KR20030081515A - 플라즈마 아크 토치용 복합전극 - Google Patents

플라즈마 아크 토치용 복합전극 Download PDF

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Abstract

토치본체를 갖는 플라즈마 아크 토치는 플라즈마 챔버를 한정하도록 상기 본체에서 복합전극에 상대적으로 장착된 노즐을 갖는다. 토치본체는 플라즈마 아크가 형성되는 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 지향시키기 위한 플라즈마 유동경로를 포함한다. 노즐은 중공형 본체부와, 방출 오리피스를 한정하는 실질적으로 강성인 헤드부를 포함한다. 복합전극은 방출면에 인접하는 전극본체의 전방부에서 높은 열전도도를 갖는 금속성 재료(예를 들어, 실버)로 제작될 수 있고, 전극본체의 후방부는 양호한 열 및 전기 전도도를 갖는 제2의 저렴한 금속성 재료로 제작된다. 복합전극 형상은 실버 전극에 비교가능한 감소된 전극마모 또는 피팅을 갖고 구리전극에 비교가능한 가격에 적합한 전극을 생산한다.

Description

플라즈마 아크 토치용 복합전극{COMPOSITE ELECTRODE FOR A PLASMA ARC TORCH}
플라즈마 아크 토치들은 금속성 재료의 절단 또는 마킹 작업에 널리 사용된다. 플라즈마 토치는 일반적으로 내부에 장착된 전극과, 토치 본체 내에 장착된 중앙방출 오리피스와, 전기 연결부와, 냉각 및 아크 제어의 유체용 통로와, 상기 전극과 노즐 사이에 형성된 플라즈마 챔버에서 유체유동 패턴을 제어하는 와류링(swirl ring)과, 동력원(power supply)을 포함한다. 토치는 고온 및 높은모멘텀(momentum)을 갖는 플라즈마 가스의 제한된 이온화 제트(constricted ionized jet)인 플라즈마 아크를 생성한다. 토치에 사용된 가스는 비활성(예를 들어, 아르곤 또는 질소), 또는 활성(예를 들어, 산소 또는 공기)일 수 있다.
작동시, 파일롯 아크(pilot arc)는 전극(캐소드; cathode)과 노즐(애노드; anode) 사이에서 먼저 생성된다. 파일롯 아크의 생성은 직류 동력원에 연결된 고주파의 고전압신호의 수단과 토치 또는 다양한 접촉개시 방법에 의해서 가능할 수 있다.
플라즈마 아크 토치용 전극의 공지된 형상은 전극의 보어(bore)에 억지끼움되는 방출 인서트(emitting insert)(예를 들어, 하프늄)를 포함한다. 전극설계시 목적은 열은 하프늄 인서트에서 보통 물인 냉각매체로 전달하는 것이다. 다른 목적은 하프늄 인서트대신 전극에 대한 불필요한 아크 루트부착(arc root attachment)에 의해 야기된 부식을 최소화하기 위해 아크 루트부착을 제어하는 것이다.
플라즈마 아크 토치용 전극은 보통 구리(copper)로 제작된다. 구리는 양호한 열전도성 및 전기 전도성을 제공하는 저렴한 재료이다. 플라즈마 아크 토치용 전극은 또한 실버(silver)로 제작될 수 있다. 실버 전극(silver electrode)은 양호한 열전달 특성을 제공하는 반면에, 이들은 매우 고가인 경향이 있고 사용하는 데 비용적으로 효과적이지 못하다. 구리 전극은 비용 효과적이지만, 실버 전극의 탁월한 열전달 특성을 갖지 않고 따라서 실버 전극보다 짧은 전극수명을 갖는다.
여러 회사들은 브레이징(brazing), 납땜(soldering), 스웨이징(swaging), 프레스 피팅(press fitting) 및 다른 방법을 포함하는 다양한 제조기술을 사용하여 실버와 실버/구리 복합전극을 제작한다. 한 회사는 관통-홀(through-hole) 하프늄 인서트를 갖는 진공 브레이즈화 구리/실버 복합설계를 개발하였다. 다른 회사는 블라인드 홀(blind hole) 하프늄 인서트를 갖는 프레스-피트화 실버 고리설계(press-fitted silver annulus design)를 개발하였다. 또 다른 회사는 전방부에 구리를 갖는 구리 홀더(holder) 형태의 스웨이지형 실버 고리설계(swaged silver annulus design)를 개발하였다. 또 다른 회사는 코인형 실버 전극설계(coined silver electrode design)를 개발하였다. 그러나, 실버/구리 전극을 제조하는 이들 방법은 실버/구리 계면에서 충분히 높은 결합강도를 형성하지 않는다. 부가적으로, 이들 제조방법은 실버/구리 계면에서 냉각유체를 유출시킬 수 있는 전극을 야기시킨다. 특히, 이들 실버/복합물 전극은 모든 실버 전극의 열전달 특성을 제공하지 않는다.
본 출원은 2001년 3월 9일 출원된 미국 예비출원번호 제60/274,837호의 이익을 주장한다. 이 출원의 전체 개시내용은 참조문헌으로서 여기에 합체된다.
본 발명은 플라즈마 아크 토치용 복합전극(composite electrode)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 전극본체의 전방부가 높은 열전도성을 갖는 제1금속성 재료로 이루어지고 전극본체의 나머지 후방부가 양호한 열적 그리고 전기적 전도성을 갖는 저렴한 제2금속성 재료로 이루어진 플라즈마 아크 토치용 복합전극에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 일실시예의 단면도이다.
도 1A는 도 1의 플라즈마 아크 토치에 사용하기 위한 복합전극의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 아크 토치에 사용하기 위한 복합전극의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3은 다양한 전극구조로부터 개시수와 피트마모를 비교한 그래프이다.
도 4는 4초 테스팅에 사용한 다른 전극과 함께 본 발명에 따른 전극의 수행을 비교한 그래프이다.
도 5는 60초 테스팅에 사용한 다른 전극과 함께 본 발명에 따른 전극의 수행을 비교한 그래프이다.
도 6은 컴퓨터사용 유체역학 모델에 근거하여 토치 작동동안 실버팁(silver tip) 전극의 모델에서 온도 분포형상을 나타내는 그래프이다.
도 7A~7Q는 본 발명의 전극 팁구조의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 7R은 수용부를 갖는 전극의 후방부를 나타낸다.
본 발명의 목적은 구리의 비용잇점과 실버의 재료특성잇점을 결합한 개선된 복합전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉각유체를 유출하지 않는 개선된 복합전극을 제공하는 것이다.
일 관점에서, 본 발명은 금속성 소재(workpiece)를 컷팅 또는 마킹하기 위한 플라즈마 아크 토치를 특징으로 한다. 상기 토치는 본체에서 복합전극에 상대적으로 장착된 노즐을 구비하여 플라즈마 챔버를 한정하는 토치본체를 포함한다. 상기 토치본체는 상기 플라즈마 챔버로 플라즈마 가스를 지향시키기 위한 플라즈마 유동경로를 포함한다. 일실시예에서, 상기 토치는 또한 상기 토치본체에 부착된 실드(shield)를 포함할 수 있다. 상기 노즐, 복합전극 및 실드는 마모되고 주기적인 교체를 요구하는 소모성 부품들이다.
상기 복합전극은 상이한 재료로 제작된 2개의 부분을 갖는다. 상기 전극의 전방부는 뛰어난 열전달 특성(예를 들어, 높은 열전도성)을 갖는 금속성 재료[예를 들어, 실버(silver)]로 구성된다. 방출성 인서트(emissive insert)[예를 들어, 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 토륨(thorium), 란탄(lanthanium), 스트론튬 또는 이들의 합금]는 전방부의 보어에 배치된다. 상기 전극의 후방부는 양호한 열전달 특성(예를 들어, 양호한 열전도성)을 갖는 저렴한 금속성 재료(예를 들어, 구리)로 구성된다.
높은 열전도성의 전방부는 양호한 열전도성의 후방부의 단부에 결합되어 복합전극을 형성한다. 상기 2개의 부분들은 마찰용접(friction welding), 관성(inertia) 마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD 충격용접(percussive welding), 충격용접, 초음파 용접 또는 폭발용접(explosion welding)과 같은 직접 용접공정에 의해서 결합되어 전극의 2개 부분 사이에 용접밀폐(hermetic seal)을 형성한다. 냉각을 최대화시키기 위하여, 상기 전방부는 또한 냉각유체의 유동구역쪽 후방으로 연장하고 그러므로 유체에 의해서 직접 냉각된다. 이 구조는 방출성 인서트를 둘러싸기 위해 전방단부에 형성된 공동부(cavity)에 삽입된 상대적으로 작은 직경의높은 열전도성 슬리브를 갖는 공지된 전극 설계에 비해서 탁월한 열전달 특성을 갖고 냉각유체를 유출시키지 않는 전극을 제공하는 것으로 믿어진다.
다른 관점에서, 본 발명은 금속성 소재를 커팅 또는 마킹하기 위한 플라즈마 아크 토치용 복합전극을 특징으로 한다. 상기 복합전극은 뛰어난 열전달 재료특성(예를 들어, 높은 열전도성)을 갖는 금속성 재료(예를 들어, 실버)으로 구성된 전방부를 포함한다. 상기 전극의 후방부는 양호한 열전달 재료특성(예를 들어, 양호한 열전도성)을 갖는 저렴한 금속성 재료(예를 들어, 구리)로 구성된다.
높은 열전도성의 전방부는 양호한 열전도성의 후방부의 단부에 결합되어 복합전극을 형성한다. 일실시예에서, 상기 전방부와 후방부는 결합면에서 직접 접촉한다. 이것을 달성하기 위하여, 상기 2개의 부분들은 마찰용접, 관성 마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD 충격용접, 충격용접, 초음파 용접 또는 폭발용접과 같은 직접 용접기술에 의해서 서로 결합된다. 상기 직접용접공정은 상기 전극의 2개 부분 사이에 용접밀폐(hermetic seal)를 형성한다. 냉각을 최대화시키기 위하여, 상기 전방부는 또한 냉각유체의 유동구역쪽 후방으로 연장하고 그러므로 유체에 의해서 직접 냉각된다.
본 발명의 다른 관점은 소재를 커팅 또는 마킹하기 위한 전극을 제조하는 방법을 특징으로 한다. 상기 전극은 뛰어난 열전달 특성(예를 들어, 높은 열전도성)을 갖는 금속성 재료[예를 들어, 실버(silver)]로 구성된 전방부를 포함하는 상태로 제공된다. 상기 전극본체의 후방부는 또한 양호한 열전달 특성(예를 들어, 양호한 열전도성)을 갖는 저렴한 금속성 재료(예를 들어, 구리)로 구성되는 것으로제공된다. 상기 전극의 2개 부분들은 직접용접 기술에 의해서 결합된다. 이들은 예를 들어 마찰용접, 관성 마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD 충격용접, 충격용접, 초음파 용접 또는 폭발용접에 의해서 결합될 수 있고, 이에 의해서 상기 전극의 전방부와 후방부 사이에 고강도의 용접밀폐를 형성한다. 냉각유체 유동은 상기 전극의 전방부를 냉각시키기 위하여 사용될 수 있고, 높은 열적 방출성을 갖는 인서트는 상기 전극본체의 전방부 내의 보어에 위치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리를 구현하는 플라즈마 아크 토치(10)를 나타낸다. 상기 토치는 본체(12)를 갖고, 본체는 하단부(16)에 방출 오리피스(14)를 갖는 전형적인 원통형이다. 플라즈마 아크(18), 즉 이온화된 가스젯은 방출 오리피스를 통과하고 절단되려는 소재(19)에 부착된다. 상기 토치는 금속, 특히 연강 또는 다른 물질을 천공시키거나, 커팅하거나 또는 마킹하기 위하여 변형된 아크모드로 설계된다. 연강을 커팅할 때, 상기 토치는 산소 또는 공기와 같은 반응가스로 작동하고, 이는 플라즈마 가스가 변형된 플라즈마 아크(18)를 형성하기 때문이다.
토치 본체(12)는 원통형 본체(21)를 갖는 복합전극(20)을 지지한다. 하프늄 인서트(22)는 평탄한 방출면(22a)이 노출되도록 복합전극(20)의 하단부(21a)에 배치된다. 인서트(22)는 또한 내식성과 높은 열이온 방출능과 같은 적절한 물리적 특성을 갖는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 일실시예에서, 상기 인서트 재료는 약 5.5 전자V 미만의 전자 일함수를 갖는다. 적절한 물질은 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 이트륨, 이리듐 및 이들의 합금을 포함한다. 상기 토치 본체는 또한 노즐(24)을 지지하고, 상기 노즐은 복합전극으로부터 이격된다. 노즐(24)과 복합전극(20)사이의 공간은 플라즈마 챔버(30)를 한정한다. 노즐(24)은 방출 오리피스(14)를 한정하는 중앙 오리피스를 갖는다. 토치 본체에 장착된 소용돌이링(26; swirl ring)은 플라즈마 가스유동에 접선속도요소를 부여해서 소용돌이를 발생시키는 한 세트의 방사상으로 오프셋된(또는 경사진) 가스분배홀(26a)을 갖는다. 이러한 소용돌이는 아크를 압축시키고 인서트 상에서 아크의 위치를 안정화시키는 와류를 생성한다.
토치를 스타트시키는 두가지 방법이 있다. 하나의 해결방안은 접촉 스타팅이고, 이의 한가지 형태는 미국특허 제4,791,268호에 개시된다. 그러나 현재 사용하고 있는 주요한 스타팅 기술은 직류 동력공급원으로부터 토치까지 동력선에 연결된 고주파, 고전압(HFHV) 신호를 사용한다. HFHV신호는 복합전극과 노즐 사이에 전형적인 나선경로로 흐르는 플라즈마 가스에 스파크 방전을 유도한다. HFHV 발생기는 동력공급원 또는 상기 토치로부터 원거리에 위치되고 리드셋트에 의해 상기 토치에 연결된 "콘솔"(console)에 합체된다.
상기 전극과 노즐 사이의 아크는 파일롯 아크이고, 복합전극과 소재 사이의 아크는 변형된 아크이다. 노즐을 통한 가스유동은 복합전극과 소재 사이의 전기저항이 매우 작아지도록 파일롯 아크에 의해 이온화된다. 파일롯 저항기를 사용하면, 더 높은 전압이 복합전극과 소재를 가로질러서 인가되어 갭(gap)이 이온화된 후에 아크가 소재에 전달하도록 유도한다. 파일롯 아크를 스타팅하는 때와 소재로 전달하는 때 사이의 시간은 소재 상부에서 토치의 거리, 파일롯 아크 전류레벨 및 전형적인 스타트 아크가 사용될 때 가스 유동율의 함수이다.
전극들은 일반적으로 구리로 제작된다. 구리는 양호한 열전달 능력과 저렴한 가격때문에 선택된다. 출원인은 전극의 사용수명에서 현저한 개선이 스웨이지형(swaged) 하프늄 방출요소와 함께 고순도의 순은(all silver) 또는 주화형 실버(coined silver; 90% 실버, 10% 구리)의 전극을 사용하여 달성될 수 있다고 결정하였다. 테스트 결과는 플라즈마 아크 토치 작업이 논-램프-다운(non-ramp-down) 공정을 사용하는 실험실 시험에서 그러한 전극이 2000번 이상의 스타트를 나타냈다. 이러한 형태의 전극은 하프늄을 둘러싸는 실버의 직접 수냉을 허용한다. 그러나, 실버의 높은 재료비용으로 인한여, 이러한 전극고안은 매우 고가이고, 넓은 시장 수용을 달성하지 않는다.
출원인은 본 발명에 따라서 구리/실버 복합전극을 사용하여 순은 전극에 비교가능한 결과를 달성하였다. 이것을 완수하기 위하여, 출원인은 재료분석, 정상상태 열흐름(steady state heat flux) 모델링 및 실험데이터 수집을 통해 실버량을 최적화하였다. 출원인의 테스트 결과는 전극 사용수명에 있어서 실버 성분이 전극의 전방부로부터 중공형 밀(hollow mill)의 영역쪽 후방으로 연장하고 물에 의해 직접 냉각된다면 현저한 이득이 실현될 수 있다는 것을 보인다. 일실시예에 있어서, 하프늄 인서트(22)와 실버 모두는 물에 의해 직접 냉각된다.
도 1A는 하프늄 인서트(22)가 냉각수와 같은 냉매(52)에 의해 직접 냉각되는 복합전극(20)의 일실시예의 단면도를 나타낸다. 냉매는 후방부(20B)의 내측면을 포함하는 복합전극의 내부 유동경로 내측면과, 하부벽(42A)과 측벽(42B)을 포함하는 전방부(20A)의 횡단 내측면을 통해서 순환한다. 냉각 유체는 튜브(58)와 전극(20)의 내부벽(59)에 의해서 한정된 환상통로(54)를 통하여 복합전극을 떠난다. 복합전극은 또한 바람직하게 "중공형 밀형(hollowmilled)"이다. 즉, 이것은본체재료의 표면적을 증가시키기 위하여 하부벽(42A)의 내측면에 형성된 환상 리세스(56)를 갖고, 이에 의해서 냉매(52)와 열교환 관계를 증진시킨다. 평탄한 방출면(22A)은 냉매(52)의 유동과 하부벽(42A) 및 측벽(42B, 42C)의 표면적과 협력하여 하프늄 인서트(22)의 비등을 방지하도록 치수화된다. 또한, 비록 인서트(22)가 단일 원통형 단품으로 예시되어 있지만, 다른 구조들은 본 발명의 요지 내에 포함된다. 다중 인서트의 사용이 또한 고려된다.
대부분의 기본 형태에서, 출원인의 전극은 구리 후방부에 직접 결합된 실버 전방부를 포함한다. 하프늄 인서트는 전방부에 형성된 보어에 배치된다. 도 2를 참조하여 하기에 상세히 설명된다.
출원인은 끼워맞춤(press-fit), 연납땜(soft-solder), 진공 브레이징(vacuum brazing), 토치 브레이징(torch brazing), 나사결합(threading), 접착제, 초음파 용접 등과 같은 종래의 접합방법을 사용할 때 구리/실버 결합면에 고강도의 유출방지 접합을 얻는 것이 어렵다는 것을 인식하고 있다. 실버 전방부를 구리 후방부에 부착시키는데 사용되는 스웨이지형(swaged), 연질납땜형(soft soldered), 실버납땜형(silver soldered), 또는 유도가열납땜형(induction brazed) 기술의 사용은 신뢰가능한 용접밀폐를 발생하지 않는다. 이것은 접합이 조립시의 비틀림, 작동중의 고압냉매, 열응력, 열팽창 및 열수축, 전단응력, 열피로 등을 견디어야 하기 때문에 발생한다.
출원인의 발명은 후방부(20B)를 직접 전방부(20A)와 효율적이면서 효과적으로 접합시키는 기술을 포함한다. 후방부(20B)는 하기에 설명되는 것들과 같은 기술을 사용하여 전방부(20A)의 제2결합면(47)에 접합되는 제1결합면(46)을 갖는다. 제1 및 제2결합면(46, 47)의 조합은 접합을 야기시킨다. 일실시예에 있어서, 결합면들은 도시된 바와 같이 평탄하다. 그러나, 비평탄한 결합면도 또한 사용될 수 있다. 용어 비평탄은 예를 들어 아래에 기재된 접합기술로 사용될 수 있는 어떤 윤곽과 모양을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및 제2결합면은 원형의 평탄한 단면형상을 갖는다. 결합면 각각의 크기는 동일하거나 또는 다를 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 전방부와 후방부를 직접(즉, 어떤 부가적인 재료의 사용없이) 접합하는 공정을 고려한다. 제1결합면(46)은 마찰용접과 같은 직접 용접기술을 사용하여, 제2결합면(47)에 접합되고, 이것은 결국 전방부와 후방부가 직접 서로 직접접촉하는 결과를 야기시킨다. 마찰용접은 비유사(dissimilar) 재료들을 용접하는 데 광범위하게 사용되고 단가를 최소화한다. 마찰용접은 비유사 금속을 접합하기 위한 이상적인 과정이고, 높은 신뢰성, 적은 다공성 및 뛰어난 강도를 제공한다. 마찰접합은 실버와 구리 사이에 고강도이면서 유출방지 용접을 형성하는 이상적인 공정이고, 결국 용접 밀봉을 야기시킨다. 부가적으로 마찰용접은 부가적인 재료(즉, 땜납)의 사용을 요구하지 않는다. 마찰용접, 관성마찰용접 또는 직접구동 마찰용접 기술은 예를 들어 인디아나주 사우스 벤드에 소재하는 MTI Weling에 의해 수행되고, 그들의 웹사이트에 기재되어 있다. 예를 들어,http://www.mtiwelding.com을 참조. 웹사이트에서 발견되는 페이지들은 다양하면서 적당한 용접기술들과, 이들이 사용될 수 있는 몇몇 관련금속조합을 기술하고 있다.
특히, 이 웹페이지들은 관성마찰용접과 직접구동 마찰용접을 포함하는 마찰용접기술을 기재하고 있다. 이러한 기술들은 비유사 재료들 사이에서 단조 품질의 접합을 형성하도록 사용될 수 있고, 접합되려는 두개 단편의 접촉면적을 통해서 100% 맞대기용접을 형성하도록 사용될 수 있다. CD 충격용접, 충격용접, 초음파 용접, 폭발용접 및 다른 것을 포함하는 기타 직접 용접기술은, 접합되려는 소재들 사이에서 미리결정되고 제어된 방식에 의해 힘 및/또는 열을 생성하고 사용하기 위하여, 소재의 가속 및 감속의 조합, 용접속도, 마찰력, 단조력(forge force), 그리고 다른 물리력의 조합을 때때로 다양한 전압 및 전류흐름의 전기와 협력하여 사용해서, (플럭스, 납땜, 브레이즈 또는 충전재료와 같은) 이질적인 재료의 유입없이 강하면서 유출방지의 접합을 형성한다. 그들은 이러한 신속한 사용속도와 효율적인 사이클시간 및 소재재료의 최소손실을 성취한다. 이러한 기술들은 본 발명의 요지 내에 있는 것으로 간주된다.
직접 용접기술과 마찰용접기술은 특히 실버와 구리와 같은 재료들을 접합하는 데 성공적으로 채택되었으나, 예를 들어 다음 재료들의 다양한 조합 또는 이들의 합금-알루미늄, 알루미늄합금, 황동, 청동, 초경합금, 주철, 세라믹, 코발트, 콜럼븀(columbium), 구리, 구리 니켈, 소결철, 납, 마그네슘, 마그네슘 합금, 몰리브덴, 모넬(monel), 니켈, 니켈합금, 니모닉(nimonic), 니오븀, 니오븀합금, 실버, 실버합금, 합금강, 탄소강, 무가공강(steel-free machining), 마레이징강(steel-maraging), 소결강, 스테인레스강, 공구강, 탄탈륨, 토륨, 티타늄, 티타늄합금, 텅스텐, 초경텡스텐카바이드, 우라늄, 바나듐, 밸브재료(자동) 및 지그코늄합금-을접합하는데에도 또한 효과적이다. 이러한 기술의 적절한 사용은 예를 들어 종래의 브레이징, 납땜 및 다른 접합방법-이들중 일부는 먼저 논의됨-과 비교해 보면 본 발명의 현저한 전극성능 개선을 가져온다.
본 발명의 목적을 위하여, 상술된 기술에 부가하여, 직접용접은 브레이즈, 플럭스, 납땜 또는 충전물질과 같은 부가적인 재료를 첨가할 필요없이 제1결합면(46)과 제2결합면(47)의 비유사 금속사이의 적절한 고강도 접합을 형성하는 접합방법을 포함한다. 본 발명의 목적을 위하여, 직접용접은 관성마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD충격용접, 충격용접, 초음파 용접, 폭발용접을 포함한다. 이러한 제조방법들은 제1결합면과 제2결합면 사이에서 직접 야금학적 결합을 성취하여 낮은 비용으로 강한 결합을 이루게 된다. 결합면들 사이의 직접접촉은, 특히 연납땜, 플럭스, 브레이즈, 충전물질 등의 부재시에도 본 발명의 우수한 수행에 기여한다. 무엇보다도, 합금은 제1결합면과 제2결합면이 만나는 곳에 형성될 수 있고, 이는 상이한 물질의 결합으로부터 기인한다. 이러한 합금은 직접용접 동안 및/또는 토치의 후속 동작 동안에 형성될 수 있다. 출원인은 이러한 방식으로 어떤 합금의 형성은 본 발명의 수행을 방해하지 않는다고 결정했다. 오히려 다른 형태의 접합공정에 사용된 것들과 같이 브레이즈, 플럭스, 연납땜, 충전물질 등의 사용은 반드시 회피되어야 한다. 이런 형태의 재료는 본 발명의 직접용접에 사용되지 않아, 출원인이 필요로 하는 결합면들 사이에서 직접 접촉을 성취하도록 한다.
일 특징에서, 출원인은 (1)성능과 (2)제조의 비용 및 편리성에 근거하여 실버 전방부와 구리 후방부의 최적 체적 및 형상을 갖는 전극을 개발하였다. 출원인의 복합전극은 순은(all-silver) 전극처럼 수행한다. 전극은 더 비싼 실버 재료의 물질특성에 근접한다. 전극은 방출 인서트 주위의 전방부에서 뛰어난 열전달을 제공하기 위해 필수적인 체적의 실버를 사용해서 순은 전극과 동등한 성능 및 사용수명을 성취하도록 한다. 필수적인 형상 및 체적은 실험실에서의 실험자료수집을 통해서 그리고 열플럭스의 컴퓨터 모델링에 의해서 결정될 수 있다. 이러한 기술들은 예를 들어 전극제조동안 실버의 사용량을 최소화시키는 전극을 설계하는 데 사용될 수 있고, 이에 의해서 전극의 비용을 절감한다. 공동(cavity)과 루멘(lumen)은 예를 들어 냉각능력을 향상시키거나 또는 제조에 필요한 재료량을 절감시키기 위하여 전극 본체의 전방부 및/또는 후방부의 내부에 전략적으로 배치된다. 출원인은 하프늄 인서트(22)의 뛰어난 냉각은 방출 인서트(22)의 원주면을 둘러싸도록 전방부(20A)에 실버와 같은 높은 열전도 물질을 제공함으로써 달성되고 이에 의해서 인서트(22)의 길이를 따라 전극의 전방부의 탁월한 열전달 특성과의 접촉을 제공하여 전극의 수명이 연장된다는 것을 결정하도록 이러한 기술들을 사용하였다. 더욱이, 출원인은 인서트(22)와 실버 전방부의 사이에 단일 반경방향 결합면을 제공하는 것이 또한 뛰어난 전극특성을 나타낸다는 것을 결정하였다.
전극의 후방부(20B)는 여전히 양호한 열전달 특성을 가지는 저렴한 구리 재료로 제작될 수 있지만, 더 낮은 비용에 알맞게 순은 전극과 비교할 수 있는 성능특성을 갖는 복합전극을 만들었다. 부가하여, 대부분의 열전달은 전방부(20A)에서 이루어지므로, 후방부의 가공성에 대한 더 높은 강조는 후방부 재료선택의 기준으로서 사용될 수 있다. 전극의 전방부와 후방부의 열전달 특성은 예를 들어 열전도도 또는 열확산도일 수 있다.
복합전극의 전방부와 후방부는 물질들의 다양한 조합으로 만들어질 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 전극 전방부(예를 들어, 실버)의 열전도는 일반적으로 약 400 Watts/m/deg-K보다 크고, 전극 후방부(예를 들어, 구리)의 열전도는 이 양보다 적다. 다른 실시예에서, 전극 전방부의 재료는 일반적으로 0.1㎡/sec보다 크고, 바람직하게는 적어도 0.17㎡/sec인 열확산도를 갖는다. 전극 후방부의 열확산도는 전방부의 열확산도보다 작다. 상술된 것과 같은 같은 물리적특성을 갖는 합금을 포함한 어떤 재료는 본 발명의 사용에 적당할 수 있고 본 발명의 요지 내에 있는 것으로 간주된다.
실버/구리에 부가하여, 본 발명의 복합전극에 사용하기 위한 바람직한 특성을 갖는 다른 복합(composite) 또는 다중금속 조합(combination)이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 전극의 전방부와 후방부에 알맞은 실버/알루미늄, 실버/황동 또는 황동/구리 재료조합을 사용할 수 있다. 여기서 출원인의 "복합"이란 용어의 사용은 적어도 두가지 금속성 재료를 의미하려는 의도이다.
도 2는 본 발명의 원리를 구체화시키는 전극(200) 실시예의 예시도이다. 전극(200)의 주성분은 실버 전방부(210)와 실버 전방부(210)에 마찰용접되는 구리 후방부(220)로 이루어진다. 마찰용접 접합은 실버 전방부(210)와 구리 후방부(220)의 표면들이 만나는 곳에서 생성된다. 접합이 마찰용접된 것으로 기재되어 있을지라도, 상술된 바와 같은 다른 직접용접 접합기술도 또한 사용될 수 있고, 본 발명의 요지 내에 있는 것으로 고려된다. 무엇보다도, 비록 실버 전방부(210)가 주로실버로 이루어져 있을지라도, 금, 팔라듐(palladium), 실버-구리 합금, 황동, 로듐(rhodium) 및 플라티늄(platinum) 및 이들의 합금과 같은 다른 재료도 또한 적절하고, 본 발명의 요지 내에 있다.
도 2에 도시된 접합은 전극(200)의 폭을 가로질러 연장하는 단면영역을 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 이러한 부분들의 직경은 다르고, 이들의 단면적이 다를 수 있다. 더욱이, 전방부(210)의 형상은 후방부(220)의 형상과 다를 수 있다. 예를 들어, 전방부는 디스크 또는 정사각형 형상일 수 있고, 후방부는 전방부의 표면에 마찰접합되는 튜브단부를 갖는 튜브 형상일 수 있다. 많은 다양한 형상과 구조가 생각될 수 있고, 본 발명의 효과적인 작동을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서, 실버 전방부(210)는 실버를 포함하거나 또는 실버로 이루어지고 구리 후방부(220)는 구리를 포함하거나 또는 구리로 이루어진다. 실버 전방부(210)는 하프늄 인서트가 억지끼워질 수 있는 보어(230; bore)를 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 보어(230)는 전극 본체의 전방부의 중심축을 따라 배치될 수 있다. 실버 전방부(210)를 구리 후방부(220)에 부착하도록 사용되는 마찰용접은 고강도의 용접과 함께 신뢰가능한 유출방지 용접밀폐를 발생한다. 냉각을 극대화하기 위하여, 전방부는 또한 냉각유체 흐름영역(240)쪽 후방으로 연장하고, 그러므로 유체에 의해 직접냉각된다. 일실시예에서 전극(200)은 중공형 밀형상(hollow-milled)의 구조로 이루어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중공형 밀형상 구조는 하프늄 인서트로부터 냉각영역(240)으로 열을 전달하기 위해 표면적(250A, 250B, 250C, 250D, 250E, 250F)을 증대시킨다.
코인형 실버(90% 실버, 10% 구리)에 무산소 구리의 최강도(full strength) 용접은 마찰용접을 사용하여 성취된다. 굽힙시험과 장력시험은 실버 재료와 동일한 강도를 나타낸다. 실버/구리 전극용 피어스(pierce)의 수에 대한 전극의 피트 깊이를 비교한 실험실 결과는, 도 3에 도시된 바와 같이 실버의 깊이가 소비될 때까지 순은 전극과 동일하다. 상기 내용은 단지 대표적인 실시예이고, 본 발명의 요지 내에서 다른 모양도 가능하다.
도 4는 다양한 전극에 있어서 피트 깊이와 전극개시의 수를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따라서 제작된 전극의 성능은 그래프에서 곡선(401, 403)으로 지정된다. 이 그래프는 상업적으로 입수가능한 구리 전극(405, 406)의 곡선들 및 구리-실버 조합 전극(408A~408F)의 곡선들의 결과와 비교된다. 도 4에서 데이타는 본 그래프에서 표시된 정보를 얻기위하여 다수의 4초 실행이 각각의 전극에서 이루어지는 4초 수명테스트 측정을 사용해서 얻어진다. 그래프는 발명자들의 발명에 따라서 제작된 전극의 뛰어난 장수명을 나타낸다.
도 5는 60초 수명테스트 측정(즉, 전극 각각에 60초 지속의 다수 실행)을 제외하고는 도 4와 비교가능한 데이타의 그래프이다. 본 발명에 따른 전극들은 도 5에서 도면번호 501, 503으로 표시된다. 구리전극 결과는 도면번호 505, 506으로 표시된다. 상업적으로 입수가능한 구리-실버 조합 전극의 결과는 도면번호 508A~508F로 표시된다. 다시, 결과들은 발명자들의 발명에 따라서 제작된 전극의 뛰어난 장수명을 나타낸다.
도 6은 컴퓨터 유체역학 모델에 근거하여 연장된 작업동안 실버 팁전극에서온도분포를 나타내는 도면이다. 본 도면은 실버 전방부(20A)에 하프늄 인서트(22)를 포함시킨 작동전극의 단면도를 나타낸다. 본 도면에서 모델화된 전극은 중심축(605) 주위에서 대칭이다. 전극은 환형 리세스(56)에 존재하는 냉매에 의해서 냉각된다. 평탄한 방출면(22A)의 근처에서 온도는 그래프에서 표시된 것을 판독한 최대 온도(190℃)보다 높고 백색(white)(영역 610)으로 표시된다. 이 형상은 전극에서 하프늄 인서트(22)로부터 떨어진 방사상 열전도도의 정도를 정량적으로 나타내고, 전도도를 향상시키기 위하여 방사상 방향에서 허용가능한 실버를 갖는 중요도를 예시한다.
하프늄 인서트(22)로부터 떨어진 방사상 열전도는 본 발명의 중요한 특징이다. 도 7A~7Q는 본 발명의 요지 내에 있는 전극팁의 상이한 구조의 몇몇 다른 실시예를 예시한다. 전극팁(705)의 실버 부분의 직경 및/또는 양(quantity)은 전극(710)의 구리 부분의 양 및 형상과 하프늄 인서트(22) 또는 (만약 다중 인서트가 존재한다면) 인서트들의 치수, 형상 및 위치설정과 협력하여 특정 응용에 적합한 방사상 냉각의 요구량을 달성하도록 치수화된다. 도 7A~7Q에 도시된 본 발명의 실시예에서, 하프늄 인서트(22)의 전체 길이는 열제거를 용이하게 하도록 전극팁(705)의 실버 부분과 접촉한다.
도 7R은 전극의 후방부가 전극의 전방부를 수용하도록 채택되는 일실시예를 도시한다. 전극(710)의 후방부의 크기 및 형태는 제2결합면(47)이 제1결합면(46)에 의해 형성된 수용부(715) 내에 끼워지도록 조정될 수 있다. 본 실시예에서 전극팁(705)의 전방부는 전극팁(710)의 후방부보다 작은 직경을 갖고, 전극팁(705)의전방부는 수용부(715) 내에 끼워지도록 제작될 수 있다. 전극의 전방부는 수용부(715)의 실질적인 모든 직경을 차지할 수 있다. 마찰용접 후에, 본 발명의 실시예는 도 7Q에 도시된 바와 같은 전극팁을 발생시킬 수 있다.
언급된 실시예는 하프늄 인서트로부터 열을 제거하기 위하여 냉매(52)를 사용한다. 전극의 전방부와 후방부의 기하학적 형상은 예를 들어 열전도 요구사항과 제조비용을 최적화하도록 일체형으로 제작될 수 있다. 전극팁에 사용된 실버는 그의 열전도 특성의 사용을 최적화하기 위하여 전략적으로 위치된다. 직접용접의 사용은 더욱 고가인 재료의 특성이 요구되지 않는 경우에 저렴한 재료(예를 들어, 구리)가 사용되는 것을 허용한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기재되었지만, 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 형태 및 상세함에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (50)

  1. 전극을 보유하기 위한 토치본체-상기 토치본체는 플라즈마 가스를 플라즈마 챔버로 지향시키기 위한 플라즈마 유동경로를 포함함-와; 복합전극과; 상기 복합전극에 인접하여 장착된 노즐-상기 노즐과 복합전극은 상기 플라즈마 챔버를 한정함-을 포함하고,
    상기 복합전극은 전방부와 후방부를 갖는 전극본체를 포함하고;
    상기 후방부는 제1금속 재료로 이루어지고, 제1결합면을 구비하고,
    상기 전방부는 제2금속 재료로 이루어지고, 상기 제1결합면과 접합하도록 형성된 제2결합면을 갖고,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 서로 직접 접촉하고,
    상기 제1금속 재료와 제2금속 재료는 열전달 특성을 갖고,
    상기 제2금속 재료의 열전달 특성값은 상기 제1금속 재료의 열전달 특성값보다 큰 플라즈마 아크 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극본체의 전방부의 제1단부에 배치되고, 상기 전극본체를 통과하는 중심축을 따르는 보어와; 상기 보어에 배치된 인서트를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인서트는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 토륨, 란탄, 스트론튬 또는 이들의 합금으로 이루어진 높은 열이온 방출 재료로 구성되는 플라즈마 아크 토치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 실질적으로 동일 크기인 플라즈마 아크 토치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 크기를 갖는 플라즈마 아크 토치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극본체의 후방부는 공동부를 포함하는 플라즈마 아크 토치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 평탄한 플라즈마 아크 토치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 비평탄한 플라즈마 아크 토치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 형상을 갖는 플라즈마 아크 토치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 후방부는 상기 전극의 전방부를 수용하는 수용부를 포함하는 플라즈마 아크 토치.
  11. 제1항에 있어서,
    인서트와 상기 전극본체의 전방부 사이에 단지 단일 방사 경계면이 제공된 플라즈마 아크 토치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2금속 재료는 실버, 황동, 실버-구리 합금, 플라티늄, 금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 플라즈마 아크 토치.
  13. 제1항에 있어서,
    냉각유체의 유동을 허용하기 위한 내부 유동경로-유동하는 냉각유체는 상기 복합전극의 전방부를 냉각시킴-를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치.
  14. 제13항에 있어서,
    냉각유체의 유동은 상기 전극본체의 전방부의 제1단부에 있는 보어에 배치된인서트를 직접 냉각시키는 플라즈마 아크 토치.
  15. 토치에 사용하기 위한 복합전극에 있어서,
    전방부와 후방부를 갖는 전극본체를 포함하고;
    상기 후방부는 제1금속 재료로 이루어지고, 제1결합면을 구비하고,
    상기 전방부는 제2금속 재료로 이루어지고, 상기 제1결합면과 접합하도록 형성된 제2결합면을 갖고,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 서로 직접 접촉하고,
    상기 제1금속 재료와 제2금속 재료는 열전달 특성을 갖고,
    상기 제2금속 재료의 열전달 특성값은 상기 제1금속 재료의 열전달 특성값보다 큰 복합전극.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 크기를 갖는 복합전극.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 평탄한 복합전극.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 비평탄한 복합전극.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 전극본체의 후방부는 공동부를 포함하는 복합전극.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 형상을 갖는 복합전극.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 전극의 후방부는 상기 전극의 전방부를 수용하는 수용부를 포함하는 복합전극.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면 사이의 직접접촉은 마찰용접, 관성 마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD 충격용접, 충격용접, 초음파 용접 또는 폭발용접과 같은 직접 용접기술을 사용하여 형성되는 복합전극.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면 모두는 원형인 복합전극.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 실질적으로 동일 크기인 복합전극.
  25. 제15항에 있어서,
    인서트와 상기 전극본체의 전방부 사이에 단지 단일 방사 경계면이 제공된 복합전극.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 상기 제1금속 재료는 구리, 황동, 알루미늄 및 구리합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 복합전극.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 제2금속 재료는 실버, 황동, 실버-구리 합금, 플라티늄, 금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 복합전극.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 접합은 용접밀폐를 형성하는 복합전극.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 전극본체의 전방부의 제1단부에 배치되고, 상기 전극본체의 전방부를 통과하는 중심축을 따르는 보어와; 상기 보어에 배치된 인서트를 더 포함하는 복합전극.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 인서트는 실질적으로 원통형상을 갖는 복합전극.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 인서트는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 토륨, 란탄, 스트론튬 또는 이들의 합금으로 이루어진 높은 열이온 방출 재료로 구성되는 복합전극.
  32. 제15항에 있어서,
    냉각유체의 유동을 허용하기 위한 내부 유동경로-유동하는 냉각유체는 상기 복합전극의 전방부를 냉각시킴-를 더 포함하는 복합전극.
  33. 제32항에 있어서,
    냉각유체의 유동은 상기 전극본체의 전방부를 직접 냉각시키는 복합전극.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 냉각유체는 인서트를 직접 냉각시키는 복합전극.
  35. 제1금속 재료로 이루어지고 제1결합면을 갖는 전극의 후방부를 제공하는 단계와;
    제2금속 재료로 이루어지고 상기 제1결합면과 결합하도록 형성된 제2결합면을 갖는 상기 전극본체의 전방부를 제공하는 단계-상기 제1금속 재료와 제2금속 재료는 열전달 특성을 갖고, 상기 제2금속 재료의 열전달 특성값은 상기 제1금속 재료의 열전달 특성값보다 큼-와;
    접합을 형성하기 위하여 상기 제1결합면과 제2결합면을 직접 용접하는 단계로 이루어진 전극 제조방법.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 크기를 갖는 방법.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 전극본체의 후방부는 공동부를 포함하는 방법.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 형상을 갖는 방법.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 전극의 후방부는 상기 전극의 전방부를 수용하는 수용부를 포함하는 방법.
  40. 제35항에 있어서,
    상기 직접용접단계는 마찰용접, 관성 마찰용접, 직접구동 마찰용접, CD 충격용접, 충격용접, 초음파 용접 또는 폭발용접중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  41. 제35항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 평탄한 방법.
  42. 제35항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 비평탄한 방법.
  43. 제35항에 있어서,
    상기 제2금속 재료는 실버, 황동, 실버-구리 합금, 플라티늄, 금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  44. 제35항에 있어서,
    상기 전극은 냉각유체의 유동을 허용하기 위한 내부 유동경로-유동하는 냉각유체는 상기 복합전극의 전방부를 냉각시킴-를 더 포함하는 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 냉각유체의 유동은 상기 전극본체의 전방부의 제1단부에 있는 보어에 배치된 인서트를 직접 냉각시키는 방법.
  46. 제40항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면 사이의 상기 접합은 용접밀폐를 형성하는 방법.
  47. 제35항에 있어서,
    상기 전극본체의 전방부는 상기 전극본체의 전방부의 제1단부에 배치되고, 상기 전극본체의 전방부를 통과하는 중심축을 따르는 보어와; 상기 보어에 배치된 인서트를 더 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 인서트는 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 토륨, 란탄, 스트론튬 또는 이들의 합금으로 이루어진 높은 열이온 방출 재료로 구성되는 방법.
  49. 제35항에 있어서,
    상기 제1결합면과 제2결합면은 상이한 형상을 갖는 방법.
  50. 제47항에 있어서,
    상기 인서트와 상기 전극본체의 전방부 사이에 단지 단일 방사 경계면이 제공된 방법.
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