KR20080041731A - 인서트 구성이 향상된 플라즈마 토치 전극 - Google Patents

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하이퍼썸, 인크.
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Abstract

플라즈마 아크 토치에 사용되는 향상된 전극이 제공된다. 전극은 전극 본체, 전극 본체에 의해 정의되어 전극 본체 내에 배치되는 보어, 및 보어 내에 배치된 인서트를 포함한다. 인서트 및/또는 전극의 보어는 전극 수명을 연장시키기 위해 전극에서의 인서트의 유지를 향상시키도록 구성된다. 본 발명은 또한 전극 형성 방법을 포함한다. 이 방법은 제2 갭보다 큰 외부 갭이 형성되도록 인서트를 전극의 보어 안으로 위치시키는 단계를 포함한다.
전극, 전극 본체, 보어, 인서트, 전극 수명, 갭, 유지

Description

인서트 구성이 향상된 플라즈마 토치 전극{PLASMA TORCH ELECTRODE WITH IMPROVED INSERT CONFIGURATIONS}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 아크 토치 시스템 및 공정 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플라즈마 아크 토치에 사용되는 전극에서의 향상된 인서트(insert) 구성, 및 이러한 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 아크 토치는 금속 물질의 고온 처리(예컨대, 절단, 용접, 및 마킹)에 널리 사용된다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 플라즈마 아크 토치는 일반적으로 토치 본체(1), 본체에 장착된 전극(2), 전극(2)의 보어(bore) 내에 배치된 인서트(3), 중앙 배출 구멍을 가진 노즐(4), 차폐부(shield; 5), 전기 접속(도시되지 않음), 냉각 및 아크 제어 유체의 통로, 유체 흐름 패턴을 제어하는 소용돌이 링, 및 전원 공급 장치(도시되지 않음)를 포함한다. 토치는 높은 온도 및 높은 모멘텀을 가진 플라즈마 가스의 억제되고 이온화된 분출(jet)인 플라즈마 아크를 발생한다. 가스는 무반응성, 예컨대 질소 또는 아르곤, 또는 반응성, 예컨대 산소 또는 공기일 수 있다.
금속 워크피스(metallic workpiece)를 플라즈마 아크 절단 또는 마킹하는 공정에서, 파일럿 아크(pilot arc)가 먼저 전극 (캐소드)과 노즐 (애노드) 사이에서 발생된다. 파일럿 아크는 노즐 배출 구멍을 통과하는 가스를 이온화시킨다. 이온화된 가스가 전극과 워크피스 사이의 전기 저항으르 감소시킨 후, 아크는 노즐로부터 워크피스로 전달된다. 일반적으로 토치는 이 전달된 플라즈마 아크 모드에서 작동되며, 워크피스의 절단, 용접, 또는 마킹을 위한 전극으로부터 워크피스로의 이온화된 가스의 전도성 흐름을 특징으로 한다.
반응성 플라즈마 가스를 사용하는 플라즈마 아크 토치에서, 높은 열이온 방출 물질의 인서트를 가진 구리 전극을 사용하는 것은 알려져 있다. 도 1B 내지 도 1D는 인서트를 전극의 보어에 삽입 및 고정하는 공지된 방법을 예시한다. 도 1B는 인서트(10)가 보어 전극 본체(12)의 단부에서 눌리는 것(15)을 예시한다. 도 1C는 전극 본체(12)의 단부면(19)과 동일 평면상에서 눌리는(15) 고정된 인서트(11)를 예시하고, 전극 본체(12)에 인서트(11)를 고정하는 결과적인 측방향 힘의 개략적인 표현을 제공한다. 이들 결과적인 힘은 연장된 인서트로부터의 표면 마찰로 인해 인서트의 노출된 단부 가까이에서 보다 큰 것으로 생각된다. 공지된 구성의 인서트들을 직선벽을 가진 보어에 조립할 때, 인서트는 보어의 폐쇄 단부보다 보어의 최상부에 더 가깝게 방사상으로 팽창하여 쐐기 형상을 생성하는 경향이 있다. 방사상 벌지(bulge)가 때때로 보어의 개방 단부(14) 가까이에 형성된다. 인서트는 노출 단부로부터만 눌리므로, 이 테이퍼진 벌지는 뜻밖의 것이 아니다. 눌리는 동안에, 일단 보어가 본래 인서트로 채워져 더 이상 인서트 물질을 추가로 받아들일 수 없으면, 보어의 개방 단부로부터 눌리는 잔류 인서트 물질은 전극 본체의 후프(hoop) 강도가 크지 않은 보어의 개방 단부에서 벌지를 형성하는 경향이 있다. 결과적인 구성은 초기에 인서트를 고정하나, 보어의 개구 쪽으로의 인서트의 이동은 인서트의 표면 접촉 및 유지력을 크게 감소시킨다. 도 1D는 보어의 쓰루홀(through-hole) 구성에서의 고정된 인서트(17)를 예시하며, 19는 전극 본체(16)의 내부 표면에 의해 정의되는 부피(volume)이다. 인서트(17)는 이 구성에서 양쪽에서 눌리며, 힘(18)은 인서트의 설치를 위해 부피(19) 안으로 눌리는 앤빌(anvil) 또는 굴대(mandrel)로부터 공급될 수 있다. 쓰루홀 타입(19)의 전극 본체는 또한 중앙 길이방향 축과 각을 이룬 선형의 테이퍼진 벽, 즉, 직선 벽을 가진 것으로 알려져 있으며, 선형의 테이퍼진 인서트는 매칭되는 형상을 가진다.
인서트는 방출 표면 영역을 정의하는 외부, 즉 노출 단부면을 가진다. 인서트의 외부 표면은 일반적으로 평면이고, 전극의 단부면과 동일 평면상에 있도록 제조된다. 전극의 단부면은 전형적으로 평면이지만, 외부 곡면, 예컨대, 에지를 가질 수 있다. 하프늄 또는 지르코늄으로 인서트를 제조하는 것이 알려져 있다. 이들은 일반적으로 원통형 형상을 가진다. 인서트 물질(예컨대, 하프늄)은 고가일 수 있다.
플라즈마 아크 토치 전극의 작동 동안에, 온도 구배 및 역학과 같은 토치 조건은 인서트를 제자리에 유지하는 유지력을 감소시키며, 인서트를 보어 안으로 이동시키거나 보어로부터 완전히 떨어뜨려, 전극의 사용 기간을 감소시키거나 완전히 고갈시킨다. 인서트의 움직임은 또한 전극 인터페이스에 대한 인서트가 열화되어, 인터페이스의 열 및 전기 전도율, 따라서 전극의 사용 기간이 마찬가지로 감소됨을 나타낸다. 또한, 인서트 물질(예컨대, 하프늄)은 플라즈마 아크에 의해 생성되는 열의 제거를 위해 불충분한 열 전도체이며, 10,000 °C를 초과하는 온도를 발생한다. 이들 높은 온도로 인한 열의 불충분한 제거는 전극의 사용 기간을 감소시킬 수 있다.
보어 내의 인서트의 유지를 향상시킨 전극이 필요하다. 본 발명의 제1 목적은 인서트 유지를 향상시켜 인서트와 전극 간의 인터페이스의 열전도성 및 전극의 효율성 및 사용 기간을 증가시킨 전극을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 인서트의 냉각, 따라서 사용 기간을 향상시키는 인서트 구성을 가진 전극을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 필요한 인서트 물질의 양을 최소화하여 전극 비용을 감소시킴과 동시에 전극의 효율성 및 사용 기간을 떨어뜨리지 않는 인서트 구성을 가진 전극을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 더 긴 사용 기간을 가진 전극을 제공하는 것이다.
본 발명은 이들 목적을, 전극 내에 인서트를 고정하기 위해 인서트의 내부(예컨대, 접촉 단부 또는 중앙부) 또는 보어의 내부(예컨대, 폐쇄 단부 또는 중앙부) 가까이에 위치되는 유지력을 형성하기 위하여 전극 보어 및/또는 인서트 구성을 사용함으로써 달성한다. 본 발명은 또한 인서트의 크기를 최소화하여, 인서트 원료 비용을 감소시키고 전극 냉각을 향상시킨다.
본 발명의 일 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공하고, 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 폐쇄 단부 및 개방 단부를 포함한다. 보어는 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의한다. 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 폐쇄 단부에 가깝다. 전극은 또한 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 상기 인서트는 상기 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부 및 상기 보어의 폐쇄 단부 가까이에 배치된 접촉 단부를 포함한다. 인서트는 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하고, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 폐쇄 단부에 가깝다. 보어의 제2 치수는 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치수는 인서트의 제1 치수보다 크다. 일부 실시예에서, 전극은 인서트와 보어 사이에 설치된 슬리브를 더 포함한다. 제2 치수는 환형 노치에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공하고, 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어는 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함하고, 제1 부분은 보어의 외부 개방 단부를 포함하고, 상기 제3 부분은 보어의 내부 개방 단부를 포함한다. 상기 보어의 제2 부분은 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하고, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 제3 부분에 가깝다. 전극은 또한 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 인서트는 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 보어의 외부 개방 단부에 가까이 배치된 외부 단부를 포함하고, 상기 제3 부분은 상기 보어의 내부 개방 단부에 가까이에 배치된 단부를 포함한다. 인서트는 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하며, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다는 인서트의 제3 부분에 더 가깝다. 상기 보어의 제2 치수는 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치수는 인서트의 제1 치수보다 크다. 일부 실시예에서, 전극은 인서트와 보어 사이에 설치된 슬리브를 더 포함한다. 제2 치수는 환형 노치에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공한다. 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되다. 보어는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어의 제1 단부는 보어의 개방 단부를 포함한다. 전극은 또한 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 인서트는 길이방향 길이를 가지며, 제1 단부, 제2 단부, 제1 단부와 제2 단부 사이의 제1 부분, 및 제1 단부와 제2 단부 사이의 제2 부분을 포함한다. 제1 단부는 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부면을 포함하고, 제 1 단부의 길이 방향 길이는 단지 상기 인서트의 길이방향 길이의 약 10%이다. 제2 단부는 단지 상기 인서트의 길이방향 길이의 약 20%인 길이방향 길이를 포함한다. 제1 부분은 길이방향 축을 가로지른 제1 치수를 정의하고, 제1 외부 표면을 정의한다. 제2 부분은 길이방향 축을 가로지르는 제2 치수를 정의하고, 제2 외부 표면을 포함하며, 제1 치수는 제2 치수보다 크다. 길이방향 축에 대한 제1 외부 표면에 대한 탄젠트의 제1 각과 길이방향 축에 대한 제2 외부 표면에 대한 탄젠트의 제2 각은 적어도 3 도만큼 다르다. 일부 실시예에서, 제1 단부의 길이방향 길이는 단지 인서트의 길이방향 길이의 약 2%이다. 제2 단부의 길이방향 길이는 단지 인서트의 길이방향 길이의 약 10%이다. 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄, 또는 텅스텐, 또는 토륨 또는 란탄 또는 스트론튬 또는 그 합금일 수 있다. 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금일 수 있다. 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 보어의 중앙부와 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적 원통형일 수 있다. 보어는 환형 연장부를 포함할 수 있다. 인서트는 플레어 헤드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 포함한다. 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 개방 단부 및 폐쇄 단부를 포함한다. 전극은 또한 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 인서트는, 제1 힘을 상기 보어의 제1 표면에 작용하는 제1 외부 표면; 및 제2 힘을 상기 보어의 제2 표면에 작용하는 제2 외부 표면을 포함한다. 상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 크고, 상기 보어의 제2 표면은 상기 보어의 제1 표면보다는 상기 보어의 폐쇄 단부에 길이 방향으로 더 가깝다. 일부 실시예에서, 상기 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄일 수 있다. 상기 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금일 수 있다. 상기 전극은 상기 인서트와 상기 전극 본체 사이에 설치된 슬리브를 더 포함할 수 있다. 슬리브는 은일 수 있다. 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 상기 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 보어의 중앙부와 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적 원통형일 수 있다. 보어는 환형 연장부를 포함할 수 있다. 인서트는 플레어 헤드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공한다. 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함한다. 상기 제1 부분은 보어의 외부 개방 단부를 정의한다. 제3 부분은 상기 보어의 내부 개방 단부를 정의한다. 전극은 또한 상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 상기 인서트는, 제1 힘을 상기 보어의 제2 부분의 제1 표면에 작용하는 제1 외부 표면; 및 제2 힘을 상기 보어의 제2 부분의 제2 표면에 작용하는 제2 외부 표면을 포함한다. 상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 크고, 및 상기 보어의 제2 표면은 상기 보어의 제1 표면보다는 상기 보어의 제3 부분에 길이 방향으로 더 가깝다. 일부 실시예에서, 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄일 수 있다. 상기 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금일 수 있다. 전극은 인서트와 전극 본체 사이에 설치된 슬리브를 더 포함할 수 있다. 슬리브는 은일 수 있다. 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 보어의 중앙부와 상기 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적으로 원통형일 수 있다. 보어는 환형 연장부를 포함할 수 있다. 인서트는 플레어 헤드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공한다. 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 개방 단부 및 폐쇄 단부를 포함한다. 돌출부가 상기 개방 단부로부터 떨어져 위치된 상기 보어의 표면상에 배치된다. 전극은 또한 상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 인서트의 접촉 표면은 상기 인서트를 상기 보어에 고정하기 위해 상기 돌출부의 적어도 부분을 포위한다. 일부 실시예에서, 돌출부는 보어의 폐쇄 단부에 또는 그 단부 가까이에 배치되고, 상기 돌출부는 상기 개방 단부 쪽으로 부분적으로 연장될 수 있다. 돌출부는 바브, 그루브, 또는 노치를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 상기 전극 본체 또는 상기 인서트와 일체로 형성되지 않을 수 있다. 돌출부는 길이방향 축을 중심으로 실질적으로 대칭일 수 있다. 접촉 표면은 상기 인서트의 접촉 단부일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 아크 토치에 사용되는 방출 인서트를 가진 전극을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 높은 열전도성의 물질의 전극 본체를 형성하는 단계를 포함한다. 보어가 제1 단부에 형성되고, 보어는 제1 부분 및 제2 부분을 포함한다. 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트가 보어에 위치되고, 인서트는 접촉 단부 및 외부 단부를 포함한다. 외부 단부는 보어의 제1 부분과 정렬되어, 제1 갭이 상기 인서트의 제1 외부 표면과 상기 제1 부분 사이에 형성되고, 제2 갭이 상기 인서트의 제2 외부 표면과 상기 보어의 제2 부분 사이에 형성되도록 인서트의 접촉 단부가 상기 보어의 제2 부분과 정렬된다. 상기 제1 갭은 실질적으로 상기 제2 갭보다 크다. 인서트를 상기 보어에 고정하기 위해 상기 인서트의 외부 단부에 힘이 가해진다. 일부 실시예에서, 보어는 보어의 제2 개방 단부를 정의하는 제3 부분을 더 포함하고, 상기 보어의 제2 부분이 상기 보어의 제1 부분과 제3 부분 사이에 위치될 수 있다. 보어의 제2 부분은 상기 보어의 폐쇄 단부를 정의할 수 있다. 제1 갭은 제2 갭보다는 상기 보어의 개방 단부에 더 가까울 수 있다. 제1 갭은 상기 제2 갭보다는 상기 보어의 폐쇄 단부/제2 부분에 더 가까울 수 있다. 가해진 힘은 상기 갭을 감소시키는 상기 인서트의 외부 단부에 가해지는 길이방향 힘일 수 있다. 상기 가해진 힘은 상기 인서트에 대해 상기 보어의 개방 단부를 압축하는 압축력일 수 있다. 상기 방법은 힘이 인가되기 전에 상기 보어에 제2 물질로 형성된 슬리브를 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 제1 갭은 상기 슬리브의 표면과 상기 인서트의 제1 외부 표면 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 토치 본체, 토치 본체 내의 노즐, 상기 노즐에 인접하여 배치된 차폐부, 및 플라즈마 챔버를 정의하기 위해 상기 토치 본체 내의 노즐에 대해 장착된 전극을 포함하는 플라즈마 아크 토치를 제공한다. 상기 차폐부는 상기 노즐을 워크피스 스플래터(workpiece splatter)로부터 보호한다. 전극은 높은 열전도성의 물질로 형성된 전극 본체를 포함한다. 전극 본체는 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 보어가 상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치된다. 보어는 폐쇄 단부 및 개방 단부를 포함한다. 보어는 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 적어도 정의하고, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 폐쇄 단부에 더 가깝다. 전극은 또한 상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함한다. 상기 인서트는 상기 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부 및 상기 보어의 폐쇄 단부 가까이에 배치된 접촉 단부를 포함한다. 상기 인서트는 적어도 상기 길이방향 축을 각각 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하며, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 보어의 폐쇄 단부에 가깝다. 보어의 제2 치수는 상기 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치수는 상기 인서트의 제1 치수보다 크다.
상기한 설명은 본 발명의 상세한 설명을 첨부 도면과 함께 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1A는 공지된 플라즈마 아크 토치의 부분 단면도.
도 1B는 인서트를 전극 보어에 삽입하기 위한 공지된 방법을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극의 부분 단면도.
도 1C는 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 공지된 방법을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극의 부분 단면도.
도 1D는 인서트를 쓰루홀 구성을 가진 전극 보어에 고정하기 위한 공지된 방법을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극의 부분 단면도.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 원리를 포함하는, 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 방법의 중간 단계들을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 2D 내지 도 2F는 본 발명의 원리를 포함하는, 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 방법의 중간 단계를 예시한 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 3A 내지 도 3C는 다른 플라즈마 아크 토치 전극 보어 구성의 부분 단면도.
도 4A 내지 도 4D는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도.
도 5A 내지 도 5F는 플라즈마 아크 토치 인서트 구성의 부분 단면도.
도 6A는 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 방법을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 6B는 전극 보어에 고정된 인서트를 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 구 성의 부분 단면도.
도 6C는 쓰루홀 구성을 가진 전극 보어에 고정된 인서트를 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 7는 전극의 보어에 돌출부를 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 다른 부분 단면도.
도 8는 인서트 슬리브를 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도.
도 9는 인서트 볼을 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도.
도 10은 교차 천공된 홀을 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도.
도 11A 및 도 11B는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도.
도 12A는 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 방법을 예시한 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 12B는 도 12A의 방법에 따라 전극 보어에 고정된 인서트를 가진 플라즈마 아크 토치 전극 구성의 부분 단면도.
도 13은 환형 립(lip)을 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 구성 및 플레어 헤드 구성을 포함하는 인서트 구성의 부분 단면도.
도 14A 및 도 14B는 본 발명의 원리를 포함하는 전극 형성 방법을 예시한 부 분 단면도.
도 15A 및 도 15B는 전극에 배치된 인서트의 중앙부를 예시한 부분 단면도.
이제 본 발명의 실시예들을 상세히 참조할 것이며, 이들 실시예의 하나 이상의 예가 도면에 예시되어 있다. 여기서 설명 또는 예시된 각 실시예는 본 발명의 설명을 위해 제공되는 것으로 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 예컨대, 일 실시예의 일부로서 예시 또는 설명되는 구성은 또 다른 실시예를 낳기 위해 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다. 본 발명은 이들 및 다른 수정예 및 변형예를 다른 실시예로서 포함하도록 의도된다.
도 2A 및 도 2B는 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 예시적인 방법 및 본 발명의 원리를 포함하는 결과적인 전극 구성을 예시한다. 전극 본체(22)는 인서트가 고정되어야 하는 보어를 포함한다. 보어는 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있고, 폐쇄 단부를 정의하는 부분은 보어의 개방 단부를 정의하는 부분보다 작은 직경을 가진다. 이 직경 불연속성은 보어의 길이를 따라 임의 위치에 위치될 수 있는 계단 표면(26)을 정의할 수 있다. 보어의 폐쇄 단부의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 실질적 원통형 인서트(20)가 예시된다. 도 2A는 실질적 원통형 인서트(200)가 전극 본체(22)의 보어에 배치된 후의 전극의 초기 구성을 예시한다. 인서트의 직경은 인서트(200)가 보어 내에 쉽게 고정될 수 있도록 갭을 제공하기 위해 보어의 두 직경보다 작을 수 있다. 예시된 상황에서, 인서트(200)와 전극(22) 간의 갭은 폐쇄-단부 원통부의 갭보다 개방-단부 원통부에서 크다. 보어의 폐쇄-단부 원통부의 직경으로부터 실질적으로 구별 가능하지 않게 형성되는 상항에서는, 이 부분 주위에서의 인서트와 보어 간의 갭이 작거나 존재하지 않을 수 있다. 도 2B는 인서트(20)가 보어의 폐쇄 단부 안으로 눌린 후(15)의 전극의 중간 구성을 예시하고, 인서트(20)의 측벽과 전극 본체(22) 사이에 존재하는 초기의 결과적인 측방향 힘의 개략적인 표현을 제공한다. 최상부에서의 보다 큰 여유는, 연장된 상부 인서트 물질로부터의 벽 마찰이 바닥 근처에서의 움직임을 제한하기 전에, 인서트를 보어의 바닥에서 더 팽창시킨다. 결과적으로, 힘은 팽창하는 인서트로부터의 표면 마찰로 인해 계단 표면(26) 가까이에서 더 크다. 결국, 가해진 압력(15)은 인서트(20)를 보어의 개방 단부 안으로 팽창시킨다. 도 2C는 고정된 인서트(21)의 최종 구성을 예시하고, 인서트(21)의 측벽과 전극 본체(22) 사이에 결과적인 측방향 유지력의 개략적인 표현을 제시한다. 보어의 개방 단부와 인서트 간의 초기 여유는, 상기 개방 단부에 표면 마찰이 없기 때문에, 도 1C에 예시된 종래 경우에서보다 더 깊은 방사상 벌지를 보어에 형성한다. 결과적으로, 유지력은 계단 표면(26) 가까이에서 더 크며, 토치 작동 동안 플라즈마 아크가 부착되는 인서트(21)의 노출부(24)로부터 떨어져 위치되어 유리하다. 따라서, 가장 큰 유지 강도의 이 부분은 더 차갑게 유지되고 덜 부식되는 경향이 있다.
도 2D 내지 도 2F는, 보어의 폐쇄 단부면(23)이 예컨대, 천공 포인트에 의해 형성된 테이퍼진 함몰부를 포함할 수 있고, 인서트(27)의 접촉 단부가 그 함몰부와 결합하도록 구성될 수 있다는 점을 제외하고는, 도 2A 내지 도 2C에 예시된 것과 다소 유사한 본 발명의 다른 실시예를 예시한다. 보어의 단부면(23)은 본 발명의 원리에 따라 인서트의 접촉 단부와 결합하는 다른 구성을 마찬가지로 가질 수 있다. 유사한 원리들이 쓰루홀 구성과 함께 사용될 수도 있으며, 이 경우 내부 개방 단부는 도 2D 내지 도 2F의 표현에서 폐쇄 단부면(23)을 대체한다.
도 3A 내지 도 3C는 플라즈마 아크 토치 전극 보어 구성의 실시예의 부분 단면도이다. 특히, 도 3A는 2개의 실질적 원통부를 가진 보어를 포함하는 전극 본체(32)를 예시하고, 폐쇄 단부를 정의하는 부분은 전극 본체의 개방 단부(32)를 정의하는 부분보다 작은 직경을 가진다. 원추사면 표면 스텝(36)이 2개의 원통부들 사이에 예시되고, 보어의 길이를 따라 아무 데나 위치될 수 있다. 도 3B는 2개의 실질적 원통부를 가진 보어를 포함하는 전극 본체(33)를 예시하며, 폐쇄 단부를 정의하는 부분은 전극 본체의 개방 단부(33)를 정의하는 부분보다 작은 직경을 가진다. 표면 돌출부(37)가 2개의 원통부들 사이에 위치될 수 있고, 보어의 길이를 따라 아무 데나 위치될 수 있다. 표면 돌출부는 가능하다면 다른 길이방향 깊이에 있는 하나 이상의 바브(barbs) 또는 환형 돌출부일 수 있다. 도 3C는 폐쇄 단부를 정의하는 실질적 원통부(36) 및 개방 단부를 정의하는 원추사면 부분(38)을 가진 보어를 포함하는 전극 본체(34)를 예시한다. 반대 구성, 즉, 원추사면 폐쇄 단부를 정의하는 부분 및 개방 단부를 정의하는 원통부를 가진 보어가 다른 실시예 또는 구성으로서 제공될 수 있다. 도 3A 내지 도 3C에 예시된 전극 실시예들은 각각 인서트가 초기에 보어 안으로 눌릴 때 인서트에 대해 도 2A 에 예시된 바와 같이 갭을 가진다. 따라서, 방사상 벌지는 보어의 개방 단부로부터 떨어져 형성될 수 있고, 따라서 유지력은 이 벌지 주위에서 가장 크고, 인서트가 전극 본체 내에 고정된다. 보어의 단부면(39)은 평면일 수 있으나, 마찬가지로 다른 구성, 예컨대, 인서트의 접촉 단부와 결합할 수 있는 테이퍼진 함몰부를 가질 수 있다. 유사한 원리가 쓰루홀 구성에 사용될 수도 있고, 이 경우에 내부 개방 단부는 도 3A 내지 도 3C의 표현에서 폐쇄 단부면(39)을 대체할 것이다.
도 4A 내지 도 4D는 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도이다. 도 4A는 실질적 원통형 보어를 포함하는 전극 본체(42)를 예시한다. 인서트는 실질적 원통형 접촉 단부(49) 및 연장된 원추사면 노출된 단부(41)를 포함할 수 있다. 도 4B는 실질적 원통형 보어를 포함하는 전극 본체(44)를 예시한다. 인서트(43)는 2개의 실질적 원통부 및 2개의 다른 부들 사이에 위치된 원추사면 부를 포함할 수 있고, 인서트의 접촉 단부(43)는 인서트(43)의 외부 단부보다 큰 직경을 갖고 있다. 도 4C는 실질적 원통형 보어를 포함하는 전극 본체(46)를 포함하는 다른 실시예를 도시한다. 인서트는 연장된 원추사면 본체를 포함할 수 있고, 접촉 단부(49)는 외부 단부(45)보다 큰 직경을 갖고 있다. 도 4D는 도 2A의 전극(22)과 유사한 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있는 보어를 포함하는 전극 본체(48)를 예시한다. 인서트(47)는 2개의 부들 사이에 위치된 환형 노치를 가진 2개의 실질적 원통부를 포함할 수 있다. 노치는 전극 본체(48)의 보어 내의 계단과 정렬되도록 인서트 주위에 형성될 수 있다. 도 4A 내지 도 4D 에 예시된 전극 및 인서트 실시예는 각각 인서트가 초기에 보어 안으로 눌릴 때 갭(40)을 가진다. 따라서, 방사상 벌지는 보어의 개방 단부로부터 떨어져 형성될 수 있어, 유지력이 이 벌지 주위에서 가장 크고, 이에 따라 인서트가 전극 본체에 고정된다. 보어의 단부면(49)은 평면일 수 있으나, 마찬가지로 다른 구성, 예컨대, 인서트의 접촉 단부와 결합하는 테이퍼진 함몰부를 가질 수 있다. 유사한 원리가 쓰루홀 구성에서 사용될 수도 있고, 이 경우에, 내부 개방 단부는 도 4A 내지 도 4D의 표현에서 폐쇄 단부면(49)을 대체하게 된다. 전극(42, 44, 46, 48)은 원통형 보어를 포함하나, 본 발명의 원리에 따라 마찬가지로 다른 구성, 예컨대, 전극 구성(22, 32, 33, 34)을 포함한다.
도 3A 내지 도 3C 및 도 4A 내지 도 4D에 예시된 보어 및 인서트 직경, 길이, 및 테이퍼는 모두 수정될 수 있는 데, 예컨대, 본 발명의 원리에 따라 테이퍼는 직선형, 볼록형 또는 오목형일 수 있으며, 다수의 조합된 계단 또는 테이퍼를 가질 수 있다.
도 5A 내지 도 5F는 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 아크 토치 인서트 구성의 실시예의 부분 단면도이다. 도 5는 노치 헤드 및 연장된 테이프를 가진 인서트를 예시한다. 도 5B는 노치 또는 그루브(51)를 가진 헤드를 포함하는 인서트를 예시한다. 도 5C는 노치 또는 그루브(51)를 가진 헤드 및 구형 단부면을 포함하는 인서트를 예시한다. 도 5D는 노치 헤드 및 보다 작은 직경의 하부 원통부를 가진 인서트를 예시한다. 도 5E는 다수의 노치 또는 그루브를 가진 인서트를 예시한다. 도 5F는 전극 보어의 표면, 예컨대, 계단 표면(26)과 결합할 수 있는 외부 돌출부(52)를 가진 인서트를 예시한다. 이들 인서트 구성 각각은, 예컨대, 본 발명의 각종 보어 구성과 함께 사용될 수 있다. 도 5A 내지 도 5E는 인서트 상의 환형 노 치 또는 그루브를 예시하지만, 또한, 다른 길이방향 위치에 위치될 수 있는 환형이 아닌 노치 또는 그루브, 예컨대, 하나 이상의 바브를 가질 수 있다. 인서트 및/또는 보어의 표면 거칠기는 인서트 유지를 개선하기 위해 거칠기를 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 보어 및/또는 인서트의 표면 내의 작은 그루브, 또는 심지어 실 같은 패턴은 표면 유지를 개선하는데 사용될 수 있다. 또한, 모든 인서트 접촉 표면 구조, 예컨대, 평면, 구형, 원뿔 단부면은 본 발명의 원리에 따라 도 5A 내지 도 5F에 예시된 인서트 구성들 중 어떤 구성, 또는 각각의 쓰루홀 구성과 함께 사용될 수 있다.
도 6A 및 도 6B는 인서트를 전극 보어에 고정하기 위한 방법 및 장치, 및 결과적인 전극 구성의 다른 실시예를 예시한다. 전극 본체(62)는 인서트가 고정되어야 하는 보어를 포함한다. 보어는 2개의 부분을 포함할 수 있으며, 폐쇄 단부를 정의하는 부분(66)은 보어의 개방 단부를 정의하는 부보다 큰 직경을 가진다. 보어의 개방 단부의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 실질적 원통형 인서트(60)가 예시된다. 도 6A는 인서트(60)가 보어의 폐쇄 단부 안으로 눌린 후(15)의 전극의 중간 구성을 예시하고, 인서트(60)에 존재하는 초기의 결과적인 측방향 힘의 개략적인 표현을 제공한다. 인서트의 삽입 전에, 인서트(60)와 전극 본체(62) 간의 갭(67)은 개방-단부에서의 갭(69)보다 폐쇄-단부에서 더 크다. 인서트의 직경이 보어의 개방-단부의 직경과 실질적으로 구별할 수 없도록 형성되는 상황에서, 이 부분 주위에서의 인서트와 보어 간의 갭은 작거나 존재하지 않을 수 있다. 가해진 압력(15)은 인서트(60)를, 구속되지 않은 경우, 보어의 더 큰 직경 폐쇄 단부(66) 안으로 팽창시킬 수 있다. 도 6B는 고정된 인서트(61)의 최종 구성을 예시하고, 인서트(61)의 측벽과 전극 본체(62) 사이의 결과적인 측방향 유지력의 개략적인 표현을 제공한다. 폐쇄 단부(66) 내에 측면이 없으면, 인서트가 이 공간 안으로 팽창되고, 인서트가 단지 부분적으로 팽창되더라도, 유지력이 전극 본체(62)의 이 부분에서 가장 크다. 전극에서 이 위치에서의 이들 힘의 위치는 토치 작동 동안 플라즈마 아크가 부착되는 인서트(21)의 노출부로부터 떨어져 위치되어 유리하다. 따라서, 가장 큰 유지 강도의 이 부분은 플라즈마 아크의 영향을 덜 받고 더 차갑고 덜 부식되는 경향이 있다. 후술되는 바와 같이, 보어의 단부면은 테이퍼진 함몰부일 수 있으나, 다른 구성, 예컨대, 인서트의 접촉 단부와 결합할 수 있는 평면이 사용될 수도 있다. 도 6C는 도 6A 및 도 6B에 예시된 바와 유사한 형식으로 삽입 및 고정된 쓰루홀 구성을 가진 전극에서의 고정된 인서트(63)의 다른 구성을 예시한다. 중앙부(64)에 측면이 없으면, 인서트는 이 깊이로 팽창하며, 전극 본체(68)의 이 부분에서 유지력이 증가된다.
도 7은 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 다른 실시예의 부분 단면도이다. 전극 본체(72)는 인서트가 고정되어야 하는 보어를 포함한다. 보어는 예컨대, 폐쇄 보어의 단부면상에 배치된 원통부 및 돌출부(73)를 포함할 수 있다. 보어의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 원통형 인서트(71)가 제공된다. 인서트의 접촉 단부(71)는 보어(74)를 포함한다. 인서트(71)의 보어(74)는, 인서트(71)가 전극 본체(72)의 보어와 동일 평면에서 완전하게 눌릴 수 있기 전에, 돌출부의 표면(75)이 인서트(71)와 접촉할 수 있도록, 전극 보어의 돌출부(73)와 결 합하도록 구성될 수 있다. 압력이 가해질 때, 인서트(71)와 전극 본체(72) 구성 간의 불완전한 매칭은 인서트(71)를 전극 본체(72) 안으로 바깥쪽으로 팽창시키며, 전극 본체(72)의 이 부분에서 유지력이 증가된다. 전극에서 이 위치에서의 이들 힘의 위치는 토치 작동 동안 플라즈마 아크가 부착되는 인서트(71)의 노출부로부터 떨어져 위치되어 유리하다. 따라서, 인서트의 이 부분은 증가된 유지 강도를 경험하고, 더 차갑게 유지되고, 덜 부식되는 경향이 있다. 이 실시예의 돌출부는 중심에 있고 전극 본체의 중심축을 중심으로 대칭이나, 본 발명의 원리에 따라 다른 구성, 예컨대, 보어의 직경을 따라 정렬된 테이퍼진 벽, 또는 보어의 벽으로부터의 하나 이상의 테이퍼진 돌출부가 사용될 수도 있다.
도 8은 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도이다. 전극 본체(82)는 인서트가 고정되어야 하는 원통형 보어를 포함한다. 인서트(81)는 인서트(43)와 유사하게 2개의 실질적 원통부 및 2개의 다른 부분들 사이에 예시된 원추사면 부분(83)을 포함할 수 있고, 인서트의 접촉 단부(81)는 인서트(81)의 외부 단부보다 큰 직경을 가진다. 슬리브(84)가 제공되며, 인서트(81)와 전극 본체(82)의 보어 사이에의 삽입을 위해 구성될 수 있다. 슬리브(84)는 원추사면 부분(83)과 결합하도록 구성된 접촉 단부(85)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 슬리브(84)가 인서트(81)안으로 눌릴 때 인서트(81)의 표면(83)이 접촉 단부(85)와 접촉한다. 압력이 가해질 때, 인서트(81)와 슬리브(84) 구성의 불완전한 매칭은 슬리브(84)를 전극 본체(82) 쪽으로 바깥쪽으로 팽창시켜, 전극 본체(82)의 이 부분에서 유지력을 증가시키고, 사실상, 인서트(81)를 전극 본체(82)의 보어에 "클림 핑(crimping)" 또는 고정한다. 이 깊이에서의 이들 힘의 위치는 토치 작동 동안 플라즈마 아크가 부착되는 인서트(81)의 노출부로부터 떨어져 위치되어 유리하다. 따라서, 증가된 유지력의 이 부분은 더 차갑게 유지되고 덜 부식되는 경향이 있다. 슬리브는 높은 방사성의 물질, 예컨대, 하프늄 또는 지르코늄으로 형성될 수 있고, 또는 높은 열전도성의 물질, 예컨대, 구리, 구리 합금, 또는 은으로 구성될 수 있다. 슬리브 및 인서트는 다른 물질로 제조될 수 있다. 예컨대, 인서트는 하프늄일 수 있고, 슬리브는 은일 수 있고, 또는 인서트는 은일 수 있고 슬리브는 하프늄일 수 있다. 보어의 단부면은 평면일 수 있으나, 마찬가지로 다른 구성, 예컨대, 인서트의 접촉 단부와 결합하는 테이퍼진 함몰부를 가질 수 있다. 유사한 원리가 쓰루홀 전극 구성과 함께 사용될 수도 있고, 이 경우에 도 8에 나타낸 폐쇄 단부면은 내부 개방 단부로 대체되게 한다. 바람직하게, 인서트를 보어에 고정하기 위해 슬리브가 사용되기 전에, 인서트는 전극 본체의 내부 개방 단부에서 앤빌 또는 굴대에 의해 지지될 수 있다.
도 9는 인서트 물체, 예컨대, 구형 물체를 포함하는 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 일 실시예의 부분 단면도이다. 전극 본체(92)는 원통형 보어를 포함한다. 보어의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 실질적 원통형 인서트(91)가 제공된다. 볼(95)은 인서트(91) 삽입 전에 전극 본체(92)의 보어 안으로 배치될 수 있다. 볼(95)은 물질, 예컨대, 인서트 물질보다 단단한 강철로 형성될 수 있다. 보어에 인서트(91)를 삽입할 때, 볼(95)의 단단한 표면이 인서트의 접촉 단부(91)를 바깥쪽으로 확장시켜서, 인서트 전극 본체(92)의 보어를 고정한다. 따 라서 볼(95)은 도 7에 예시된 돌출부(73)와 유사한 기능을 수행할 수 있다. 물론, 다른 구성이 사용될 수도 있는데, 예컨대, 사전 형성된 톱니형상(indentation)이 인서트의 바닥에 형성될 수 있고, 정사각형 세이빙(square shavings)이 보어에 배치될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 다른 형상/물체가 볼(95) 대신에 배치될 수 있다.
도 10은 교차 천공된 홀을 포함하는 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도이다. 전극 본체(102)는 원통형 보어와 경로를 교차할 수 있는 교차 천공된 홀(105)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 교차 천공된 홀은 전극의 외부로부터 보어의 적어도 부분 안으로 홀을 천공함으로써 형성된다. 천공 작동은 보어에 도달한 후, 즉 홀을 전극의 먼 쪽으로 연장시키지 않고 종료될 수 있다. 물론, 다른 구성이 사용될 수도 있다. 보어의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 실질적 원통형 인서트(101)가 제공된다. 교차 천공된 홀(105)은 인서트(101)에 구속되지 않은 팽창부의 두 영역을 제공할 수 있어, 보어에 인서트(101)를 삽입할 때, 인서트(101)는 교차 천공된 홀(105) 안으로 팽창될 수 있다(106). 따라서, 상기 팽창부는 전극 본체(102)의 보어에 인서트(101)를 고정할 수 있다. 본 발명의 원리에 따라 다수의 교차 천공된 홀이 사용될 수도 있고, 이들 다수의 홀은 전극의 길이방향 축을 따라 상이한 지점들에, 즉, 상이한 상승부들에 존재할 수 있다.
도 11A 및 도 11B는 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 다른 실시예들의 부분 단면도들이다. 전극 본체(112)는 인서트가 고정되어야 하는 원통형 보어를 포함한다. 보어의 직경보다 약간 작은 직경을 가진 실질적 원통형 인서 트(111)가 제공된다. 인서트의 접촉 단부(111)는 접시머리(countersunk) 표면(115)을 포함할 수 있다. 도 11A는 인서트(111)가 보어 안으로 눌릴 때의 전극의 중간 구성을 예시한다. 도 11B는 인서트(111)가 보어의 단부면에 눌릴 때의 전극의 제2 중간 구성을 예시하고, 인서트(111)의 측벽과 전극 본체(112) 사이에 존재하는 초기의 결과적인 측방향 힘의 개략적인 표현을 제공한다. 결과적으로, 인서트의 접촉 단부는 방사상으로 바깥쪽으로 보어 안으로 팽창되어, 인서트를 고정시킨다. 결과적으로, 유지력은 토치 작동 동안 플라즈마 아크가 부착되는 인서트(111)의 노출부로부터 떨어져 위치되어 유리한 보어의 단부면 가까이에서 증가될 수 있다. 따라서, 증가된 유지 강도의 이 부분은 더 차갑게 유지되고 덜 부식되는 경향이 있다.
도 12A 및 도 12B는 인서트를 전극 보어 안으로 고정하기 위한 방법, 및 결과적인 전극 구성을 예시한다. 전극 본체(122)는 인서트가 고정되어야 하는 원통형 보어를 포함한다. 연장된 테이퍼진 인서트(120)가 제공되고, 접촉 단부(128)는 외부 단부(129)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 도 12A는 인서트(120)가 보어의 폐쇄 단부 안으로 눌린 후의 전극의 중간 구성을 예시한다. 또한, 도 12A는 인서트를 고정시키기 위해 전극 본체의 단부 상에 그리고 그 단부 주위에 가해지는 측방향 힘(120)의 개략적인 표현을 제공한다. 이들 힘은 전극 본체의 외부 표면에 인가될 수 있다. 결과적인 힘(120)은 방사상으로 안쪽으로 향할 수 있고 인서트(121)를 적어도 부분적으로 따르도록 전극 본체(122)를 가압할 수 있다. 도 12B는 전극 본체(123)에서 고정된 인서트(121)의 최종 구성을 예시한다. 이 방식으 로, 전극 본체(123)의 압축 단부에서의 후프 강도가 인서트(121)를 고정시킨다.
도 13은 중간 플라즈마 아크 토치 전극 및 인서트 구성의 부분 단면도이다. 전극 본체(132)는 원통형 보어를 포함한다. 보어는 보어의 개방 단부 주위의 환형 연장부(133)를 포함할 수 있다. 플레어 헤드(131)를 가진 원통형 인서트(130)가 제공된다. 인서트는 눌릴 때 홀을 가득 채우기에 충분한, 보어로부터 연장된 인서트 물질을 남겨 두고 보어 안으로 고정되는 크기를 가질 수 있다. 인서트(130)의 플레어 헤드(131)는 추가적인 인서트 물질을 제공하기 위한 다른 구성일 수 있다. 플레어 헤드(131)는, 또한, 인서트(130)가 눌려 전극 본체(132)의 보어에 고정된 후, 전극 인서트의 열 냉각을 저하시킬 수 있는 공기 갭이 인서트와 보어의 측벽 사이에서 인서트(130)의 노출된 단부에 존재하지 않도록 보장할 수 있다. 이 실시예에서 환형 연장부(133)는 전극 본체의 중심축을 중심으로 균일하게 대칭될 수 있으나, 본 발명의 원리에 따라 다른 구성, 예컨대, 보어의 개방 단부를 포위하는 불균일 연장부, 또는 일련의 연장부가 사용될 수도 있다. 도 13에 예시된 전극은 한가지 특별한 실시예이며, 연장부(133)는 본 발명의 원리에 따라 다른 전극 실시예, 예컨대, 도 2A, 도 2D, 도 3A 내지 도 3C, 도 4A 내지 도 4D, 도 6A, 도 6C, 도 7, 도 9, 및 도 11A의 전극(22, 29, 32, 33, 34, 42, 44, 46, 48, 62, 68, 72, 92, 112)과 함께 사용될 수 있다. 연장부(133)는 플레어 헤드(131)를 포함하거나 포함하지 않는 인서트와 함께 사용될 수 있다.
도 14A 및 도 14B는 본 발명의 원리를 포함하는 전극 형성 방법을 예시하는 부분 단면도이다. 전극 본체의 제1 부분(141)에는 제1 직경(Dl)을 가진 폐쇄 단부 를 가진 원통형 보어가 제공될 수 있다. 전극 본체의 제2 부(142)에는 제1 직경보다 큰 제2 직경(D2)을 가진 개방 단부를 가진 원통형 보어가 제공될 수 있다. 도 14A는 제2 부분(142)을 제1 부분(141)에 고체 용접, 예컨대, 마찰 용접(140)하는 방법을 예시한다. 다른 실시예에서, 제1 부분(141)의 직경(Dl)은 제2 부분(142)의 직경(D2)보다 크다. 도 14B는 도 14A의 전극 본체의 최종 구성을 예시하고, 두 부분(141, 142)의 표면을 고체 용접(예컨대, 마찰 용접)한 결과 표면(143)은 제1 부분(141)을 제2 부분(142)에 고정시킬 수 있다. 제1 및 제2 부분은 구리, 구리 합금, 또는 은과 같은 높은 열전도성의 물질로 형성될 수 있다. 제2 부분은 제1 부분의 물질과 동일 또는 다른 물질로 형성될 수 있다. 도 14B에 예시된 전극은 하나의 특별한 실시예이지만, 본 발명의 원리에 따라 동일한 방법이 다른 전극 실시예, 예컨대, 도 2D, 도 3A 내지 도 3C, 도 6A, 및 도 7의 전극(29, 32, 33, 34, 62, 72)를 형성하는데 이용될 수 있다. 도 12A, 도 12B, 도 13, 도 14A, 및 도 14B에 예시된 것과 유사한 원리가 각각의 또는 조합된 쓰루홀 구성에 사용될 수도 있으며, 이 경우에, 개방 단부면은 예시된 전극 본체의 폐쇄 단부면을 대체하게 된다.
도 15A 및 도 15B는 전극에 배치된 인서트의 중앙부를 예시한 부분 단면도들이다. 도 15A는 전극 본체(도시되지 않음) 내에 고정된 인서트(151)의 중앙부의 최종 구성을 예시한다. 인서트(151)의 중앙부는 인서트의 길이방향 길이의 약 70%인 길이방향 길이를 가질 수 있다. 인서트(151)의 중앙부는 제1 부분(152), 제2 부분(153), 및 제3 부분(154)을 포함할 수 있다. 제1 부분(152), 제2 부분(153), 및 제3 부분(154)은 각각 인서트의 길이방향 축(150) 및 각각의 외부 표면에 대한 탄젠트에 대한 각을 정의할 수 있다. 예컨대, 도 15A에 예시된 바와 같이, 길이방향 축(150)과 제2 부분(153)의 외부 표면에 대한 탄젠트 사이에 정의된 각(155)은 0도보다 크다. 마찬가지로, 제1 부분(152) 및 제3 부분(154)이 원통형이기 때문에, 길이방향 축(150)과 제1 부분(152) 또는 제3 부분(154)의 외부 표면에 대한 탄젠트 사이에 정의된 각은 0이다.
도 15B는 전극 본체(도시되지 않음) 내에 고정된 인서트(156)의 중앙부의 다른 최종 구성을 예시한다. 인서트(156)의 중앙부는 제1 부분(157) 및 제2 부분(158)을 포함할 수 있다. 제1 부분(157) 및 제2 부분(158)은 각각 인서트의 길이방향 축(150)과 각각의 외부 표면의 탄젠트에 대한 각을 정의할 수 있다. 예컨대, 도 15B에 예시된 바와 같이, 길이방향 축(150)과 제1 부분(157)의 외부 표면에 대한 탄젠트 사이에 정의된 각(159)은 0 도보다 크다. 마찬가지로, 제2 부분(158)이 원통형이기 때문에, 길이방향 축(150)과 제2 부분(158)의 외부 표면에 대한 탄젠트 사이에 정의된 각은 0이다.
일 실시예에서, 인서트의 외부 표면 및 인서트의 길이방향 축에 대한 탄젠트에 의해 정의된 각들은 적어도 1도만큼 다르다. 다른 실시예에서, 인서트의 외부 표면 및 인서트의 길이방향 축에 대한 탄젠트에 의해 정의된 각들은 적어도 3도만큼 다르다. 도 15A 및 도 15B에 예시된 인서트(151, 156)의 고정된 중앙부는 특별한 두 실시예이지만, 인서트의 다른 중앙부들 사이의 동일한 최소각 구별은 본 발명의 원리에 따라 다른 인서트 실시예, 예컨대, 도 2C, 도 2F, 도 4A 내지 도 4D, 도 5A 내지 도 5F, 도 6B, 도 6C, 도 7 내지 도 11, 도 12B, 및 도 13의 인서트(21, 28, 41, 43, 45, 47, 61, 62, 63,71, 81, 91, 101, 111, 121, 130)와 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 인서트의 하나 이상의 외부 표면이 길이방향 축에 대한 일정한 또는 연속적으로 변하는 탄젠트 각으로 배치될 수 있다. 외부 표면은 또한 예컨대, 인서트의 단면의 주변에 대해 불균일할 수 있다.
본 발명의 개발 중에 행한 실험 테스트는 100A 전극(부품 번호 120433)을 가진 MAX100 토치를 사용하여 수행되었고, 여기서 둘 다 미국 뉴 햄프셔 하노버 소재의 하이퍼썬 인코포레이티드(Hypertherm, Inc.)에 의해 제조된 것이다. 모든 테스트는 회전식 구리 애노드를 대체 워크피스로서 포함하는 테스트 스탠드(test stand)를 사용하여 100 암페어의 전달된 전류로 수행하였다. 공지된 구성의 5개의 전극의 벤치마킹으로 다음의 결과를 얻었다:
20초 스타트(start)들의 평균 개수: 134.4
표준 편차: 68.7
테스트된 부품들 중 2개가 예컨대, 인서트 충돌(falling out)로부터 60개의 스타트 정도 실패하였다. 이들 전극의 인서트 보어 깊이는 약 0.100 인치였다. 다음에, 도 2D와 유사한 계단 홀 설계를 가진, 새로운 설계를 가진 부품들을 테스트하였는데, 외부 0.052" 직경 홀을 이전의 0.0449" 직경 홀에 추가하여 행하였다. 0.030", 0.040" 및 0.050"의 깊이까지 천공된 이들 0.052" 카운터-보어(counter- bore)를 가진 3개의 구성을 만들었다. 사용된 방출형 인서트는 0.0445" 직경을 가진 하이퍼썬 부품 번호 120437이었다. 상이한 카운터-보어들에 대해 3개의 부품들 각각을 테스트하여 아래의 결과를 얻었다:
0.030" 깊이
평균 20초 스타트: 254.7
표준 편차: 15.9
0.040" 깊이
평균 20 초 스타트: 213.7
표준 편차: 37.1
0.050" 깊이
평균 20초 스타트: 249.0
표준 편차: 63.4
(0.040"의 카운터-보어 깊이를 가진) 중간 테스트에서 스타트들의 다소 적은 평균 수에도 불구하고, 3개의 테스트 모두의 결과들은 통계적으로 유사하다. 3개의 카운터-보어 테스트는 모두 스톡(stock) 결과보다 통계적으로 높은 스타트를 보여주었고, 각각은 초기 실패가 없었다. 평균 스타트 수보다 높으면, 하나의 부품 이 300개의 스타트에 걸쳐 지속될 때, 향상된 성능을 나타낸다.
다음 부품들을 테스트하였고, 동일한 0.052" 카운터-보어를 사용하였으나, 보다 깊은 홀(예컨대, 전체 깊이에서 ~0.100"까지 연장된 내부 구멍)을 0.0465" 직경까지 증가시켰다. 테스트된 한 세트의 부품들은 0.030"의 깊이까지 천공된 0.052" 직경 카운터-보어를 갖고 있고, 보다 작은 직경의 홀이 0.090"의 깊이까지 천공되었다. 테스트된 다음 세트의 부품들을 0.050" (큰 직경) 및 0.095"(작은 직경)까지 천공하였다. 위에서 설명된 동일한 120437 인서트를 사용하여 각각 3개의 샘플에 기초하여 다음의 결과를 얻었다.
0.030" 깊이
평균 20초 스타트: 181.7
표준 편차: 12.2
0.050" 깊이
평균 20초 스타트: 240.3
표준 편차: 37.1
다음에, 보다 작은 동일한 홀 크기 (0.0445")를 갖고 있으나 0.060"의 깊이를 가진 카운터 보어를 가진 보다 많은 부품들을 제조하였다. 이들 실시예에서, 동일 크기의 인서트를 사용하였다. 10개의 샘플을 유사한 조건으로 테스트하여, 다음의 결과를 얻었다:
0.060" 깊이
평균 20초 스타트: 300.0
표준 편차: 24.8
이들 부품들은 스톡 구성보다 2배 이상 많은 전체 스타트를 생성하였고, 표준 편차는 훨씬 낮다. 얻어진 스타트들의 최저 개수는 270이었다.
전극으로부터 인서트를 제거하는데 필요한 힘을 측정하여 실험 결과를 또한 얻었다. 이들 테스트를 새로운 미사용의 부품들에 대해 먼저 수행하였다. 다음에, 측정을, 제어된 시간 기간 동안 사용된 전극에 대해 수행하였다. 스톡 전극들, 및 카운터-보어를 가진 홀의 깊이 0.03", 0.05", 및 0.06"를 가진 전극들에 대해 테스트를 행하였다. 이들 측정의 결과가 파운드 힘의 단위로 아래에 열거되어 있다.
제거력 측정값을 얻기 위해, 전극의 내부(상부)를, 방출 물질의 내부 단면 표면을 노출시키기 위해 선반(lathe) 및 절단 도구를 사용하여 제거하였다. 다음에, 주변 구리 물질로부터 방출 물질의 방출 작업 표면 쪽으로 방출 물질을 누르기 위해 플런저(plunger)/굴대(mandrel) 타입 장치를 사용하였다. 하기 표들은 전극의 길이방향에서 방출 인서트를 이동시키기 위해 플런저에 의해 작용하는 힘의 양을 나타낸다.
표 1
새로운 스톡 사용된 스톡
평균 102.9 51.3
Std. Dev. 9.2 35.6
최소 93 6
샘플 7 4
표 2
새로운 0.03" 계단 사용된 0.03" 계단 새로운 0.05" 계단 사용된 0.05" 계단 새로운 0.06" 계단 사용된 0.06" 계단
평균 85 29.5 105 65 90.3 62
Std. Dev. 1.4 2.1 22.8 15.6 25.1 17
최소 84 28 79 54 62 45
샘플 2 2 4 2 3 3
표 1에 나타낸 사용 부품들은 50개의 20초 스타트 동안 구동되었다. 이들 부품들은 본 발명의 원리에 따라 수정되지 않았다. 테스트된 모든 경우에서, 사용된 부품들은 인서트를 제거하는데 보다 작은 힘을 요구하였다. 사용된 스톡 부품들은 최고 표준 편차 및 최저 퇴출력(push out force)을 발생하였고, 때때로 방출 인서트를 이동시키는 데 6 파운드의 힘만을 필요로 한다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 2개의 최선의 계단 홀 설계는 인서트를 제거하는데 최소 45 및 54 파운드를 필요로 한다. 사용된 부품들에 대한 이들 결과는 또한 샘플 결과의 감소된 표준 편차에 의해 나타낸 바와 같이 더욱 일정하였다.
본 발명의 실시예들은 또한 높은 열전도성의 물질의 전극 본체를 형성하는 방법을 포함한다. 도 2A 내지 도 2F 및 도 6A 내지 도 6C에서 부분적으로 상술된 방법의 단계들은 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하도록 전극 본체를 형성하는 것을 포함한다. 보어는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하도록 제1 단부에 형성된다. 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트가 보어 내에 위치 되고, 인서트는 접촉 단부 및 외부 단부를 포함한다. 인서트의 접촉 단부는 보어의 제2 부분과 정렬되고, 외부 단부는 보어의 제1 부분과 정렬되어, 제1 갭이 상기 인서트의 제1 외부 표면과 제1 부분 사이에 형성되고, 제2 갭이 상기 인서트의 제2 외부 표면과 보어의 제2 부분 사이에 형성된다. 제1 갭은 실질적으로 제2 갭보다 크다. 힘이 인서트의 외부 단부에 가해져 인서트를 보어 안에 고정시킨다.
본 발명의 실시예들은 또한, 고품질 방출 영역을 유지하면서 인서트 물질의 비용을 감소시키기 위해 인서트 방출 영역과 인서트 부피의 조합을 최적화하기 위한 방법을 포함한다.
여기서 설명 또는 예시된 각 실시예의 전극 본체는 높은 열전도성의 물질, 예컨대, 구리, 구리 합금, 또는 은으로 형성될 수 있다. 또한, 각 전극 본체 실시예는 또한, 슬리브가 전극 본체 내의 보다 큰 보어에 삽입될 수 있기 전에 또는 그 후에, 예시된 보어가 슬리브에 형성된 상황을 나타낸다. 슬리브는 높은 열전도성의 물질, 예컨대, 구리, 구리 합금, 또는 은으로, 또는 높은 열이온 방사성의 물질, 예컨대, 하프늄 또는 인서트가 형성될 수 있는 임의 물질로 형성될 수 있다. 여기서 설명 또는 예시된 각 실시예에서의 인서트는 높은 열이온 방사성의 물질, 예컨대, 하프늄, 지르코늄, 텅스텐, 토륨, 란탄, 스트론튬, 또는 그 합금으로 형성될 수 있다.
상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 인서트와 전극 간의 인터페이스의 열전도성, 및 전극의 효율성 및 사용 기간을 증가시키기 위해 인서트 유지가 향상된 전극을 제공한다. 본 발명 또한 냉각, 따라서 인서트의 사용 기간을 향상시킨 인서트 구성을 가진 전극을 제공한다. 본 발명은 또한 필요한 인서트 물질의 양을 최소화하여 전극의 비용을 감소시키고 동시에 전극의 효율성 및 사용 기간을 감소시키지 않는 인서트 구성을 가진 전극을 제공한다. 본 발명은 또한 보다 긴 사용 기간을 가진 전극을 제공한다.
본 발명은 바람직한 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시 및 설명되었지만, 형태 및 세부 구성의 각종 변형이 청구 범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있음을 당업자는 이해해야 한다.

Claims (51)

  1. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되고, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 포함하며, 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하되, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 폐쇄 단부에 더 가까운 보어; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고,
    상기 인서트는 상기 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부 및 상기 보어의 폐쇄 단부 가까이에 배치된 접촉 단부를 포함하고, 상기 인서트는 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하되, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 폐쇄 단부에 더 가까우며,
    상기 보어의 제2 치수는 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치수는 인서트의 제1 치수보다 큰 플라즈마 아크 토치용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 인서트와 상기 보어 사이에 설치된 슬리브를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 치수는 환형 노치에 대응하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  4. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되고, 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함하되, 상기 제1 부분은 보어의 외부 개방 단부를 포함하고, 상기 제3 부분은 보어의 내부 개방 단부를 포함하고, 상기 보어의 제2 부분은 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하되, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 제3 부분에 더 가까운 보어; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고, 상기 인서트는 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 보어의 외부 개방 단부에 가까이 배치된 외부 단부를 포함하고, 상기 제3 부분은 상기 보어의 내부 개방 단부에 가까이에 배치된 단부를 포함하고, 상기 인서트는 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하며, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 인서트의 제3 부분에 더 가까우며,
    상기 보어의 제2 치수는 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치 수는 인서트의 제1 치수보다 큰 플라즈마 아크 토치용 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 인서트와 상기 보어 사이에 설치된 슬리브를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 치수는 환형 노치에 대응하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  7. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되고, 제1 단부 및 제2 단부를 포함하되, 상기 제1 단부는 보어의 개방 단부를 포함하는 보어; 및
    높은 열이온 방사성의 물질로 형성되어 상기 보어에 배치되고, 길이방향 길이를 가진 인서트를 포함하고,
    상기 인서트는,
    상기 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부면을 포함하되, 단지 상기 인서트의 길이방향 길이의 약 10% 이하인 길이방향 길이를 가진 제1 단부;
    단지 상기 인서트의 길이방향 길이의 약 20% 이하인 길이방향 길이를 가진 제2 단부;
    상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 있되, 상기 길이방향 축을 가로지른 제1 치수를 정의하고, 제1 외부 표면을 포함하는 제 1부분;
    상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 있되, 길이방향 축을 가로지른 제2 치수를 정의하고, 제2 외부 표면을 포함하는 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제1 치수는 상기 제2 치수보다 크며,
    상기 길이방향 축에 대하여 제1 외부 표면에 대한 탄젠트의 제1 각과 길이방향 축에 대하여 제2 외부 표면에 대한 탄젠트의 제2 각은 적어도 3 도만큼 다른 플라즈마 아크 토치용 전극.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제1 단부의 길이방향 길이는 단지 인서트의 길이방향 길이의 약 2% 이하인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  9. 제 7 항에 있어서,
    제2 단부의 길이방향 길이는 단지 인서트의 길이방향 길이의 약 10% 이하인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄, 또는 텅스텐, 또는 토륨 또는 란탄 또는 스트론튬 또는 그 합금인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부와 상기 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적 원통형인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 보어는 환형 연장부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 인서트는 플레어 헤드를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  17. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되되, 개방 단부 및 폐쇄 단부를 포함하는 보어; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고,
    상기 인서트는,
    제1 힘을 상기 보어의 제1 표면에 작용하는 제1 외부 표면; 및
    제2 힘을 상기 보어의 제2 표면에 작용하는 제2 외부 표면을 포함하고, 상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 크고, 상기 보어의 제2 표면은 상기 보어의 제1 표면보다 상기 보어의 폐쇄 단부에 길이 방향으로 더 가까운 플라즈마 아크 토치용 전극.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 인서트와 상기 전극 본체 사이에 설치된 슬리브를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 슬리브는 은인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라 즈마 아크 토치용 전극.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부와 상기 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적 원통형인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 보어는 환형 연장부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 인서트는 플레어 헤드를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  27. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되고, 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 포함하되, 상기 제1 부분은 보어의 외부 개방 단부를 정의하고, 제3 부분은 상기 보어의 내부 개방 단부를 정의하는 보어; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고,
    상기 인서트는,
    제1 힘을 상기 보어의 제2 부분의 제1 표면에 작용하는 제1 외부 표면; 및
    제2 힘을 상기 보어의 제2 부분의 제2 표면에 작용하는 제2 외부 표면을 포함하고,
    상기 제2 힘은 상기 제1 힘보다 크고, 상기 보어의 제2 표면은 상기 보어의 제1 표면보다 상기 보어의 제3 부분에 길이 방향으로 더 가까운 플라즈마 아크 토치용 전극.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 높은 열이온 방사성의 인서트 물질은 하프늄 또는 지르코늄인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 전극 본체의 높은 열전도성의 물질은 구리 또는 구리 합금인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 전극은 인서트와 전극 본체 사이에 설치된 슬리브를 더 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 슬리브는 은인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 인서트의 중앙 몸체부는 적어도 2개의 실질적 원통부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 보어의 중앙부와 상기 인서트의 중앙 몸체부 중 적어도 하나는 실질적으로 원통형인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  35. 제 27 항에 있어서,
    상기 보어는 환형 연장부를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  36. 제 27 항에 있어서,
    상기 인서트는 플레어 헤드를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  37. 플라즈마 아크 토치용 전극으로서,
    높은 열전도성의 물질로 형성되되, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되되, 개방 단부 및 폐쇄 단부를 포함하는 보어;
    상기 개방 단부로부터 떨어져 위치된 상기 보어의 표면상에 배치된 돌출부; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고, 상기 인서트의 접촉 표면은 상기 인서트를 상기 보어에 고정하기 위해 상기 돌출부의 적어도 부분을 포위하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 보어의 폐쇄 단부에 또는 그 단부 가까이에 배치되고, 상기 돌출부는 상기 개방 단부 쪽으로 부분적으로 연장된 플라즈마 아크 토치용 전극.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 돌출부는 바브(barbs), 그루브, 또는 노치를 포함하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  40. 제 37 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 전극 본체 또는 상기 인서트와 일체로 형성되지 않는 플라즈마 아크 토치용 전극.
  41. 제 37 항에 있어서,
    상기 돌출부는 길이방향 축을 중심으로 실질적으로 대칭인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  42. 제 37 항에 있어서,
    상기 접촉 표면은 상기 인서트의 접촉 단부인 플라즈마 아크 토치용 전극.
  43. 플라즈마 아크 토치에 사용되는 방출 인서트를 가진 전극을 제조하는 방법으로서,
    길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 높은 열전도성의 물질의 전극 본체를 형성하는 단계;
    제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 보어를 상기 제1 단부에 형성하는 단계;
    상기 보어에 높은 열이온 방사성의 물질로 형성되고 접촉 단부 및 외부 단부를 포함하는 인서트를 상기 보어에 위치시키는 단계;
    제1 갭이 상기 인서트의 제1 외부 표면과 상기 제1 부분 사이에 형성되고, 제2 갭이 상기 인서트의 제2 외부 표면과 상기 보어의 제2 부분 사이에 형성되고, 상기 제1 갭은 실질적으로 상기 제2 갭보다 크도록 상기 인서트의 접촉 단부를 상기 보어의 제2 부분에 그리고 상기 외부 단부를 상기 보어의 제1 부분과 정렬시키는 단계; 및
    상기 인서트를 상기 보어에 고정하기 위해 상기 인서트의 외부 단부에 힘을 가하는 단계를 포함하는 전극 제조 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 보어는 상기 보어의 제2 개방 단부를 정의하는 제3 부분을 더 포함하고, 상기 보어의 제2 부분이 상기 보어의 제1 부분과 제3 부분 사이에 위치된 전극 제조 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 보어의 제2 부분은 상기 보어의 폐쇄 단부를 정의하는 전극 제조 방법.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 제1 갭은 상기 제2 갭보다는 상기 보어의 개방 단부에 더 가까운 전극 제조 방법.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 제1 갭은 상기 제2 갭보다는 상기 보어의 폐쇄 단부/제2 부분에 더 가까운 전극 제조 방법.
  48. 제 43 항에 있어서,
    상기 가해진 힘은 상기 갭을 감소시키는 상기 인서트의 외부 단부에 가해지는 길이방향 힘인 전극 제조 방법.
  49. 제 43 항에 있어서,
    상기 가해진 힘은 상기 인서트에 대해 상기 보어의 개방 단부를 압축하는 압축력인 전극 제조 방법.
  50. 제 43 항에 있어서,
    상기 힘이 인가되기 전에 상기 보어에 제2 물질로 형성된 슬리브를 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 갭은 상기 슬리브의 표면과 상기 인서트의 제1 외부 표면 사이에 배치되는 전극 제조 방법.
  51. 플라즈마 아크 토치로서,
    토치 본체;
    상기 토치 본체 내의 노즐;
    상기 노즐에 인접하여 배치되어, 상기 노즐을 워크피스 스플래터(workpiece splatter)로부터 보호하는 차폐부;
    플라즈마 챔버를 정의하기 위해 상기 토치 본체 내의 노즐에 대해 장착되되, 높은 열전도성의 물질로 형성된, 길이방향 축을 정의하는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 전극 본체를 포함하는 전극;
    상기 전극 본체의 제1 단부에 의해 정의되어 상기 제1 단부에 배치되고, 폐쇄 단부 및 개방 단부를 포함하며, 적어도 각각 길이방향 축을 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하되, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 보어의 폐쇄 단부에 더 가까운 보어; 및
    상기 보어에 배치된 높은 열이온 방사성의 물질로 형성된 인서트를 포함하고, 상기 인서트는 상기 보어의 개방 단부 가까이에 배치된 외부 단부 및 상기 보어의 폐쇄 단부 가까이에 배치된 접촉 단부를 포함하고, 상기 인서트는 적어도 상기 길이방향 축을 각각 가로지르는 제1 및 제2 치수를 정의하며, 상기 제2 치수는 상기 제1 치수보다 상기 보어의 폐쇄 단부에 가까우며,
    상기 보어의 제2 치수는 상기 보어의 제1 치수보다 크거나 상기 인서트의 제2 치수는 상기 인서트의 제1 치수보다 큰 플라즈마 아크 토치.
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