KR20200101194A

KR20200101194A - 은전극 플라즈마 절단토치와 전극 제조방법

Info

Publication number: KR20200101194A
Application number: KR1020190019495A
Authority: KR
Inventors: 김재일
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-27

Abstract

본 발명에 의한 은전극 플라즈마 절단토치 및 전극 제조방법에 의하면, 전기 전도도, 열 전도도가 우수한 은을 사용함으로써, 플라즈마 생성시 발생되는 아크열을 은(Ag)필름이 고르게 전도하여 고온 방출성 봉에 아크열의 전달이 규칙적으로 이루어져 고온 방출성 봉의 소모를 획기적으로 줄여 전극의 사용수명을 극대화하는 효과가 있고,
또한, 냉각 효율을 향상시키기 위해 열해석 및 유동해석을 통한 구조 개선을 하여 수명을 향상시키는 효과가 있고,
상기 전극 제조방법에 의한 은전극이 개발되면 절단의 원가 절감 및 작업효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 종래 플라즈마 절단토치의 문제점을 해결하기 위해, 냉각효율 향상을 통해 수명이 향상된 은전극 플라즈마 절단토치는 플라즈마가스, 실드가스 및 전류를 공급하고, 냉각튜브가 구비되는 토치바디(1); 상기 토치바디(1)에 삽입되어 아크를 발생시키는 전극부(2); 상기 전극부(2) 외측에 구비되며, 플라즈마가스를 스월시키는 스월부(3); 상기 전극부(2) 전면에 구비되며, 실드 가스를 스월시켜 분출하는 노즐부(4); 상기 노즐부(4) 외측을 덮도록 배치되며, 냉각수 유로 공간(51) 및 실드가스 유로 공간(52)을 구비하는 일체형 가드캡(5);를 포함하고,
이때, 상기 노즐부(4)는, 플라즈마가스 및 아크를 분출하는 노즐(41)과, 실드가스를 스월시켜 상기 노즐(41)로부터 분출되는 플라즈마가스의 응집도를 향상시키는 노즐캡(42)을 포함하고,
그리고 상기 노즐캡(42)은, 실드가스가 유입되는 각도로 뚫려진 복수 개의 구멍(421)을 구비하는 것을 특징으로 하고,
상기 구멍(421)은, 노즐캡(42) 외측에서 내측으로 60°방향으로 구비되는 것을 특징으로 하고,
또한, 실드가스 이동 시 상기 일체형 가드캡(5) 내에서 간섭받는 부분없이 노즐캡(42)까지 이동하여 스왈을 증폭함으로써 플라즈마를 구속하는 것을 특징으로 하고,
한편, 상기 전극부(2)는, 은(Ag)과 구리(Cu) 합금소재로 된 전극본체(21)와, 상기 전극본체(21)의 중공부(25) 내측에 둘려지는 은(Ag)필름(22)과, 상기 전극본체(21)의 중공부(25)에 삽입되고, 은(Ag)필(22)름 내측에 구비되는 고온 방출성 봉(23)과, 상기 중공부(25) 상단 내측 둘레에 삽입되는 은(Au)납링(24)을 포함하고,
이때, 상기 전극본체(21)는, 90% 은(Au)과 10% 구리(Cu)로 조성된 합금으로 사용되는 것을 특징으로 하고,
또한, 상기 고온 방출성 봉(23)은, 고온 방출성 재료로 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 또는 지르코늄(Zr)이 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 전극부(2) 제조방법에 있어서: 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 은(Au)필름(22)을 삽입하는 제조 1 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 고온 방출성 봉(23)을 삽입하는 제조 2 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25) 상단 내측에 은(Au)납링(24)을 삽입하는 제조 3 단계, 상기 전극본체(21), 고온 방출성 봉(22), 은필름(23) 및 은납링(24)을 780℃에서 25분 브레이징하여 접합하는 제조 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,
이때, 상기 제조 4 단계 시 전극부 1개 내지 10개를 실시하는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치를 제공하는 것이다.

Description

은전극 플라즈마 절단토치와 전극 제조방법{Silver electrode plasma cutting torch and Electrode manufacturing method}

본 발명은 은전극 플라즈마 절단토치와 전극 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극에 은을 추가하여 브레이징함으로써 열전도 및 전기전도도를 향상시키고 토치의 구조를 개선하여 냉각 효율을 향상시키는 은전극 플라즈마 절단토치와 전극 제조방법를 제공하는 것이다.

절단기는 용접, 제관 등을 하기 위해 피 절단재를 다양한 모양으로 절단하는 기본적인 장비로서 중공업, 조선업 및 해양플랜트 산업에 있어서 핵심적인 장비다.

절단기로는 플라즈마 절단기, 산소 절단기, 레이저 절단기, 워터젯 절단기 등이 있지만, 이 중에서 플라즈마 절단기가 비용 및 품질 면에서 가장 뛰어나 업계에서 가장 많이 쓰이고 있다.

플라즈마 절단기 즉, 플라즈마 절단토치는 전극, 스월링, 노즐 등이 소모성 부재로서 교환가능하게 구성되어 있고, 이러한 구성은 미국 특허번호 5,756,959 및 5,464,962에 기재되어 있다.

현재 전 세계적으로 양산 중에 있는 플라즈마 절단토치에 사용되는 전극은 구리(Cu)에 하프늄(Hf) 또는 텅스텐(W)가 삽입되어 많이 사용되고 있다.

그러나 최근 절단 후판의 두께가 두꺼워져 절단 속도를 향상시키기 위해 고 암페어에서 사용되고 있지만, 이는 전극의 수명을 단축시키므로, 작업효율을 저하시킨다. 그리하여 고 암페어용 절단 토치 개발이 요구되고 있다.

또한, 충분한 수명을 제공하기 위해 전극에서 발생하는 열을 제거해야 하며, 열을 제거하는 방법으로는 냉각제 튜브를 통해 높은 유속을 제공하는 것이 있다.

그러나 상기 선행특허들에서는 전극 본체의 내부에 냉각제 튜브를 단순 삽입한 구성으로는 고온 방출성 봉을 충분히 냉각하지 못한다는 것을 실험으로 알아내었다.

그리고 종래의 플라즈마 절단토치를 위한 전극의 제조방법은 구리(Cu) 재질의 전극본체에 하프늄(Hf) 봉을 삽입하여 은(Ag) 납으로 브레이징 접합하는 방법과 하프늄(Hf) 봉을 은(Ag) 튜브에 강제 삽입한 후, 이를 전극본체에 다시 삽입하여 접합하는 방법으로 제조되었다.

그러나, 종래와 같이 브레이징 접합에 의한 제조방법의 경우, 구리(Cu) 재질의 본체가 하프늄(Hf)에 전달하는 열전도율이 뛰어나지 못하여 불규칙한 아크열이 발생됨에 따라 하프늄(Hf)봉의 소모가 빨라져 전극의 수명이 단축되는 문제점이 있으며, 또한 하프늄(Hf) 봉이 삽입된 은(Ag) 튜브를 다시 전극본체에 삽입하여 접합하는 제조방법의 경우 하프늄(Hf) 봉을 은튜브에 강제 삽입하여 틈이 없도록 삽입이 되더라도 아크 발생시 전극의 온도 상승에 의해 미세한 은(Ag) 튜브와 전극본체 사이에 미세한 틈이 발생되어 불규칙한 전도에 의한 불규칙한 아크열이 발생되어 하프늄(Hf) 봉의 소모가 빨라져 수명이 단축되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고온 방출성 봉 주위를 은(Ag)으로 브레이징함으로써, 전기 전도도 및 열 전도도를 향상시키고, 열해석 및 유동해석을 통한 구조 개선을 하여 수명을 향상시키도록 은전극 플라즈마 절단토치와 전극 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 종래 플라즈마 절단토치의 문제점을 해결하기 위해, 냉각효율 향상을 통해 수명이 향상된 은전극 플라즈마 절단토치는 플라즈마가스, 실드가스 및 전류를 공급하고, 냉각튜브가 구비되는 토치바디(1); 상기 토치바디(1)에 삽입되어 아크를 발생시키는 전극부(2); 상기 전극부(2) 외측에 구비되며, 플라즈마가스를 스월시키는 스월부(3); 상기 전극부(2) 전면에 구비되며, 실드 가스를 스월시켜 분출하는 노즐부(4); 상기 노즐부(4) 외측을 덮도록 배치되며, 냉각수 유로 공간(51) 및 실드가스 유로 공간(52)을 구비하는 일체형 가드캡(5);를 포함하고,

이때, 상기 노즐부(4)는, 플라즈마가스 및 아크를 분출하는 노즐(41)과, 실드가스를 스월시켜 상기 노즐(41)로부터 분출되는 플라즈마가스의 응집도를 향상시키는 노즐캡(42)을 포함하고,

그리고 상기 노즐캡(42)은, 실드가스가 유입되는 각도로 뚫려진 복수 개의 구멍(421)을 구비하는 것을 특징으로 하고,

상기 구멍(421)은, 노즐캡(42) 외측에서 내측으로 60°방향으로 구비되는 것을 특징으로 하고,

또한, 실드가스 이동 시 상기 일체형 가드캡(5) 내에서 간섭받는 부분없이 노즐캡(42)까지 이동하여 스왈을 증폭함으로써 플라즈마를 구속하는 것을 특징으로 하고,

한편, 상기 전극부(2)는, 은(Ag)과 구리(Cu) 합금소재로 된 전극본체(21)와, 상기 전극본체(21)의 중공부(25) 내측에 둘려지는 은(Ag)필름(22)과, 상기 전극본체(21)의 중공부(25)에 삽입되고, 은(Ag)필(22)름 내측에 구비되는 고온 방출성 봉(23)과, 상기 중공부(25) 상단 내측 둘레에 삽입되는 은(Au)납링(24)을 포함하고,

이때, 상기 전극본체(21)는, 90% 은(Au)과 10% 구리(Cu)로 조성된 합금으로 사용되는 것을 특징으로 하고,

또한, 상기 고온 방출성 봉(23)은, 고온 방출성 재료로 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 또는 지르코늄(Zr)이 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 전극부(2) 제조방법에 있어서: 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 은(Au)필름(22)을 삽입하는 제조 1 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 고온 방출성 봉(23)을 삽입하는 제조 2 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25) 상단 내측에 은(Au)납링(24)을 삽입하는 제조 3 단계, 상기 전극본체(21), 고온 방출성 봉(22), 은필름(23) 및 은납링(24)을 780℃에서 25분 브레이징하여 접합하는 제조 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,

이때, 상기 제조 4 단계 시 전극부 1개 내지 10개를 실시하는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 은전극 플라즈마 절단토치 및 전극 제조방법에 의하면, 전기 전도도, 열 전도도가 우수한 은을 사용함으로써, 플라즈마 생성시 발생되는 아크열을 은(Ag)필름이 고르게 전도하여 고온 방출성 봉에 아크열의 전달이 규칙적으로 이루어져 고온 방출성 봉의 소모를 획기적으로 줄여 전극의 사용수명을 극대화하는 효과가 있고,

또한, 냉각 효율을 향상시키기 위해 열해석 및 유동해석을 통한 구조 개선을 하여 수명을 향상시키는 효과가 있고,

상기 전극 제조방법에 의한 은전극이 개발되면 절단의 원가 절감 및 작업효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 은전극 플라즈마 절단토치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 따른 노즐캡에서 실드가스의 유동을 나타내는 것이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 따른 일체형 가드캡의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 실드가스가 유입되는 각도로 뚫여진 복수 개의 구멍을 나타내는 노즐캡의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 따른 전극부의 사시도이다.
도 6 은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐캡에서 6개의 구멍일 때, 실드가스의 유속을 나타내는 데이터이다.
도 7 은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐캡 입구와 출구에서의 구멍 개수에 따른 실드가스 유량을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐캡에서 6개의 구멍과 각도가 60°일 때, 실드가스의 유속을 나타내는 데이터이다.
도 9 는 본 발명의 실시 예에 따른 구멍의 각도가 60°일 때 구멍의 개수에 따른 노즐캡 입구와 출구에서의 실드가스 유량을 나타내는 그래프이다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여햐 한다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에서 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 은 본 발명의 은전극 플라즈마 절단토치의 단면도를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 냉각효율 향상을 통해 수명이 향상된 은전극 플라즈마 절단토치(1)는 플라즈마가스, 실드가스 및 전류를 공급하고, 냉각튜브가 구비되는 토치바디(1); 상기 토치바디(1)에 삽입되어 아크를 발생시키는 전극부(2); 상기 전극부(2) 외측에 구비되며, 플라즈마가스를 스월시키는 스월부(3); 상기 전극부(2) 전면에 구비되며, 실드 가스를 스월시켜 분출하는 노즐부(4); 상기 노즐부(4) 외측을 덮도록 배치되며, 냉각수 유로 공간(51) 및 실드가스 유로 공간(52)을 구비하는 일체형 가드캡(5);를 포함하고,

도 2 와 같이, 노즐캡(42)의 외측에서 내측으로 실드가스가 움직이며 스월되고, 상기 노즐캡(42)의 내부에서 플라즈마가스와 만난다.

종래의 플라즈마 전극토치는 가드캡 및 인서트캡을 함께 사용하였지만, 본 발명은 도 3 과 같이, 일체형 가드캡(5)을 통해 냉각수 및 실드가스가 흐르는 부분의 표면적을 향상시켜줌으로써, 노즐(41)의 외부를 냉각하여 수명을 향상시킨다.

상기 구멍은, 노즐캡 외측에서 내측으로 60°방향으로 구비되는 것을 특징으로 하고,

도 4 은 본 발명의 실시 예에 따른 노즐캡(42)에 구비된 구멍(421)의 개수와 각도를 나타내는 단면도이다.

도 6 내지 9 은 상기 노즐캡(42)에 구비되는 구멍(421)의 개수, 각도에 따른 실드가스의 유속 및 유량에 대한 데이터를 나타낸 것이다.

한편, 상기 전극부(2)는, 은(Ag)과 구리(Cu) 합금소재로 된 전극본체(21)와, 상기 전극본체(21)의 중공부(25) 내측에 둘려지는 은(Ag)필름(22)과, 상기 전극본체(21)의 중공부(25)에 삽입되고, 은(Ag)필름(22) 내측에 구비되는 고온 방출성 봉(23)과, 상기 중공부(25) 상단 내측 둘레에 삽입되는 은(Au)납링(24)을 포함하고,

도 5 는 본 발명의 실시 예에 따른 전극부의 사시도이다.

상기 전극부(2) 제조방법에 있어서: 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 은(Au)필름(22)을 삽입하는 제조 1 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25)에 고온 방출성 봉(23)을 삽입하는 제조 2 단계, 상기 전극본체(21) 중공부(25) 상단 내측에 은(Au)납링(24)을 삽입하는 제조 3 단계, 상기 전극본체(21), 고온 방출성 봉(23), 은필름(22) 및 은납링(24)을 780℃에서 25분 브레이징하여 접합하는 제조 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,

더욱 상세하게는, 제조 3 단계와 제조 4 단계 사이에서 750℃로 예열하는 단계가 포함될 수 있고, 제조 4 단계 이후에는 400℃로 냉각하는 단계가 포함될 수 있다.

이때, 상기 제조 4 단계 시 전극부(2) 1개 내지 10개를 실시하는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치를 제공하는 것이다.

상기 제조 4 단계에서 브레이징 온도 782℃ 및 25분일 경우, 10개 이상의 전극을 실시할 수 있다.

1 : 토치바디 4 : 노즐부
2 : 전극부 41 : 노즐
21 : 전극본체 42 : 노즐캡
22 : 은필름 421 : 구멍
23 : 고온 방출성 봉 5 : 일체형 가드캡
24 : 은납링 51 : 냉각수 유로 공간
25 : 중공부 52 : 실드가스 유로 공간
3 : 스월부

Claims

냉각효율 향상을 통해 수명이 향상된 은전극 플라즈마 절단토치에 있어서:
플라즈마가스, 실드가스 및 전류를 공급하고, 냉각튜브가 구비되는 토치바디(1);
상기 토치바디(1)에 삽입되어 아크를 발생시키는 전극부(2);
상기 전극부(2) 외측에 구비되며, 플라즈마가스를 스월시키는 스월부(3);
상기 전극부(2) 전면에 구비되며, 실드 가스를 스월시켜 분출하는 노즐부(4);
상기 노즐부(4) 외측을 덮도록 배치되며, 냉각수 유로 공간(51) 및 실드가스 유로 공간(52)을 구비하는 일체형 가드캡(5);를 포함하여 구성되는 은전극 플라즈마 절단토치.
제1항에 있어서, 상기 노즐부(4)는,
플라즈마가스 및 아크를 분출하는 노즐(41)과,
실드가스를 스월시켜 상기 노즐로부터 분출되는 플라즈마가스의 응집도를 향상시키는 노즐캡(42)을 포함하여 구성되는 은전극 플라즈마 절단토치.
제2항에 있어서, 상기 노즐캡(42)은,
실드가스가 유입되는 각도로 뚫려진 복수 개의 구멍(421)을 구비하는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치.
제3항에 있어서, 상기 구멍(421)은,
노즐캡(42) 외측에서 내측으로 60°방향으로 구비되는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치.
제1항에 있어서,
실드가스 이동 시 상기 일체형 가드캡(5) 내에서 간섭받는 부분없이 노즐캡(42)까지 이동하여 스왈을 증폭함으로써 플라즈마를 구속하는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치.
제1항에 있어서, 상기 전극부(2)는,
은(Ag)과 구리(Cu) 합금소재로 된 전극본체(21)와,
상기 전극본체의 중공부(25) 내측에 둘려지는 은(Ag)필름(22)과,
상기 전극본체의 중공부(25)에 삽입되고, 은(Ag)필름(22) 내측에 구비되는 고온 방출성 봉(23)과,
상기 중공부(25) 상단 내측 둘레에 삽입되는 은(Au)납링(24)을 포함하여 구성되는 은전극 플라즈마 절단토치.
제6항에 있어서, 상기 전극본체(21)는,
90% 은(Au)과 10% 구리(Cu)로 조성된 합금으로 사용되는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치.
제6항에 있어서, 상기 고온 방출성 봉(23)은,
고온 방출성 재료로 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 또는 지르코늄(Zr)이 사용되는 것을 특징으로 하는 은전극 플라즈마 절단토치.
제6항의 전극부 제조방법에 있어서:
상기 전극본체(21) 중공부(25)에 은(Au)필름(22)을 삽입하는 제조 1 단계,
상기 전극본체(21) 중공부(25)에 고온 방출성 봉(23)을 삽입하는 제조 2 단계,
상기 전극본체(21) 중공부(25) 상단 내측에 은(Au)납링(24)을 삽입하는 제조 3 단계,
상기 전극본체(21), 고온 방출성 봉(23), 은필름(22) 및 은납링(24)을 780℃에서 25분 브레이징하여 접합하는 제조 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극부 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 제조 4 단계 시 전극부(2) 1개 내지 10개를 실시하는 것을 특징으로 하는 전극부 제조방법.