접점 개시 플라즈마 아크 토치용 전극 및 이러한 전극들을 채용하는 접점 개시 플라즈마 아크 토치 document_id A220623108336

플라즈마 아크 토치 및 레이저와 같은 재료 처리 장치들은 공작물로서 공지된 금속 물질의 절단 및 표시에 널리 사용된다. 일반적으로, 플라즈마 아크 토치는 토치 바디, 상기 바디 내에 장착되는 전극, 중앙 출구 오리피스를 갖는 노즐, 전기 연결부들, 냉각 및 아크 제어 유체용 통로들, 유체 흐름 패턴을 제어하기 위한 소용돌이 링, 및 전원을 포함한다. 상기 토치 내에 사용되는 가스들은 비-반응성(예를 들면, 아르곤 또는 질소) 또는 반응성(예를 들면, 산소 또는 공기) 일 수 있다. 상기 토치는 플라즈마 아크를 생산하는데, 이는 높은 온도 및 높은 모멘텀을 갖는 플라즈마 가스의 압축 이온화된 제트이다. 플라즈마 아크 토치 내에 플라즈마 아크를 생산하는 하나의 방법은 접점 개시법이다. 상기 접점 개시법은 상기 전극과 노즐 사이에 물리적 접촉 및 전기적 통신을 확립하여 그들 사이에 전류 통로를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 전극 및 노즐은 협동하여 상기 토치 바디 내에 플라즈마 챔버를 생성할 수 있다. 전류는 상기 전극 및 노즐에 제공되며, 가스는 상기 플라즈마 챔버로 도입된다. 가스 압력은 상기 압력이 상기 전극 및 노즐을 분리시키기에 충분할 때까지 증가한다. 상기 분리로 인해 상기 플라즈마 챔버 내의 상기 전극 및 노즐 사이에 아크가 형성된다. 상기 아크는 상기 도입된 가스를 이온화시켜 플라즈마 제트를 생성하며, 이는 물질 처리를 위한 공작물로 이송될 수 있다. 몇몇 분야에 있어서, 상기 전원은 상기 플라즈마 제트가 상기 공작물로 이송된 경우 상기 아크 및 이송된 아크 전류로서 공지된 제 2 전류의 생성 중에 파일럿 전류로서 공지된 제 1 전류를 제공하도록 적용된다. 다양한 구조가 아크를 생성하도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극은 고정 노즐로부터 떨어진 토치 바디 내에서 이동할 수 있다. 이러한 구조는 상기 가스 압력으로 인해 상기 전극이 상기 공작물로부터 멀어져 이동하도록 하기 때문에 “블로우-백(blow-back)” 접점 개시법이라고 불린다. 다른 구조에 있어서, 상기 노즐은 상대적으로 고정된 전극으로부터 멀어져 이동할 수 있다. 이러한 구조는 상기 가스 압력으로 인해 상기 노즐이 상기 공작물을 향해 이동하므로 “블로우-포워드(blow-forward)" 접점 개시법이라고 불린다. 또 다른 구조에 있어서, 다른 토치 부품들(예를 들면, 상기 소용돌이 링)은 상기 고정 전극 및 노즐 사이에서 이동될 수 있다. 상기 재료 처리 장치의 특정 부품들은 반복 사용으로 인해 품질이 저하된다. 이러한 “소모성” 부품들은, 플라즈마 아크 토치의 경우, 상기 전극, 소용돌이 링, 노즐, 및 차폐물을 포함한다. 또한, 상기 접점 개시법을 사용하는 상기 토치를 개시하는 공정에 있어서, 다양한 소모성 부품들이 잘못 정렬될 수 있는바, 이는 플라즈마 제트 위치의 정확도 및 재생성뿐만 아니라 상기 부품들의 수명을 감소시킨다. 이상적으로, 이들 부품들은 현장에서 용이하게 교체 가능하다. 그럼에도 불구하고, 소모성 부품들을 교체하는 것은 설비 정지 및 생산성 감소를 초래한다. 플라즈마 아크 토치를 접점 개시하는 블로우-백 방법에 있어서, 상기 전극은 상기 노즐로부터 떨어져 이동되어 상기 전극과 노즐 사이에 파일럿 아크를 시작한다. (예를 들면, 공작물로부터 이격하여 위치한) 상기 전극의 인접 단부는 상기 토치 바디의 일부를 형성하는 전력 접점과 결합한다. 상기 노즐로부터 멀어지는 전극의 이동은 상기 전력 접점 또한 이동시킨다. 상기 토치의 반복 사용은 상기 전력 접점과 상기 전극 모두의 마모를 초래한다. 상기 전극의 교체는 플라즈마 마크 토치 동작에 있어서 일상적인 것이며 그 과정은 통상적 방식으로 수행된다. 그러나, 전력 접점의 교체는 토치 바디의 해체를 필요로 하며, 상기 전력 접점이 소모성 부품으로서 설계된 것이 아니므로 시간 및 비용이 많이 소요될 수 있다. 몇몇 블로우-백 토치는 상대적으로 고정된 토치 바디에 대해 상기 전력 접점을 이동시키는 과정을 포함한다. 이러한 전력 접점의 이동 및 상기 토치의 유효성은 상기 전력 접점을 상기 전원에 연결하는 전력 케이블의 강도 및 강성에 의해 영향을 받는다. 예를 들면, 도 1은 공지된 접점 개시 플라즈마 아크 토치의 단면도이다. 상기 시스템(100)은 토치(112)에 전류를 제공하는 전력 접점(108)과 전류-이송 케이블(104)을 통해 전기적으로 통하는 전원(도시하지 않음)을 포함한다. 상기 토치(112)는 상기 전력 접점(108)으로부터 전기적으로 절연되고 그를 둘러싸는 음극 블록(116)을 포함한다. 상기 전력 접점(108)은 전기 전도성 전극(124)의 인접 단부(120)와 접촉한다. 상기 음극 블록(116) 내에 배치되는 스프링(128)은 상기 음극 블록(116)의 표면(132)에 대해 반응하여 상기 전력 접점(108) 및 전극(124)을 전기 전도성 노즐(136)을 향해 가압한다. 상기 전극(124)은 공작물(도시하지 않음)을 처리하기 위한 아크의 개시 전에 상기 스프링에 의해 상기 노즐(136)과 접촉하도록 가압된다. 전류 경로는 상기 케이블(104)로부터 상기 전력 접점(108), 상기 전극(124), 및 상기 노즐(136)까지로 구성된다. 전류는 상기 전류 경로를 따라 통과될 수 있다. 상기 전극(124)은 상기 노즐(136)과 협동하여 플라즈마 챔버(140)의 일부를 형성한다. 플라즈마 가스는 상기 플라즈마 챔버(140)로 공급되어 상기 플라즈마 챔버(140) 내의 압력을 증가시켜 상기 스프링(128)에 의해 제공되는 힘을 극복할 수 있다. 상기 압력은 상기 전극(124) 및 상기 전력 접점(108)이 상기 노즐(136)로부터 멀어지도록 한다. 전위차는 상기 전극(124, 예를 들면, 음극) 및 상기 노즐(136, 예를 들면, 양극) 사이에서 그들 사이의 간극(144)이 증가함에 따라 발달한다. 아크(도시하지 않음)는 가스 입자들을 이온화시켜 공작물 처리용의 상기 간극(144)을 가로질러 개시된다. 상기 시스템(100)의 하나의 단점은 상기 전극(124)이 아크를 개시하도록 이동함에 따라 상기 전력 접점(108)도 이동하여야 한다는 것이다. 상기 케이블(104)의 전류 이송 용량이 증가함에 따라, 상기 케이블(104)의 크기는 증가하지만, 상기 케이블(104)의 유연성은 감소한다. 상기 케이블(104)의 감소된 유연성은 상기 토치(112)의 융통성 및 기동성을 감소시킨다. 또한, 상기 전력 접점(108) 및 상기 음극 블록(116)은 상대적으로 엄격한 허용 오차(예를 들면, 상기 전력 접점(108) 및 상기 음극 블록(116) 사이의 상대적으로 작은 틈새)를 요구한다. 상기 상대적으로 엄격한 허용 오차는 상기 전력 접점(108)의 이동 중, 예를 들면, 파일럿 아크의 개시 중 상기 전력 접점(108)을 위치설정 및 안내한다.