KR20000003214U - 더블아크 발생을 억제하고 수명의 개선 효과를 가지는 산소 플라즈마 아크 절단토치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 고안은 금속 절단용으로 널리 사용되고 있는 플라즈마 아크절단 토치의 전극에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전극의 소모가 심한 공기, 산소, 혹은 산소 혼합 가스를 사용하는 플라즈마아크 절단의 경우에서, 전극의 수명을 연장하고, 수명을 안정화하며 더블아크 발생률의 저하를 기대할 수 있는 플라즈마 아크 절단 토치용 전극에 관한 것이다.

전극 몸체 단면부(5)의 표면에 은, 금, 백금 및 이들의 합금 등, 산화 저항성이 강하고 일 함수가 방사인서트(3)보다 상대적으로 높은 재료를 사용하여 적절한 두께의 도금층(4)을 형성시킨 구조로 구성되어진, 더블아크 발생을 억제하고 수명의 개선 효과를 가지는 산소 플라즈마 아크 절단토치용 전극이다.

Description

더블아크 발생을 억제하고 수명의 개선 효과를 가지는 산소 플라즈마 아크 절단토치용 전극

본 고안은 금속 절단용으로 널리 사용되고 있는 플라즈마 아크절단 토치의 전극에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전극의 소모가 심한 공기, 혹은 산소 혼합 가스를 사용하는 플라즈마아크 절단의 경우에서, 전극의 수명을 연장하고, 수명을 안정화하며 더블아크 발생률의 저하를 기대할 수 있는 플라즈마 아크 절단 토치용 전극에 관한 것이다.

금속의 절단방법으로는 몇 가지 방법이 있으며 그 방법 중 기계적 방법은 톱(Saw) 절단, 샤링(Shearing) 절단 및 바이트 절단 등이 있고, 열 절단의 방법으로는 산소가스 절단, 가우징 절단, 플라즈마 아크 절단, 레이저 절단 등이 있다.

기계적 절단은 비교적 정밀도는 높으나 절단 효율 및 절단 형상에 제한이 많아 일반적으로 그리 경제적이지 못하다. 이에 반하여 열 절단 방법은 정밀도는 다소 뒤지지만, 자유로운 형상 절단이 용이하며, 비교적 경제적인 가격으로 얇은 부재에서 두꺼운 부재까지 넓은 범위에서 절단이 가능하기 때문에 조선, 건설 등과 같은 비교적 높은 정밀도를 요구하지 않은 작업 현장에서 널리 적용되고 있다. 이중에서 특히 플라즈마 아크 절단은 다른 열 절단에 비하여 절단 속도가 대단히 빠르기 때문에 상당히 경제적으로 절단을 수행할 수가 있다.

그러나 일반적으로 플라즈마 아크 절단은 절단시 발생하는 고열로 인하여 절단 토치의 전극과 노즐 등의 소모가 심한데, 특히 공기, 산소 혹은 산소혼합가스를 사용하는 플라즈마 아크 절단의 경우에는 이러한 현상이 심각하다.

즉 도 1에 도시한 바와 같이 통상적으로 구리 혹은 구리합금과 같이 열전도율 및 전도성이 좋은 재료로 만들어지는 전극 몸체는 대부분 한쪽 부분은 막혀있는 구조로 되어 있다.

또한 일반적으로 이 막혀있는 부분에는 비교적 낮은 일 함수를 가지는 하프늄(Hf,3.60eV) 혹은 지르코늄으로 만든 방사인서트(3)가 박혀 있는데 이들 금속은 전극 몸체의 주요 재질인 구리의 일 함수(Work Function,4.46eV)보다 낮음으로써, 주어진 전위단계에서 전극몸체에 작용될 때, 일 함수가 높은 전극몸체(1)보다 방사인서트(3)에서 먼저 열 전자를 방출시켜 플라즈마 아크를 지속시킬 수 있는 것이다. 일 함수는 전자볼트로 측정되어지는 전위단계로 정의되며, 전위 단계에서는 주어진 온도에서 금속의 표면으로부터 열 이온이 방출된다.

이러한 구조의 전극에서는 구리 혹은 구리 합금으로 만들어진 전극몸체(1)와 하프늄 혹은 지르코늄으로 만들어진 방사인서트(3) 사이의 결합도(혹은 밀착도)가 전극의 기능 및 수명을 좌우하는 중요한 요소가 된다. 이들 금속을 결합하는 방법은 흔히 기계적인 끼워 맞춤과 야금학적인 결합 방법이 있는데, 야금학적인 결합은 기계적인 결합에 비하여 공정이 복잡하고 제작 경비가 비교적 많이 든다.

또한 전극 제조시에 전극 몸체의 가운데 박혀있는 하프늄 혹은 지르코늄의 방사인서트(3)를 기계적인 억지 끼워 맞춤하는 경우에는 아무리 정밀하게 작업을 한다하더라도 가공상의 한계가 있기 때문에 두 금속간에는 상당한 부분의 틈새가 존재하게되고 이 틈새는 전기적으로 저항의 역할을 하게되고 열 전달을 차단하는 효과까지 가지게 됨으로써 전극몸체(1)로 들어오는 냉각수의 냉각 효과를 감소시킴으로써 하프늄 혹은 지르코늄으로 구성된 방사인서트(3) 및 방사인서트 주위의 전극몸체(1)를 용융시켜 도 3 과 같이 비정상적인 소모를 가져오는 결과를 초래한다.

또한 이런 형태의 전극은 사용 초기에는 전극의 중심에 박혀있는 방사인서트(3)에서 우선적으로 열 이온이 방출되지만, 절단이 진행됨에 따라서 방사인서트(3) 주위의 구리 및 구리합금이 고온 상태에서 산소가스와 결합하여 산화가 진행되면 산화된 구리는 일 함수가 저하되어, 이곳에서 플라즈마 아크(6)를 지속하게 됨으로써 방사인서트(3) 뿐만 아니라 그 주위의 전극 몸체(1) 부분에서 플라즈마 아크(6)가 발생되고 결과적으로 도 3과 같은 형상으로 전극이 소모되어지는 부분(8)이 발생하게 되는 것이다. 이러한 현상은 플라즈마 아크(6)의 불안전을 초래하여 절단품질의 저하와 더블아크 발생의 한 원인이 되기도 한다. 또한 산화된 구리는 일 함수가 훨씬 낮아져서 주어진 전위의 환경에서 열 이온을 방출하게 되며, 상당히 빠른 속도로 녹아서 도 3에 도시한 형상처럼 소모된다.

종래 전극의 또 한가지 종류는 도 4에 도시한 바와 같이 일 함수가 낮은 하프늄 혹은 지르코늄의 방사인서트(3)가 열 전도 및 전기 전도율이 높고, 일 함수도 방사인서트(3)보다 훨씬 높은 중간 금속(2)(예를 들면 은, 금 및 이들의 합금 등)으로 둘러싸인 구조로 되어 있다.

이 중간 금속(2)은 연성/전성이 좋고, 전기적인 전도와 열전도율이 높기 때문에 앞서 언급되어진 열의 차단효과, 절연 효과 때문에 발생하는 문제점을 상당히 개선할 수가 있어서 전극의 수명을 연장시키는 효과를 기대할 수 있다. 또한 이들 중간 금속(2)은 상당한 산화 저항성을 가지고 있어 구리 혹은 이들 합금에서와 같이 산화에 의한 일 함수의 저하는 잘 일어나지 않는다. 그러나 이런 종류 전극의 문제점은 방사인서트(3)의 주위를 둘러싸고 있는 중간 금속(2)이 제작공정 혹은 경제적인 이유로 인하여 통상적으로 얇게(0.02mm - 0.8mm 정도) 제조됨으로 방사인서트(3)와 전극 몸체(1) 사이의 간격을 충분히 확보해 주지 못하여, 플라즈마 아크(6)절단이 진행되고 있는 동안에 고열 및 산소 가스에 의한 전극 몸체(1)의 산화 현상을 피할 수 없으며 결과적으로 중간금속(2) 층이 파괴되어 전극은 도 3에 도시한 바와 같은 형상으로 소모되는 경우가 많이 발생한다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 중간 금속(2)의 두께를 방사인서트(3)의 직경보다 상당히 크게(2 -4배정도) 제조하는 방법도 있으나 제작공법이 까다롭고, 제작경비가 비싸지는 등의 새로운 문제점이 발생하였다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 하프늄 혹은 지르코늄으로 만들어진 방사인서트의 주위에 구리 혹은 구리 합금으로 만들어진 전극몸체가 산화되는 것을 방지하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 고안의 목적 달성을 위해 산화 저항성이 크고, 상대적으로 일 함수가 방사인서트보다 높아서 열 이온의 방출이 쉽지 않은 금속(은, 금, 백금, 및 이들의 합금)으로 전극의 단면부에 충분한 두께의 도금층을 만들어주는 것과, 이 때, 도금층은 방사인서트를 둘러싸고 있는 중간금속과 연결되어져서 전극몸체가 직접적으로 산소와 접촉되는 것을 차단하여 산화를 방지하는 것을 제공함에 있는 것이다.

도 1은 산소 플라즈마 아크 절단기 전극의 사시도

도 2는 중간금속이 없는 종래 산소플라즈마 아크절단기 전극의 단면 구조도

도 3은 종래 산소플라즈마 아크 절단기 전극이 소모되는 형태도

도 4는 종래 중간 금속이 있는 산소플라즈마 아크절단기 전극의 단면 구조도

도 5는 종래 전극을 사용할 때 발생하는 더블아크의 발생 형태도

도 6은 본 고안 산소플라즈마 아크절단기 전극 단면 구조도

도 7은 본 고안 산소플라즈마 아크절단기 전극이 소모되는 형태도

도 8은 본 고안 산소플라즈마 아크절단 토치용 전극을 사용시 절단 상태도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 전극 몸체 (2) : 중간 금속

(3) : 방사인서트 (4) : 도금층

(5) : 전극 몸체의 단면도 (6) : 플라즈마 아크

(7) : 피절단 부재 (8) : 전극이 소모된 부분

(9) : 몸체의 개방된 부분 (10) : 노즐

첨부된 도면에 의거하여 본 고안의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 고안 산소플라즈마 아크절단기 전극 단면 구조도,

도 7은 본 고안 산소플라즈마 아크절단기 전극이 소모되는 형태도,

도 8은 본 고안 산소플라즈마 아크절단 토치용 전극을 사용시 절단 상태도를 도시한 것이다.

산소 플라즈마 아크 절단용 토치의 전극은 일반적으로 구리 혹은 구리합금으로 제작되고 노즐(10)의 중앙에 위치되는 전극 몸체(1)의 막혀있는 단면부(5)에 일 함수가 상대적으로 낮은 하프늄 혹은 지르코늄의 방사인서트(3)를 삽입하여 사용하게 되는데 전극의 수명을 높히고 전극 몸체(1)와 피절단 부재(7) 사이의 플라즈마 아크(6)를 안정 되게 하며 더블아크의 발생확률을 감소시키기 위한 목적으로 전극 몸체 단면부(5)의 표면에 은, 금, 백금 및 이들의 합금 등, 산화 저항성이 강하고 일 함수가 방사인서트(3)보다 상대적으로 높은 재료를 사용하여 적절한 두께의 도금층(4)을 형성시킨 구조로 구성되어진 것이다.

본 고안의 작용은 다음과 같다.

산화 저항성이 크고, 상대적으로 일 함수가 방사인서트(3)보다 높아서 열 이온의 방출이 쉽지 않은 금속(은, 금, 백금, 및 이들의 합금)으로 전극 몸체의 단면부(5)에 충분한 두께의 도금층(4)을 만들어주는 것이다, 이 때, 도금층(4)은 방사인서트(3)를 둘러싸고 있는 중간금속(2)과 연결되어져서 전극 몸체(1)가 직접적으로 산소와 접촉되는 것을 차단하여 산화를 방지함으로서 궁극적으로는 도 8과 같이 플라즈마 아크(6)가 하프늄 혹은 지르코늄을 재료로 하는 방사인서트(3)에서만 발생하도록 유도하는 것이다. 그러므로 이런 구조의 전극은 플라즈마 아크(6)를 안정시켜서 더블아크의 발생가능성을 최소화하고 절단품질을 향상시키며, 전극의 수명을 개선시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

또한 도금층(4)은 일 함수가 방사인서트(3)보다 높고, 산화 저항성이 강한 금속이 적당한데, 일반적으로 은, 금, 백금, 로듐, 이리듐 혹은 이들의 합금 등이 사용될 수 있는 것이다.

미설명 부호(9)은 전극 몸체의 개방된 부분이다.

그러므로 본 고안은 산소 플라즈마 아크를 이용하는 가우징 및 절단에 모두 적용할 수 있으며, 전극 몸체에 방사인서트가 삽입되어진 단면부는 방사인서트부분을 제외한 전부를 산화 저항성이 강하고 일 함수가 방사인서트보다 비교적 높은 금속을 사용하여 충분한 두께로 피막을 형성시킴으로써, 전극의 주요 재질인 구리 및 구리 합금이 산화되는 것을 방지하고 안정된 아크를 발생시키며 절단품질의 향상을 가져올 수 있는 구조의 전극에 관한 것이다.

Claims (1)

1. 전극 몸체 단면부(5)의 표면에 은, 금, 백금 및 이들의 합금 등, 산화 저항성이 강하고 일 함수가 방사인서트(3)보다 상대적으로 높은 재료를 사용하여 적절한 두께의 도금층(4)을 형성시킨 구조로 구성되어진 것을 특징으로 하는 더블아크 발생을 억제하고 수명의 개선 효과를 가지는 산소 플라즈마 아크 절단토치용 전극.