KR20000017283A - 플라즈마 아크 토치용 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마 아크 토치용 전극은 동작 중 아크에 대해 음극 단자 역할을 하는 방출 부재(emissive element)를 탑재하는 저 단부를 갖는 구리 홀더(copper holder)를 포함한다. 구리 또는 기타 금속의 0.5 내지 4 퍼센트와 합금이 되는 은(silver)으로 이루어지는 상대적으로 비-방출성인 분리대(separator)는 방출 부재를 둘러싸고 전극의 노출된 단부 면에서 구리 홀더와 방출 부재를 분리한다. 분리대는 상기 아크가 방출 부재로부터 분리되고 구리 홀더에 부착되는 것을 방지하는 역할을 한다.

Description

플라즈마 아크 토치용 전극 및 그 제조 방법 {ELECTRODE FOR PLASMA ARC TORCH AND METHOD OF MAKING SAME}

본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 플라즈마 아크 토치에서 전기 아크를 지지하는 전극에 관한 것이다.

플라즈마 아크 토치는 절단, 표면 처리, 용융, 및 열처리를 포함하는 금속 작업에 공통적으로 사용되고 있다. 이러한 토치는 전극을 포함하는데, 이 전극은 전환 아크 동작 모드(transferred arc mode of operation)에서 자신으로부터 작업 대상물까지 연장되는 아크를 유지한다. 또한 통상적으로 가스를 이용한 와류(swirling vortex) 유동으로 아크를 둘러싸고, 또한 일부 토치 설계에서 통상적으로 물을 이용한 와류 제트로 가스 및 아크를 둘러싼다.

상기 기술한 형식의 종래의 토치에서 사용되는 전극은 구리 또는 구리 합금과 같이 높은 열 전도성의 재료로 이루어지는 길게 형성된 관형 부재(tubular member)를 포함한다. 상기 관형 전극의 전방 단부 또는 방출 단부는 아크를 유지하는 매립된 방출 부재를 갖는 하부 단부 벽을 포함한다. 상기 부재는 상대적으로 낮은 일함수(work function)를 갖는 재료로 이루어지는데, 이러한 일함수는 종래 기술에서 전자 볼트(eV)로 측정되는 전위차로 정의되며 상기 부재는 주어진 온도에서 금속 표면으로부터 열전자를 방출하게 한다. 일함수가 낮기 때문에, 상기 부재는 전기 전위차가 상기 부재에 인가되는 경우 전자를 용이하게 방출할 수 있으며, 하프늄(hafnium), 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 합금을 포함하는 방출 재료가 흔히 사용된다.

상기 기술된 형식의 토치와 연관된 중요한 문제는, 특히, 상기 토치가 산소나 공기와 같은 산화 가스와 사용되는 경우, 전극의 수명이 짧아진다는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 가스는 방출 부재를 둘러싸는 구리 전극을 급속하게 산화시키는 경향이 있고, 상기 구리가 산화되는 경우 그 일함수가 낮아진다. 그 결과, 방출 부재를 둘러싸는 산화된 구리가 상기 부재가 아니라 상기 아크를 지지하기 시작하는 위치에 도달된다. 이러한 현상이 발생하는 경우, 구리는 산화되고 상기 유지용 구리는 용융되며, 상기 전극의 조기 파손 및 고장을 초래한다.

본 출원의 양수인은 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는 미합중국 특허번호 제5,023,425호에 기술된 바와 같이 수명이 크게 개선된 전극, 및 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는 미합중국 특허번호 제5,097,111호에 기술된 바와 같이 상기한 전극을 제조하는 방법을 이전에 개발하였다. 상기 제5,023,425호 특허는 그 전방 단부에서 방출 부재를 지지하고, 상기 방출 부재를 둘러싸는 상대적으로 비-방출성인 분리대 또는 슬리브를 가지고 상기 방출 부재 및 금속 홀더 사이에 개재되는 금속 관형 홀더를 포함하는 전극을 개시한다. 그로 인해 상기 슬리브는 상기 홀더로부터 방출 부재를 분리한다. 상기 제5,023,425호 특허는 산화물 형성에 높은 저항성을 갖는 은으로 이루어지는 것이 바람직한 슬리브를 개시한다. 상기 은 및 형성되는 임의의 산화물이 낮은 방출성을 갖기 때문에, 상기 아크가 슬리브 또는 금속 홀더로부터가 아니라 상기 방출 부재로부터 계속하여 방출된다. 따라서 수명이 크게 개선된다. 상기 슬리브는 상기 홀더 및 방출 부재의 단부와 동일 평면 상의 단부 면을 갖고, 이러한 일 실시예의 단부 면은 상기 슬리브의 환형의 플랜지 부분을 방사상 외츠으로 연장함으로써 정해진다.

상기 제5,097,111호 특허는 구리 또는 구리 합금의 원통형 블랭크(blank)의 전방 면에 카운터 보어형 캐비티를 형성하는 단계를 포함하는 전극을 제조하는 방법을 개시하는데, 상기 캐비티는 비-방출성 부재의 환형 플랜지 부분을 수납하는 환형의 외부 단부 부분을 포함한다. 상대적으로 비-방출성 재료의 제2 금속 블랭크, 바람직하게 은(silver)은 상기 캐비티 내에 확실히 고정되도록 형성된다. 이후 상기 비-방출성 블랭크는 상기 캐비티 내에 먼저 디스크 형의 은 납접 재료를 삽입함으로써 야금학적으로 상기 캐비티에 본딩되고, 이후 비-방출성 블랭크를 삽입하게 된다. 이후 조립체는 상기 납접 재료를 충분히 용융시키는 온도로 가열되고, 가열 공정 동안 상기 비-방출성 블랭크가 캐비티 쪽으로 밀리는데, 이로 인해 납접 재료가 상부로 유동되게 하고 상기 비-방출성 블랭크 및 캐비티 사이의 전체 인터페이스를 막게 한다. 이후 조립체는 냉각되고, 그 결과 납접 재료가 상기 부재를 상기 비-방출성 재료에 야금학적으로 본딩된다. 이후, 상기 비-방출성 블랭크는 축 방향으로 뚫리고 원통형 방출 부재가 그 결과 발생한 개구부에 강제로 고정된다. 전극 제조를 완성하기 위해. 조립체의 전방 면은 방출 부재의 원통형 외부 단부 면, 비-방출성 블랭크의 둘러싸는 환형의 링, 및 상기 홀더의 금속 외부 링을 포함하는 완만한 외부 면을 제공하도록 가공된다.

1990년 10월 8일자로 출원되고 1992년 5월 21일자로 공개된 일본 특허출원 공개번호 제4-147772호는 구리 홀더 및 아크를 지지하는 원통형 기능 삽입부(function insert), 및 상기 기능 삽입부 및 홀더 사이에 배치되어 그 사이를 열적으로 및 전기적으로 결합시키는 금속 스페이서를 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극을 기술하고 있다. 통상적인 플라즈마 아크 토치에서와 같이, 홀더는 홀더 내부를 통해 냉각제( coolant)를 순환시킴으로써 냉각된다. 상기 특허출원에서는 금속 스페이서가 상기 기능 삽입부의 냉각이 개선될 수 있도록 상기 홀더 및 기능 삽입부 사이의 열전달률을 상승시키는 것으로 기술하고 있는데, 이것은 전극의 수명을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 상기 금속 스페이서는 양 단부 상에 개방되고 상기 원통형 기능 삽입부를 둘러싸는 중공의 원통 부재로 이루어진다. 일 실시예에서 상기 금속 스페이서는 24∼95 퍼센트의 은과 5∼74 퍼센트의 구리를 함유하는 은 합금으로 이루어진다. 이러한 합금은 상기 홀더 및 기능 삽입부에 대해서가 아니라 금속 스페이서에 대해 용융점을 낮추는 목표를 달성하여 기능 삽입부 및 홀더 사이의 금속 층이 그 부재들 중 하나 이전에 용융되고 그 부재들 사이에서 유동됨으로써, 홀더를 플라즈마 아크로부터 보호하게 하고, 증기의 잠열(latent heat)에 의해 기능 삽입부의 팁 단부로부터 열을 흡수하도록 한다. 상기 합금의 구리 함량은 또한 구리 홀더 및 방출 부재 모두와 확산 본딩을 수용하는 것으로 알려져 있는데, 상기 방출 부재는 하프늄이나 그 합금, 또는 지르코늄이나 그 합금으로 이루어지는 방출 부재로 이루어진다. 상기 특허출원에는 상기 금속 스페이서의 방사상 두께가 0.01∼0.8mm가 되어야만 하고, 이후 상기 스페이서의 전체 금속 층은 용융될 수 있고 상기 기능 삽입부가 상기 홀더로부터 떨어지게 할 수 있기 때문에 상기 0.01∼0.8mm 이상의 두께는 바람직하지 않은 것으로 기술되어 있다.

본 발명은 전극 수명의 길이 및 일관성이라는 점에서 상기 참조된 제5,023,425호 특허에 개시된 전극을 개선하고, 상기 참조된 제5,097,111호 특허에 기술된 것보다 간단한 전극을 제조하는 방법을 제공하도록 개발되었다. 제5,023,425호 특허의 전극에서 수명이 비-방출성 부재용으로 사용되는 은 합금의 특정 합성물에 상당히 민감하고, 상기 수명이 합성물 변화에 따라 예상 외로 변화한다고 개시되어 있다. 본 발명은 전극의 수명을 상당히 증가시킬 수 있는 특정한 은 합금으로 제조되는 상대적으로 비-방출성인 분리대를 갖는 전극을 제공한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 플라즈마 아크 토치에서 전기 아크를 지지하는 전극은 전방 면과 전방 면에 형성되는 리셉터클을 갖는 금속 홀더를 포함한다. 상대적으로 비-방출성인 분리대는 상기 리셉터클에 장착되고, 그 내부에 형성되는 캐비티를 갖는다. 상대적으로 비-방출성인 분리대는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연, 및 그 합금들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료 의 0.5 내지 4 퍼센트와 합금이 되는 은으로 이루어진다. 이러한 재료들은 원소 형태이거나 또는 산화물 형태일 수 있다. 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 재료로 형성되는 방출 부재는 상대적으로 비-방출성인 분리대의 캐비티에 장착되어 분리대가 상기 홀더의 전방 면에서 방출 부재와 금속 홀더 사이에 개재되어 방출 부재로부터 금속 홀더를 분리시킨다.

본 발명에 따라 이루어진 전극의 수명 기간은 약 4 퍼센트 이상의 구리를 함유하는 은 합금으로 형성되는 상대적으로 비-방출성인 분리대를 갖는 기타 동일 전극의 수명보다 상당히 긴 평균 수명을 나타낸다. 또한, 은이 너무 순수한 경우 상기 전극의 수명이 감소되는 것으로 나타났다. 예를 들면, 거의 순수한 은(예를 들어 0.9997 순도의 은)으로 이루어진 상대적으로 비-방출성인 분리대를 갖는 전극은 0.5 퍼센트 구리를 함유하는 은으로 이루어지는 상대적으로 비-방출성인 분리대를 갖는 기타 동일 전극보다 상당히 짧은 평균 수명을 갖는다.

또한, 분리대 합성물의 선택은 분리대의 외형, 및 충분한 수명을 갖는 전극이 산출되는 것을 보장하도록 제조되는 전극에 의한 방법을 상당히 고려하여야 하는 것으로 나타났다. 예를 들면, 분리대가 순수한 실버(92.5 퍼센트의 은 및 7.5 퍼센트의 구리 또는 기타 재료)이며 분리대의 외부 면을 정하는 원통형 몸체 및 환형 플랜지를 갖는 리벳-형의 외형으로 형성될 때, 상기 전극이 구리 홀더 내에 방출 삽입부 및 분리대가 방사상으로 확장되고 상기 홀더 내에 고정 및 유지되도록 이들 부재를 냉간 변형 공정에 의해 이루어지는 경우, 상기 전극은 상대적으로 짧은 수명을 갖는 것으로 나타났다. 하지만, 동일 구성의 분리대가 약 2∼3 퍼센트와 같이 낮은 구리 함량을 갖는 은으로 이루어지는 경우, 상기 냉간 변형 방법은 실제로 긴 수명을 갖는 전극을 산출할 수 있다. 이와는 대조적으로, 분리대가 환형 플랜지를 포함하지 않는 경우, 상기 냉간 변형 방법은 약 0.25∼10 퍼센트 구리를 함유하는 은 합금으로 양호하게 동작된다.

따라서, 본 발명은 상대적으로 간단하고 경제적인 플라즈마 아크 토치용 전극을 제조하는 방법을 또한 제공한다. 이 방법은 금속 블랭크의 통상적으로 평탄한 전방 면에 리셉터클을 형성함으로써 금속 홀더를 형성하는 단계를 포함하는데, 상기 리셉터클은 상기 전방 면에 통상적으로 직교하는 축을 따라 연장되고, 상기 금속 블랭크 내 단부 벽을 포함한다. 상대적으로 비-방출성인 분리대는 탄성적으로 변형 가능한 상대적으로 비-방출성인 재료로 형성되어 상대적으로 비-방출성인 분리대가 제1 및 제2 단부 면 사이에 연장되는 외부 표면을 갖게 된다. 상기 상대적으로 비-방출성인 분리대의 외부 표면은 상기 금속 홀더의 리셉터클 내에 확실히 고정되도록 구성되고, 상대적으로 비-방출성인 분리대의 길이는 상기 제2 단부 면이 상기 리셉터클의 단부 벽에 인접하는 경우 상기 제1 단부 면이 통상적으로 평탄하고 상기 금속 홀더의 전방 단부에 이웃하여 배치되는 바와 같다. 캐비티가 상대적으로 비-방출성인 분리대의 제1 단부 면에 형성된다. 상기 방법은 상대적으로 비-방출성인 분리대의 일함수보다 낮은 일함수를 갖는 탄성적으로 변형 가능한 재료로부터 방출 부재를 형성하는 단계를 추가로 포함하는데, 상기 방출 부재는 상기 분리대 내 캐비티로 미끄러져 삽입될 수 있고, 상기 캐비티로 충분히 삽입되는 경우 거의 완전히 캐비티를 차지하고, 분리대의 제1 단부 면과 통상적으로 동일한 높이로 배치되는 단부 면을 갖는다.

전극을 조립하기 위해, 분리대가 금속 홀더의 리셉터클에 삽입되어 상기 분리대의 제2 단부 면이 상기 리셉터클의 단부 벽에 인접하고 상기 분리대의 제1 단부 면이 상기 금속 홀더의 전방 면에 이웃하게 된다. 상기 방출 부재는 상기 방출 부재의 단부 면이 상기 분리대의 제1 단부 면과 통상적으로 동일 높이가 될 때까지 상기 분리대의 캐비티 내에 삽입된다. 이후, 상기 방출 부재가 상기 분리대에 의해 확실하게 고정되고 유지되며 상기 분리대는 상기 금속 홀더에 의해 확실하게 고정 및 유지될 때까지, 상기 방출 부재 및 분리대를 방사상 외측으로 소성 변형시키기 위해 상기 금속 홀더의 축과 통상적으로 나란하게 상기 방출 부재 및 상기 분리대의 제1 단부 면에 힘을 인가하게 된다.

상기 방법의 바람직한 실시예에서, 분리대는 캐비티의 원통형 몸체 및 상기 몸체의 일 단부에 근접하는 하부 벽을 갖도록 형성되며, 상기 분리대는 약 0.25 내지 10 퍼센트의 구리와 합금이 되는 은으로 이루어진다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 분리대는 중공의 원통형 몸체, 상기 몸체의 일 단부에 근접하는 하부 벽, 및 상기 몸체의 타측 단부에 결합되는 환형 플랜지를 갖도록 형성된다. 상기 분리대는 약 0.5 내지 4 퍼센트, 보다 바람직하게는 2∼3 퍼센트의 구리와 합금이 되는 은으로 이루어진다.

유리하게도, 상기 방출 부재 및 상대적으로 비-방출성인 분리대는 통상적으로 평탄한 원형인 작용 면을 갖는 공구로 상기 방출 부재의 단부 면 및 분리대의 제1 단부 면에 충격을 가함으로써 소성적으로 변형되는데, 상기 작용 면의 외부 직경은 상기 금속 홀더의 리셉터클의 직경보다 약간 작다.

바람직하게, 이후 통상적으로 평탄한 단부 면이 상기 금속 홀더의 전방 단부, 상기 상대적으로 비-방출성인 분리대의 제1 단부 면, 및 상기 방출 부재의 단부 면을 통상적으로 평탄하고 서로 동일 높이가 되도록 가공함으로써 전극 상에 형성된다.

이하 첨부되는 도면을 참고로 하여 그 바람직한 실시예의 설명으로부터 상기 기술된 목적, 특징, 및 장점 및 기타 본 발명의 목적, 특징, 및 장점이 명백해진다.

도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 플라즈마 아크 토치의 수직 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 전극의 확대 시시도.

도 3은 본 발명에 따른 전극의 수직 단면을 확대하여 도시한 도면.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극을 제조하는 방법의 단계를 개략적으로 예시하는 도면.

도 8은 완성된 전극 단부의 정면도.

도 9는 도 6과 유사한 도면으로서 리벳-형 분리대를 갖는 전극에 적용되는 본 발명의 성형 방법을 도시하는 도면.

도 10은 도 3과 유사한 도면으로서 리벳-형 분리대를 갖는 완성된 전극을 도시하는 도면.

도 11은 본 발명에 따라 제조된 전극의 시험 결과를 나타내는 그래프로서 은 합금 분리대에 대한 구리의 함량비의 함수로서 전극의 전체 수명을 도시하는 도면.

도 1을 참조하여, 본 발명의 특징을 구현하는 플라즈마 아크 토치(10)가 기술된다. 상기 토치(10)는 노즐 조립체(12) 및 관형 전극(14)을 포함한다. 상기 전극(14)은 구리 또는 구리 합금으로 제조되고, 상부 관형 부재(15) 및 하부 컵-모양의 부재 또는 홀더(16)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 상부 관형 부재(15)는 연장된 개방형 관형 구조이며 토치(10)의 세로 축을 정한다. 상기 상부 관형 부재(15)는 내부적으로 나사산인 하부 단부 부분(17)을 포함한다. 홀더(16)는 또한 관형 구조이며, 하부 전방 단부 및 상부 후방 단부를 포함한다. 측 단부 벽(18)은 상기 홀더(16)의 전방 단부에 인접하고, 측 단부 벽(18)은 외부 전방 면(도 2 참조)을 정한다. 홀더(16)의 후방 단부는 외부적으로 나사산이 되고 상기 상부 관형 부재(15)의 하부 단부 부분(17)에 나사식으로 결합된다.

도 2 내지 도 3을 주로 참조하면, 홀더(16)는 컵-모양의 구조이고 내부 캐비티(22)를 정하도록 그 후방 단부(19)에서 개방된다. 홀더의 전방 단부 벽(18)은 내부 캐비티(22) 내로 길이 방향을 따라 후방 방향으로 연장되는 원통형 포스트(23)를 포함한다. 리셉터클(24)이 상기 단부 벽(18)의 전방 면(20)에 형성되고, 길이 방향을 따라 상기 포스트(23)의 길이 부분에 후방 방향으로 연장된다. 상기 리셉터클(24)은 통상적으로 원통형이고, 원뿔형 내부 단부 벽(25)을 포함하는 것이 바람직하다. 원뿔형 내부 단부 벽(25)의 반각(half angle)은 약 65°내지 75°인 것이 바람직하다.

방출 부재 조립체(26)는 상기 리셉터클(24)에 장착되며, 길이 방향을 따라 동축으로 배치되고 상기 홀더(16)의 전방 면(20)의 평면에 배치되는 원형의 외부 단부 면(29)을 갖는 통상적으로 원통형의 방출 부재(28)를 포함한다. 상기 방출 부재(28)는 또한 상기 리셉터클(24) 내에 배치되고 상기 외부 단부 면(29)의 반대 방향에 있는 통상적으로 원형의 내부 단부 면(30)을 포함한다. 방출 부재(28)는 약 2.7 내지 4.2 eV의 범위에서 상대적으로 낮은 일함수를 갖고, 방출 부재에 적용되는 전기 전위차 하에서 전자를 용이하게 방출하도록 적용되는 금속 재료로 이루어진다. 이러한 재료의 적합한 예로는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 그 합금들이 있다.

방출 부재 조립체(26)는 또한 방출 부재(28)에 대해 동축으로 리셉터클 내에 배치되는 상대적으로 비-방출성인 분리대(32)를 포함한다. 분리대(32)는 방출 부재(28)의 길이 방향 및 폐쇄된 하부 벽(34)을 연장하는 주변 벽(33)(도 4∼5 참조)을 가질 수 있다. 주변 벽(33)은 다른 외형 구성이 본 발명의 범위와 일치될 수 있다는 점이 이해될 수 있지만, 분리대의 길이 방향에 대해 거의 일정한 외부 직경을 갖는 것으로 예시된다. 상기 리셉터클(24)이 원뿔형 단부 벽(25)을 포함하는 경우, 폐쇄된 하부 벽(34)이 원뿔형 단부 벽(25)의 외형과 일치하도록 원뿔형인 외부 단부 면을 정하는 것이 바람직하다. 분리대(32)는 길이 방향과 동축으로 블라인드 원통형 캐비티 형태로 그 내부에 형성되는 원통형 캐비티(35)와 같은 개구부를 포함하고, 상기 방출 부재(28)는 거의 완전히 상기 캐비티(35)를 차지한다. 도 4에 양호하게 도시된 바와 같이, 분리대(32)의 하부 벽(34)은 방출 부재(28)가 인접하는 것에 대향하여 내부 표면(37)을 정한다. 내부 표면(37)은 길이 방향에 수직인 평탄한 원형의 중심 부분(37a) 및 길이 방향과 동축으로 원뿔대(frustoconical) 외부 부분(37b)을 포함하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 원뿔대 부분(37b)의 반각은 약 30°인 것이 바람직하다. 방출 부재(28)는 상기 내부 표면(37)의 외형과 정합하도록 형성되는 내부 단부 면(30)을 갖는 것이 바람직하며, 따라서 상기 내부 단부 면(30)은 평탄한 원형의 중심 부분(30a) 및 약 30°의 반각을 갖는 원뿔대 외부 부분(30b)(도 6 참조)을 포함한다.

분리대(32)는 또한 상기 방출 부재(28)의 원형 외부 단부 면(29)과 통상적으로 동일 높이이고, 또한 홀더(16)의 전방 면(20)과 통상적으로 동일 높이인 외부 단부 면(36)을 포함한다. 분리대(32)는 외부 단부 면(36)에서 및 그 전체 길이를 따라 적어도 약 0.25mm(0.01 인치)의 방사상 두께를 갖는 것이 바람직하고, 방출 부재(28)의 직경은 상기 분리대의 단부 면(36)의 외부 직경의 약 30∼80 퍼센트인 것이 바람직하다. 구체적인 예로서, 방출 부재(28)는 통상적으로 약 2mm(0.08 인치)의 직경 및 약 6mm(0.24 인치)의 길이를 가지며, 분리대(32)의 외부 직경은 약 4mm(0.16 인치)이다.

분리대(32)는 홀더(16) 재료의 일함수보다 크고, 또한 방출 부재(28) 재료의 일함수보다 큰 일함수를 갖는 금속 재료로 이루어진다. 보다 구체적으로, 분리대는 적어도 약 4.3eV의 일함수를 갖는 금속 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라, 분리대(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연, 및 그 합금들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 추가 재료의 약 0.5 내지 4 퍼센트와 합금이 되는 은을 포함하는 은 합금 재료로 이루어진다. 앞에서 기술한 바와 같이, 상기 추가 재료는 원소 또는 산화물 형태일 수 있고, 따라서 본 명세서에 사용되는 "구리"라는 용어는 원소 형태뿐만 아니라 산화물 형태 모두 관련되며, "알루미늄" 등의 용어에 대해서도 마찬가지이다. 예상 외로, 전극의 수명은 분리대가 너무 순수한 은, 예를 들어 0.997 순도의 은으로 형성되는 경우 감소되는 것으로 나타났다. 또한 분리대가 거의 3 퍼센트 이상의 구리를 함유하는 은으로 이루어지는 경우, 전극의 수명은 하락하기 시작하는 것으로 나타났다. 따라서, 전극에 대한 최적의 수명을 발휘하는 은 합금의 추가 재료에 대해 약 0.5 내지 4 퍼센트가 최적 범위가 된다.

보다 바람직하게, 분리대는 추가 재료의 약 1.5 내지 3.5 퍼센트와 합금이 되는 은으로 이루어진다. 구리가 추가 재료로 바람직하고, 특히 바람직한 합금 함량은 약 2∼3 퍼센트 구리이다. 이론에 의해 구속되기를 바라지 않지만, 발명자는 본 발명의 예상 외의 장점에 대해 하나의 가능한 설명으로 불순물(즉, 구리)이 은의 일함수를 증가시키거나 또는 다른 방식으로 아크를 지지하는 은의 존재 가능성을 감소시키는 것이라고 믿는다. 또 다른 가능한 설명으로는 순수한 은이 상대적으로 낮은 항복 인장강도(tensile yield strength)를 가지며, 따라서 거의 순수한 은으로 이루어진 분리대는 (은이 구리보다 큰 열팽창 계수를 가지기 때문에) 토치가 차단되고 전극이 냉각되는 경우 상기 분리대 및 구리 홀더 사이에서 간격이 개방될 수 있다. 상기 간격은 후속 동작 동안 분리대의 과열을 발생하게 한다. 은에 구리를 추가하는 것에 의해, 분리대는 열팽창 압력하에서 상당량 산출되지 않을 수 있는데, 이것은 은-구리 분리대으로 이루어진 전극이 구리 홀더 및 분리대 사이의 인터페이스에서 전개된 간격에 나쁜 특성을 갖는 이유를 설명할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 예시된 실시예에서, 전극(14)은 플라즈마 아크 토치 몸체(38)에 장착되는데, 플라즈마 아크 토치 몸체(38)는 각각 가스 및 액체 통로(40, 42)를 포함한다. 플라즈마 아크 토치 몸체(38)는 외부 절연 하우징 부재(44)에 의해 둘러싸인다.

관(tube; 46)이 전극 구조(14)를 통해 물과 같은 액체 냉각 매체를 순환시키기 위한 전극(14)의 중앙 보어(48) 내에 매달려 있다. 상기 관(46)은 스페이스(49)가 상기 관(46) 및 보어(48) 사이에 존재하여 상기 관(46)의 개방된 하부 단부로부터 방전시 그 내부에 물이 흐를 수 있도록 보어(48)의 직경보다 약간 작은 외부 직경을 갖는다. 상기 물은 공급원(도시되지 않음)으로부터 관(46)을 통해 홀더(16) 내의 포스트(23)를 따라 흐르고, 상기 스페이스(49)를 따라 상기 토치 몸체(38) 내의 개구부(52) 및 드레인 호스(도시되지 않음)로 되돌아온다. 액체 통로(42)는 주입되는 물을 이하 추가로 설명되는 바와 같이 플라즈마 아크를 둘러싸는 와류로 변환되는 노즐 조립체(12)로 향하게 한다. 가스 통로(40)는 적합한 공급원(도시되지 않음)으로부터 적합한 고온 재료의 가스 격벽(gas baffle; 54)을 통해 주입 홀(inlet holes; 58)을 경유하여 가스 플리넘 챔버(gas plenum chamber; 56)로 향하게 한다. 주입 홀(58)은 가스가 와류 방식으로 상기 플리넘 챔버(56)로 들어가도록 마련된다. 가스는 노즐 조립체(12)의 동축 보어(60, 62)를 통해 상기 플리넘 챔버(56)로부터 빠져나온다. 전극(14)은 상기 가스 격벽(54)을 유지시킨다. 고온 플라스틱 절연체 몸체(55)는 노즐 조립체(12)를 전극(14)으로부터 전기적으로 절연시킨다.

상기 노즐 조립체(12)는 제1 보어(60)으로 정해지는 상부 노즐 부재(63), 및 제2 보어(62)로 정해지는 하부 노즐 부재(64)로 이루어진다. 상기 상부 노즐 부재(63)는 금속 재료인 것이 바람직하고, 하부 노즐 부재(64)는 금속 또는 세라믹 재료인 것이 바람직하다. 상기 상부 노즐 부재(63)의 보어(60)는 토치 전극(14)의 길이 방향으로 축방향 정렬된다.

하부 노즐 부재(64)는 플라스틱 스페이서 부재(65) 및 물 와류 링(66)에 의해 상부 노즐 부재(63)로부터 분리된다. 상기 상부 노즐 부재(63) 및 하부 노즐 부재(64) 사이에 제공되는 공간은 물 챔버(water chamber; 67)를 형성한다.

하부 노즐 부재(64)는 전방 또는 하방 단부 부분 및 후방 또는 상방 단부 부분으로 정해지는 원통형 몸체 부분(70), 및 상기 몸체 부분(70)을 통해 동축으로 연장되는 보어(62)를 포함한다. 환형 장착 플랜지(71)가 상기 하방 단부 부분 상에 배치되고, 원뿔대 표면(72)이 제2 보어(62)와 동축으로 전방 단부 부분의 외부 상에 형성된다. 환형 플랜지(71)가 컵(74) 하부 부분에서 내부 지향 플랜지(73)에 의해 아래부터 지지되고, 상기 컵(74)은 상기 외부 하우징 부재(44)에 결합되는 나사산에 의해 탈착 가능하게 장착된다. 개스킷(gasket; 75)이 2개의 플랜지(71, 73) 사이에 개재된다.

하부 노즐 부재(64) 내의 보어(62)는 원통형이고, 임의의 적합한 플라스틱 재료의 중앙 슬리브(78)에 의해 상부 노즐 부재(63) 내의 보어(60)와 축방향으로 정렬되어 유지된다. 물은 통로(42)로부터 슬리브(78) 내 개구부(85)를 통해 와류 링(66)의 주입부(87)로 흐르는데, 주입부(87)는 물을 물 챔버(67)로 주입한다. 상기 주입부(67)는 물 챔버(67)에서 물의 흐름에 와류 속도 성분이 가해지도록 와류 링(66) 주변에 접선 방향으(tangentially) 배치된다. 상기 물은 보어(62)를 통해 물 챔버(67)를 빠져나온다.

전원공급 장치(도시되지 않음)가 통상적으로 접지된 금속 작업 대상물과 직렬 회로 관계로 토치 전극(14)에 연결된다. 동작 시, 플라즈마 아크는 아크에 대해 음극 단자 역할을 하는 전극의 방출 부재(28) 및 전원공급 장치의 양극에 연결되고 상기 하부 노즐 부재(64) 아래에 배치되는 작업 대상물 사이에 자리잡는다. 상기 플라즈마 아크는 전극(14) 및 노즐 조립체(12) 사이에서 파일롯(pilot) 아크를 일시적으로 발생시키는 종래의 방식으로 시작되고, 이후 아크는 보어(60, 62)를 통해 작업 대상물에 전달된다.

제조 방법(Method of Fabrication)

본 발명은 또한 상기 기술된 형식의 전극을 제조하는 간단한 방법을 제공한다. 도 4∼7은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법을 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전방 면(95) 및 반대쪽 후방 면(96)을 구비하는 구리 또는 구리 합금의 원통형 블랭크(94)가 제공된다. 이후 상기 기술된 바와 같이 리셉터클(24)을 형성하기 위해 전방 면(95) 내에 통상적으로 원통형 보어가 드릴 등에 의해 형성된다.

분리대(32)가 은 합금 재료로 이루어진다. 앞에 기술된 바와 같이, 중공의 원통형 분리대에 대한 은 합금 재료는 약 0.25 내지 10 퍼센트와 합금이 되는 은을 포함한다. 분리대(32)는 리셉터클(24) 내에 확실하게 고정되도록 구성되고 크기가 정해진다. 분리대(32)는 먼저 통상적으로 원통형 고체 블랭크를 형성하고, 이후 드릴 등에 의해 그 내부에 동축으로 원통형 캐비티(35)를 형성함으로써 형성될 수 있다.

이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 통상적으로 원통형 방출 부재(28)가 상기 기술된 바와 같이 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 금속 재료로 이루어진다. 상기 방출 부재(28)는 분리대(32)에서 캐비티(35) 내에 확실히 고정되고 캐비티(35)를 거의 완전히 차지하도록 크기가 정해진다. 방출 부재(28)는 자신의 내부 단부(30)가 분리대(32)의 폐쇄된 단부 벽(34)에 인접할 때까지 상기 캐비티(35) 내에 삽입되고, 방출 부재(28)의 외부 원형 단부 면(29)이 상기 분리대(32)의 외부 단부 면(36)과 통상적으로 동일 높이가 된다.

도 6을 참조하면, 통상적으로 평탄한 원형의 작용 표면(100)을 갖는 공구(98)가 각각 방출 부재의 단부 면(29) 및 분리대의 단부 면(36)에 접촉되는 작용 표면(100)으로 배치된다. 작용 표면(100)의 외부 직경은 홀더 블랭크(94) 내 리셉터클(24)의 직경보다 약간 작다. 상기 공구(98)는 상기 방출 부재(28)의 길이 방향과 통상적으로 동축 상의 작용 표면으로 유지되고 길이 방향을 따라 방출 부재(28) 및 분리대(32)에 축상으로 압력을 가하도록 공구에 힘이 인가된다. 예를 들면, 상기 공구(98)는 방출 부재 및 분리대와 접촉되도록 배치되고, 이후 기계의 램(ram)과 같은 적합한 장치에 의해 충격을 가한다. 사용되는 구체적인 기술에 관계없이, 충분한 힘이 가해져서 방출 부재(28) 및 분리대(32)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 방출 부재(28)가 상기 분리대(32)에 의해 확실히 고정 및 유지되고, 상기 분리대(32)가 금속 홀더 블랭크(94)에 의해 확실히 고정 및 유지되도록 방사상 외측으로 변형되게 한다.

홀더(16)의 제조를 완성하기 위해, 블랭크(94)의 후방 표면(96)은 내부에 캐비티(22), 및 도 3에 도시된 바와 같이 원통형 포스트(23)를 형성하도록 리셉터클(24)을 동축으로 둘러싸는 내부의 환형 리세스(recess)를 갖는 개방형 컵-모양의 구성을 이루도록 가공된다. 상기 블랭크(94)의 외부 주변이 또한 후방 단부에서 외부 나사산(102)을 형성하는 것을 포함하여 원하는 형상이 된다. 마지막으로, 블랭크(94)의 전방 면(95) 및 방출 부재와 분리대 각각의 단부 면(29, 36)이 가공되며 이들은 거의 평탄하고 서로 동일한 높이를 갖는다.

도 8은 완성된 전극의 수직 방향의 단부 도면을 도시한다. 분리대(32)의 단부 면(36)이 방출 부재(28)의 원형 단부 면을 홀더(16)의 전방 면(20)으로부터 분리시키는 것을 알 수 있다. 상기 단부 면(36)은 내부 외주(104) 및 외부 외주(106)를 갖는 환형이다. 분리대(32)가 방출 부재(28)의 일함수보다 큰 일함수를 갖는 은 합금 재료로 이루어지기 때문에, 분리대(32)는 아크가 방출 부재(28)로부터 분리되어 홀더(16)에 부착하게 되는 것을 방지하는 역할을 한다. 바람직하게, 내부 외주(104) 및 외부 외주(106) 사이의 단부 면(36)의 방사상 두께는 적어도 약 1mm이다.

앞에 기술된 바와 같이, 본 발명은 또한 순수한 원통형 이외의 구성을 갖는 분리대를 제공한다. 예를 들면, 본 발명은 중공의 원통형 몸체 및 상기 몸체의 개방 단부에 결합되는 환형 플랜지를 구비하는 리벳-형 분리대를 제공한다. 하지만, 상기 기술한 바와 같이, 전극을 제조하는 냉간 변형 공정은 리벳-형 전극이 7.5 퍼센트 구리를 함유하는 순은과 같이 높은 함량의 구리와 합금이 되는 경우, 수명을 조건으로 부적합한 전극이 만들어지는 것으로 나타났다. 전극이 리벳-형 분리대으로 냉간 변형 공정을 통해 제조되는 경우, 예상 외로 구리의 함량이 약 5 퍼센트 아래로, 구체적으로 약 0.5 내지 4 퍼센트로 줄어드는 경우, 전극의 평균 수명이 상당히 커지는 것으로 나타났다. 보다 바람직하게는, 리벳-형 분리대는 약 2∼3 퍼센트 구리를 함유하여야 한다.

따라서, 본 발명은 또한 도 9 내지 도 10에 예시된 바와 같이, 또 다른 바람직한 실시예를 포함한다. 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 리벳-형 분리대(32')를 수납하기 위한 계단식 또는 대카운터 보어형 리셉터클(24')을 제공하는 블랭크(94')를 예시한다. 분리대(32')는 중공의 원통형 몸체(33') 및 상기 몸체의 개방 단부에 결합되는 환형의 플랜지(110)를 구비한다. 상기 리셉터클(24')은 분리대과 유사한 외형을 가지며, 따라서 리셉터클의 나머지보다 큰 직경의 카운터 보어형 부분(112)을 포함한다. 공구(98')가 앞에 기술한 바와 같이 방출 부재 및 분리대의 방사상 확장을 유발하도록 방출 부재(28)의 단부 면 및 환형의 플랜지(100)의 외부 면에 힘을 인가하는데 사용된다. 이후 전극이 상기 기술한 바와 같이 완성되고, 도 10에 도시한 바와 같은 완성된 전극이 된다. 전극(16')은 홀더(18'), 분리대(32'), 및 방출 부재(28)를 포함한다.

구체적인 예를 들면, 방출 부재(28)는 그 단부 면(29)에서 약 2mm(0.08 인치)의 직경을 갖고, 분리대의 환형 플랜지(110)는 약 6.3mm(0.25 인치)의 외부 직경을 갖는다. 분리대(32')는 약 0.5 내지 4 퍼센트의 구리, 보다 바람직하게는 약 2∼3 퍼센트 구리와 합금이 되는 은으로 이루어지는 것이 유리하다.

전극 수명에 미치는 특정한 은 합금 합성물의 영향을 조사하기 위한 시험이 수행된다. 도 10에 도시된 바와 같이 리벳-형 분리대를 갖는 동일하게 구성되는 수많은 전극이 상기 기술된 냉간 변형 공정에 따라 준비된다. 분리대의 구리 함량은 은-구리 합금의 특정하게 공식화된 열을 준비하고, 특정 열에 의해 분리대를 제조함으로써, 약 0 퍼센트(즉, 거의 순수한 은)로부터 약 7.5 퍼센트까지 변하게 된다. 각각의 전극이 플라즈마 아크 토치에 설치되고, 상기 토치는 "고장"이 관측될 때까지 온-오프 주기가 반복되면서 30초 동안 (400 amps에서) 아크를 온으로 및 4초 동안 아크를 오프로 주기적으로 동작된다. "고장"의 특징으로는 전극이 폭발하는 경우(상대적으로 희박함)와 같은 전극 전체의 파괴, 또는 흠(nick), 홈(groove) 등과 같은 토치의 노즐에서 물리적인 변화에 의해 아크가 전극의 방출 부재 상에 적합하게 모이지 않는 것 및/또는 이중 아크가 발생되는 것을 나타낸다.

도 11은 일련의 전극 시험 결과를 나타낸다. 약 0 퍼센트의 구리 함량에서 전극 수명이 약 22분에서 약 127분까지 변하는 것을 알 수 있다. 7.5 퍼센트의 구리 함량(순은)에 대해서, 수명의 범위는 약 65분에서 약 135분까지이다. 단지 2개의 데이터 포인트가 3 퍼센트 구리 함량에서 얻어졌지만, 2개의 시험 모두 전극 수명이 200분을 초과했다. 거의 다수의 데이터 포인트가 2 퍼센트 구리 함량에서 시험되었는데, 전극 수명이 약 126분부터 약 195분까지 변화하는데 평균 157분이었다. 3개의 데이터 포인트가 0.5 퍼센트 구리에서 얻어졌으며, 전극 수명이 약 174분부터 약 189분까지 변화했다.

따라서, 상기 데이터는 구리 함량의 최적 범위가 0.5 퍼센트로부터 약 4 퍼센트(4 퍼센트에서 데이터 포인트가 구해지지 않았지만, 이들 데이터는 4 퍼센트가 5 퍼센트에서 구해진 데이터에 비해 상당히 개선된 전극 수명을 제공하는 것을 나타낸다)까지 존재하는 것을 나타내는 예상 외의 현저한 경향을 나타낸다. 또한, 데이터가 상당하게 분산되어 있지만, 그럼에도 불구하고 상기 데이터는 피크가 2∼3 퍼센트 구리 함량 범위를 발생하는 것을 나타낸다.

본 발명이 일부 바람직한 실시예를 참조하여 설명되고, 이러한 실시예들이 상당히 상세하게 기술되었지만, 본 발명이 상기 기술된 실시예에 국한되지 않는다는 점은 이해될 것이다. 첨부되는 청구범위에 기술되는 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 따른 균등물의 변경 및 대체가 이루어질 수 있다.

본 발명은 전극의 수명을 상당히 증가시킬 수 있는 특정한 은 합금으로 제조되는 상대적으로 비-방출성인 분리대를 갖는 전극을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 상대적으로 간단하고 경제적인 플라즈마 아크 토치용 전극을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 플라즈마 아크 토치에서 전기 아크를 지지하는 전극에 있어서,

   a) 전방 면, 및 상기 전방 면에 형성되는 리셉터클을 갖는 금속 홀더;

   b) 상기 리셉터클에 장착되고, 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연, 및 그 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 추가 재료의 0.5 내지 4 퍼센트와 합금이 되는 은으로 이루어지는 상대적으로 비-방출성인 분리대―여기서 분리대는 자신의 내부에 개구부를 정함―; 및

   c) 상대적으로 낮은 일함수(work function)를 갖는 금속 재료로 이루어지는 방출 부재―여기서 방출 부재는 상기 분리대가 상기 홀더의 전방 면에서 상기 방출 부재와 상기 금속 홀더 사이에 개재되어 상기 방출 부재와 상기 금속 홀더를 분리하도록 상기 분리대의 개구부에서 적어도 부분적으로 연장되며, 그로 인해 상기 분리대가 상기 방출 부재로부터 전기 아크의 이탈, 및 금속 홀더에 아크 부착을 막도록 작용함―

   를 포함하는 전극.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분리대는 상기 추가 재료의 약 1.5 내지 3.5 퍼센트와 합금이 되는 은으로 이루어지는 전극.
3. 제1항에 있어서,

   상기 분리대는 상기 구리의 약 2 내지 3 퍼센트와 합금이 되는 은으로 이루어지는 전극.
4. 제1항에 있어서,

   상기 분리대는 상기 개구부가 블라인드 원통형 홀로 형성되도록 그 일측 단부를 폐쇄시킨 저부 벽을 갖는 중공 실린더를 포함하고, 상기 분리대는 자신의 타측 단부에 환형 단부 면을 포함하며, 상기 방출 부재는 원통형이며 개구부를 거의 완전히 차지하는 전극.
5. 제4항에 있어서,

   상기 분리대의 환형 단부 면은 통상적으로 평탄하고, 상기 방출 부재는 통상적으로 상기 분리대의 환형 단부 면과 통상적으로 동일 평면인 평탄한 원형 전방 면을 가지며, 상기 방출 부재의 전방 면의 직경은 상기 분리대의 환형 단부 면의 외부 직경의 약 80퍼센트 미만인 전극.
6. 제5항에 있어서,

   상기 분리대의 환형 단부 면의 내부 및 외부 외주 사이의 방사상 두께는 적어도 약 1mm인 전극.
7. 제1항에 있어서,

   상기 리셉터클은 원뿔형 내부 단부 벽을 갖는 원통형 보어를 포함하며, 상기 분리대는 상기 리셉터클의 원뿔형 단부 벽과 정합하도록 형사이 이루어진 원뿔형 단부 벽을 정하는 단부 벽을 포함하며, 상기 분리대의 원뿔형 단부 면은 상기 리셉터클의 원뿔형 내부 단부 벽에 접하는 전극.
8. 제1항에 있어서,

   상기 전극은

   a) 금속 블랭크의 통상적으로 평탄한 전방 면에서 리셉터클―여기서 리셉터클은 통상적으로 상기 전방 면에 수직인 축을 따라 연장되고, 상기 블랭크 내에 단부 벽을 포함함―을 형성함으로써 금속 홀더를 형성하는 단계;

   b) 상기 분리대가 자신의 제1 및 제2 단부 면 사이에 연장되는 외부 면―여기서 외부 면은 상기 금속 홀더에서 리셉터클 내에 밀접하게 고정되도록 배열됨―을 갖도록 상대적으로 비-방출성의 분리대를 형성하는 단계;

   c) 상기 분리대의 제1 단부 면에 개구부를 형성하여 연장하는 단계;

   d) 상기 방출 부재가 상기 분리대 내의 개구부 속으로 미끄러져 삽입 가능하도록 방출 부재를 형성하는 단계;

   e) 상기 분리대의 제2 단부 면이 상기 리셉터클의 단부 벽에 접하고 상기 분리대의 제1 단부 면이 상기 금속 홀더의 전방 면에 인접하도록 상기 금속 홀더의 리셉터클 내에 상기 분리대를 삽입하는 단계;

   f) 상기 방출 부재의 단부가 상기 분리대 내에 배치될 때까지 상기 분리대의 개구부 내에 상기 방출 부재의 단부를 삽입하는 단계; 및

   g) 상기 방출 부재가 상기 분리대에 의해 고정되고 유지되며 상기 분리대는 상기 금속 홀더에 의해 고정 및 유지될 때까지, 상기 방출 부재 및 분리대를 방사상 외측으로 소성 변형시키기 위해 상기 방출 부재를 축 방향으로 압축하도록 상기 금속 홀더의 축과 통상적으로 평행하게 상기 방출 부재 및 상기 분리대의 제1 단부 면에 힘을 인가하는 단계

   를 포함하는 공정에 의해 이루어지는 전극.
9. 제1항에 있어서,

   d) 상기 홀더의 전방 면에 이웃하여 장착되고, 상기 홀더의 길이 방향으로 정렬되는 유동 경로를 갖는 노즐;

   e) 상기 노즐 유동 경로를 통해서 상기 전극의 방출 부재로부터 상기 노즐에 이웃하여 배치되는 작업 대상물까지 연장되는 아크를 생성하는 전원공급 장치; 및

   f) 상기 전극 및 노즐 사이의 가스의 유동을 생성하고, 상기 노즐 유동 경로를 통해 외측으로 작업 대상물에 플라즈마 유동을 생성시키도록 하는 가스 공급 장치

   를 추가로 포함하는 전극.