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접을 위한 경우(A)와 절단을 위한 경우(B)의 플라즈마 토치 단면도로서, 각각의 플라즈마 토치는 용접과 절단의 작업 목적에 따라 교체되는 부품인 음극, 노즐, 보호기체 캡이 위치하고 있는 토치 헤드부분과, 방전기체를 받아들이고 절단 시에는 파일럿전원도 함께 받아들이는 파일럿전원 도입체(8), 방전기체와 보호기체가 섞이지 않고 서로 분리되어 토치 내부를 흐를 수 있도록 유로가 나있으며 파일럿전원 도입체(8)와 음극 가이드(5-1) 사이의 이상방전을 억제하는 도입부 절연체(10-2), 파일럿전원 가이드(6)과 함께 방전기체의 통로구실을 하면서 파일럿전원 가이드(6)와 음극 가이드(5-1) 사이의 이상방전을 억제하는 가이드부 절연체(10-1), 통로를 따라 흘러온 방전기체의 와류운동을 형성시키면서 노즐 내부로 주입하는 기체주입링(9), 주입된 보호기체가 음극몸체(1-2a, 1-2b)를 냉각 한 후 음극 가이드(5-1)의 벽면을 타고 흐르면서 냉각시킬 수 있도록 하는 음극 냉각기체 가이드(4), 음극과 결합되어 아크전류의 통로 구실을 하면서 가이드부 절연체(10-1)와 함께 보호기체의 통로 구실을 하는 음극 가이드(5-1), 보호기체의 흐름을 위해 도입부 절연체(10-2)에 나 있는 구멍을 통해 발생할 수 있는 음극 가이드(5-1)와 파일럿전원 도입체(8)의 이상방전을 억제하기 위한 음극 가이드 절연체(5-2) 및 보호기체의 최종통로 구실을 하며 보호기체 캡과 결합되는 토치외장(7)의 토치 몸통부분으로 이루어져 있다. 용접용 음극몸체(1-2a) 또는 절단용 음극몸체(1-2b)와 결합되는 음극 가이드(5-1), 용접용 노즐(2a) 또는 절단용 노즐(2b)과 결합되는 파일럿전원 가이드(6), 용접용 보호기체 캡(3a) 또는 절단용 보호기체 캡(3b)과 결합되는 토치외장(7)은 연결부위에 나사 홈을 내어 작업 목적에 따른 교체부품의 체결과 분리가 간편하도록 하였다.

용접과 절단의 작업 목적에 따라 요구되는 특성을 지닌 열플라즈마를 발생시키기 위하여 도 1의 (A)에서와 같이, 용접 작업을 위한 경우 용접용 노즐(2a)의 직경을 절단용 노즐(2b)보다 넓히고, 그 위치를 음극몸체(1-2a)의 상단에 두어 노즐로 공급되는 방전기체가 음극팁과 모재 사이에 형성된 아크의 외곽을 따라 확장되도록 하여, 모재 표면에서 저속이며 공간적으로 넓게 분포하는 열플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하였다. 또한 도 1의 (B)에서와 같이, 절단의 경우 절단용 노즐(2b)의 직경을 용접용 노즐(2a)보다 좁히고 그 길이를 길게 하며, 노즐 출구의 위치를 음극팁(1-1b)로부터 일정정도 떨어진 하단에 두어서, 방전기체가 아크를 수축시키면서 노즐을 빠져나오도록 하여, 모재 표면에서 고속이며 공간적으로 집중된 열플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하였다. 특히 이 경우, 도 8에 나타낸 것처럼 기체주입링(6)에 있는 6개의 유로 구멍을 소정의 각도로 경사지게 내어 방전기체의 와류운동을 증가시켜서, 용접 시에는 방전기체가 노즐을 빠져나가면서 아크 바깥쪽으로 확장되게 하여 공간적인 열플라즈마의 분포를 더욱 확장하게 하고, 절단 시에는 방전기체가 아크기둥 감싸면서 빠져나가게 하여 방전 중심축 부근의 압력을 떨어뜨림으로서 이곳에서의 아크형성을 원활히 하여 아크의 움직임을 안정화 시킬 수 있도록 하였다.

도 2는 용접용 음극팁(1-1a)과 음극몸체(1-2a)가 결합된 용접용 음극의 단면도이다. 용접 작업의 경우 넓은 열플라즈마 영역을 형성하기 위하여 아크기둥을 감싸는 방전기체의 흐름이 방전 중심축을 중심으로 바깥쪽으로 형성되어 있기 때문에 아크의 움직임이 불안정하다. 따라서 방전간격인 음극팁의 첨두부분과 양전극에 연결되어 있는 모재 사이의 거리가 2 mm 내외로 상대적으로 가까운 편이며, 초기 방전을 위한 별도의 파일럿 회로가 없는 경우가 많기 때문에, 원활한 초기 방전이 이루어질 수 있도록 용접용 음극팁(1-1a)을 원뿔형으로 하였다. 또한 용접용 음극팁(1-1a)은 고온의 열플라즈마 영역과 접하고 있기 때문에 녹는점이 높은 텅스텐을 재료로 하였으며, 열플라즈마로부터 전달받은 열이 쉽게 빠져나가서 음극의 수명을 늘일 수 있도록 용접용 음극몸체(1-2a)는 열전달이 좋은 무산소동을 재료로 하였다. 또한, 도 5는 절단용 음극팁(1-1b)과 음극몸체(1-2b)가 결합된 절단용 음극의 단면도를 나타내는데, 용접용 음극과 마찬가지로 냉각 효율을 높여서 전극의 수명을 늘일 수 있도록 무산소동 재질의 절단용 음극몸체(1-2b)를 사용하였고, 절단용 음극팁(1-1b)의 경우, 절단 작업 시 다양한 종류의 방전기체가 사용되는데, 공기를 사용할 때도 있기 때문에 산소 분위기 속에서도 음극팁의 역할을 할 수 있도록 하프늄 재질을 사용하였다.

도 3은 도 6에 나타낸 출구 내경이 2 mm인 절단용 노즐(2b) 보다 넓은 내경(8 mm)을 가지는 용접용 노즐(2a)의 단면도를 나타낸다. 용접용 노즐(2a)과 파일럿전원 가이드(6)가 결합되는 부분의 직경은 15 mm인 반면, 그 길이는 5 mm로 짧기 때문에 나사산에 의한 결합력이 강하도록 나사산의 간격을 1 mm로 좁게 하였다. 절단용 노 즐(2b) 역시 용접용 노즐(2a)과 동일하게 파일럿전원 가이드(6)에 결합되며, 나사산에 의한 결합력이 강하도록 그 간격을 동일하게 1 mm로 하였다. 용접용 노즐(2a)의 경우 토치 외곽으로 그 모습이 드러나며, 용접 작업은 초기방전을 위한 별도의 파일럿 회로가 필요 없기 때문에, 작업자의 안전을 고려하여 세라믹 재료를 사용하였다. 반면 절단용 노즐(2b)은 절단용 보호기체 캡(3b)에 의해 토치 내부로 숨겨져 있어서 작업자의 감전사고 위험이 없고, 절단 작업 시 음극 첨두와 양전원에 연결되어 있는 모재 사이의 거리가 10 mm 이상으로 멀기 때문에 초기방전을 위한 파일럿회로를 사용해야 하므로, 금속재질을 사용하였다. 절단용 노즐(2b)의 내경이 작을수록 고속의 열플라즈마를 발생시키기 유리하나, 내경이 1.5 mm 이하로 너무 작을 경우 방전기체가 아크기둥을 과도하게 수축시켜 방전이 중단될 수 있으므로, 그 내경을 2 mm로 하였다.

도 4는 용접용 보호기체 캡(3a)의 단면도를 나타내는데, 용접용 노즐(2a)과 마찬가지로 토치 외곽으로 그 모습이 드러나기 때문에 작업자의 안전을 고려하여 세라믹 재질을 사용하였고, 토치외장(7)과 결합되는 부분의 직경은 19 mm인 반면, 그 길이는 5 mm로 짧기 때문에 체결 시 충분한 결합력을 확보하기 위하여 나사산의 간격을 1 mm로 하였다. 열플라즈마에 의해 용융된 용융지는 고온의 특성으로 인하여 공기와 접촉하게 되면 쉽게 산화가 되는데, 용접 작업 시 산화가 일어나면 용접부의 결합력이 떨어지기 때문에, 용접용 보호기체 캡(3a)과 용접용 노즐(2a) 사이로 빠져나오는 보호기체는, 방전기체와 더불어 용융지의 산화를 막는 역할을 한다.

도 7은 절단용 보호기체 캡(3b)의 단면도를 나타내는데, 용접용 보호기체 캡(3a)와 마찬가지로 토치 외곽으로 그 모습이 드러나기 때문에 작업자의 안전을 고려하여 세라믹 재질을 사용하였고, 토치외장(7)과 결합되는 부분의 직경은 19 mm인 반면, 그 길이는 5 mm로 짧기 때문에 체결 시 충분한 결합력을 확보하기 위하여 나사산의 간격을 1 mm로 하였다. 도 1의 (B)에 나타내었듯이, 절단용 보호기체 캡(3b)의 출구면은 절단용 노즐(2b)의 출구면보다 약간 아래(0.5 mm)에 위치하고 있는데, 이는 절단용 보호기체 캡(3b)과 출구면은 절단용 노즐(2b) 사이로 빠져나오는 보호기체가 열플라즈마 제트를 감싸면서 더욱도 수축시켜서 공간적으로 더욱 수축된 열플라즈마 제트를 발생시켜서 절단폭을 좁게 하고, 모재에서 열플라즈마가 직접 닿아서 절단이 일어나는 절단부분과 그 외곽 영역 사이에 보호기체가 도달하여 절단 작업 시 국부적인 영역에서 발생할 수 있는 급격한 온도차에 의한 모재의 변형을 막는 역할을 하기 위함이다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치는 이송식 아크방전에 의해 열플라즈마를 발생시켜서 금속 모재의 용접 또는 절단 작업을 수행하는데 있어서, 토치 헤드부에 나사산으로 체결되어 있는 음극, 노즐, 보호기체 캡의 세 가지 부품만 교체하면 두 가지 작업의 상호 전환이 가능하며, 각각의 응용목적에 맞는 특성을 지닌 열플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하여서, 용접과 절단 작업을 모두 해야 하는 경우에 있어서의 편의성과 토치의 제작과 유지에 있어서의 경제성을 향상시키는데 효과가 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 이송식 아크방전을 통해 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마토치에 있어서,

   방전을 위하여 봉형태로 형성된 음극본체와 상기 음극본체의 말단에 결합되는 음극첨두로 이루어지는 음극과

   상기 음극의 외주에 소정간격을 두고 상기 음극을 감싸듯이 형성되어 방전기체통로를 형성하는 노즐과,

   상기 노즐의 외주에 소정간격을 두고 형성되어 보호기체통로를 형성하는 보호기체 캡은 상기 플라즈마 토치와 결합/분리 되도록 하여

   상기 세 부품의 교체만으로 용접 작업과 절단 작업의 상호 전환이 가능하도록 하는 것으로서,

   용접 작업을 위하여,

   상기 음극첨두는 원뿔형의 텅스텐 재질로 형성되며

   상기 노즐의 말단은 상기 음극보다 위쪽에 세라믹 재질로 형성되며

   상기 보호기체 캡은 상기 노즐의 위쪽보다 형성되어 저속의 공간적으로 넓은 열플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마 토치
3. 이송식 아크방전을 통해 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마토치에 있어서,

   방전을 위하여 봉형태로 형성된 음극본체와 상기 음극본체의 말단에 결합되는 음극첨두로 이루어지는 음극과

   상기 음극의 외주에 소정간격을 두고 상기 음극을 감싸듯이 형성되어 방전기체통로를 형성하는 노즐과,

   상기 노즐의 외주에 소정간격을 두고 형성되어 보호기체통로를 형성하는 보호기체 캡은 상기 플라즈마 토치와 결합/분리 되도록 하여

   상기 세 부품의 교체만으로 용접 작업과 절단 작업의 상호 전환이 가능하도록 하는 것으로서,절단 작업을 위하여,

   상기 음극첨두는 평평한 모양의 하프늄 재질로 형성되며

   상기 노즐은 상기 음극을 완전히 감싸되 그 출구는 상기 음극보다 아래쪽에 금속재질로 형성되며

   상기 보호기체캡의 말단은 상기 노즐의 출구보다 좀더 아래쪽에 형성되어 고속의 공간적으로 집중된 열플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마 토치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 노즐의 출구쪽 내경은 1.5mm이상이며 바람직하게는 2mm 내외 인 것을 특징으로 하는,용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마 토치.
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서 상기 플라즈마 토치는, 용접 시에는 공간적인 열플라즈마의 분포를 더욱 확장하게 하고, 절단 시에는 아크의 움직임을 안정화시키기 위하여, 원주 방향으로 등 간격으로 소정의 각도로 경사지게 뚫린 복수개의 구멍을 구비한 기체주입링(6)을 상기 노즐의 상단에 배치하여 상기 기체주입링으로 주입된 기체의 와류운동을 증가시키고, 상기 음극과 상기 노즐과 상기 보호기체캡의 배치를 용접 작업과 절단 작업에 따라 각각 달리하는 것을 특징으로 하는, 용접과 절단 작업의 상호 전환이 편리한 소형 플라즈마 토치

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