KR20060127814A - 상호 교환 가능한 전극 시스템을 구비한 플라스마 토치 - Google Patents

상호 교환 가능한 전극 시스템을 구비한 플라스마 토치 Download PDF

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KR20060127814A
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Abstract

제1 절단 장치 내에 배치되어 얇은 공작물을 절단하도록 구성된 제1 전극 홀더를 포함하는 플라스마 토치용 전극 시스템이 제공된다. 상기 제1 전극 홀더는 홀더 소자를 포함하는 제1 전극 어셈블리를 수용하고, 상기 홀더 소자는 방사 삽입 소자를 수용하도록 구성되어 있다. 상기 제2 전극 홀더는 제2 절단 장치 내에서 두꺼운 공작물을 절단하도록 구성되어 있다. 상기 제2 전극 홀더는 플라스마 토치에 대해, 상기 제1 전극 홀더와 교환될 수 있다. 상기 제2 전극 홀더는 또한 펜슬 소자를 포함하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어 있다. 상호 교환 가능한 제1 및 제2 전극 홀더에 의해 얇은 공작물과 두꺼운 공작물 모두를 단일 플라스마 토치로 절단할 수 있다. 관련 전극 시스템 및 전극 디바이스도 제공된다.
전극 홀더, 플라스마 토치, 전극 시스템, 공작물

Description

상호 교환 가능한 전극 시스템을 구비한 플라스마 토치{PLASMA TORCH WITH INTERCHANGEABLE ELECTRODE SYSTEMS}
도 1은 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리를 구현하는 본 발명의 일실시예에 따른 플라스마 아크 토치의 헤드부의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 도 1에 도시된 토치 헤드로부터 한 어셈블리로서 분리되어 나온 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리, 관련 노즐, 및 제1 전극 홀더에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, 도 1에 도시된 토치 헤드에서, 도 2에 도시된 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리, 관련 노즐 및 제1 전극 홀더를 포함하는 어셈블리와 교환될 수 있는 펜슬형 제2 전극 어셈블리, 관련 노즐 및 제2 전극 홀더에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 도 3에 도시된 펜슬형 제2 전극 어셈블리, 관련 노즐 및 제2 전극 홀더에 대한 전개도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 펜슬형 제2 전극 어셈블리에 대한 상세 전개도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 콜릿의 투시도이다.
본 발명은 플라스마 토치에 관한 것이며, 특히 플라스마 토치를 얇은 공작물이나 두꺼운 공작물 모두를 절단하는데 사용할 수 있는 상호 교환 가능한 전극 시스템을 갖는 플라스마 토치에 관한 것이다.
플라스마 아크 토치는 흔히 절단, 용접, 표면 처리, 주조 및 어닐링을 포함하는 금속 작업 공정에 사용된다. 이러한 토치는 전극을 포함하는데 이 전극은 공작물로 뻗어나가는 전기 아크를 지원한다. 일반적으로는, 상기 아크를 소용돌이 식으로 에워싸는 가스를 이용하여 상기 공작물에 플라스마 가스를 내뿜어 충돌시킨다. 일부의 토치에서는, 작업 공적을 제어하기 위해 상기 플라스마 가스 및 아크의 분사를 에워싸는데 제2 또는 차폐 가스, 또는 소용돌이 물 분사를 이용한다. 기존의 플라스마 아크 토치의 한 특징은 비교적 얇은 공작물을 절단하는데 사용되는 토치들 또는 토치 구성 사이나 비교적 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용되는 토치들 또는 토치 구성 사이에 효과적인 공통성이 거의 또는 전혀 없다는 것이다. 그러므로 얇은 공작물이나 두꺼운 공작물을 절단하고자 하는 사용자는 종종 2개의 완전한 그리고 상이한 토치 어셈블리를 구입해야만 한다. 또한, 2가지 타입의 토치를 제조하고자 하는 플라스마 아크 토치 제조업자는 2개의 완전한 세트의 상이한 구성부품의 목록을 제조하고 유지하여야만 하고 이에 따라 2가지 타입의 토치를 포함할 때는 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다. 하나의 토치가 얇고 두꺼운 공작물을 모두 절단할 수 있는 경우, 두꺼운 공작물을 절단하는 이러한 토치의 공정 조건은 예를 들어 효율성의 관점에서 바람직하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이에스에이비 그룹 인코포레이티드 사(The ESAB Group, Inc)에서 제조하는 PT-15 토치 모델은 얇고 두꺼운 공작물을 모두 절단할 수 있는 토치의 한 예이다. 그렇지만, 예를 들어 6인치 정도의 두꺼운 절단은 이러한 토치가 1000 amps의 전류 레벨, 400 scfh의 가스 흐름 및 250 볼트까지의 전압에서 동작하는 것을 필요로 한다. 따라서, 이러한 동작 변수는 두꺼운 플레이트의 절단 동작이 비교적 비용이 많이 들고 집중력을 요하게 된다.
통상의 플라스마 아크 토치에서, 플라스마 가스 및 차폐 가스 또는 물은 축을 따라 동심으로 배열되거나 일렬로 배열된 플라스마 가스 노즐 및 차폐 가스 또는 물 분사 노즐을 구비하는 노즐 어셈블리에 의해 내뿜어진다. 상기 노즐 어셈블리는 전기적으로 전도되고 상기 전극과는 절연되어 있으므로 상기 토치를 개시하기 위해 상기 전극과 상기 노즐 어셈블리 사이에 전위차가 생성될 수 있다. 상기 토치를 개시하기 위해, 전위원의 한쪽, 통상적으로는 캐소드 측이 상기 전극에 접속되고, 다른 쪽, 통상적으로는 애노드 측이 스위치 및 저항을 통해 노즐 어셈블리에 접속된다. 애노드 측은 또한 저항이 개재하지 않은 공작물에도 병렬로 접속된다. 고전압 및 고주파가 상기 전극 및 상기 노즐 어셈블리를 가로질러 부과되어, 플라스마 가스 노즐 방전에 인접한 이것들 사이의 갭 양단에 전기 아크가 생성된다. 이러한 아크를 흔히 파일럿 아크 또는 개시 아크라 칭하며, 고주파이고 고전압이지만 비교적 낮은 전류이므로 토치가 손상할 염려는 없다. 상기 파일럿 아크가 공작물에 도달될 때까지 플라스마 가스가 플라스마 가스 노즐을 통해 흘러 상기 파일럿 아크 를 상기 노즐 방전을 통해 외부로 나가게 한다. 그런 다음 상기 전위원을 상기 노즐 어셈블리에 접속하는 스위치가 개방되고 상기 토치는 상기 공작물에 대해 작업 공정을 수행하는 아크 전달 모드(transferred arc mode)에 있게 된다. 상기 토치에 공급되는 전력은 상기 아크 전달 모드에서 증가하여 상기 파일럿 아크보다 높은 전류인 절단 아크가 생성하게 된다.
일부의 플라스마 아크 토치에서는 전극으로부터 공작물로의 아크를 생성하는데 방사 삽입형 전극(emissive insert-type electrode)을 사용한다. 일부의 이러한 전극들은 예를 들어 구리 홀더를 포함하는데 이 구리 홀더는 그 내부에 은 분리기를 구비한다. 이러한 은 분리기 내에는 하프늄 방사 소자가 삽입되어 유지된다. 통상적으로, 구리 홀더는 전극 홀더의 내부 실과 한 쌍이 되는 외부의 실에 의해 토치 내에 유지된다. 방사 삽입형 소자를 사용하는 이러한 토치는 일반적으로, 예를 들어 약
Figure 112006040080518-PAT00001
인치 두께까지의 카본 스틸 플레이트와 같은 비교적 두꺼운 재료를 절단하는데 유효한 것으로 알려져 있다. 두꺼운 금속 공작물을 절단할 때와 같은 일부의 예에서, 하프늄 방사 소자를 사용하는 토치는 일반적으로 적절하지 않은데 그 이유는 이러한 구성이 예를 들어 약 400 amps의 최대 전류로 제한되기 때문이다. 그렇지만, 텅스텐 삽입을 사용하는 토치 구성이 일반적으로 6인치 두께의 재료를 절단하기 위해 약 1000 amps의 최소 전류를 필요로 하더라도, 홀더에서 하프늄 삽입 대신에 텅스텐 삽입을 사용하는 토치를 두꺼운 재료를 절단하는데 사용할 수 있다. 그러한 높은 전류 레벨에서 동작하는 이러한 토치를 구성하면 예를 들어 안 전, 동작 유효성 및 제조 비용 면에서 바람직하지 않은 결과가 생기게 된다.
텅스텐 펜슬형 전극을 사용하는 토치와 같은 다른 플라스마 토치는 일반적으로 두꺼운 재료를 절단하는 유용한 것으로 알려져 있다. 이러한 텅스텐 펜슬 전극은 예를 들어 특별한 전극 홀더 장치를 구비하는 토치 내에 유지되는 고체 펜슬 형상으로 형성된 산화토륨 텅스텐으로 형성된다. 그렇지만, 방사 삽입형 전극과 함께 통상적으로 사용되는 공기 또는 산소(플라스마 가스와 같은)와 함께 텅스텐 펜슬형 전극을 사용할 수는 없다. 대신, 이러한 텅스텐 펜슬형 전극은 흔히, 두꺼운 플레이트 재료를 절단하기 위해 약 600 amps까지에서, 35% 수소 및 65% 아르곤의 혼합물, 또는 얇은 플레이트 재료를 절단하기 위해 약 150 amps 미만의 전류에서 질소와 함께 사용된다. 그렇지만, 질소, 및 35% 수소와 65% 아르곤의 혼합물은 일반적으로 약
Figure 112006040080518-PAT00002
내지 2 인치 두께보다 얇은 스틸을 절단하는데 바람직한 가스는 아니다.
요약하면, 기존의 플라스마 아크 토치는 예를 들어 비교적 얇은 공작물을 절단하는데 사용되는 토치들 또는 토치 구성 사이나 비교적 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용되는 토치들 또는 토치 구성 사이에서 유효한 공통성의 부족과 같은 몇 가지 단점이 있다. 그러므로 얇거나 두꺼운 플레이트 재료 모두를 유효한 방식으로 절단할 수 있는 플라스마 토치에 대한 요구가 존재한다.
상기 요구 및 다른 요구는 일실시예에서 플라스마 절단 토치용 전극 시스템 을 제공하는 본 발명에 의해 달성된다. 이러한 전극 시스템은 상기 플라스마 절단 토치에 의해 제1 절단 장치 내에 수용되도록 구성되는 제1 전극 홀더를 포함한다. 상기 제1 전극 홀더는 또한 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 포함하는 제1 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 얇은 공작물을 절단하는데 사용된다. 상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 제2 전극 홀더가 수용되도록 구성된다. 제2 전극 홀더는 상기 플라스마 절단 토치에 대해 상기 제1 전극 홀더와 상호 교환될 수 있다. 상기 제2 전극 홀더는 또한 펜슬 소자를 포함하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용된다. 상기 교환 가능한 제1 및 제2 전극 홀더는, 상기 얇은 공작물과 두꺼운 공작물 모두를 단일의 플라스마 절단 토치로 절단할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 다른 관점은 플라스마 절단 토치용 전극 시스템을 포함하며, 상기 플라스마 절단 토치는 제1 절단 장치 내에 수용되는 제1 전극 홀더를 구비한다. 상기 제1 전극 홀더는 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 포함하는 제1 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어 상기 플라스마 절단 토치를 얇은 공작물을 절단하는데 사용할 수 있다. 이러한 전극 시스템은, 상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 상기 제1 전극 홀더와 교환 가능하며, 펜슬 소자를 포함하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 더 구성되는 제2 전극 홀더를 포함하며, 상기 제2 전극 홀더 및 상기 제2 전극 어셈블리는 상기 플라스마 절단 토치 내에서 상기 제1 전극 홀더 및 상기 제1 전극 어셈블리와 상호 교환될 때, 상기 플라 스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용된다.
본 발명의 또 다른 관점은 플라스마 절단 토치용 전극 디바이스를 포함하며, 상기 플라스마 절단 토치는 제1 절단 장치 내에 제1 전극 홀더를 수용하도록 구성된다. 상기 제1 전극 홀더는 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 구비하는 제1 전극 어셈블리를 포함하여 상기 플라스마 절단 토치를 얇은 공작물을 절단하는데 사용될 수 있다. 이러한 전극 디바이스는, 상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 상기 제1 전극 홀더와 교환 가능한 제2 전극 홀더를 포함한다. 상기 제2 전극 홀더는 상기 플라스마 절단 토치 내에서 상기 제1 전극 홀더와 상호 교환될 때, 펜슬 소자를 구비하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 더 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 여기서 상세하게 언급한 바와 같은 상당한 이점을 제공한다.
본 발명을 일반적인 용어로 설명할 때 첨부된 도면을 참조할 것이며, 도면은 반드시 축척대로 도시하지는 않는다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명할 것이지만, 도면에는 본 발명의 모든 실시예가 아닌 일부가 도시되어 있다. 이러한 발명들은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고 본 명세서에 서술된 실시예에 제약되는 것이 아니며, 이러한 실시예들은 적용 가능한 법적 요건을 본 설명이 만족하도록 제공된다. 도면에서 동 일한 번호는 동일한 소자를 나타낸다.
도 1은 방사 삽입형 전극을 구현하는 본 발명에 따른 플라스마 토치의 일실시예를 도시하고 있으며, 상기 플라스마 토치는 도면 부호 100으로 나타나 있다. 여기에서 설명된 유형의 플라스마 토치에 대해서는 당업자가 충분히 인식할 수 있는 것이므로 이러한 토치에 대한 추가의 설명은 필요하지 않을 것이다. 그렇지만, 이러한 토치의 예가 예를 들어 세버런스 주니어 등에게 허여되고, 본 발명의 양수인이기도 한 이에스에이비 그룹 인코포레이티드 사(The ESAB Group, Inc)에 양도된 미국특허 제6,346,685호 및 제6,215,090호에 나와 있다. 하지만, 이러한 예들이 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하려는 의도는 없다.
도 1에 도시된 플라스마 토치(100)는 제1 전극 홀더(150)를 포함하며, 상기 제1 전극 홀더(150)는 상기 토치(100)의 헤드부에 수용되도록 구성된다. 상기 제1 전극 홀더(150)는 일반적으로 관 모양이고, 대향하는 축 단부(160, 170)를 포함한다. 관 모양의 제1 전극 홀더(150)는 액체나 가스 같은 냉각제를 전달하도록 구성되는데, 기부 단부(proximal end)(160)로부터 말단 단부(distal end)(170)로 그리고 상기 전극 홀더(150) 내에 수용된 전극 냉각관(180)으로 전달된다. 일부의 예에서, 상기 냉각관(180)은 예를 들어 접착제를 이용하거나 은 납땜에 의해 상기 제1 전극 홀더(150) 내에 영구적으로 설치될 수 있다. 제1 전극 어셈블리(190)는 확장 홀더 소자(200)를 포함하는데, 상기 확장 홀더 소자 역시 관 모양으로 되어 있고 대향하는 단부(210, 220)를 포함하며, 상기 전극 냉각관(180)을 지나 확장함으로써 상기 기부 단부(210)가 예를 들어 실 모양의 접속부(threaded connection)를 통해 상기 제1 전극 홀더(150)의 말단 단부(170)에 맞물리도록 구성되어 있다. 상기 홀더 소자(200)의 말단 단부(220)는 방사 삽입 소자(230)를 수용하는 축 중심의 오목부를 규정하도록 구성되어 있고, 상기 방사 삽입 소자(230)는 예를 들어 하프늄으로 구성된다. 일부의 이로운 예에서, 상기 방사 삽입 소자(230)는 분리기 소자(240)에 의해 홀더 소자(200)와는 분리되어 있고, 상기 홀더 소자(200)는 예를 들어 구리로 구성되는 반면, 상기 분리기 소자(240)는 예를 들어 은으로 구성된다.
이러한 방사 삽입형 전극에 의해, 상기 토치(100)는 전류 레벨을, 예를 들어 공기, 산소, 질소 또는 이러한 것들의 조합을 포함하는 플라스마를 이용하여 예를 들어 약 400 amps까지 사용한다. 이와 관련해서, 예를 들어 세라믹이나 플라스틱으로 구성되는 관 모양의 가스 소용돌이 배플(tubular gas swirl baffle)은 상기 제1 전극 홀더(150)와 제1 전극 어셈블리(190) 사이의 경계에 관해 이들 주위가 늘어지도록 구성되어 있으며, 또한 그 주변에 관해 접선으로 연장하는 복수의 소용돌이 홀(도시되지 않음)을 규정하여, 상기 제1 전극 어셈블리(190)에 대해 플라스마 가스가 잘 소용돌이 치도록 구성되어 있다. 토치(100)는 또한, 상기 가스 소용돌이 배플(250)과 맞물리면서 상기 홀더 소자(200)와 분리기 소자(240)와 방사 삽입 소자(230)를 포함하는 제1 전극 어셈블리(190) 위로 연장하도록 구성된 노즐(300)을 더 포함한다. 상기 가스 소용돌이 배플(250)과 연계된 상기 노즐(300)은 상기 소용돌이 홀을 통해 플라스마 가스를 수용하도록 구성되어 상기 플라스마 가스를 상기 제1 전극 어셈블리(190)에 관해 상기 노즐(300)의 선단 쪽으로 향하게 하며, 이렇게 함으로써 상기 플라스마 가스는 노즐(300)에서 나와 노즐 분출 입구(nozzle exit orifice)를 통해 공작물 쪽으로 분출된다. 토치(100)는 상기 노즐(300) 위를 연장하는 차폐 노즐(400)을 더 포함하여 차폐액이 플라스마 가스 분출을 에워싸도록 내뿜을 수 있다. 그러므로 도 1에 도시된 구성은 제1 절단 장치 내에 제1 전극 홀더(150)/제1 전극 어셈블리(190)를 포함하여 통상적으로 비교적 얇은 공작물을 절단하는데 적합하다.
본 발명의 이로운 관점에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같은 플라스마 아크 토치(100)는 비교적 두꺼운 공작물도 절단하도록 용이하게 구성될 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 토치(100)는 제1 전극 어셈블리(190)와 제1 전극 홀더(150)가 분리될 수 있도록 용이하게 분해될 수 있다. 즉, 노즐(300)과 차폐 노즐(400)을 토치(100)로부터 분리할 때는, 상기 제1 전극 홀더(150)를 토치(100)로부터 분리하기 전에, 나사를 풀거나 연계를 풀어 제1 전극 홀더(150)의 말단 단부(170)로부터 홀더 소자(200)를 분리할 수 있다. 대안으로는, 제1 전극 어셈블리(190) 및 제1 전극 홀더(150)는 하나의 어셈블리로서 토치(100)로부터 분리될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 방사 삽입형 전극 어셈블리(190) 및 제1 전극 홀더(150)는 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)와 적절한 제2 전극 홀더(150a)로 대체될 수 있다. 예를 들어, 상기 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)를 수용하도록 구성된 상기 제2 전극 홀더(150a)는 통상적으로 제1 전극 홀더(150)에 있는 것과 같은 전극 냉각관은 필요로 하지 않는다. 상기 제2 전극 어셈블리(500) 및 제2 전극 홀더(150a)를 포함하는 토치(100)는 제2 절단 장치를 나타내며 이에 의해 토치(100)는 비교적 두꺼운 공작물을 절단하는데 채택될 수 있다.
펜슬형 전극 어셈블리(500)는 펜슬 또는 로드형 모양으로 형성된 전극 소자(510)를 작동시키며, 상기 전극 소자(510)는 예를 들어 텅스텐 또는 더 구체적으로는 산화토륨 텅스텐, 산화세륨 텅스텐, 산화란타늄 텅스텐으로 이루어진다. 그렇지만, 텅스텐 전극 소자(510)는 일반적으로 (방사 소자형 전극과 함께 통상적으로 사용되는) 플라스마 가스용 공기나 산소와 함께 사용될 수 없으며, 대신에 예를 들어 약 35%의 수소와 약 65%의 아르곤으로 이루어진 혼합물과 같은 아르곤과 수소를 포함하는 플라스마 가스와 함께 사용되어야 한다. 텅스텐 펜슬형 전극 소자(510)는 약 600 amps 정도의 전류 레벨을 사용하여 두꺼운 플레이트 재료를 절단할 수 있는 것을 밝혀졌다. 따라서, 상기 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리(190)/제1 전극 홀더(150) 및 상기 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)/제2 전극 홀더(150a) 사이의 교환에 있어서, 토치(100)는 마찬가지로 플라스마 가스 소스와 전류 레벨 모두가 상기 토치(100)에 삽입되는 전극 어셈블리/전극 홀더로 약분할 수 있게 적절하게 조절될 수 있도록 구성되어야 한다. 플라스마 가스 및/또는 전류 레벨의 선택은 조작자에 의해 수동으로 수행될 수 있거나 또는 일부의 예에서는 토치(100)는 설치된 전극의 유형 및/또는 전극 홀더의 구성을 자동을 감지한 다음 플라스마 가스 및/또는 전류 레벨을 적절하게 조절하도록 구성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)는 전극 소자(510)를 수용하고 이 전극 소자를 제2 전극 홀더(150a) 내에 고정하는 콜릿 어셈블리(600)를 포함한다. 콜릿 어셈블리(600)는 예를 들어 콜릿(610)(도 6에 사시도로 도시되어 있음)을 포함하며, 상기 콜릿(600)은 대향하는 단부(620, 630)를 구비하 고 축을 따라 연장하는 보어를 정의한다. 더 구체적으로, 콜릿(610)은 기부 단부(620)에 관한 관부(tubular portion) 및 상기 관부로부터 상기 말단 단부(630) 쪽으로 축을 따라 연장하는 복수의 연장 소자(extension elements)(625)를 규정하는 연속적인 스플릿 연속부를 포함한다. 콜릿(610)은 축을 따라 연장하는 보어 내에 로드형 전극 소자(510)를 수용하도록 구성되어 있어서, 전극 소자(510)는 상기 말단 단부(630)를 통해 연장하는 동시에 상기 연장 소자들(625)로 에워싸이게 된다. 보어를 규정하는 콜릿 본체(640)는 콜릿(610)의 말단 단부(630) 위를 연장하도록 구성되어 있어서 상기 연장 소자들(625)은 상기 콜릿 본체(640) 내에 수용되며 상기 전극 소자(510)는 상기 콜릿 본체(640)에 의해 규정된 상기 보어를 통해 연장한다.
전극 소자(510), 콜릿(610) 및 콜릿 본체(640)를 포함하는 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)는 제2 전극 홀더(150a)와 연계되도록 구성되어 있기 때문에 상기 토치(100)는 재조립될 수 있다. 더 구체적으로, 콜릿(610)의 기부 단부(620)는 제2 전극 홀더(150a)로 삽입되도록 구성되어 있으므로 콜릿 본체(640)는 (상기 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리(190)의 홀더 소자(200)가 상기 제1 전극 홀더(150)와 연계하는 것과 동일한 방식으로) 상기 제2 전극 홀더(150a)와 실 모양으로 연계될 수 있다. 일부의 예에서는, 상기 콜릿(610)이 제2 전극 홀더(150a) 쪽으로 축을 따라 그 삽입되는 만큼 제한되도록 상기 제2 전극 홀더(150a)가 구성된다. 상기 콜릿 본체(640) 및 상기 콜릿(610)의 말단 단부(630)에 있는 연장 소자들(625)은 테이퍼형 표면(625a, 640a)을 상보적으로 더 규정한다. 이와 같이, 콜릿 본체(640)가 제2 전 극 홀더(150a)와 실 모양으로 연계될 때, 상기 콜릿 본체(640)의 축 이동은 제2 전극 홀더(150a) 쪽으로 꿰어지고 상기 제2 전극 홀더(150a)에 의해 야기되는 콜릿(610)의 제한적인 축 이동과 결합함으로써 상기 상보적으로 구성된 테이퍼형 표면(625a, 640a)의 삽입에 의해 상기 콜릿(610)의 말단 단부(630)에 있는 연장 소자들(625)이 상기 전극 소자(510) 쪽으로 방사상으로 진입하게 된다. 이와 같이 방사상으로 가해지는 상기 연장 소자들(625)에 대한 압력으로 인해 전극 소자(510)는 상기 콜릿(610)/콜릿 본체(640)에 대해 축을 따라 고정된다. 그렇지만, 당업자는 이러한 제2 전극 어셈블리(500)/제2 전극 홀더(150a)의 재조립이 상기 제2 전극 홀더(150a)를 상기 토치(100)에 연계시키기 전이나 후의 아무 때나 수행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
노즐(300)뿐만 아니라 차폐 노즐(400)(이것들 중 어느 하나 또는 모두는 토 치(100)의 적절한 동작 조건을 제공하는데 필요에 따라, 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리(190)와 함께 사용되는 노즐(300)/차폐 노즐(400)과는 구성에 따라 같을 수도 있고 다를 수도 있다)은 토치(100)의 재조립을 완성하기 위해 다시 설치될 수도 있다. 이후 플라스마 가스 및 전류 레벨은 토치(100) 내에 설치된 텅스텐 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)에 대해 적절하게 변경될 것이다.
그렇지만, 당업자는, 노즐 분출 입구(320)에 관해, 전극 소자(510)와 노즐(300)의 선단(310)의 내부 사이의 최적의 공간이 얻어지도록, 배출 소자 콜릿(610)/콜릿 본체(640) 내에 전극 소자(510)를 고정시키는 목적이 전극 소자(510)의 축 조정을, 가능한 반복 프로세스에서, 포함한다는 것을 이해할 것이다. (도 4 에 도시된 바와 같은) 노즐 분출 입구(320) 쪽으로 더 연장할 전극 소자(510)의 가능성은, (도 1에 도시된 바와 같은) 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리(190)의 홀더 소자(200)/분리기 소자(240)/방사 삽입 소자(230)에 비해, 여기서 서술한 바와 같은 펜슬형 제2 전극 어셈블리(500)/제2 전극 홀더(150a)를 구현하는 토치(100)가 약 600amps 정도로 비교적 낮은 전류 레벨에서 두꺼운 재료를 효과적으로 절단할 수 있게 하는 한가지 요소로서 본 발명자에 의해 인식되었다.
그러므로 본 발명의 실시예에서 단일의 플라스마 아크 토치는, 대응하는 제1 전극 홀더를 구비한 방사 삽입형 제1 전극 어셈블리를 사용하여 비교적 얇은 재료를 절단하고, 대응하는 제2 전극 홀더를 구비한 펜슬형 제2 전극 어셈블리를 사용하여 비교적 두꺼운 재료를 절단하도록 적절하게 구성될 수 있다. 이러한 단일의 토치가 얇거나 두꺼운 재료를 절단할 수 있게 하는데 필요한 변형은 일반적으로 전극 어셈블리와 전극 홀더의 변경을 포함하므로, 예를 들어 얇거나 두꺼운 공작물을 절단하고자 하는 사용자가 2개의 각각의 적절한 전극 홀더를 구비한 서로 다른 2개의 전극 어셈블리를 구비하는 단일의 토치 어셈블리를 구입할 수 있게 하는 이점이 있다. 또한 플라스마 아크 토치 제조업자는 얇은 재료와 두꺼운 재료 절단 토치를 위해 서로 다른 구성부품으로 된 2개의 완전한 세트의 목록을 제조하거나 유지할 필요가 없다는 이점도 있다. 그 결과, 비용이 훨씬 저렴한 목록 시스템뿐만 아니라 더 단순하고 비용이 덜 드는 제조 단계가 얻어진다. 또한, 펜슬형 제2 전극 어셈블리의 경우에서와 같이, 두꺼운 재료를 절단하는데 더 낮은 전류 레벨을 사용할 가능성으로 인해 동작 조건은 훨씬 더 효과적이게 되고, 마찬가지로 상기 토치는 통 상적인 두꺼운 재료를 절단하는데 필요한 것보다 덜 복잡하고 덜 단단한 시스템을 사용할 수 있게 된다.
여기서 서술한 본 발명의 많은 변형 및 다른 실시예는 전술한 설명 및 관련 도면에서 나타나 있는 이점을 갖는 이러한 발명이 속하는 당업자에게 자명하다. 그러므로 본 발명은 개시된 특정한 실시예에 제한되는 것이 아니라 변형이나 다른 실시예들이 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함되도록 의도된 것임을 이해할 것이다. 여기서는 특정한 용어가 사용되었으나, 그러한 용어들은 범용으로 그리고 표현을 위해서만 사용되는 것일 뿐 제한의 목적이 아니다.
본 발명에 따르면, 상호 교환 가능한 제1 및 제2 전극 홀더에 의해 얇은 공작물과 두꺼운 공작물 모두를 단일 플라스마 토치로 효과적으로 절단할 수 있다.

Claims (21)

  1. 플라스마 절단 토치용 전극 시스템에 있어서,
    상기 플라스마 절단 토치에 의해 제1 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 또한 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 포함하는 제1 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 얇은 공작물을 절단하도록 구성되는 제1 전극 홀더; 및
    상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 상기 플라스마 절단 토치에 대해 서로 교환될 수 있으며, 또한 펜슬 소자를 포함하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하도록 구성되는 제2 전극 홀더
    를 포함하며,
    상기 교환 가능한 제1 및 제2 전극 홀더는, 상기 얇은 공작물과 두꺼운 공작물 모두를 단일의 플라스마 절단 토치로 절단할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 어셈블리는 상기 홀더 소자로부터 상기 방사 삽입 소자를 분리하도록 구성되는 분리기 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홀더 소자는 구리로 구성되고 상기 방사 삽입 소자는 하프늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분리기 소자는 은으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홀더 소자는 상기 제1 전극 홀더를 실 모양으로 꿰도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    산화토륨 텅스텐(thoriated tungsten), 산화세륨 텅스텐(ceriated tungsten), 및 산화란타늄 텅스텐(lanthanated tungsten)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    제2 전극 어셈블리는, 상기 펜슬 소자와 상기 제2 전극 홀더 사이에 배치되어 상기 펜슬 소자가 상기 제2 전극 홀더에 확실하게 고정되도록 구성된 콜릿 어셈블리를 더 포함하며,
    상기 콜릿 어셈블리는, 대향하는 제1 및 제2 단부를 가지고 축 보어(axial bore)를 규정하는 콜릿을 구비하며, 상기 콜릿은 상기 제1 단부로부터 연장하는 관부(tubular portion) 및 복수의 연장 소자(extension elements)를 규정하고 상기 관부로부터 상기 제2 단부 쪽으로 축을 따라 연장하는 연속적인 스플릿 연속부를 포함하며, 상기 콜릿은 상기 보어를 통해 상기 펜슬 소자를 수용하도록 구성되어, 상기 펜슬 소자는 상기 제2 단부를 통해 연장하는 동시에 상기 연장 소자들로 에워싸이게 되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 콜릿 어셈블리는, 보어를 규정하고 상기 펜슬 소자가 상기 보어를 통해 연장하도록 상기 제2 단부 및 상기 연속적인 스플릿 연속부의 상기 연장 소자들 위로 연장하도록 구성되는 콜릿 본체를 더 포함하며,
    상기 콜릿 본체 및 상기 스플릿 연속부는 상보적으로 구성된 테이퍼형 표면을 규정하여, 상기 콜릿 본체와 상기 스플릿 연속부의 축 연계에 의해 상기 연장 소자들이 상기 펜슬 소자의 내부 쪽으로 방사적으로 진입하도록 해서 상기 콜릿 어셈블리에 대해 상기 펜슬 소자를 축을 따라 고정하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극 홀더는 상기 콜릿의 축 이동을 수용하되 제한하도록 구성되며, 상기 콜릿 본체는 상기 제2 전극 홀더를 실 모양으로 꿰어서 상기 콜릿을 내부에 고정시킴으로써 상기 연장 소자들로 하여금 상기 펜슬 소자를 움직이게 하고 고정시키게 하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 홀더는 플라스마 절단 토치의 토치 헤드 내에 상호 교환 가능하게 배치되도록 구성되며, 상기 플라스마 절단 토치는, 상기 플라스마 절단 토치에 의해 수용되는 상기 제1 및 제2 전극 홀더 중 대응하는 전극 홀더와의 상호작용을 위해, 상기 제1 전극 홀더와 함께 사용되는 제1 가스와 상기 제2 전극 홀더와 함께 사용되는 제2 가스를 토치 헤드에 선택적으로 제공할 수 있도록 구성된 가스 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 가스는 공기, 산소, 질소 및 이것들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 가스는 수소, 아르곤 및 이것들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 플라스마 절단 토치는 상기 플라스마 절단 토치에 의해 수용되는 상기 제1 및 제2 전극 홀더 중 대응하는 전극 홀더를 위해 상기 제1 전극 어셈블리에 제1 전류 레벨을 제공하거나 상기 제2 전극 어셈블리에 제2 전류 레벨을 선택적으로 제공할 수 있는 전류원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전류 레벨은 약 400 amps까지인 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 전류 레벨은 약 600 amps까지인 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  16. 플라스마 절단 토치용 전극 시스템에 있어서,
    상기 플라스마 절단 토치는 제1 절단 장치 내에 수용되는 제1 전극 홀더를 구비하고, 상기 제1 전극 홀더는 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 포함하는 제1 전극 어셈블리를 수용하도록 구성되어 상기 플라스마 절단 토치를 얇은 공작물을 절단하는데 사용할 수 있으며,
    상기 전극 시스템은,
    상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 상기 제1 전극 홀더와 교환 가능하며, 펜슬 소자를 포함하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 더 구성되는 제2 전극 홀더를 더 포함하며,
    상기 제2 전극 홀더 및 상기 제2 전극 어셈블리는 상기 플라스마 절단 토치 내에서 상기 제1 전극 홀더 및 상기 제1 전극 어셈블리와 상호 교환될 때, 상기 플라스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    산화토륨 텅스텐, 산화세륨 텅스텐, 및 산화란타늄 텅스텐으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    제2 전극 어셈블리는, 상기 펜슬 소자와 상기 제2 전극 홀더 사이에 배치되 어 상기 펜슬 소자가 상기 제2 전극 홀더에 확실하게 고정되도록 구성된 콜릿 어셈블리를 더 포함하며,
    상기 콜릿 어셈블리는, 대향하는 제1 및 제2 단부를 가지고 축 보어(axial bore)를 규정하는 콜릿을 구비하며, 상기 콜릿은 상기 제1 단부로부터 연장하는 관부(tubular portion) 및 복수의 연장 소자(extension elements)를 규정하고 상기 관부로부터 상기 제2 단부 쪽으로 축을 따라 연장하는 연속적인 스플릿 연속부를 포함하며, 상기 콜릿은 상기 보어를 통해 상기 펜슬 소자를 수용하도록 구성되어, 상기 펜슬 소자는 상기 제2 단부를 통해 연장하는 동시에 상기 연장 소자들로 에워싸이게 되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 콜릿 어셈블리는, 보어를 규정하고 상기 펜슬 소자가 상기 보어를 통해 연장하도록 상기 제2 단부 및 상기 연속적인 스플릿 연속부의 상기 연장 소자들 위로 연장하도록 구성되는 콜릿 본체를 더 포함하며,
    상기 콜릿 본체 및 상기 스플릿 연속부는 상보적으로 구성된 테이퍼형 표면을 규정하여, 상기 콜릿 본체와 상기 스플릿 연속부의 축 연계에 의해 상기 연장 소자들이 상기 펜슬 소자의 내부 쪽으로 방사적으로 진입하도록 해서 상기 콜릿 어셈블리에 대해 상기 펜슬 소자를 축을 따라 고정하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 전극 홀더는 상기 콜릿의 축 이동을 수용하되 제한하도록 구성되며, 상기 콜릿 본체는 상기 제2 전극 홀더를 실 모양으로 꿰어서 상기 콜릿을 내부에 고정시킴으로써 상기 연장 소자들로 하여금 상기 펜슬 소자를 움직이게 하고 고정시키게 하는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
  21. 플라스마 절단 토치용 전극 디바이스에 있어서,
    상기 플라스마 절단 토치는 제1 절단 장치 내에 제1 전극 홀더를 수용하도록 구성되고, 상기 제1 전극 홀더는 방사 삽입 소자가 수용된 홀더 소자를 구비하는 제1 전극 어셈블리를 포함하여 상기 플라스마 절단 토치를 얇은 공작물을 절단하는데 사용될 수 있으며,
    상기 전극 디바이스는,
    상기 플라스마 절단 토치에 의해 제2 절단 장치 내에 수용되도록 구성되고, 상기 제1 전극 홀더와 교환 가능한 제2 전극 홀더를 더 포함하며,
    상기 제2 전극 홀더는 상기 플라스마 절단 토치 내에서 상기 제1 전극 홀더와 상호 교환될 때, 펜슬 소자를 구비하는 제2 전극 어셈블리를 수용하도록 더 구성되어, 상기 플라스마 절단 토치가 두꺼운 공작물을 절단하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 플라스마 절단 토치용 전극 시스템.
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