Brevet FR2173875A1 — publié le 19731012

La présente invention concerne les appareils fonctionnant à l'arc électrique, plus particulièrement les brûleurs à arc électrique. L'invention peut etre appliquée avec le maximum d'avantages aux plasmotrons à courant continu pour le coupage au plasma à l'air. L'invention peut être également appliquée à d'autres genres d'usinage des matériaux, par exemple au soudage, au rechargement, à la fusion, ainsi qutà la chimie. du plasma. L'invention peut en outre présenter des avantages particuliers pour les procédés faisant appel à des milieux plasmag6nes contenant de l'oxygène et de l'azote. On connaît bien des brûleurs à arc électrique, constitués d'un ensemble à électrode refroidie comprenant un élément cathodique cylindrique inséré d'une busedesthiéeàforméelacoloene de l'arc électrique, et d'une douille interposée entre l'ensemble à électrode et la buse. L'orifice de la buse est disposé coaxialement à l'élément cathodique, la douille étant constituée par une matière électriquement isolante. En cas d'utilisation d'atmosphères plasmagenes contenant de l'oxygène et de l'azote, l'élément cathodique inséré est constitué d'un métal à point de fusion élevé, notamment un métal des groupes IV et VI du tableau périodique des éléments, par exemple le zirconium, le hafnium et leurs alliages. Dans les brûleurs connus, comportant un ensemble à électrode sous forme d'un fourreau et d'un élément cathodique inséré, le diamètre de l'élément inséré et le diamètre de l'ouverture de la buse étaient choisis arbitrairement. Il en résultait une réduction de la fiabilité du fonctionnement du brûleur à arc électrique ainsi que de la durée de vie de ses parties essentielles (ensemble à électrode et buse). La présente invention vise un brûleur à arc électrique qui, en comparaison des brûleurs analogues, assure une fiabilité plus élevée en fonctionnement, ainsi qu'une durée de vie plus longue de ses parties essentielles. Cet objectif est atteint du fait dans un brûleur à arc électrique du type constitué d'un ensemble à électrode refroidie comprenant un élément cathodique cylindrique inséré d'une buse formant la colonne de l'arc électrique et dont l'ouverture est disposée coaxialement à l'élément cathodique, et d'une douille interposée entre l'ensemble à électrode et -la buse exécutée et constituée par un matériau électriquement isolant, selon l'invention le diamètre de l'élément cathodique inséré est égal à celui de sa surface d'émission pour une densité de courant déterminée du matériau donné de l'élément cathodique inséré, afin d'assurer le passage de l'arc dans les limites du diamètre de l'élément cathodique. Afin d'assurer une meilleure formation de la colonne de l'arc il est préférable que le rapport du diamètre de l'élément cathodique inséré à celui de l'ouverture de la buse soit de 8/10. Dans l'exposé qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple concret mais non limitatif illustré par le dessin unique annexé représentant une vue d'ensemble du brûleur à arc électrique conforme à l'invention, en coupe longitudinale. le brûleur à arc électrique est constitué par un ensemble à électrode refroidie, une buseldestinée à former la colonne de l'arc électrique, et une douille 2 interposée entre l'ensemble à électrode et la buse. L'ensemble à électrode comporte un corps cylindrique creux 3 dans la base duquel est coaxialement fixé un fourreau 4 dans lequel est inséré un élément cathodique cylindrique 5. A I'intérieup/du corps 3, au-dessus du fourreau 4, se trouve un tube 6 amenant un fluide de refroidissement. La buse 1, le corps 3 et le fourreau 4 sont exécutés en un matériau à conductivité thermique élevée, par exemple en cuivre très pur, tandis que l'élément cathodique inséré est constitué par un métal à point de fusion élevé, de préférence un métal des groupes IV et VI du tableau périodique des éléments, par exemple le zirconium, le hafnium, etc, la douille 2 étant constituée par un matériau électriquement isolant. Comme fluide de refroidissement on peut utiliser de l'eau, et comme matière plasmagene, l'air. les orifices de la buse 1, de la douille 2 du fourreau 4 et du tube 6 sont disposés coaxialement au corps 3. Pendant le fonctionnement du brûleur, l'arc électrique est amorcé entre la face en bout de l'élément cathodique inséré et la pièce à usiner 7. Il a été établi que la surface S de la section droite de l'élément cathodique inséré 5, égale à la surface d'émission active de l'élément cathodique, est directement proportionnelle au courant I de l'arc, la densité i du courant I dans la cathode restant constante lors des variations du courant dans une large gamme, pour un matériau donné de l'élément inséré. Par "surface d'émission active" de la cathode on entend la surface parlaquelle passe le courant de l'arc. Par exemple, pour un élément cathodique en zirconium, la densité du courant i 2 est de 90 à 100 A/mm2 dans une gamme de courants d'arc I allant de 40 à 400 ampères. Suivait l'invention proposée, l'élément cathodique 5 est exécuté sous forme d'un cylindre dont le diamètre d est égal à celui de la surface active d'émission, c'est-à-dire qu'il est directement proportionnel au courant de l'arc pour une densité i donnée dans le matériau de l'élément cathodique. Ainsi est assuré le passage de tout le courant de l'arc dans les limites du diamètre d de ltélément cathodique, ce qui assure une érosion minimale de l'élément-électrode, c'est-à-dire une durée de vie maximale du brûleur à électrode. Si le rapport n'est pas observé, c'est-à-dire, si le diamètre d de l'élément inséré est inférieur à celui de la surface d'émission active, le courant passe non seulement par ledit élément mais aussi par le fourreau de cuivre qui l'enveloppe. Dans ce cas, les propriétés d'émission de l'électrode se dégradent, la stabilité de l'arc est réduite et la vitesse d'érosion de l'électrode augmente rapidement. Dans le cas d'un trop grand diamètre d de l'élément inséré, la vitesse d'érosion de celui-ci est plus élevée car les conditions de transfert des calories de l'élément cathodique au fourreau (par exemple en cuivre ) se détériorent par suite de la présence d'une résistance thermique supplémentaire entre ces parties du brûleur. Afin d'assurer une fiabilité élevée du brûleur tout en évitant la formation d'un arc double, et afin d'augmenter l'efficacité thermique de l'arc contracté, ctest-à-dire d'augmenter sa concentration, le rapport du diamètre D de la buse au diamètre d de l'élément cathodique est choisi égal à 8/10. Un brûleur dans lequel les rapports dimensionnels entre S, D et d sont conformes à ceux mentionnés plus haut, est d'une haute efficacité technologique et très fiable en fonctionnement. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVBNDICAI ONS 1. brûleur à arc électrique, du type constitué d'un ensemble à électrode refroidie comprenant un élément cathodique cylindrique inséré 5, d'une buse 1 destinée à former la colonne de l'arc électrique et dont l'orifice est disposé coaxialement à l'élément cathodique inséré, et d'une douille 2 interposée entre l'ensemble à électrode et la buse et constituée par un matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que le diamètre de l'élément cathodique est sensiblement égal à celui de sa surface d'émission pour une densité de courant déterminée propre à un matériau donné constituant l'élément cathodique inséré, et ce afin d'assurer le passage du courant de l'arc dans les limites diamètre dudit élément cathodique. 2. - Brûleur à arc électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du diamètre de l'élément cathodique au diamètre de l'orifice de la buse est de 8/10.