KR101242823B1 - 인서트 칩, 플라즈마 토치 및 플라즈마 가공장치 - Google Patents

인서트 칩, 플라즈마 토치 및 플라즈마 가공장치 Download PDF

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KR101242823B1
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Abstract

[과제] 고품질의 플라즈마 가공을 고속으로 행할 수 있는 인서트 칩, 플라즈마 토치 및 플라즈마 가공장치를 제공.
[해결수단] 칩(1)의 상단면에 전극을 수용하는 개구가 있고 상기 개구로부터 칩의 하단면을 향하여 연장된 복수개의 전극 배치공간(1a,1b,1c)과, 각각이 각 전극 배치공간에 연이어 통하여 칩 중심축에 직교하는 직경선을 따라서 분포하고 상기 하단면의 하방을 향하여 열린 복수개의 개구(4a,4b,4c)를 구비하는 인서트 칩. 또한, 중앙구멍(5)이 있고, 전극 배치공간 및 개구(4a,4b)는 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하는, 개구(4a,4b)는, 직경선과 평행한 용접선에 대향하여 열린 노즐인, 또는, 전극 배치공간은, 용접방향(y)의 일직선상에 분포한 선두 전극 배치공간(1a), 1이상의 중간 전극 배치공간(1b) 및 후미 전극 배치공간 (1c)을 포함한다.

Description

인서트 칩, 플라즈마 토치 및 플라즈마 가공장치{INSERT-CHIP, PLASMA TORCH AND PLASMA PROCESSING DEVICE}
본 발명은, 플라즈마 토치의 인서트 칩, 상기 인서트 칩을 이용하는 플라즈마 토치, 및, 상기 플라즈마 토치를 이용하는 플라즈마 가공장치에 관한 것이다.
플라즈마 토치에는, 용접, 육성(肉盛), 절단 등의 고열가공의 종류에 따라 각종 형태가 있다. 특허문헌 1에는, 전극봉(10)의 선단 바로 밑에 측방으로부터 와이어(16)를 보내고, 전극봉 선단의 하방에 있는 모재(가공 대상재)를, 플라즈마 용접, 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접, 플라즈마 MIG 용접 혹은 플라즈마 와이어 육성을 하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 인서트 칩(111)의 중앙의 와이어 송통구멍으로부터 하방의 모재에 수직으로 와이어(153)를 내보내고, 상기 와이어의 측방에 와이어와 평행하게 배치된 전극봉(126)에 의해서, 칩(111)의 하부의, 상기 와이어 송통구멍이 열린 플라즈마 구멍(113)에 플라즈마를 분사하여 와이어 선단을 녹이는 플라즈마 MIG 용접 토치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에는, 중심 위치에 전극봉을 배치한 인서트 칩(1)의 플라즈마 노즐의 하방에, 측방으로부터 와이어(3)를 보내는 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접 방법 및 플라즈마 와이어 육성 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, 인서트 칩(33)의 중심위치에 전극봉을 배치한 플라즈마 토치의 플라즈마가 형성한 풀을 향하여, 상기 플라즈마 토치의 측방으로부터 소모 전극인 와이어(39)를 송급하는 플라즈마 MIG 용접이 기재되어 있다. 특허문헌 5에는, 인서트 칩(9)의 플라즈마 분사 노즐의 상방 또한 중심에 배치한 바닥을 갖는 통형상의 플라즈마 전극(8)의, 중심구멍인 저혈(底穴)과, 그 하방의 노즐 플라즈마 분사 노즐을 통해 하방의 모재에 수직으로 와이어를 송급하고, 상기 와이어를 플라즈마 전극(8)이 생성하는 플라즈마로 녹이는 플라즈마 MIG 용접 방법이 기재되어 있다.
특허문헌 6에는, 플라즈마 키홀 용접에 의한 키홀 단면 형상을 개량하는 노즐 형상이 기재되어 있다. 특허문헌 7에는, 2개의 아크 용접 토치를, 1개의 용융 풀을 형성하는 바와 같이, 용접선방향에 대해서 전극 선단의 배열이 직교하도록 배치하는, 각 토치에 의한 동시 용융 용접이 기재되어 있다. 특허문헌 8에는, 아크 용접의 목적 위치의 전방 0∼2mm의 용융 풀에 레이저를 조사(照射)하여 키홀 용접하는 복합 용접 방법이 기재되어 있다(도 15, 0024, 0025). 특허문헌 9에는, 선행의 제 1 레이저 빔으로 비관통 용접하여 그것에 의해 형성되는 홀 개구에 초점을 맞추어 제 2 레이저 빔으로 관통(키홀) 용접하는 레이저 용접 방법이 기재되어 있다.
일본공고특허공보 소화 39-15267호 일본공개특허공보 소화 52-138038호 일본공개특허공보 소화 53- 31544호 일본공표특허공보 2006-519103호 일본공개특허공보 2008-229641호 일본공개특허공보 평성8-10957호 일본공개특허공보 평성6-155018호 일본공개특허공보 2004-298896호 일본공개특허공보 2008-126315호
특허문헌 1∼4의 어느 용접 방법 및 플라즈마 토치도, 1개의 전극봉과 한 개의 와이어를 이용하여, 상기 전극봉이 모재와의 사이에 형성한 플라즈마류에, 전극봉/모재간의 측방으로부터 와이어를 송급하여, 통전하므로, 와이어 전류에서 발생한 자속(磁束)과 플라즈마 전류에서 발생하는 자속과의 상호작용으로 자기적 언밸런스가 발생한다. 즉, 와이어보다 위쪽(인서트 칩측)과 와이어보다 아래쪽(모재측)에서 플라즈마 아크 상태가 다르고, 와이어의 위쪽의 플라즈마는 와이어로부터 멀어지는 방향으로 아크력을 받고, 와이어의 아래쪽의 플라즈마는 와이어에 가까워지는 방향으로 아크력을 받는다. 와이어 선단의 용융의 동요에 수반하여, 모재에 대한 플라즈마의 작용 위치가 동요하므로, 플라즈마 아크가 불안정하다. 특허문헌 5에서는, 바닥을 갖는 통형상의 플라즈마 전극(8)의 저혈의 원둘레 엣지에 아크가 집중하여, 집중점이 둘레방향으로 이동하므로, 역시 플라즈마가 동요하고, 플라즈마 전극(8)의 저혈의 원둘레 엣지 및 인서트 칩(9)의 노즐 가장자리의 손모(損耗) 및 용융 와이어의 플라즈마 전극(8)이나 플라즈마 노즐(9)에의 부착이 격렬하여, 장시간 안정된 용접 작업을 유지할 수 없다.
종래의 1토치에 의한 플라즈마 아크 용접의 플라즈마 아크의 횡단면은, 도 18(a)에 도시하는 바와 같이 대략 원형이다. 판두께 3mm 미만에서는 플라즈마 아크에 의한 키홀 용접은 불가능하기 때문에, 용융 용접(열전도형 용접)을 채용하지만, 용융 용접에서도, 고속화하면,
가) 언더 컷{도 1 8(b), (e)}이 발생하여,
나) 광폭 비드에 의한 고온 균열{도 18(b)}이 발생하기 쉽다. 고속 용접에서는 전류가 고전류로 광폭 아크가 되기 때문에, 광폭 얕은 용입깊이의 비드 형상이 되어, 응고시에 고온 균열이 발생하기 쉽다.
종래의 1토치에 의한 플라즈마 아크 용접에서는, 3∼10mm의 판두께로 키홀 용접을 고속화하면, 비드 형상이 도 18(c)에 도시하는 바와 같이, 중앙부가 부풀어 오른 볼록형상으로 가장자리부가 내려간 언더 컷이 생기기 때문에, 고속화가 어렵다. 2개 토치에 의한 원풀 고속화도 있지만, 원풀로 하기 위해서는 토치끼리를 크게 기울이게 하지 않으면 안되어, 서로 당기는 아크력과 기울인 것에 의한 아크 블로우(arc blow), 아크가 흔들리기 쉽고, 불안정하였다.
본 발명은, 고품질의 플라즈마 가공을 고속으로 행할 수 있는 인서트 칩, 플라즈마 토치 및 플라즈마 가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 칩의 상단면에 전극을 수용하는 개구가 있고 상기 개구로부터 칩의 하단면을 향하여 연장되며 중심축에 직교하는 직경선을 따라 분포하는 복수개의 전극 배치공간(1a,1b,1c)과, 상기 전극 배치공간이 상기 하단면에 도달하기 전에 상기 전극 배치공간에 연이어 통하며, 상기 하단면의 하방을 향하여 열린, 적어도 하나의 플라즈마 아크 노즐(4a,4b,4c)을 구비하는 인서트 칩(1 : 도 3, 도 14, 도 17, 도 21, 도 26, 도 27).
한편, 이해를 용이하게 하기 위해서 괄호내에는, 도면에 도시한 후술하는 실시예의 대응 요소 또는 상당 요소의 기호를, 예시로서 참고로 부기하였다. 이하도 마찬가지이다.
이 인서트 칩(1)을 장비한 플라즈마 토치에 의하면, 복수의 아크로 1개의 용융 풀을 형성하는, 원풀 복수 아크의 고속 가공을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 2는 (a)는 도 1의 플라즈마 토치만을 도시하는 종단면도, (b)는 플라즈마 분사 단부측에서 본 저면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 인서트 칩(1)을 확대하여 도시하고, (a)는 정면도, (b)는 (c)상의 2b-2b선에서의 종단면도, (c)는 저면도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 플라즈마 토치의, 냉각수로(9w), 파일럿 가스로(9p) 및 실드가스로(9s)를 도시하고, (a)는 냉각수로(9w)를 도시하는 종단면도, (b)는 파일럿 가스로(9p)를 도시하는 종단면도로서 (c)상의 4b-4b선의 종단면도, (c)는 (b)상의 4c-4c선의 횡단면도, (d)는 실드가스로(9s)를 도시하는 종단면도로서 (e)상의 4d-4d선의 종단면도, (e)는 (d)상의 4e-4e선의 횡단면도이다.
도 5는 도 3의(b) 상당의, 인서트 칩(1)의 확대 종단면도이고, 제 1 전극 (2a)과 제 2 전극(2b)이 발생하는 각 아크에 의해서 야기되는 각 자속(Ma와 Mb), 및, 합성자속(Mc)을 도시한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 10은 본 발명의 제 6 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 7 실시예의 플라즈마 토치의, 종단면도이다.
도 12는 본 발명의 제 8 실시예의 플라즈마 토치를 이용하는 용접장치의, 종단면도 및 블록도이다.
도 13은 (a)는 도 12의 플라즈마 토치의 종단면도, (b)는 플라즈마 분사 단부측으로부터 본 저면도이다.
도 14는 도 12에 도시하는 제 8 실시예의 플라즈마 토치의 인서트 칩(1)을 확대하여 도시하고, (a)는 정면도, (b)는 (c)상의 14b-14b선에서의 종단면도, (c)는 저면도이다.
도 15는 도 12에 도시하는 용접장치에 의한 원풀 2아크 용접시의, 플라즈마 아크의 거동을 모식적으로 도시하는 확대 단면도이다.
도 16은 제 9 실시예의 인서트 칩을 이용한 제 9 실시예의 플라즈마 토치의, 인서트 칩 회전을 도시하는 종단면도이다.
도 17은 도 16에 도시하는 제 9 실시예의 인서트 칩(1)을 확대하여 도시하고, (a)는 정면도, (b)는 (c)상의 17b-17b선에서의 종단면도, (c)는 저면도이다.
도 18은 종래 및 본 발명의 플라즈마 토치를 이용하는 용접에서의 플라즈마 아크 단면 및 용접 비드 단면을 모식적으로 도시하는 단면도이고, (a)는 종래의 플라즈마 토치가 발생하는 플라즈마 아크의 횡단면을 도시하고, (b)는 3mm 판두께 미만이고 종래의 고속 용융 용접으로 발생하기 쉬운 고온 균열을 도시하는 비드 횡단면도, (c)는 3∼10mm 정도로 종래의 고속 키홀 용접으로 대표적인 비드 횡단면을 도시하고, (d)는, 본 발명의 플라즈마 토치가 발생하는 플라즈마 아크의 횡단면을 도시한다. (e)는, 본 발명의 플라즈마 토치를 이용하는 3mm 판두께 미만의 고속 용접으로, 선행 아크의 예열 또는 파고들기 효과에 의해서 형성되는 비드 형상을 도시하는 횡단면도, (f)는 상기 비드를 후행 아크로 용융 용접한 비드 형상을 도시하는 횡단면도이다. (g)는, 본 발명의 플라즈마 토치를 이용하는 3∼10mm 판두께의 고속 용접으로, 선행 아크의 키홀 용접에 의해서 (c) 도시하는 비드를 형성하고, 그것을 후행 아크로 용융 용접한 비드 형상을 도시하는 횡단면도이다.
도 19는 본 발명의 제 10 실시예의 플라즈마 토치를 이용하는 용접장치의, 종단면도 및 블록도이다.
도 20은 (a)는 도 19의 플라즈마 토치의 종단면도, (b)는 플라즈마 분사 단부측에서 본 저면도이다.
도 21은 도 19에 도시하는 제 10 실시예의 플라즈마 토치의 인서트 칩(1)을 확대하여 도시하고, (a)는 정면도, (b)는 (c)상의 22B-22B선에서의 종단면도, (c)는 저면도이다.
도 22는 도 19에 도시하는 플라즈마 토치의 종단면도이고, (a)는, 각 전극 수용 공간에 플라즈마 가스를 공급하는 관로의 개요를 도시하고, (b)는 인서트 칩 (1)을 냉각하는 냉각수의 유로의 개요를 도시한다.
도 23은 본 발명의 플라즈마 토치를 이용하는 용접에서의 용접 비드 단면을 모식적으로 도시하는 횡단면도이고, (a)는 선두 아크의 예열에 의해 형성되는 비드 형상을, (b)는 중간 아크에 의한 고속 키홀 용접의 비드 형상을, (c)는 후미 아크에 의한 용융 용접의 비드 형상을 도시한다.
도 24는 도 19에 도시하는 용접장치에 의한 원풀 3아크 용접시의, 플라즈마 아크의 거동을 모식적으로 도시하는 확대 단면도이다.
도 25는 본 발명의 제 11 실시예의 플라즈마 토치를 이용하는 용접장치의, 종단면도 및 블록도이다.
도 26은 본 발명의 제 12 실시예의 플라즈마 토치를 이용하는 용접장치의, 종단면도 및 블록도이다.
도 27은 본 발명의 제 13 실시예의 플라즈마 토치를 이용하는 용접장치의, 종단면도 및 블록도이다.
(2) 게다가, 상기 상단면에서 하단면에 관통하여 칩 중심축과 동심(同芯)의 중앙 구멍(5)이 있고, 상기 복수의 전극 배치공간(1a,1b)은 상기 중앙 구멍의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등(等)각도 피치로 분포하고, 상기 플라즈마 아크 노즐(4a,4b)은 상기 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하는 복수인, 상기 (1)에 기재된 인서트 칩(1: 도 3, 도 5).
이것에 의하면, 각 노즐(4a,4b: 도 5)을 통과하여, 전극 배치공간(1a,1b)에 삽입된 각 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)와의 사이를 흐르는 각 아크 전류에는, 각각이 야기하는 자속(Ma,Mb)의 윗부분은 서로 없애므로, 아랫부분이 작용하여 프레밍의 왼손의 법칙으로 나타나는 상향의 힘이 작용하여, 아크끼리가 서로 당기고, 상방에 다소 구부러진 형태로 대칭형이 된다. 게다가 노즐(4a,4b)의, 중앙 구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치의 분포에 의해, 각 힘이 똑같이 중앙 구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하므로, 플라즈마의 안정성이 높다. 즉, 아크 블로우에 의한 아크의 흔들거림을 발생하지 않는다. 가공 대상재(16)의 근방에서는, 각 아크 전류가 동일 방향의 가산(加算)이 되어, 합성 자속(Mc)을 야기하므로, 아크를 좁히는 자기적 핀치력이 강하고, 가공 대상재(16)에 대한 열수속 효과(에너지 밀도)가 높고, 게다가 작용 위치가 흔들리는 일이 없다.
(3) 인서트 칩(1)은 또한, 상기 중앙 구멍(5)에 연속하여 가공 대상재(16)에 대향하는 선단면에 열려 상기 중앙 구멍(5)보다 대경(大徑)인 확대구(1d)를 구비하고, 상기 노즐(4a,4b)은, 상기 선단면보다 내측에서 상기 확대구(1d)로 열린, 상기(2)에 기재된 인서트 칩(1). 이것에 의하면, 전극 배치공간(1a,1b)에 삽입된 각 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)와의 사이를 흐르는 각 아크 전류가, 인서트 칩의 선단면{확대구(1d)의 모재 대향 개구}의 전후에서 합류하므로 플라즈마 아크끼리는 최단에 가까운 거리에서 합류할 수 있기 때문에, 서로의 자기 간섭에 의한 아크 곡선 변화를 작게 할 수 있어, 안정된 아크이고, 가공 정밀도가 향상된다.
(4) 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 상기 중앙 구멍(5)에 와이어(15)를 안내하는 와이어 가이드(13g,6)와, 상기 인서트 칩 (1)의 각 전극 배치공간(1a,1b)에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b)과, 상기 인서트 칩(1)을 냉각하기 위한 냉각수 유로(9w)와, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로(9p)를 구비하는 플라즈마 토치(도 2).
(5) 상기 (4)에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)을 구비하는 플라즈마 용접장치(도 1).
(6) 게다가, 상기 와이어(15)와 가공 대상재(16)와의 사이에, 와이어측이 음이고 가공 대상재측이 양인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원(21)을 구비하는, 상기 (5)에 기재된, 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접장치(도 6).
(7) 상기 (4)에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 양이고 가공 대상재측이 음인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)과, 상기 와이어(15)와 가공 대상재(16)와의 사이에, 와이어측이 양이고 가공 대상재측이 음인 전류를 흘리는 MIG 용접 전원(22)을 구비하는, 플라즈마 MIG 용접장치(도 7).
(8) 상기 (4)에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)과, 상기 와이어(15)와 각 비소모 전극(2a,2b)과의 사이에, 와이어측이 양이고 전극측이 음인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원(21a,21b)을 구비하는, 플라즈마 와이어 육성장치(도 8).
(9) 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 상기 중앙 구멍(5)에 분체(23)를 안내하는 분체 가이드(26)와, 상기 인서트 칩(1)의 각 전극 배치공간(1a,1b)에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b)과, 상기 인서트 칩(1)을 냉각하기 위한 냉각수 유로(9w)와, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로(9p)를 구비하는 플라즈마 분체 육성 토치(도 9).
(10) 상기 (9)에 기재된 플라즈마 분체 육성 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a, 2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)과, 상기 분체 가이드(26)에 분체를 송급하는 수단 (24,25)을 구비하는 플라즈마 분체 육성장치(도 9).
(11) 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 상기 중앙 구멍(5)에 키홀 가스(27)를 안내하는 가스 가이드(28)와, 상기 인서트 칩 (1)의 각 전극 배치공간(1a,1b)에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b)과, 상기 인서트 칩(1)을 냉각하기 위한 냉각수 유로(9w)와, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로(9p)를 구비하는 플라즈마 키홀 용접 토치(도 10).
(12) 상기(11)에 기재된 플라즈마 키홀 용접 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a, 2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)을 구비하는 플라즈마 키홀 용접장치(도 10).
(13) 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 상기 중앙 구멍(5)에 절단가스(29)를 안내하는 가스 가이드(28)와, 상기 인서트 칩 (1)의 각 전극 배치공간(1a,1b)에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b)과, 상기 인서트 칩(1)을 냉각하기 위한 냉각수 유로(9w)와, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로(9p)를 구비하는 플라즈마 절단 토치(도 11).
(14) 상기(13)에 기재된 플라즈마 절단 토치와, 상기 복수의 비소모 전극(2a,2b)과 가공 대상재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원(17,18)을 구비하는 플라즈마 절단 장치(도 11).
상기 (4)∼(14)의 어느 형태에서도, 상기 (2)의 효과를 얻을 수 있다.
(15) 상기 복수의 전극 배치공간(1a,1b)은 2개이며, 상기 플라즈마 아크 노즐(4a,4b)은, 동일 직경선상에 분포하고 각 전극 배치공간(1a,1b)에 각각이 연이어 통하여 상기 직경선과 평행한 용접선에 대향하여 열린 2개인, 상기 (1)에 기재된 인서트 칩(1).
이 인서트 칩(1)을 장비한 플라즈마 토치에 의하면, 2개의 아크로 1개의 용융 풀을 형성하는, 원풀 2아크의 용접을 할 수 있다. 이 경우, 플라즈마 아크의 횡단면은, 도 18의 (d)에 도시하는 바와 같이, 용접의 진행방향(y)에 길고 가는 열원이 되기 때문에, 열량에 대한 비드폭(x방향)은 좁게 억제되어, 고속화해도, 고온 균열이 발생하지 않는다. 또한, 원풀 2아크로 함으로써, 판두께 3∼10mm에서는, 선행 아크로 키홀 용접하고{도 18의 (c) 또는 (e)』, 후행 아크로 광폭 용융 용접하여 겉비드를 평평하게 할 수 있다{도 18의 (g)}. 판두께 3mm 미만에서는, 선행 아크로 파고들기 용접을 하고{도 18의 (e)}, 후행 아크로 겉비드를 평평하게 할 수 있다{도 18의 (f)}.
어느 정도 거리를 떨어뜨린 2개의 플라즈마 토치를 이용하는 병행 용접으로 약간 유사한 효과를 얻을 수 있지만, 용접의 진행방향(y)의 아크 간격이 넓어지기 때문에, 짧은 용접길이의 워크(용접 대상재)에서는, 동일 패스에서의 용접이 불가능하고, 2패스 용접이 필요하여, 고속화는 어렵다. 또한, 아크 간격이 넓기 때문에, 후행 아크는 한번 응고한 비드를 재용융하지 않으면 안되어, 후행 용접에 고입열(高入熱)이 필요하다. 1칩에 2개의 노즐을 구비하는 본 발명의 인서트 칩을 이용하는 원풀 2아크 용접에 의하면, 노즐 간격이 짧기 때문에, 이러한 문제가 해소된다.
(16) 상기 플라즈마 아크 노즐(4a,4b)은, 상기 하단면(x,y)의 수직선(z)에 대해서 평행한(도 14); 상기(15)에 기재된 인서트 칩(1).
(17) 상기 플라즈마 아크 노즐(4a,4b)은, 상기 하단면(x,y)의 수직선(z)에 대해서, 상기 직경선상에서 노즐 개구가 칩 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진(도 17); 상기(15)에 기재된 인서트 칩(1).
(18) 각 전극 배치공간(1a,1b)은, 상기 하단면(x,y)의 수직선(z)에 대해서 평행한; 상기(16) 또는 (17)에 기재된 인서트 칩(1).
(19) 상기 (15) 내지 (17) 중의 어느 한 항에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 각 전극 배치공간(1a,1b)에 각각의 선단부를 삽입한 2개의 비소모 전극(2a,2b)을 구비하는 플라즈마 토치(도13/도 16).
(20) 상기(19)에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 제 1 비소모 전극(2a)에 용접 또는 예열 전력을 급전하는 제 1 전원(18ap,18aw)과, 제 2 비소모 전극(2b)에 용융 용접 또는 본 용접 전력을 급전하는 제 2 전원(18bp,18bw)을 구비하는 플라즈마 용접장치(도 12).
(21) 상기 복수개의 전극 배치공간(1a,1b,1c)은, 용접방향(y)의 일직선상에 분포한 선두 전극 배치공간(1a), 1 이상의 중간 전극 배치공간(1b) 및 후미 전극 배치공간(1c)을 포함하는, 상기 (1)에 기재된 인서트 칩(1: 도 19).
이 인서트 칩(1)을 장비한 플라즈마 토치에 의하면, 3 이상의 아크로 1개의 용융 풀을 형성하는, 원풀 멀티 아크의 용접을 할 수 있다. 이 경우, 플라즈마 아크의 횡단면은, 용접의 진행방향(y)에 길고 가는 열원이 되기 때문에, 열량에 대한 비드폭(x방향)은 좁게 억제되어, 고속화해도, 고온 균열이 발생하지 않는다. 또한, 원풀 멀티 아크로 함으로써, 판두께 3∼10mm에서는, 선두 아크로 용접선을 예열하여 중간 아크로 키홀에 의한 속비드를 형성하고, 후미 아크로 광폭 용융 용접하여 겉비드를 평평하게 형성할 수 있다. 판두께 3mm 미만에서는, 선두 아크로 용접선을 예열하여 중간 아크에 의한 파고들기 용접으로 속비드를 형성하고, 후미 아크로 겉비드를 평평하게 할 수 있다. 어쨌든, 선두 아크의 예열에 의해, 중간 아크에 의한 속비드 형성이 용이하게 되기 때문에, 양호한 속비드를 형성하면서 고속 용접을 할 수 있다.
(22) 상기 선두 전극 배치공간(1a) 및 상기 중간 전극 배치공간(1b)에 연이어 통하는 상기 플라즈마 아크 노즐(4a,4b) 사이의 거리보다, 상기 중간 전극 배치공간(1b) 및 후미 전극 배치공간(1c)에 연이어 통하는 플라즈마 아크 노즐(4b,4c) 사이의 거리가 긴, 상기 (21)에 기재된 인서트 칩(1: 도 25).
(23) 각 전극 배치공간(1a,1b,1c)에 각 플라즈마 아크 노즐(4a,4b,4c)이 연이어 통하는 상기 (21) 또는 (22)에 기재된 인서트 칩(1: 형태 1).
(24) 상기 선두 전극 배치공간(1a) 또는 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 상기 (21) 또는 (22)에 기재된 인서트 칩(1: 형태 2/4).
(25) 상기 선두 전극 배치공간(1a) 및 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 상기 (21) 또는 (22)에 기재된 인서트 칩(1: 형태 3).
(26) 상기 선두 전극 배치공간(1a)에 상기 플라즈마 아크 노즐이 연이어 통하고, 상기 중간 전극 배치공간(1b) 및 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 상기 (21) 또는 (22)에 기재된 인서트 칩(1: 형태 5).
(27) 상기 (21)에 기재된 인서트 칩(1)과, 상기 인서트 칩(1)의 각 전극 배치공간(1a,1b,1c)에 각 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b,2c)을 구비하는 플라즈마 토치.
(28) 상기 (27)에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 선두 비소모 전극(2a)에 예열 전력을 급전하는 제 1 전원(18ap,18aw)과, 중간 비소모 전극(2b)에 속비드 형성 전력을 급전하는 제 2 전원(18bp,18bw)과, 후미 비소모 전극(2c)에 용융 전력을 급전하는 제 3 전원(18cp,18cw)을 구비하는 플라즈마 용접장치.
(29) 상기 (22)에 기재된 인서트 칩(1)의 각 전극 배치공간(1a,1b,1c)에 각 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극(2a,2b,2c)을 구비하는 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 선두 비소모 전극(2a)에 예열 전력을 급전하는 제 1 전원(18ap,18aw)과, 중간 비소모 전극(2b)에 키홀 용접 전력을 급전하는 제 2 전원(18bp,18bw)과, 후미 비소모 전극(2c)에 용융 전력을 급전하는 제 3 전원(18cp,18cw)을 구비하는 플라즈마 용접장치.
(30) 제 1, 제 2 및 제 3 전원은, 플라즈마 용접 전원인, 상기 (28) 또는 (29)에 기재된 플라즈마 용접장치(형태 1).
(31) 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간(1a) 또는 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이고, 제 1 전원 또는 제 3 전원은 TIG 용접 전원이며 다른 전원은 플라즈마 용접 전원인, 상기 (28) 또는 (29)에 기재된 플라즈마 용접장치(형태 2/4).
(32) 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간(1a) 및 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이고, 제 1 전원 및 제 3 전원은 TIG 용접 전원이며 제 2 전원은 플라즈마 용접 전원인, 상기 (28) 또는 (29)에 기재된 플라즈마 용접장치(형태 3).
(33) 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간(1a)에 상기 플라즈마 아크 노즐이 연이어 통하고, 상기 중간 전극 배치공간(1b) 및 상기 후미 전극 배치공간(1c)은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이며, 제 1 전원은 플라즈마 용접 전원이고 제 2 및 제 3 전원은 TIG 용접 전원인, 상기 (28) 또는 (29)에 기재된 플라즈마 용접장치(형태 5).
본 발명의 다른 목적 및 특징은, 도면을 참조한 이하의 실시예의 설명으로부터 분명해질 것이다.
실시예
- 제 1 실시예 1 -
도 1에, 제 1 실시예인 플라즈마 용접장치를 도시하고, 도 2의 (a)에는 도 1에 도시하는 플라즈마 토치 즉 제 1 실시예의 플라즈마 용접 토치만을 도시하고, 도 2의 (b)에는 토치의 선단면을 도시한다. 제 1 실시예의 플라즈마 용접 토치는, 플라즈마 용접을 행하는 형태의 것이다. 인서트 칩(1)은, 인서트 캡(7)을 절연대 (9)에 나사 조이는 것에 의해, 절연대(9)에 고정되어 있다. 실드 캡(8)은 나사 조임에 의해 절연대(9)에 고정되어 있다. 2분할로 x방향으로 분리한 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12){도 4의(c), (e)}은, 절연체의 외부케이스(30)의 내부에 있다. 제 1 전극(11)과 제 2 전극(12)과의 사이의 공간을, 절연 본체(14)의 중공 원통형상의 스템이 통과하여, 상기 스템의 선단부의, 도시를 생략한 숫나사가, 절연대(9)의 중심의, 도시를 생략한 암나사구멍에 나사 넣어지고, 이것에 의해, 전극대(11,12)가 세로방향으로 압축되도록 단단히 조여져, 절연대(9), 전극대(11,12) 및 절연 본체 (14)가 일체로 결합하고 있다.
인서트 칩(1)의 축심에 중앙구멍(5)이 있고, 절연대(9) 및 절연 본체(14)의 축심에는, 중앙구멍(5)과 동축의 가이드구멍(본 실시예에서는 와이어 가이드구멍)이 있다. 인서트 칩(1)의 중앙구멍(5)에는 와이어 가이드(6)가 삽입되어 있고, 절연 본체(14)의 축심의 가이드구멍에도 와이어 가이드(13g)가 삽입되어 있다. 절연 본체(14)의 머리부에 삽입된 용접 와이어(15)는, 와이어 가이드(13g 및 6)를 통해 인서트 칩(1)에 보내진다.
인서트 칩(1)에는, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치인 180도로 분포하고 중앙구멍(5)과 평행하게 위치하는 2개의 전극 배치공간 (1a,1b)이 있고, 각 전극 배치공간에, 절연대(9)를 관통하여 각 전극대(11,12)에 나사(10a,10b)로 고정된 제 1 전극(2a), 제 2 전극(2b)의 선단부가 삽입되고, 각 전극 배치공간의 축심 위치에, 센터링 스톤(3)으로 위치 결정되어 있다. 인서트 칩 (1)의, 모재(16)에 대향하는 선단면에는, 중앙구멍(5)과 동심이지만, 중앙구멍(5)보다 대경의 확대구(1d)가 있고, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 연결된 노즐{4(4a, 4b)}이, 대경구(1d)에 열려 있다.
도 3에, 인서트 칩(1)을 확대하여 도시한다. 본 실시예의 인서트 칩(1)에는, 안내구멍인 중앙구멍(5)과 상기 중앙구멍(5)에 연속하여 모재(16)에 대향하는 선단면에 열린 중앙구멍(5)보다 대경의 확대구(1d)와, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 180도 피치로 분포하는, 중앙구멍(5)과 평행하게 위치하는 2개의 전극 배치공간(1a,1b)과, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 연이어 통하여 확대구(1d)에 열린, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 180도 피치로 분포하는 2개의 노즐(4a,4b)을 구비하고, 게다가, 노즐(4a,4b)은, 인서트 칩(1)의, 모재(16)에 대향하는 선단면보다 내측이고, 확대구(1d)에 열려 있다.
한편, 본 실시예에서는, 1쌍(2개)의 비소모 전극(2a,2b)을 장비하는 플라즈마 토치의 인서트 칩이지만, 3개 또는 4개 등, 복수의 전극을 이용하는 플라즈마 토치의 인서트 칩에서는, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도도 피치로 분포하는, 중앙구멍(5)과 평행하게 위치하는 복수의 전극 배치공간과, 각 전극 배치공간에 연이어 통하여 확대구(1d)에 열린, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하는 복수의 노즐을 구비한다. 예를 들면 3개의 전극을 구비하는 플라즈마 토치의 인서트 칩은, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 120도 피치로 분포하는, 중앙구멍(5)과 평행하게 위치하는 3개의 전극 배치공간과, 각 전극 배치공간에 연이어 통하여 확대구(1d)에 열린, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 120도 피치로 분포하는 3개의 노즐을 구비한다. 또한, 4개의 전극을 구비하는 플라즈마 토치의 인서트 칩은, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 90도 피치로 분포하는, 중앙구멍(5)과 평행하게 위치하는 4개의 전극 배치공간과 각 전극 배치공간에 연이어 통하여 확대구(1d)에 열린, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 90도 피치로 분포하는 4개의 노즐을 구비한다.
또한, 확대구(1d)는 생략하고, 중앙구멍(5) 및 노즐 노즐(4a,4b)의 하단 개구를 칩(1)의 플랫한 하단면으로 할 수 있다. 또한, 전극 배치공간(1a,1b){및 그것에 장비하는 비소모 전극(2a,2b)}은, 중앙구멍(5)과 평행할 뿐만 아니라, 중앙구멍(5)에 대해서 있는 경사각을 갖는 기울기 자세로 할 수도 있다.
도 4에, 도 2에 도시하는 플라즈마 토치의, 냉각수 유로(9w), 파일럿 가스 유로(9p) 및 실드가스 유로(9s)를 도시한다. 냉각수는, 도 4의 (a)에 도시하는 냉각수 급수 유로(9wi)를 통과하여, 인서트 칩(1)의 바깥둘레면과 인서트 캡(7)의 안둘레면과의 사이의 공간에 들어가, 그곳으로부터 냉각수 배수 유로(9wo)를 통과하여 토치 밖으로 나온다. 한쪽의 파일럿 가스는, 도 4의 (b) 및 (c)에 도시하는 가스 유로(9pa) 및 전극 삽입공간을 통과하여 전극 배치공간(1a)에 들어가, 전극 선단부에서 플라즈마가 되어 노즐(4a)을 통과하고 그리고 확대구(1d)를 통과하여 토치의 선단면으로부터 분출한다. 다른쪽의 파일럿 가스는, 가스유로(9pb) 및 전극 삽입공간을 통과하여 전극 배치공간(1b)에 들어가, 전극 선단부에서 플라즈마가 되어 노즐(4b)을 통과하고 그리고 확대구(1d)를 통과하여 토치의 선단면으로부터 분출한다. 실드가스는, 도 4의 (d) 및 (e)에 도시하는 실드가스 유로(9s)를 통과하여, 인서트 캡(7)과 실드 캡(8)과의 사이의 원통형상의 공간에 들어가, 그리고 토치의 선단으로부터 분출한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원(17,18)에 의해, 비소모 전극(2a,2b)에 아크를 발생하면, 플라즈마 아크 전류가 각 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에 흐르고, 1풀 2아크 용접이 실현된다. 플라즈마 아크(19)에 와이어(15)가 송급되어, 와이어(15)에 대해서 각 비소모 전극(2a,2b) 및 노즐{4(4a,4b)}이 대칭으로 위치하므로, 와이어(15)에 대해서 플라즈마가 안정된다. 즉, 도 5를 참조하면, 전극 배치공간(1a,1b)에 삽입된 각 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)와의 사이를, 각 노즐(4a,4b)을 통과하여 흐르는 각 아크 전류에는, 각각이 야기하는 자속(Ma,Mb)과의 사이에, 프레밍의 왼손의 법칙으로 표시되는 상향(또는 하향: z)의 힘이 작용하고, 동일 방향이며, 게다가 노즐(4a,4b)의, 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치의 분포에 의해, 각 힘이 똑같이 중앙구멍(5)의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하므로, 자기적으로 밸런스가 취해져, 플라즈마의 안정성이 높다. 즉, 아크 블로우에 의한 아크의 흔들거림이 발생하지 않는다. 모재 (16)의 근방에서는, 각 아크 전류가 동일 방향의 가산이 되어 합성 자속(Mc)을 야기하므로, 아크를 좁히는 자기적 핀치력이 강하고, 모재(16)에 대한 열수속 효과(에너지 밀도)가 높고, 게다가 작용 위치가 흔들거리는 일이 없다. 한편 또한, 와이어(15)는, 플라즈마 아크(19)의 상단부로부터 들어가, 용융 풀(20)에 이르기까지의 동안에 아크보다 열을 받게 되어, 유효한 예열 효과로서 작용하여, 와이어의 용착 효율이 상승하여, 고속 용접이나 고능률 용접을 할 수 있다. 종래의, 측방으로부터의 와이어 송급의 경우는, 와이어는 플라즈마 아크에 대해서 거의 직각으로 들어가기 때문에, 플라즈마 아크에 들어간 근소한 거리에서 용융 풀에 녹아 떨어지도록 하지 않으면 안되어, 거의 와이어의 예열 효과는 없다. 이 때문에 용착 효율은 낮고, 용접 속도도 늦다.
또한 제 1 실시예에 의하면, 와이어가 중앙으로부터 삽입되기 때문에, 와이어의 삽입 방향성이 없고, 곡선 용접에서도 토치를 회전시키는 제어가 불필요하다. 종래는, 와이어는 토치 진행방향으로부터 삽입하기 때문에, 곡선 용접시에는, 토치 또는 와이어를 곡선에 상대하여 회전 제어하는 장치가 필요하였다.
- 제 2 실시예 -
도 6에, 제 2 실시예인, 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 제 1 실시예의 것과 같은 구조의, 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접 토치이며, 인서트 칩(1)은, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 동일 구성이다. 본 실시예에서는 도 6에 도시하는 바와 같이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원 (17,18)을 구비한다. 이 점은 제 1 실시예와 같지만, 나아가서는, 와이어(15)와 모재(16)와의 사이에, 와이어측이 음이고 모재측이 양인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원(21)을 구비한다. 핫 와이어 전원(21)으로부터의 전류는, 토치내 가이드(13g)를 통과하여, 가이드(13g) 선단부 근방으로부터 와이어에 통전시키고, 절연 가이드(6)내에서는 와이어를 줄열로 가열하고, 플라즈마(19)에서, 비소모 전극(2a,2b)에서의 플라즈마 아크와 합류하여, 모재(16)에 유입한다. 이 때, 핫 와이어 전류의 줄열이 플라즈마 영역내에서 최대가 되므로(집중하므로), 용접 입열량이 많고, 고용착량, 고능률 용접이 되어, 고속 용접이 가능하다. 게다가, 핫 와이어 전류와 비소모 전극(2a,2b)에서의 플라즈마 아크 전류는 대칭 및 동축이기 때문에, 자기적 밸런스가 취해져, 아크 블로우에 의한 아크의 흔들거림이 발생하지 않는다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 3 실시예 -
도 7에, 제 3 실시예인, 플라즈마 MIG 용접장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 제 1 실시예의 것과 같은 구조의 플라즈마 MIG 용접 토치이며, 인서트 칩(1)도, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 동일 구성이다. 본 실시예에서는 도 7에 도시하는 바와 같이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 제 1 실시예의 경우와는 반대로, 전극측이 양이고 모재측이 음인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원(17,18)을 구비한다. 나아가서는, 와이어(15)와 모재(16)와의 사이에, 와이어측이 양이고 모재측이 음인 용접 전류를 흘리는 MIG 용접 전원(정전압 용접 전원) (22)을 구비한다. 실드가스는, Ar 또는 Ar+CO2 또는 CO2 또는 Ar+H2이다. 이 플라즈마 MIG 용접장치는, MIG의 특징인 고능률, 깊은 용입의 특성을 갖고, 또한, 스패터 없는 용접이 가능하다. 또한 Ar분위기에서 용접이 가능하고, 용접 금속중의 산화물의 생성도 극히 적고, 고중량 고장력재에 적합하다. 또한, 알루미늄 용접에서의 스타트부의 용착 불량 방지 또는 용착 불량의 수복이 가능하다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 4 실시예 -
도 8에, 제 4 실시예인, 플라즈마 와이어 육성장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 제 1 실시예의 것과 같은 구조의 플라즈마 와이어 육성 토치이며, 인서트 칩 (1)도, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 동일 구성이다. 본 실시예에서는 도 8 에 도시하는 바와 같이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원(17,18)과, 와이어(15)와 각 비소모 전극(2a,2b)과의 사이에, 와이어측이 양이고 전극측이 음인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원(21a,21b)을 구비한다. 와이어(15)는 핫 와이어 전원(21a,21b)으로부터의 전류의 줄열로 가열되지만, 모재(16)에는 와이어 전류가 흐르지 않기 때문에, 모재(16)가 녹는 양이 적어, 저희석의 육성 용접을 할 수 있다. 모재(16)에 수직으로 와이어(15)가 보내 넣어지므로, 오실레이트 운동하면서의 육성 용접에서도 방향성 없어 육성량이 안정된다. 또한, 수직면 혹은 경사면에 대한 육성 용접도 가능하다. 태경(太徑) 와이어를 이용하는 고용착을 안정된 육성량으로 행할 수도 있다. 핫 와이어 전류는, 비소모 전극(2a,2b)으로부터 노즐(4a,4b)을 통과하여, 와이어(15)에 유입되므로, 플라즈마 전류와 같이, 토치 축심에 대해서 대칭이 되어, 자기적으로 밸런스하기 때문에, 아크의 흔들거림이나 아크 블로우 현상이 발생하지 않는 안정된 육성 용접을 할 수 있다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 5 실시예 -
도 9에, 제 5 실시예인, 플라즈마 분체 육성장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 와이어 가이드를 대신하여 분체 가이드(26)를 장비한 플라즈마 분체 육성 토치이다. 그 외의 구조는, 제 1 실시예의 것과 같고, 인서트 칩(1)도, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 같은 구성이다. 분체 가이드(26)에는, 분체송급기(25)가, 분체조(24)에 있는 분체를 정속도로 보낸다. 플라즈마 전원(17,18)이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘린다. 모재에 대해서 분체류를 수직으로 송급하므로, 측방으로부터 플라즈마 아크에 분체를 송급하는 종래예보다, 분체의 생산수율이 좋고, 분체가 노즐에 부착되기 어렵고, 또한, 토치내의 분체 통로를 굵게 할 수 있어, 직선이기 때문에, 송급성이 나쁜 절재분(切裁粉)을 사용할 수도 있다. 모재(16)의 바로 위에서 대칭인 플라즈마 아크가 합류하여 서로 충돌하기 때문에, 모재(16)에의 하향 플라즈마류가 약해지므로, 저희석의 분체 육성이 가능하다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 6 실시예 -
도 10에, 제 6 실시예인, 플라즈마 키홀 용접장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 와이어 가이드를 대신하여 키홀 가스 가이드(28)를 장비한 플라즈마 키홀 용접 토치이다. 그 외의 구조는, 제 1 실시예의 것과 같고, 인서트 칩(1)도, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 같은 구성이다. 제 1 실시예의 경우와 같이, 플라즈마 전원(17,18)이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘린다. 키홀 가스(27)는, Ar 또는 He 또는 Ar+H2 또는 Ar+O2 또는 Ar+He이다. 키홀 가스 가이드(28)에 의해, 키홀용 소경 고속 가스류를 분사하는 것에 의해, 후판(厚板)의 키홀 용접이나 저입열 깊은 용입 용접을 할 수 있다. 키홀용 가스는, 비소모 전극(2a,2b)을 통과하는 파일럿 가스(플라즈마 가스)와는 다른 루트이기 때문에, 전극을 산화 소모시키는 일이 없기 때문에, 키홀용 가스에 산화성 가스를 이용할 수 있다. 또한, 키홀용 가스 분사구멍은, 플라즈마 전류의 대소에 관계없이 소경으로 할 수 있기 때문에, 키홀 구멍도 작게 할 수 있고, 후판 용접을 할 수 있다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 7 실시예 -
도 11에, 제 7 실시예인 플라즈마 절단 장치를 도시한다. 플라즈마 토치는, 와이어 가이드를 대신하여 절단가스 가이드(28)를 장비한 플라즈마 절단 토치이다. 그 외의 구조는, 제 1 실시예의 것과 같고, 인서트 칩(1)도, 도 3에 도시하는 제 1 실시예의 것과 같은 구성이다. 제 1 실시예의 경우와 같이, 플라즈마 전원(17,18)이, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘린다. 절단가스(29)는, Ar 또는 O2 또는 N2 또는 Ar+H2이다. 절단가스 가이드(28)에 의해, 절단 소경 고속 가스류를 분사하는 것에 의해, 세폭(細幅)절단을 할 수 있다. 비소모 전극(2a,2b)을 텅스텐 전극이라고 하면, 고가의 하프늄 전극을 이용하지 않고도, O2를 절단가스로 하는 강력한 플라즈마 절단을 할 수 있다. 그 외의 기능 및 작용 효과는, 제 1 실시예와 같다.
- 제 8 실시예 -
도 12에, 제 8 실시예인 플라즈마 용접장치를 도시하고, 도 13의 (a)에는 도 12에 도시하는 플라즈마 토치 즉 제 8 실시예의 플라즈마 아크토치만을 도시하고, 도 13의 (b)에는 토치의 선단면을 도시한다. 제 8 실시예의 플라즈마 아크토치는, 플라즈마 용접을 행하는 형태의 것이다. 인서트 칩(1)은, 인서트 캡(7)을 절연대 (9)에 나사 조이는 것에 의해, 절연대(9)에 고정되어 있다. 실드 캡(8)은 나사 조임에 의해 절연대(9)에 고정되어 있다. 2분할로 x방향으로 분리한 제 1 전극대(11)와 제 2 전극대(12)는, 절연체의 외부케이스(30)의 내부에 있다. 제 1 전극대(11)와 제 2 전극대(12)와의 사이의 공간을, 절연 본체(14)의 스템이 통과하고 있다.
인서트 칩(1)에는, 칩의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선상에 분포하고, 상기 중심축으로부터 등거리에 있는 2개의 전극 배치공간(1a,1b)이 있고, 각 전극 배치공간에, 절연대(9)를 관통하여 각 전극대(11,12)에 나사(10a,10b)로 고정된 제 1 전극(2a),제 2 전극(2b)의 선단부가 삽입되고, 각 전극 배치공간(1a,1b)의 축심 위치에, 센터링 스톤(3)으로 위치 결정되어 있다. 인서트 칩(1)의, 모재(16)에 대향하는 선단면에는, 각 전극 배치공간(1a,1b)에 연결된 노즐{4(4a,4b)}이 개구하고 있다.
도 14에, 인서트 칩(1)을 확대하여 도시한다. 본 실시예의 인서트 칩(1)에는, 칩(1)의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선에 분포하고, 상기 중심축으로부터 등거리에 있고 중심축(z)에 평행하게 늘어나는 2개의 전극 배치공간(1a,1b)과, 각 공간(1a,1b)에 연이어 통하여 모재(16)에 대향하는 선단면에 개구한 2개의 노즐 (4a,4b)을 구비하고 있다. 이들 노즐(4a,4b)도, 본 실시예에서는, 칩의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선상에 분포하고, 상기 중심축에 평행 또한 그리고 등거리에 있다.
토치의 절연대(9)에는, 도시를 생략한 냉각수 유로, 파일럿 가스 유로 및 실드가스 유로가 있다. 냉각수는, 냉각수 급수 유로를 통과하여, 인서트 칩(1)의 바깥둘레면과 인서트 캡(7)의 안둘레면과의 사이의 공간에 들어가, 그곳으로부터 냉각수 배수 유로를 통과하여 토치 밖으로 나온다. 파일럿 가스는, 가스 유로 및 전극 삽입공간을 통과하여 전극 배치공간(1a)에 들어가, 전극 선단부에서 플라즈마가 되어 노즐(4a)을 통과하여 토치의 선단면으로부터 분출한다. 다른쪽의 파일럿 가스는, 다른 가스 유로 및 전극 삽입공간을 통과하여 전극 배치공간(1b)에 들어가, 전극 선단부에서 플라즈마가 되어 노즐(4b)을 통과하여 토치의 선단면으로부터 분출한다. 실드가스는, 실드가스 유로를 통과하여, 인서트 캡(7)과 실드 캡(8)과의 사이의 원통형상의 공간에 들어가, 그리고 토치의 선단으로부터 분출한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 파일럿 전원(18ap,18bp)에 의해 비소모 전극(2a,2b)과 칩(1)과의 사이에 파일럿 아크를 발생시키고, 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원{18aw (용접 또는 예열용), 18bw(용융 용접 또는 본 용접용)에 의해, 용접 아크(플라즈마 아크)를 발생시키면, 플라즈마 아크 전류가 각 비소모 전극(2a,2b)과 모재(16)의 사이에 흐르고, 1풀 2아크 용접이 실현된다. 도 12에 도시하는 용접장치에서는, 전극(2a)의 플라즈마 아크에 의한 용접 또는 예열과, 전극(2b)에 의한 용융 용접 또는 본 용접이 행하여진다. 한편, 용접의 진행방향은 화살표 y방향이다. 즉, 선행하는 용접 또는 예열로 생성한 용융 풀에 후행하는 용융 용접 또는 본 용접의 플라즈마 아크가 닿고, 예를 들면 키홀 용접으로 형성되는 용융 풀을 후방에 보내, 키홀 용접으로 형성되는 용융 비드{도 18의(c)}를 후행의 용융 용접이 고르게 한다. 이것에 의해 도 18의 (g)에 도시하는, 모재 표면과 매끄럽게 연결된 용융 용접 비드가 된다. 3mm 미만의 박판의 경우는, 키홀 용접이 불가능하기 때문에, 선행의 용접 또는 예열에 의해 도 18의 (e)에 도시하는 비드가 형성되어, 이것이 후행의 용융 용접에 의해, 도 18의 (f)에 도시하는 비드로 바뀐다. 종래와 같이, 대전류 원풀 광폭 용접을 하는 것과는 달리, 선행, 후행과 각각의 기능으로 나누어, 필요 최소한의 낮은 전류로, 비드폭이 좁은 고속 용접을 할 수 있다. 또한, 선행 아크를 예열로서 사용하고, 후행 아크로 본 용접을 행하는 방법에서도 고속화는 할 수 있다.
그런데, 평행하게 흐르는 2경로의 전류(플라즈마 아크)가 각각 경로를 중심으로 선회하는 자속을 발생시켜, 이것들은 2경로의 사이에서는 자속이 흐르는 방향이 반대이므로 서로 자속을 상쇄하고, 합성 자속은, 2경로의 외측을 주회하는 것이 된다. 이 합성 자속의 자계와 2경로의 전류의 각각과의 상호작용(프레밍의 왼손의 법칙)에 의해, 2전류(플라즈마 아크)에는 도 15에 도시하는 힘 F가 작용하고, 2전류(플라즈마 아크)가, 서로 가까워지는 방향으로 구부러진다. 만일, 아크가 불안정하게 되어 이 곡선이 커져 2전류가 교차하면, 즉 합류하면, 키홀 용접과 용융 용접 모두, 본래 의도한 특성을 나타내지 않게 된다. 즉 용접 불량 혹은 비드 형상 불량을 일으킨다. 이 경향은 고전류가 될수록 크다.
- 제 9 실시예 -
제 9 실시예의 노즐 칩(1)은, 2전류가 교차할 가능성을 없애기 위해서, 노즐 (4a,4b)을, 2전류의 곡선의 방향(F)과는 반대의 방향으로 경사진 것으로 하였다. 즉, 노즐(4a,4b)을, 칩 단면의 수직선(z)에 대해서, 칩의 직경선상에서 노즐 개구가 칩 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 것으로 하였다.
도 16에, 제 9 실시예의 플라즈마 아크토치에 의한 1풀 2아크 용접형태를 도시한다. 노즐{4(4a,4b)}는, 아크간이 서로 당기는 힘 F에 의해 아크가 구부러졌을 때, 모재(16)에 대한 아크의 충돌 위치가, 예정의 키홀 용접 및 용융 용접의 위치{전극(2a,2b)의 중심축선이 모재 표면과 교차하는 위치}에 정확하게, 또는 거의 합치하도록, 비소모 전극(2a,2b)의 중심축선에 대해서 θ가 되는 각도만큼, 용접 진행방향(y)의 아크 간격을 넓히는 방향으로 경사져 있다.
도 17에, 도 16에 도시하는 제 9 실시예의 플라즈마 아크토치에 구비된 제 9 실시예의 노즐 칩(1)을 도시한다. 제 9 실시예에 의하면, 노즐(4a,4b)이 경사져서 용접 진행방향(y)의 아크 간격을 넓힐 수 있으므로, 아크 전류의 자기 작용(F)에 의해서 2아크가 교차한다고 할 가능성은 없다.
- 제 10 실시예 -
도 19에, 제 10 실시예인 플라즈마 용접장치를 도시하고, 도 20의 (a)에는 도 19에 도시하는 플라즈마 토치 즉 제 10 실시예의 플라즈마 아크토치만을 도시하고, 도 20의 (b)에는 토치의 선단면을 도시한다. 제 10 실시예의 플라즈마 아크토치는, 플라즈마 용접을 행하는 형태의 것이다. 인서트 칩(1)은, 인서트 캡(7)을 절연대(9)에 나사 조임하는 것에 의해, 절연대(9)에 고정되어 있다. 실드 캡(8)은 나사조임에 의해 절연대(9)에 고정되어 있다. 3분할로 x방향으로 분리한 선두 전극대 (11),중간 전극대(13eb) 및 후미 전극대(12)는, 절연체의 외부케이스(30)의 내부에 있다. 중간 전극대(13eb)와 선두, 후미 전극대(11,12)와의 사이의 공간을, 절연 본체(14)의 스템이 통과하고 있다.
인서트 칩(1)에는, 칩의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선상에 분포하고, 상기 중심축으로부터 등거리에 있는 선두, 후미 전극 배치공간(1a,1c)과, 상기 중심축 위치의 중간 전극 배치공간(1b)이 있고, 각 전극 배치공간에, 절연대(9)를 관통하여 각 전극대(11,12,13eb)에 나사(10a,10b,10c)로 고정된, 선두 전극(2a), 중간 전극(2b), 후미 전극(2c)의 선단부가 삽입되고, 각 전극 배치공간(1a∼1c)의 축심 위치에, 센터링 스톤(3)으로 위치 결정되어 있다. 인서트 칩(1)의, 모재(16)(용접 대상재)에 대향하는 선단면에는, 각 전극 배치공간(1a∼1c)에 연결된 노즐{4 (4a,4b,4c)}이 개구하고 있다.
도 21에, 인서트 칩(1)을 확대하여 도시한다. 본 실시예의 인서트 칩(1)에는, 칩(1)의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선에 분포하고, 상기 중심축의 위치에 있는 중간 전극 배치공간(1b)과 상기 중심축으로부터 등거리에 있어 중심축(z)에 평행하게 늘어나는 선두, 후미 전극 배치공간(1a,1c)과, 각 공간(1a,1b,1c)에 연이어 통하여 모재(16)에 대향하는 선단면에 개구한 선두, 중간, 후미의 노즐(4a,4b, 4c)을 구비하고 있다. 이들 노즐(4a,4b,4c)도, 본 실시예에서는, 칩의 중심축(z)과 직교하는 동일 직경선상에 분포하고, 상기 중심축에 평행하여 등피치로 분포하고 있다.
토치의 절연대(9)에는, 도 19상에서는 도시를 생략했지만, 도 22상에 도시하는 파일럿 가스 유로 및 냉각수 유로가 있다. 또한, 실드 캡(8)내에 실드가스를 이끄는 실드가스 유로(도시 생략)가 있다. 파일럿 가스는, 도 22의 (a)에 도시하는 바와 같이, 가스 유로 및 전극 삽입공간을 통과하여 전극 배치공간(1a∼1c)에 들어가, 전극 선단부에서 플라즈마가 되어 노즐(4a∼4c)을 통과하여 토치의 선단면으로부터 분출한다. 냉각수는, 도 22의 (b)에 도시하는 바와 같이, 냉각수 급수 유로를 통과하여, 인서트 칩(1)의 바깥둘레면과 인서트 캡(7)의 안둘레면과의 사이의 공간에 들어가, 그곳으로부터 냉각수 배수 유로를 통과하여 토치 외로 나온다. 실드가스는, 실드가스 유로를 통과하여, 인서트 캡(7)과 실드 캡(8)과의 사이의 원통형상의 공간에 들어가, 그리고 토치의 선단으로부터 분출한다.
도 19에 도시하는 바와 같이, 파일럿 전원(18ap,18bp,18cp)에 의해, 전극 (2a,2b,2c)과 칩(1)과의 사이에 파일럿 아크를 발생시키고, 전극(2a,2b,2c)과 모재 (16)의 사이에, 전극측이 음이고 모재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 플라즈마 전원{18aw(예열용), 18bw(속비드 형성용), 18cw(용융 용접용)에 의해, 용접 아크(플라즈마 아크)를 발생시키면, 플라즈마 아크 전류가 각 전극(2a,2b,2c)과 모재(16)의 사이에 흐르고, 1풀 3아크 용접이 실현된다. 도 19에 도시하는 용접장치에서는, 전극(2a)의 플라즈마 아크에 의한 예열과, 전극(2b)에 의한 속비드 형성과 전극(2c)에 의한 용융이 행하여진다. 한편, 용접의 진행방향은 화살표 y방향이다. 즉, 선두의 예열로 생성한 표면부 용융 풀{도 23의 것(a)}을 중간의 비드 형성이, 모재 이면(저면)까지 용융 또는 관통하는 것{도 23의 것(b)}으로 하고, 3mm 이상의 후판의 경우는, 예를 들면 키홀 용접으로 형성되는 용융 풀을 후방에 보내, 키홀 용접으로 형성되는 용융 비드를, 후행의 용융 용접이 고르게 한다. 이것에 의해 도 23의 (c)에 도시하는, 모재 표면과 매끄럽게 연결된 용융 용접 비드가 된다. 3mm 미만의 박판(薄板)의 경우는, 키홀 용접이 불가능하기 때문에, 선두의 예열과 중간의 용접에 의해 도 23의 (b)에 도시하는 비드가 형성되어, 이것이 후미의 용융 용접에 의해, 도 23의 (c)에 도시하는 비드로 바뀐다. 종래와 같이, 대전류 원풀 광폭 용접을 하는 것과는 달리, 중간, 후미와 각각의 기능으로 나누어 필요 최소한의 낮은 전류로, 비드폭이 좁은 고속 용접을 할 수 있다. 선두의 예열에 의해 중간의 용접은 용이하게 모재 이면에 이르므로, 용접을 보다 고속으로 행할 수가 있다.
도 19에 도시하는 실시예에서는, 선두 전극(2a)에 의한 예열에서는, 파일럿 가스 유량을 0.2∼1.0(리터/min)으로 적게 하여 얕은 용입에서의 예열을 한다. 중간 전극(2b)에 의한 속비드 형성에서는 용입을 깊게 하기 위해서 파일럿 가스 유량을 0.5∼5.0(리터/min)으로 많게 하고, 모재 두께가 3mm 이상에서는 키홀 용접에 의해 고유량의 파일럿 가스로 모재를 이면을 관통할 때까지 도려내 속 물결을 형성한다. 모재 두께가 3mm 미만에서는, 비교적으로 저유량의 파일럿 가스로서 모재 이면까지의 열 용융에 의해 속비드{도 23의 (b)}를 형성한다. 후미 전극(2c)에 의한 겉비드 형성에서는, 파일럿 가스 유량을 0.2∼1.0(리터 /min)으로 적게 하고 얕은 용입으로 표면을 얇게 녹여 평활하게 한다{도 23의 (c)}.
예를 들면 실시예 8∼10의 1풀 2아크 용접으로, 판두께 1.6mm의 모재를, 선행 아크전류 210A, 후행 아크 210/160A : 30Hz전환의 조건으로 2.3m/min의 비교적 고속이고 안정된 고품질의 플라즈마 아크 용접을 할 수 있다. 이에 대해 본 실시예에서는, 판두께 1.6mm의 모재를, 선두 아크전류 200A, 중간 아크전류 210A, 후미 아크전류 210/160A(45Hz 전환)의 조건으로 3.0m/min의, 보다 고속이고 안정된 고품질의 플라즈마 아크 용접을 할 수 있다.
일반적으로, 평행하게 흐르는 2경로의 전류(플라즈마 아크)가 각각 경로를 중심으로 선회하는 자속을 발생시키고, 이것들은 2경로의 사이에서는 자속이 흐르는 방향이 반대이므로 서로 자속을 상쇄하고, 합성자속은, 2경로의 외측을 주회하는 것이 된다. 이 합성자속의 자계와 2경로의 전류의 각각과의 상호작용에 의해, 2전류(플라즈마 아크)에는 로렌츠력 F가 작용하고, 2전류(플라즈마 아크)가, 서로 가까워지는 방향으로 구부러진다. 만일, 아크가 불안정하게 되어 이 곡선이 커져 2전류가 교차하면, 즉 합류하면, 본래 의도한 용접 특성을 나타내지 않게 된다. 즉 용접 불량 혹은 비드 형상 불량을 일으킨다. 이 경향은 고전류가 될수록 크다.
그러나 도 19에 도시하는 제 10 실시예에서는, 도 24에 도시하는 바와 같이, 선두 전극(2a)과 중간 전극(2b)의 아크 사이에는 Fa가 되는 서로 당기는 로렌츠력이 작용하지만, 중간 전극(2b)과 후미 전극(2c)의 아크 사이에도 Fc가 되는 서로 당기는 로렌츠력이 작용하고, 중간 전극(2b)의 아크에는 Fa, Fc의 합성력이 작용하게 되어, 이 합성력은 Fa, Fc를 상쇄한 나머지의, 근소한 것이 되어, 속비드를 형성하는 중간 전극(2b)의 아크가 안정되어, 속물결(속비드) 형성이 안정된다. 선두 전극(2a)의 예열 아크에 작용하는 로렌츠력 Fa는, 상기 아크를 용접 진행방향(y)에서 하류측으로 돌려 상기 아크가 용접 진행방향(y)에 대해 후진각이 되지만, 비드 형성에는 영향을 주지 않는다. 후미 전극(2c)의 용융 아크에 작용하는 로렌츠력 Fc는, 상기 아크를 용접 진행방향(y)에서 상류측으로 돌려 상기 아크가 용접 진행방향(y)에 대해 전진각이 되어, 평활화에 공헌한다. 즉, 후미 전극(2c)의 용융 아크의 플라즈마가 전방으로 흘러, 상기 아크의 후방에 형성되는 용융 풀을 아크 플라즈마가 어지럽히지 않기 때문에, 겉비드는 평활하고 깨끗한 비드 표면이 된다.
- 제 11 실시예 -
도 25에, 후판의 고속 용접에 적합한, 본 발명의 제 11 실시예의 플라즈마 용접장치를 도시한다.
판두께가 3mm 이상의, 파일럿 가스 유량을 많게 한 키홀 용접에서는, 용접 속도를 빠르게 하면 중간 전극(2b)에 의한 용융 풀이 용접방향(y)으로 커져, 용융 금속이 녹아 떨어질 가능성이 높아진다. 따라서 제 2 실시예에서는, 선두 전극(2a)와 중간 전극(2b)과의 거리보다, 중간 전극(2b)에 대한 후미 전극(2c)의 거리를 길게 하고, 중간 전극(2b)의 키홀 용접이 형성하는 용융 풀이 응고를 시작하는 위치를, 후미 전극의 플라즈마 아크로 용융 용접한다. 이것에 의해 키홀 용접 속도를 고속화해도, 용융 금속의 녹아 떨어짐을 억제할 수 있다. 후미 전극(2c)에 의한 용융 용접은, 응고 금속을 재가열하여 용융시키는 것이 되지만, 응고 금속은 응고 개시 직후의 고열이므로, 용이하게 용융하여, 고속화에 적합하다.
플라즈마 아크 용접에 한정하지 않고 TIG 용접에 의해서도, 예열 혹은 용융을 행할 수 있다. TIG 용접에서는 파일럿 전원이 불필요하므로, 전원장치를 저비용으로 구성할 수 있다. 또한, 실드가스가 토치 하단을 채우므로, TIG 용접에서는 전극 배치공간으로부터 모재에 분출하는 파일럿 가스를 생략할 수도 있다. 따라서, 다음의 표 1에 도시하는 용접 형태도 실시한다.
용접 형태의 조합
실시형태 1
도 20, 도 25		 실시형태 2
도 26		 실시형태 3
도 27		 실시형태 4 실시형태 5
선두 전극 2a 플라즈마 TIG TIG 플라즈마 플라즈마
중간 전극 2b 플라즈마 플라즈마 플라즈마 플라즈마 TIG
후미 전극 2c 플라즈마 플라즈마 TIG TIG TIG
표 1상의 실시형태 1은, 제 1, 제 2 실시예와 같이, 선두 전극(2a), 중간 전극(2b) 및 후미 전극(2c)의 모두, 플라즈마 아크 용접을 행하는 것이다.
- 제 12 실시예 -
도 26에 도시하는 본 발명의 제 12 실시예의 플라즈마 용접장치는, 표 1상의 실시형태 2의 것이다. 즉, 선두 전극(2a)은, TIG 용접에 의해 모재를 예열하는 것으로서, 인서트 칩(1)의, 그 하단면에 열린 전극 배치공간의 개구로부터 더 하방으로 돌출하고, TIG 아크에 의해 모재의 표면을 예열 용융한다. 중간 전극(2b) 및 후미 전극(2c)은, 제 1, 제 2 실시예와 같이, 플라즈마 아크 용접에 의해 속비드 형성 및 용융을 행한다.
- 제 13 실시예 -
도 27에 도시하는 본 발명의 제 13 실시예의 플라즈마 용접장치는, 표 1상의 실시형태 3의 것이다. 즉, 선두 전극(2a) 및 후미 전극(2c)은, TIG 용접에 의해 모재를 예열 및 용융하는 것이고, 인서트 칩(1)의, 그 하단면에 열린 전극 배치공간의 개구로부터 더 하방으로 돌출하고, TIG 아크에 의해 모재의 표면을 예열 용융 및 용융 용접한다. 중간 전극(2b)은, 제 1, 제 2 실시예와 같이, 플라즈마 아크 용접에 의해 속비드 형성을 행한다.
표 1상의 실시형태 4에서는, 후미 전극(2c)은, TIG 용접에 의해 모재를 용융하는 것이고, 인서트 칩(1)의, 그 하단면에 열린 전극 배치공간의 개구로부터 더 하방으로 돌출하고, TIG 아크에 의해 모재의 표면을 용융 용접한다. 선두 전극(2a) 및 중간 전극(2b)은, 제 1, 제 2 실시예와 같이, 플라즈마 아크 용접에 의해 예열 및 속비드 형성을 행한다.
표 1상의 실시형태 5에서는, 선두 전극(2a)의 플라즈마 아크 용접에 의해서 속비드를 형성한다. 중간 전극(2b) 및 후미 전극(2c)은, TIG 용접에 의해 각각 겉비드를 형성한다. 즉, 2단계로 겉비드를 형성한다. 이것은 모재의 용융 금속의 표면장력이 큰 모재에 적합하다. 한편, 실시형태 4에서도 마찬가지로, 선두 전극(2a)의 플라즈마 아크 용접에 의해서 속비드를 형성하고, 중간 전극(2b)에 의한 플라즈마 아크 용접과 후미 전극(2c)에 의한 TIG용접으로 각각 겉비드를 형성할 수도 있다.
한편, 상술의 제 11∼13 실시예 및 실시형태의 모두, 중간 전극(2b)은 1개이지만, 본 발명에 의하면, 2개 이상의 중간 전극을 이용하는 형태도 있다. 다만 이 경우도, 모든 전극은 용접방향으로 늘어나는 일직선상에 있는 것이다. 예를 들면 2개의 중간 전극(2b1,2b2)을 이용하는 실시형태에서는, 1개의 중간 전극에 의한 키홀 용접에서는 모재 이면에의 관통이 무리인 두꺼운 모재를, 선행의 중간 전극(2b) 1에 의한 플라즈마 아크 용접으로 도려내 그리고 후행의 중간 전극(2b2)에 의한 플라즈마 아크 용접으로 모재 이면까지, 키홀 용접할 수 있다. 환언하면, 후판을 고속으로, 키홀 용접할 수 있다.
1 : 인서트 칩
1a, 1b : 전극 배치공간
1a,1b,1c : 선두, 중간, 후미의 전극 배치공간
1d : 확대구
2a : 제 1 전극
2b : 제 2 전극
(2a : 선두 전극, 2b : 중간 전극, 2c : 후미 전극)
3 : 센터링 스톤
4(4a,4b) : 노즐
(4a,4b,4c : 선두, 중간, 후미의 노즐)
5 : 중앙 구멍
6 : 와이어 가이드
7 : 인서트 캡
8 : 실드 캡
9 : 절연대
9w : 냉각수로
9p : 파일럿 가스로
9s : 실드가스로
10(10a,10b,10c) : 전극 고정 나사
11 : 제 1 전극대
12 : 제 2 전극대
(11 : 선두 전극대, 12 : 후미 전극대, 13eb : 중간 전극대)
13g : 와이어 가이드
14 : 절연 본체
15 : 와이어
16 : 모재
17,18 : 전원
19 : 플라즈마
20 : 풀
Ma : 제1 아크의 야기 자속
Mb : 제 2 아크의 야기자속
Mc : 합성자속
21,21a,21b : 핫 와이어 전원
22 : MIG 용접 전원
24 : 분체조
25 : 분체송급기
26 : 분체 가이드
27 : 키홀 가스
29 : 절단가스
30 : 외부 케이스

Claims (33)

  1. 칩의 상단면에 비소모(非消耗) 전극을 수용하는 개구가 있고 상기 개구로부터 칩의 하단면을 향하여 연장되며 중심축에 직교하는 직경선을 따라 분포하는 복수개의 전극 배치공간과, 상기 전극 배치공간보다 작은 직경이고, 상기 전극 배치공간이 상기 하단면에 도달하기 전에 상기 전극 배치공간에 연이어 통하며, 상기 하단면의 하방을 향하여 열린, 적어도 하나의 플라즈마 아크 노즐을 구비하는 인서트 칩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상단면으로부터 하단면에 관통하여 칩 중심축과 동심의 중앙 구멍이 있고, 상기 복수의 전극 배치공간은 상기 중앙 구멍의 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등(等)각도 피치로 분포하고, 상기 플라즈마 아크 노즐은 상기 중심축을 중심으로 하는 원주상에 등각도 피치로 분포하는 복수인, 인서트 칩.
  3. 제 2 항에 있어서, 인서트 칩은, 상기 중앙 구멍에 연속하여 가공 대상재에 대향하는 선단면에 열려 상기 중앙 구멍보다 대경(大徑)인 확대구를 더 구비하고, 상기 노즐은, 상기 선단면보다 내측에서 상기 확대구로 열린, 인서트 칩.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 상기 중앙 구멍에 와이어를 안내하는 와이어 가이드와, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극과, 상기 인서트 칩을 냉각하기 위한 냉각수 유로와, 각 전극 배치공간에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로를 구비하는 플라즈마 토치.
  5. 제 4 항에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원을 구비하는 플라즈마 용접장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 와이어와 가공 대상재와의 사이에, 와이어측이 음이고 가공 대상재측이 양인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원을 더 구비하는 핫 와이어 형태의 플라즈마 용접장치.
  7. 제 4 항에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 양이고 가공 대상재측이 음인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원과, 상기 와이어와 가공 대상재와의 사이에, 와이어측이 양이고 가공 대상재측이 음인 전류를 흘리는 MIG 용접 전원을 구비하는, 플라즈마 MIG 용접장치.
  8. 제 4 항에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원과, 상기 와이어와 각 전극과의 사이에, 와이어측이 양이고 전극측이 음인 전류를 흘리는 핫 와이어 전원을 구비하는, 플라즈마 와이어 육성장치.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 상기 중앙 구멍에 분체를 안내하는 분체 가이드와, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극과, 상기 인서트 칩을 냉각하기 위한 냉각수 유로와, 각 전극 배치공간에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로를 구비하는 플라즈마 분체 육성 토치.
  10. 제 9 항에 기재된 플라즈마 분체 육성 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원과, 상기 분체 가이드에 분체를 송급하는 수단을 구비하는 플라즈마 분체 육성장치.
  11. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 상기 중앙 구멍에 키홀 가스를 안내하는 가스 가이드와, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극과, 상기 인서트 칩을 냉각하기 위한 냉각수 유로와, 각 전극 배치공간에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로를 구비하는 플라즈마 키홀 용접 토치.
  12. 제 11 항에 기재된 플라즈마 키홀 용접 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원을 구비하는 플라즈마 키홀 용접장치.
  13. 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 상기 중앙 구멍에 절단가스를 안내하는 가스 가이드와, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극과, 상기 인서트 칩을 냉각하기 위한 냉각수 유로와, 각 전극 배치공간에 파일럿 가스를 공급하기 위한 파일럿 가스 유로를 구비하는 플라즈마 절단 토치.
  14. 제 13 항에 기재된 플라즈마 절단 토치와, 상기 복수의 비소모 전극과 가공 대상재의 사이에, 전극측이 음이고 가공 대상재측이 양인 플라즈마 아크 전류를 흘리는 전원을 구비하는 플라즈마 절단 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전극 배치공간은 2개이며, 상기 플라즈마 아크 노즐은, 동일 직경선상에 분포하고 각 전극 배치공간에 각각이 연이어 통하며 상기 직경선과 평행한 용접선에 대향해서 열린 2개인, 인서트 칩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 플라즈마 아크 노즐은, 상기 하단면의 수직선에 대해서 평행한, 인서트 칩.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 플라즈마 아크 노즐은, 상기 하단면의 수직선에 대해서, 상기 직경선상에서 노즐 개구가 칩 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진, 인서트 칩.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 각 전극 배치공간은, 상기 하단면의 수직선에 대해서 평행한, 인서트 칩.
  19. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 각각의 선단부를 삽입한 2개의 비소모 전극을 구비하는 플라즈마 토치.
  20. 제 19 항에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 제 1 비소모 전극에 용접 또는 예열 전력을 급전하는 제 1 전원과, 제 2 비소모 전극에 용융 용접 또는 본 용접 전력을 급전하는 제 2 전원을 구비하는 플라즈마 용접장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 전극 배치공간은, 용접방향의 일직선상에 분포한 선두 전극 배치공간, 1 이상의 중간 전극 배치공간 및 후미 전극 배치공간을 포함한, 인서트 칩.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 선두 전극 배치공간 및 상기 중간 전극 배치공간에 연이어 통하는 상기 플라즈마 아크 노즐 간의 거리보다, 상기 중간 전극 배치공간 및 후미 전극 배치공간에 연이어 통하는 상기 플라즈마 아크 노즐 간의 거리가 긴, 인서트 칩.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 각 전극 배치공간에 각 플라즈마 아크 노즐이 연이어 통하는, 인서트 칩.
  24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 선두 전극 배치공간 또는 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 인서트 칩.
  25. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 선두 전극 배치공간 및 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 인서트 칩.
  26. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 선두 전극 배치공간에 상기 플라즈마 아크 노즐이 연이어 통하고, 상기 중간 전극 배치공간 및 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍인, 인서트 칩.
  27. 제 21 항에 기재된 인서트 칩과, 상기 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 각 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극을 구비하는 플라즈마 토치.
  28. 제 27 항에 기재된 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 선두 비소모 전극에 예열 전력을 급전하는 제 1 전원과, 중간 비소모 전극에 속비드 형성 전력을 급전하는 제 2 전원과, 후미 비소모 전극에 용융 전력을 급전하는 제 3 전원을 구비하는 플라즈마 용접장치.
  29. 제 22 항에 기재된 인서트 칩의 각 전극 배치공간에 각 선단부를 삽입한 복수의 비소모 전극을 구비하는 플라즈마 토치와, 상기 플라즈마 토치의 선두 비소모 전극에 예열 전력을 급전하는 제 1 전원과, 중간 비소모 전극에 키홀 용접 전력을 급전하는 제 2 전원과, 후미 비소모 전극에 용융 전력을 급전하는 제 3 전원을 구비하는 플라즈마 용접장치.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 제 1, 제 2 및 제 3 전원은, 플라즈마 용접 전원인, 플라즈마 용접장치.
  31. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간 또는 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이고, 제 1 전원 또는 제 3 전원은 TIG 용접 전원이며 다른 전원은 플라즈마 용접 전원인, 플라즈마 용접장치.
  32. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간 및 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이고, 제 1 전원 및 제 3 전원은 TIG 용접 전원이며 제 2 전원은 플라즈마 용접 전원인, 플라즈마 용접장치.
  33. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 인서트 칩의, 상기 선두 전극 배치공간에 상기 플라즈마 아크 노즐이 연이어 통하고, 상기 중간 전극 배치공간 및 상기 후미 전극 배치공간은, TIG 용접 전극이 관통하는 구멍이며, 제 1 전원은 플라즈마 용접 전원이고 제 2 및 제 3 전원은 TIG 용접 전원인, 플라즈마 용접장치.
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