KR100921669B1 - 콘택트 팁 - Google Patents

Abstract

소모성 전극을 사용하는 전기 아크 용접에 적합한 콘택트 팁은, 용접 전력 공급부로부터 나온 전류가 몸체로부터 상기 전극으로 전달 될 수 있도록 전극이 통과할 수 있는 보어를 형성하는 몸체를 갖는다. 상기 몸체는 입구단부와 출구단부 사이의 보어 길이부의 일부분에 상기 몸체가 상기 전극과 제1전기접촉을 할 수 있도록 되어 있는 1이상의 영역을 가진다. 상기 몸체는 상기 보어 길이부의 나머지 부분을 따라, 상기 나머지 부분을 따르는 상기 몸체와 상기 전극간의 어떠한 제2접촉도 상기 보어의 상기 제1접촉영역에서의 상기 제1전기접촉을 실질적으로 단락시키지 않도록 되어 있다.

Description

콘택트 팁{CONTACT TIP}

본 발명은 소모성 전극으로 작동가능한 전기 아크 용접기구의 개선과 관련된 것이다.

소모성 전극을 이용하는 전기 아크 용접의 많은 형태들은, 때때로 콘택트 튜브 또는 전기 콘택트 튜브나 팁으로 불리는 콘택트 팁을 갖는 용접 건을 사용한다. 이들 용접의 형태들은 때때로 SAW(submerged arc welding) 및 FCAW(flux cored arc welding)뿐 아니라 MIG(metal inert gas) 용접으로 불리는 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 포함한다.

콘택트 팁은 소모성 전극으로 전기 아크 용접을 하는 용접 건에 있어 매우 중요한 요소이다. 그것의 주 기능은 소모성 전극을 포함하는 와이어 또는 스트립으로 용접 전원용 전류가 연속적으로 이송될 수 있도록 하는 것이다. 콘택트 팁은 금속, 특히 그것의 높은 전기적, 열적 전도성으로 인해 거의 대부분이 구리나 구리합금으로 만들어진다. 통상적으로, 콘택트 팁은 경질의 인발된 고순도의 구리 또는 Cu-2% Be, Cu-0.5% Be 및 적절한 Cu-Cr-Zr 합금과 같은 합금으로 되어 있다.

콘택트 팁들을 포함하는 아크 용접 기구와 관련된 폭 넓은 종래기술이 존재한다. 그 예로는,

Yamada 등의 "Fluctuations of the Wire Feed Rate in Gas Metal Arc Welding" [Welding Journal pp 35~42(1987년 9월)];

Villafuerte의 "Understanding Contact Tips Longevity for Gas Metal Arc Welding" [Welding Journal pp 29~35(1999년 12월)];

J. F. Lancaster의 "The Physics of Welding" [Permagen press, 2판(1986년)];

J. Norrish의 "Advanced Welding Processes" [IOP Publishing Ltd.(1992년)]; 및

D. Radaj의 "Heat Effects of Welding" [Springer Verlag(1992년)]과 같은 정기간행물에 게재된 논문들을 포함한다.

추가적인 예로는 GB-2074069 to Folke et al(ESAB Limited); GB-217013 to Cooke(R.E. Cooke & Sons(Burton) Ltd.); DE 4006138 by Lange; WO98/12011 by Davis; 및 다음의 미국특허 명세서,

를 포함하는 특허 자료에 의하여 제공된다.

GMAW의 생산성에 영향을 미치는 원칙적인 논제들은 열 입력 및 퇴적속도(따라서 와이어 용융속도)이다. 열 입력은 용접 전압 및 전류에 비례하고, 용접되는 작업물에 대한 용접 토치의 운동 속도에 반비례한다. 용접 토치는 정적으로 유지되고 작업물이 상기 토치에 대해 움직이거나, 상기 작업물은 정적으로 유지되고 상기 토치가 상기 작업물에 대해 움직이거나, 또는 상기 토치와 작업물 각각이 서로 상대적으로 움직일 수도 있다. 열 입력은 용접 침투, 냉각시간, 용접변형 및 퇴적되는 작업물의 인접구역에서의 용접 금속 및/또는 야금적 특성에 영향을 미친다. 일반적으로, 주어진 퇴적 속도에 대해 열 입력을 최소화시키는 것이 유리하다.

용접 토치의 주어진 콘택트 팁에 대하여, 소모성 전극으로서 사용되는 와이어에 대한 용융속도와 관련된 이론상의 상한 및 상기 와이어의 용융속도와 관련된 이론적인 하한을 설정할 수 있다. 이 원리는 GMAW에 대한 와이어의 퇴적률과 관련하여 성립된 공식을 참조로 하여 상세히 설명될 수 있다. Norrish에 의한 상술된 참고자료는 와이어 용융속도에 대한 공식을 제시하고 있다. 상기 공식은 다음과 같은 등식의 대수학적 표현으로 나타낼 수 있다.

W = aI + bLI²

여기서,

"W"는 와이어 이송속도(통상적으로 분당 미터로 표현됨)

"I"는 용접전류(암페어),

"a"는 용접 아크에 의한 와이어의 가열을 나타내는 계수,

"b"는 와이어의 저항 가열에 대한 계수,

"L"은 저항 가열을 받게되는 와이어의 관련 길이이다.

파라미터 "a"와 "b"는 와이어의 직경(원형 단면으로 된 와이어의 경우이며, 다른 단면으로 된 와이어의 경우에는 그에 대응되는 직경) 및 와이어의 조성(composition)에 따라 좌우된다. 상기 파라미터들은 각각 퇴적률 또는 와이어 이송속도와 관련하여 측정되거나 발표된 데이터로부터 각각의 소모품으로 도출될 수 있다.

간명히 하기 위하여, 상술된 공식을 사용함에 있어 일반성의 손실없는 한, 하향 위치로의 용접이 가정된다. 본질적으로 GMAW에서 용접 와이어 소모품에 대한 2개의 메커니즘이 있다. 첫번째는 와이어의 단부와 용접풀의 표면 최상부 사이에 조성되는 전기 아크에 의한 와이어의 가열이다. 상기 공식에서, 상기 아크 관련 메커니즘은 항 "aI"로 표현된다. 두번째 메커니즘은 와이어가 콘택트 팁과 전기적으로 접촉한 후에 상기 와이어내에 조성되는 전류에 의한 와이어의 저항 가열이며, 상기 저항관련 메커니즘은 항 "bLI²"로 표현된다.

상술된 공식의 파라미터 "L"은 콘택트 팁의 와이어의 유효 접촉점과 용접 아크 최상부 사이의 와이어의 길이를 나타낸다. 상기 와이어의 길이는 파라미터 L의 통상적인 사용과는 다르며, 상기 길이는 접촉 팁의 출구 단부를 넘어 용접 아크 최상부까지의 길이로서 취해진다.

저항 가열과 관련하여, 통상적인 사용, 즉 전극 연장부 또는 스틱아웃(stick-out)에 있어서의 L의 해석은 신뢰할 수 없다. 와이어는 콘택트 팁의 보어의 출구 단부에서 상기 콘택트 팁과 접촉하는 것이 적절하다. 이 경우에, 상기의 해석은 상술된 공식에 대하여 최소한 와이어와 콘택트 팁 사이에 단일의 접촉점이 존재한다는 것에 해당한다. 하지만, 단일의 접촉점이 있는 경우, 이것은 보어의 입구단부로부터 출구단부까지, 콘택트 팁의 보어를 따르는 어떠한 위치에도 자리할 수 있다. 또한, 상기 위치는 용접작업시 상기 단부들 사이에서 변화될 수도 있으며, 상기 보어의 길이를 따르는 2개 이상의 접촉점에서 간헐적으로 추가적 변화가 생기는 결과를 가져올 수 있다. 보어의 길이는 전극의 연장부 또는 스틱아웃보다 긴 것이 보통이며, 결과적으로 연속적인 용접작업들과 주어진 용접작업 둘 모두에 있어 저항 가열이 수행된 와이어의 실제 길이에 있어 100%를 초과하는 변화가능성이 있을 수 있다. 즉, 전극 연장부 또는 스틱아웃을 판정하기 위하여 L의 측정과 비교했을 때 상술된 공식을 위한 목적의 L 값의 100%를 넘는 변화가능성이 있을 수 있다.

저항 가열이 수행된 와이어의 실제 길이가 변화되는 경우에, 연속적인 용접 작업 중이든 단일 용접작업 중이든 간에 주어진 와이어의 이송속도에서 요구되는 용접전류에 있어 실질적인 변화가 있을 수 있다. 결과적으로, 순간적인 열 입력은 실질적으로 변화될 수 있으며 용접 성능에 대해 불리한 결과를 갖는다.

와이어의 용융속도에 대한 상술된 바와 같은 원리들은, 본질적으로 일정한 전압조건하에 작동하는 용접 전원 공급부들에 의해 수행되는 GMAW에 적용된다. 전기수단에 의하여 액적(droplet) 이송의 모드를 제어하기 위하여, 펄싱된 전원 공급 부들 또한 GMAW를 위해 사용된다. 전류의 펄스들은 소모성 와이어를 가열시키고 액적 분리를 유발하는데 적용된다. 와이어 용융속도와 전류간의 관계는 앞에서 제시된 방정식에서 주어진 관계보다 복잡하다. 그럼에도 불구하고, 와이어의 용융속도는 예열 기간에 크게 의존적이며, 팁내에 연속적인 전류전달 영역을 유지시키는 것이 성능에 있어 중요하다.

팁의 성능과 관련된 두번째 논제는 팁을 통한 와이어의 이송가능성이다. 액적 이송 프로세스와 관련된 프로세스들의 시간의 재현성은 균일한 와이어 이송속도가 조성 및 유지되는 것을 요한다. 본발명의 목적 중 하나는 종래 GMAW에 의한 가능성을 실질적으로 초과하는 와이어 이송속도로 신뢰할 만한 용접이 퇴적될 수 있도록 하는 것이다. 따라서, 이송력은 상기 팁에 적용되는 기계적 작업이 줄어들도록 실행가능한 한 작아야 한다. 상기 기계적 작용은 마모를 초래한다. 마모는 전기접촉 영역에 문제를 발생시키고, 궁극적으로는 용접기에 있어 팁의 파손 및 결함을 가져온다.

본 발명은 소모성 전극 와이어와의 전기접촉과 관련하여 개선된 제어를 가능하게 하여, 결과적으로 비펄스된 및 펄스된 전원 공급부를 위한 보다 안정적인 작업조건하에서의 용접을 가능하게 하는 접촉 팁을 제공하는 것이다. 본 발명은 와이어의 이송가능성 및 연속적인 전류 전달의 기본이 되는 물리적 논제들에 대처하는 것이며, 그로서 본 발명은 GMAW를 위하여 디자인된 여러 다양한 용접 전원 공급부의 성능의 향상을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 소모성 전극을 사용하는 전기 아크 용접에 적합한 콘택트 팁이 제공되며, 상기 콘택트 팁은 전극이 통과할 수 있는 보어를 형성하는 몸체를 가져 용접 전원 공급부로부터 나온 전류가 상기 몸체로부터 전극으로 이송될 수 있도록 한다. 입구단부와 출구 단부 사이의 보어 길이의 일부내에는, 상기 몸체가 전극과 가장 먼저 접촉하도록 되어 있는 1이상의 영역(이후 제1접촉영역이라 칭함)이 존재한다. 보어 길이의 나머지 부분을 따라서는, 상기 몸체가, 상기 보어의 나머지 부분을 따라서 전극과 몸체 사이의 어떠한 두번째 접촉이 있는 경우에, 상기 두번째 접촉이 상기 보어의 제1접촉영역에서의 제1전기접촉을 실질적으로 단락시키는 않도록 되어 있다.

상기 제1전기접촉은 효율적인 용접을 위해, 전극에 충분한 용접 전원의 공급이 가능하도록 되어 있다. 상기 몸체가 상기 제1접촉을 가능하게 하도록 되어 있는 보어의 제1접촉영역은 길이의 대략 10%보다 작은 보어 길이의 작은 부분인 것이 가장 바람직하다. 상기 작은 부분은 보어 길이의 대략 5%보다 작을 수도 있다. 어느 경우이든지 간에, 상기 제1접촉영역은 대략 5mm보다 길지 않은 길이, 예를 들어, 3mm 미만이다. 이는, 본 발명에 있어 특히 중요한 특징이다. 제1접촉영역은 종래의 팁이나 종래기술에서 설명되는 장치의 것에 비해 작기 때문에, 이송력이 작고 팁을 통한 와이어의 경로가 비교적 방해를 덜 받는다. 이는 높은 와이어 이송 속도에서도 와이어와 팁간의 연속적인 전기접촉이 조성 및 유지될 수 있도록 한다.

보어의 제1접촉영역은 보어의 입구단부나 그에 밀접해 있는 것이 가장 바람직하다. 이와 관련하여, 보어에 대한 기준은 상기 경로 또는 보어의 입구단부로 안 내되는 테이퍼진 가이드와 구분될 수 있게 전기접촉이 이루어지도록 하기 위한 경로를 나타내기 위하여, 및 상기 경로 또는 보어내로 전극의 리딩 단부(leading end)를 가이드하도록 하기 위한 것이다.

제1접촉영역은 상기 보어의 입구단부 또는 그와 밀접해 있으나, 상기 영역을 보어를 따라 더 멀리에 있을 수도 있다. 따라서, 상기 영역은 보어의 입구 및 출구 단부의 중간에 있을 수 있으며, 극단적인 경우에는 출구 단부나 그에 밀접하게 자리할 수도 있다.

보어의 입구단부 또는 그에 밀접한 제1접촉영역을 가질 때의 한가지 이점은 전극의 적절한 예열 길이(L)의 조성을 용이하게 한다는 점이다. 하지만, 상기 영역이 보어를 따르는 보다 먼 곳에 있는 경우에도, 몇몇 예에서는 충분히 적절한 예열 길이(L)를 얻을 수 있다. 그래서 이것은 특정 콘택트 팁을 사용하기 위하여 디자인된 용접 토치와 함께인 것이 가장 바람직하다. 충분히 적절한 예열 길이는 출구 단부를 넘어 상기 콘택트 팁의 연장부를 제공하도록 피팅되는 콘택트 팁 연장튜브를 제공함으로써 얻어진다.

제1전기접촉은 여러 상이한 방식으로 이루어질 수 있다. 첫번째 방식으로, 소모성 와이어 전극이, 보어를 관통함에 있어 상기 보어의 제1접촉영역을 형성하는 표면내에 자리하도록 상기 보어가 구성된다. 상기 보어는 콘택트 팁의 입구단부에 보다 가까운 제1접촉영역의 단부에서 상기 보어에 약간의 스텝(step)을 제공하여 상기 영역이 약간 작아진 직경을 이루도록 구성될 수 있다. 적절한 스텝에 의하여, 전극이 상기 제1접촉영역을 형성하는 표면내에 신뢰성 있게 자리하여 제1전기접촉 을 조성한다는 것이 발견되었다. 상기 접촉은 아킹(arcing)이 없고 용접 런(run)을 통하여 유지될 수 있다는 것이 발견되었다. 상기 제1접촉의 정확한 배치는 상기 스텝의 치수 및 와이어의 굳기와 곡률에 따라 좌우된다.

스텝을 제공하여 보어를 구성함으로써 얻어지는 제1전기접촉은 종래 콘택트 팁을 이용하면서도 놀라운 용접특성들을 제공한다. 각각의 경우에 있어, 전극 와이어와 종래 콘택트 팁간의 비교적 약한 슬라이딩 접촉이 존재한다. 하지만, 종래의 콘택트 팁에 의하면, 접촉의 횟수나 위치가 변화할 수 있으며, 안정적인 오버-라이딩(over-riding)의 제1전기접촉을 제공하는 접촉이 하나도 없고 그로 인해 아킹이 없다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 팁에서 구성되는 보어의 존재는 안정성을 달성하고 접촉위치가 길이방향으로 실질적으로 일정하게 유지된다. 일부 원주방향의 슬라이딩 접촉은 본 발명의 콘택트 팁과의 접촉 개시시에 발생 될 수 있으나, 이것은 제1접촉영역을 형성하는 표면 내에 자리한 전극에 의하여 신속하게 극복된다.

구성된 보어를 지닌 본 발명의 콘택트 팁과 종래의 콘택트 팁 둘 모두에 의하면, 전극 와이어의 곡률과 스프링력(springiness)은 와이어와 콘택트 팁간의 접촉에 기인하는 주요 인자들인 것으로 사려된다. 상기 접촉은 종래의 팁에 의해 재현될 수는 없으나, 본 발명의 팁에 의해서는 재현될 수 있다. 하지만, 각 경우에 있어 요구되는 접촉은 보어내 와이어의 유사한 클리어런스(clearance)의 사용에 의해 조성될 수 있다. 즉, 적어도 요구되는 접촉이 조성될 수 있는 각 경우에 있어 와이어와 보어간의 직경의 차가 유사하다. 따라서, 본 발명의 접촉 팁에 있어서, 팁의 입구단부에 보다 가까운 제1접촉영역의 단부에 제공되는 스텝은 종래 콘택트 팁에 주어지는 전극 와이어에 대한 표준의 클리어런스 또는 공차(tolerance)의 절반 정도일 수 있다. 상기 스텝은 제1접촉영역을 따라 표준 클리어런스로부터 표준 클리어런스보다 작거나, 또는 표준 클리어런스 보다 큰 것에서부터 표준 클리어런스 크기까지 보어 직경을 줄일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 1.2mm의 전극 와이어를 위하여 종래 팁이 0.1mm의 클리어런스를 제공하기 위해 1.3mm의 보어 직경을 갖는다면, 본 발명의 팁은 1.25mm의 원칙적 접촉영역을 따라 1.3mm로부터 직경크기까지 또는 상기 1.3mm의 영역을 따라서는 1.35mm로부터 직경까지의 보어를 줄이는 스텝에 의하여 구성되는 보어를 가질 수 있다. 상기 도에 의하여 나타나는 바와 같이, 본 명세서에서 보어와 와이어간의 클리어런스에 대한 기준은 그들의 직경 차에 대응된다.

보어의 구성은 콘택트 팁의 입구단부로부터의 약간의 카운터 보링(counter-boring)에 의해 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 대한 대안으로서, 1이상의 인써트가, 스텝을 제공하기 위해 보어의 인접부로부터 직경에 적절한 차이를 둔 부분을 갖는 보어의 일 부분을 형성할 수도 있다. 각각의 경우에 있어서, 상기 스텝은 실질적으로 균일한 환상의 형태로 이루어진다. 상기 형태는 입구단부쪽을 향하고 실질적으로 상기 보어에 대해 수직한 환상 쇼울더를 형성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 상기 스텝은 환상 베벨로부터 기인할 수도 있다.

또 다른 형태로서, 콘택트 팁은, 전극이 보어 길이의 제1접촉영역내의 1이상의 위치에서 상기 보어를 형성하는 표면과 슬라이딩 접촉상태로 유지되는 접촉수단이 제공되어 상기 전극과의 제1전기접촉이 가능해지도록 되어 있다. 접촉수단은, 상기 각각의 위치에서 보어내에 횡방향으로 돌출되도록 콘택트 팁의 몸체에 장착되는 핀, 플런저, 볼, 스크루 등을 포함할 수 있다. 핀, 플런저, 볼 등을 포함하는 접촉수단은 보어내로 돌출되도록 탄성적으로 편향될 수 있다. 상기 접촉수단이, 스크루 등을 포함하는 경우에는 상기 몸체에 나사결합식으로 맞물림되고 보어내에서 축선방향으로 움직여 돌출되도록 회전가능하다. 각 경우에 있어, 상기 접촉수단은 핀, 플런저, 스크루 등이 전극과 접촉하는 베어링패드를 포함할 수 있다. 상기 베어링패드는 내마모성 재료나 보다 연질의 저마찰 재료로 이루어질 수 있다. 상기 베어링패드는 흑연과 같은 도전성재료 또는 Teflon과 같은 전기절연재로 이루어질 수도 있다.

콘택트 팁에 접촉수단이 제공되는 경우에, 상기 접촉수단은 속성에 있어 보어를 구성함으로써 얻어지는 필적할만한 원칙적 전기접촉을 얻는다. 즉, 상기 접촉수단은 보어의 제1접촉영역을 형성하는 표면과 와이어간의 상대적으로 약한 슬라이딩 접촉을 발생시키기 위한 것이다. 상기 접촉수단은 와이어를 상기 표면과 견고하게 접촉되도록 클램핑하는 것을 피함으로써 가장 얇은 와이어의 경우에도 과도한 마찰이나 마모가 없이 높은 와이어 이송 속도가 얻어질 수 있도록 하기 위한 것이다. 바람직하지 않은 클램핑을 제공하기 보다는, 상기 접촉수단은 본질적으로 와이어와 팁간의 접촉을 배치하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 콘택트 팁은 0.8mm까지의 와이어, 또는 몇가지 어려움이 있을 경우 0.6mm까지의 와이어와 같은 GMAW 와이어 직경의 전체 영역에 대해 적합할 수 있다.

만일 필요하다면 제1전기접촉을 단락시키지 않는 제2접촉을 가능하게 하는 본 발명에 따른 콘택트 팁을 이용가능한 다수의 상이한 배열들이 존재한다. 제1배열에서, 콘택트 팁은 제2접촉이 실질적으로 배제되도록 그것의 길이의 나머지 부분에 걸쳐 카운터 보링된다. 즉, 제1접촉영역을 따르는 콘택트 팁 보어가 팁을 사용하도록 구성된 전극용의 작은 클리어런스만을 제공하는 단면을 가지는 한편, 그것의 길이의 나머지부분을 따르는 보어는 실질적으로 큰 단면을 갖는다. 이 때의 상기 전극은 제1접촉영역에서 제1접촉을 조성할 수 있으나 상기 영역 외측에서는 상기 콘택트 팁과 제2접촉을 이룰 수 없다. 필요하다면, 상기 콘택트 팁에 제2접촉을 배제시키는 것을 돕는 가이드부재가 제공될 수도 있다. 따라서, 가령 제1접촉영역이 출구단부로부터 상기 영역까지 카운터 보링된 팁을 갖는 상기 보어의 입구단부나 그 부근에 있는 경우, 상기 콘택트 팁에는 전극이 통과할 수 있는 출구단부에 절연단부 피팅(fitting)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 단부 캡일 수도 있는 상기 단부 피팅은 전극이 연장될 수 있는 보어와 동축의 개구부를 갖는 것이 바람직하다. 상기 단부 피팅은 콘택트 팁과 전극간의 제2접촉을 배제시키는 것을 돕는 한편, 전극의 바람직하지 않는 측방향으로의 움직임을 최소화시킬 수도 있다.

제2배열에서는, 상기 전극이 제2접촉을 이룰 수 있다. 즉, 상기 전극은 보어의 나머지 부분에서 콘택트 팁을 접촉시키는 것을 배제시키지 않는다. 하지만, 상기 제2배열에 있어서, 상기 제1접촉영역은 제2접촉의 위치에서, 팁으로부터 전극까지의 여타 가능한 전류유동경로에 비해 콘택트 팁으로부터 전극까지 바람직한 전류유동경로를 조성한다. 바람직한 전류유동경로로 인해 단락을 피할 수 있으며 실질적으로 일정한 전극 예열길이(L)의 유지를 가능해진다. 중요한 것으로서, 제2접촉 은, 상기 제2접촉영역에서는 개방 회로일 수도 있는 짧은 간격으로 인한 아킹의 제거를 가능하게 할 수도 있다.

콘택트 팁은 전체적으로 도전성재료로 만들어질 수 있다. 이에도 불구하고, 제2배열에서는 제2접촉이 가능함에도 제1전기접촉의 단락을 피할 수 있다. 이는 제2접촉의 단순한 슬라이딩 특성에 의한 결과라기 보다는 낮은 레벨의 접촉저항을 가지며 바람직한 전류유동경로를 발생시키는 제1접촉에 의한 것이다. 즉, 제1접촉영역의 입구단부에서의 보어의 구성에 의한 것이나 상기 영역에 제공되는 접촉수단으로부터 일어나는 제1접촉은 보어의 나머지부분에서의 슬라이딩 제2접촉으로부터 일어나는 접촉저항 보다 낮은 레벨의 접촉저항을 특징으로 한다. 이와 관련하여, 보어의 나머지부분은 접촉저항을 감소시키는 여느 구조없이 상대적으로 원활할 필요가 있다.

어떠한 제2접촉에서의 접촉저항을 더욱 증가시키기 위하여, 보어는 제2접촉영역에서보다 나머지부분에서 더 큰 직경을 가질 수 있다. 또한, 대안으로서, 보어의 제1접촉영역 및 나머지부분은 제1구역을 형성하거나 전기적으로 절연성인 재료보다 낮은 레벨의 도전성을 갖는 나머지부분을 형성하는 재료를 갖는, 각각의 재료들로 형성될 수도 있다.

상기 사항들에도 불구하고, 제1전기접촉이 유지되는 경우에만 단락의 회피가 가능하다. 따라서, 보어의 제1접촉영역내에서, 몸체는 접촉수단에 의하여 제1접촉이 가능하기 때문에 2이상의 각 인접 위치에서 제1전기접촉이 가능하도록 되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 한 곳에서 제1접촉이 없어진다면 그것은 일어나지 않 을 것이고, 모든 곳에서 가능하다면, 그것은 각각의 위치에서 동시에 없어질 것이다. 둘 이상의 위치가 있는 경우에는, 그들이 일반적으로 축선방향으로 이격될 필요가 있다. 하지만, 그들을 인접시키기 위하여, 그들이 보어 주변에서 각을 이루며 이격되도록 할 필요가 있을 수도 있다. 하지만, 그것이 상기 위치가 각도를 이루도록 하는 것은 가능하나 길이방향으로는 이격되지 않는다.

상술된 바와 같이, 둘 이상의 위치는 길이방향으로 인접할 수도 있다. 한 곳에서 접촉이 없어지면, 전극 예열길이(L)가 변화하긴 하나, 먼 곳에서의 단락을 초래하는 변화에 비하면 거의 없다고 볼 수 있을 정도로 아주 약간의 변화만이 발생한다. 하지만, 중요한 것으로서, 개방회로 조건은 둘 중 하나 이상의 위치에서 접촉이 없어지는 결과로서 단순하게 발생되는 것은 아니다.

본 발명의 콘택트 팁의 배열은 실질적으로 최대이나 실질적으로 일정한 전극의 저항가열이 존재하도록 되어 있다. 이것은, 제1전기접촉의 위치로부터 작업물과 전극의 리딩 단부 사이에서 생성되는 용접 아크의 최상부까지의 전극의 길이(L)와 관련된다. 전극이 몸체와 제2접촉을 하게 되는 보어의 출구단부와 제1전기접촉의 위치간에 1이상의 지점이 존재할 수도 있다. 하지만, 보어 길이의 나머지부분을 따르는 상기 몸체는 실질적으로 제1전기접촉을 단락시키지 않도록 되어 있다. 따라서, (필요하다면) 제2접촉은 저항 가열이 달성되는 유효 길이(L)를 줄이지 않는다.

상기 몸체는, 전극이 보어 길이의 제1접촉영역내의 1이상의 위치에서 상기 보어를 형성하는 표면과 슬라이딩 접촉상태로 유지되는 접촉수단이 제공되는 전극과 제1전기접촉이 가능하도록 되어 있다. 접촉수단은, 상기 각각의 위치에서 보어 내에 횡방향으로 돌출되도록 콘택트 팁의 몸체에 장착되는 핀, 플런저, 볼, 스크루 등을 포함할 수 있다. 핀, 플런저, 볼 등을 포함하는 접촉수단은 보어내로 돌출되도록 탄성적으로 편향될 수 있다. 상기 접촉수단이, 스크루 등을 포함하는 경우에는 상기 몸체에 나사결합식으로 맞물림되고 보어내에서 축선방향으로 움직여 돌출되도록 회전가능하다. 각 경우에 있어, 상기 접촉수단은 핀, 플런저, 스크루 등이 전극과 접촉하는 베어링패드를 포함할 수 있다. 상기 베어링패드는 내마모성 재료나 보다 연질의 저마찰 재료로 이루어질 수 있다. 상기 베어링패드는 흑연과 같은 도전성재료 또는 Teflon과 같은 전기절연재로 이루어질 수도 있다.

전극을 제1접촉영역을 형성하는 표면내에 자리하도록 보어를 구성함으로써 전극에 의한 제1전기접촉이 가능해지는 경우에, 상기 보어는 보다 큰 단면으로부터 제1접촉영역의 단면까지 감소된다. 도전 영역에서, 상기 보어의 직경은 더욱 작지만 팁을 통해 와이어를 원활히 통과시키기에는 충분하다. 이러한 배열은 와이어가 상기 영역의 작은 부분의 보어내로 바람직하게 자리하도록 되어 있다. 따라서, 유효 전류전달영역은, 제1접촉영역의 전체 전도 길이에서부터 보다 긴, 와이어가 자리하는 영역에서부터이다. 이는, 접촉영역이 가장 크고, 주요 전류공급경로가 최소 전체 전기저항 중 하나인 경우에 전기 접촉저항이 줄어들기 때문이다. 보어의 도전 길이는 실버 스틸과 같은 경화가능한 강 또는 구리나 구리의 합금과 같은 단일 재료로 이루어질 수 있다. 대안적으로는, 바람직한 재료 상태를 갖는 2가지 재료가 사용될 수도 있다. 전극이 보어 표면내에 자리하는 위치에서, 보어를 형성하는 재료는 상대적으로 더 높은 경도로 된 하나로부터 상대적으로 더 낮은 경도로 된 하 나까지 변화하는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 그 배열은 전극 코일의 곡률 및 전극의 굳기는 전극을, 상대적으로 낮은 경도로 이루어진 재료내에 바람직하게 자리하도록 할 수 있는 위치에서 보어의 표면과 슬라이딩 접촉상태가 되도록 한다.

소모품의 양호한 이송가능성은 예열 길이(L)가 안정적이 되도록 하는데 필요한 조건이다. 이것은, 와이어의 이송속도에 있어서의 급격한 변화와 관련하여 과도적인 전자기장이 안정되도록 한다. 여기서 말하는 와이어 이송속도의 변화는 Yamaha 등에 의한 상술된 참고자료에 설명되어 있다.

도 1은 종래기술의 콘택트 팁의 개략적인 측면도;

도 2는 도 1의 콘택트 팁을 위한 각각의 작동조건하에서 전극 와이어 이송속도 대 전류를 나타내는 도;

도 3은 본 발명에 따른 콘택트 팁의 제1형태의 개략적 측면도;

도 4 내지 15는 각각 본 발명에 따른 콘택트 팁의 추가 형태를 나타내는 개략적 측면도;

도 16은 본 발명에 따른 콘택트 팁을 사용하여 생성되는 도금용접상의 비드의 확대사진;

도 17은 도 16의 비드의 현미경사진;

도 18 및 19는 각각 종래의 콘택트 팁과 본 발명에 따른 콘택트 팁을 사용하는, 판 용접상의 FCAW 퇴적 비드를 예시한 확대사진;

도 20 및 21은 각각 도 18 및 19의 퇴적부의 현미경사진;

도 22는 본 발명에 따른 콘택트 팁을 사용하여 생성된 랩 용접을 나타낸 도이다.

다음의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다. 상기 설명은 주로 GMAW를 기초로 하고 있으나, SAW 및 FCAW에 대한 원리 및 결론들이 적용되기도 한다.

가장 기본적인 표현으로, GMAW를 위한 장비의 작동에 대해서는 등가의 DC 전기회로의 작동을 참조로 하여 이해할 수 있다. 용접 전력 공급부는 본질적으로 일정한 전압으로 전류의 소스를 제공한다. 상기 전압에 대한 영점 기준은 작업물의 전위이다. 와이어의 형태의 소모품은 스풀로부터 용접 토치 내측의 라이너를 통해 이송되며 토치의 단부에서 콘택트 팁으로부터 나온다. 콘택트 팁의 단부와 작업물의 표면사이의 공간에서는, 전기 아크가 와이어의 단부를 가열하여 그것을 용융시킨다. 액체금속 액적은 와이어의 단부로부터 작업물로 이송된다.

금속 이송에 있어 2가지의 개별적인 모드가 있다. 첫번째는 와이어 소모품이 작업물의 표면과 순간적으로 접촉하는 딥 이송(dip transfer)이다. 일정한 전압조건을 유지하기 위한 시도에 있어서, 전력 공급부는 팁의 와이어를 통해 짧은 시간동안의 다량의 전류의 분출(burst) 및 와이어의 단부와 작업물간의 단락 접촉저항을 인가한다. 상기 전류의 분출은 와이어를 다시 용융시키고 와이어의 단부와 작업물의 표면 사이의 공간에 전기 아크를 조성한다. 상기 프로세스는 초당 100회 정도의 빈도로 반복된다. 여러 사이클에 걸쳐 평균화된 전체 전류은 상대적으로 적으며, 이러한 이유로, 딥 이송은 시트 금속의 용접에 흔히 사용된다. 딥 이송에 의한 퇴적에 있어서의 한가지 심각한 단점은 상당한 레벨의 스패터(spatter)의 발생에 있다.

보다 높은 전류 레벨에서, 와이어 용융속도는 작업물 표면상의 용접 풀의 표면과 와이어의 단부간에 비교적 일정한 갭을 유지시키기에는 충분히 높다. 아크를 통해 이동하여 작업물에 도달하는 와이어의 단부로부터 떨어지는 금속의 액적에 의하여 금속의 이송이 이루어진다. 상기 이송 형태는 스프레이 이송이라고도 불리며 높은 퇴적률을 얻는데 사용된다.

도 1은 예를 들어, 구리-베릴륨 합금으로 만들어지는 원통형 구리합금 팁(10)의 예시를 나타낸다. 상기 팁(10)은, 가령 1.2mm 직경의 소모성 중실 강의 와이어를 이용한 로보틱 용접에 적합하다. 상기 팁(10)은 딥 및 스프레이 이송 모드에 적합하다. 상기 예시는 통상적인 용접 팁의 작동 원리를 설명하고 본 발명과 관련된 성능 향상을 강조하기 위해 선택되었다.

팁(10)은 용접 토치의 콘택트 팁 홀더와 기계적, 전기적 및 열적 연결이 가능하도록 입구 단부에 나사부(12)를 갖는다. 상기 나사부(12)는 원뿔대 가이드(13)를 형성하고 전류의 소스를 제공하는 콘택트 팁 홀더내로 나사결합될 수 있다. 또한 상기 홀더는 팁내의 전류에 의하여 생성되는 열, 상기 팁(10)의 와이어 소모품을 따라 전도되는 열 및 아크에 의하여 방사되고 순차적으로 상기 팁(10)에 의하여 흡수되는 열을 위한 열흡수장치(heat sink)로서의 역할을 한다. 콘택트 팁 홀더에 도달하는 열은 수냉 토치의 토치내의 물의 유동 및 공냉 토치의 토치내의 공기의 대류 흐름에 의하여 제거된다.

콘택트 팁(10)은 또한 팁 몸체(16)를 통하여 연장되는 길이방향 보어(14)를 갖는다. 통상적으로, 상기 보어(14)는 와이어 소모품의 직경보다 0.1mm 내지 0.2mm 정도 더 큰 직경으로 이루어진다. 후자는 가이드(13)에 의하여 보어(14)내로 안내된다. 스틸과 플럭스-코어(flux-cored) 소모품들을 이용하는 용접을 위하여 디자인된 팁에 대해 0.1 내지 0.2mm의 클리어런스가 통상적이다. 일반적으로, 와이어와 팁간의 전기적 접촉은 클리어런스가 작을수록 신뢰성이 높아진다. 알루미늄 합금과 같은 여타의 소모성 재료와 관련하여, 상기 합금은 연질이며 상대적으로 이송이 어렵기 때문에 클리어런스가 더 클 수 있다. 와이어와 팁간의 클리어런스를 확대시키는 것은 팁을 통한 와이어의 기계적 이송가능성에 기여한다.

팁(10)의 몸체(16)는 8mm 정도의 평균 직경을 갖는다. 이는, 팁이 구리의 연화를 억제하기에 충분히 낮은 온도에서 작동할 수 있도록 팁(10)을 통하여 콘택트 팁 홀더까지 열이 적절히 전도될 수 있도록 하기에 충분히 크다. 팁의 전체 길이는 35mm 정도이며, 가이드(13)의 내측 단부로부터의 보어(14)의 길이는 25mm 정도이다. 가령, 보어(14)의 길이는 보어(14)내에서의 와이어와 몸체(16)와의 전기접촉이 연속적으로 달성될 수 있도록 하기 위한 것이다. 보어(14)의 내측단부(17), 내측단부(17)와 출구단부(18) 사이 또는 출구단부(18)에서 보어(14)의 내측면과 와이어 소모품과의 접촉이 이루어질 수 있다. 또한, 콘택트 팁(10)의 보어(14)내의 1이상의 지점에서 동시에 접촉이 이루어질 수도 있다. 상기 접촉 지점들의 위치는 와이어와 보어(14) 사이의 클리어런스, 일반적으로 원형 스풀로부터 이송될 때의 와이어의 곡률 및 용접 토치의 네크(neck)에서의 임의의 곡률과 같은 인자들에 따라 좌 우된다.

도 1에 도시된 콘택트 팁(10)의 35mm인 전체 길이는 구리의 사용시 절약을 위해 지정된 것이다. GMAW에서는, 용접 풀, 용접 아크 및 팁(10)의 단부(14b)로부터 나타나는 와이어를 위한 보호용 가스 커버를 제공할 필요가 있다. 원통형 용접노즐은 팁을 둘러싸며 팁의 단부로 연장된다. 팁의 외측면과 용접노즐의 내측면 사이의 환상 영역에는 가스 유동이 있다.

콘택트 팁의 성능과 가장 밀접하게 관련된 논제들 중에서, 가장 중요한 것이 와이어의 이송가능성이다. 이것은, GMAW 용접 프로세스의 원활한 작업은 소모성 전극을 포함하는 와이어 또는 스트립에 대하여 균일한 이송속도를 조성할 수 있는지에 따라 좌우된다는 것이 Yamaha 등의 상술된 연구자료를 통해 알려져 있다. 이는, 균일한 용융속도가 달성되도록 하는 동시에, 아크 길이의 변화를 줄일 수 있다. 하지만, Yamaha 등에 의하면 이송 롤러 시스템은 구리 콘택트 팁의 이송 롤러측상에서는 기대치의 일정한 와이어 이송속도를 조성하나, 토치 측상의 와이어의 경우, 따라서 콘택트 팁으로부터 나온 와이어의 경우와는 차이가 있다는 것을 발견하였다. 오히려, 그들은, 토치측상에서 와이어의 속도는 실질적으로 불규칙적으로 변할 수 있으며 상기 불규칙한 변화는 수천분의 수초 정도의 간격에 걸쳐 대략 0에서부터 평균 와이어 이송속도의 두배까지 변할 수 있다는 것을 발견하였다.

Yamaha 등에 의하여 보고된 연구자료에서 사용된 콘택트 팁에서 나타나는 와이어 표면과 구리 콘택트 팁의 내측면에 대한 검사는 상기 와이어와 각 콘택트 팁 사이에 용융, 용해 및 접합이 발생된다는 것을 보여주었다. 콘택트 팁을 통한 와이어의 멈춤-개시(stop-start) 움직임은 주로 와이어와 팁간의 관계에 의한 것이다.

본질적으로 토치측상의 와이어 속도의 불규칙한 변화는 아크의 길이 변화에 영향을 미친다. 하지만, Lancaster에 의한 상술된 자료에 의하면 상기 와이어 속도의 불규칙한 변화의 추가적인 악영향에 대해 강조되어 있다. 상기 자료에서, Lancaster는 아크 용접작업동안 콘택트 팁과 작업물 사이의 공간에 강한 전자기장이 존재한다고 보고하고 있다. 전자기장들은 변화를 억제하는 한편, 움직이며 전류를 전달하는 전기 컨덕터는 물리적인 힘 및 유도된 전류의 영향을 받는다고 알려져 있다. 따라서, 와이어 소모품이나 아크 자체의 전류와 관련된 전자기장은 와이어의 속도의 변화에 반하도록, Yamaha 등에 의하여 보고된 불규칙적인 변화에 대응할 것으로 기대된다. 이러한 형태의 전자기적 대응은 와이어 소모품내에서 유도된 전류의 변화에 반영된다. 더구나, 유도된 전류 및 전압 또한 허용가능한 용접조건을 유지하기 위한 전원 공급 전류의 안정적인 운용을 방해한다. 토치측상의 와이어 속도의 불규칙한 변화로부터 초래되는 비정상적인 와이어의 이송과 관련된 전압 및 전류의 과도적특성(transient)은 소모성 와이어의 순간적인 용융속도가 아크 길이의 제어를 더욱 악화시키는 쪽으로 변화되고 잠재적으로는 아크가 불안정해지도록 한다.

도 1에 나타낸 콘택트 팁(10)과 관련하여, 와이어 용융속도에 대한 이론적인 상한과 와이어 용융속도에 대한 이론적인 하한을 설정할 수 있다. 그 원리는 다음의 대수적 표현,

W = aI + bLI²

(여기서, "W", "I", "a", "b" 및 "L"은 앞에서 설명되었음)을 토대로 하는 GMAW의 와이어 퇴적 속도에 대하여 성립된 공식을 참조로 하여 요약될 수 있다. 또한, 간명히 하기 위하여, 그러나 일반성을 잃지 않고, 하향 위치로의 용접이 가정된다.

와이어 이송속도의 상한을 조성하는 것은, 콘택트 팁(10)을 통과함에 있어 와이어가 보어(14)의 입구단부에서만 접촉하기 때문에 팁과는 다시 접촉하지 않고 상기 팁을 통해 진행하다는 것을 가정한다는 것이다. 또한, 작업물(도시 안됨)로부터의 콘택트 팁(10)의 보어(14) 단부(18)의 거리는 상기 용접 팁의 일반적인 사용에 있어 통상적인 20mm이며, 아크의 길이는 8mm라 가정한다. 상기 설명을 간단히 하기 위해, 상기 아크의 길이는, 비록 실제에 있어서는 전압, 전류 및 전송의 모드에 따라 좌우되지만 실제에 있어 일정한 것으로 받아들이기로 한다. 보어(14)의 길이는 25mm이므로, 파라미터 "L"은 37mm(25mm + 20mm - 8mm)와 같다(즉, 와이어가 아크영역으로 들어가기 이전에 용접전류에 의하여 37mm의 와이어가 예열된다). 이것이 "L"에 대한 상한이므로 W에 대응되는 값은 와이어 용융속도와 그에 따른 와이어 이송속도에 대한 상한이다.

와이어의 이론적인 이송속도에 대한 하한 또한 조성될 수 있다. 콘택트 팁(10)으로 들어갈 때에 와이어는 팁의 보어(14) 출구단부(18)에서만 접촉한다. 이러한 조건하에서, 25mm 정도의 와이어의 예열길이(보어의 길이)가 축소되어, 파라미터 "L"의 유효값은 12mm(20mm - 8mm)이다. 그러므로, W에 대응되는 값은 와이어 용융속도의 하한을 나타낸다.

1.2mm 직경의 구리코팅 중실 스틸 와이어에 대한 와이어 이송속도의 공개된 데이터를 사용하면, 파라미터 "a" 및 "b"가 계산되고, 순차적으로 콘택트 팁의 단부와 작업물 사이의 20mm의 통상적인 거리 및 도 1에 나타낸 구리 팁에 대한 와이어의 용융속도에 대한 상한과 하한을 추정한다. 100 내지 270 암페어 범위의 용접전류에 대하여 와이어의 용융속도에 대한 상한과 하한이 도 2에 나타나 있다. 도 2에 나타낸 데이터로부터, 상한과 하한 사이에는 상당한 차가 있다는 것을 알 수 있다. 8m/분 정도의 와이어의 이송속도에 대하여, 요구되는 용접전류는 12mm의 L에 대한 값에 대응되는 270A이다. L에 대한 값이 37mm로 증가한다면, 8m/분의 와이어 이송속도를 유지하기 위하여 요구되는 전류는 180A 정도로 줄어든다. 3m/분 정도의 와이어 이송속도에 대하여, 요구되는 용접전류는 12mm의 L에 대한 값에 대응되는 150A이다. L에 대한 값이 37mm로 증가된다면, 용접전류는 100A 정도로 줄어든다.

2가지 와이어 용융 메커니즘, 즉 저항 가열과 전기 아크에 의한 가열 중에서, 저항 가열이 바람직하다. 그것은 재현성이 있으며 용접회로를 조성하는 전류 또한 와이어 소모품을 가열시키기 때문에 특히 효과적이다. 한편, 전기 아크는 20000K에 이르는 온도에서 이온화되는 가스를 특징으로 한다. 예를 들어 스틸 와이어 소모품의 용융점은 1800K 정도이고, 아크 지배(arc-dominated) 프로세스를 위한 균일한 용융속도를 얻기 위해서는 아크 길이의 정확한 제어가 필요하다. 12mm와 비교하여 37mm 예열길이의 장점은 열 입력을 줄일 수 있을 뿐 아니라 실질적으로 더욱 효율적인 퇴적 프로세스가 되도록 한다. 예를 들어, 8m/분의 와이어 이송 속도 에 대하여, L = 12mm라면 저항 가열은 4.5m/분, 즉 전체 와이어 용융속도의 50%를 약간 상회하는 수준이다. L = 37mm라면, 저항 가열은 대략 6m/분, 즉 전체 용융속도의 70% 수준이다. 와이어 이송속도가 증가함에 따라 상기 비율을 커진다.

콘택트 팁의 보어내의 접촉 지점의 위치 및 개수가 와이어 용융속도에 중대한 영향을 미칠 수 있다는 것을 도 1 및 2를 참조로 한 설명을 통해 알 수 있다. 원통형 콘택트 팁으로부터 상기 팁내의 와이어로 전류를 전달함에 있어서의 몇가지 중요한 특징들은 원통형 튜브의 전기적 저항의 분석을 통해 알 수 있다. 이것은, 내경 1.2mm 및 외경 8mm의 보어를 갖는 25mm 길이의 원통형 튜브를 참조하여 설명될 수 있다. 상기 튜브의 전기저항에 대하여 2개의 관련된 제한적 값이 있다.

전류는 튜브의 단부들 사이에 전압을 인가함으로써 튜브에 길이방향으로 공급될 수 있다. 대응되는 저항 R_longitudinal은 다음과 같이 표현될 수 있다.

R_longitudinal = s x A^-1

여기서, s는 튜브 재료의 저항이고, x는 튜브의 길이이며, A는 단면적이다. 튜브를 통과하는 전류가 I라면, 튜브의 단부들 사이의 전류를 구동하는 전위차(V)는 전류와 저항의 곱인 다음 공식으로부터 계산될 수 있다.

V = I R_longitudinal

전류는 또한 보어의 내측 표면 및 튜브의 외측 표면 사이에 전압을 인가함으로써 공급될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, R_radial로 표기되는 튜브의 유효저항은 다음 과 같이 표현될 수 있다.

R_radial = ln(r_O/r_I)/(2πσx)

여기서, σ는 튜브의 전기 전도도이고, r_O 및 r_I은 각각 튜브의 외측 반경 및 내측 반경이다. 튜브의 벽을 통과하는 전류가 I라면, 전위차는 앞에서와 같이 전류와 저항의 곱인 다음 공식으로부터 계산될 수 있다.

V = I R_radial

표 1은 구리와 흑연으로 된 각 튜브에 대한 R_radial 및 R_longitudinal에 대하여 계산된 값을 나타낸다. 표 1에서 튜브 형태의 치수는 용접 콘택트 팁에서의 전류의 전달의 논의를 위해 적절하다. 직경 1.2mm의 와이어는 사용의 용이함과 생산성에 있어 가장 대표적인 크기 중 하나이다. 표 1로부터, 반경방향의 저항은 대략적으로 길이방향의 저항에 대응되는 값보다 어느 정도 작다는 것을 알 수 있다. 따라서, 튜브로부터 튜브내 와이어로의 가장 효과적인 전류 전달이 튜브의 전체 길이에 걸쳐 와이어와 튜브간의 밀접한 접촉에 의하여 분명하게 얻어진다. 이러한 이상적인 조건하에서는, 흑연으로 된 튜브의 반경방향의 저항도 2.4*10^-4옴으로 낮다. 220A의 전류에 대하여, 이에 대응되는 튜브의 외측 표면과 보어의 내측 표면간의 전위차는 0.05V 정도로 낮다.

반경방향 및 길이방향 저항에 대하여 계산된 값

재료	구리	흑연
내경 - mm	1.2	1.2
외경 - mm	8	8
길이 - mm	25	25
저항 - Ohm.m	7*10-8	2*10-5
전도성 - (Ohm.m)-1	1.4*107	5*104
Rradial - Ohm	8.6*10-7	2.4*10-4
Rlongitudinal - Ohm	3.5*10-5	9.9*10-3

통상적으로, 길이방향 저항은 대응되는 반경방향 값보다 적어도 어느 정도는 큰 크기를 갖는다. 구리의 경우, 길이방향 저항은 1.5*10^-6옴이고 따라서 최소이다. 흑연의 경우에 길이방향 저항은 10밀리-옴이다. 220A의 전류에 대하여, 흑연 튜브의 단부들간의 전위차는 알 수 있는 2.2V면 충분하다.

튜브 벽을 통해 반경방향으로 전달되는 전류에 의한 팁의 저항 가열은 구리의 경우 최소이며 흑연의 경우에도 낮다. 옴의 법칙을 통해, 튜브로부터 나오는 와이어의 전위는 사실상 튜브의 전위와 동일한 것으로 나타낼 수도 있다. 따라서, 튜브내의 와이어의 어떠한 예비가열이 최소화되고, 그에 대응되는 용융속도는 가능한 한 하한으로 존재할 것이다. 완전한 전류 전달의 예시로 고려될 수도 있는 본 예시와 관련하여, 주어진 전류에 대한 와이어의 용융속도가 최소화된다는 것을 이해할 수 있다. 다시 말해, 보어의 전체 길이에 걸쳐 와이어와 팁간의 완전한 접촉이 존재하거나 앞서 나타낸 바와 같이 출구단부에서만 접촉이 이루어진다면 상기 최소 와이어 용융속도가 얻어진다는 것을 알 수 있다.

실제에 있어서, 와이어 소모품과 팁의 보어 사이에 약간의 클리어런스가 있 다. 다수의 개별 위치에서 전기접촉이 일어난다. 따라서, 콘택트 팁내의 와이어의 2이상의 동시 접촉점의 결과를 고려하는 것이 적절하다. 고려해볼 수 있는 가장 단순한 예시는 입구단부와 출구단부에서는 팁과 와이어의 동시 접촉이 일어나고 중간에서는 접촉이 일어나지 않는 것이다. 실온에서, 베릴리움 구리의 저항은 7*10^-8 Ohm.m정도이다(표 1 참조). 저탄소강의 저항은 1.2*10^-7Ohm.m정도이다. 구리 팁의 단면과 와이어 소모품의 단면의 비는 50 내지 100 : 1 정도인 것이 보통이다. 팁의 상대적으로 큰 단면적과 커플링되는 구리 팁의 낮은 저항의 조합은, 입구단부와 출구단부 사이의 와이어의 어떠한 전류가 구리내의 평행한 전기적 경로, 즉 R_longitudinal에 의하여 현격히 줄어들 수 있다는 것을 의미한다. 유효 전류공급경로는 중간에서의 접촉 없이 입구단부와 출구단부에서 동시 접촉이 존재한다면 팁의 출구단부에서 콘택트 팁의 몸체를 통해 와이에 이른다. 만일 초기에 입구단부에서만 접촉이 있고, 순차적으로 출구단부에서 접촉이 존재한다면, 와이어는 상기 와이어 단면내의 전류가 최소값으로 줄어들기 때문에 냉각된다.

따라서, 팁의 출구단부에 전기접촉이 있다면, 실제적인 한도내에서 L에 대한 유효값은 8mm의 아크 길이에 대해 12mm 정도가 된다. 앞서 설명된 바와 같이, 아크의 길이는 일정하게 취해질 것이다. 구리 콘택트 팁의 마모에 대한 검사는 본질적으로 와이어 소모품과의 연속적인 접촉을 나타내는 출구단부에서의 키홀링 효과(keyholing effect)를 보여준다. 도 1에 설명된 형태의 콘택트 팁에 대하여, L에 대한 유효값은 12mm이다. 출구단부에서의 이러한 전류 전달은 적어도 용접전류 의 생산적 사용을 나타낸다. 전기회로는 팁의 출구단부에서 완성되지만, 용접전류는 팁을 통해 전도되어, 팁내의 와이어의 어떠한 예열도 최소화된다.

와이어 및 팁의 접촉점의 전기적 안정성은 보다 밀접한 관계를 가진다. 와이어가 팁의 출구단부와의 접촉에 순간적으로 실패한다면, 와이어 단부에서의 전압은 그것이 아크 영역으로 들어갈 때, 상기 실패가 없었다면 안정적인 값으로 유지될 수 있는 상태가 변화될 것이다. 아크 길이는 아크 전압에 따라 좌우된다. 와이어 단부에서의 전압의 어떠한 변화이든 아크의 길이에 악영향을 미치며, 그에 따라 순차적으로 용접 스패터 및 와이어 소모품의 번-백(burn-back) 가능성을 가져와 아크의 안정성에도 악영향을 미친다. 번-백은 팁에 대한 와이어의 용접에 있어 팁의 중간 실패를 야기하는 결과를 가져온다.

주어진 전류에 대하여, 팁으로부터 나오는 와이어 소모품의 전압의 불규칙적 변화는 와이어의 저항에 따라 좌우된다. 전기저항은 온도에 종속적이다. 따라서, 팁내의 와이어 소모품의 평균온도를 추정할 필요가 있다. Radaj에 의한 상술된 자료에는, 자동적인 일정한 이송을 갖는 와이어 전극과 관련하여 온도는 전류 입력 지점으로부터 와이어의 단부까지 거의 선형으로 증가한다고 보고되어 있다. 아크의 바로 부근에서는, 와이어의 온도가 급격히 상승한다. 와이어의 단부에 부착된 액체금속의 액적의 온도는 소모품의 용융점을 상회하지만, 상기 소모품의 끓는점 이하가 될 것으로 예견된다.

구리 팁내의 와이어의 다중 접촉의 효과 및 구리 팁에 의한 용접의 경험치의 주어진 해석에 따르면, 팁내의 와이어의 평균온도는 220A의 동작전류에 대해 100℃ 정도라고 판단된다. 대응되는 와이어의 이송속도는 6m/분 정도이고, 전달 모드는 스프레이 전달이며, 따라서 상기 특정 예시에 대해 220A가 선택되었다. 상기 추정된 100℃의 평균 온도 상승은 40% 정도의 스틸의 저항 증가를 나타낸다. 실온 저항이 1.2*10^-7Ohm.m, 와이어의 직경이 1.2mm, 팁내 보어의 길이가 25mm, 평균 용접전류가 220A라면, 팁의 보어내의 25mm의 와이어 길이의 단부들간의 전위차는 옴 법칙으로부터 0.8V정도이다. 구리 팁 자체내의 전압 강하는 최소이기 때문에, 팁으로부터 나온 와이어의 저항 가열과 관련된 전압의 전체적인 불규칙적 변화는 0.8V정도가 될 것이다.

제조자의 데이터에 의하면, 220A에서의 스프레이 전달에 대한 전압 공급원의 전압은 30V 정도이다. 30V에서 0.8V의 전압의 불규칙적 변화는 심각하지 않은 것으로 여겨질 수 있다. 하지만, 이러한 전압의 불규칙적 변화와 관련하여, 팁으로부터 나오는 와이어와 팁의 출구 단부사이의 아킹의 가능성이 있다. 상기 아킹은 접촉이 끊어지거나 그 반대로 접촉이 다시 일어나는 경우에 와이어로부터 팁으로의 전류의 전환이 발생한다. 아킹은 또한 와이어의 단부에서 유도 전압을 발생시킨다. 나아가, 앞서 언급된 Yamaha의 연구자료에 의하면, 아킹은 와이어의 표면과 팁의 보어의 융합을 야기하여, 와이어와 팁 사이에 접착력을 생성시킨다. 와이어의 이송속도는 비정상적이 되어 아크의 불안정성 및 스패터를 야기한다.

이제부터, 실질적으로 상술된 예시에서 언급한 100℃보다 높은 접촉 팁내의 와이어의 예열을 달성할 수 있는 방법을 제시할 것이다. 팁으로 들어갈 때, 와이어 는 입구단부와는 접촉하지만 상기 팁과의 더 이상의 접촉은 없는 것으로 가정하자. 앞서 설명한 바와 같이, L에 대한 유효값은 37mm이며, 그 중 25mm는 팁의 보어내에서 얻어진다. 이러한 조건하에서, Radaj의 상술된 연구자료에 의하면, 팁내의 와이어의 평균온도는 500℃ 정도가 될 것으로 판단된다. 스틸과 관련된 공개 데이터에 의하면, 팁내의 와이어의 저항은 6*10^-7Ohm.m까지 5배 증가한다고 추정된다. 옴의 법칙으로부터, 팁의 보어내 와이어의 전압 강하는 220A의 전류에 대해 2.9V 정도이다. 팁내의 와이어에서 생성되는 전력에 대하여 대응되는 값은 650W 정도이다. 이는, 전류 전달의 가장 생산적인 모드를 나타낸다. 전기회로는 콘택트 튜브의 입구에서 완성되고, 전체 용접전류는 전기 아크를 유지할뿐만 아니라 소모품을 예열시키는데에도 사용된다. 입구단부에서의 접촉이 연속적으로 유지된다면, 전압의 불규칙적 변화 및 와이어의 이송속도 또한 최소화되어 액적의 형성 및 전달의 프로세스를 개선시킨다.

또한, 팁이 관련 작동온도에서 2*10^-5ohm.m의 저항을 갖는, 상업적으로 이용가능한 흑연으로 만들어진다고 가정하자(표 1 참조). 표 1로부터, 직경 8mm의 흑연 팁의 길이방향의 저항은 0.01 Ohms 정도이며, 확인할 수 있듯이 팁내의 와이어의 저항과 비교가능하다. 입구단부와 출구단부에서 동시에 접촉이 있었다면, 용접전류는 와이어와 팁간에 대략적으로 동등하게 분할될 것이다. 저감된다하더라도, 와이어의 예열은 여전히 상당할 것이다.

접촉 지점이 입구단부와 출구단부 사이에서 번갈아 나타난다면, 전류의 분포 는 와이어 소모품에 의하여 전체적으로 운반되는 것에서 와이어 소모품과 팁간에 분할되는 것까지 번갈아 나타날 것이다. 와이어와 팁간의 아킹은 상기 접촉이 이루어지거나 끊어질 때 발생하며, 접촉영역내의 국부적인 가열의 양은 스위칭(switching) 전류의 크기에 따라 좌우된다. 금속 대 금속의 접촉으로부터, 전류 스위칭의 상기 형태는, 와이어와 팁의 국부적 융합을 가져오며, 또한 팁에 대한 와이어의 접합을 가져올 것으로 예견된다. 구리 팁에 대해서는, 스위칭 전류가 실질적으로 흑연의 경우보다 크기 때문에 문제가 악화될 것이다. 흑연 팁의 경우에는, 와이어가 흑연에 접합되려는 경향이 거의 없기 때문에 와이어의 이송속도가 안정적으로 유지된다. 팁의 길이방향 저항이 팁내의 와이어의 저항과 매치되도록 적절한 저항을 갖는 흑연재료를 선택함으로써, 와이어 소모품으로 전류를 적절히 전달하는 동시에 상술된 스위칭 전류의 크기를 최소화시킬 수 있다. 또한, 구리의 저항은 너무 작아서 상기 스위칭 전류에 있어서의 이러한 형태의 저감을 가능하게 할 것은 분명하다.

상기 설명으로부터 2개의 결론이 나온다. 콘택트 팁이 구리의 저항만큼 낮은 저항을 갖는 재료로 만들어진다면, 그 때의 전류 전달 영역은 다중 접촉의 효과를 최소화시키기 위해 가능한 한 컴팩트해야 한다. 콘택트 팁이 흑연의 저항과 같은 높은 저항의 재료로 만들어질 경우에는, 만일 길이방향 팁의 저항과 와이어의 저항이 비슷하다면 이러한 조건은 완화될 수도 있다.

팁의 저항과 와이어의 저항을 매칭시키는 이러한 형태는 아크 길이 및 용접전류의 안정성을 개선시켜 GMAW, FCAW 및 SAW에 대한 성능을 향상시킨다. 동시에, 와이어 예열의 장점이 실현된다(즉, 파라미터 L에 대한 유효값이 증가된다). 와이어와 팁의 전류의 강하는 와이어와 팁의 저항뿐만 아니라 치수와도 관련되기 때문에, 보다 유용한 결론으로는, 작동조건하에서, 팁의 저항이 팁이 초기 입구 길이를 넘는 팁내의 와이어의 저항을 매치시킬 것을 제안하고자 한다. 상기 가이드라인은 팁내의 와이어의 다중 전기접촉의 전압과 관련한 바람직하지 않은 효과들을 줄이긴 하나, 상기 가이드라인은 와이어와 팁의 제1접촉이 팁의 입구에서 유지된다는 가정에 암시적으로 의존한다. 예를 들어, 출구단부에서 길게 늘여진 접촉이 존재한다면, 상기 길게 늘여진 접촉은 궁극적으로는 팁의 저항 가열 및 용융속도의 저감으로 일한 불안정을 야기할 수 있다. 예열길이(L)에 대해 균등한 값이 줄어들기 때문에 와이어의 용융속도는 느려질 수 있다.

따라서, 콘택트 팁의 입구단부는 와이어로의 전류의 제1소스인 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위한 한가지 방법은 와이어와 팁의 보어 사이의 클리어런스를 최소화시키는 것이다. 작은 클리어런스 및 와이어가 스풀로부터 풀릴 때의 약간의 곡률의 조합은 입구단부에서 양호한 전기접촉이 이루어지도록 할 수 있다.

팁의 입구단부에서의 제1접촉 지점의 안정성은 팁의 입구단부에서 보어쪽 방향으로 약간의 변화를 줌으로써 크게 향상될 수 있다. 와이어와 보어 사이의 작은 클리어런스와 보어 방향으로의 약간의 변화의 조합은, 항시 양호한 접촉이 얻어도록 하고, 보어내의 상당히 길게 늘여진 어떠한 추가적인 접촉의 가능성도 확실히 줄여준다. 이러한 형태의 접근법은 일반적으로 구리 팁에 대해서는 사용되지 않는다. 왜냐하면 제조시에 복잡한 기계가공이 필요하기 때문에 실질적으로 비용의 증 가가 야기된다. 그럼에도 불구하고, 몇가지 선례가 있다. 예를 들어, 특허 GB 2074069는 입구단부에서 여느 방향으로 약간의 변화를 준 복잡한 구리 팁에 대한 디자인의 예시를 제시하고 있다. 구리 팁과 관련하여, 이런 방법 형태의 장점은 극히 제한적이다. 다중 접촉의 바람직하지 않은 효과, 특히 팁에 대한 와이어의 접합이 여전히 존재한다. 번-백 또한 문제점이다.

와이어 또는 스트립의 균일한 이송을 달성하기 위해 특히 바람직한 팁의 재료와 관련된 5가지 특성이 있다. 그 중 첫번째는 와이어 또는 스트립과 콘택트 팁의 재료 사이의 작은 마찰계수이다. 작은 마찰계수는 와이어가 팁을 통해 이동할 때 비교적 일정한 와이어의 이송속도가 얻어지도록 한다. 팁의 재료는 자체 윤활(self-lubricating)이 가능한 것이 이상적이다.

두번째 요건은 팁내의 가열된 소모품과 용접 아크에 근접성과 관련하여 상승된 온도에 대한 저항이다. 따라서, 내열 재료가 바람직하다.

예를 들어, 와이어 또는 스트립의 치수에 있어서의 불규칙함으로 인해 소모성 와이어 또는 스트립과 콘택트 팁의 내측 표면간의 전기접촉은 연속적일 수 없다. 이 때 팁의 내측에는 간헐적인 전기 아크가 생성된다. 상기 아크는 와이어 또는 스트립을 소모품의 용융점 또는 그를 초과하는 온도까지 국부적으로 가열시킬 수 있다. 이 경우에, 세번째 요건으로서, 상기 소모품의 표면에서 생성되는 어떠한 액체 금속도 콘택트 팁의 내측 표면을 쉽게 적시거나 그에 접합되지 않는 것이 바람직하다. 적절한 내열성의 비금속 재료로 만들어진 콘택트 팁이 상기 조건을 충족시킬 것으로 기대된다.

네번째 요건은 다중 전기접촉의 결과에 대한 앞선 설명에 이어진다. 상기 설명은 콘택트 팁의 재료의 저항에 대한 디자인의 가이드라인(즉 팁내의 와이어의 저항이 팁의 길이방향의 저항을 매치시켜야 한다)을 제시하였다. 구리 팁내의 철 소모품에 대하여, 저항의 부정합은 2가지 정도의 크기에 대한 것이다. 다섯가지 인자내의 저항들을 매칭시키는 것은 아킹으로 인한 손상을 실질적으로 저감시킬 것으로 기대된다.

다섯번째 요건은, 팁의 재료가, 팁이나 팁내에서 생성되거나 또는 아크로부터 흡수되는 열이 콘택트 팁 홀더로의 전도에 의하여 제거될 수 있도록 하는 양호한 열 전도체여야 한다는 것이다.

상기 요건들을 충족시키는 한가지 재료는 흑연이며, 흑연 로드로부터 전체 콘택트 팁을 기계가공함으로써 상업적으로 실행가능한 팁을 디자인하는 것이 가능하다. 이 때, 기계가공된 몸체는 취급이 용이하도록, 가능한 용접 아크에 노출되는 작업용 단부를 제외한 전체 외측 표면에 걸쳐 구리, 니켈 또는 크롬으로 도금되는 것이 바람직하다. 이 작용 단부는 순차적으로 전기적으로 절연성인 내열 래커로 코팅되는 것이 바람직하며, 래커가 건조된 후에 보어가 드릴가공될 수 있다. 도 3에는 완성된 제품의 일 예가 도시되어 있다. 상기 형태의 팁은 팁 전달과 관련하여 낮은 전류의 적용을 위해, 그리고 그에 따른 시트 금속의 용접을 위해 유용한 사용수명을 갖는다. 그것은 스프레이 전달에 대해 단축된 수명을 가질 수 있다.

도 3을 보다 명확히 참조하면, 콘택트 팁의 전체 형태는 도 1의 팁(10)의 형태와 유사하다. 대응되는 부분은 팁(10)과 관련해 사용되는 참조부호에 20을 더한 것과 같다. 따라서, 도 3의 팁(30)은 그것의 입구단부에 나사부(32)와 입구단부(37)로부터 출구단부(38)로 연장되는 관통보어(34)를 형성하는 본체(36)를 가진다. 또한, 섹션 32는 보어(34)의 입구단부(37)로 안내되는 가이드(33)를 형성한다. 본체(36)의 작업 단부 주위에서, 팁(30)에는 전기적으로 절연성의 내열 래커 코팅(도시 안됨)이 제공된다.

언급한 바와 같이, 도 3에 나타낸 것처럼 흑연으로 팁(30)을 제작할 수 있으나, 이 단계에 대해 설명되는 바와 같은 팁은 만족스럽지 못하다는 것이 판명되었다. 이는, 원하는 와이어의 용융속도를 얻는데 필요한 전류의 벌크(bulk)를 전달하기에는 팁의 입구단부에서 팁과 전극간의 접촉면적이 불충분하기 때문이다. 본체(36)로부터 전극으로의 전류 유동은 2개 이상의 접촉 지점에서 비롯되기 쉽다. 도 3에 나타낸 바와 같이 흑연 콘택트 팁과 관련하여, 흑연의 다중 접촉의 효과는 구리의 경우에 비해 심각하지는 않으나, 상기 접촉 지점이 보어(34)를 따르는 여느 다른 접촉 지점보다 작은 접촉 저항을 갖도록 단부(37) 또는 그에 인접한 보어(34)내의 제1접촉지점이 확보될 수 있게 하는 수단을 제공할 필요가 있다. 도 3에서, 이것은 접촉수단(40)에 의하여 제공된다.

접촉수단(40)은 보어(34)의 단부(37) 또는 그에 인접한 보어와 연통되는 반경방향 통로(42)에 제공된다. 통로(42)에서, 접촉수단(40)은 통로(42)의 외측 단부에 고정되는 캡(45)에 의하여 통로(42)에서 유지되는 코일스프링과 같은 스프링(44)에 의하여 약간 편향되는 플런저부재(43)를 포함한다. 스프링(44)은 부재의 리딩 단부가 보어(34)내로 돌출되도록 보어(34)를 향하여 플런저부재(43)를 편향시킨다. 이 배열은, 접촉수단(40)으로부터 이격된 보어(34)의 측면에서 전극이 본체(36)와 슬라이딩 접촉하도록 보어(34)를 통과하는 전극에 의하여, 플런저부재(43)의 둘출 단부가 전극에 대해 지지될 수 있게 되어 있다. 따라서, 접촉수단(40)은 전극과 본체(36) 사이의 접촉 저항을 최소화하여, 전극의 저항 가열이 유지되는 한편 전극 보어(34)를 관통하는 전극의 움직임에 대해 약간의 저항만이 존재하도록 하는 제1전기접촉 지점을 조성할 수 있다.

접촉수단(40)의 플런저부재(43)는 전기적 절연재 또는 도전재로 형성될 수 있다.

도 3의 설명은 흑연으로 만들어지는 콘택트 팁(30)을 참조 하였으나, 접촉수단(40)의 제공을 위해 제시된 배열은 여타 재료로 된 콘택트 팁을 사용하기에도 적합하다. 따라서, 본질적으로 흑연 대신에, 콘택트 팁(30)은 흑연/실리콘 카바이드 합성물과 같은 흑연 합성물로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 팁(30)은 구리나 구리 합금으로 만들어질 수도 있다. 구리의 사용과 관련하여 비용을 절감할 수 있는 유용한 추가적 대안에서는, 팁(30)이 아이언 또는 스틸일 수 있다. 각 경우에 있어, 접촉수단(40)은 요구되는 제1접촉 지점을 확실히 할 수 있는 실제적인 방법을 제공한다. 하지만, 접촉수단(40)을 이용하는 경우에도, 보어(34)가 12mm 정도의 길이가 되도록 팁(30)이 상대적으로 짧은 것이 바람직하다.

스프레이 전달에도 적합한 보다 강한 모놀리스(monolithic) 버전이 실리콘 카바이드-흑연 합성물과 같은 합성재료로 만들어 질 수 있다. 실리콘 카바이드와 흑연의 비율은 저항성에 대한 가이드라인을 충족하도록 선택될 수 있다. 이러한 형 태의 합성재료의 원료는 일반적으로 분말형태로 되어 있다. 따라서, 입구단부의 여느 방향으로 약간의 변화를 갖는 보어를 몰딩하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 팁의 입구에서 신뢰도가 높은 전류 전달 지점이 성능을 향상시킨다. 추가적인 개선책으로서, 상기 조성은, 보어의 입구까지는 나사결합되는 단부가 높은 전기적, 열적 전도성을 얻고, 팁의 단부까지는 상기 전도성이 점진적으로 저감되도록 기능적으로 등급화될 수 있다. 실리콘 카바이드와 흑연의 조합은 단지 예시를 위해 제시된 것에 불과하다. 특히, 흑연-금속 및 금속-세라믹 합성물(즉, 서멧(cermet)) 역시 콘택트 팁을 제조하는데 사용될 수 있다.

용접 전원 공급부에 의한 최적의 성능과 관련하여 2가지 중요한 전기적 요건이이 있다. 첫째는, 용접회로내의 과도전류 및 전압변화가 최소화 되도록 매우 작은 전기저항의 연속적이고 안정적인 경로를 통해 전원 공급부로부터 와이어 소모품까지 전류가 공급되도록 하는 것이다. 두번째 요건은 파라미터 L에 대한 유효값이 시간과 관련해 안정적이고 하나의 용접작용으로부터 다른 용접작용으로 재현될 수 있도록 잘 형성된 접촉영역을 조성하는 것이다. 팁의 본체가 매우 낮은 저항의 구리나 여타 재료로 만들어진다면, 이 때의 접촉영역은 가능한 한 짧아야 한다.

도 4는 본질적으로 이들 요건을 충족시키는 콘택트 팁(50)의 일 예시를 나타내고 있다. 이 특정 팁(50)은 GMAW를 위해 디자인된다. 팁(50)과 함께 사용되는 와이어 소모품은 0.9mm의 직경으로 되어 있다. 팁(50)의 전체길이는 38mm 정도로, 0.9mm의 와이어에 대하여 디자인되는 상업적으로 이용가능한 콘택트 팁은 35 내지 40mm의 범위내에 있는 것이 통상적이다. 하지만, 팁(50)의 형태는 0.9mm 이외의 와 이어 직경에 대해서도 적합하다. 상기 팁(50)은 그것이 종래의 팁에 대해 직접적으로 대체될 수 있는 디자인을 가지고 있다.

상기 콘택트 팁(50)은 환상 단면으로 이루어지고, 전극이 통과할 수 있는 보어(52)를 형성한다. 팁(50)은 3개의 섹션을 가지며, 그들 각각은 보어(52)의 각 부분을 형성한다. 제1섹션(54)은 그것의 전체 길이의 작은 부분에 걸쳐 팁(50)의 입구단부(56)로부터 연장된다. 상기 섹션(54)은 팁(50)의 길이의 나머지부분보다 작은 직경으로 되어 있고, 팁(50)이 용접토치(도시 안됨)의 콘택트 팁 홀더(도시 안됨)내로 나사결합될 수 있도록 참조부호 57에서 수나사가공되어 있다. 섹션(54)내에서, 보어(52)는 섹션(54)을 넘어 작은 직경부까지 원뿔대형의 테이퍼(59)를 갖는 보다 큰 직경의 입구단부(58)를 제공하기 위하여 카운터-보링되어 있다.

팁(50)의 제2섹션(60)은 섹션(54)과 함께 일체로 형성된다. 예를 들어, 5mm 정도의 테이퍼(59)로부터 짧은 거리에 걸쳐, 보어(52)는 섹션(60)에 의하여 형성되는 길이(61)를 가지며, 최소 직경으로 되어 있다. 길이(61)로부터 보어(52)는 팁(50)의 제3섹션(64)에 의하여 형성되는 나머지 길이(62)를 갖는다. 섹션(64)은 섹션(60)내의 환상 인써트이다. 섹션(60)은 섹션(64)을 수용하기 위하여 팁(50)의 단부(65)로부터 카운터 보링된다. 섹션(60)내에서, 섹션(64)은 그것의 내부에서 견고하게 피팅되거나 세라믹 패이스트(ceramic paste)에 의하여 유지될 수도 있다.

상술된 바와 같이, 팁(50)은 38mm 정도의 전체 길이를 가지며 0.9mm 직경의 와이어 소모품 전극과 함께 사용할 수 있도록 디자인될 수 있다. 이와 관련하여, 섹션(54 및 60)은 각각 10mm와 28mm 정도의 길이를 가질 수 있다. 입구단부(58)를 따라서, 보어(52)는 0.9mm의 소모품에 대하여 0.1mm의 클리어런스를 제공하기 위하여 그것의 길이(61)에 걸쳐 1.0mm까지 저감되는 대략 4mm 정도의 직경을 가질 수도 있다. 그것의 전체 길이(62)에 걸쳐, 보어(52)는 소모품에 대해 0.5 내지 1.0mm의 클리어런스를 제공하는 직경을 가질 수도 있다.

콘택트 팁(50)의 제1 및 제2섹션(54,60)은 상대적으로 높은 레벨의 도전성을 갖는 금속으로 되어 있다. 제3섹션(64)은 비금속의 전기적 절연재로 만들어진다. 제1 및 제2섹션(54,60)은 경질 인발 구리 또는 구리 합금으로 만들어지는 것이 바람직하다. 제3섹션(64)은 알루미나 또는 기계가공이 가능한 세라믹재료와 같은 내열성의 전기적 절연재로 이루어지는 것이 바람직하다. 하지만, 여타의 전기적 전도재나 절연재가 사용될 수도 있다.

보어(52)의 길이(62)의 직경은 와이어 소모품의 직경보다 0.5 내지 1mm 정도 큰 것으로 나타나 있다. 클리어런스는 결정적인 요소는 아니지만, 용접시 와이어가 구부러져 나아가는 것을 피하기 위하여 섹션(64)내의 지나치게 큰 클리어런스는 피하는 것이 좋다. 너무 타이트한 끼워맞춤은 와이어 소모품과 세라믹간에 마찰을 유발시키고 와이어 소모품의 이송가능성에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 섹션(64)은 비다공성 세라믹이 가장 바람직하다. 다공성 세라믹은 화학적으로 결합된 물을 수용할 수 있고 및/또는 섹션(64)이 유지될 수 있도록 하는 세라믹 페이스트로부터 물을 전달할 수 있다는 것이 발견되었다. 대안적으로, 구리 튜브의 단부는 세라믹 인써트를 유지시키기 위하여 피닝(peen)될 수도 있다.

보어(52)의 입구단부(58)와 테이퍼(59)는 보어(52)의 길이(61,62)를 통하여 와이어 소모품을 안내하는 역할을 한다. 팁(50)의 섹션(54)은, 상기 소모품과의 전기접촉을 제공하려는 것이기 보다는 상기 안내를 제공하고 팁(50)이 토치의 홀더내에 장착될 수 있도록 하기 위한 것이다. 상기 접촉은 섹션(54)을 넘어 보어(52)내에서 이루어지며, 전기접촉이 이루어지도록 하기 위해, 보어(52)의 유효 입구단부는 테이퍼(59)와 길이(61) 사이의 연결부에 있다.

콘택트 팁(50)의 중요한 특징으로 팁으로 들어가는 와이어가 보어(52)를 형성하는 표면에 대하여 가압되는 가압 지점(66)이 있다. 가압 지점(66)은 팁의 보어로부터 팁의 잘 형성된 영역내의 와이어로 전류가 전달될 수 있도록 한다. 따라서, 앞서 언급된 파라미터 L의 값 또한 잘 형성된다. 이 경우에 있어, 파라미터 L의 값은 가압 지점으로부터 와이어 단부의 용접 아크까지의 거리이다.

모든 콘택트 팁은 용접 토치내의 콘택트 팁의 홀더와 연계하여 사용되도록 디자인된다. 사용에 있어, 팁은 팁 몸체의 후방면이 콘택트 팁 홀더의 정합면과 견고하게 접촉되도록 콘택트 팁 홀더내로 나사결합된다. 이것은, 기계적 안정성뿐만 아니라 콘택트 팁에서 발생되는 열이 콘택트 팁 홀더로 전도되어 공기 또는 물을 이용한 냉각에 의해 토치의 몸체로부터 제거되도록 하기 위한 경로를 제공한다. 본 명세서에서 제시한 팁들 대다수의 디자인에 있어 공통적인 한가지 중요한 특징은 팁내의 전류 전달 영역의 위치에 있다. 예열 길이를 최대화시키기 위하여, 전류 전달 영역은 보어의 유효 입구단부 부근에 배치되어야 한다. 접촉 영역내에서 발생하는 열 및 팁내의 와이어를 따라 전도되는 열의 제거를 돕기 위하여, 본 명세서에 도시된 팁의 전류 전달 영역은 나사가공된 입구단부에서 보다 팁의 본체내에 배치 되는 것이 바람직하다. 이로 인해 예열길이는 단축되지만, 보다 낮은 온도 및 그로 인하여 더욱 신뢰성을 갖는 전체 성능에 의하여 상기 단점이 상쇄된다.

팁내의 가압 지점은 여러 방식으로 만들어질 수 있다. 도 4에 도시된 가압 지점(66)은 보어(52)의 길이(61)까지 팁(50)의 섹션(64)내에 반경방향의 구멍(67)을 드릴링함으로써 만들어진다. 상술된 팁(50)의 치수와 관련하여, 반경방향 구멍(67)의 적절한 직경은 3mm 정도이다. 이 때 상기 홀(67)은 그 내부에 세트 스크루(68)가 삽입될 수 있도록 태핑된다. 세트 스크루(68)의 목적은 팁으로 들어가는 와이어에 대하여 스크루(68)의 리딩 단부에서 소량의 연질의 내열 재료로 이루어진 플러그(69)를 압축시켜 보어 길이(61)의 일 측면에 대해 와이어를 가압하기 위한 것이다. 플러그(69)용으로 적절한 재료의 예로는 Teflon, 흑연이 로딩된(graphite-loaded) Teflon 및 흑연 테이프가 있다. 이들 재료들은 상승된 온도에서 안정적이며, 보어내 와이어의 형상에 순응할 수 있을 정도로 충분히 연질이기 때문에 와이어와의 부드럽고 작은 마찰, 대체로 연속적이고 기계적인 슬라이딩 접촉을 얻을 수 있다. 결과적으로, 가압 지점에 마찰력을 도입시킴에도 불구하고, 팁을 통해 와이어를 밀어넣는데 필요한 이송력이 그다지 과하지 않고 와이어의 이송가능성에 불리한 영향을 미치지 않는다.

도 4에서 설명된 형태의 팁이 구성되었고 실험실의 테스트를 통해 그것의 성능이 평가되었다. 상기 팁은 본질적으로 동일한 용접 조건(즉 전압 및 와이어의 이송속도) 하에서 작동하는 전체적으로 유사한 치수로 이루어진 종래의 구리 팁과 비교했을 때, 어떠한 주어진 와이어의 용융속도에 대하여 전류 및 그에 따른 열 입력 이 줄어든다는 것이 판명되었다. 도 4에 도시된 팁(50)에 대한 L의 값은 그에 대응되는 종래의 구리 팁에 대한 L의 값보다 실질적으로 더 크다. 와이어내의 전류는 종래 구리 팁에서 보다 와이어의 보다 긴 길이를 예열시킨다. 와이어의 용융속도에 대한 공식을 참조하면, W의 주어진 값에 대하여, L에 대한 유효값이 증가될 수 있다면 W의 값을 유지시키는데 필요한 전류가 줄어든다는 것을 이해할 수 있다. 또한, 용접 연무(fume)도 실질적으로 줄어들었다. 상기 연무의 저감은 이송가능성을 향상시키고 또한 전기 아크의 영향도 줄여줄 것으로 보인다. L의 값이 커질 수록 용접속도(W)에 대한 와이어 내 전류에 의한 저항 가열의 기여도가 더 커진다. 매우 높은 온도를 특징으로 하는 전기 아크의 역할을 줄어든다. 따라서, 와이어의 단부로부터 작업물로 전달되는 금속 액적의 온도는 그에 대응되는, 동일한 와이어 용융속도에서 작동하는 종래 구리 팁에 대한 온도보다 낮다. 결과적으로 상기 아크에 노출되는 와이어의 단부로부터 나오는 금속의 증발이 줄어든다. 상기 와이어의 단부로부터 나오는 증발은 연무의 주요 소스이기 때문에, 주어진 와이어의 용융속도(W)에 대하여 발생되는 연무의 총량도 따라서 줄어든다. 향상된 와이어의 이송가능성으로 인하여 추가적이며 많은 연무의 저감이 일어난다. 용접 스패터 또한 실질적으로 줄어든다. 상기 스패터의 저감은 부분적으로는 와이어 소모품의 단부에서 용융된 금속의 낮아진 액적 온도 및 그에 따른 유동성으로 인한 것이라 여겨진다. 또한, 스패터의 액적의 온도가 감소함에 따라 액체금속 액적과 상대적으로 저온의 작업물간의 접합 가능성이 감소하기 때문에 생성되는 어떠한 스패터라도 상기 작업물에 쉽게 들러붙지 않는다.

도 4에 설명된 팁의 작동과 관련하여 기억해야할 특색이 있다. 이것은 토치내 와이어의 다음의 검사에 의하여 식별된다. 용접 패스의 종료부에서, 와이어의 길이(통상적으로 1미터)는 용접 전류의 스위치가 끊어진 토치의 단부에서 팁을 통해 이송된다. 이송되는 와이어의 길이를 따르는 임의의 위치에서, 이송 롤과 콘택트 팁 사이의 토치의 영역, 즉 와이어가 팁으로 들어가기 이전에 발생되었던 아킹에 의하여 와이어의 표면이 변색된 것을 확인할 수 있었다. 상기 아킹은 검사 직전에 선행하는 용접작업시에 발생되었다. 여기서, 토치내의 와이어는 근접하게 이격된 턴(turn)에 의하여 나선 형태로 감긴, 통상적으로 스틸로 된 라이너에 의하여 안내된다. 상기 라이너는 용접기의 이송롤로부터 콘택트 팁까지 연장되고 일반적으로 팁과 접촉해 있다.

콘택트 팁내의 와이어가 팁의 보어와 접촉하지 않는 짧은 순간(백만분의 수초) 동안 선행 용접작업에서 아킹이 발행하였다는 결론이 내려졌다. 상기 접촉 실패는 와이어 직경의 국부적인 불균일성, 와이어 표면의 산화물 퇴적 및 팁내 와이어의 측방향의 움직임으로 인한 것을 수 있다. 상기 짧은 순간 동안, 팁내에 개방 전기회로가 존재하였을 때, 팁에 대해 외부의 보다 높은 저항의 여타 회로가 상기 회로를 완성하는 임시의 전기 아크에 의하여 형성될 수도 있다. 이들 바람직하지 않은 전류 경로들 중 일 예는, 콘택트 팁에 대한 전원 공급부의 출력부로부터 팁에 선행하고 용접 아크에 대하여 팁을 넘어 나타나며 작업물에서 끝나는, 와이어 섹션에 대한 콘택트 팁 앞의 와이어 라이너까지의 경로에 해당될 수 있다. 궁극적으로 상기 간헐적인 아킹은 라이너를 파괴할 수도 있다. 또한, 토치내의 와이어가 그 스 스로 라이너에 용접된다면 용접 실패를 야기할 수도 있다. 스틸 라이너가 Teflon과 같은 절연 라이너로 대체될 수 있다면, 이점이 있을 수 있다. 용접 회로내의 어느 곳에서는 여전히 아킹이 일어나기 쉽고 예기치못한 바람직하지 않은 결과를 가져온다. 도 4의 팁(50)에 있어서의 개선을 위한 보다 나은 접근법은 개방 회로 조건을 제거하는 것이다.

도 4에 설명된 형태의 팁에 의한 용접 동안에는 금속의 전달이 분명히 만족스럽게 일어났기 때문에, 대부분의 용접시간동안, 가압 지점의 각 팁내에서 전류 전달이 일어나는 것으로 결론이 내려졌다. 개방 회로 조건을 피하기 위한 한가지 방법은 제1가압지점에 바로 인접하게 제2가압지점을 설치하는 것이다. 효과에 있어 두 접촉부는 대부분의 시간동안 폐쇄될 수 있다. 상기 접촉 지점들 중 하나가 개방된다면, 전류의 전달은 나머지 것을 통해 이루어질 수 있다. 가압 지점들은 인접해 있기 때문에, 그들은 용접 아크가 안정될 수 있도록 본질적으로 동일한 전위에서 작동한다. 따라서, 전류의 전달이 지속되며, 와이어로의 전류의 공급과 관련된 일시적인 전압 및 전류의 부재시, 스패터링의 실질적인 감소가 있을 수 있다. 이미 상술된 이유들로 인해 연무의 발생이 저감될 수 있다. 요약하자면, 콘택트 팁 모두가 동시에 개방될 수 있는 가능성은 무시할 수 있을 정도이다.

따라서, 2개의 가압 지점을 갖는 팁(50a)이 구성되었고 도 5에 도시되어 있다. 이것은 2개의 가압 지점이 있으며 동일한 참조부호에 "a"를 붙인 대응 구성요소들이 있다는 것을 제외하면 도 4의 팁(50)과 실질적으로 동일하다. 2개의 나사구멍(67a)이 존재하며, 그들 각각은 플러그(69a)를 지닌 스크루(68a)를 갖는다. 도 5 에 나타낸 바와 같은 팁(50a)의 작동은 종래 구리 팁에 비해 우수하다는 것이 판명되었다. 팁으로 들어가기에 앞서 토치내 와이어에서의 아킹의 흔적이 없었다. 용접시에, 아크의 길이는 안정되었다. 도 5에 설명된 본 발명의 개발에 있어서, GMAW를 위한 새로운 원리가 구성되어 왔다. 슬라이딩 전기접촉과 관련하여, 최적의 전류 전달은 본질적으로 동일한 전위에서 작동하는 2개(이상)의 전류 전달 지점에서 전류를 공급함으로써 얻어질 수 있다. 만일 이들 전류 전달 지점들이 전기 스위치와 동등한 것으로 사려된다면, 이 때, 둘 모두가 동시에 개방될 가능성이 미미해지도록 상기 스위치들이 정상적인 폐쇄 조건으로 기능할 수 있게 디자인함으로써 최적의 성능이 얻어질 수 있다. 상기 스위치들이 동일한 전위에서 작동하도록 디자인된다면, 두 스위치 모두가 폐쇄된 상기 스위치들에 의존적인 외부회로의 성능은 상기 쌍들 중 하나만이 폐쇄된 것의 성능과 구별되지 않는다. 따라서, 상기 외부회로는 콘택트들 중 하나에서의 전류 전달의 비교적 단기간의 변화와 관련된 과도전류의 변화의 영향을 받지 않을 것이다. 관측되는 여느 다른 과도전류도 이 프로세스에 있어 본질적이다. GMAW의 경우에, 액적 전달은 회피할 수 없는 과도기를 가져오지만, 본질적으로 이상적인 조건하에서 발생되며, GMAW의 실제 능력이 실현될 수 있다.

동일한 전위에서 효과적으로 작동하는 2개의 전류 전달 지점을 사용하는 것과 관련하여 부가적으로 상당한 이점이 있다. 상기 이점은 전극의 번-백의 현상과 관련된 것이다. 안정적인 작업조건하에서, 아크의 길이는 통상적으로 작업물과 콘택트 팁의 단부 사이의 거리의 절반 이하이다. 와이어와 팁간의 전기접촉 저항이, 예를 들어 일정한 전압의 조건하에서 와이어 직경의 국부적인 변화로 인하여 증가 한다면, 와이어내의 전류가 감소될 것이다. 나아가, 이것은 와이어 용융속도의 급작스러운 감소 및 그에 대응되는 아크 길이의 증가를 야기할 것이다. 어떠한 조건하에서, 아크의 길이는 작업물과 콘택트 팁 단부 사이의 스탠드 오프(stand off) 거리를 초과할 수 있다. 상기 전극은 팁 내측을 다시 연소시켜 팁에 용접되거나 팁의 보어내에 웨지될(wedged) 수 있다. 통상적으로 팁에 대한 손상은 회복불가능하다. 2개 이상의 가압 지점의 사용은 와이어와 팁간에 간헐적으로 높은 전기접촉 저항을 발생시키는 번 백의 가능성을 줄어주는데, 이는 양 콘택트가 동시에 높은 저항을 갖는 것은 쉽지 않기 때문이다.

도 4 및 5에 도시된 팁들간이 또 다른 중요한 차이가 있다. 도 4에서, 5mm 정도의 구리 보어의 길이, 즉 팁(50)의 보어(52)의 길이(61)에 걸쳐 와이어 소모품으로 전류가 전달된다. 세라믹 인써트의 길이는 23mm 정도이며, 따라서 팁의 내측에서 예열되는 와이어의 길이에 대한 하한은 23mm이다. 도 5에서, 인써트 섹션(64a)은 도 4의 섹션(64)보다 5mm 정도 짧다. 따라서, 10mm의 구리 보어 길이(61a)의 큰 부분에 걸쳐 와이어 소모품으로 전류가 전달된다. 따라서, 팁의 내측에서 예열되는 와이어의 길이에 대한 하한은 18mm이다. 팁의 총 길이가 일정하게 유지된다면, 전류가 전달되는 보어의 길이가 커질수록 팁내의 와이어의 예열 길이는 짧아질 것이라는 점은 분명하다. 전류 전달 영역은 마모의 영향을 받으며 작은 전류 접촉 영역이 큰 접촉 영역보다 빠른 속도로 마모될 것이라고 가정하는 것이 합리적이다. 따라서, 주어진 와이어의 용융속도에 대한 전류의 저감에 따라 측정되 는 성능과 팁의 수명간의 균형을 맞출 필요가 있다. 일반적인 가이드라인으로서, 전류 접촉 길이가, 팁의 총 길이의 실질적인 부분이 되도록 하는 것은 바람직하지 않다. 이와 관련하여, 추가로 고려해야할 중요한 사항이 있다. 생산성의 가장 중요한 기준 중 하나는 와이어 이송속도이다. 접촉영역은 팁을 통한 와이어의 원활한 통과에 장애가 된다. 접촉영역이 작을 수록 상기 장애도 작아지기 때문에 최대 작업의 와이어 이송속도가 더욱 빨라진다. 도 5에 나타낸 팁은 도 1에 나타낸 팁과 비교하여 상대적으로 작은 접촉영역을 가진다. 도 5에 나타낸 팁은 20m/분의 와이어 이송속도로 신뢰성 있게 작동될 수 있다. 이는, 0.9mm 직경의 와이어 소모품에 대한 제조자의 주장을 넘어설 정도로 우수한 것이다.

전극이, 금속 보어의 제1부분에서 상기 보어를 형성하는 재료와 약한 슬라이딩 접촉을 하게되는 가압 지점을 구성하는 수단은 다양한 형태를 취할 수 있다. 도 3의 특정 예시에서, 상기 전극은 약한 슬라이딩 접촉에 의해 탄성적으로 편향된다. 상기 배열에서, 콘택트 팁의 몸체는 보어에 대하여 측방향으로 연장되고, 상기 보어의 제1부분과 연통되는 통로를 형성한다. 상기 통로는 접촉부재 및 전극과 맞물리는 보어내로 상기 접촉부재를 가압하도록 작용하는 스프링을 수용한다. 상기 스프링은 상기 접촉부재를 통해 작용하여 상기 전극이 상기 통로로부터 이격된 보어의 측면과 약한 슬라이딩 접촉을 갖도록 한다. 스프링이 장착된 콘택트의 장점은 하나의 팁이 여러 와이어 크기의 범위를 감당하도록 디자인될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 하나의 팁이 0.9 내지 1.2mm 범위의 직경으로 된 와이어들과 함께 기능하도록 할 수 있다.

GMAW용 와이어 소모품은 2가지 형태의 패키지로 공급된다. 가장 일반적인 패키지는 통상적으로 15kg의 수용능력을 갖는 컴팩트 스풀이다. 와이어는 상기 스풀상에 감김으로써 유발되는 변형과 관련된 본래의 곡률을 가진다. 상기 곡률은 2가지 파라미터를 특징으로 한다. 하나는 전극의 캐스트(cast)라 불리는 것으로서 스풀로부터 감기지 않은 와이어의 일 루프의 직경이다. 다른 파라미터는 헬릭스(helix)라 불리는 것으로서 와이어의 단일 루프의 끝이 상기 루프의 시작부 위에 올 때의 수직방향 거리이다. 두번째 형태의 패키지는 300kg 이상의 와이어를 유지할 수용능력을 갖는 "오토팩(autopak)"이라 불리며, 포터블 카드보드 드럼(portable cardboard drum)에 컴팩트하게 감겨 수용된다.

상기 형태중 어느 한 패키지로부터 공급되는 와이어의 곡률은 상기 와이어가 콘택트 팁의 재료내에 자리하도록 한다. 이는, 팁내에 신뢰성 있는 전기접촉을 제공하는 것을 도울 수 있다. 또한, 콘택트 팁의 마모를 야기하여 궁극적으로는 성능의 열화를 가져올 수도 있다. 도 4 및 5에서 설명된 형태의 팁과 관련하여, 가압 지점(들)의 최적의 각도 위치는 와이어가 팁을 통과할 때 상기 와이어의 볼록한 곡률과 일치하도록 하기 위한 것이다.

도 4 및 5에서 설명된 바와 같은 가압 지점들의 사용은 팁을 통한 와이어의 움직임에 대한 기계적 제약의 도입을 나타낸다. 하지만, 본 발명인들은 팁을 통한 와이어의 움직임에 직접적으로 제약을 가하지 않고 정상적으로 폐쇄되는 2개의 전류 접촉 지점을 제공하는 원리의 상이한 적용에 의하여 도 5에 나타낸 형태의 팁으로부터 얻어지는 것과 같은 형태의 성능을 재현할 수 있다는 것을 발견하였다.

도 6은 상기한 바의 예시를 제공하는 콘택트 팁의 일 예시를 나타내고 있다. 도 4의 콘택트 팁(50)의 구성요소들에 대응되는 구성요소들은 동일한 참조부호에 "b"를 붙여 놓았다. 팁(50b)은 0.9mm 직경의 와이어용으로 디자인되었으나, 여기서 제시되는 디자인 원칙들은 0.9mm 직경의 와이어로 제한되는 것은 아니다. 상기 팁(50b)은, 섹션 54b 및 60b를 형성하며, 본 특정 예시에서 크롬 및 지르코늄을 함유한 구리 합금으로 만들어지는 몸체를 갖는다. 섹션 54b는 와이어가 보어(52b)내로 원활히 들어가는 것을 돕기 위해 테이퍼진 원뿔형 가이드(59b)를 형성한다. 또한, 상기 몸체는 보어(52b)의 짧은 입구 길이(61b)를 형성한다. 섹션 64b는 함께 보어(52b)의 길이(61b)를 형성하는 2개의 인써트를 포함한다. 제1인써트(70)는 흑연, 바람직하게는 보어(52b)의 제1부분의 길이(62b)를 형성하는 미세한 입자의 압출된 흑연으로 되어 있다. 제2인써트는 내열시멘트와 함께 구리 합금의 몸체 내측에 접착되는 알루미나와 같은 세라믹 튜브(72)의 길이를 갖는다. 상기 세라믹 튜브(72)는 팁으로부터 나오는 와이어에 대한 가이드로서의 역할을 하며, 콘택트 팁(50b)의 출구단부(65b)를 형성한다.

일반적으로, 구리와 같은 금속의 팽창계수는 세라믹 재료의 팽창계수보다 크다. 높은 작업 팁의 온도와 연루된 적용과 관련하여 세라믹 튜브(72)를 포함하는 인써트는 구리의 몸체내에서 이와될 수도 있다. 튜브(72)가 움직이는 것을 막기 위하여, 단부 65b에서 구리 몸체를 피닝하여 인써트가 탈락하는 것을 막을 필요가 있다. 대안적으로, 인써트는 수나사를 가지며, 구리 몸체내로 나사결합되어 상기 인써트를 수용하도록 조정된다.

용접시, 와이어는 원뿔형 입구섹션(54b)을 통해 팁(50b)으로 들어가고 구리합금 몸체의 보어(52b)의 입구단부 부분(61b)에서 팁(50b)과 그것의 낮은 저항의 제1접촉을 한다. 상기 보어 부분(61b)의 직경은 1.05mm 정도이기 때문에, 와이어와 보어 부(61b)간의 클리어런스는 0.15mm 정도이다. 이는, 팁(50b)의 보어(52b)내로 그리고 그를 통한 와이어의 원활한 진입을 허용하기에 충분하다. 낮은 저항의 제2접촉 영역은 흑연 인써트(70)의 보어 부(62b)의 개시부에 있다. 상기 흑연은 구리보다 연질이며, 와이어는 그 스스로 흑연 인써트(70)의 보어 부(62b)내로 자리하여, 통상적인 폐쇄 접촉과 동등하게 여겨질 수 있는 제2의 전류접촉을 제공한다. 흑연 인써트(70)의 보어 부(62b)는, 프로세스내의 이러한 베딩(bedding)을 수용하기 위하여 0.95mm 정도의 직경, 즉 구리 몸체의 보어 부(61b)의 직경보다 대략 0.1mm 작게 되어 있다. 새로운 팁(50b)과 관련하여, 거의 용접 직후의 발생에 있어서의 베딩은 첫번째로 개시되고 초기나 후속하는 사용에 있어서의 전체 성능으로부터 크게 떨어지지 않는다. 흑연 인써트(70)내의 보어 부(62b)의 직경은 흑연내의 타이트한 피팅을 피하기 위하여 0.95mm 보다 현저히 작게 만들어지지는 않는다. 상술된 바와 같이, 도 6의 팁의 구성에 사용되는 형태의 흑연과 같은 비교적 열악한 컨덕터의 반경방향의 전기적 저항은 극히 낮다. 흑연 인써트(70)내의 보어(52b)와 와이어간의 타이트한 피팅은 흑연 인써트(70)가, 예열길이(L)의 감소 및 흑연 인써트로부터 나오는 와이어의 전압의 변화를 야기하는 상기 흑연 인써트에 의해 상기 와이어내의 전류를 전기적으로 단락시킬 수 있다. 나아가, 이것은 아크 전압과 아크 길이의 불안정성을 야기하여 궁극적으로는 용접 결함을 가져온다.

흑연 인써트(70)의 외경은 구리 합금 몸체의 섹션(60b)과 인써트(70)간에 간섭 피트(interference fit)가 존재하도록 되어 있다. 흑연 인써트(7)와 구리 합금 몸체 섹션(60b)간의 전기접촉은 조립시 인써트(70)의 외부 표면에 가해지는 도전성 그리스가 장입된 구리의 박막을 사용함으로써 더욱 개선된다. 또한, 상기 그리스는 조합 팁(50b)의 조립을 용이하게 한다. 흑연 인써트(70)와 구리 합금 몸체 섹션(60b)간에 양호한 전기접촉이 있기 때문에, 2개의 전류 전달지점, 즉 보어 부(61B)의 시작부에 있는 제1지점과 보어 부(62b)의 시작부의 제2지점의 전위는 본질적으로 동일하다. 흑연의 전체 지점으로부터 실질적으로 떨어진 여타 지점에서의 와이어의 베딩 가능성을 줄이기 위하여 흑연 인써트(70)의 길이는 11 내지 13mm의 범위내에 있는 것이 일반적이다. 상기 길이는 실험에 의하여 결정되어 왔고, 팁 조립시의 취급이 용이할뿐만 아니라 양호한 전기접촉이 이루어지도록 할만큼 충분히 길다. 인써트 길이에 대한 실제적인 하한은 5mm 정도이다. 상기 측정치들의 조합에 의하면, 본질적으로 동일한 전위에서 작동하는 등가인 2개의 통상적으로 폐쇄된 전류 접촉 지점들을 조성하는 것이 가능하였다. 따라서, 용접시 팁(50b)의 성능은 도 5에 도시된 팁(50a)의 성능과 대등하며, 주어진 와이어의 용융속도에 대한 전류와 관련해서는 종래의 구리 팁보다 우수하다. 또한, 스패터가 최소화되고, 연부의 발생은 실질적으로 줄어든다.

상술된 바와 같이, 팁(50b)은 하나 이상의 지점에 흑연 인써트내 와이어의 베딩을 막기 위하여 상기 흑연 인써트(70) 길이의 제한을 둔다. 프로세스내의 상기 베딩은 와이어의 강성에 따라 좌우된다. 강성을 결정하는 가장 중요한 변수들 중 하나는 와이어의 직경이며, 상기 와이어의 직경이 클수록 강성은 커진다. 1.6mm보다 작은 직경의 와이어와 관련하여, 와이어는 하나 이상의 위치에서 흑연내에 약하게 자리하려는 경향이 있다. 흑연 인써트내의 전류 전달 지점이 한 위치에서 또 다른 위치로 변하게 되면, 팁으로부터 나오는 와이어내 전류 및 전위 둘 모두가 변한다. 따라서, 아크의 길이는 불안정하고 와이어의 용융속도는 변화한다. 이는, 용접에 있어서의 결함을 가져온다. 그러므로, 흑연 인써트의 다중의 전류 접촉 지점의 가능성을 제거하기 위하여, 상기 와이어에 대한 흑연 인써트의 길이를 제한하는 것이 매우 바람직하다.

용접 팁의 중요한 성능 지표들 중 하나는 팁의 사용수명이다. 도 6의 팁(50b)이 정확하게 기능하는 동안, 와이어 소모품은 팁(50b) 보어 부(61b)에서의 구리의 짧은 길이(이 경우에는 4mm 정도)에 걸쳐 슬라이딩 한 다음, 구리 몸체의 섹션(54b)의 보어 부(61b)의 단부와 흑연 인써트(70)간의 결합부에 인접한 흑연의 영역에 걸쳐 슬라이딩한다. 와이어 소모품과 각 구리 보어 부(61b) 및 흑연 인써트(70) 사이에 슬라이딩 마찰이 존재한다. 흑연은 구리보다 빨리 마모되지만, 구리-흑연 조합의 전체 마모속도는 구리의 마모 속도에 의해 제어된다. 궁극적으로, 팁(50b)의 보어(52b)로의 입구가 타원형이되고, 팁의 섹션(54b)에서 구리 몸체와 와이어간의 전기접촉이 기계적, 전기적으로 불안정해진다. 흑연과 구리간의 결합부로부터 흑연 인써트(70)내의 영역으로 유효 전류 전달영역이 움직일 수 있다. 효과로는, 와이어의 예열길이가 짧아져 특정한 와이어의 용융속도를 유지하는데 필요한 전류가 증가된다. 따라서, 이것은 팁의 성능에 있어서의 열화의 신호이다. 또 한, 비록 순간적이긴 하나 개방 회로 조건의 개연성이 증가되기 때문에 스패터 레벨이 증가된다.

도 6에 도시된 형태의 팁과 관련하여, 3시간 정도의 수명을 기대할 수 있다. 여기서, 사용수명이란 용어는 "아크-온(arc-on)"의 시간, 즉 아크 용접이 프로세스 중에 있는 시간을 나타내는데 사용된다. 사용수명 시험에서 적용되는 용접 조건들은 0.9mm 직경의 구리 코팅된 스틸 와이어, 14m/분 정도의 와이어 용융속도, 165A의 전류 및 30V 정도의 전압이었다. 펄싱된 전원 공급부는 로보틱 토치와 연계하여 사용되었다. 이는, 자동 적용을 위한 로보틱 용접과 관련된 조건들을 모의실험한 것이다.

0.9mm의 와이어 소모품에 대한 와이어의 이송속도 범위의 상단에서 사용수명의 시험이 수행되어 왔으나, 상기 조합 팁은 분당 2미터 정도의 느린 와이어 이송속도에서 특히 안정적인 것으로 나타났다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 이들 와이어의 이송속도는 딥(dip) 전달과 부합하며, 특히 얇은 금속 시트의 용접에서 중요하다. 개선된 이송가능성, 종래 기술에 비해 줄어든 작동 전류, 스패터의 감소 및 번-스루(burn-through)의 감소된 위험의 조합이 상기 팁의 작동에 있어서의 중요한 특징이다.

도 6의 팁내의 흑연 인써트는 부가적인 목적도 수행한다. 전극이 팁의 내측을 다시 연소시키는 경우에, 와이어 단부에서의 액체 금속은 세라믹 인써트, 또는 그것이 없는 경우에는 흑연 인써트내에서 고형화될 수 있다. 상기 고형화된 금속은 흑연 인써트와 접합되기가 쉽지 않고, 팁으로부터 전극을 밀어줌으로써 팁의 기능 이 복원될 수도 있다. 종래의 구리 팁에서, 일반적으로 번-백은 팁의 보어에 회복불가능한 손상을 야기하며, 상기 전극의 단부는 상기 팁의 보어에 영구적으로 용접된다.

콘택트 팁에 대하여 이러한 디자인의 원리들이 입증되어 왔으나, 이제는 특히 스프레이 전달에 있어서의 높은 퇴적률을 위한 팁을 디자인할 수 있다. 일반성의 손실없이 간명히 하기 위하여, 비펄싱 GMAW에 대하여 고려해 보기로 한다. 딥 및 스프레이 전달을 위한 메커니즘에 대해서는 앞에서 매우 상세히 설명하고 있다. 하지만, 간략히 말해서, 스프레이 전달은 아크를 통한 와이어의 단부로부터 작업물로 액체 금속의 액적의 분리를 특징으로 한다. 와이어의 단부는 용접 비드와 접촉하지 않는다. 낮은 전류에서의 높은 퇴적률은 팁의 구리 합금 몸체의 세라믹 가이드 튜브의 길이를 증가시킴으로써 얻어질 수도 있다.

도 7 및 8은 예열길이(L)를 증가시키는 것에 관한 방법 등에서 만들어진 각각의 팁(50c,50d)의 예시를 나타내고 있다. 팁 50c 및 50d에서, 도 4의 팁(50)의 구성요소에 대응되는 구성요소들은 동일한 참조부호에 각각 "c"와 "d"를 붙여 표시하였다. 이들 팁과 관련하여, 35 내지 40mm인 팁의 전체 길이의 제한은 제거되었다. 도 7에 나타낸 것과 같은 팁(50c)의 성능은 실험에 의해 증명되었다. 이것의 구조는 도 6의 설명으로부터 이해할 수 있는데, 이는 그 재료들이 동일하며, 길이방향의 치수와 관련해서만 원칙적인 차이가 있기 때문이다. 따라서, 팁(50c)은 68mm의 전체길이를, 흑연 인써트(70c)는 13mm 정도의 길이를, 그리고 세라믹 인써트(72c)는 44mm의 길이를 갖는다. 구리 합금, 흑연 및 세라믹에 의하여 형성된 순 차적인 섹션들에 걸친 보어(52c)의 직경은, 팁(50c)이 0.9mm 직경의 와이어와 함께 사용하기 위해 만들어진 도 6의 팁(50b)에 대하여 설명된 바와 같다.

팁 50c와 관련하여, 구리 코팅된 0.9mm 직경의 와이어를 사용하면, 120A만큼 낮은 전류를 이용하여 16.5m/분 정도의 와이어 용융속도가 얻어졌다. 이미, 16.5m/분의 와이어 이송속도는 대부분의 상업적으로 이용가능한 종래 기계들의 최대 와이어 이송속도에 해당한다. 종래의 구리 팁에 의하면, 상기 와이어의 용융속도를 얻기 위해 필요한 전류는 상기 소모품에 대하여 추천되는 최대 전류를 상회하기 때문에 16.5m/분의 와이어 용융속도는 실행불가능하다.

이 단계에서, 전극 연장부를 증가시키는 것과 관련된 실제적인 상한이 어떤 것인지는 알려져 있지 않다. 이 논제는 전류의 전원에서 본질적인 한계들로 인해 복잡해진다. 와이어의 예열길이를 특별히 100mm 정도 연장시키면 일반적으로 이용가능한 것보다 높은 작동 전압을 필요로 하며, 따라서, 계획된 매우 높은 와이어의 용융속도를 얻기 위해서는, 대응되는 전원을 갖는 새로운 고속의 와이어 이송유닛을 마련해야 할 것으로 예상된다. 그러나, 도 8에 도시된 팁(50d)이 구성되었다. 팁(50d)의 구조 또한 도 6을 통해 알 수 있다. 이 경우에, 팁(50d)은 112mm의 전체 길이를 가지며, 흑연 인써트는 13cm의 길이를 가지는 한편, 세라믹 인써트(72d)는 88mm의 길이를 갖는다. 또한, 보어(52d)의 순차적인 섹션들의 직경은 도 6의 팁(50b)에 대해 설명된 것과 같다. 유효 예열길이는 100mm 정도이며, 와이어의 단부가 매우 연질화되어 용접시 균일하게 이송시키기가 어렵다. 용접의 품질은 일정하지 않으며, 기존의 전원의 기술을 감안할 때, 100mm의 예열길이는 0.9mm 직경의 와이어에 대한 실제적인 상한에 해당된다는 것을 고려해야 한다. 그럼에도 불구하고, 도 7 및 8에서 제시된 팁에서의 경험에 의하면, 100mm 정도의 예열길이는 1.2mm 이상의 직경으로 된 와이어에 대해서는 실행가능한 것으로 나타나 있다.

종래의 구리 팁을 위한 전극 연장부를 증가시키기 위하여 세라믹의 연장 피스들이 만들어져 왔다는 것을 이해해야 한다. 하지만, 종래의 구리 팁과 관련하여 상대적으로 열후한 이송가능성 및 용접 와이어의 예열된 길이의 연질성은 이제까지의 설명으로부터 이용가능한 여러 형태의 장점들에 장애가 되었다.

도 7 및 8에서 나타낸 팁(50c,50d)은 구리 합금 몸체, 흑연 인써트 및 세라믹 가이드 튜브를 포함하는 조합형 팁이지만, 도 5의 팁(50a)과 관련하여 설명되는 2개의 압력 지점을 토대로 하는 긴 팁을 제조하는데에 동일한 디자인의 원리가 적용될 수 있다. 또한, 금속 몸체는 구리 합금으로 이루어질 필요가 없다는 것을 이해하는 것도 중요하다. 스틸을 이용하는 것도 가능하다. 스틸의 사용에 있어서의 주요한 조건은, 여하한 스패터의 부착을 최소화하기 위하여 팁의 외부 표면에 내열성 에나멜 코팅이 도포된다는 것이다.

또한, 2개 이상의 가압 지점이 이용될 수도 있다는 것을 이해하는 것도 중요하다. 3mm 이상의 매우 높은 강성의 와이어에 대하여, 보어의 축선을 따라 밀접하게 이격되지만 반경방향으로 120도의 간격으로 배치되는 3개의 가압 지점들을 갖는 것이 유리할 수 있다. 이 방법에서, 3개 중 2개는 항상 와이어 소모품과 접촉상태에 있을 것이라는 점을 예상할 수 있다.

현재 이용가능한 기계들에서의 와이어 이송속도의 한계가 주어지면, 보다 높 은 퇴적률을 얻기 위해서는 0.9mm 보다 큰 직경으로 된 와이어 소포품을 사용할 필요가 있다. 동일한 디자인의 원리들이 적용되며, 중요한 디자인의 가이드라인은 와이어가 흑연내의 2개의 개별 영역에서 베딩되지 않도록 흑연 인써트의 길이를 제한하는 것이다. 와이어의 경도는 그것의 직경에 따라 좌우된다. 직경이 증가함에 따라, 경도 역시 증가된다. 경도가 증가하면, 콘택트 팁의 마모속도가 증가된다. 도 6에 도시된 형태의 콘택트 팁과 관련하여, 마모 제어 메커니즘은 팁의 입구에서의 구리의 마모속도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 예를 들어 4mm로부터 10mm 정도까지 구리 입구 길이의 길이부를 증대시킴으로써 팁의 사용수명이 늘어난다. 보다 긴 구리의 길이는 와이어 소모품의 곡률에 의하여 부과되는 하중을 분산시켜 구리 접촉영역의 마모속도를 줄여준다. 구리 접촉 길이부를 증가시키는 것의 단점은 와이어가 하나 이상의 지점에서 양호한 접촉을 하게 될 때는 언제나 상기 구리 입구 길이부에 걸쳐 슬라이딩 하는 와이어에 단락을 가져온다는 점이다. 이는, 구리의 부식 및 와이어와 보어의 구리부의 접착으로 인한 이송가능성의 감소를 가져온다. 또 다른 단점은 팁내에서 예열되는 와이어 길이의 저감에 있다.

콘택트 입구 길이부를 과도하게 증가시키는 것에 대한 실제적인 대안은 팁의 입구에 여러 재료들의 상이한 조합을 사용하는 것이다. 도 9는 매우 높은 와이어 이송속도 및 1.2mm 직경의 와이어 소모품에서 사용하기 위하여 성공적으로 시험된 일 예시를 나타내고 있다. 도 9에는, 도 4의 팁(50)의 구성요소와 대응되는 구성요소들에 대하여 동일한 참조부호에 "e"를 더하여 표시한 콘택트 팁(50e)이 도시되어 있다. 팁(50e)은 섹션(54e,60e)을 형성하며 대부분 구리로 이루어진 몸체를 갖는 다. 하지만, 섹션 54e는 구리 몸체내에 인써트(74)를 포함한다. 인써트(74)는 환상의 형태로 되어 있고 소결 텅스텐으로 이루어진다. 인써트(74)는 테이퍼(59e)를 형성하며, 보어(52e)의 보어 길이부(61e)에 3mm 길이의 입구부를 형성한다. 텅스텐 인써트(74)의 외경은 섹션 54e의 구리부의 후퇴부보다 0.05mm 정도 크며, 인써트(74)는 팁의 조립시 구리 몸체내로 가압된다. 텅스텐 인써트는 2개의 전류 전달 구성요소 중 첫번째 구성요소에 와이어 소모품에 의한 슬라이딩 마모에 대한 저항과 관련하여 선택되는 텅스텐을 제공한다. 텅스텐 인써트(74) 바로 다음에는, 구리로 형성되는 8mm의 부분 보어 길이부(61e)가 있다. 텅스텐에 비하여, 구리는 슬라이딩 마모에 대해 낮은 저항을 가지며, 본 형태에 있어 구리는 도 6에 나타낸 형태의 팁에서 제시된 흑연 인써트로 유효하게 대체된다. 팁의 섹션(64e)은 기계가공이 가능한 세라믹으로 된 18mm의 긴 인써트이다. 1.2mm 직경의 와이어에 대하여, 텅스텐 인써트(74)의 보어 길이부(61e) 일부의 직경은 1.3mm 정도이며, 구리의 보어 길이부(61e) 일부의 직경은 1.25mm 정도이며, 세라믹 인써트의 보어 길이부(62e)의 직경은 2.0mm 정도의 섹션(64e)으로 되어 있다. 와이어가 팁으로 들어가면, 그것은 텅스텐 인써트(74) 위를 슬라이딩하고, 그 자체가 구리내에 베딩되며, 순차적으로 세라믹 섹션(64e)을 통해 팁으로부터 안내된다. 보어 전도부의 직경의 단계적 변화는 작지만, 충분하다. 상기 단계는, 상기 단계 또는 그를 넘어 구리내에 잘 형성된 접촉영역을 조성하기에 충분하다. 정확한 위치는 와이어와 보어 사이의 클리어런스, 와이어의 경도 및 곡률에 따라 좌우된다. 백-업(back-up) 전류 전달영역은 스텝영역에 인접한 영역의 텅스텐 인써트내에 있다. 2개의 전류전달영 역은 본질적으로 동일한 전위에서 작동하며, 개방 회로 조건이 같지 않다. 예열길이는 잘 형성되며 와이어의 용융속도는 균일하다. 와이어의 원활한 진행에 대한 어떠한 장해도 없으며, 그에 따라 빠른 이송속도가 얻어진다. 이러한 형태의 팁의 사용수명은 텅스텐의 마모속도에 의하여 제어된다. 비펄싱 GMAW 및 15m/분 정도의 와이어 이송속도와 관련하여, 상기 용융속도를 유지하는데 필요한 전류는 34V로 인가된 전압에 대해 290A 정도이다. 동일한 이송속도에서의 종래 구리 팁에 대하여 요구되는 전류는 400A 정도이다. 이렇게 빠른 와이어 이송속도에서도 상기 팁의 사용수명은 2시간 정도이다. 텅스텐은 기계가공이 어렵고, 상대적으로 비싸기 때문에, 이써트(74)는 가능한 한 그것의 최종 치수에 가깝게 소결되는 것이 바람직하다. 여타 적용가능한 대안물로는, 경화가능한 탄소강, 실버 스틸, 화이트 아이언 및 니켈과 코발트 계의 하드페이싱(hardfacing) 합금이 있다. 하나의 공구강, 즉 실버 스틸은 사용을 위한 유효성 및 편의성 모두를 충족시켜 왔다. 이것은 근접한 공차에 센트리스(centreless) 연삭되어 공급되는 1% 탄소공구강인 실버 스틸이다. 이것은 기계가공이 가능하며, 기계가공후의 열처리에 의해 실질적으로 경화될 수 있다. 이것은 공급조건 및 그것의 열처리된 조건 둘 모두에서 텅스텐에 대한 대안물로서 성공적으로 사용되어 왔다.

도 9에서 설명된 바와 같이 텅스텐 구리 조합에 대한 한가지 다른 옵션은 연강의 몸체에 실버 스틸로 된 인써트를 구비하도록 하는 것이다. 이는 몸체와 인써트간의 열 팽창계수들이 양호하게 균형을 이루도록 한다.

빠른 와이어의 이송속도에서 구리 코팅된 스틸 소모품과 구리 팁간의 가속화 되는 접착 마모의 여지가 있다. 팁내의 환경은 본디 화학적으로 불활성이기 때문에, 와이어 자체 및 구리 보어의 노출된 부분상에 산화막이 형성되기가 어렵다. 표면에 산화막이 부재할 시, 구리와 구리가 접합되고 와이어가 팁을 통해 밀려날 때 마모가 가속화된다. 구리에 대하여 실행가능한 대안례는 회주철이다. 회주철내의 흑연은 상기 합금이 자체 윤활될 수 있게 한다. 특정 등급의 회주철은 기계가공이 가능하지만, 회주철의 콘택트 팁 몸체는 취성이 있고, 예를 들어 타이트-피팅(바람직하게는 간섭 피트(interference fit)) 텅스텐 인써트의 삽입 작업시 인장응력하에서 균열이 생기는 경향을 갖는다. 그러나, 회주철은 조합 팁의 구리 접촉 영역을 대체하기 위한 인써트로서 사용될 수 있다. 상기 조합의 일 예로는 열처리된 실버스틸, 이어서 회주철, 이어서 기계가공가능한 세라믹으로 된 인써트를 갖는 구리 몸체를 포함하는 팁이 있다.

도 10은 도 9의 팁(50e)과 유사한 팁을 나타내며, 이 경우에 참조부호들은 도 4의 것에 "f"를 더한 것과 같다. 도 9의 팁(50f)에서, 인써트(78)는 구리 대신 주철로 되어 있고, 인써트(76)는 실버 스틸로 되어 있는 한편, 섹션(64f)은 기계가공한 세라믹으로 된 인써트를 포함한다. 기계가공후에, 인써트(78)는 경도 및 마모 저항을 증가시키기 위하여 열처리 되었다.

도전성 인써트와 팁의 금속 몸체 사이의 전기적 접촉 저항은 최소화되어야 한다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어, 1 밀리-옴의 접촉 저항 및 예를 들어 300A의 전류에 대하여, 접촉 영역내 저항 가열은 90W 정도로 높다. 이는, 열후한 성능 및 단축된 사용수명을 가져오는 팁의 과도한 가열을 초래한다. 따라서, 인써 트와 팁의 금속 몸체간의 피팅(바람직하게는 간섭 피팅)은 가능한 한 타이트하게 하고, 인써트의 외측 표면과 금속 몸체의 내측 용융 표면 사이의 공간을 충전시키는데 도전성의 페이스트(paste)를 사용할 것을 추천하고 있다. 이는, 도 10의 팁(50f)의 경우에서와 마찬가지로 하나 이상의 인써트가 사용될 경우 특히 중요하다. 도전성 패이스트에 대한 대안으로는, 팁의 금속 몸체에 전도성 인써트를 브레이징(braze) 또는 납땜하여 팁의 몸체와 전도성 인써트 사이의 어떠한 전기저항도 매우 낮아질 수 있도록 하는 것이 있다. 비록 주어진 예시들은 1.2mm 직경의 와이어 소모품에 적용되었으나, 1.2mm보다 작은 직경의 소모품에 대해서도 쉽게 적용될 수 있다. 제1요건은, 잘 형성되고 컴팩트한 전류 전달 영역을 조성하고 개방 회로 조건의 가능성을 최소화시키는 방식으로 상기한 바를 수행하는 것이다. 후자의 요건은 가압 지점들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 또한, 도전성 재료 쌍의 적절한 조합을 선택하여 상기 쌍 중 한 부재는 슬라이딩 마모에 대한 높은 저항을 가지며 다른 한 부재는 슬라이딩 마모에 대하여 비교적 작은 저항을 갖도록 함으로써 달성달성될 수 있다. 전체 마모속도로 비교적 큰 마모의 부재로 와이어를 베딩함으로써 안정적인 전기접촉이 달성 및 유지되고 그에 따라 내마모성 부재의 특성에 의하여 사용수명이 제어된다. 또한, 전도 영역이 단일 재료로 만들어지는 보어 직경의 단계적 변화를 이용함으로써 개방 회로의 가능성도 줄일 수 있다. 이 경우에, 와이어가 상기 단계의 재료내로 베딩되어 보어의 전도부내의 여타 가능한 경로에 비해 낮은 저항의 잘 형성된 전류 경로를 조성한다.

예를 들어, 토치의 수직 하방향으로의 배향으로 하향 용접할 필요가 있는 산 업적인 상황에서는, 소모품으로부터 작업물로의 전류의 연속성이 용접 풀의 하향 흐름에 의하여 손상되기 때문에 용접 스패터는 불가피하다. 따라서, 스패터터가 생성되어 팁의 구리 몸체에 들러붙거나 세라믹 인써트의 노출된 표면에 들러붙을 수도 있다. 궁극적으로, 스패터 빌드 업은 팁으로부터 팁의 구리 몸체로 나오는 와이어로부터 연속적인 전기적 경로를 형성할 수도 있다. 이는 팁의 성능에 상당한 열화를 가져올 수 있다. 따라서, 팁의 성능 및 사용수명은 팁 몸체의 외부 표면을 고온 엔진 에나멜과 같은 내열성 에나멜 재료로 코팅하여 스패터의 부착을 줄이고 형성되는 전기적 경로가 팁으로부터 팁의 몸체로 나오는 와이어와 연결되는 것을 방지함으로써 개선될 수 있다. 엔진 에나멜로 코팅하는 것에 대한 하나의 대안은 팁 몸체의 표면에 알루미나와 같은 전기 절연성 내열재를 분사하는 것이다. 또 다른 대안은 용접 스패터가 니켈 코팅에 아주 약하게 들러붙기 때문에, 팁 몸체의 외부 표면을 니켈 도금하는 것이다.

조성된 스패터의 문제는 또 다른 방법으로 처리될 수도 있다. 도 11은 도 4의 팁(50)의 구성요소에 대응되는, 동일 참조부호에 "g"를 덧붙인 구성요소를 갖는 팁(50g)을 나타내고 있다. 이들 변형례들은 도 4 내지 10에 나타낸 각각의 팁과 상호양립성이 있다. 실제로, 세라믹 캡(80)이 변형된 팁(50g)의 출구단부(65g)에서 구리 몸체와 나사결합되어 보어(52g)로부터 팁 몸체로의 스패터의 연속적인 조성을 막는다. 이러한 형태의 캡(80)을 위한 바람직한 재료는 질기고(tough) 고밀도의 세라믹 재료이다. 캡(80)은 섹션(64g)을 포함하는 세라믹 인써트의 단부의 부식 마모를 저감시킨다. 상기 부식 마모는 스패터 입자들로 인한 충격과 아크로부터의 강한 방사선에의 노출로 인한 것이다. 도 11에 도시된 변형례에서, 팁(50g)의 섹션(64g)을 포함하는 세라믹 인써트는 82에서 도시된 바와 같이 구리 몸체의 출구 단부를 약간 넘어서 돌출된다. 돌출부(82)는 세라믹 캡(80)의 내면과 콘택트 팁의 섹션(64g)의 단부 사이에 부식 프로세스로 인한 갭이 형성되는 것을 방지한다. 갭의 부재시, 보어내의 와이어로부터 팁의 몸체로 연장되는 응축된 스패터 입자들의 연속적인 전기적 경로사 생성되는 것이 불가능하다. 세라믹 캡(80)의 보어(84)의 직경은 와이어 소모품의 직경보다 큰 0.5 내지 1.0mm의 범위, 따라서 섹션(64g)을 포함하는 세라믹 인써트내의 보어 섹션(62g)의 직경 이하의 범위내에 있을 수 있다.

상기 범위의 하단에서 와이어 소모품과 세라믹 캡간의 클리어런스와 관련하여, 세라믹 캡(80)은 예를 들어 와이어 이송 속도의 불안정성이 발생되는 번 백의 진행을 저지하는 역할을 할 수도 있다. 와이어 이송 속도의 순간적인 저감시에 전극이 번 백을 일으키면, 전극의 단부에서 용융된 금속은 세라믹 캡(80)내의 보어(84)의 짧은 길이부내에서 고형화될 것으로 예상된다. 팁(50f)이 더 이상 제기능을 할 수 없기 때문에 용접은 중단된다. 하지만, 상기 캡(80)을 새것으로 교체하면, 상기 팁(50f)이 신속히 수리되어 용접작업이 재개된다.

세라믹 캡은 상대적으로 짧은 팁을 위해 추가적으로 변형될 수 있다. 이는, 세라믹 인써트를 생략하고 스패터로부터 보호할 뿐 아니라 팁으로부터 나오는 와이어에 대한 가이드로서의 역할도 수행하기 위한 것이다.

도 3 내지 11의 콘택트 팁에 대하여 개략적으로 상술한 원리들은 주로 GMAW 용 팁과 관련되어 있다. 하지만, 상기 원리들은 SAW에도 적용될 수 있다. 도 12는 SAW에 적합한 팁(150)의 예시를 나타내고 있다. 팁(150)은 3.2mm 직경의 와이어와 함께 사용하도록 디자인되어 있다. GMAW와 관련하여, 팁(150)은 열 입력의 실질적인 저감이 측정될 수 있도록 한다. 500A에서 작동하는 등가의 구리 팁에 대하여, 팁(150)에 대응되는 실험용 팁에 의하면 동일한 와이어 이송속도를 위한 전류는 300A 정도였다.

도 12를 더 참조하면, 도 4의 팁(50)의 부분들에 대응되는 콘택트 팁(150)의 부분들은 동일한 참조부호에 100을 붙여 놓았다. 도시된 바와 같이, 팁(150)은 입구단부의 나사가공된 섹션(154)과 메인 섹션(160)을 포함하는 구리 합금으로 이루어진 본체(51)를 갖는다. 상기 섹션(154)은 157에서 수나사가공되어 있고 보어(152)까지 이어지는 가이드 테이퍼(159)를 형성한다. 하지만, 이 예에서, 보어(152)의 입구단부의 섹션은 섹션(154)내에 형성된다.

도시된 바와 같이, 팁(150)의 몸체는 단부(165)로부터, 섹션(160)의 전체 연장부를 따라서, 그리고 섹션(154)내의 짧은 거리에 걸쳐 53에 카운터보링 되어 있다. 또한, 팁(150)은 관상의 흑연 인써트(55a) 및 관상의 세라믹 인써트(55b)를 포함하는 2부분(two-part) 섹션(164)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 인써트(55a)는 인써트(55b)보다 짧고, 섹션(164)은 몸체(51)내의 카운터-보어(53)의 길이보다 전체적으로 약간 짧다. 섹션(164)은 카운터보어(53)내로 완전 수용되고, 카운터보어의 단부섹션은 그 내부에 제공되는 세라믹 시멘트로 된 원통형 슬리브(63)를 가진다. 따라서, 테이퍼(159)로부터 단부(165)까지의 끝에서 끝까지 보어(152)는 구리 합금으로 된 섹션(154), 흑연 인써트(55a) 및 세라믹 인써트(55b)에 의하여 형성되며, 세라믹 시멘트 인써트(63)는 보어(152)에서 단부(165)까지의 연속성을 제공한다. 또한, 도시된 바와 같이, 몸체(51)의 출구단부 주위에는 내열성 슬리브(65)가 제공되어 서브머즈(submerged) 아크 프로세스의 플럭스를 통한 아킹으로부터 보호한다.

도 12에서, 보어(152)는 3.4mm의 직경을 가지며, 흑연 인써트(55a) 및 세라믹 인써트(55b)는 각각 9.5mm의 외경을 갖는다. 상기 팁은 3.2mm 직경의 소모품을 대상으로 한 것이다.

예를 들어, 수단(50)을 참조하여 도 3의 흑연 팁에 대하여 설명된 바와 같이, 보어(152)내의 제1접촉지점을 제공하는 것의 원리는 도 12의 높은 전류의 조합 팁에 적용될 수도 있다. 하나의 접촉영역은 보어(152) 입구단부의 구리몸체(51)에 있다. 제2접촉영역은 인써트(55a)의 입구단부의 흑연 인써트(55a)에 있다. 전류 전달의 효율은 구리에 비해 높은 저항성의 흑연에 의하여 저감될 수 있으나, 이것은 와이어와 흑연 인써트간의 더 큰 접촉영역에 의하여 상쇄된다. 흑연과 와이어간의 이러한 접촉은 0.1mm 정도인 흑연의 보어 직경의 감소에 의해 더욱 개선된다. 0.1mm의 상기 감소는, 예를 들어 도 9 및 10에서 사용된 것보다 크지만, 소모품의 직경에 대략적으로 비례한다. 2개의 접촉영역들은 인접해 있고, 본질적으로 동일한 전위에서 작동하며, 둘 모두가 일반적으로 폐쇄된 전기접촉들에 대해 등가이다. 유효 전류 전달 지점은 보어의 구리부와 흑연 인써트의 입구단부간의 결합부 바로 부근에 있을 수 있다. 가이드 테이퍼(159)가 인써트(55a)에 보다 가까운 단부에서 보 어(152)의 재배치된 입구단부로 통과해 연장되는 도 12의 배치 변화에 있어서, 도 3에서와 같은 수단(50)이 보어(152)의 입구에 인접한 인써트(55a)에 제공된다.

도 13은 본 명세서에서 후술 하겠지만, 도 19 및 21을 참조하여 설명되는 용접 절차에서 사용된 추가 콘택트 팁을 나타낸다. 도 13의 팁은 전체적인 형태에 있어 도 9의 팁(50e)과 유사하다. 따라서, 도 13의 팁에 대해 대응되는 부분들은 도 9와 동일한 참조부호에 100을 붙여 놓았다.

도 9의 팁(50e)은 1.2mm 직경의 소모품 와이어와 함께 사용하기 위한 것이었으나, 도 13의 팁(150e)은 도 19의 판 용접상의 비드가 생산되는 2.8mm의 하드페이싱 와이어와 함께 사용하기 위한 것이다. 팁(150e)은 45mm의 전체 길이를 갖는다. 일체로 형성된 섹션(154e,160e)은 구리합금으로 되어 있고, 섹션(164e)을 포함하는 인써트는 기계가공이 가능한 세라믹으로 되어 있다. 이 경우에, 상기 인써트(174)는 기계가공후에 열처리 되지 않는 실버 스틸로 되어 있다. 보어부(161e)는 인써트(174)와 섹션(164e)의 인써트 사이의 구리합금에 의하여 형성되는 상기 부분(161e)의 연장부에서 3.0mm까지 축소되는 인써트(174)에서 3.1mm의 직경을 가진다. 보어(152e)의 상기 부분(162e)은 3.8mm의 직경을 가진다.

인써트(174)의 테이퍼(159e)는 전극 와이어를 보어(152e)내로 안내한다. 보어(152e)의 부분(161e)은 인써트(174)에 의한 것보다 구리합금으로 형성되는 더 작은 직경을 갖는다. 또한, 인써트(174)는 구리 합금보다 낮은 레벨의 도전성을 갖는다. 이러한 인자들로 인해, 상기 전극 와이어는 구리 합금과 제1의 접기접촉을 한다. 구리 합금과 세라믹 인써트(164e)간의 결합부에서, 인써트에서의 보어(152e)의 직경이 커짐으로써 제1의 접촉의 장소가 인써트(164e)에 인접해지도록 한다. 인써트(164e)를 구성하는 세라믹은 비교적 낮은 레벨의 도전성을 가지므로, 상기 제1의 접촉을 단락시킬 수 있는 그 내부에서의 어떠한 제2의 접촉도 차단한다.

와이어 소모품의 이송가능성은 팁의 보어와 관련해서만이 아니라 세라믹 가이드와도 관련된 논제이다. 따라서, 테이퍼진 입구단부를 갖는 세라믹 인써트는 이러한 특정 케이스에서 금속계 인써트가 텅스텐 대신 실버 스틸이었다는 것을 제외하고 도 9에 나타낸 형태의 팁내에 제작 설치되었다. 상기 팁은 펄싱된 MIG 전원을 이용하여 성공적으로 실험되었다. 상기 팁의 세부적인 부분들은 도 9의 팁(150e)과 유사한 또 다른 콘택트 팁을 나타내는 도 14에 주어져 있다. 도 14의 팁의 대응되는 부분들은 도 9에 사용된 동일 참조부호에 200을 덧붙여 놓았다.

팁(250e)은 36mm의 전체 길이를 가지며, 인써트(274)와 섹션(264e) 사이에 5mm의 간격을 갖는다. 보어(252e)의 직경은 인써트(274e)에 의하여 형성되는 길이부(261e)의 연장부에서 1.3mm, 구리 합금에 의하여 형성되는 길이부(261e)의 연장부에서 1.25mm 및 섹션(264e)의 인써트에 의하여 형성되는 연장부(262e)에서 2.0mm이다. 상이한 치수들 이외에도, 팁(250e)은 추가적 특징에 있어 도 9의 팁(150e)과는 상이하다. 도시된 바와 같이, 섹션(264e)의 세라믹 인써트는 인써트(274)의 테이퍼(259e)와 유사한 원뿔대형상의 입구(77)를 갖는다. 입구(77)는 섹션(264e)의 보어(252e)의 2.0mm 직경까지 아래로 테이퍼가공된다. 테이퍼진 입구(77)의 제공은 와이어의 이송가능성을 촉진시킬것으로 사려된다.

본 발명의 각 실시예에서, 제1전기접촉의 단락은 지배적인 전류공급경로를 조성하는 접촉에 의하여 방지된다. 즉, 제2접촉이 가능할 수 있으나 제1전기접촉에 적용할 수 있는 낮은 레벨의 접촉 저항에서는 불가능하다. 접촉 저항의 이러한 차이는, 몇몇 예에서는 보어의 제1접촉영역과 보어의 나머지 부분을 형성하기 위한 재료들의 선택에 의해서, 그리고 보어의 나머지지 부분을 상기 영역보다 약간 더 크게 만듦으로써 증가된다. 도 15는 콘택트 팁(150g)의 대안적인 형태를 나타낸다. 이는, 도 11의 팁(50g)의 부분을 기반으로하기 때문에 대응되는 부분들은 동일한 참조부호에 100을 붙여 놓았다.

콘택트 팁(150g)의 세부적 부분들은 부분적으로 도 9의 팁(50g)의 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 제1전기접촉이 콘택트 팁(50g)에서와 동일한 방법으로 보어 섹션(161g)에 조성된다. 하지만, 다소간 보어 섹션(162g)의 제2접촉이 상기 제1접촉을 단락시키지 않도록 하면, 제2접촉이 배제된다. 따라서, 보어 섹션(162g)은 제2접촉을 배제시키기 위한 것으로서 섹션(161g)의 직경을 충분히 초과하는 직경을 갖는다. 오히려, 팁(150g)을 통해 이송되는 전극 와이어는 보어(162g)를 축선방향으로 통과하고 절연 단부 캡(180)의 가이드 홀(184)에 의하여 안내된다.

철을 함유한 금속의 용접이 산업계 용접의 대부분을 차지하고 있으나, 비철 금속, 특히 알루미늄 용접은 그 중요성이 증가하고 있는 것으로 보인다. 알루미늄은 스틸 및 스테인리스 스틸 소모품과 비교하여 낮은 전기저항, 높은 열전도성을 가지며, 매우 연질이기 때문에 이송하기에 어려움이 있다. 실제로, 이송시키기가 너무 어려워 일반적으로 알루미늄을 용접하는데에는 특수한 토치들이 요구된다. 이 들은 푸시-풀 건(push-pull guns)라 불리며 2가지 이송 메커니즘, 즉 토치 라이너내로 와이어를 밀어넣기 위하여 스풀 단부에 하나, 그리고 라이너를 통해 와이어를 밀어준 다음 팁을 통해 상기 와이어는 밀어주기 위하여 팁 부근에 다른 하나의 메커니즘을 특징으로 한다. 와이어내에서의 얽힘(kink)과 같은 불규칙적인 상황을 감당할 수 있도록 와이어와 팁의 보어 사이의 클리어런스는 철을 함유한 소모품에 대한 것보다 크다. 철을 함유한 소모품과 관련하여, 알루미늄에 대한 와이어의 용융속도는 다음과 같이 주어진다.

W = aI + bLI²

하지만, 알루미늄의 전기저항은 아주 작기 때문에, 실제로 저항 가열의 항 bLI²은 무시할 수 있는 수준이다. 따라서, 본 발명에 따른 콘택트 팁을 이용하여 알루미늄 용접을 수행하는데 있어서의 장점은 없을 것으로 보인다. 실험적으로는 이것이 상기 경우에 해당되지 않는다고 판명되었다. 개선된 이송가능성 및 그에 대응되는 아크 안정성의 조합은 일정한 와이어 이송속도에 대하여 전류의 저감을 가져온다. 4043 등급의 1.2mm 직경의 알루미늄 합금 소모품에 대하여 8m/분의 와이어 용융속도를 얻기 위해 필요한 통상적인 전류는 전형적인 구리 팁의 경우 180A이다. 이것은 도 9에 도시된 형태의 팁을 이용하면 10A 정도 줄일 수 있다.

또한 본 발명은, 소모성 전극을 사용하는 전기 아크 용접에 적합한 소모성 전극 이송시스템과 상기 이송시스템을 구비한 전기 아크 용접 장치 및 전기 아크 용접 건을 각각 제공하고, 상기 이송시스템은 전기 아크 용접용의 소모성 전극, 와 이어 또는 스트립이 입구단부로부터 도관의 출구단부를 통과할 수 있는 상기 도관 및 상기 도관을 통한 길이방향으로의 움직임을 위한 유지수단으로부터 상기 와이어 또는 스트립을 잡아당기도록 작동가능한 이송수단을 포함하도록 상기 와이어 또는 스트립의 공급을 유지하는 수단을 포함하고, 상기 이송시스템은 본 발명에 따른 콘택트 팁을 더 포함하며, 상기 콘택트 팁은 와이어 또는 스트립이 상기 콘택트 팁의 보어를 통과할 수 있도록 상기 도관의 출구단부에 대해 장착된다.

콘택트 팁과는 별개로, 본 발명의 이송시스템은 소모성 전극을 사용하는 종래의 전기 아크 용접에서 사용되는 것과 유사할 수도 있다. 따라서, 유지수단은 소모성 와이어 또는 스트립의 코일을 유지시키기 위한 스풀인 한편, 이송수단은 스풀로부터 소모품을 잡아당기거나 도관 및 콘택트 팁을 통해 그것을 이송시키기 위한 제어시스템에 응답하여 작동가능한 전원으로 구동되는 롤러시스템일 수 있다. 상기 도관은 금속 또는 폴리머일 수 있고, 콘택트 팁은 도관의 출구단부에서 콘택트 팁 홀더에 장착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이송시스템을 구비한 용접장치에 있어서, 소모품 이송 수단용 제어시스템을 작동시키고 용접 전류를 공급하기 위한 전원 공급부는 소모성 전극을 이용하는 용접에 적합한 종래의 전기 아크 용접장치에 사용되는 것과 유사할 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 콘택트 팁은 보다 원활한 소모품의 이송 프로세스 및 용접을 위한 전류 요건의 저감을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 팁에서는, 와이어가 팁에 들러붙지 않는다. 그것이 팁을 통해 움직일 때 입구단부 또는 그 부근으로 전류가 공급되어 와이어를 예열시킬 수 있다. 와이어와 팁간의 접착성 부족은 팁내의 평행 전류 경로의 조성이 보다 저감되도록 할 것이다. 이러한 전류는 예열 메커니즘의 유효성을 저감시킬 수 있다. 본 명세서에서 설명된 팁과 관련하여, 철을 함유한 소모품들의 경우 최대의 예열이 얻어지지 않는 경우가 대부분이라는 것이 실험적으로 관측되었다. 보다 큰 전류와 관련하여, 이러한 예열 메커니즘이 지배적이다. 저항 가열은 보다 잘 제어되기 때문에 전기 아크에 의한 가열보다 안정적이다. 따라서, 연무 및 스패터의 레벨이 저감된다. 알루미늄에 대하여, 소모품의 저항은 어떤 예열도 최소가 될 정도로 낮다. 그럼에도 불구하고, 이들 새로운 팁과 관련하여 개선된 이송가능성은 열 입력에 있어 작지만 측정가능한 저감을 얻을 수 있다.

일반적으로, 유효 전극 연장부를 증가시키는 형태로 본 발명의 콘택트 팁을 구성함으로써 (주어진 전류 레벨에 대하여) 용접 금속의 퇴적률이 개선될 수 있다. 기존의 디자인은 본 발명의 콘택트 팁에 의하여 제공되는 장점들을 최적화시키도록 디자인된 다양한 방법으로 실질적으로 개선될 수 있다. 예를 들어, 콘택트 팁은, 그것의 나머지 길이부에 비해 약간 더 큰 단면을 갖는 보어의 입구단부에서 콘택트 팁과 소모품간의 연속적인 전기접촉이 일어날 수 있도록 하기 위해 기계가공된 보어를 갖는 연장된 한개의 피스 형태로 이루어질 수도 있다. 상기 나머지 길이부는 소모품에 대한 가이드로서의 역할을 하여 상기 소모품이 콘택트 팁으로부터 아크내로 나오기 전에 실질적으로 가열될 수 있다. 주어진 전류에 대하여, 이것은 보다 높은 퇴적률을 얻을 수 있다. 대안적으로, 주어진 소모품의 용융속도와 관련하여, 저항 가열에 의하여 보다 낮은 에너지 입력을 얻을 수 있다.

도 16을 참조하면, 도 9의 팁(50e)와 유사한 콘택트 팁을 사용하여 생산되는 판 용접상 비드의 확대사진에 나타나 있다. 하지만, 텅스텐 인써트(74) 대신에 실버 스틸로 된 유사 인써트가 사용되었다. 스틸 인써트의 보어(52f)의 길이는 6mm이며, 길이(61f)의 인접한 구리 합금부에서 그것은 5mm이다. 도 15의 용접을 생성시키는데 사용되는 용접 파라미터들은 표 2에 나열되어 있다. 도 17은 도 16의 용접 비드의 최상부에 근접한 영역으로부터 취한 현미경사진이다.

판 용접상의 높은 퇴적 속도의 비드에 대한 용접 파라미터

용접 형태	판상의 높은 퇴적 속도의 비드
소모품	구리-코팅된 스틸 와이어, ES6
와이어의 직경	1.2mm
기판 재료	연강
기판 두께	20mm
실딩 가스(shielding gas)	5% 이산화탄소, 3% 산소 및 잔량 아르곤
용접 위치	하향
전압	39V
전류	410A
극성(polarity)	DCEP
전원	일정한 전압, 인버터
스탠드-오프	20mm
와이어 이송속도	27.5m/분
퇴적률	14.3kg/hour
운동속도	400mm/분
열 입력	24kJ/cm

도 16 및 17에서 알 수 있듯이, 제시된 용접은 품질이 높다. 이는, 매우 높은 이송속도를 이용하여 매우 높은 퇴적률에서 생성됨에도 불구하고 종래의 구리 합급 접촉 팁을 사용하는 전류 실시와 비교하여 저감된 열 입력을 갖는다. 본질적으로 높은 품질의 스패터가 없는 용접은, 표 2에 제시된 와이어의 이송속도를 위한 구리 합금 팁을 이용하는 종래의 GMAW에 의해서는 생성되지 않는다. 용접 비드와 기판간의 완전한 융합이 존재하며, 열의 영향을 받는 구역이 좁고 미소구조는 일반적으로 균질하다. 용접 비드의 미소구조는 충격 인성(impact toughness)에 장점이 있는 침상구조의 페라이트(acicular ferrite)를 포함하는 다양한 형태의 페라이트를 나타내고 있다. 확대 또는 현미경사진의 어디에서도 다공성의 증거는 없다.

도 18 및 19는 FCAW에 의하여 생성된, 판 용접상의 2개의 추가 비드의 확대사진이다. 도 18은 종래의 구리 합금 콘택트 팁을 사용하는 전류 실시에 의하여 퇴적되는 비드를 나타낸다. 도 19는 도 13의 팁에 따른 콘택트 팁을 사용하여 퇴적되는 비드를 나타낸다. 표 3에는 작동 파라미터들이 나열되어 있다.

FCAW를 사용하여 퇴적되는 판 용접상의 비드에 대한 용접 파라미터

	종래기술	본 발명
용접 형태	판상 비드	판상 비드
소모품	고탄소 고 크롬 화이트 아이언	고탄소 고 크롬 화이트 아이언
와이어의 직경	2.8mm	2.8mm
기판 재료	연강	연강
기판 두께	10mm	10mm
실딩 가스(shielding gas)	없음(개방 아크)	없음(개방 아크)
용접 위치	하향	하향
전압	28.5V	28.5V
전류	410A	390A
극성(polarity)	DCEP	DCEP
전원	일정한 전압, DC정류기	일정한 전압, DC정류기
스탠드-오프	20mm	20mm
와이어 이송속도	3.3m/분	5.1m/분
퇴적률	7.5kg/hour	11.6kg/hour
이송속도	800mm/분	800mm/분
열 입력	8.8kJ/cm	8.3kJ/cm

도 20 및 21은, 각각 도 18 및 19의 용접 비드로부터 취해진 현미경사진이다. 도 20은 화이트 아이언 소모품이 스틸 기판으로부터의 재료에 의해 약화된 것 을 나타내고 있다. 상기 약화는 미소구조의 하이포아공정혼합물(hypoeutectic)을 만들기에 충분하며, 상기 미소구조의 중요한 특징은 공정혼합물의 매트릭스에서의 오스테나이트의 엽상결정(dendrite)이다. 이와는 대조적으로, 도 21은 화이트 아이언 소모품이 기판재료와 더불어 약화되나, 상기 약화는 도 20에 나타낸 것보다 실질적으로 적다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 도 21에서는, 상기 마이크로구조는 하이포아공정혼합물이라기 보다는 하이퍼공정혼합물(hypereutectic)에 속하는 공정혼합물이다. 도 20 및 21의 현미경사진은 각각의 비드의 유사한 위치, 즉 판 용접상 비드의 중앙으로부터 취한 것이다.

표 3 및 도 18과 19를 다시 참조하면, 도 19의 퇴적은 도 18의 비드에 의해 얻어지는 대응 높이보다 75% 정도 높은 판표면을 상회하는 높이를 가진다는 것에 유의해야 한다. 도 19의 비드의 폭은 도 18의 비드의 폭보다 15% 정도 작지만, 동일한 이동 속도에서의 퇴적률로부터 알 수 있는 바와 같이 콘택트 팁 및 도 19의 파라미터들은 도 18과 비교하여 퇴적되는 용접 금속의 중량에 있어 55% 정도가 증가되었다. 이는, 요구되는 전류 레벨과 열 입력 모두에 있어 그다지 심하지 않은 저감을 갖는 것이다. 전체적으로, 도 19 및 표 2는 전류 실시와 비교하여 본 발명의 이용에 의한 하드페이싱에 있어서의 매우 충분한 실제적인 이점들을 강조하고 있다.

도 22는 본 발명에 의하여 생산되는 랩 용접의 확대사진이다. 사용되는 용접 팁은 도 9에서 설명된 것과 동일한 것이었다. 용접 파라미터들은 표 4에 나열되어 있다. 스틸 시트와, 융합 라인 및 열의 영향을 받는 좁은 구역을 따르는 적정하고 과도하 지 않은 침투(penetration) 둘 모두에 대한 용접 비드의 완전한 융합이 있다. 다공성의 증거는 존재하지 않는다

높은 생산성의 랩 용접에 대한 용접 파라미터

용접 형태	높은 생산성의 랩 용접
소모품	구리-코팅된 스틸 와이어, ES6
와이어의 직경	1.2mm
기판 재료	연강
기판 두께	3mm
실딩 가스(shielding gas)	18% 이산화탄소, 잔량 아르곤
용접 위치	20도 수직하향
전압	34.5V
전류	320A
극성(polarity)	DCEP
전원	일정한 전압, 인버터
스탠드-오프	20mm
와이어 이송속도	15m/분
퇴적률	7.9kg/hour
이송속도	1800mm/분
열 입력	3.7kJ/cm

새로운 용접절차의 적합성을 평가하기 위한 전제조건들 중 하나는 용접된 시험 기판을 생상하고 용접 금속의 기계적 특성을 분석하는 것이다. 따라서, 존 발명의 보다 면밀히 평가하기 위하여, 용접된 시험 기판이 만들어졌다. 이를 위해, 백킹 바아상에서 지지되는 2개의 판의 경사진 각각의 에지부사이에서 단일의-V자형-홈 또는 버트 용접이 이루어졌다. 각각의 판은 20mm 두께의 저탄소강판이며, 백킹 판은 10mm 두께이고, 상기 판들간의 루트의 갭은 12mm인 한편, 판의 에지부들 사이에 포함되는 각은 45°였다. 도 9에 따른 콘택트 팁을 사용하여 용접이 수행되었고, 용접 파라미터들은 표 5에 나열된 바와

시험 판에 대한 용접 파라미터

소모품	구리-코팅된 스틸 와이어, ES6
와이어의 직경	1.2mm
판 재료	20mm 저탄소강
백킹 판	10mm 저탄소강
실딩 가스(shielding gas)	상용 CO2/O2/Ar 혼합물
전압	41.5V
전류	430A
극성(polarity)	DC 전극 포지티브
전원	일정한 전압, MIG
스탠드-오프	20mm
와이어 이송속도	27.5m/분
퇴적률	14.2kg/hour
이송속도	400mm/분
인터-패스(inter-pass) 온도	최대 160℃
열 입력	28.6kJ/cm

충격 및 인장 시험 시료들은 ANSI/AWS A5.20-95(Ameriacan National Standards Institute/American Welding Society)에 나열된 가이드라인들에 따른 완전한 용접 퇴적으로부터 취해졌다. 기계적 시험의 결과들은 표 6 및 7에 나열되어 있다.

시험 판 용접 금속의 기계적 특성

UTS	543MPa
0.2% 프루프(proof)	421MPa
연신율	28%
-20℃에서의 충격세기	133J,121J,118J
-40℃에서의 충격세기	105J,99J,92J
-60℃에서의 충격세기	69J,67J,37J

시험 판 용접의 경도

	트래버스 1(HV10)	트래버스 1(HV10)	트래버스 1(HV10)
모 재료, 최소	159	162	164
모 재료, 최대	168	164	166
HAZ, 최소	169	160	163
HAZ, 최대	202	179	197
Weld, 최소	165	171	173
Weld, 최대	196	186	206

표 6에 설명된 특성들은 매우 우수한 결과의 인장강도, 연신율 및 충격강도 인성을 갖기 위한 용접 금속을 나타내고 있다. 충격강도에 대한 값은 용접이 -40℃ 아래의 온도에서 안정적이라는 것을 나타내고 있다. -60℃에서 나열된 값들은 상기 온도가 전이온도에 가깝고 위상변화가 곧 발생될 수 있다는 것을 알려준다.

도 7과 관련하여, 비커스경도(HV10)의 표본은 각각 저탄소강판 모 금속, 용접 금속 및 모 금속의 열의 영향을 받는 구역(HAZ)이었다. 경도 값들은 3개의 트래버스를 따라 얻어진다. HAZ 및 용접 금속에 대한 경도 값들은 표 6에 나타낸 용접 금속의 인성과 일치한다.

표 8에는 용접 금속의 화학적 분석이 나타나 있다. 실리콘 및 망간의 농도는 요소 손실이 최소였다는 것을 나타내고 있다.

시험 판 용접 금속의 화학적 분석

요소	용접 성분(%)
Fe	나머지
C	0.05
Mn	1.2
Si	0.67
P	0.014
Ni	0.009
Cr	0.02
Mo	0.03
Cu	0.01
V	0.15
Nb	＜0.01
Ti	＜0.01
Al	＜0.005
B	＜0.0005

끝으로, 본 발명의 기술적 사상이나 기술적 범위로부터 벗어남 없이 상술된 부분들의 구성 및 배열에 다양한 변환, 수정 및/또는 첨부가 도입될 수도 있다는 점을 이해해야 한다.

Claims (25)

1. 소모성 전극을 사용하는 전기 아크 용접용 콘택트 팁에 있어서,

   상기 콘택트 팁(50b)은 입구단부(61b)와 출구단부를 갖는 보어(52b)를 정의하는 몸체를 포함하여 이루어지고, 이에 의하여 상기 소모성 전극은 상기 몸체를 관통할 수 있고,

   상기 몸체는, 상기 입구단부로부터 상기 보어의 길이 중 부분적으로, 원주상 스텝(circumferential step)을 제공하도록 구성되며, 상기 원주상 스텝에서 상기 보어는 그 직경에 있어서, 상기 소모성 전극과의 전기 접촉을 가능하게 하는 입력단부와 스텝 사이의 직경으로부터 상기 소모성 전극과의 전기 접촉을 가능하게 하는 보어의 감소된 직경부까지 감소되며,

   이로 인하여, 제 1 접촉영역에서 제 1 전기접촉을 이루기 위하여 상기 몸체 내에 놓인(bed) 소모성 전극에 의하여 상기 보어의 감소된 직경부에 제 1 접촉영역이 형성된 상태에서, 상기 스텝을 포함하는 상기 보어의 제 1 접촉영역에서 상기 몸체로부터 상기 소모성 전극으로 용접 전원으로부터의 전류가 전달될 수 있으며,

   상기 몸체는, 상기 제 1 접촉영역에서 상기 제 1 전기접촉을 단락시킬 수 있는 상기 몸체와 상기 소모성 전극 사이에서의 제 2 전기접촉을 배제시키기 위하여,

   상기 보어가 상기 제1 접촉영역으로부터 상기 출구단부까지의 상기 보어 길이를 따라 증가된 직경을 갖도록 구성되는 것이거나, 또는,

   상기 제 1 접촉영역으로부터 상기 출구단부까지의 상기 보어의 길이가 상기 제 1 접촉영역에서의 보어를 형성하는 재료와는 다르면서 더 낮은 레벨의 전기 전도도를 갖는 제료로 형성되는 것

   을 특징으로 하는 콘택트 팁.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 접촉영역은 상기 보어 길이의 10% 보다 작은 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 접촉영역은 상기 보어 길이의 5% 보다 작은 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 1 접촉영역은 5mm 보다 크지 않은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 접촉영역은 3mm 보다 작은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 1 접촉영역은 상기 보어의 입구단부 또는 그 부근에 있는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 몸체는 상기 보어의 입구단부로 이어지는 테이퍼진 가이드(59b)를 형성하는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스텝은 상기 입구단부로부터 카운터보링함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스텝은, 인접부와 직경에서 차이가 나는 부분을 갖는 상기 보어의 부분을 형성하는 1 이상의 인써트(70)를 포함하는 콘택트 팁에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제 1 접촉영역에서 보어를 형성하는 재료와는 상이한 상기 재료는 전기적으로 절연성인 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 스텝은 단일 재료로 형성된 보어의 섹션 내에 있는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 단일 재료는 구리, 구리합금, 또는 경화가능한 강으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 보어는, 상기 보어의 입구단부와 상기 스텝과의 사이에서, 상기 스텝과 상기 보어의 출구단부 사이에서 상기 보어를 형성하는 제 2 재료보다 더 경화된 제 1 재료에 의하여 형성(define)되는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 재료는 구리합금이며 상기 제 2 재료는 흑연(graphite)인 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 재료는 소결 텅스텐이며 상기 제 2 재료는 구리합금인 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 제 1 재료는 강(steel)이며 상기 제 2 재료는 구리합금인 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 원주상 스텝은 0.05mm의 직경 폭(diametral width)을 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 원주상 스텝은 0.1mm의 직경 폭(diametral width)을 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
19. 소모성 전극과 조합되는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 의한 콘택트 팁에 있어서,

    상기 보어(52b)는 제 1, 제 2 및 제 3 의 길이방향 섹션들을 포함하고, 상기 제 1 길이방향 섹션은 상기 입구단부와 상기 스텝과의 사이이며, 상기 제 2 길이방향 섹션은 상기 보어의 감소된 직경부이며, 상기 제 3 길이방향 섹션은 상기 감소된 직경부와 상기 출구단부와의 사이이며,

    상기 소모성 전극은 상기 보어의 제 1 및 제 2 길이방향 섹션들 각각을 각각의 공차를 가진 상태에서 관통할 수 있고, 상기 각각의 공차는 상기 소모성 전극과 상기 몸체 사이의 전기적 접촉을 가능하게 하고, 상기 소모성 전극은 상기 스텝에서 상기 몸체 내부에 놓여질 수 있음(bed)에 의하여 상기 보어의 감소된 직경부에서 상기 보어의 제 1 접촉영역을 생성하며, 상기 제 1 접촉영역에서 용접 전원으로부터의 전류가 상기 몸체로부터 상기 소모성 전극에까지 전달될 수 있으며,

    상기 제 1 접촉영역에서 제 1 전기접촉을 단락시킬 수 있는 상기 제 3 길이방향 섹션에서의 제 2 접촉을 상기 몸체와 상기 소모성 전극 사이에서 배제시키기 위하여, 상기 보어의 제 3 길이방향 섹션에서, 상기 보어는 상기 제 1 및 제 2 길이방향 섹션들에서의 직경들에 비하여 증가된 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 팁.
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