KR20030026849A

KR20030026849A - 전극 구성품 열 접합

Info

Publication number: KR20030026849A
Application number: KR1020020053505A
Authority: KR
Inventors: 딜그레고리더블유.; 맥베넷마이클씨.
Original assignee: 더 에삽 그룹 인코포레이티드
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2003-04-03
Also published as: ATE376347T1; DK1298966T3; KR100510243B1; CA2397515C; DE60222981T2; JP2003138329A; EP1298966B1; CA2397515A1; JP4010544B2; EP1298966A2; US6483070B1; EP1298966A3; DE60222981D1

Abstract

본 발명은 플라스마 아크 토치 내에 아크를 지지하는 전극에 관한 것으로서, 상기 전극은 상기 아크를 지지하며 하프늄으로 형성될 수 있는 방출성 부재, 은을 포함하는 제1 금속으로 이루어지며 상기 방출성 부재의 전면을 둘러 싸도록 위치되는 상대적으로 비방출성인 부재 및 상기 비방출성 부재를 지지하는 금속 홀더를 포함한다. 홀더는 일 실시예에서 구리로 이루어지는 긴 부분 및 니켈과 같은 다른 금속으로 이루어지는 짧은 부분을 포함하는 구리 합금으로 제조된다. 조립 후, 전극을 열 처리하여 상대적으로 비방출성인 부재와 금속 홀더 사이를 열 접합시키고, 전극의 후속 작업 도중에, 방출성 부재로부터 떨어져서 양호한 열 전도성을 제공하고 전극의 사용 수명을 개선시킨다. 바람직하기로는, 가열 단계 도중에, 니켈이 발생할 수 있는 구리와 은 사이의 공융 반응을 감쇠시켜 광범위한 온도 및 가열 사이클 기간에 걸쳐 접합시킬 수 있다. 또한, 비방출성 부재와 홀더 사이에 발생하는 온도 또한 상승한다. 따라서, 원하는 경우, 동일한 가열 사이클 도중에 하프늄 방출성 부재와 비방출성 부재 사이에 열 접합이 형성될 수 있으므로 전극의 열 전도성이 더 개선된다. 다른 실시예에 있어서, 개재 플레이트(intervening plating), 분말 또는 슬리브를 사용하는 등 다른 금속 및 다른 구성을 사용하여 상승시키고, 비방출성 부재와 홀더 사이에 접합이 발생하는 온도 범위를 더 크게 한다.

Description

전극 구성품 열 접합 {ELECTRODE COMPONENT THERMAL BONDING}

본 발명은 플라스마 아크 토치, 보다 상세하게는 플라스마 아크 토치 내에전기 아크를 지지하는데 적합한 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다.

플라스마 아크 토치는 절단, 용접, 표면 처리, 용해 및 어닐링을 포함하는 금속 작업에 일반적으로 사용된다. 상기 토치는 전극으로부터 제품까지 트랜스퍼 아크 동작 모드로 연장되는 아크를 지지하는 전극을 포함한다. 또한, 아크를 와류 가스로 둘러싸기도 하며, 일부 토치 설계에서는 가스와 아크를 와류 물 제트로 둘러싸는 것이 일반적이다.

전술한 유형의 종래 토치에 사용되는 전극은 구리 또는 구리 합금과 같은 열 전도성이 높은 재료로 구성되는 기다란 튜브형 부재를 포함하는 것이 일반적이다. 한 가지 종래의 구리 합금은 텔루르(텔루르는 841℉의 용해 온도를 가짐) 0.5%가 함유되어 순수 구리보다 더 양호한 가공성을 제공한다. "홀더"로 알려진 튜브형 전극의 전방 또는 방출 말단은 아크를 지지하는 방출성 부재가 매입되어 있는 바닥 말단벽을 포함한다. 방출성 부재는 당해 기술 분야에서 전위 단계로 정의되며, 전자 볼트(ev)로 측정된 일함수가 상대적으로 낮은 재료로 구성되고, 이로써 소정의 온도에서 금속 표면으로부터 열이온이 방출될 수 있다. 일함수가 낮기 때문에, 방출성 부재는 전기 전위가 이 부재에 가해질 때 전자를 용이하게 방출할 수 있다. 일반적으로 사용되는 방출성 부재 재료는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐 및 이들의 합금을 포함한다.

일부 전극은, 방출성 부재 주위에 배치되며 아크가 상기 방출성 부재로부터 구리 홀더로 이동하는 것을 방지하는 상대적으로 비방출성인 부재 즉 "분리기"를 포함한다. 이들 비방출성 부재는 세브런스에게 허여된 미합중국 특허 제5,023,425호에 개시되어 있으며, 이를 참조하여 본 발명의 명세서에 결합시켰다. 전극의 열 전도성은 아크에 의하여 발생된 열을 제거하는 것이 전극의 사용 수명을 증가시키기 때문에 중요하다. 이와 같이, 비방출성 부재는 은 또는 은 합금과 같은 열 전도성이 높은 금속으로 형성되는 것이 또한 바람직하다.

수많은 종래의 전극은 방출성 인서트를 금속 홀더 내에 압착하거나, 또는 방출성 인서트를 비방출성 부재 내에 압착한 다음 금속 홀더 내에 압착하여 조립된다. 압착-끼워맞춤된 방출성 부재, 비방출성 부재, 및 홀더 사이의 계면은 인접하는 부분 계면의 열 전도성에 "단차"를 형성함으로써 조립된 전극의 열 전도성에 영향을 미치지 않을 수 있다. 이것은 특히 인접하는 면이 함께 아주 근접하게 끼워져 있지 않은 경우에 영향을 미치지 않는다. 납땜을 사용하여 충분한 열적 및 전기적 전도를 확실하게 하는 경우도 종종 있다. 그러나, 납땜 재료를 사용하면 전극을 제조하는 단계가 추가되고, 납땜 재료는 융점이 일반적으로 낮아서, 후술하는 바와 같이, 방출성 부재에 접합하려고 할 때 바람직하지 않다.

방출성 부재, 비방출성 부재, 및 홀더 사이의 계면에 걸쳐 열 전도성을 도우기 위하여, 본 발명의 양수인인 동일 출원인이 발명의 명칭 "전극 확산 접합"으로 출원한 출원번호 제09/773,847호(이하 '847 출원이라고 함)에 기재된 확산 접합 기술을 개발하였다. 동일 출원인의 '847 출원에는 비방출성 부재와 금속 홀더 사이를 확산 접합시키는 조립 후 가열 단계에 대하여 기재되어 있다. 확산 접합은 두 가지 재료 사이의 열적 계면을 부드럽게 하거나 매끈하게 하는 한편, 이들 사이의 접합 강도를 향상시킨다. 따라서, 전극의 동작 수명이 더 길어진다.

내용을 참조하여 본 발명의 명세서에 또한 결합시킨 동일 출원인의 특허출원 제09/871,071호("'071 출원"이라고 함)에 있어서, 본 발명의 양수인은 방출성 부재와 비방출성 부재 사이의 접합을 가열에 의하여 개선하는 것이 또한 바람직하다는 사실을 알았다. 동일 출원인의 '847 출원에서 조립 후 가열 단계는 은(비방출성 부재인 경우) 및 구리(홀더인 경우)와 같은 재료 사이의 접합을 개선시키는데 특히 바람직하지만, 상대적으로 온도에 대한 내성이 높은 방출성 부재(일반적으로 하프늄)로 인하여 방출성 부재에 임의의 열 처리를 시도하는 경우 비방출성 부재와 홀더 사이의 접합을 파괴시킬 수 있다. '071 출원에 개시된 바와 같이, 방출성 부재와 비방출성 부재 사이 및 비방출성 부재와 금속 홀더 사이가 강력하게 접합되는 두 단계의 조립 및 가열 처리가 제공된다.

특히, 하프늄과 같은 방출성 부재를 은과 같은 비방출성 부재에 배치하고, 이 하프늄과 은 사이에 금속간 화합물이 형성되도록 약 1700℉ ~ 1800℉ 사이의 온도까지 가열함으로써 도전성의 강력한 접합이 형성된다. 다음에, 구리 홀더와 은 부재 사이에 공융 합금을 형성하는 가열 단계에 의하여 방출성 부재와 비방출성 부재가 구리와 같은 홀더에 접합된다. 이 가열 단계는 약 1400℉ ~ 1450℉ 사이에서 발생하는 것이 일반적이다. 특히, 구리와 은이 함께 가열될 때, 공융점은 약 1432℉에서 달성된다(순은 및 순수 구리 양자 모두의 융점보다 낮음). 상기 제2 가열 처리에서는 얻어진 전극이 하프늄으로 된 방출성 부재와 은으로 된 비방출성 부재 및 은으로 된 비방출성 부재와 구리로 된 홀더 사이에 열 접합을 포함하도록 홀더와 비방출성 부재 사이에 도전성의 강력한 열 접합을 형성한다. 이러한 배열은 구성품의 기초 재료를 접합함으로써 전극의 열 전도성을 크게 향상시키고, 이로써 열이 아크 방출 부재로부터 용이하게 제거되어 전극의 동작 수명이 연장된다.

그러나, '071 출원의 방법에서는, 방출성 부재와 비방출성 부재 사이, 및 비방출성 부재와 홀더 사이에 열 접합을 형성하는 가열 단계는 별개로 실행된다. 즉, 은으로 이루어진 부재와 구리로 이루어진 홀더 사이의 상대적으로 낮은 공융점으로 인하여 방출성 부재와 비방출성 부재 사이에 열 접합을 형성하는데 필요한 훨씬 높은 온도까지 가열되는 것을 방지된다. 은으로 이루어진 부재와 구리로 이루어진 홀더 사이에 형성된 공융 합금은, 적합한 하프늄/은 접합 온도까지 상승된 경우, 간단하게 용해되거나 또는 증발하게 되어 두 개의 부재 사이에 공간이 남고 적절한 열 전도가 방지된다.

또한, 은과 구리 사이에 발생하는 공융 반응은 공융 온도에서 매우 신속하게 발생한다. 따라서, 가열 처리가 단기간 동안이라도 공융 온도를 초과하는 경우, 은 및 구리는 이들 재료의 다른 바람직한 성질, 즉 은의 비방출성을 신속하게 혼합하고 파괴할 수 있다. 제품 생산성 면에서, 엄격한 온도 공차 달성이 곤란할 수 있고 일관된 제조가 어려워진다.

따라서, '071 출원에 개시된 발명의 실시예로 예시된 바와 같이 별개의 가열 단계는 제조 비용이 많이 들게 되고 제조가 지연될 수 있으며, 이는 회피되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 구리/은 공융 반응은 대량으로는 제어하기가 곤란할 수 있다. 따라서, 비방출성 부재와 홀더 사이, 원하는 경우, 방출성 부재와 비방출성 부재 사이에 열 접합을 형성하기 위하여 단지 한 번의 가열 단계를 필요로 하는 전술한 일반적인 유형의 전극이 당해 산업에서 요구되고 있다. 또한, 비방출성 분리기와 홀더 사이에 열 접합을 용이하게 수용하는 대량 제조 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 구리 홀더와 은 방출 부재의 계면에 니켈과 같은 제3 금속을 사용함으로써 상기 목적 및 다른 목적이 달성된다. 특정의 실시예에 있어서, 홀더의 구리는 니켈과 합금으로 하여 은과 구리 사이의 공융 반응을 감쇠시킨다. 니켈은 홀더와 비방출성 부재 사이에 순은과 순수 구리의 공융 온도보다 더 높은 온도로 열 접합이 형성될 수 있도록 공융 반응을 느려지게 한다. 상기 접합은 보다 높은 온도 범위에 걸쳐 형성될 수 있고, 하프늄 방출성 부재와 은 비방출성 부재 사이에 열 접합을 형성하는데 또한 사용될 수 있는 고온 가열 단계 도중에 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전극은 단지 1회의 가열 사이클 도중에 비방출성 부재와 홀더 사이 및 방출성 부재와 비방출성 부재 사이 양자 모두에 접합이 형성될 수 있다는 것이 장점이다.

제3 금속은 금속 홀더 내에 합금으로 되거나 또는 비방출성 부재의 금속 내에 합금으로 될 수 있다. 금속 홀더는 약 10 중량%의 니켈에다 구리를 포함하는 나머지로 조성하는 것이 바람직하다. 그러나, 제3 금속은 반드시 합금으로 될 필요는 없고, 그 대신에 인접하는 구성품 중 어느 것을 도금해서 사용할 수 있다. 또한, 제3 금속은 비방출성 부재와 방출성 부재 사이에 분말 형태로 제공되거나, 또는 비방출성 부재를 둘러 싸고 비방출성 부재를 홀더로부터 분리시키는 얇은 슬리브로 제공될 수 있다. 또한, 제3 금속은 반드시 니켈을 포함할 필요는 없고, 아연, 철, 코발트 및 크롬으로 이루어지는 군 중에서 적어도 한 가지를 포함할 수 있다. 또한 제1 금속은 순은을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명은 전극, 및 부재들 사이가 강력하게 접합되어 전극의 강도 및 동작 수명이 개선되는 전극의 제조 방법을 제공한다. 특히, 이들 전극은 1회의 가열 단계로 비용을 많이 들이지 않고 비교적 신속하게 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 방출성 부재, 비방출성 부재, 또는 금속 홀더 사이에 납땜을 하지 않고 전극을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치의 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전극의 확대 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전극의 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 전극의 바람직한 제조 방법 중 가열 단계를 예시하는 도면이다.

도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 절취된 본 발명의 전극 단면을 크게 확대한 사진이다.

도 6은 도 3의 선 6-6을 따라 절취된 본 발명의 전극 단면을 크게 확대한 사진이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예의 도면이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예의 도면이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예의 도면이다.

다음에, 본 발명을 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 개시된 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 이들 실시예는 본 발명을 완전히 이해하도록 제공하며 본 발명의 범위가 당업자에게 충분하게 전달되도록 하는 것이다. 동일 부재에는 동일 도면 부호를 사용하였다.

전극 구성

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 특징을 구현하는 플라스마 아크 토치(10)가 도시되어 있다. 토치(10)는 노즐 어셈블리(12) 및 튜브형 전극(14)을 포함한다. 전극(14)은, 후술하는 바와 같이, 구리 또는 구리 합금으로 제조되는 것이 바람직하며, 상측 튜브형 부재(15) 및 하측 컵 형상 부재 또는 홀더(16)로 구성된다. 상측 튜브형 부재(15)는 개방된 기다란 튜브 구성이며 토치(10)의 길이방향 축을 형성한다. 상측 튜브형 부재(15)는 내측에 나사산을 가진 하측말단부(17)를 포함한다. 홀더(16)는 컵 형상으로 구성되며 내부 캐버티(22)를 형성하도록 그 후방 말단(19)이 개방된다. 이 홀더(16)의 전방 말단에는 대체로 원통형인 캐버티가 형성된다. 이 원통형 캐버티 내에는 상대적으로 비방출성인 부재(32)가 길이방향 축을 따라 동축으로 배치된다.

방출성 부재 또는 인서트(28)는 비방출성 부재 내에 길이방향 축을 따라 동축으로 배치된다. 보다 상세하게는, 방출성 부재(28) 및 비방출성 부재(32)는 방출성 부재가 비방출성 부재에 고정되어 있는 어셈블리를 형성한다. 방출성 부재및 분리기를 가열하여 발생되는 금속간 화합물이 보다 상세하게 후술하는 바와 같이 이들 사이에 개재될 수 있다. 방출성 부재(28)는 전기 전위가 자신에게 가해질 때 전자를 용이하게 방출할 수 있도록 약 2.7 내지 4.2 ev 범위의 상대적으로 일함수가 낮은 금속 재료로 구성된다. 이러한 재료의 적합한 예로는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 및 이들의 혼합물이 있다.

상대적으로 비방출성인 부재(32)는, Smithells Metal reference Book, 6th Ed.에 표기된 값에 따르면, 그 일함수가 홀더(16) 재료보다 더 큰 금속 재료로 구성된다. 보다 상세하게는, 비방출성 부재(32)는 일함수가 적어도 약 4.3ev인 금속 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에 있어서, 비방출성 부재(32)는 다른 금속 재료, 즉 금, 플라티늄, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 합금 또한 후술하는 형성 처리에 맞게 사용될 수 있지만 은으로 구성되어 있다. 분리기(32)용으로 선택된 재료는 열 전도성이 높고, 산화에 대한 내성이 높으며, 융점이 높고, 일함수가 높으며, 비용이 적에 들어야 한다. 한 가지 재료에서 이들성질 모두를 최대화 한다는 것은 곤란하지만, 열 전도성이 높기 때문에 은이 바람직하다.

예를 들면, 본 발명의 한 가지 특정 실시예에 있어서, 비방출성 부재(32)는 구리, 알루미늄, 철, 납, 아연,및 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 추가의 재료 약 0.25 내지 10%와 합금된 은을 포함하는 은 합금 재료로 구성된다. 추가의 재료는 원소 또는 산화물 형태일 수 있으므로, 본 명세서에 사용된 "구리"라는 용어는 원소 형태는 물론 산화물 형태 양자 모두를 지칭하는 것이며, "알루미늄" 등의 용어도 마찬가지이다. 순은은 가열 도중에 하프늄 방출성 부재(28)와의 접합을 촉진시킬 수 있는 "플라스틱 단계"를 갖기 때문에 특히 바람직한 재료(융점이 약 1640℉임)이다. 또한, 비방출성 부재(32)는 반드시 솔리드 블랭크(solid blank)를 가공할 필요는 없고, 이 부재는 은/니켈 혼합물과 같은 압축 분말로 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 전술한 바의 캐버티를 형성하도록 드릴링 등에 의하여 길이방향 축을 따라 전면에 대체로 원통형인 구멍이 형성되어 있는 구리 또는 구리 합금으로 된 대체로 원통형인 블랭크(94)가 제공된다. 다음에, 방출성 부재(28) 및 비방출성 부재(32)는 홀더 블랭크(94) 내에 조립될 수 있다. 이들 구성품은 소정의 순서, 예를 들면, 먼저 비방출성 부재(32) 및 방출성 부재(28)를 함께 조립한 다음 블랭크(94) 내에 함께 배치시켜 도 4에 도시된 구성으로 조립될 필요는 없다. 대안으로서, 비방출성 부재(32)를 블랭크(94) 내에 먼저 배치시킨 다음 방출성 부재(28)를 비방출성 부재내에 배치시킬 수 있다. 또한, 상기 압착-끼워맞춤 배열은 후속 열 처리(후술함) 도중에 각종 구성품이 부주의로 인하여 조립해제되는 것을 방지하기 위하여 바람직할 수 있지만, 내경 및 외경을 간섭 압착-끼워맞춤되도록 형성할 필요는 없다.

이러한 유형의 홀더(16)에 종래 사용되는 구리는, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 니켈과의 합금이 바람직하다. 구리 합금에 사용된 니켈 함량은 변경될 수 있지만, 적어도 약 5 중량%로 홀더 내에 합금된 니켈이 바람직한 조성으로 판명되었다. 약 10 중량% 및 약 2100℉의 융점을 갖는 것이 특히 바람직한 조성(CDA 76)이다. 그러나, 니켈(모넬)을 20%, 30%, 및 심지어 60%까지 포함하는 다른 조성물이 사용될 수 있다. "니켈-은"으로 알려진 합금 또한 사용될 수 있다(이들 재료는 흔히 은을 전혀 포함하지 않는 구리/니켈/아연 합금이다). 철 또는 알루미늄과 같은 다른 원소가 구리/니켈 합금에 또한 첨가될 수 있다. 또한, 철, 코발트 또는 크롬과 같은 원소를 니켈 대신 사용하여 후술하는 바와 같은 동일한 효과를 달성할 수 있다.

조립 후, 구성품은 원통형 블랭크(94), 비방출성 부재(32) 및 방출성 부재(28)를 가열하는 가열 사이클을 거침으로써 전극의 특성이 개선되고 수명이 연장된다. 가열 처리는, 후술하는 바와 같이, 원통형 블랭크(94) 상에 추가의 가공 단계가 실행된 후 또한 실행될 수 있다. 정확한 가열 처리는 방출성 부재(28)에 사용된 재료, 비방출성 재료(32)에 사용된 재료 및 홀더(16)용으로 사용된 재료에 따라 좌우된다. 유도 가열 장치(induction heating unit) 또는 종래의 노(furnace)를 사용하여 가열 처리할 수 있고, 질소와 같은 불활성 공기가 가열 도중에 사용될 수 있다.

순은의 융점은 1761℉이고 순수 구리의 융점은 1984℉이지만, 두 가지 재료를 함께 가열시킬 때, 약 1432℉에서 액체 합금이 형성되는 공융 반응이 일어난다. 이 반응은 매우 신속하게 발생하고, 상기 온도를 초과하였을 때, 구리 및 은은 서로의 내부로 용이하게 유입되고, 이것이 공융 반응을 더 발생시키고 혼합된 액체 상을 형성하게 된다. 이러한 혼합은 은의 비방출성 특징을 상실시키기 때문에 전극의 성능이 감쇠될 수 있다.

발명자는, 니켈을 구리와 합금시킬 때, 공융 반응이 억제 또는 감쇠되고 훨씬 높은 가열 온도가 달성될 수 있다는 사실을 발견하였다. 도 5는 이렇게 얻어진 구조의 단면도이다. 상기 실시예에서, 홀더(16)는 10 중량%의 니켈과 합금된 구리 합금으로 형성된다. 순수 니켈은 약 2,651℉의 융점을 갖는다. 비방출성 부재(32)는 순은(92.5 중량%의 은 및 7.5 중량%의 구리)으로 형성된다. 이들 두 개의 부재 사이에 두 가지 다른 상을 알 수 있다. 먼저, 니켈 함유량이 높은 영역(23)은 홀더(16)의 구리/니켈 합금에 인접한다. 공융 합금 영역(24)은 니켈 함유량이 높은 영역(23)과 순은으로 된 비방출성 부재(32) 사이에서 알 수 있다. 이 공융 합금 영역(24)은 약간의 니켈을 또한 포함할 수 있지만 대부분 은 및 구리를 포함한다.

이론적으로 한정되기를 원하지 않지만, 발명자는 가열이 진행될 때 구리가 홀더(16)로부터 공융 합금(24)으로 들어 가서 니켈 함유량이 높은 영역(23)에 니켈을 남기는 것으로 생각한다. 니켈 함유량이 높은 영역(23)은 구리/은 공융 합금을형성하는 속도를 제어하는데 매우 중요한 것으로 생각된다. 특히, 니켈 함유량이 높은 영역(23)은 보다 많은 구리를 공융 합금 영역(24)으로 이송시키는 배리어를 형성하여 반응을 효과적으로 저하시키는 것으로 생각된다. 이로써 구리 및 은 양자 모두가 공융 합금 영역(24) 내로 교환되는 것이 저하된다. 또한, 온도가 더 상승할 때, 공융 합금 영역(24)에 인접한 추가의 니켈이 점진적으로 융해되고 공융 용액 내에 혼합되어, 용액의 용융 온도를 상승시킨다. 즉, 이러한 현상은 용액이 응고 직전 상태라는 의미이다. 구리/니켈 합금은 가열 도중에 은 및 구리보다 덜 팽창한다는 것이 장점이다. 은은 하프늄보다 더 팽창하고, 이로써 구리/니켈은 은을 제거하는데 도움이 되며 하프늄을 둘러 싸고있는 은 내의 구멍이 순수 구리로 된 홀더에서 보다 팽창하는 것을 더 방지하게 되므로, 은과 하프늄 사이가 양호한 접촉 상태를 유지하게 된다.

초기 접합은 매우 신속하게 형성되지만, 니켈 함유량이 높은 영역(23)이 더 두꺼워지기 시작하기 때문에 반응은 시간이 지나며 현저하게 느려진다. 이러한 특성 때문에, 이 유형에 따라 전극을 제조할 때 융통성이 훨씬 많아질 수 있다. 반응을 개시하는데는 적어도 약 1470℉의 온도가 필요하지만, 순수 구리/은 전극과 비교하여 상기 온도보다 높은 온도는 제어하는데 필요하지 않은 것으로 판명되었다. 특히, 전극은 약 1시간 동안 적어도 약 1505℉의 온도까지 상승될 수 있다. 이 온도 범위 및 시간이 결합된 상태에서, 얇은 금속간 화합물이 방출성 부재(28)와 비방출성 부재(32) 사이에 형성된다. 물론, 얻어진 임의의 금속간 화합물의 두께는 전극의 기하하적 형상 및 가열 사이클 기간을 포함하여 노의 온도 등 여러 가지 요인에 좌우될 수 있다.

하프늄으로 제조된 방출성 부재(28)와 은으로 제조된 비방출성 부재(32) 사이의 금속간 화합물(88)이 도 6에 도시되어 있다. 금속간 화합물(88)은 방출성 부재(28)와 비방출성 부재(32) 사이를 강력하게 접합시키고, 금속간 화합물의 두께는 약 0.00015"로 도시되어 있다. 금속간 화합물(88)은 방출성 부재(28) 및 비방출성 부재(32)를 형성하는 재료 양자 모두와 다른 독특한 성질을 갖는 새로운 재료이다. 이론적으로 한정되기를 원하지 않지만, 금속간 화합물은 AgHf 및 AgHf₂양자 모두를 포함하는 것으로 생각된다.

모든 경우에, 전극에 이와 같은 금속간 화합물이 형성될 필요는 없고, 금속간 화합물의 두께도 도 6에 예시된 바와 같이 제한될 필요가 없다. 부분적으로는 전극이 사용되는 토치의 전류비에 따라, 임의의 금속간 화합물층이 형성되지 않는 것이 보다 바람직할 수 있다. 다른 토치에 있어서는, 1시간 동안 온도 약 1466℉로 형성될 수 있는 두께 약 0.0002"인 금속간 화합물층을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 두께 약 0.006" - 0.008" 이상에서는, 금속간 화합물의 열 전도성이 상대적으로 높기 때문에 전극의 수명이 실제적으로 단축될 수 있다. 따라서, 두께가 증가하면 열 전도량, 즉 전극의 수명이 감소된다.

도 3은 본 발명에 따른 완성된 전극의 단면도이다. 홀더(16)의 조립을 완성하기 위하여, 원통형 블랭크(94)의 후측면을 가공하여 캐버티(22)가 내부에 형성되는 개방된 컵 형상의 구성을 형성한다. 캐버티(22)는 원통형 포스트(25)를 형성하도록 형상을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 내부 캐버티(22)는 원통형 포스트(25)를 형성하도록 트리패닝 또는 다른 가공 작업 등에 의하여 형성된다. 원통형 블랭크(94)의 외주는 후술하는 바와 같이 토치에 연결하기 위하여 홀더의 후측 말단에 외부 나사산을 형성하는 것을 포함하여 원하는 바에 따른 형상으로 할 수 있다. 최종적으로, 블랭크(94)의 전면 및 방출성 부재(28)와 비방출성 부재(32)의 말단면은, 도 3에 도시된 바와 같이, 이들이 실질적으로 편평하고 서로 높이가 동일하도록 각각 가공된다.

비방출성 부재(32)의 적어도 일부분은 내부 캐버티(22)에 노출되는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 전극은 물과 같은 액체 냉매를 내부 캐버티(22) 내에 순환시킴으로써 냉각된다. 비방출성 부재(32)는 트리패닝 또는 다른 가공 작업 도중에 액체 냉매와 접촉되도록 노출되고, 이로써 전극의 냉각이 크게 향상된다. 비방출성 부재(32)를 액체 냉매에 노출시키는 것은 구리 홀더에 니켈을 추가하게 되면 얻어지는 금속의 열 전도성을 급격하게 감소시키기 때문에 구리/니켈 합금을 홀더(16)용으로 사용할 때 특히 바람직하다. 특히, 10%의 니켈을 구리 홀더에 합금한 경우, 얻어지는 금속의 열 전도성은 순수 구리에 비하여 대략 90%만큼 낮아진다. 그러나, 열 전도성이 매우 높은 은으로 된 비방출성 부재(32)는 냉각수에 직접 노출되기 때문에, 모든 열을 홀더(16)로부터 이동시키지 않고 열이 방출성 부재(28)로부터 멀리 전도될 수 있다.

제3 금속은 니켈이, 예를 들면, 홀더(16)가 아닌 은으로 된 비방출성 부재(32)에 합금될 때와 같이 다른 구성에서 바람직한 기능을 제공할 수 있다. 본발명의 다른 실시예가 도 7, 도 8 및 도 9에 예시되어 있다. 도 7에는 구리와 은 사이의 공융 반응을 감쇠시키는 제3 금속이 비방출성 부재(32)의 외면 상에 플레이트(26) 형태로 제공된 실시예가 예시되어 있다. 즉, 전술한 실시예의 니켈이 홀더 블랭크(94) 또는 비방출성 부재(32) 중 어느 하나에 합금될 필요는 없고, 비방출성 부재(32)의 외면, 또는 예시되지는 않았지만 블랭크(94)의 원통형 캐버티의 내면 상에 위치된 니켈 플레이트(26)에 의하여 동일한 기능이 달성될 수 있다.

도 8에는, 제3 금속이 비방출성 부재(32)의 외면 및 블랭크(94)의 내면에 분산된 분말(27)로서 예시되어 있다. 또한, 상기 실시예에서, 제3 금속은 니켈일 수 있으며, 비방출성 부재(32) 및 홀더(94)는 제3 금속과 합금될 필요는 없다.

최종적으로, 도 9에 있어서, 제3 금속은 블랭크(94) 내에 삽입되면 비방출성 부재(32)를 둘러싸서 접촉되고 이를 홀더 블랭크(94)로부터 분리시키도록 비방출성 부재와 접촉되는 슬리브(29)로 예시되어 있다.

토치 구성

도 1을 참조하면, 전극(14)은 가스 및 액체 통로(40, 42)를 각각 포함하는 플라스마 토치 몸체부(38)에 장착되어 있다. 토치 몸체부(38)는 외측의 절연성 하우징 부재(44)로 둘러 싸인다. 튜브(46)는 물과 같은 액체 냉매를 전극(14) 내에 순환시키기 위하여 전극(14)의 중앙 구멍(48) 내에 지지된다. 튜브(46)의 외경은 물이 튜브(46)의 개방된 하측 말단으로부터 배출될 때 튜브(46)와 구멍(48) 사이에 형성된 공간으로 인하여 물이 내부로 흐를 수 있도록 구멍(48)의 직경보다 더 작다. 믈은 소스(도시되지 않음)로부터 튜브(46), 내부 캐버티(22) 및 홀더(16)를통과하고, 다시 공간(49)을 통과하여 토치 몸체부(38)의 개구(52) 및 배수 호스(도시되지 않음)로 흐른다. 통로(42)는 분사수를 노즐 어셈블리(12) 내로 향하게 하고, 여기에서 분사수는 상세하게 후술하는 바와 같이 플라스마 아크를 둘러 싸도록 와류로 변환된다. 가스 통로(40)는 가스를 적합한 소스(도시되지 않음)로부터 적합한 고온 재료로 된 가스 배플(54)을 통과하여 유입구(58)를 거쳐 가스 플리넘 쳄버(56) 내로 향하게 한다. 유입구(58)는 가스가 와류 형태로 플리넘 쳄버(56) 내로 유입되도록 배열된다. 가스는 플리넘 쳄버(56)로부터 노즐 어셈블리(12)의 동축 구멍(60, 62)을 통과한다. 전극(14)은 가스 배플(54)을 지지한다. 고온 플라스틱 절연체 몸체부(55)가 노즐 어셈블리(12)와 전극(14)을 절연시킨다.

노즐 어셈블리(12)는 제1 구멍(60)을 형성하는 상측 노즐 부재(63) 및 제2 구멍(62)을 형성하는 하측 노즐 부재(64)를 포함한다. 상측 노즐 부재(63)는 금속 재료가 바람직하며, 하측 노즐 부재(64)는 금속 또는 세라믹 재료가 바람직하다. 상측 노즐 부재(63)의 구멍(60)은 토치 전극(14)의 길이방향 축과 축방향으로 정렬된다. 하측 노즐 부재(64)는 플라스틱 스페이서 부재(65) 및 물 와류 링(66)에 의하여 상측 노즐 부재(63)로부터 분리된다. 상측 노즐 부재(63)와 하측 노즐 부재(64) 사이의 공간이 물 쳄버(67)를 형성한다.

하측 노즐 부재(64)는 전방 또는 하측 말단부 및 후방 또는 상측 말단부를 형성하는 원통형 몸체부(70)를 포함하고, 구멍(62)이 상기 몸체부(70)를 축방향으로 관통하여 연장된다. 환형의 장착 플랜지(71)가 후방 말단부 상에 위치되고, 원뿔대면(72)이 제2 구멍(62)과 동축인 전방 말단부의 외측 상에 형성된다. 환형 플랜지(71)는 컵(74)의 하측 말단에 있는 내측으로 향하는 플랜지(73)에 의하여 아래로부터 지지되고, 컵(74)은 상호 연결되는 나사산에 의하여 외측 하우징 부재(44)에 탈착 가능하게 장착된다. 개스킷(75)이 두 개의 플랜지(71, 73) 사이에 배치된다.

하측 노즐 부재(64)의 구멍(62)은 원통형이며, 적합한 플라스틱 재료로 된 센터링 슬리브(78)에 의하여 상측 노즐 부재(63)의 구멍(60)과 축방향으로 정렬된다. 물은 통로(42)로부터 슬리브(78)의 개구(85)를 통과하여 와류 링(66)의 주입 포트(87)로 흐르고, 이 주입 포트가 물을 물 쳄버(67) 내로 주입한다. 주입 포트(87)는 와류 링(66) 둘레에 접선으로 배치되어 속도의 와류 성분을 물 쳄버(67) 내의 물 흐름에 제공한다. 물은 구멍(62)을 통하여 물 쳄버(67)로부터 배출된다.

전원(도시되지 않음)은 일반적으로 접지되는 금속 제품과 직렬회로 관계로 토치 전극(14)에 연결된다. 동작 시, 아크의 캐소드 단자로서 작용하는 전극의 방출성 부재(28)와 전원의 애노드에 연결되며 하측 노즐 부재(64) 하측에 위치되는 제품 사이에 플라스마 아크가 형성된다. 플라스마 아크는 전극(14)과 노즐 어셈블리(12) 사이에 파일럿 아크를 순간적으로 형성함으로써 종래 방식으로 개시된 다음, 아크는 구멍(60, 62)을 통하여 제품에 전달된다.

본 발명의 여러 가지 변형 및 다른 실시예는 본 발명이 속하는 당해 기술 분야의 당업자에게는 전술한 설명 및 첨부 도면에 개시된 지침의 장점을 갖는 것으로 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정의 실시예에만 한정되지 않고 변형및 다른 실시예도 특허청구범위 내에 포함되는 것이다. 본 명세서에는 특정의 용어를 사용하였지만 이들 용어는 일반적이고 단지 설명하기 위한 것으로서 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 구리 홀더와 은 방출 부재의 계면에 니켈과 같은 제3 금속을 사용함으로써 전극 및 부재들 사이가 강력하게 접합되어 전극의 강도 및 동작 수명이 개선된다. 특히, 이들 전극은 1회의 가열 단계로 비용을 많이 들이지 않고 비교적 신속하게 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전극 제조 방법은 방출성 부재, 비방출성 부재, 또는 금속 홀더 사이에 납땜을 하지 않고 전극을 형성할 수 있다.

Claims

플라스마 아크 토치 내에 아크를 지지하는 전극에 있어서,

방출성 재료를 포함하며, 상기 아크를 지지하는 전면을 형성하는 방출성 부재,

은을 포함하는 제1 금속을 포함하며, 상기 방출성 부재의 전면을 둘러 싸도록 위치되는 상대적으로 비방출성인 부재,

상기 비방출성 부재를 지지하며, 상기 비방출성 부재와 계면을 형성하고, 구리를 포함하는 제2 금속을 포함하는 금속 홀더, 및

상기 금속 홀더와, 상기 금속 홀더 및 상기 비방출성 부재가 열에 의해 서로 접합될 때 상기 제1 금속의 은과 상기 제2 금속의 구리 사이에 임의의 공융 반응(eutectic reaction)을 감쇠시킬 수 있는 비방출성 부재의 계면에 위치되는 제3 금속

을 포함하고, 상기 비방출성 부재는 상기 금속 홀더에 열에 의해 접합되는 전극.
제1항에 있어서,

상기 제3 금속은 상기 비방출성 부재 및 상기 금속 홀더 중 적어도 하나 내에 합금되는 전극.
제2항에 있어서,

상기 제3 금속은 상기 금속 홀더 내에 합금되는 전극.
제3항에 있어서,

상기 제3 금속은 적어도 약 5 중량%까지 상기 금속 홀더 내에 합금되는 니켈인 전극.
제4항에 있어서,

상기 니켈은 상기 금속 홀더의 약 10 중량%인 전극.
제1항에 있어서,

상기 제3 금속은 분말 형태인 전극.
제1항에 있어서,

상기 제3 금속은 방출성 부재의 외면 상에 도금되는 전극.
제1항에 있어서,

상기 제3 금속은 상기 방출성 부재 둘레에 위치되는 분리기 부재(separator member) 형태인 전극.
제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제3 금속은 니켈을 포함하는 전극.
제2항, 제3항, 제6항, 제7항, 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제3 금속은 아연, 철, 코발트 및 크롬으로 이루어지는 군 중에서 적어도 한 가지를 포함하는 전극.
제1항에 있어서,

상기 제1 금속은 순은을 포함하는 전극.
플라스마 아크 토치 내에 아크를 지지하는 전극에 있어서,

방출성 재료를 포함하며, 상기 아크를 지지하는 전면을 형성하는 방출성 부재,

상기 방출성 부재보다 덜 방출되는 재료를 포함하며, 상기 방출성 부재의 전면을 둘러 싸도록 위치되어 상기 아크가 상기 방출성 부재로부터 탈착되는 것을 방지하는 상대적으로 비방출성인 부재, 및

상기 비방출성인 부재 및 상기 방출성 부재를 지지하며, 소정의 융점을 갖는 전기적으로 전도성인 금속으로 이루어지는 기다란 부분 및 상기 기다란 부분의 금속보다 융점이 더 높은 금속으로 이루어지는 짧은 부분을 포함하는 금속 합금을 포함하는 금속 홀더

를 포함하는 전극.
제12항에 있어서,

상기 금속 홀더의 금속 합금 중 기다란 부분이 구리를 포함하는 전극.
상기 금속 홀더의 금속 합금 중 짧은 부분이 니켈을 포함하는 전극.
상기 금속 홀더의 금속 합금은 니켈을 적어도 약 5 중량% 포함하는 전극.
제15항에 있어서,

상기 니켈은 상기 금속 홀더 중 약 10 중량%인 전극.
제12항에 있어서,

상기 금속 홀더의 금속 합금 중 짧은 부분은 철, 코발트 및 크롬으로 이루어지는 군 중에서 적어도 한 가지를 포함하는 전극.
제12항에 있어서,

상기 전극은 후방 캐버티를 형성하고, 상기 비방출성 부재는 상기 후방 캐버티의 적어도 일부분을 형성하는 전극.
플라스마 아크 토치 내에 아크를 지지하는 전극에 있어서,

방출성 재료를 포함하며, 상기 아크를 지지하는 전면을 형성하는 방출성 부재,

은을 포함하며, 상기 방출성 부재의 전면을 둘러 싸도록 위치되는 상대적으로 비방출성인 부재, 및

상기 비방출성 부재 및 상기 방출성 부재를 지지하며, 구리 및 니켈 양자를 포함하는 금속 합금을 포함하는 금속 홀더

를 포함하는 전극.
제19항에 있어서,

상기 상대적으로 비방출성인 부재는 순은을 포함하는 전극.
제19항에 있어서,

상기 금속 홀더는 니켈을 적어도 약 5 중량% 포함하는 전극.
제21항에 있어서,

상기 니켈은 상기 금속 홀더의 약 10 중량%인 전극.
플라스마 아크 토치 내에 아크를 지지하는데 적합한 전극을 제조하는 방법에 있어서,

방출성 재료를 포함하며, 상기 아크를 지지하는 전면을 형성하는 방출성 부재,

상기 방출성 부재보다 덜 방출되는 재료를 포함하며, 상기 방출성 부재의 전면을 둘러 싸도록 위치되는 상대적으로 비방출성인 부재, 및

상기 비방출성 부재 및 상기 방출성 부재를 지지하며, 상기 비방출성 부재의 재료와 조성이 상이한 금속을 포함하는 금속 홀더

를 함께 조립하는 단계, 및

상기 방출성 부재와 상기 비방출성 부재의 외주면 및 상기 비방출성 부재와 상기 금속 홀더의 외주면 사이에 납땜이 없는 열 접합을 형성하는데 충분한 온도까지 상기 어셈블리를 단지 1회 가열시키는 단계

를 포함하는 전극 제조 방법.
제23항에 있어서,

상기 방출성 부재를 상기 비방출성 부재 내에 먼저 배치시킨 다음, 상기 비방출성 부재를 상기 홀더와 접촉 상태로 위치시키는 전극 제조 방법.
제23항에 있어서,

상기 비방출성 부재를 상기 홀더 내에 먼저 배치시킨 다음, 상기 방출성 부재를 상기 비방출성 부재 내에 배치시키는 전극 제조 방법.