KR20020068255A - 분말형 금속 방출성 소자 - Google Patents

Abstract

플라스마 아크 토치용 전극 및 그 제조 방법을 개시하며, 여기서 전극은 전단의 공동을 형성하는 구리 홀더를 포함한다. 방출성 소자와 분리기의 조립체는 공동내에 놓인다. 방출성 소자는 적어도 2가지 재료의 분말로 형성되고, 분리기는 방출성 소자를 형성하는 재료 중 한 가지와 실질적으로 유사한 재료를 포함한다. 방출성 소자는 가열되며, 다수의 열전도 경로가 방출성 소자내로부터 분리기까지 형성되어 전극의 열전도도를 향상시킨다.

Description

분말형 금속 방출성 소자 {POWDERED METAL EMISSIVE ELEMENTS}

본 발명은 플라스마 아크 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라스마 아크 토치내에서 전기 아크를 지지하기 위한 전극에 관한 것이다.

플라스마 아크 토치는 보통 절단, 용접, 표면 처리, 용융 및 어닐링 (annealing)을 포함하여 금속 작업용으로 보통 사용한다. 이러한 토치는 작업의 이송 아크 모드에서 전극으로부터 작업물까지 뻗친 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 종래에는 아크를 회전형 소용돌이 가스 흐름으로 둘러싸나, 몇몇 토치 설계에 있어서는 가스와 아크를 물의 소용돌이 제트로 둘러싼다.

전술한 형태의 종래의 토치에 사용되는 전극은 구리 또는 구리 합금 등의 높은 열전도성 재료로 이루어진 금속관형 부재를 포함한다. 관형 전극의 전단 및 배출단은 아크 지지체에 내장된 방출성 삽입체를 지닌 바닥단벽을 포함한다. 이 삽입체는 비교적 일함수가 낮은 재료로 이루어지며, 이는 전자 볼트(eV)로 측정되는 포텐셜 단계로서의 기술에서 정의되며, 주어진 온도에서 금속 표면으로부터 열이온이 방출되도록 한다. 일함수가 낮다는 것을 고려하여, 삽입체는 전기 포텐셜을 인가하는 경우 꾸준히 전자를 방출할 수 있다. 보통 사용되는 방출성 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 합금을 포함한다.

전술한 형태의 토치와 관련된 문제점은 전극의 짧은 서비스 수명, 특히 토치가 산화 가스, 예를 들면 산소 또는 공기와 함께 사용되는 경우이다. 보다 상세하게는 토치 작동 동안 방출성 삽입체가 침식되므로, 방출성 삽입체와 금속 홀더간에 공동 또는 구멍이 형성된다. 공동이 충분히 커지는 경우, 아크는 "점프"하거나, 방출성 삽입체에서 홀더로 이동하므로, 통상적으로 전극을 파괴한다. 아크가 금속 홀더로 점프하지 못하도록 하거나 적어도 이를 방해하도록, 몇몇 전극들은 방출성 삽입체와 금속 홀더간에 놓인 상대적으로 비방출성인 분리기를 포함한다. 분리기들은 미국 특허 제5,023,425호에 기재되어 있고, 이 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되어 참조로서 결부되어 있다.

미국 특허 제3,198,932호는 플라스마 아크 토치에 사용되는 전극에 대하여 기재하고 있고, 이는 전극의 수명을 늘려서 토치의 성능을 향상시키도록 시도한다. 이 점에서, 미국 특허 제3,198,932호는 지르코늄, 란탄, 토륨 또는 스트론튬 등의 분말형 재료로부터 형성된 방출성 삽입체를 지닌 전극에 대하여 기재하고 있다. 또한, 은 분말을 분말형 재료에 추가할 수 있고, 이는 실질적인 일함수의 증가없이 방출성 삽입체로부터의 열전달을 향상시킨다. 방출성 삽입체는 홀더에 삽입되어, 통상적으로 구리로 형성되나, 은으로도 형성될 수도 있다.

미국 특허 제3,198,932호에 언급한 바와 같은 종래의 토치를 형성하는 데 사용되는 또다른 방법은 납땜을 통하여 홀더내에 방출성 삽입체를 고정하는 것이다. 이러한 방법에 따르면, 통상적으로 은합금인 납땜 재료의 온도는 방출성 삽입체를 구리 홀더에 남땜하도록 융점까지 상승한다. 그러나 납땜은 추가적인 제조 단계를 필요로 하고, 완성된 전극에 고가 재료를 추가하는 단계를 수반한다.

따라서 플라스마 아크 토치 전극의 방출성 소자를 형성하도록 분말형 재료의 사용 이점을 계속 유지하는 것이 바람직하다. 또한 추가로 전극의 열전도도를 향상시키는 것이 바람직하다. 또한 납땜 공정을 이용하지 않고 방출성 소자의 열전도도를 향상시키는 것이 바람직하다. 그러나 방출성 소자와 홀더간에 강한 결합을 유지하는 것도 바람직하다.

본 발명은 종래의 전극과 그 제조 방법을 향상시키기 위하여 개발된 것으로서, 보다 상세하게는 전술한 미국 특허 제3,198,932호에 기재된 전극과 그 제조 방법에 관한 것이다. 전술한 전극의 난이성, 즉 분말형 금속 방출성 소자를 지닌 전극의 열전도도 및 전기 전도도를 향상시키는 것은 방출성 소자내로부터 방출성 소자와 금속 홀더간에 위치한 분리기까지 연장된 열전도용 경로를 지닌 전극을 제공함으로써 극복할 수 있다.

도 1은 본 발명의 특징을 구체화한 플라스마 아크 토치의 종단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전극을 확대한 개략적인 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전극의 확대 단면도이다.

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 전극을 제조하는 바람직한 방법의 단계를 예시하는 도식적인 도이다.

도 8은 압축 및 가열 작업 직전에 도 7의 선 8-8을 따라 관찰한 본 발명의 전극을 크게 확대한 단면도이다.

도 9는 압축 및 가열 작업 직후에 도 7의 선 8-8을 따라 관찰한 본 발명의 전극을 크게 확대한 단면도이다.

도 10은 본 발명에 따른 전극의 확대 단면도이다.

도 11은 본 발명에 따라 완료된 전극의 종단을 나타낸 도이다.

이 조립체는 적어도 2가지의 재료로 이루어진 분말을 포함한 방출성 소자와 분리기를 제공함으로써 이루어지며, 일 실시예에 따르면 분리기는 방출성 소자를 형성하는 재료 중 하나와 실질적으로 유사하다. 이 조립체는 구리 홀더 등의 금속 홀더에 삽입되고, 일정 온도까지 가열되어, 열전도 경로가 방출성 소자내에 형성되어 분리기까지 연장된다. 열처리 후, 방출성 소자의 재료는 서로 구별되는 상들을 지니고, 제2 재료의 상중 적어도 일부는 방출성 소자내에 배열되어 방출성 소자내로부터 분리기까지 열전도 경로 및 전기 전도 경로를 형성한다. 열전도 경로가 2이상의 재료로 형성될 수 있지만, 방출성 소자와 분리기에 모두 공통된 재료로 형성하는 것이 유리하다. 일 실시예에서, 방출성 소자는 은과 하프늄으로 이루어진 분말을 포함하고, 분리기는 은을 포함하며, 열전도 경로는 은으로 형성된다. 또한 전극의 방출도를 더욱 향상시키기 위해서 란탄 산화물 등의 도펀트를 첨가할 수 있다. 열전도 경로는, 열전도 경로를 지니지 않은 전극보다 큰 비율로 방출성 소자로부터 분리기까지의 아크로 생성된 열의 전도를 통하여 전극 성능을 향상시킨다.

본 발명에 따른 전극 형성 방법을 또한 제공한다. 현재의 바람직한 실시예에서 적어도 2가지의 상이한 재료로 이루어진 분말은 함께 혼합되며, 재료 중 적어도 하나는 방출성이다. 혼합물은 상대적으로 비방출성이고, 은등의 전기 전도 재료 및 열전도 재료로부터 형성된 분리기의 개구내에 놓인다. 보다 상세하게는, 배치된 혼합물이 이론적으로 분리기로 정한 개구부내로 적어도 60%까지 압축되고(현재 공공이 존재하지 않는 고상 재료로서 형성되며 이론적으로는 100%), 이론적으로는 약 80%~90%로 압축되는 것이 바람직하다.

이 조합은 분리기에 접합된 단일 방출성 소자를 형성하도록 가열된다. 특히, 혼합물은 가열되어 확산 접합 형태가 방출성 소자와 분리기간에 발생하도록 한다. 확산 접합은 방출성 소자와 분리기간에 열전도 경로를 형성한다. 예를 들면, 제1 분말형 재료가 하프늄을 포함하고, 제2 재료가 은을 포함하는 경우, 확산 접합을 이루고 열전도 경로를 형성하기 위해서는 혼합물을 약 1400℉까지 가열하면 충분하다.

따라서 본 발명은 종래의 플라스마 아크 토치보다 우수한 향상된 열전달 특성을 지닌 전극과 그 제조 방법을 제공한다. 방출성 소자와 분리기간에 열전도 경로가 형성되도록 분말형 재료를 가열함으로써, 방출성 소자와 분리기간의 열전도도가 향상됨과 동시에 이들간에 비교적 강한 결합을 형성한다. 또한, 방출성 소자에 존재하는 분말형 재료 중 하나에 실질적으로 유사한 재료로 이루어진 분리기를 사용함으로써, 동일한 재료로 형성되고, 전체가 금속인 홀더를 제공하는 것에 비하여 전극 비용이 저감된다.

일반 용어를 사용하여 본 발명을 설명하고, 그 크기에 맞도록 도시하는 것이 불필요한 도면을 참조용으로 첨부한다.

본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하며, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현할 수 있으며 이하에 제시하는 실시예에 한정되도록 해석되는 것은 아니다. 또한, 이러한 실시예를 제공함으로써 여기에 기재한 내용이 철저해지고 완전하게 되며, 당업자에게 본 발명의 개념을 명확히 전달한다. 동일 부분에는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 특징을 구체화한 플라스마 아크 토치(10)에 대하여 기재한다. 토치(10)는 노즐 조립체(12)와 관형 전극(14)을 포함한다. 전극(14)은 구리 또는 구리 합금으로 만들어지고, 상부 관형 부재(15) 및 낮은 컵모양의 부재 또는 홀더(16)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상부 관형 부재(15)는 연신된 개방 관형 구조이며, 토치(10)의 종축을 형성한다. 상부 관형 부재(15)는 내부에서 튀어나온 하단부(17)를 포함한다. 홀더(16)도 또한 관형 구조이며, 저부 전단과 상부 후단을 포함한다. 횡단벽(18)은 홀더(16)의 전위부를 폐쇄하고, 외부 전면(20)을 형성한다. 홀더(16)의 후단은 외부로 튀어나와 있고, 상부 관형 부재(15)의 하단부(17)와 튀어나와 결합된다.

홀더(16)는 그 후단부(17)에서 개방되어 컵 모양의 구조를 지니며, 내부 공동(22)을 형성한다. 내부 공동(22)은 종축을 따라 자신으로부터 연장된 원통형 기둥(23)을 포함한다. 일반적으로 원통형 공동(24)은 단벽(18)의 전면(20)에 형성되며, 종축을 따라 뒤쪽으로 연장되어 홀더(16)의 부분으로 들어간다. 공동(24)은내면(27)을 포함한다.

상대적으로 비방출성인 분리기(32)는 공동(24)내에 위치하고, 종축을 따라 같은 축에 놓인다. 분리기(32)는 공동(24)의 길이를 실질적으로 연장한 외부 주위벽(33)을 지닌다. 기타 기하학적 구조는 프러스토코니얼 (frustoconial) 등의 본 발명의 사상과 양립하는 것으로 이해되지만, 주위벽(33)은 분리기의 길이보다 길고, 실질적으로 일정한 외경을 지니는 것으로 도시된다. 분리기(32)는 표면(37)을 지닌 내부 공동(35)을 또한 형성한다. 분리기(32)는 또한 외단면(36)을 포함하며, 이는 일반적으로 홀더(16)의 전면(20)에 닿아 있다.

방출성 부재 또는 삽입체(28)는 분리기(32)내에 위치하고, 종축을 따라 같은 축상에 놓인다. 보다 상세하게는, 방출성 소자(28)는 간섭 또는 바람직한 형태의 확산 접합과 결합한 압축 맞춤으로 분리기(32)에 고정되며, 분리기와 방출성 소자를 가열함으로써 영향을 준다. 방출성 소자(28)는 홀더(16)의 전면(20) 평면에 놓인 원형 외단면(29)과 분리기(32)의 외단면(36)을 지닌다. 또한 방출성 소자(28)는 대개 원형인 내단면(30)을 포함하며, 이는 분리기(32)로 형성된 공동(35)내에 놓이고, 외단면(29)의 반대쪽에 놓인다. 그러나 내단면(30)은 방출성 소자를 분리기(30)에 고정하도록 돕기 위하여 뾰족형, 다각형, 구형등의 기타 모양을 가질 수 있다. 또한 방출성 소자(28)의 직경은 분리기(32)의 외단면(36) 직경의 약 30~80%이고, 이는 외단면(36)에서 및 그 전체 길이를 따라 적어도 약 0.25mm(0.01 인치)의 방사상 두께를 지닌다. 특정예로서, 방출성 소자(28)는 통상적으로 직경이 약 0.08인치이고, 길이가 약 0.25인치이며, 분리기(32)의 외경은 0.25인치이다.

방출성 부재(28)는 적어도 2가지의 재료로 이루어진 분말을 포함하고, 이 중 하나는 양호한 방출기로 알려져 있다. 이러한 재료의 적합한 예는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 화합물이다. 또한 방출성 소자(28)를 형성하는 재료 중의 하나는 비교적 큰 열전도도를 가져야 하고, 방출성 소자를 형성하는 다른 재료와 비교할 때, 또한 비교적 큰 전기 전도도를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 재료는 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 분리기(32)를 형성하는 재료와 실질적으로 유사한 것이 바람직하다.

또한 방출성 소자(28)에는 기타 재료가 존재할 수 있고, 특히 플라스마 아크 토치의 동작중에 전극의 방사도를 증가시키는 재료가 존재할 수 있다. 도펀트로 알려진 이러한 방출 유도용 재료는 방출성 소자의 전체 중량 조성의 0.1%~10.0%와 같이 소량으로 첨가할 수 있다. 현재의 바람직한 도펀트는 란탄 산화물, 세륨 산화물, 이트륨 산화물, 칼슘 산화물, 스트론튬 산화물, 바륨 산화물 및 이들의 혼합물이 있다. 앞서 언급한 산화물이 비교적 고용융 온도 및/또는 기타 이로운 품질을 지닌다고 알려져 있지만, 유사한 이점을 달성하도록 기타 도펀트를 또한 사용할 수 있다.

홀더(16) 및 방출성 소자(28)와 비교해 볼 때, 분리기(32)는 아크를 덜 쉽게 지지하는 금속 재료로 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 기타 금속 재료, 예를 들면 금, 백금, 알루미늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈 및 이들의 합금을 사용할 수 있지만, 주재료로서 은을 포함한 분리기(32)를 사용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 필요하지는 않지만 분리기(32)를 형성하는 재료는 방출성 소자(28)를형성하는 분말형 재료 중의 하나와 실질적으로 유사하게 선택하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 본 발명의 한 특정 실시예에서 분리기(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택한 첨가 재료가 약 0.25%~10%인 은합금을 포함하는 은 합금 재료로 이루어진다. 첨가 재료는 단원소 또는 산화물 형태가 될 수 있으므로, 여기서 사용되는 "구리"라는 용어는 단원소 형태뿐만 아니라 산화물 형태를 언급하는 것으로 의도되며, "알루미늄" 등의 용어도 유사하다. 본 실시예에서 방출성 소자(28)는 은 분말도 포함하며, 이는 분리기(32)를 포함한 은과 실질적으로 유사하다. "실질적으로 유사"라는 용어는 충분히 유사한 것으로 정의되므로, 재료를 가열하는 것은 이하에서 서술하는 도 9의 열전도 경로(90)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따르면 순(pure)은 및 순수한(sterling) 은은 실질적으로 유사한 것으로 간주된다. 열전도 경로(90)를 실질적으로 유사한 재료로 형성하는 것이 바람직하지만, 방출성 소자(28)와 분리기(32)에 있어서 여기에 서술하는 재료의 임의 조합 등의 상이한 두 재료로부터 형성될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 전극(14)은 플라스마 아크 토치(38)에 장착되며, 각각 가스 통로(40) 및 액체 통로(42)를 포함한다. 토치 몸체(38)는 외부 절연 하우징 부재(44)로 둘러싸인다. 튜브(46)는 물 등의 액체 냉각 매체를 전극(14)을 통하여 순환시키기 위하여 전극(14)의 중심 보어(bore)(48)내에 달려 있다. 튜브(46)는 보어(48)의 직경보다 작은 외경을 지니므로, 튜브(46)와 보어(48)간에공간(49)이 존재하여 튜브(46)의 개방 하단으로부터 방출된 물이 내부로 흘러가도록 해 준다. 물은 튜브(46)를 통하여 도시하지 않은 소스로부터 내부 공동(22) 및 홀더(16)내로 흐르고, 공간(49)을 통하여 토치 몸체(38)의 개구부(52)와 도시하지 않은 배수 호스로 역류한다. 통로(42)는 주입수를 노즐 조립체(12)로 향하게 하고, 여기서 이하에서 설명하는 바와 같이 플라스마 아크를 둘러싸기 위한 소용돌이 흐름으로 전환된다. 가스 통로(40)는 도시하지 않은 적당한 소스로부터 가스를 적절한 고온 재료로 된 가스 배플(54)을 통하여 입구측 구멍(58)을 경유하여 가스 충만된 챔버(56)로 인도한다. 입구측 구멍(58)은 가스가 소용돌이 형태로 충만한 챔버(56)로 유입되도록 배열된다. 노즐 조립체(12)의 동축 보어(60, 62)를 통하여 충만한 챔버(56)로부터 가스가 빠져 나온다. 전극(14)은 가스 배플(54)을 지닌다. 고온 플라스틱 절연체(55)는 전극(14)으로부터 노즐 조립체(12)를 전기 절연한다.

노즐 조립체(12)는 제1 보어(60)를 형성하는 상부 노즐 부재(63)와 제2 보어(62)를 형성하는 하부 노즐 부재(64)를 포함한다. 상부 노즐 부재(63)는 금속 재료인 것이 바람직하고, 하부 노즐 부재(64)는 금속 또는 세라믹 재료인 것이 바람직하다. 상부 노즐 부재(63)의 보어(60)는 토치 전극(14)의 종축상에 축정렬된다. 하부 노즐 부재(64)는 플라스틱 이격 부재(65)와 물 소용돌이 링(66)에 의하여 상부 노즐 부재(63)로부터 격리된다. 상부 노즐 부재(63) 및 하부 노즐 부재(64)간에 제공된 간격은 수격실(67)를 형성한다.

하부 노즐 부재(64)는 원통형 몸체부(70)를 포함하며, 이는 몸체부(70)를 통하여 같은 축상으로 연장된 보어(62)를 구비한 전단부 또는 하단부 및 후단부 또는상단부를 형성한다. 환형의 장착 플랜지(71)는 후단부에 위치하고, 프러스토코니얼면(72)은 제2 보어(62)와 같은 축상에 전단부의 외부상에 형성된다. 환형의 플랜지(71)는 외부 하우징 부재(44)밖으로 튀어나와 상호 연결됨으로써 격리 장착된 컵(74)과 함께 컵(74)의 하단에 플랜지(73)를 안으로 향하게 하여 지지한다. 가스킷(75)은 2개의 플랜지(71, 73)간에 놓인다.

하부 노즐 부재(64)의 보어(62)는 원통형이고, 적당한 플라스틱 재료로 이루어진 중심 슬리브(78)로 상부 노즐 부재(63)에서 보어(60)와 축정렬되어 유지된다. 물은 슬리브(78)의 개구부(85)를 통하여 통로(42)로부터 소용돌이 링(66)의 주입 포트(87)로 흐르고, 이는 물을 수격실(67)내로 주입한다. 주입 포트(87)는 소용돌이 링(66) 주위에 접하여 위치하므로, 속도의 소용돌이 성분을 수격실(67)내의 수류로 전달한다. 물은 보어(62)를 통하여 수격실(67)로부터 나온다.

도시하지 않은 전원은 금속 작업물과 관련된 직렬 회로에서 토치 전극(14) 과 연결되며, 대개 접지된다. 동작시 플라스마 아크는 전극의 방출성 소자(28)간에 고정되며, 이는 아크용 음극 단자로서 작용하고, 작업물은 전원의 양극에 연결되어 하부 노즐 부재(64) 아래에 위치한다. 플라스마 아크는 전극(14)과 노즐 조립체(12)간에 파일롯 아크를 일시적으로 확립함으로써 종래와 같은 방법으로 시작한 후, 아크는 보어(60, 62)를 통하여 작업물로 전송된다.

제조 방법

본 발명은 또한 전술한 형태의 전극을 제조하기 위한 단순화한 방법을 제공한다. 도 4 내지 도 7은 본 발명에 따라 전극을 제조하는 바람직한 방법을 예시한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 적어도 2가지의 재료로 이루어진 분말이 포함된 방출성 소자(28)를 분리기(32)로 형성한 공동(35)내에 배치한다. 분말형 재료를 산포된 분말처럼 공동(35)내에 배치할 수 있지만, 원통형 펠렛 등으로 예비 혼합하여 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 방출성 소자(28)를 형성하는 분말형 재료는 일반적으로 평판 원형인 작업면(81)을 지닌 도구(80)를 사용하여 공동(35)내에 압축된다. 750,000psi까지 압축할 수 있는 도구(80)는 공동(35)내의 분말형 재료와 접촉하여 작업면(81)과 같이 놓인다. 작업면(81)의 외경은 분리기(32)로 형성한 공동(35)의 직경보다 약간 작다. 도구(80)는 토치(10)의 종축과 대개 같은 축상의 작업면(81)에 고정되고, 축 압축력을 종축을 따라 분말형 재료 및 분리기(32)에 가하도록 도구(80)에 힘을 인가한다. 예를 들면, 도구(80)는 분말형 재료와 분리기(32)와 접촉하여 위치할 수 있고, 기계의 램(ram) 등의 적절한 장치로 충격을 준다. 사용하는 특정 기술에도 불구하고, 분말 재료 혼합물을 적어도 60%의 이론상 밀도, 바람직하게는 약 80%~90%의 이론상 밀도로 방출성 소자(28)를 압축하도록 충분한 힘을 가한다. 한 실시예에서, 도구(80)는 분말형 재료에 대하여 약 500,000psi의 압력을 나타낸다, 분말형 혼합물의 압축 동작이 또한 혼합물에 작용하여 분리기(32)가 방사상 외부로 약간 변형되므로, 방출성 소자(28)가 단단히 잡혀서 분리기로 유지된다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 구리 또는 구리 합금의 원통형 공간(94)은 전면(95)과 반대쪽 후면(96)을 지니도록 제공된다. 따라서 대개 원통형인 보어는 드릴링에 의한 경우와 같이, 전술한 바와 같은 공동(24)을 형성하기 위해서 종축을따라 전면(95)에 형성된다. 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 조립체는 압축 여과 등으로 공동(24)에 삽입되므로, 분리기의 원주벽(33)은 미끄러지면서 공동의 내부벽(27)에 구속되어 고정된다. 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 조립체를 공동(24)내로 고정하는 기타 방법은 또한 틀을 잡거나, 방사상 압축, 전기 자기장 에너지 등을 사용할 수 있다.

도 6에 나타낸 한 실시예에 따르면, 일반적으로 평판형의 원형 작업면을 가지는 도구(98)는 각각 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 단면(29, 36)과 접촉하는 작업면과 같이 놓인다. 작업면(100)의 외경은 원통형 공간(94)내의 공동(24)의 직경보다 약간 작다. 작업면(100)에 고정된 도구(98)는 일반적으로 토치(10)의 종축과 같은 축상에 있으며, 종축을 따라 축 압축력을 방출성 소자(28) 및 분리기(32)에 가하도록 도구에 힘을 가한다. 예를 들면, 도구(98)는 방출성 소자(28)와 분리기(32)에 접촉하여 놓인 다음, 기계의 램 등의 적당한 장치로 충격을 가한다. 사용하는 특정 기술에 관계없이, 충분한 힘이 전달되어 방출성 소자(28) 및 분리기(32)를 방사상 외부로 변형시킬 수 있으므로, 방출성 소자가 단단히 잡혀서 분리기에 의하여 지지되며, 도 7에 나타낸 바와 같이 분리기는 공동(24)에 의하여 단단히 잡혀서 유지된다.

도 7은 또한 원통형 공간(94)에 열을 가한 것을 나타내며, 이는 전극의 특성과 수명을 향상시킨다. 가열 공정은 조립체를 원통형 공간(94)에 삽입하기 전이나 이하에 서술하는 바와 같이 추가적인 기계 가공을 원통형 공간에 실시한 후, 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 조립체에 행해질 수 있다. 정확한 가열 공정은 방출성 소자(28)에서 사용하는 분말형 재료 및 분리기(32)에서 사용하는 재료에 의존한다. 특히, 분말형 재료의 용융 온도에 따라 가열 공정이 결정된다.

예를 들면, 한 바람직한 실시예에서 방출성 소자(28)는 2/1의 비율로 하프늄 및 은 분말로 형성된다. 하프늄은 용융점이 약 4040℉이고, 은은 용융점이 약 1761℉이다. 방출성 소자(28)의 전체 조성 중 약 5% 등의 소량 퍼센트의 란탄 산화물을 또한 첨가한다. 분리기(32)는 은으로 형성한다. 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 조립체가 공동(24)에 위치한 후, 약 1400℉의 온도까지 조립체에 열을 가하며, 이는 방출성 소자(28)를 분리기(32)에 추가 고정하면서 열 및 전류 전달용의 유일한 경로를 형성한다. 고온 또는 저온을 또한 사용할 수 있다.

도 8 및 도 9는 압축 및 가열 공정 전후의 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 상세한 단면도를 나타낸다. 상세하게, 도 8은 도 7의 8-8선을 따라 방출성 소자(28) 및 분리기(32)간 계면을 크게 확대한 도를 나타낸다. 현재의 바람직한 실시예에서, 방출성 소자(28)는 2/1의 비율로 하프늄 및 은 등의 2가지의 분말을 주로 하여 형성된다. 하프늄 분말 입자(88)와 은 분말 입자(89)는 분리기(32)로 형성한 공동(35)을 차지한다. 입자(88, 89)는 약 1~10㎛의 직경을 가지며, 바람직하게는 약 3㎛ 미만이다. 약 5%의 소량 란탄 산화물을 또한 분말 입자(88, 89)에 첨가할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 압축 및 가열 공정 후의 도 7의 선 8-8에 따른 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 동일 상세 단면도를 나타낸다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 방출성 소자(28)의 분말형 재료는 서로 구별되는상을 가지며, 은 분말 입자(89)의 상 중 적어도 일부가 방출성 소자에 배열되어 방출성 소자내로부터 분리기(32)까지 열전도 경로(90)를 형성한다. 바람직한 실시예에서 열전도 경로(90)는 실질적으로 은으로 형성되고, 이로써 방출성 소자(28) 및 분리기(32)간에 전기 전도 경로를 또한 제공한다. 기타 재료는 금, 백금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 알루미늄, 니켈 및 이들의 조합 등으로 열전도 경로(90)를 형성하도록 또한 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 열전도 경로(90)를 형성하는 재료는 방출성 소자(28) 및 분리기(32)에 모두 공통이고, 방출성 소자 및 분리기내에서 적어도 실질적으로 유사한 재료이다.

다음의 표 1은 방출성 소자(28)의 직경에 따른 효과를 나타내는 종래 기술의 비교예 및 본 발명의 실시예에 대하여 사용한 도펀트의 퍼센트(이 경우 란탄 산화물) 및 전극의 작동 수명을 결정하도록 전극을 형성하는 방법을 나타낸다. 표 1의 재료열에서 "P"라는 용어는 펠렛을 형성하도록 방출성 소자의 분말을 다이로 압축하고, 형성한 펠렛을 은 분리기로 압축한 다음, 이들 화합물을 구리 홀더로 압축함으로써 전극을 형성함을 나타낸다. 또한 표 1의 재료열에서 "N"은 방출성 소자의 분말을 직접 은 분리기에 압축한 다음, 이 화합물을 구리 홀더에서 압축함으로써 전극을 형성하는 것을 나타낸다. 상당한 수명 변화가 전극을 형성하는 두 방법간에 나타나지 않지만, 데이터는 설명 목적상 제공된다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 실험 데이터는 종래의 전극에 비하여 수명에 상당한 개선을 가져온다. 표 1에 나타낸 데이터 수집용으로 사용된 시험 조건은 다음과 같다. 즉 절단용 가스로 산소를 포함한 ESAB PT-15 물 주입 토치를 사용하고, 360 암페어에서 30초 동안 절단하며, 절단용 가스의 유속은 100cfh이다.

도 10은 본 발명에 따른 완성된 전극의 단면도이다. 홀더(16)를 완료 제조하기 위하여 원통형 공간(94)의 후면(94)은 공동(22)을 형성하는 개방 컵모양 구조를 형성하도록 기계 가공된다. 공동(22)은 원통형 기둥(23)을 형성하고 분리기(32)와 방출성 소자(28)의 일부분을 같은 축으로 둘러싼 환형의 내부 리세스(82)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 환형의 내부 리세스(82)는내면(83)을 포함한다. 즉, 환형의 내부 리세스(82)는 구멍 가공 또는 기타 기계 가공 등으로 원통형 기둥(23)을 형성하도록 형성된다.

또한 원통형 공간(94)의 외주는 홀더(16)의 후단(19)에서 외부 스레드(thread)(102)의 형성을 포함하여 원하는 대로 또한 모양이 갖추어진다. 궁극적으로, 공간(94)의 전면(95), 각각의 방출성 소자(28) 및 분리기(32)의 단면(29, 36)이 가공되어 실질적으로 평평해지고 서로 같은 높이로 된다.

도 11은 홀더(16)의 종단을 나타낸다. 분리기(32)의 단면(36)은 홀더(16)의 전면(20)으로부터 방출성 소자(28)의 단면(29)을 격리한다. 단면(36)은 내주(104)와 외주(106)를 지닌 환형이다. 분리기(32)는 아크가 방출성 소자로부터 격리되지 않도록 홀더(16)에 부착되어 제공된다.

따라서 본 발명은 플라스마 아크 토치용 전극(14)과 그 제조 방법을 제공하며, 다수의 열전도 경로(90)는 방출성 소자(28)내로부터 분리기(32)까지 형성되어 전극의 열전도도 및 전기 전도도를 향상시킨다. 방출성 소자(28)를 형성하기 위하여 분말형 재료를 사용함으로써, 열전도 경로(90)를 분말형 재료 가열에 의한 확산 접합 공정 중에 형성할 수 있다. 또한 분리기(32)를 사용함으로써 구리 등의 비교적 저가의 재료를 홀더용으로 사용할 수 있는 동시에, 은 등 비교적 고가인 재료의 사용을 제한함으로써 전극의 제조 비용을 저감시킨다. 또한, 구리 홀더에서만 압축된 분말형 재료를 사용하는 데 비해 방출성 소자(28)를 형성시 분말형 재료를 사용하는 경우, 은 분리기(32)의 사용은 전극(14)의 수명을 증가시킨다.

Claims (14)

1. 플라스마 토치에서 아크를 지지하기 위한 전극으로서,

   종축을 형성하는 홀더,

   상기 홀더에 고정되고, 종축을 따라 같은 축상에 놓이며, 상기 홀더를 통하여 적어도 부분적으로 개구부를 형성하는 상대적으로 비방출성인 부재 및

   상기 비방출성 부재에 의하여 형성되는 상기 개구부내에 배치되며,

   방출성 제1 재료, 및

   전기 전도형 및 열전도형인 제2 재료

   를 포함하는 서로 구별되는 상들을 갖는 적어도 상기 2가지 재료를 포함하는 방출성 소자

   를 포함하며,

   상기 제2 재료는 상의 적어도 일부가 아크에 의해 생성된 열을 상기 방출성 소자내로부터 상기 비방출성 부재로까지 전도하도록 상기 방출성 소자내로부터 상기 비방출성 부재까지의 열전도 경로를 형성하는 전극을 사용하기 전에 상기 방출성 소자내에서 가열되는

   아크 지지용 전극.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방출성 소자의 상기 제1 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의조합으로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료를 포함하며, 상기 방출성 소자의 상기 제2 재료는 은, 금, 백금, 알루미늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈 및 이들의 조합로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료를 포함하는 아크 지지용 전극.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 재료는 하프늄을 포함하고, 상기 제2 재료는 은을 포함하는 아크 지지용 전극.
4. 제1항에 있어서,

   상기 홀더는 구리를 포함하는 아크 지지용 전극.
5. 제1항에 있어서,

   상기 방출성 소자는 란탄 산화물, 세륨 산화물, 이트륨 산화물, 칼슘 산화물, 스트론튬 산화물, 바륨 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중의 도펀트를 포함하는 아크 지지용 전극.
6. 플라스마 아크 토치에서 아크를 지지하기 위한 전극으로서,

   리셉터클(receptacle)을 형성하는 전단(front end)을 지닌 홀더,

   상기 홀더의 전단에 의하여 형성된 상기 리셉터클내에 위치하고, 금속에 의하여 적어도 주요 부분에 포함된 실질적으로 비방출성, 전기 전도형 및 열전도형재료를 포함하는 분리기 및

   상기 홀더 전단에서 상기 홀더와의 사이에 상기 분리기가 배치되도록 상기 홀더의 상기 리셉터클내에 위치하고,

   방출성 제1 재료 및

   아크에 의해 생성된 열이 상기 분리기에 전달되도록 상기 분리기를 형성하는 재료로 된 금속과 동일한 금속으로 적어도 주요 부분에 포함된 제2 재료

   인 적어도 상기 2가지의 재료를 포함하는 방출성 소자

   를 포함하는 아크 지지용 전극.
7. 제6항에 있어서,

   상기 방출성 소자의 제1 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료를 포함하며, 상기 방출성 소자의 제2 재료는 은, 금, 백금, 로듐, 알루미늄, 이리듐, 팔라듐, 니켈 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료를 포함하는 아크 지지용 전극.
8. 제6항에 있어서,

   상기 제1 재료는 하프늄을 포함하고, 상기 제2 재료는 은을 포함하는 아크 지지용 전극.
9. 제6항에 있어서,

   상기 방출성 소자의 제1 재료 및 제2 재료는 서로 구별되는 상들을 지니고, 상기 제2 재료의 상 중 적어도 일부는 상기 방출성 소자내로부터 상기 분리기로의 열전도 경로를 형성하도록 상기 방출성 소자내에 배열된 아크 지지용 전극.
10. 플라스마 아크 토치에서 사용하기 위한 전극을 형성하는 방법에 있어서,

    방출성의 제1 재료, 및 제2 재료를 포함하는 적어도 2가지의 상이한 재료의 분말을 서로 혼합하는 단계,

    실질적으로 비방출성, 전기 전도형 및 열전도형 재료를 포함하는 분리기의 개구부내에 혼합물을 배치하는 단계 및

    상기 분리기와 접합된 단일의 방출성 소자를 형성하도록 분말 재료의 혼합물을 가열하는 단계

    를 포함하는 전극 형성 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 가열 단계 이전에 적어도 60%의 이론상 밀도로 상기 분말화된 혼합물을 압축하는 단계를 추가로 포함하는 전극 형성 방법.
12. 제10항에 있어서,

    하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료로부터 상기 방출성 소자의 제1 재료를 선택하고, 은, 금, 백금, 로듐,이리듐, 팔라듐, 니켈, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중의 적어도 하나의 재료로부터 상기 방출성 소자의 제2 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함하는 전극 형성 방법.
13. 제10항에 있어서,

    상기 제1 재료는 하프늄을 포함하고, 상기 제2 재료는 은을 포함하며, 상기가열 단계는 대략 1400℉까지 상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는 전극 형성 방법.
14. 제10항에서,

    상기 가열 단계를 통하여 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 서로 구별되는 상들을 가지며, 상기 제2 재료의 상의 적어도 일부는 상기 방출성 소자내로부터 상기 분리기로 열전도 경로를 형성하도록 상기 방출성 소자내에 배열된 전극 형성 방법.