KR101115186B1 - 플라즈마 가우징 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온의 플라즈마를 이용한 가우징 작업에 있어 분출압력과 분출속도를 향상시켜 모재의 용융부위에서 융액의 비산거리를 증대시키고, 가우징 작업시 수반되는 소음과 플래임 및 퓸의 발생을 최소화하며, 토치의 중량 감소를 통한 작업성의 향상을 기대할 수 있도록 하는 플라즈마 가우징 토치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원의 공급시 플라즈마를 발생하는 전극(10)과, 상기 전극(10)을 내장하고 플라즈마의 분출을 위한 분사구(12a)를 갖춘 노즐(12), 상기 노즐(12)로 에어를 분사하는 분사 구멍(16a)을 갖춘 실드 바디(16) 및, 상기 실드 바디(16)에 결합되어 상기 노즐(12)을 내장하는 실드 캡(18)을 구비하는 플라즈마 가우징 토치에 있어, 상기 분사구(12a)는 내주면에 단면적을 점진적인 축소시키는 테이퍼면(12aa)과, 상기 테이퍼면(12aa)의 단면 최소부위로부터 단면적이 돌연 확장되어 연장되고 상기 분사구(12a)의 외측 선단부위에 이르기까지 동일한 단면적을 유지하는 직선면(12ab)을 일체로 형성한다.

플라즈마, 가우징, 토치, 노즐, 분사 구멍, 실드 가스

Description

플라즈마 가우징 토치{Plasma gouging torch}

본 발명은 플라즈마 가우징 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극에서 고온의 플라즈마를 발생시켜 모재를 용융시키고 실드 가스를 이용하여 용융된 융액을 불어내어 제거함으로써 가우징 작업시 수반되는 소음과 플래임 및 퓸 등의 발생을 최소화할 수 있는 새로운 형태로 제안되는 플라즈마 가우징 토치에 관한 것이다.

조선소 및 플랜트 생산 현장에서 이루어지는 용접작업은 후판 용접의 증가, 용접사의 기량 부족 등의 다양한 원인에 의해 종종 용접결함을 수반하게 되는 데, 이와 같이 용접후 발생되는 결함은 구조물에 대한 안정성의 확보 차원에서도 반드시 배제되어야 하는 요소이다.

이에 따라 용접결함은 통상적으로 고온의 아크를 발생시켜 결함부로 발산하여 모재를 용융시키고 그 용융된 융액을 비산시키는 가우징(gouging)에 의해 제거된다.

현재 대부분의 생산 현장에서는 기존의 수동 아크 가우징(Manual metal arc gouging)과 산소 가우징(Oxygen-fuel gas flame gouging) 보다 생산성이 월등히 높고 용접부의 결함 발견이 용이한 카본 가우징(air arc carbon gouging)을 주로 사용하고 있다.

종래의 카본 가우징은 도 6에 도시된 바와 같은 방식으로 이루어진다. 카본 가우징 토치(51)에 장착된 탄소 전극(53)을 통하여 전극(53)의 끝단에서 아크(58)의 발생이 이루어지고, 이때 상기 카본 가우징 토치(51)에서 상기 탄소 전극(53)의 장착부위와 인접한 위치에 형성된 구멍(55)을 통해 고속의 에어 제트(air jet; 57)가 분사된다. 이에 따라 탄소 전극(53)에서 발생된 아크는 모재(59)를 녹이고 에어 제트(57)는 융액을 비산시켜 깨끗한 그루브(61)만을 남기게 된다.

그러나, 종래의 카본 가우징 작업시에 소음이 크고 다량의 플래임(flame)과 퓸(fume) 등을 발생시켜 작업환경에 대한 개선이 시급한 실정이다. 또한, 무거운 케이블로 인해 작업자의 근골격 계통에 질환을 유발할 수도 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 감안하여 안출된 것으로, 현장의 유틸리티 라인을 통해 제공되는 에어를 이용하여 고온의 플라즈마를 생성하고 플라즈마의 분출시 압력과 속도를 향상시켜 모재의 용융부위에서 융액의 비산거리를 증대시키고, 가우징 작업시 수반되는 소음과 플래임 및 퓸의 발생을 최소화하며, 토 치의 중량 감소를 통한 작업성의 향상을 기대할 수 있도록 하는 플라즈마 가우징 토치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원의 공급에 따라 플라즈마를 발생하는 전극과, 상기 전극을 내장하고 상기 전극으로부터 발생된 플라즈마를 외부로 분출하는 분사구를 갖추며 토치의 헤드에 결합되는 노즐, 상기 노즐의 내부로 플라즈마의 발생을 위한 에어를 공급하고 상기 노즐의 외부로 냉각을 위해 에어를 분사하는 분사 구멍을 갖추고서 토치 몸체에 결합되는 실드 바디 및, 상기 실드 바디의 전단부에 결합되어 상기 노즐을 내장하고 상기 노즐의 분사구와 연통하는 개구부를 갖춘 실드 캡을 구비하는 플라즈마 가우징 토치에 있어, 상기 분사구는 내주면에 플라즈마 아크의 분출속도 향상을 위해 단면적을 점진적으로 축소시킨 테이퍼면과, 플라즈마 아크의 확산방지 및 분출거리의 증대를 위해 상기 테이퍼면의 단면 최소부위로부터 단면적이 돌연 확장되어 연장되고 상기 분사구의 외측 선단부위에 이르기까지 동일한 단면적을 유지하는 직선면을 일체로 형성하고, 상기 분사구의 직선면은 가우징시 모재에 대해 플라즈마 아크의 과도한 집속에 의한 절단 또는 좁고 깊은 그루브의 생성을 방지하기 위해 일정 크기 이상의 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐과 상기 실드 바디에 공급된 에어의 일부는 플라즈마원으로 이용되고, 나머지는 실드가스로 사용된다. 에어를 플라즈마화 하기 위하여 상기 전극의 선단부에는 하프늄 팁이 장착되고, 상기 실드 바디의 분사 구멍을 통하여 실드가스로 사용되는 에어가 공급되며, 에어는 현장의 유틸리티 라인과 접속되어 제공되는 것을 특징으로 한다.

상기 분사 구멍은 상기 노즐의 전 부위에 걸쳐 에어의 균일한 분사를 위해 상기 실드 바디의 전 둘레에 걸쳐 다수개로 형성되고, 상기 분사 구멍으로부터 토출되는 에어는 융액의 제거를 위하여 고속, 고압으로 토출되는 것을 특징으로 한다.

상기 실드 캡은 가우징시 모재에 닿음으로 인해 발생하는 아크에 의한 수명의 단축을 방지하도록 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치에 의하면, 플라즈마 소스로써 접근성이 좋은 현장의 유틸리티 라인을 통해 제공되는 에어를 이용함으로써 기존의 플라즈마 소스로써 수소 혼합가스를 이용하는 가우징 토치에 비해 폭발의 위험성을 제거하고 부가적인 실린더의 소요를 배제할 수 있으며, 특히 가우징 작업시 수반되는 소음과 플래임 및 퓸 등의 발생을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치는 기존의 수냉식 노즐의 냉각방식을 배제하고 플라즈마 소스로써 이용되는 에어를 이용한 공랭식 노즐의 냉각방식을 채택함으로서 전체 장비의 중량을 저감시킬 수 있고, 이를 통한 작업자의 근골격계 질환의 발생률을 줄임과 동시에 생산성의 향상을 기대할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치는 외부로부터의 전원 공급에 의해 플라즈마를 발생시키는 전극(10)과, 상기 전극(10)을 내부에 수용하고 상기 전극(10)으로부터 발생되는 플라즈마 아크를 외부로 분출하는 중공형상의 노즐(12), 상기 노즐(12)의 내부로 플라즈마의 발생을 위한 에어를 공급하고 상기 노즐(12)의 외부로 냉각을 위한 에어를 분사하며 토치 몸체(14)에 결합되는 실드 바디(16) 및, 상기 실드 바디(16)의 전단부에 대해 나사체결 방식으로 결합되고 상기 실드 바디(16)를 통해 제공되는 에어를 상기 노즐(12)의 전 둘레로 안내하여 노즐(12)을 냉각시키는 중공형상의 실드 캡(18)을 포함하여 구성된다.

상기 전극(10)은 상기 실드 바디(16)를 통해 제공되는 에어를 플라즈마화 하기 위한 하프늄 팁(hafnium tip; 10a)을 선단부에 장착한다. 상기 노즐(12)은 상기 전극(10)으로부터 발생된 플라즈마 아크를 외부로 분출하기 위해 전방 선단부에 분사구(12a)를 형성한다.

이때, 상기 노즐(12)의 분사구(12a)는 내주면에 플라즈마 아크의 분출속도의 향상을 위해 단면적을 점진적인 축소시키는 테이퍼면(12aa)과, 상기 테이퍼면(12aa)으로부터 연장되고 플라즈마 아크의 확산 방지 및 분출 거리의 증대를 위해 상기 테이퍼면(12aa)의 단면 최소부위(오리피스)로부터 단면적이 돌연 확장되어 연장되고 상기 분사구(12a)의 외측 선단부위에 이르기까지 동일한 단면적을 유지하는 직선면(12ab)을 일체로 형성한다. 특히, 상기 분사구(12a)의 직선면(12ab)은 가우징시 모재에 대해 플라즈마 아크의 과도한 집속에 의한 절단 또는 좁고 깊은 그루브의 생성을 방지하고 집속된 플라즈마 아크(22)를 확산시키지 않고 멀리까지 보내기 위해 끝단이 직선이면서 일정 크기 이상의 단면적을 확보하도록 설정되는 것이 바람직하다.

상기 실드 바디(16)는 상기 토치 몸체(14)에 설치되고 에어의 분출을 유도하기 위한 분사 구멍(16a)을 형성한다. 상기 분사 구멍(16a)을 통해 분출되는 에어는 상기 노즐(12)과 상기 실드 캡(18) 사이의 공간으로 유입되어 상기 노즐(12)에 대한 냉각 기능을 수행한다. 이때, 상기 실드 바디(16)의 분사 구멍(16a)을 통해 분사되는 실드 가스에 해당하는 에어는 현장의 유틸리티 라인과 접속되어 제공된다.

또한, 상기 분사 구멍(16a)은 상기 노즐(12)의 전 부위에 걸쳐 에어의 균일한 분사를 위해 상기 실드 바디(16)의 전 둘레에 걸쳐 다수개로 형성되고, 상기 분사 구멍(16a)으로부터 토출되는 에어의 유량 및 압력은 융액을 원활하게 제거하고 멀리 비산시킬 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 실드 바디(16)는 유효 플라즈마를 길게 하기 위하여 실드 바디(16)에 일정 이상의 분사 구멍(16a)을 가공하여 실드용 에어의 유량을 늘려 플라즈마 소스용 에어의 유량을 적게 하는 것이 바람직하다.

상기 실드 캡(18)은 상기 실드 바디(16)의 분사 구멍(16a)을 통해 제공되는 에어를 상기 노즐(12)의 전 둘레로 분사함과 동시에 플라즈마 아크와 함께 에어의 외부 분출을 위해 전방 선단부에 개구부(18a)를 형성한다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실드 캡(18)의 개구부(18a)를 통해 분사되는 에어에 의한 실드 가스용 에어 제트(20)는 플라즈마 아크(22)에 의해 용융된 모재(24)를 제거한다.

또한, 상기 실드 캡(18)은 가우징시 에어를 이용한 노즐(12)의 냉각과 융액의 원활한 제거 및 소음 감소를 위해 개구부(18a)의 내경을 적절한 크기로 설정하는 것이 바람직하고, 특히 가우징시 모재에 닿음으로 인해 발생하는 아크에 의한 손상을 미연에 방지하고 내구성 향상을 통한 수명 연장을 위해 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 도면중 미설명 부호 26은 토치 몸체(14)의 내부에 구비되는 케이블 연결부이고 28은 토치 몸체(14)의 외부에 구비되어 토치의 조작을 위한 작동 스위치이다.

따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치는 가우징 작업시 플라즈마 소스로써 현장의 유틸리티 라인으로부터 제공되는 에어를 매개로 상기 하프늄 팁(10a)을 장착한 전극(10)에서 플라즈마의 생성이 이루어지고, 상기 전극(10)에서 생성된 플라즈마는 상기 노즐(12)의 분사구(12a)를 통해 분출된다.

이때, 상기 분사구(12a)의 테이퍼면(12aa)은 단면적이 점진적으로 축소되어 있어 플라즈마 아크(22)의 분출압력과 분출속도를 향상시키게 되고, 상기 분사구(12a)의 직선면(12ab)은 단면적이 일정한 상태로 유지되기 때문에 플라즈마 아크(22)의 확산을 방지하고 분출 거리를 증가 시킨다.

또한, 상기 실드 바디(16)의 분사 구멍(16a)을 통해 상기 실드 캡(18)의 내부공간으로 분사되는 에어에 의한 실드 가스용 에어 제트(20)는 상기 노즐(12)의 전 둘레부위를 냉각한다. 모재(24)는 플라즈마 아크(22)에 의해 용융되고, 용융된 모재(24)의 융액은 상기 에어 제트(20)에 의해 비산되어 제거될 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치에 있어 전극의 사시도와 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치에 있어 노즐의 사시도와 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치에 있어 실드 바디와 실드 캡의 결합상태를 도시한 사시도와 실드 바디에 형성된 분사 구멍을 도시한 정면도.

도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 가우징 토치를 이용한 가우징 작업을 설명하기 위한 사용 상태도.

도 6은 종래 카본 가우징 토치의 사용 상태도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-전극 12-노즐

12a-분사구 14-토치 몸체

16-실드 바디 16a-분사 구멍

18-실드 캡 18a-개구부

20-에어 제트 22-플라즈마 아크

24-모재

Claims (5)

1. 전원의 공급에 따라 플라즈마를 발생하는 전극(10)과, 상기 전극(10)을 내장하고 상기 전극(10)으로부터 발생된 플라즈마를 외부로 분출하는 분사구(12a)를 갖추는 노즐(12), 상기 노즐(12)의 내부로 플라즈마의 발생을 위한 에어를 공급하고 상기 노즐(12)의 외부로 냉각을 위한 에어를 분사하는 분사 구멍(16a)을 갖추고서 토치 몸체(14)에 결합되는 실드 바디(16) 및, 상기 실드 바디(16)에 결합되어 상기 노즐(12)을 내장하고 상기 노즐(12)의 분사구(12a)와 연통하는 개구부(18a)를 갖춘 실드 캡(18)을 구비하는 플라즈마 가우징 토치로서, 상기 분사구(12a)는 내주면에 플라즈마 아크의 분출속도의 향상을 위해 단면적을 점진적으로 축소시킨 테이퍼면(12aa)과, 플라즈마 아크의 확산방지 및 분출거리의 증대를 위해 상기 테이퍼면(12aa)의 단면 최소부위로부터 단면적이 돌연 확장되어 연장되고 상기 분사구(12a)의 외측 선단부위에 이르기까지 동일한 단면적을 유지하는 직선면(12ab)을 일체로 형성하고, 상기 분사 구멍(16a)은 상기 노즐(12)의 전 부위에 걸쳐 에어의 균일한 분사를 위해 상기 실드 바디(16)의 전 둘레에 걸쳐 다수개로 형성되고, 상기 분사 구멍(16a)으로부터 토출되는 실드 가스의 유량은 융액의 원활한 제거와 비산거리의 증대를 구현할 수 있는 정도로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가우징 토치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전극(10)은 에어를 플라즈마화 하기 위한 하프늄 팁(10a)을 선단부에 장착하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가우징 토치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 노즐(12) 및 상기 실드 바디(16)에 공급되는 에어는 현장의 유틸리티 라인과 접속되어 제공되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가우징 토치.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 실드 캡(18)은 가우징시 모재에 닿음으로 인해 발생하는 아크에 의한 수명의 단축을 방지하도록 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가우징 토치.

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