KR200321775Y1 - 과열방지형 용접기 토치구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 금속재의 접합이나 절단에 사용되는 용접기 토치에 관한 것으로서, 특히 토치헤드와 체결부를 연결하는 연결부에 그 지름이 일정치 이하로 제작되는 미세관이 설치됨으로써 미세관을 통과하는 가스의 온도가 급격히 저하되므로 토치의 온도가 일정 온도 이상으로 상승되는 것을 억제하여 보다 안전한 용접을 이룰 수 있을 뿐 아니라 용접기 토치의 수명 또한 장구히 할 수 있도록 한 과열방지형 용접기 토치구조에 관한 것이다.

이와 같은 본 고안은 용접기 본체에서 연장된 케이블 및 비활성가스가 공급되는 가스관이 연결된 체결부와, 상기 체결부에서 연장된 연결부와, 상기 연결부의 일측 단부에 설치되어 가스토출구를 이루며 전극이 설치된 토치헤드를 포함하는 토치에 있어서, 상기 연결부는 상기 가스관과 비교하여 지름이 작도록 형성되는 미세관으로 이루어져 상기 연결부를 지나는 가스의 온도가 강하되도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

과열방지형 용접기 토치구조{A prevention overheating type torch's structure for the welding machine}

본 고안은 금속재의 접합이나 절단에 사용되는 용접기 토치에 관한 것으로서, 특히 토치헤드와 체결부를 연결하는 연결부에 그 지름이 일정치 이하로 제작되는 미세관이 설치됨으로써 미세관을 통과하는 가스의 온도가 급격히 저하되므로 토치의 온도가 일정 온도 이상으로 상승되는 것을 억제하여 보다 안전한 용접을 이룰 수 있으며, 아울러 용접기 토치의 수명을 장구히 할 수 있도록 한 과열방지형 용접기 토치구조에 관한 것이다.

일반적으로는 용접은 그 방법 및 장치의 구성에 따라 아크용접, 가스용접, 저항용접, 특수용접으로 분류할 수 있으나, 여기서는 방전을 통해 전극과 전극 사이에 아크를 만들고, 그 발열에 의해서 용착부를 녹이는 아크용접에 한정하여 서술한다.

아크용접은 대기 속에서 행할 수 있으나, 녹는점이 높은 금속이나 활성금속인 경우에는 대기와 반응하여 오염되므로 비활성기체를 채운 상자(챔버) 속에서 작업을 하든가, 비활성가스가 분사되는 노즐이 설치된 용접용 전극으로 용접작업을 행한 후에 그 부분이 충분히 냉각될 때까지 비활성기체를 계속 뿜어내는 방법을 사용한다.

여기에 사용되는 전극은 전극자체 또는 용접봉을 녹여서 접합부를 메우는 소모식 전극과, 전극이 녹지 않고, 소재를 녹여서 접합시키는 비소모식 전극이 있는 바, 비소모식 전극 중에 텅스텐을 사용하는 방법을 티그용접(Tungsten Inert Arc Welding, TIG)이라 한다.

상기한 바와 같이 티그용접은 비활성가스인 아르곤가스의 분위기 하에서 텅스텐 전극과 모재(피용접물) 사이에 아크를 발생시킴으로써 아크에 의해 열이 발생되고, 이로써 모재 및 용가봉이 용융되어 금속을 접합시킬 수 있도록 하는 용접방법이다.

상기한 바와 같은 티그용접을 행하는 용접기는 전압을 발생시켜 각각의 전극이 생성되도록 하는 용접기 본체와, 상기 용접기 본체에 케이블로 연결되고, 토출구에 텅스텐 전극이 설치된 용접기 토치와, 상기 용접기 토치와 모재 사이에 아크가 발생되도록 용접기 본체와 모재를 연결하는 케이블과, 용접기 본체에 연결되어 용접기 토치에 아르곤가스를 공급하는 가스 저장탱크와, 용접기의 작동을 제어할 수 있도록 하는 스위치박스를 포함한다.

도 1은 종래기술에 의한 용접기 토치의 주요부가 도시된 분해 사시도이다.

상기 용접기 토치는 용접기 본체에서 연장된 케이블에 연결된 토치 본체(20)와, 상기 토치 본체(20)의 상단에 결합되고 상부 일측에 아르곤가스가 분사되는 토출구가 형성되며 이 토출구에 텅스텐 전극(미도시)이 외측으로 돌출되도록 설치된 토치(30)와, 상기 토치(30)의 하단에 체결되고 토치 본체(20)를 통해 유입되는 가스가 토치(30) 내부로 유입되도록 설치된 연결부재(10)를 포함한다.

여기서 상기 토치 본체(20)는 사용자가 용접기 토치를 잡는 손잡이로서, 상단 및 하단에 홀부가 형성되어 하단으로 용접기 본체에서 연장된 가스관 및 케이블이 삽입되고, 상단에는 상기 토치(30)가 결합된다.

또한 상기 토치 본체(20)는 사용자가 손에 쥐고 토치(30)의 방향을 조절할 수 있도록 함과 동시에 일측에 가스 제어스위치 및 전류 제어스위치가 설치되어 작업자가 용접작업을 행하면서 아르곤가스의 분출 정도 및 전류공급을 조절할 수 있도록 한다.

도 2는 종래기술에 의한 용접기 토치가 도시된 측면도이다.

상기 토치(30)는 연결부재(10)가 체결되어 토치 본체(20)를 통해 공급되는 아르곤가스나 전류가 토치(30)의 상단으로 연결되도록 하는 체결부(36)와, 상기 체결부(36)의 일측 단부에 일체로 연장 형성되는 연결부(34)와, 상기 연결부(34)의상단에 접합되어 토치(30)의 토출구를 이루는 토치헤드(32)를 포함한다.

여기서 상기 체결부(36)는 통상의 소켓 모양으로 형성되고, 그 내주면에 나사산이 형성되어 상기 연결부재(10)가 체결되며, 상단에 연결부(34)가 일체로 형성되어 연장되는 바, 연결부재(10)로부터 공급되는 아르곤가스의 유입홀부는 그 지름을 도 3에 a로 도시하였으며, 통상 1.0㎜ 이상으로 형성된다.

상기 토치헤드(32)는 일측에 토출구가 형성되어 아르곤가스가 분사되도록 하고, 상기 토출구에 노즐 형상의 티그용접 헤드(미도시)가 설치되며, 이 티그용접 헤드의 내측으로부터 외측으로 돌출되는 전극이 설치됨으로써 모재에 접촉되면 아크가 발생되어 용접작업을 행할 수 있도록 한다.

그러나 종래기술에 의한 용접기용 토치구조는 상기 연결부(34)가 통상의 가스관으로 이루어지기 때문에 열에 대해 노출이 많은 경우 연결부(34)에 변형이 발생되므로 정밀하고 정확한 용접작업을 행할 수 없는 문제점이 있다.

또한 상기한 바와 같은 연결부(34)의 변형이 반복적으로 장시간 발생되면 연결부(34)를 이루는 가스관이 파손되므로 토치(30)의 수명이 짧아져 용접기의 관리, 보수에 소요되는 비용을 절감하기 어려운 문제점이 있다.

본 고안은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 토치의 연결부에 미세관을 설치함으로써 연결부의 입구측과 출구측의 압력차에 의한 온도차가 발생되므로 분사되는 비활성기체의 온도가 현저하게 낮아져 토치의 변형을 억제할 수 있도록 한 과열방지형 용접기 토치구조를 제공하는 데 주된 목적이있다.

도 1은 종래기술에 의한 용접기의 주요부가 도시된 분해 사시도,

도 2는 종래기술에 의한 용접기 토치가 도시된 측면도,

도 3은 종래기술에 의한 용접기 토치의 흡입구가 도시된 저면도,

도 4는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조가 도시된 측면도,

도 5는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치가 도시된 사시도,

도 6은 본 고안에 의한 과열방지형 용접기의 토치흡입구가 도시된 저면도,

도 7은 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치의 시험데이터 표 1 및 표 2에 의한 막대그래프,

도 8은 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치의 시험데이터 표 3 및 표 4에 의한 막대그래프,

도 9는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치의 시험데이터 표 5에 의한 막대그래프,

도 10은 본 고안에 의한 과열방지형 토치구조의 다른 실시예가 도시된 사시도,

도 11은 본 고안에 의한 과열방지형 토치구조의 다른 실시예의 토치가 도시된 사시도,

도 12는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조가 적용된 용접기의 사용상태도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

100 : 용접기 토치 120 : 토치 본체

122 : 가스 제어스위치 124 : 전류 제어스위치

130 : 토치 132 : 토치헤드

134 : 연결부 136 : 체결부

138 : 피복재 140 : 스위치박스

150 : 가스 저장탱크 160 : 용접기 본체

165 : 케이블 180 : 모재

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안은 용접기 본체에서 연장된 케이블 및 비활성가스가 공급되는 가스관이 연결된 체결부와, 상기 체결부에서 연장된 연결부와, 상기 연결부의 일측 단부에 설치되어 가스토출구를 이루며 전극이 설치된 토치헤드를 포함하는 토치에 있어서, 상기 연결부는 상기 가스관과 비교하여 지름이 작도록 형성되는 미세관으로 이루어져 상기 연결부를 지나는 가스의 온도가 강하되도록 한 것을 특징으로 한다.

이하 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조가 도시된 사시도이다.

본 고안에 따른 과열방지형 용접기 토치구조는 용접기 본체(도 10의 도면부호 160)에서 연장된 케이블에 연결된 토치 본체(120)와, 상기 토치 본체(120)의 상단에 결합되고 상부 일측에 아르곤가스가 분사되는 토출구가 형성되며 이 토출구에 텅스텐 전극(미도시)이 외측으로 돌출되도록 설치된 토치(130)와, 상기 토치(130)의 하단에 체결되고 토치 본체(120)를 통해 유입되는 가스가 토치(130) 내부로 유입되도록 설치된 연결부재(미도시)를 포함한다.

여기서 상기 토치 본체(120)는 사용자가 용접기 토치(100)를 잡는 손잡이로서, 상단 및 하단에 홀부가 형성되어 하단으로 용접기 본체(160)에서 연장된 가스관 및 케이블이 삽입되고, 상단에는 상기 토치(130)가 결합된다.

또한 상기 토치 본체(120)는 사용자가 손에 쥐고 토치(120)의 방향을 조절할 수 있도록 함과 동시에 일측에 가스 제어스위치(122) 및 전류 제어스위치(124)가 설치되어 작업자가 용접 작업을 행하면서 아르곤가스의 분출 정도 및 전류공급을 조절할 수 있도록 한다.

도 5는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기의 토치가 도시된 사시도이고, 도 6은 본 고안에 의한 과열방지형 용접기의 토치흡입구가 도시된 저면도이다.

상기 토치(130)는 연결부재가 체결되어 토치 본체(120)의 상단에 결합되는 체결부(136)와, 상기 체결부(136)의 홀부로부터 상측으로 연장되어 아르곤가스가 공급되도록 하는 연결부(134)와, 상기 연결부(134)의 상단에 일체로 형성되어 일측에 토출구가 형성된 토치헤드(132)를 포함한다.

여기서 상기 체결부(136)는 통상의 소켓 모양으로 형성되는 것으로서, 그 내측에는 나사산이 형성되어 토치 본체(120) 내부에 배치되는 연결부재가 체결되도록 하며, 중앙에는 상기 연결부(134)를 따라 가스가 외측으로 토출될 수 있도록 홀부가 형성된다.

이러한 상기 홀부의 크기는 도 6에 b로 도시하였으며, 도 3에 a로 도시된 종래기술의 홀부와 비교하여 상대적으로 작게 형성되는 바, 그 지름은 가스관과 비교하여 지름이 작도록, 즉 1/3 ~ 2/3배 이하로 그 지름이 작아지도록 형성된다.

상기 연결부(134)는 홀부의 지름과 동일한 지름의 미세관이 설치되어 이루어지는 바, 가스 통로의 단면적 변화에 의해 연결부(134)의 입구와 출구 사이에 압력차가 발생되므로 동일한 엔탈피를 이루는 연결부(134) 내에서 온도 변화가 발생되는데, 이는 줄-톰슨 효과에 의해 이루어진다.

여기서 상기 줄-톰슨 효과는 다른 기체는 상온에서 냉각되지만, 수소만은 상온에서 온도가 올라가는 것에서 착안하여 발견된 현상으로서, 압축된 기체를 단열된 좁은 통로를 통해서 빠져나가도록 한 후에 다시 지름이 큰 통로로 공급되거나 대기 중으로 토출되면 온도가 현저하게 낮아지는 현상을 말하며, 이러한 줄-톰슨 효과를 적용하여 150atm 정도로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시키면 액체공기를 만들 수 있다.

또한 상기 연결부(134)는 도 4에 도시된 바와 같이 나선형으로 이루어져 미세관의 길이를 연장할 수 있도록 하므로 연결부(134)를 지나는 아르곤가스의 온도강하를 최대화할 수 있도록 함으로써 연결부(134)가 과열되는 것을 억제하여 변형을 방지할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 미세관이 설치됨으로써 나타나는 온도강하의 효과를 입증하기 위해 본원고안의 출원인은 종래기술에 의한 일반가스관의 설치 시와 미세관 설치 시를 연결부의 입구측 단부(134b)및 출구측 단부(134a)와 토치헤드(132)의 온도를 2차에 걸쳐 측정하여 표 1 및 표 2에 도시하였다.

아래에 도시한 표 1 및 표 2에서 표시된 온도 측정부위 (1)은 토치헤드(132)를, (2)는 연결부의 토출구 측 단부(134a)를, (3)은 연결부의 흡입구 측 단부(134b)를 각각 나타내며, 상기한 바와 같이 미세관을 설치한 경우에 일반가스관과 비교하여 최고 30℃ 이상 온도차이가 발생하였음을 알 수 있다.

(표 1)

구 분	시 험 조 건	측 정 온 도 (℃)
		a	b	c
일반 가스관	낮은 전류 상태로 15분간 연속 용접 후 온도 측정	62	50	33
미세관		57	33	25

(표 2)

구 분	시 험 조 건	측 정 온 도 (℃)
		(1)	(2)	(3)
일반 가스관	60Amp 전류 상태로 10분간 연속 용접 후 온도 측정	105	80	48
미세관		76	47	31

이러한 시험에 의한 온도차이를 가시적으로 도시하기 위해 표 1 및 표 2의 결과를 도 7에서 막대그래프로 도시하였으며, 이 그래프에 의해 높은 전류가 인가된 상태에서 보다 더 온도차이가 발생되었음을 알 수 있다.

아울러 상기한 시험의 결과를 보다 신빙성 있게 제시하고자 변형된 조건에서 반복시험을 행한 바, 10Amp 이하의 낮은 전류가 인가된 상태에서 13분간 연속 용접을 행한 후의 온도 측정결과 및 60Amp의 전류가 인가된 상태에서 10분간 연속 용접을 행한 후의 온도 측정결과를 표 3 및 표 4에 도시하였고, 이 시험의 결과를 도 8에서 막대그래프로 나타내었다.

(표 3)

구 분	시 험 조 건	측 정 온 도 (℃)
		(1)	(2)	(3)
일반 가스관	낮은 전류 상태로 13분간 연속 용접 후 온도 측정	74	57	31
미세관		57	44	20

(표 4)

구 분	시 험 조 건	측 정 온 도 (℃)
		(1)	(2)	(3)
일반 가스관	60Amp 전류 상태로 10분간 연속 용접 후 온도 측정	90	65	45
미세관		70	55	30

아울러 상기 연결부(134)는 체결부(136) 및 토치헤드(132)와 같이 황동재로 이루어져 일체로 형성되는 바, 그 외벽에 고무재질의 피복재(138)가 피복되어 외관을 미려하게 함과 동시에 열의 발산을 억제하므로 토치(130)의 사용 중에 발생될 수 있는 안전사고를 방지할 수 있도록 하는 바, 표 5는 연결부(134)가 일반가스관으로 이루어지고 그 외벽에 고무가 피복된 토치와, 합성수지가 피복된 토치, 고무가 피복되고 그 내부에 미세관이 설치된 경우로 나누어 그 온도변화를 측정하였다.

(표 5)

구 분	시 험 조 건	측 정 온 도 (℃)
		(1)	(2)	(3)
일반 고무 가스관	낮은 전류 상태로 13분간 연속 용접 후 온도 측정	74	57	31
일반 수지가스관		87	63	34
미세관		57	44	20

상기한 표 5에 도시된 바와 같이 본 고안에 의한 토치(130)의 연결부(134)에 미세관이 설치되면, 일반 수지가스관 및 일반 고무가스관이 설치된 경우와 비교하여 현저하게 그 연결부(134)의 온도가 낮아지는 것을 알 수 있으며, 고무가스관이 수지가스관과 비교하여 더 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다.

이것을 도 9에 막대그래프로 도시하여 가시적으로 대비할 수 있도록 하였다.

상기한 바와 같이 본원고안의 출원인은 다양한 시험을 통하여 연결부(134)에 미세관이 설치되었을 때에 연결부(134) 내에서 줄-톰슨 효과에 의해 온도 강하현상이 나타나는 것을 증명하였으며, 상기 연결부(134)의 지름변화는 다양한 지름의 연결부를 이루어 시험한 결과, 토치 본체(120)로부터 연장되는 가스관의 지름에서 1/2로 그 지름이 작아지는 미세관을 설치하였을 때에 가장 효과적인 온도강하를 이룰 수 있음을 확인한 바, 미세관 지름의 변화가 1/3 이하로 이루어질 때는 줄-톰슨 효과는 더 증가되지만 높은 압력으로 가스를 송출하여야 하기 때문에 효율이 낮아지는 문제점이 발생되고, 지름의 변화가 1/3 이상으로 이루어질 때는 줄-톰슨 효과가 미약하여 적절한 온도강하를 이룰 수 없는 문제점이 발생된다.

도 10은 본 고안에 의한 과열방지형 토치구조의 다른 실시예가 도시된 사시도이고, 도 11은 본 고안에 의한 과열방지형 토치구조의 다른 실시예의 토치가 도시된 사시도이다.

본 고안에 의한 과열방지형 토치구조의 다른 실시예는 도 10, 11에 도시된 바와 같이 일 실시예와 비교하여 보았을 때 연결부(234) 구조에 그 차이점이 있는 바, 상기 연결부(234)가 토치헤드(232)에 접합되기 전에 토치헤드(232)의 둘레면에 다수 차례(바람직하게는 2~3회) 감겨지는 것으로서, 연결부(234)에서 발생되는 온도 강하현상에 의해 토치헤드(232)의 온도 또한 강하시킬 수 있도록 한 것이다.

이로써 줄-톰슨 효과에 의해 온도강하가 이루어지는 범위가 토치헤드(232)까지 확대되므로 더욱더 안정된 작업을 행할 수 있으며, 토치(230)의 변형 및 파손이 방지되어 용접기 토치(200)의 수명을 길게 연장할 수 있도록 한다.

도 12는 본 고안에 의한 과열방지형 토치구조가 적용된 용접기의 사용상태도이다.

본 고안이 적용된 용접기는 전류를 공급하여 전극을 이룰 수 있도록 하는 용접기 본체(160)와, 상기 용접기 본체(160)에서 연장된 케이블에 연결되고, 토출구 단부에 텅스텐 전극이 설치된 용접기 토치(100)와, 상기 용접기 토치(100)의 상대전극이 모재(180)에 형성될 수 있도록 용접기 본체(160)에서 모재(180)에 연결되는 케이블(165)과, 상기 용접기 토치(100)에 아르곤가스를 공급하도록 용접기 본체(160)에 연결되는 가스 저장탱크(150)와, 상기 용접기 본체(160) 및 가스의 공급 여부를 제어할 수 있도록 용접기 본체(160)에 연결된 스위치박스(140)가 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치가 적용된 용접기의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 사용자가 상기 케이블(165)을 모재(180)에 연결하고, 스위치박스(140)를 조작하여 아르곤가스의 분사 정도 및 발생되는 전류의 크기를 조절한 후에 상기 용접기 본체(100)를 손에 들과 용접작업을 시작한다.

이때 사용자는 상기 가스 제어스위치(122)를 조작하여 토치헤드(132)로부터 아르곤가스가 분사되도록 하고, 전류 제어스위치(124)를 조작하여 전극이 발생되도록 한 후에 토치헤드(132)에 설치된 텅스텐 전극을 모재(180)에 접촉시키면 아크가 발생되어 용접이 이루어진다.

여기서 양전극에 의해 발생되는 아크는 토치헤드(132)로부터 분사되는 아르곤가스를 분위기로 하여 발생되므로 대기와는 반응되지 않아 불순물이 생성되지 않는 깨끗한 용접을 이룰 수 있다.

아울러 토치(130)를 통과하여 분사되는 아르곤가스는 연결부(134)를 지나면서 줄-톰슨 효과에 의해 그 온도가 현저하게 낮아져 분사되므로 상기 연결부(134)가 과열되는 것을 방지하여 과열에 의한 토치(130)의 변형을 억제할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조는 미세관이 설치되어 연결부를 이룸으로써 토치를 지나 분사되는 비활성가스의 온도가 급격히 낮아지므로 장시간 용접작업을 행할 때에 과열에 의한 토치의 변형을 방지할 수 있어 안전하고, 정밀한 작업을 행할 수 있는 이점이 있다.

또한 미세관이 설치됨으로써 토치의 과열이 억제되므로 토치의 수명이 보다 더 연장될 수 있어 용접기의 관리 및 보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

아울러 본 고안에 의한 과열방지형 용접기 토치구조는 토치의 연결부가 나선형으로 이루어짐으로써 미세관을 보다 길게 설치할 수 있으므로 연결부를 지나는 비활성가스의 온도저하를 가중시켜 보다 안전한 용접작업을 행할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 용접기 본체에서 연장된 케이블 및 비활성가스가 공급되는 가스관이 연결된 체결부와, 상기 체결부에서 연장된 연결부와, 상기 연결부의 일측 단부에 설치되어 가스토출구를 이루며 전극이 설치된 토치헤드를 포함하는 토치에 있어서,

   상기 연결부는 상기 가스관과 비교하여 지름이 작도록 형성되는 미세관으로 이루어져 상기 연결부를 지나는 가스의 온도가 강하되도록 한 것을 특징으로 하는 과열방지형 용접기 토치구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연결부는 나선형의 관인 것을 특징으로 하는 과열방지형 용접기 토치구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 연결부는 상기 토치헤드의 둘레면에 다수 차례 감겨지는 것을 특징으로 하는 과열방지형 용접기 토치구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연결부는 상기 가스관과 비교하여 1/3 ~ 2/3배의 지름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과열방지형 용접기 토치구조.