KR100891343B1 - 플라즈마 절단기의 전극 및 이 전극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

전극 본체측에 하프늄과 같은 전극 부재를 접합할 때 열화 현상에 의해 접합 형태가 변형되거나 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법을 개시한다.

이러한 플라즈마 절단기의 전극 제조방법은, 전극 본체를 형성하는 단계와, 전극 본체와 끼움 결합이 가능한 전극 캡을 형성하는 단계와, 전극 캡의 일측에 전극 부재를 끼움 결합하여 고정하는 1차 접합단계와, 전극 본체의 일측 단부에 접극 캡을 끼움 결합하여 고정하는 2차 접합단계와, 전극 본체와 전극 캡의 결합 동심도를 보정하는 단계를 포함한다.

플라즈마 절단기, 토치용 전극, 전극 본체, 전극 캡, 1차 접합 단계, 2차 접합 단계, 결합 동심도 보정, 마찰열에 의한 접합, 열화 현상 방지

Description

플라즈마 절단기의 전극 및 이 전극의 제조방법{PLASMA CUTTING MACHINE ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 절단기의 전극 제조방법의 전체 작업 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 도 1의 각 공정들을 거치면서 제조된 전극의 전체 외형을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2의 각 구성부들을 분해한 상태를 나타낸 도면이다.

도 4는 도 1의 작업 공정들 중에서 1차 접합 단계를 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 4의 1차 접합 단계를 거치면서 전극 캡측에 전극 부재가 접합된 상태를 나타낸 도면이다.

도 6은 도 1의 작업 공정들 중에서 2차 접합 단계를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 6의 2차 접합 단계를 거치면서 전극 본체측에 전극 캡을 접합한 상태를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 1의 공정들 중에서 결합 동심도 보정 단계를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 플라즈마 절단기의 전극 및 이 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내구성 및 외관 정밀도(동심도)가 대폭 향상된 플라즈마 절단기의 전극 및 이 전극의 제조방법에 관한 것이다.

플라즈마 절단기는 토치의 노즐과 전극에 의해 발생되는 플라즈마 원리를 이용하여 각종 금속판(이하 "피절단부재"라고 함.)을 절단하는데 사용된다.

즉, 토치의 노즐과 전극 사이에 아크를 발생시켜서 토치 내부에 플라즈마를 만든 다음, 압축 공기를 불어서 전극과 피절단부재 사이를 플라즈마 분위기로 형성한 상태에서 절단 전류를 흘려보내는 방식으로 작동된다.

상기 토치에 사용되는 전극은, 플라즈마를 발생하기 위한 중요 부품 중에 하나로서, 원통의 전극 본체와, 이 전극 본체의 일측 단부에 결합되는 전극 부재를 포함하여 이루어진다.

상기 전극 본체는, 구리(Cu)와 같이 전기 전도도가 우수한 금속으로 이루어지며, 노즐과 연결 고정되기 위한 나사부가 일측 단부에 형성되고, 반대편 단부에는 육각 볼트 형상의 헤드부가 형성되어 있다.

그리고, 상기 전극 부재는, 이미 잘 알려진 바와 같이 하프늄(hafnium)과 같은 금속으로 이루어지며, 상기 전극 본체의 헤드부측에 형성된 홈부 내측에 삽입 고정된다.

상기 전극의 제조 방법으로는, 전극 본체와 전극 부재를 진공로 내부에 넣은 상태에서 비교적 고온의 가열 온도(대략 섭씨 600도 이상)에서 행하는 브레이징(brazing)에 의해 구리(전극 본체)와 하프늄(전극 부재)을 접합하는 방식이 널리 알려져 있다.

그러나, 상기와 같이 고온의 가열 분위기에서 진행되는 브레이징 작업을 거치면서 상기 전극 본체와 전극 부재를 직접 접합하는 방식은 열적 변형과 같은 문제를 유발할 수 있다.

즉, 진공로 내부에서 브레이징할 때 고온이 전도되면서 상기 전극 본체측에 열화 현상이 발생될 수 있다. 예를들어, 구리 재질의 전극 본체가 전도열에 의해 일종의 풀림(annealing) 처리되면서 인장 강도가 급격하게 낮아질 수 있다.

그리하여, 상기 전극 본체는 취성(脆性,brittleness)이 낮아지고 반대로 연성(延性 ductility)이 증대되면서 각종 충격이나 물리적인 접촉 및 결합 등에 의해 상기 나사부나 헤드부가 쉽게 변형 및 파손될 수 있다.

그리고, 고온에 노출된 상태로 제조된 전극은 열화 현상에 의해 토치와 결합시 원통의 전극 본체 형태가 쉽게 변형되면서 외관 정밀도 중에서 동심도가 크게 낮아질 수 있으며, 이러한 동심도는 전극 본체의 길이가 길면 길수록 더욱 심각하게 발생된다.(대략 2.5센티미터 이상)

특히, 전극 본체의 동심도가 낮으면, 플라즈마 아크가 원활하게 발생되지 않고, 아크의 직진성과 길이가 짧아지면서 절단력이 저하되는 현상이 발생될 수 있다.

또한, 플라즈마 아크에 의해 노즐 내면이 충격 및 손상되는 현상이 발생하여 절단면이 고르지 못하고 심할 경우 자칫 폭발과 같은 대형의 안전 사고를 유발할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내구성 및 외관 정밀도(동심도)가 대폭 향상된 플라즈마 절단기의 전극 및 이 전극의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 실현하기 위하여,

일측 단부에 나사부가 형성된 원통의 전극 본체;

상기 전극 본체의 일측 단부와 끼움 결합되는 전극 캡;

상기 전극 캡의 외부면 일측에 끼움 결합되는 전극 부재;

를 포함하는 플라즈마 절단기의 전극을 제공한다.

그리고, 상기 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여,

전극 본체를 형성하는 단계;

전극 본체와 끼움 결합이 가능한 전극 캡을 형성하는 단계;

전극 캡의 일측에 전극 부재를 끼움 결합하여 고정하는 1차 접합단계;

전극 본체의 일측 단부에 접극 캡을 끼움 결합하여 고정하는 2차 접합단계;

전극 본체와 전극 캡의 결합 동심도를 보정하는 단계;

를 포함하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자들이 본 발명의 실시가 가능한 범위 내에서 설명된다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있는 것이므로 본 발명의 특허청구범위는 아래에서 설명하는 실시예들로 인하여 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 절단기의 전극 제조방법의 전체 공정을 나타낸 도면으로서 도면 부호 S1은 전극 본체 형성단계를 지칭한다.

그리고, 도 2는 상기 도 1의 각 공정들을 거치면서 제조된 전극의 전체 외형 구조를 나타내는 도면으로서, 도면 부호 2는 전극 본체, 부호 4는 전극 캡, 부호 6은 전극 부재를 지칭한다.

상기 전극 본체 형성단계(S1)는, 금속 중에서 전기 전도도가 우수한 구리(Cu)를 사용하여 일정 길이를 가지는 원통 형상의 전극 본체(2)를 형성하기 위한 것이다.

상기 전극 본체(2)는 도 3을 기준으로 할 때 좌,우로 관통된 내부 통로(H1)를 가지며, 일측 단부에는 나사부(2a)가 형성되어 있다.

상기 나사부(2a)는 도면에는 나타내지 않았지만 상기 전극 본체(2)를 플라즈마 절단기용 토치 내부에 나사 결합 방식으로 고정하기 위한 것이다.

상기 전극 본체(2)는 구리의 인장 강도를 높일 수 있도록 통상의 단조(鍛造, forging) 작업을 거친 다음 선반과 같은 절삭장치에 의해 도 2에 나타낸 바와 같이 원통의 플러그 형상으로 가공될 수 있다.

상기 전극 본체(2)를 형성한 다음에는 전극 캡을 형성하는 단계(S2)를 진행한다.

상기 전극 캡 형성단계(S2)는, 상기 전극 본체(2)의 일측 단부와 결합되기 위한 전극 캡(4)을 형성하기 위한 것이다.

상기 전극 캡(4)은 후술하는 전극 부재(6)를 상기 전극 본체(2)측에 간접 고정하기 위한 일종의 어댑터 기능을 갖는다.

상기 전극 캡(4)은 전기 전도도가 우수한 구리를 사용하고, 상기 전극 본체(2)를 형성하는 작업 과정과 동일하게 통상의 단조 및 절삭 가공 작업을 거치면서 도 3에 나타낸 바와 같이 형성된다.

상기 전극 캡(4)은 통상의 육각 볼트와 같이 다각형의 외부 둘레면으로 이루어지는 헤드부(4a)를 구비하고, 내부에는 상기 전극 본체(2)의 내부 공간(H1)에 대응하여 일측이 개방된 내부 통로(H2)를 가지도록 형성된다.

즉, 상기 전극캡 형성단계(S2)는, 단조 작업 후 도면에 나타내지 않았지만 선반 및 밀링과 같은 절삭장치를 이용하여 도 2에 나타낸 바와 같이 전극 캡(4)을 형성한다.

상기 전극 캡(4)은 상기 전극 부재(6)가 결합된 상태로 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 전극 본체(2)의 일측 단부와 결합 가능한 정도의 길이를 갖는다. 즉, 상기 전극 캡(4)은 상기 전극 본체(2)와 비교할 때 길이가 짧게 형성된다.

상기 전극 캡(4)을 형성한 다음에는 이 전극 캡(4)측에 전극 부재(6)를 접합 하는 1차 접합단계(S3)를 진행한다.

상기 1차 접합단계(S3)는 상기 전극 캡(4)의 일측면에 전극 부재(6)를 삽입 상태로 결합하기 위한 것이다.

즉, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 전극 캡(4)측에 삽입 홈(4b)을 형성하고, 이 삽입 홈(4b) 내측에 상기 전극 부재(6)를 끼워서 용가재(W1)의 접합력에 의해 접합 고정되도록 한다.

이와 같은 접합 작업은 도면에는 나타내지 않았지만 진공로 내부에서 대략 섭씨 400도 내지 섭씨 1300도의 온도로 용가재(W1)를 가열하여 용융된 용가재(W1)가 상기 전극 부재(6)와 삽입홈(4b) 틈새 사이로 스며들면서 접합되도록 하는 통상의 브레이징 접합 방식으로 진행된다.

그리고, 브레이징 작업 후에는 상온에서 대략 1시간 내지 3시간 동안 서냉시킨다. 그러면, 상기 용융된 용가재(W1)가 굳으면서 이 용가재(W1)의 접합력에 의해 도 5에 나타낸 바와 같이 상기 전극 부재(6)가 상기 삽입 홈(4b) 내측에 삽입된 상태로 접합 고정된다.

상기 전극 부재(6)는 전기 전도도 및 내열성, 내마모성 등이 우수한 금속재 중에서 하프늄(hafnium)을 사용하고, 상기 용가재(W1)는 통상의 브레이징 접합 작업에 널리 사용되는 용융 접합재 중에 하나인 필라 메탈을 사용한다.

상기 전극 부재(6) 및 용가재(W1)로 사용하는 하프늄과 필라 메탈은 해당 분야에서 이미 널리 알려지고 사용되는 것이므로 더욱 상세한 설명은 생략한다.

그리고, 상기 전극 캡(4)의 삽입 홈(4b) 내부에 상기 전극 부재(6)를 접합할 때에는 이들 접합면 사이에 미세 공간이나 기포 홀이 발생되지 않도록 접합되어야 한다. 예를들어, 접합면 사이에 미세 공간이나 기포 홀이 발생되면 전류를 흘릴 때 전기 저항을 유발하여 전기 전도율을 저하시키는 한 요인이 될 수 있다. 이것은 상기 삽입 홈(4b)에 플럭스(flux)를 도포하는 것으로 실현된다.

한편, 상기 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 절단기의 전극 제조방법은 상기 전극 본체(2)와 상기 전극 캡(4)을 접합하기 위한 2차 접합단계(S4)를 포함한다.

상기 2차 접합단계(S4)는, 상기 전극 본체(2)측에 상기 전극 캡(4)을 접합하여 상기 전극 부재(6)를 상기 전극 본체(2) 단부측에 고정하기 위한 것이다.

상기 2차 접합 단계(S4)는, 상기 전극 본체(2)와 전극 캡(4)의 접합시 열화 현상에 의해 데미지를 입지 않는 온도 분위기로 접합 작업이 가능하게 진행된다.

이를 위하여 본 실시예에서는 도 6에 나타낸 바와 같이 상기 전극 본체(2)와 상기 전극 캡(4)의 일측 단부를 접촉 상태로 마찰시킬 때 발생하는 마찰열에 의한 가열 분위기로 접합되도록 하고 있다.

즉, 상기 전극 본체(2)와 상기 전극 캡(4)측에 끼움 홈(Q1)과 끼움 돌기(Q2)를 형성하고, 이들을 억지 끼움 결합한 상태에서 접촉 틈새 사이로 액상의 용가재(W2)를 공급한다.

그리고 나서, 상기 전극 본체(2) 또는 전극 캡(4) 중에서 어느 하나를 중심부를 기준으로 고속 회전시킨다.(도 6참조)

그러면, 상기 끼움 홈(Q1) 내부면과 상기 끼움 돌기(Q2) 외부면이 서로 접촉 된 상태로 마찰되면서 대략 섭씨 400도 이하의 마찰열이 발생되며, 상기 액상의 용가재(W2)는 마찰열에 의해 점도가 낮아지면서 상기 끼움 홈(Q1)과 끼움 돌기(Q2)의 접촉면 사이로 균일하게 스며든다.

그리하여, 상기와 같이 끼움 홈(Q1)측에 상기 끼움 돌기(Q2)를 끼운 상태로 회전시키는 방식에 의해 상기 전극 본체(2)와 상기 전극 캡(4)의 접촉면 사이로 스며 든 상기 용가재(W2)의 접합력으로 접합할 수 있다.

상기 액상의 용가제(W2)는 통상의 브레이징 작업에 사용되는 필라 메탈을 녹여서 사용한다.

그리고, 상기 2차 접합 작업을 진행할 때 마찰열의 온도는 대략 섭씨 400도 이하로 유지되어야 한다. 만일, 마찰열 온도가 섭씨 400도 이상이 되면 통상적으로 섭씨 400도 이상의 가열 온도로 접합 작업을 진행하는 브레이징 접합시 발생할 수 있는 열화 현상을 방지하기 어렵다.

그리하여, 상기 2차 접합단계(S4)는 마찰에 의한 마찰열을 이용하여 통상의 브레이징 접합 온도보다 낮은 섭씨 400도 이하의 저온 분위기에서 접합 작업을 하는 것이다.

상기 전극 본체(2)와 전극 캡(4)은 예를들어, 유압 모터와 같은 구동원으로부터 동력을 전달받아서 중심부를 기준으로 회전되는 구조를 가지는 통상의 고정용 척(C1, C2)에 고정되어 이 척(C1, C2)들의 구동에 의해 회전될 수 있다.(도 6참조)

따라서, 상기와 같이 진행하는 2차 접합단계(S4)는, 예를들어, 진공로 내부에서 대략 섭씨 400도 이상의 고온으로 가열하면서 브레이징 접합으로 하프늄을 구 리 본체측에 직접 접합하는 종래의 전극 제조 방법과 비교할 때 열화 현상에 의해 발생될 수 있는 문제점들을 개선할 수 있다.

특히, 상기 두 번의 접합 작업을 거치면서 상기 전극 캡(4)을 이용하여 상기 전극 본체(2)측에 상기 전극 부재(6)를 간접 고정하는 것이므로, 상기 전극 부재(6)의 브레이징 접합시 상기 전극 본체(2)가 고온에 노출되면서 발생될 수 있는 문제들을 미연에 방지할 수 있다.

상기 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 절단기의 전극 제조방법은 결합 동심도를 보정하는 단계(S5)를 포함하여 이루어진다.

상기 결합 동심도 보정단계(S5)는, 상기 전극 본체(2)와 상기 전극 캡(4)을 접합한 상태에서 이들의 외부면을 직접 절삭 가공하면서 결합 동심도를 보정하기 위한 것이다.

상기 보정 작업에는 예들들어, CNC 선반과 같은 절삭 장치를 사용할 수 있다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이 CNC 선반에 구비된 구동척(C3)에 상기 전극 본체(2)의 일측 단부를 고정한 상태에서 바이트(B)를 이용하여 상기 전극 본체(2)와 전극 캡(4)의 외부면을 통상의 방법으로 절삭 가공하는 방식으로 보정 작업을 진행할 수 있다.

그리하여, 상기 전극 본체(2)와 전극 캡(4)을 접합할 때 결합 동심도가 일정 편차로 어긋난 상태가 되더라도 상기와 같은 후 보정 작업을 거치면서 결합 동심도를 용이하게 보정할 수 있다.

특히, 상기 전극 본체(2)와 전극 캡(4)의 결합 동심도를 보정하면, 예를들어 토치측에 상기 전극 본체(2)를 고정한 상태에서 상기 전극 부재(6) 위치 편차를 최대한 줄일 수 있으며, 이로 인하여 플라즈마 아크 발생시 상기 전극 부재(6)의 과다 소모를 줄일 수 있고, 플라즈마 아크의 직진성이 향상된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 두 번의 접합 공정을 거치면서 전극 캡을 이용하여 전극 본체(구리)측에 전극 부재(하프늄)를 간접 접합 방식으로 간편하게 결합 고정할 수 있다.

특히, 이러한 간접 접합 방식은 예를들어, 전극 부재를 전극 본체측에 직접 브레이징 접합으로 고정하는 방식과 비교할 때 전극 제조시 전극 본체의 열화 현상을 방지할 수 있으며, 전극 본체의 열화 현상에 의해 발생될 수 있는 문제점들을 개선할 수 있다.

Claims (6)

1. 전극 본체를 형성하는 단계;

   전극 본체와 끼움 결합이 가능한 전극 캡을 형성하는 단계;

   전극 캡의 일측에 전극 부재를 끼움 결합하여 고정하는 1차 접합단계;

   전극 본체의 일측 단부에 접극 캡을 끼움 결합하여 고정하는 2차 접합단계;

   전극 본체와 전극 캡의 결합 동심도를 보정하는 단계;

   를 포함하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 1차 접합단계는,

   상기 전극 캡의 일측에 삽입 홈을 형성하고, 이 삽입 홈측에 전극 부재를 끼운 상태로 브레이징 접합하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 2차 접합단계는,

   상기 전극 본체와 상기 전극 캡의 일측 단부를 서로 끼움 결합한 상태에서 접촉면 측에 마찰열이 발생하도록 상기 전극 본체 또는 전극 캡을 중심부를 기준으로 회전시킴과 아울러 상기 접촉면 사이로 액상의 용가재를 공급하면서 접합하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 마찰열은,

   섭씨 400도 이하의 발열 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 결합 동심도 보정단계는,

   절삭장치로 상기 전극 본체와 전극 캡의 외부면을 절삭 가공하면서 결합 동심도를 보정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단기의 전극 제조방법.
6. 삭제

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