KR20240093670A - 용접 디바이스 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

용접 디바이스는, 전력을 전달하도록 구성된 본체, 본체에 형성된 제1 입구 및 제1 출구로서, 제1 입구는 차폐 가스를 수용하도록 구성되는, 제1 입구 및 제1 출구, 본체를 통해 연장되며 제1 입구와 제1 출구를 연결하는 제1 채널, 본체에 형성된 제2 입구 및 제2 출구로서, 제2 입구는 냉각제를 수용하도록 구성되는, 제2 입구 및 제2 출구, 본체를 통해 연장되며 제2 입구와 제2 출구를 연결하는 제2 채널로서, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 증가시키도록 구성된 복수의 세그먼트를 포함하는 회선형 부분을 갖는, 제2 채널을 갖는다.

Description

용접 디바이스 및 제조 방법

[우선권 주장]

본 출원은 2021년 10월 21일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제63/270,167호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본 출원에 참조로 포함된다.

[기술 분야]

본 개시는 일반적으로 용접 기계용 용접 디바이스에 관한 것이며, 특히 아크 용접 기계용 토치 블록에 관한 것이다.

용접에는 일반적으로 두 금속을 함께 용융시키기에 충분한 고온의 열을 가하는 작업이 수반된다. 전기 아크를 통해 열을 발생시키기 위해 전극에 전류를 공급하는 것에 의존하는 아크 용접 기술을 포함하는 수많은 용접 기술이 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 전극은 냉각제 순환 및 차폐 가스 분산을 위한 별개의 도관을 포함하는 토치 블록에 결합된다. 냉각제는 전기 아크로부터의 강한 열로부터 보호하는 데 도움이 되며, 차폐 가스는 용접 영역을 오염시키고 용접 품질을 저하시킬 수 있는 산소, 습기, 가스, 및/또는 기타 대기 조건으로부터 용접 영역을 보호하는 데 도움이 된다. 잘 알려진 아크 용접 기술에는 적어도 텅스텐 불활성 가스(TIG) 및 금속 불활성 가스(MIG)가 포함된다.

토치 블록 설계 및 제작에 있어서 추가의 개선 및 발전을 진전시켜, 공지된 기술의 단점을 극복하고, 추가적인 이점을 제공하는 것이 여전히 바람직하다.

이 섹션은 본 개시와 연관될 수 있는 본 기술 분야의 다양한 양태를 소개하려는 것이다. 이러한 설명은 본 개시의 특정 양태의 더 나은 이해를 용이하게 하는 체계를 제공하는 데 도움이 될 것으로 생각된다. 따라서, 이 섹션은 이러한 관점에서 숙독되어야 하며, 반드시 종래 기술을 인정하는 것은 아니라는 점을 이해하여야 한다.

본 개시의 일 실시예는 용접 디바이스를 제공하며, 용접 디바이스는, 전력을 전달하도록 구성된 본체, 본체에 형성된 제1 입구 및 제1 출구로서, 제1 입구는 차폐 가스를 수용하도록 구성되는, 제1 입구 및 제1 출구, 본체를 통해 연장되며 제1 입구와 제1 출구를 연결하는 제1 채널, 본체에 형성된 제2 입구 및 제2 출구로서, 제2 입구는 냉각제를 수용하도록 구성되는, 제2 입구 및 제2 출구, 본체를 통해 연장되며 제2 입구와 제2 출구를 연결하는 제2 채널로서, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 증가시키도록 구성된 복수의 세그먼트를 포함하는 회선형 부분을 갖는, 제2 채널을 갖는다.

본 개시의 다른 실시예는 3D 프린터를 사용한 용접 디바이스 제조 방법을 제공하며, 방법은, 제1 입구, 제1 출구, 제2 입구, 및 제2 출구를 갖는 3차원 본체를 형성하기 위해 연속적인 재료 층을 인쇄하는 단계를 포함하고, 복수의 층은, 차폐 가스의 경로 설정을 위한 본체를 통해 연장되는 제1 채널을 정의하기 위해, 재료가 없는 각각의 제1 공간을 각각 갖는 제1 인접 층 서브세트로서, 제1 채널은 제1 입구와 제1 출구를 연결하는, 제1 인접 층 서브세트, 및 냉각제의 경로 설정을 위한 제2 채널을 정의하기 위해, 재료가 없는 각각의 제2 공간을 각각 갖는 제2 인접 층 서브세트로서, 제2 채널은 본체를 통해 연장되고 제2 입구와 제2 출구를 연결하며, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 증가시키도록 구성된 복수의 세그먼트를 포함하는 회선형(convoluted) 부분을 갖는, 제2 인접 층 서브세트를 갖는다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

이제, 본 발명의 모든 실시예가 아닌 일부 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하에서 본 발명을 더욱 충분히 설명할 것이다. 실제로, 본 발명은 여러 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 출원에 제시된 실시예로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하고; 오히려, 이러한 실시예는 본 개시가 적용 가능한 법적 요건을 충족하도록 제공된다.
도 1a는 아크 용접 디바이스와 함께 사용하기 위한 종래 기술의 황동 토치 블록의 사시도이고;
도 1b는 도 1a에 예시된 종래 기술의 토치 블록의 정면도이고;
도 1c는 도 1a에 예시된 종래 기술의 토치 블록의 후면도이고;
도 1d는 도 1c에 예시된 단면 라인에 따른, 도 1a에 예시된 종래 기술의 토치 블록의 측단면도이고;
도 2는 아크 용접 디바이스에 인접하여 제공된, 도 1a에 예시된 종래 기술의 토치 블록의 단면 사시도이고;
도 3a는 본 출원의 개시에 따라 제조된 용접 디바이스의 실시예의 사시도이며, 특히, 용접 디바이스는 구리로 인쇄하도록 구성된 3D 프린터를 사용하여 제조된 아크 용접 디바이스와 함께 사용하기 위한 구리 토치 블록이고;
도 3b는 도 3a에 예시된 토치 블록의 투명한 사시도이고;
도 4a는 도 3a에 예시된 토치 블록의 입면도이고;
도 4b는 도 4a에 예시된 단면 라인에 따른, 도 3a에 예시된 토치 블록의 단면도이고;
도 4c는 도 4b에 예시된 가스 출구의 확대 단면도이다.
본 명세서 및 도면에서 참조 번호의 반복 사용은 본 개시에 따른 발명의 동일한 또는 유사한 피처 또는 요소를 나타내려는 것이다.

이제, 본 발명의 현재의 바람직한 실시예를 참조할 것이며, 그 중 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 각각의 예는 설명을 위해 제공되는 것이지, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 실제로, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는, 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 본 발명에서 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 설명된 특징을 다른 실시예에서 사용하여 또 다른 실시예를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 이러한 수정 및 변형을 포함하는 것을 의도한다.

본 출원에 사용되는 바와 같이, 제한되는 것은 아니지만 "수직", "수평", "상부", "하부", "위", 또는 "아래"와 같이 용접 디바이스의 배향과 관련된 방향 또는 위치를 지칭하는 용어는 본 출원의 도면에 나타낸 바와 같이 그 정상적인 의도된 동작에서 용접 디바이스의 배향에 대한 방향 및 상대 위치를 지칭한다. 따라서, 예를 들어, "수직" 및 "상부"라는 용어는 도면의 관점에서 수직 방향 및 상대적인 상부 위치를 의미하며, 다른 배향으로 배치될 수 있는 용접 디바이스에 대해서도 이러한 맥락으로 이해되어야 한다.

또한, 본 개시 및 첨부된 청구범위에 사용된 용어 "또는"은 배타적인 "또는"이 아닌, 포괄적인 "또는"을 의미하는 것을 의도한다. 즉, 달리 명시되지 않거나 문맥에서 명확한 것이 아닌 한, "X는 A 또는 B를 채용한다"라는 문구는 임의의 자연적인 포괄적 순열을 의미하는 것을 의도한다. 즉, "X는 A 또는 B를 채용한다"라는 문구는 다음의 경우, 즉, X는 A를 채용함; X는 B를 채용함; 또는 X는 A와 B를 모두 채용함 중 어느 하나에 의해 충족된다. 또한, 본 출원 및 첨부된 청구범위에 사용된 관사("a" 및 "an")는 달리 명시되거나 또는 문맥에서 단수 형태로 되는 것이 명확하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 다음 용어는 문맥상 달리 지시되지 않는 한, 적어도 본 출원에 명시적으로 연관된 의미를 취한다. 아래에 식별된 의미는 반드시 용어를 제한하는 것은 아니며, 단지 해당 용어에 대한 예시적인 예를 제공할 뿐이다. 관사("a", "an" 및 "the")의 의미는 복수형 참조를 포함할 수 있으며, "~에(in)"의 의미는 "~에(in)" 및 "~상에(on)"를 포함할 수 있다. 본 출원에 사용된 "일 실시예에서"라는 문구는 반드시 동일한 실시예를 의미하는 것은 아니지만, 동일한 실시예일 수도 있다.

이제, 도면을 참조하면, 종래 기술의 황동 토치 블록(110)이 도 1a 내지 도 1d에 도시되어 있다. 토치 블록(110)은 높이가 약 2 인치이며, 각진 섹션(113)을 포함하는 대체로 입방체 형상의 본체(112)를 갖는다. 토치 블록(110)은 도 2에 추가로 예시된 아크 용접 도구(100)용 조립체의 일부로서 용접 암(102)에 장착된다. 토치 블록(110)은 아르곤 입구(122)로부터 아르곤 출구(124)까지의 아르곤의 경로 설정을 위해 본체(112)를 통해 연장되는 아르곤 가스 채널(120)을 포함한다. 토치 블록(110)은 아르곤 출구(124)에 연결된 외부 토치 콜릿(torch collet)(162)에 결합된 확산기 컵(150)으로의 출력을 위해 아르곤 입구(122)에 결합된 솔더 피팅(solder fitting)(123)을 통해 아르곤을 수용한다. 확산기 컵(150)은 아크 용접 도구(100)의 동작 중에 용접 영역을 오염시키거나 및/또는 용접 품질을 저하시킬 수 있는 산소, 습기, 가스, 및/또는 기타 대기 조건으로부터 용접 영역을 격리하는 보호 차폐부를 생성하기 위해 텅스텐 전극(160) 주위에 아르곤을 분배한다.

토치 블록(110)은 냉각제 입구(132)로부터 냉각제 출구(134)까지의 물과 같은 냉각제의 경로 설정을 위해 본체(112)를 통해 연장되는 냉각제 채널(130)을 더 포함한다. 냉각제의 다른 예에는 물에 첨가제를 첨가하는 것을 포함하는 탈염수 또는 탈이온수가 포함된다. 토치 블록(110)은 본체(112)를 통해 냉각제 출구(134)로 전달하기 위해 냉각제 입구(132)에 결합된 솔더 피팅(133)을 통해 냉각제를 수용한다. 냉각제는 아크 용접 디바이스(100)의 동작 중에 텅스텐 전극(160)에 의해 발생된 강한 열에 기인하는 토치 블록(110)의 온도 상승에 대응한다. 텅스텐 전극(160)은 외부 토치 콜릿(162)에 결합된 내부 토치 콜릿(164)에 의해 유지된다. 텅스텐 전극(160)은 텅스텐 전극(160)에 전기적으로 결합된 전기적으로 절연된 와이어(예시되지 않음)에 의해 공급되는 전류에 기초하여 전기 아크를 출력한다. 전기적으로 절연된 와이어는 외부 전원 장치와 연결하도록 구성된 입력 연결부(170)에 더 결합된다.

토치 블록(110)의 본체(112)를 통해 채널(120 및 130)을 생성하기 위해 기계가공 기술이 사용된다. 기계가공은 일반적으로 물체에서 재료를 제거하는 절삭 제조 기술을 포함하는 것으로 이해된다. 이러한 방식으로, 기계가공 도구는 토치 블록(110)에서 재료를 제거함으로써 본체(112)를 통해 공동을 뚫기 위해 토치 블록의 외부 표면을 관통한다. 예를 들어, 기계가공은 본체(112)에 내부 공동을 뚫기 위해 토치 블록(110)의 외부를 관통하는 것을 포함할 수 있고, 복수의 공동을 포함하는 채널을 정의하기 위해 필요에 따라 이 프로세스를 반복하는 것을 포함한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 입구(122)와 출구(124) 사이의 아르곤의 경로 설정을 위한 아르곤 채널(120)은 기계가공 기술을 사용하여 형성된 3개의 직선형 채널 세그먼트(120a, 120b, 및 120c)를 포함한다. 기계가공 도구는 토치 블록(110)의 외부 표면을 관통하여 아르곤 입구(122)를 형성하고, 본체(112) 내로 부분적으로 공동을 계속 뚫어 직선형 채널 세그먼트(120a)를 정의할 수 있다. 이 프로세스는 직선형 채널 세그먼트(120b 및 120c)를 제작하기 위해 유사하게 반복될 수 있다. 기계가공 도구는 토치 블록(110)의 외부 영역(114)을 관통하여 본체(112) 내로 부분적으로 공동을 뚫어, 직선형 채널 세그먼트(120a)와 90도 각도로 교차하는 직선형 채널 세그먼트(120b)를 정의한다. 기계가공 도구는 토치 블록(110)의 외부를 추가로 관통하여 아르곤 출구(124)를 형성하고, 본체(112) 내로 부분적으로 공동을 계속 뚫어, 직선형 채널 세그먼트(120b)와 비스듬히 교차하는 직선형 채널 세그먼트(120c)를 정의한다. 채널 세그먼트(120a, 120b, 및 120c)는 가스 입구(122)와 가스 출구(124) 사이에서 토치 블록(110)의 본체(112)를 통해 연장되는 아르곤 채널(120)을 협력적으로 형성한다. 외부 영역(114)으로부터 아르곤 채널(120)을 밀봉하기 위해, 밀봉 요소(180)가 직선형 채널 세그먼트(120b)의 일부에 추가로 끼워맞춰진다.

도 1d에 예시된 바와 같이, 냉각제 입구(132)와 냉각제 출구(134) 사이의 냉각제의 경로 설정을 위한 냉각제 채널(130)은 기계가공 기술을 사용하여 형성된 직선형 채널 세그먼트(130a)와 같은 직선형 채널 세그먼트를 포함한다. 기계가공 도구는 토치 블록(110)의 외부를 관통하여 냉각제 입구(132)를 형성할 수 있으며, 추가로 본체(112) 내로 부분적으로 공동을 계속 뚫어 직선형 채널 세그먼트(130a)를 정의할 수 있다. 유사하게, 기계가공 도구는 토치 블록(110)의 외부를 관통하여 냉각제 출구(134)를 형성하고, 추가로 직선형 상호 연결 채널 세그먼트를 형성하기 위해 필요에 따라 다른 곳에 공동을 계속 뚫는다. 이에 의해, 복수의 직선형 채널 세그먼트는 냉각제 입구(132)와 냉각제 출구(134) 사이에서 토치 블록(110)의 본체(112)를 통해 연장되는 냉각제 채널(130)을 협력적으로 형성한다. 전극(150) 및 전기 아크에 의해 발생된 열에 대응하는 냉각제의 능력은 부분적으로 냉각제 채널(130)의 크기 및 경로 설정에 따라 결정된다. 예를 들어, 상대적으로 긴 채널은 토치 블록의 더 많은 부분에 냉각제를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 큰 채널 원주는 더 많은 양의 냉각제가 토치 블록을 통해 유동하는 것을 허용할 수 있지만, 토치 블록 체적에 대한 냉각제 채널 표면적의 비율은 감소된다.

기계가공 제작은 시간 소모적이고, 따라서 비용이 많이 들며, 공동을 뚫는 그 능력이 더욱 제한된다. 예를 들어, 기계가공 기술은 일반적으로 직선형 또는 대체로 직선형 공동을 뚫는 것으로 제한되며, 따라서, 곡선, 호, 및 굴곡이 있는 채널을 제작하는 데 제한이 있다. 기계가공 도구가 외부 표면으로부터 토치 블록의 내부로 진입해야 하므로, 공동에 대한 옵션의 수가 더욱 제한된다. 모든 새로운 구멍 및 공동이 생길 때마다 채널 제작을 위한 추가 설계 옵션이 빠르게 제한된다. 결과적으로, 토치 블록의 외부로부터 생성되는 모든 새로운 구멍은 토치 블록을 통해 채널을 경로 지정하기 위한 남아 있는 옵션의 수를 감소시킨다. 이는 기계가공 기술을, 토치 블록의 제한적인 부분을 통해 경로 설정을 하거나 또는 열원에 대한 제한된 근접도 이내에서 경로 설정할 수 있는 상대적으로 단순한 형상으로 채널을 제작하는 것으로 제한한다. 따라서, 기계가공에 내재된 한계를 보상하기 위해 적절한 양의 원자재를 제공하려면 더 큰 폼 팩터가 필요하다. 차폐 가스 및 냉각제 채널이 추가의 복합 기계가공 제작물과 교차하지 않도록 격리되어야 하며 토치 블록 전체에 걸쳐 공동을 뚫는 옵션의 수가 제한된다. 예를 들어, 가스 채널은 본질적으로 가스 출구로 경로 설정되므로, 전극으로부터의 상당한 열 노출을 경험하는 영역인 가스 출구에 근접하게 냉각제 채널을 뚫기 위한 옵션이 제한된다.

본 출원에 개시된 용접 디바이스 및 제조 방법은 일반적으로 적층 제조 기술을 사용하여 제작된 용접 디바이스용 토치 블록에 관한 것이다. 특히, 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c에 예시된 용접 디바이스(210)는 구리로 인쇄하도록 구성된 3D 프린터를 사용하여 제작된, 아크 용접 디바이스와 함께 사용하기 위한 전도성 구리 토치 블록(210)이다. 3D 프린터는 연속적으로 적층되는 2차원 구리 층을 인쇄하여 3차원 구조를 형성함으로써 토치 블록(210)을 형성한다. 각각의 2차원 층은 구리를 포함하며 어떠한 재료도 없는 개방 공간을 포함할 수 있다. 인접하는 층들의 개방 공간은 토치 블록(210) 내의 3차원 공동을 협력적으로 정의한다. 따라서, 적층 제조에 의하면 토치 블록(210)의 내부 채널을 정의하기 위해 외부 표면으로부터 구멍을 뚫을 필요가 없어, 기계가공 제작에 비하여 폼 팩터가 더 작아지게 된다. 실시예에서, 인접 층 서브세트는 채널을 정의하기 위한 각각의 개방 공간을 포함한다. 실시예에서, 제1 인접 층 서브세트는 차폐 가스 채널을 정의하기 위한 어떠한 재료도 없는 각각의 제1 공간을 포함하고; 제2 인접 층 서브세트는 냉각제 채널을 정의하기 위한 어떠한 재료도 없는 각각의 제2 공간을 포함한다. 이러한 실시예에서, 일부 층은 제1 공간과 제2 공간을 모두 포함할 수 있다.

적층 제조 및 3D 인쇄 기술은 기계가공 기술로 제작할 수 없는 복잡한 경로 및/또는 세그먼트를 갖는 채널을 제작할 수 있다. 예를 들어, 3D 인쇄는 구불구불한(winding) 세그먼트, 아치형(arcuate) 세그먼트, U-형상(U-shaped) 세그먼트, 비틀린(twisting) 세그먼트, 헬리컬(helical) 세그먼트, 스파이럴(spiral) 세그먼트, 꾸불꾸불한(serpentine) 세그먼트, 파형(undulating) 세그먼트, 및 기타 복잡한(complex) 또는 회선형(convoluted) 세그먼트를 포함하는 내부 채널을 생성할 수 있다. 유리하게는, 3D 인쇄는 이러한 세그먼트를 포함하는 구조를 제작하여, 냉각 능력을 개선시키는 냉각제 채널을 회선형으로 만들기 위한 정교하고 구불구불한 섹션을 갖는 냉각제 채널을 형성할 수 있다. 토치 블록 전체에 걸쳐 채널 회선을 형성하여, 토치 블록에 대한 냉각제 채널의 비율을 증가시킬 수 있다. 채널 회선은 또한 열 노출 영역에 더 큰 냉각 용량을 제공하기 위해, 예컨대 열원에 인접한 특정 영역에 국한될 수 있다. 또한, 토치 블록의 장애물 또는 기타 내부 구조 주위로 경로 설정되도록 채널 회선이 형성될 수 있다. 예를 들어, 냉각제 채널은 전극에 인접한 영역에서 차폐 가스 채널을 둘러싸는 헬리컬 또는 스파이럴 세그먼트를 포함하는 채널 회선을 포함하여, 달리 기계가공 기술로 가능한 것보다 더 큰 냉각 능력을 제공할 수 있다. 따라서, 본 출원에 개시된 디바이스 및 제조 방법의 이점은 더 작은 폼 팩터, 더 빠른 제작 시간, 전기적으로 절연된 라인이 아닌 토치 블록 본체를 통한 전력 전도, 및 개선된 냉각 능력을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 더 작은 폼 팩터는 기계가공 기술을 사용하여 제작된 더 큰 폼 팩터의 토치 블록에 달리 접근하기 어려울 수 있는 용접 조인트의 추가 이점을 제공할 수 있다.

도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 본 출원의 개시에 따라 제조된 용접 디바이스(210)의 실시예를 예시한다. 특히, 용접 디바이스(210)는 구리로 인쇄하도록 구성된 3D 프린터를 사용하여 제조된 아크 용접 디바이스와 함께 사용하기 위한 구리 토치 블록이다. 토치 블록은 높이가 약 7/8 인치이고 전도성 구리 본체(212)에 연결된 전극(예시되지 않음)으로 본체(212)를 통해 전력을 직접 전달하도록 구성된 전도성 구리 본체(212)를 포함한다. 전도성 토치 블록(210)은 절연된 와이어를 통해 전극에 전력을 전달할 필요가 없다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 본 출원에 개시된 실시예가 전극에 전력을 전달하기 위한 절연된 와이어에 대한 용량을 포함하도록 형성된 용접 디바이스를 포함한다는 점을 이해할 것이다.

3D 프린터는 가스 입구(226)와 가스 출구(228) 사이에 상대적으로 직접적인 경로를 갖는 차폐 가스 채널(220)을 포함하도록 토치 블록(210)을 형성한다. 차폐 가스 채널(220)은 가스 입구(226)에서 수용된 차폐 가스를 가스 출구(228)에 결합된 확산기 컵으로 경로 설정한다. 아르곤과 같이 본 기술 분야에 알려진 표준 차폐 가스는 전도성 토치 블록(210)을 통한 전달에 적합하다. 가스 입구(226) 및 가스 출구(228)는 개방형 포트로 제작될 수 있어, 용접, 납땜, 또는 기타 연결 수단을 통한 다른 컴포넌트에 대한 연결을 허용한다. 가스 입구(226) 및 가스 출구(228)는 또한, 예를 들어 솔더 피팅 및 토치 콜릿을 포함하는 컴포넌트로서 제작될 수 있다. 또한 입구 및 출구의 형성은, 토치 블록에 차폐 가스의 경로 설정을 위한 내부 채널이 제조된 후에, 최종 제조 단계를 위해 남겨질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 가스 입구(226)는 솔더 피팅을 포함하고, 가스 출구(228)는 확산기 컵과 결합하기 위한 중공 실린더를 포함한다. 차폐 가스 채널(220)은 직선형 세그먼트(222), 아치형 세그먼트(223), 및 벌어진 세그먼트(224)를 포함하는 복수의 세그먼트(221)를 포함한다. 벌어진 세그먼트(224)는 가스 출구(228) 주위에 차폐 가스를 분배하여, 유리하게는 가스 유동을 개선하고 더 작은 폼 팩터의 확산기 컵을 가능하게 한다. 실시예에서, 확산기 컵은 직경이 약 1 인치 미만이다. 실시예에서, 확산기 컵은 직경이 약 1/4 인치이다.

3D 프린터는 토치 블록(210)을 통한 물과 같은 냉각제의 경로 설정을 위해 냉각제 입구(236)와 냉각제 출구(238) 사이에 회선형 경로를 갖는 냉각제 채널(230)을 포함하도록 토치 블록(210)을 추가로 형성한다. 냉각제 입구(236) 및 냉각제 출구(238)는 용접, 납땜, 또는 기타 연결 수단을 통해 다른 컴포넌트에 대한 연결을 허용하는 개방형 포트로 제작될 수 있다. 냉각제 입구(236) 및 냉각제 출구(238)는 또한 솔더 피팅을 포함하는 컴포넌트로서 제작될 수 있거나, 또는 토치 블록에 냉각제 가스의 경로 설정을 위한 회선형 내부 채널이 제조된 후에, 최종 제조 단계를 위해 남겨질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 냉각제 출구(238)는 냉각제 채널 세그먼트(231)보다 상대적으로 더 큰 직경을 갖는 개방형 포트를 포함하고, 냉각제 입구(236)는 솔더 피팅을 포함한다. 냉각제 채널(230)은 직선형 세그먼트(232)를 포함하는 복수의 세그먼트(231)와, U-형상 세그먼트(234a, 234b, 및 234c)를 포함하는 아치형 세그먼트(233)를 포함한다. 다양한 세그먼트는 토치 블록 본체(212) 전체에 걸쳐 냉각제 채널(230)을 회선형으로 만들어, 토치 블록(210)에 대한 냉각제 채널(230)의 비율을 증가시킨다. 예를 들어, 토치 블록 전체에 걸쳐 냉각제 채널을 회선형으로 만들면 토치 블록의 체적에 대한 냉각제 채널의 표면적 비율이 증가될 수 있다. 냉각제 채널(230)은 주 열원인 전극에 더 가까운 더 큰 냉각 용량을 제공하기 위해 가스 출구(228)에 근접한 냉각제 채널(230)의 일부를 회선형으로 만들도록 추가로 제작된다. 회선형 부분은 가스 출구(238) 근방 및 가스 채널(220) 주위에서 냉각제 채널을 회선형으로 만들기 위한 3개의 U-형상 세그먼트(234a, 234b 및 234c)를 포함한다. 실시예에서, 냉각제 채널은 열원에 인접한 영역에서 냉각제 채널을 회선형으로 만들기 위한 복수의 세그먼트를 포함한다. 세그먼트는 직선형 세그먼트와 아치형 세그먼트를 포함할 수 있다. 복수의 아치형 세그먼트는 헬리컬, 스파이럴, 또는 꾸불꾸불한 세그먼트와 같은 더 복잡한 세그먼트를 형성할 수 있다.

본 출원의 개시에 따라 제조된 전도성 구리 토치 블록의 예시적인 치수는 3/8 인치 내지 1-1/2 인치 범위의 폭, 3/8 인치 내지 1-1/2 인치 범위의 깊이, 및 1/2 인치 내지 1-1/2 인치 범위의 높이를 갖는 토치 블록을 포함한다. 작은 치수는 응용 분야에 따라 다르며, 달리 더 큰 토치 블록을 사용할 때 용접을 제한할 수 있는 접근이 제한적인 또는 기타 장애물이 있는 용접 영역에 대한 물리적 접근을 방해하지 않는 토치 블록을 사용할 수 있게 한다. 토치 블록은 다른 물리적 치수로 제조될 수도 있다.

앞서 설명한 개시는 주로 아크 용접 디바이스용 3D 인쇄 구리 토치 블록을 설명하고 있지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 아크 용접 및 다른 용접 기술에 사용하기 위한 다른 용접 디바이스가 본 출원의 개시 내용에서 벗어나지 않고 제조될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 더욱이, 앞서 설명한 내용은 구리 토치 블록에 제한되지 않는다. 예를 들어, 3D 프린터는 황동과 같은 전도성 토치 블록에 적합한 다른 전도성 재료로 인쇄할 수 있다.

앞서의 상세한 설명에서는, 설명의 목적으로, 실시예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 세부사항을 제시하였다. 그러나, 이러한 구체적인 세부사항이 필요하지 않는다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 다른 경우에는, 이해를 모호하게 하지 않기 위해 잘 알려진 전기 구조 및 회로를 블록도 형식으로 도시할 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 설명된 실시예가 소프트웨어 루틴, 하드웨어 회로, 펌웨어, 또는 이들의 조합으로 구현되는지의 여부에 대한 구체적인 세부사항은 제공되지 않는다. 청구범위의 범위는 본 출원에 제시된 특정 실시예에 의해 제한되지 않아야 하며, 전체적으로 명세서와 일치하는 방식으로 해석되어야 한다.

본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예가 앞서 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 및 정신 내에 있는 이러한 수정 및 변형을 포함하는 것을 의도한다.

Claims (18)

1. 용접 디바이스이며,
   전력을 전달하도록 구성된 본체;
   본체에 형성된 제1 입구 및 제1 출구로서, 제1 입구는 차폐 가스를 수용하도록 구성되는, 제1 입구 및 제1 출구;
   본체를 통해 연장되며 제1 입구와 제1 출구를 연결하는 제1 채널;
   본체에 형성된 제2 입구 및 제2 출구로서, 제2 입구는 냉각제를 수용하도록 구성되는, 제2 입구 및 제2 출구;
   본체를 통해 연장되며 제2 입구와 제2 출구를 연결하는 제2 채널로서, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 증가시키도록 구성된 복수의 세그먼트를 포함하는 회선형 부분을 갖는, 제2 채널을 포함하는, 용접 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 회선형 부분은 제1 출구에 근접해 있는, 용접 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 복수의 세그먼트는 복수의 아치형 세그먼트를 포함하는, 용접 디바이스.
4. 제3항에 있어서, 복수의 아치형 세그먼트는 제1 출구에 인접한 제1 채널의 일부를 둘러싸는, 용접 디바이스.
5. 제4항에 있어서, 복수의 아치형 세그먼트는 꾸불꾸불한 세그먼트를 형성하는, 용접 디바이스.
6. 제3항에 있어서, 복수의 아치형 세그먼트는 스파이럴 세그먼트 또는 헬리컬 세그먼트를 형성하는, 용접 디바이스.
7. 제1항에 있어서, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 최대화하도록 구성된 복수의 회선형 부분을 포함하는, 용접 디바이스.
8. 제7항에 있어서, 제1 출구는 제1 출구에 의해 수용된 차폐 가스를 분배하도록 구성된, 제1 채널에 연결된 복수의 벌어진 세그먼트를 포함하는, 용접 디바이스.
9. 제8항에 있어서, 제1 출구는 확산기 컵과 결합하도록 구성되는, 용접 디바이스.
10. 제9항에 있어서, 제1 입구는 제1 솔더 피팅을 포함하고, 제2 입구는 제2 솔더 피팅을 포함하는, 용접 디바이스.
11. 제10항에 있어서, 제1 출구는 전극을 고정하도록 구성된 토치 콜릿을 더 포함하는, 용접 디바이스.
12. 제11항에 있어서, 본체는 전력을 본체를 통해 직접 전달하도록 구성된 전도성 재료를 포함하는, 용접 디바이스.
13. 제12항에 있어서, 전도성 재료는 구리인, 용접 디바이스.
14. 제1항에 있어서,
    본체에 형성된 입력 포트 및 출력 포트, 및
    전기적으로 절연된 전력 라인을 수용하기 위해 본체를 통해 연장되는 제3 채널로서, 제3 채널은 입력 포트와 출력 포트를 연결하는, 제3 채널을 더 포함하는, 용접 디바이스.
15. 제1항에 있어서, 적층 제조 프로세스를 사용하여 제조되는, 용접 디바이스.
16. 3D 프린터를 사용한 용접 디바이스 제조 방법이며,
    제1 입구, 제1 출구, 제2 입구, 및 제2 출구를 갖는 3차원 본체를 형성하기 위해 연속적인 재료 층을 인쇄하는 단계를 포함하고, 복수의 층은,
    차폐 가스의 경로 설정을 위한 본체를 통해 연장되는 제1 채널을 정의하기 위해, 재료가 없는 각각의 제1 공간을 각각 갖는 제1 인접 층 서브세트로서, 제1 채널은 제1 입구와 제1 출구를 연결하는, 제1 인접 층 서브세트, 및
    냉각제의 경로 설정을 위한 제2 채널을 정의하기 위해, 재료가 없는 각각의 제2 공간을 각각 갖는 제2 인접 층 서브세트로서, 제2 채널은 본체를 통해 연장되고 제2 입구와 제2 출구를 연결하며, 제2 채널은 본체에 대한 제2 채널의 비율을 증가시키도록 구성된 복수의 세그먼트를 포함하는 회선형 부분을 갖는, 제2 인접 층 서브세트를 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서, 재료는 전도성 재료인, 방법.
18. 제17항에 있어서, 3차원 본체를 형성하기 위해 연속적인 재료 층을 인쇄하는 단계는 본체에 입력 포트 및 출력 포트를 형성하는 단계를 더 포함하고, 복수의 층은,
    입력 포트와 출력 포트 사이에 본체를 통해 연장되는 제3 채널을 정의하기 위한 각각의 제3 공간을 각각 갖는 제3 인접 층 서브세트로서, 제3 채널은 전기적으로 절연된 전력 라인을 수용하도록 구성되는, 제3 인접 층 서브세트를 더 포함하는, 방법.

Images