KR20140114837A - 가스 금속-아크 용접에 사용되는 접촉 팁 - Google Patents

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KR20140114837A
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한네스 라우드세프
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이에스에이비 아베
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Abstract

본 발명에 따른 가스 금속-아크 용접을 위한 접촉 팁(1)은
- 금속 재료의 본체(3)로서, 튜브형 기부(4) 및 기부와 연결되고 기부의 전방 단부로부터 축방향으로 연장하는 2개 이상의 핑거들(5a, 5b)을 갖는, 본체와,
- 본체를 통해 축방향으로 연장하는 적어도 하나의 와이어-공급 도관(7)으로서, 와이어-공급 도관 안에서 용접 와이어가 수용 및 공급되는, 적어도 하나의 와이어-공급 도관과,
- 핑거들을 이격시키기 위해 핑거들 사이에 배열된 슬롯들(10a, 10b)과,
- 상기 핑거들을 둘러싸는 스프링 수단(11)으로서, 저온일 때 핑거들이 와이어-공급 도관 내에 도입된 용접 와이어의 케이싱 표면 상에 어떠한 압력도 가하지 않도록 핑거들이 이격되어 유지되고 금속 재료의 연화 온도를 초과하는 온도로 가열되었을 때는 핑거들이 와이어-공급 도관 내에 수용된 용접 와이어의 케이싱 표면 상에 압력을 가하기 위해 방사상 내향 스프링력에 의해 압축되게 하는 강도로, 핑거들에 방사상으로 작용하는 스프링력을 가하도록 구성되는, 스프링 수단을 포함한다.

Description

가스 금속-아크 용접에 사용되는 접촉 팁{CONTACT TIP FOR USE IN GAS METAL-ARC WELDING}
본 발명은 가스 금속-아크 용접에 사용하기 위한 청구항 1의 전제부에 따른 접촉 팁에 관한 것이다.
가스 금속-아크 용접에서는, 용접 와이어가 접촉 팁 내의 와이어-공급 도관을 통해 공급된다. 접촉 팁은 양호한 전기 전도성을 가진 금속 재료로 이루어져 있고, 접촉 팁을 통해 공급되는 용접 와이어에 용접 전류를 전달하기 위한 접촉 수단을 형성한다. 가스 금속-아크 용접은 중실형 와이어 또는 분말 충전식 코어형 와이어 중 어느 하나의 형태의 용접 와이어로 실행될 수 있다. 가스 금속-아크 용접에 있어서, 아크가 용접 와이어와 용접되는 작업편 사이에 유지된다. MAG 용접과 MIG 용접은 2개의 일반적인 유형의 가스 금속-아크 용접을 나타낸다. MAG 용접의 경우, 아크와 용접 풀은 활성 차단 가스의 흐름에 의해 보호되고, MIG 용접의 경우에는 아크와 용접 풀이 불활성 차단 가스의 흐름에 의해 보호된다. 가스 금속-아크에 있어서, 분말 충전식 코어형 와이어 형태의 용접 와이어로 용접할 때에, 용접은 불활성 가스의 추가 없이 실행될 수 있다.
접촉 팁 내의 와이어-공급 도관을 통과할 때에, 용접 와이어는 와이어-공급 도관의 내부 표면을 향해 미끄러지고, 이에 의해 접촉 팁으로부터 용접 와이어로 전력을 전달하기 위한 원하는 접촉이 달성된다. 통상적인 접촉 팁에 있어서, 와이어-공급 도관은 작은 간극을 가진 상태로 용접 와이어를 수용하고, 용접 와이어와 접촉 팁 사이의 접촉 지점의 위치는 용접 공정 동안에 변화될 수 있으며, 이로 인하여, 예를 들어 와이어-공급 도관 내의 접촉 팁과 용접 와이어 사이에 원하지 않고 바람직하지 않은 아크가 발생될 수 있다. 이러한 우발적인 아킹(arcing)은 큰 전력 손실을 초래하여 이에 따른 발열 및 팁 마모를 발생시킨다. 또한, 아킹은 용접 와이어가 팁 내에서 연소하게 하여, 팁이 폐기되어야만 할 수 있다. 또한, 용접 와이어와 접촉 팁 사이의 접촉 지점의 가변적인 위치는 용접 전류가 지나는 용접 와이어의 길이를 변화시키고, 이로 인하여 용접 와이어와 작업편 사이의 아크 특성이 변화하고 용접 품질이 저하된다. 전술한 문제점들은 와이어-공급 도관의 출구 포트에 인접한 영역의 접촉 팁과 용접 와이어 사이에서 연속적이고 바람직한 전기적 접촉을 유지함으로써, 회피될 수 있다. 그러나 이러한 접촉을 유지하는 능력은 와이어-공급 도관의 내부 표면에 용접 와이어의 기계적 마멸이 가해짐으로써 악화될 수 있으며, 이로 인하여 와이어-공급 도관의 내부 표면과 용접 와이어 사이의 증가된 유극을 초래할 수 있으며, 이에 의해 와이어-공급 도관의 내부 표면과 용접 와이어 사이의 전기적 접촉을 손상시킬 수 있다. 또한, 와이어-공급 도관 내부 표면의 마모로 인하여 와이어-공급 도관의 출구 단부에서 용접 와이어에 대한 제어도가 저하되며, 이로 인하여 용접 정밀도가 악화되게 된다. 와이어-공급 도관 내부의 우발적인 아킹으로 인한 접촉 팁의 기계적 마멸 및 마모는 접촉 팁의 수명을 단축시킨다. 재료 비용과 마모된 접촉 팁을 새로운 접촉 팁으로 교체하는 것과 관련된 비사용 시간을 제한하기 위해 접촉 팁의 수명을 증가시키는 것이 바람직하다.
접촉 팁 와이어-공급 도관의 출구 포트에 인접한 영역에서 접촉 팁과 용접 와이어 사이의 연속적이고 바람직한 전기적 접촉을 보장하기 위한 다양한 해결방안이 수 년에 걸쳐서 제시되었다. 이러한 해결방안의 예가, 예를 들어 미국특허 제6,559,416 B1호, 미국특허 제6,710,300 B2호, 미국특허공개공보 제2011/0036821 A1호 및 국제특허공개공보 제2006/046799 A1호에 개시되어 있다. 그러나, 지금까지 제안되고 개발된 몇 가지 해결방안 만이 상업적인 성공을 달성하였고, 전술한 문제점은 간단하고 효율적인 해결방안이 필요한 상태이다.
본 발명의 목적은 정상 용접 조건 하에서 접촉 팁 와이어-공급 도관의 출구 포트에 인접한 영역에서 접촉 팁과 용접 와이어 사이의 연속적이고 바람직한 전기적 접촉이 보장될 수 있는, 바람직한 유효 수명을 가진 간단하고 효율적인 접촉 팁을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 규정되어 있는 특징을 구비하는 접촉 팁에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따른 접촉 팁은
- 전기 전도성 금속 재료의 본체로서, 튜브형 기부 및 기부와 연결되고 기부의 전방 단부로부터 축방향으로 연장하는 2개 이상의 핑거들을 갖는, 본체와,
- 본체를 통해 축방향으로 연장하는 적어도 하나의 와이어-공급 도관으로서, 와이어-공급 도관 안에서 용접 와이어가 수용 및 공급되도록 구성되며, 상기 와이어-공급 도관은 상기 핑거들 사이에서 접촉 팁의 전방 단부에서 출구 포트를 갖고 접촉 팁의 후방 단부에서 입구 포트를 갖는, 적어도 하나의 와이어-공급 도관과,
- 핑거들을 서로 이격시키기 위해 핑거들 사이에서 본체 내에 제공된 슬롯들로서, 본체의 기부로부터 상기 출구 포트까지 축방향으로 각각 연장하는, 슬롯들과,
- 상기 핑거를 둘러싸는 스프링 수단으로서, 저온일 때 핑거들이 와이어-공급 도관(7) 내에 수용된 용접 와이어의 케이싱 표면 상에 압력을 가하지 않도록 핑거들이 이격되어 유지되고 금속 재료의 연화 온도를 초과하는 온도로 가열되었을 때는 핑거들이 와이어-공급 도관 내에 수용된 용접 와이어의 케이싱 표면 상에 압력을 가하기 위해 방사상 내향 스프링력에 의해 압박되도록 하는 강도로 핑거들에 방사상으로 작용하는 스프링력을 가하도록 구성되는, 스프링 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 해결방안에 의하면, 접촉 팁 핑거는, 단지 접촉 팁을 금속 재료의 연화 온도를 초과하는 온도까지 가열할 때에, 와이어-공급 도관 내에 수용되는 용접 와이어에 대해 가압된다. 접촉 팁의 가열은 용접 동안에 발생된 열의 작용으로 인해 용접의 개시 후에 자동으로 발생된다. 용접 공정 동안에, 접촉 팁의 온도가 금속 재료의 연화 온도를 초과하면, 접촉 팁 핑거는 스프링 수단에 의해 와이어-공급 도관을 통해 진행하는 용접 와이어에 대해 가압되어 접촉 상태로 되도록 탄성이 있게 된다. 이것은 용접 공정 동안에 접촉 팁 와이어-공급 도관의 출구 포트에 인접한 영역에서 접촉 팁과 용접 와이어 사이의 연속적이고 바람직한 전기적 접촉을 보장할 수 있다. 용접 동안에 용접 와이어의 작용으로 인하여, 와이어-공급 도관의 내부 표면이 마모되기 때문에, 스프링 수단은 핑거를 서로에게 더 가까워지게 점진적으로 가압하는 한편, 와이어-공급 도관의 출구 포트에 인접한 영역에서 접촉 팁과 용접 와이어 사이의 연속적이고 바람직한 전기적 접촉을 유지시키며, 이는 접촉 팁의 바람직한 유효 수명에 기여한다.
접촉 팁이 저온 상태일 때에, 접촉 팁 핑거는 스프링 수단의 방사상으로 작용하는 스프링력에 저항하도록 충분히 강성이 있으며, 이에 의해 핑거는 원하는 거리만큼 이격 상태를 유지할 수 있어서, 용접 이전에 용접 와이어가 와이어-공급 도관을 통해 핑거로부터의 저항없이 용이하게 삽입되고 이동할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 접촉 팁은 소수의 별개의 부품을 가진 간단한 구성을 갖고 있으며, 상대적으로 단순하고 제조가 저렴하다.
스프링 수단은 온도 저항성 금속성 스프링 재료이거나 또는 바이메탈 요소일 수 있고, 온도 저항성 금속성 스프링 재료는 스프링 재료의 연화 온도가 초과되지 않으면, 온도와 관계없이 실질적으로 일정한 강도의 방사상으로 작용하는 스프링력을 접촉 팁 핑거에 가하며, 바이메탈 요소는 저온에서 무시해도 될 정도의 수치 또는 0 수치를 갖는 방사상으로 작용하는 스프링력을 접촉 팁 핑거에 가하도록 구성될 수 있으며, 이러한 수치는 온도가 상승함에 따라 증가한다. 어느 경우든, 스프링 수단은 접촉 팁 본체의 금속 재료의 연화 온도를 초과하는, 그리고 또한, 용접 중 접촉 팁에서 통상적으로 얻어지는 온도보다 높은 연화 온도를 갖는 스프링 재료로 분명하게 구성되어야 한다.
본 발명에 따른 접촉 팁의 다른 접촉 팁의 다른 유리한 특징들은 종속항들 및 후술하는 상세한 설명으로부터 나타난다.
본 발명은 실시예를 통하여 그리고 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다. 이하가 개시된다:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 팁의 개략적인 사시도이다.
도 2는 냉각 상태에서의 도 1에 따른 접촉 팁을 관통하는 단면도이다.
도 3은 가열 상태에서의 도 1에 따른 접촉 팁을 관통하는 단면도이다.
도 4는 도 1에 따른 접촉 팁의 정면도이다.
도 5는 금속 재료의 온도에 따라 변하는 금속성 재료의 공칭 경도를 도시하는 도표이다.
도 1 내지 도 4는 중실 또는 코어형 와이어 형태의 용접 와이어(2)와 함께 가스 금속 아크 용접에 사용하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 접촉 팁(1)을 도시한다. 접촉 팁(1)은, 바람직하게는 고온 적용을 위한 구리 합금의 형태인 전기 전도성 금속 재료로 제조된 본체(3)를 포함한다. 본체(3)는 튜브형 기부(4) 및 기부와 연결되고 기부(4)의 전방 단부로부터 축방향으로 연장하는 핑거(5a, 5b)를 가진다. 본체(3)에는 기부(4)의 후방 단부에 배열된 나사부(6)가 더 제공된다. 이러한 나사부(6)는 용접 장치 내로 접촉 피스(1)가 긴밀하게 나사결합되도록 허용한다. 기부(4) 및 핑거(5a, 5b)는 단일 피스로 일체화된다.
직선형 와이어 공급 도관(7)은 본체의 중심 축을 따라서 본체(3)를 관통하여 축방향으로 연장한다. 이 와이어 공급 도관(7)에는 수용 및 전진되도록 구성된 용접 와이어(2)가 내장된다. 와이어 공급 도관(7)은 핑거들(5a, 5b) 사이에서 접촉 팁의 후방 단부에 입구 포트(8)를 갖고 접촉 팁의 전방 단부에 출구 포트(9)를 가진다. 와이어 공급 도관(7)은 와이어 공급 도관에 수용되도록 구성되는 용접 와이어(2)의 직경보다 약간 큰 직경(d), 예를 들어, 0.1-0.2 mm로 구현되거나 이보다 큰 직경으로 구현되어, 이 용접 와이어(2)는 와이어 공급 도관(7)에 작은 간극으로 수용될 수 있다.
슬롯(10a, 10b)은 핑거들(5a, 5b) 사이에서 이들을 서로로부터 분리시키기 위하여 본체(3) 내에 배열되며, 이로 인하여 각각의 슬롯들(10a, 10b)은 본체 기부(4)로부터 와이어 공급 도관(9)의 출구 포트까지 연장한다. 각각의 슬롯들(10a, 10b)은 본체(3)의 외부면과 와이어 공급 도관(7) 사이에서 방사상으로 연장한다. 따라서, 본체(3)의 전방부는 슬롯들(10a, 10b)에 의하여 나뉘어져 상기 핑거들(5a, 5b)을 형성한다. 각각의 슬롯들(10a, 10b)의 축방향 길이는 전체 팁 길이의 25-80% 정도에 대응되는 것이 바람직하다.
슬롯(10a, 10b)의 폭(w)이 증가함에 따라 와이어 공급 도관 내부면의 마모 마진은 증가한다. 그러나, 슬롯의 폭은, 용접 와이어(2)가 핑거들(5a, 5b) 사이에서 전진되었을 때 와이어 공급 도관(7)에서 벗어나 슬롯(10a, 10b) 내로 측방향으로 활주될 수 있을 정도의 크기는 아니다. 각각의 슬롯들(10a, 10b)은 와이어 공급 도관 직경(d)의 25-90% 정도에 대응하는 폭(w)을 갖는 것이 바람직하다.
도시된 예에서, 핑거(5a, 5b)의 개수는 2개이고, 와이어-공급 도관(7)의 양쪽에 대향하여 배치되는 2개의 슬롯(10a, 10b)에 의해 서로 분리된다. 대안적으로, 핑거(5a, 5b)의 개수는 예를 들어 3개 또는 4개로, 2개보다 많을 수 있고, 이에 따라 슬롯(10a, 10b)의 개수가 명백히 증가될 것이다.
접촉 팁(1)에는 핑거들(5a, 5b)을 둘러싸는 스프링 수단(11)이 제공된다. 스프링 수단(11)은 핑거들(5a, 5b)의 전방부에서 핑거들(5a, 5b) 주위에 배치되고, 핑거들(5a, 5b)의 외부에 배치된 홈(12) 내에 수용된다. 스프링 수단(11)은 바람직하게 통상적인 스프링을 포함하지만, 대안적으로 바이메탈 요소, 예를 들어 개방된 링 형상의 바이메탈 요소를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 스프링 수단(11)은 개방된 링 형상의 벌류트 스프링을 포함하지만, 대안적으로 코일 스프링을 포함할 수 있다.
스프링 수단(11)은 핑거들(5a, 5b)에 방사상으로 작용하는 스프링력을 가하도록 배치되고, 그 강도는, 저온일 때 그리고 예를 들어 실온 또는 실질적으로 본체의 금속 재료의 연화 온도보다 낮은 몇몇 다른 온도에 있을 때, 도 2에 도시된 바대로, 핑거들이 와이어-공급 도관(7) 내에 수용된 용접 와이어(2)의 케이싱 표면에 압력을 가하지 않는 거리에 서로 유지되고, 본체의 금속 재료의 연화 온도보다 높은 온도로 가열될 때는 도 3에 도시된 바대로, 와이어-공급 도관(7)에 의해 수용되는 용접 와이어(2)의 케이싱 표면에 압력을 가하기 위해서 핑거들(5a, 5b)이 스프링 수단의 스프링력에 의해 방사상 안쪽으로 압축되는 강도이다. 따라서, 접촉 팁(1)이 냉각되어 실제 금속 재료의 연화 온도보다 낮은 온도에 있을 때, 핑거들(5a, 5b)은 스프링 수단(11)에 의해 와이어-공급 도관의 출구 포트(9)까지 와이어-공급 도관(7)을 통해 공급되는 용접 와이어(2)쪽으로 압축되지 않을 것이다. 결과적으로, 핑거들(5a, 5b)은 용접을 수행하도록 접촉 팁이 제공된 용접 장치를 준비시키는 것과 관련하여 용접 와이어(2)를 접촉 팁(1)에 도입하는 것을 복잡하게 하지 않을 것이다. 이어서 용접을 시작하고 접촉 팁(1)을 상기 금속 재료의 연화 온도보다 높은 온도로 가열할 때, 스프링 수단(11)은 핑거들(5a, 5b)을 서로를 향해 가압하여 와이어-공급 도관(7) 내에 도입된 용접 와이어(2)와 접하게 함에 따라, 와이어-공급 도관의 출구 포트(9)에 인접한 영역에서 핑거들(5a, 5b)과 용접 와이어(2) 사이의 연속적이고 바람직한 전기적 접촉을 보장할 것이다.
금속 재료의 연화 온도는 온도가 증가함에 따라 재료의 경도가 감소하기 시작하는 온도이다. 재료가 그 연화 온도와 일치하는 온도에 도달할 때까지, 재료는 실질적으로 일정한 경도를 갖지만, 연화 온도로 가열된 후 재료의 경도는 온도가 증가함에 따라 감소할 것이다. 도 5는 475℃의 연화 온도를 갖는 구리 합금 온도의 함수로서 공칭 경도를 도시하는 다이어그램을 제공한다. 도 5에 따른 다이어그램에 도시된 바대로, 이 재료의 경도는 475℃의 온도까지 실질적으로 일정한 값에 위치하고 그 이후에는 온도가 증가함에 따라 감소한다.
스프링 수단(11)은 접촉 팁 본체(3)가 제조되는 금속 재료의 연화 온도보다 높은 연화 온도를 갖는 금속성 스프링 재료로 제조되고, 또한 이 연화 온도는 용접을 수행할 때 팁(1)에서 보통 도달되는 온도보다 높다. 보통의 용접 조건하에서 적절하게 작업하기 위해서, 스프링 금속은 1500℃ 이상의 연화 온도를 가져야 한다.
도 1 내지 도 4에 도시된, 접촉 팁(1)의 핑거들(5a, 5b)에는 리세스(13)들이 제공되고, 이것들은 용접 장치에 접촉 팁을 체결하고 용접 장치로부터 접촉 팁을 돌려서 풀기 위해 이용되는 툴을 위한 결합 표면들을 형성한다.
도시된 예에서, 접촉 팁(1)에는 단일 와이어-공급 도관(7)이 제공된다. 그러나, 본 발명에 따른 접촉 팁은 대안적으로 접촉 팁 본체(3)의 기부(4)와 핑거들(5a, 5b)을 통해 서로 평행하게 연장되는 2개 이상의 와이어-공급 도관들이 제공되어, 이들 와이어-공급 도관들이 와이어를 각각 수용하도록 구성될 수 있다.
당연히, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되지 않고, 많은 변경 선택 사양들이 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정의된 것처럼 본 발명의 기본 개념 자체를 벗어나지 않고 관련 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 가스 금속-아크 용접에 사용되는 접촉 팁으로서, 접촉 피스(1)가
    - 전기 전도성 금속 재료로 구성된 본체(3)로서, 튜브형 기부(4) 및 기부(4)에 연결되고 기부(4)의 전방 단부로부터 축방향으로 연장하는 2개 이상의 핑거들(5a, 5b)을 갖는, 본체(3)와,
    - 본체(3)를 통해 축방향으로 연장하는 적어도 하나의 와이어-공급 도관(7)으로서, 그 안에서 용접 와이어가 수용 및 전진되며, 상기 와이어-공급 도관(7)은 상기 핑거들(5a, 5b) 사이에서 접촉 팁의 전방 단부에서 출구 포트(9)를 갖고 접촉 팁의 후방 단부에서 입구 개구(8)를 갖는, 적어도 하나의 와이어-공급 도관(7)과,
    - 상기 핑거들(5a, 5b) 사이에서 핑거들을 서로 분리하기 위해 본체(3) 내에 배열된 슬롯들(10a, 10b)로서, 본체의 기부(4)로부터 상기 출구 포트(9)로 축방향으로 각각 연장하는, 슬롯들(10a, 10b)을 포함하는, 접촉 팁에 있어서,
    접촉 팁(1)에는 상기 핑거(5a, 5b)를 둘러싸는 스프링 수단(11)이 제공되고, 상기 스프링 수단은 저온일 때 핑거들이 와이어-공급 도관(7) 내에 도입된 용접 와이어의 케이싱 표면에 대해 압력을 가하지 않도록 핑거들이 이격되어 유지되고 금속 재료의 연화 온도를 초과하는 온도로 가열되었을 때는 핑거들이 와이어-공급 도관(7) 내에 도입된 용접 와이어의 케이싱 표면에 대해 압력을 가하기 위해 방사상 내향 스프링력에 의해 압축되는 강도로, 핑거들(5a, 5b)에 방사상으로 작용하는 스프링력을 가하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 접촉 팁.
  2. 제1항에 있어서, 스프링 수단(11)은 핑거들(5a, 5b)의 외부에 배열된 홈(12) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 수단(11)은 개방된 링 형상의 벌류트 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 수단(11)은 코일 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 수단(11)은 바이메탈 요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 수단(11)은 접촉 팁 본체(3)를 구성하는 금속성 재료의 연화 온도를 초과하는 연화 온도를 갖는 금속성 스프링 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링 수단(11)은 스프링 수단의 전방부에서 핑거들(5a, 5b) 주위에 배열되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핑거들(5a, 5b)은 개수가 2개이며, 와이어-공급 도관(7)의 양쪽에 대향하여 배치된 2개의 슬롯들(10a, 10b)에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 슬롯(10a, 10b)은 와이어-공급 도관의 직경(d)의 25-90%에 상응하는 폭(w)을 갖는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 본체(3)는 구리 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 접촉 팁.
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