Brevet FR2180053A1 — publié le 19731123

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'oxycoupage par jet fin pour le découpage de précision de pièces métalliques de forme compliquée. Il est bien connu que le déroulement du procédé d'oxycoupage commence par un échauffement local du métal suivi d'une oxydation par de l'oxygène de grande pureté, et qu'ensuite s'effectue le découpage proprement dit avec l'évacuation des produits d'oxydation et de fusion. Bien qu'il soit connu que, dans ce procédé, la partie de beaucoup la plus importante de l'oxygène de découpage nest pas utilisée pour ltopération then D- chimique, mais à des fins de transport, on n'en a pas encore tiré jusqu'ici les vraies conclusions. Pour accélérer la fusion, il est connu de chauffer l'oxygène de découpage, un serpentin de chauffage étant disposé autour de la tête du brûleur en vue de refroidir ce dernier et de réchauffer l'oxygène de découpage. Il a déjà également été proposé de prévoir dans le brflleur une chambre de détente pour que l'oxygène de découpage ne sorte pas de la tuyère à une température trop basse ou avec une trop grande vitesse. L'oxygène normalement emmagasiné sous des pressions élevées et transporté dans cet état est en règle générale détendu avant le découpage à une pression inférieure à 10 kgp/cm2 et constamment réchauffé par la chaleur du milieu ambiant. Il ne reste alors plus pour l'accélération de l'oxygène de découpage dans la tuyère de détente qu'une chute de pression relativement faible. Les deux mesures, aussi bien la détente préalable avec réchauffage simultané que l'accélération relativement faible de l'oxygène de découpage ont pour conséquence que le jet d'oxycoupage n'a qu'une énergie cinétique insuffisante et de ce fait une capacité de travail insuffisante.Toutes ces mesures courantes dans la pratique et qui font partie de ltétat actuel de la technique partent de l'idée fausse suivant laquelle de l'oxygène froid serait désavantageux pour ltopération d'oxycoupage, ctest-à-dire qu'on pourrait découper plus vite et plus sûrement avec de l'oxygène chaud. On a bien reconnu déjà une relation entre l'augmentation de la pression d'entrée à la tuyère et ltépaisseur de découpage réalisable, mais les correspondances ont été expliquées pour une part d'une façon fausse ou incomplète, si bien que, de ce fait, on n'a pas pu en tirer les conclusions correctes qui étaient nécessaires. C'est ainsi par exemple qu'on a prétendu qu'il y aurait, pour l'oxycoupage, une vitesse limite au-dessus de laquelle aucune augmentation de pressitn ne pourrait plus éviter des coulées de métal dans le trait de découpage et au-dessus de laquelle il ne serait donc plus possible d'obtenir une coupe propre et perpendiculaire. Il a bien été déjà rendu compte récemment d'essais en vue d'augmenter, par élevation de la pression, l'épaisseur de matière maximum qu'on peut découper, mais ces travaux non plus n'ont pas abouti à une doctrine qui tirant partie de l'énergie mise en jeu dans l'oxycoupage avant tout pour augmenter la puissance et la qualité du découpage, et qui aboutit en fin de compte à une économie importante d'oxygène. De ce fait, des augmentations de la pression d'entrée à la tuyère ont toujours été liées jusqu'à présent à de gros débits d'oxygène. Ceci a eu pour conséquence que, suivant les procédés de découpage au chalumeau connus et proposés, la largeur du trait de découpage augmentait sensiblement suivant une loi linéaire avec l'épaisseur découpée et qu'on obtenait en général un trait de découpage beaucoup plus large et qu'on brdlait considérablement plus de fer qu'il n'était nécessaire pour obtenir une séparation impeccable des parties découpées. D'un autre côté il fallait prévoir de l'oxygène de découpage pour la combustion et l'évacuation du volume de fer, inutilement grand, correspondant à la largeur du trait de découpage.Un phénomène indésirable et désavantageux pour la qualité des surfaces de coupe consistait dans le fait que l'énergie spécifique du jet d'oxycoupage n'était pas suffisante pour produire des surfaces de coupe planes et perpendiculaires. En outre, à cause de la largeur relativement grande du trait de coupe, on ne pouvait pas découper des pièces de forme compliquée comportant de fines découpes. Pour obtenir des traits de découpage plus étroits, on connaît déjà un embout de tubulure à oxygène pour oxycoupage rapide de précision qui peut etre tenu au voisinage immédiat de la pièce à découper. Cette distance extrêmement réduite entre le chalumeau et la pièce présente l'inconvénient que le jet d'oxygène peut se trouver bloqué ou dévié par des dépôts de#scories en fusion sur l'embout de la tubulure à oxygène et que la qualité de la coupe est diminuée. Le but de ltinvention est de permettre, dans l'oxy- coupage de pièces de forme compliquée, une augmentation de puis sance en même temps qu'une économie d'oxygène. De façon plus précise, le but de l'invention est de fournir un procédé et un dispositif d'oxycoupage par jet fin pour le découpage précis de pièces de forme compliquée, l'énergie mise en jeu dans l'oxycoupage étant utilisée de façon à garantir une augmentation de la vitesse de découpage, à augmenter considérablement la précision de l'oxycoupage et à économiser de l'oxygène. Ce problème est résolu suivant l'invention par le fait que l'énergie cinétique nécessaire pour réaliser et dégager le trait de coupe et possédée par le jet d'oxygène de découpage s'écoulant à une vitesse supérieure plusieurs fois à la vitesse du son et obtenue par sa détente isentropique complète jusqu'au domaine de température au-dessous de la température d'ébullition de l'oxygène est augmentée par le fait qu'on fournit au jet d'oxygène, par l'intermédiaire d'une tuyère de détente s'épanouissant en forme de cône de la manière habituelle la quantité de chaleur nécessaire, en fonction de la chute de pression entre len- trée et la sortie de la tuyère, pour que la température de l'oxygène de coupe dans le jet libre ne descende pas au-dessous de la température d'ébullition de l'oxygène.La tuyère de détente est donc réalisée sous la forme d'une tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur avec laquelle on peut donner au jet d'oxygène de découpage l'énergie cinétique et la densité désirée. Avant son entrée dans la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur, l'oxygène de découpage est soumis à un refroidissement dirigé jusqu'd une température inférieure à la température ambiante. La pression de l'oxygène à l'entrée de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur est comprise entre 50 et 1 000 atm. Le dosage de l'apport de chaleur au jet d'oxygène de découpage par l'intermédiaire de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur s'effectue en particulier par le réglage de la flamme de chauffe. Pour la mise en oeuvre du procédé d'oxycoupage par jet fin, on utilise une tuyère de découpage à profil convergent - divergent, connu,avec un angle d'ouverture compris entre 3 et 20 , dont le diamètre au col est déterminé de façon connue par la formule et dont le diamètre de sortie du divergent est donné par la formule V02 étant le débit d'oxygène en m3/h et Po2 la pression de l'oxygène en kgp/cm2 Pour la mise en oeuvre du procédé d'oxycoupage par jet fin, on utilise un chalumeau coupeur, dont la soupape à oxygène de découpage a des temps d'ouverture et de fermeture ex trêmement courts, et dans lequel la distance minimum entre le siège d'obturateur de la soupape à oxygène' de coupe et la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur est maintenue très petite et ne dépasse pas la valeur de 10 mm. L'obturateur peut être déplacé dans un temps extrêmement réduit au moyen d'une commande électro-magnétique, pneumatique, hydraulique ou mécanique.On arrive par là à ce résultat qu'il est possible de faire varier dans un temps très bref la vitesse d'écoulement de l'oxygène de découpage dans le jet libre depuis zéro jusqu'à sa valeur maximum, et inversement, la valeur maximum de la vitesse étant déterminée par la pression d'#arrivée de cet oxygène et par le choix de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur L'avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que la vitesse de découpage est considérablement augmentée et qu'on peut, en particulier, fabriquer avec la plus grande précision des pièces de forme compliquée avec de fines découpes, tout en réalisant, malgré cette augmentation de puissance, une économie d'oxygène. On comprendra mieux l'invention à partir de la description détaillée ci-après d'un de ses modes de réalisation pris à titre d'exemple explicatif et sans aucun caractère limitatif qui en sera faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une coupe du dispositif suivant l'invention pour la réalisation de l'oxycoupage par jet fin et la figure 2 montre une variante de réalisation de la tdte du chalumeau. La tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur 1 est vissée dans le corps de chalumeau 2 et se trouve à une distance de 6 mm du siège 3 de l'obturateur ou soupape 4. L'obturateur 4 est actionné par un électro-aimant 5. L'arrivée des gaz nécessaires au fonctionnement se fait par les raccords d'oxygène de découpage 6, d'oxygène de chauffe 7 et de gaz combustible 8. L'étanchéité entre l'électro-aimant 5 et le corps de chalumeau 2 est assurée par un joint 9. La pression d'appui de l'obturateur 4 sur son siège 3 est fournie par le poids propre de l'obturateur 4 et par la pression de l'oxygène de découpage. Pour une pression de l'oxygène de découpage de P02 = 100 kgp/cm2 et une consommation d'oxygène de découpage de V02 = 10 m3/h (dans les conditions normales de pression et de température), le diamètre au col de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur est de dc = 0,45 mm et le diamètre de sortie est de d P 1,282 mm. L'angle d'ouverture de la tuyère du col à la section de sortie est de 10 . Les valeurs des diamètres ont été calculées par les formules indiquées dans l'exposé de la solution L'apport dosé de chaleur au jet d'oxygène de découpa ge en cours de détente est réglé de telle sorte que, par l'é- chauffement de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur 1 qui résulte de la combustion des gaz à haute tempé rature, une quantité de chaleur déterminée se trouve communi quée à l'oxygène de découpage qui s'écoule par le canal 10.Le réchauffage de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur 1 est commandé par le mode de-réalisationde la tuyère de chauffe 11, par la nature du gaz combustible utilisé, par le pourcentage d'oxygène dans le mélange combustible et prles débits d'oxygène de chauffe et de gaz combustible. Du canal de chauffe à section annulaire 12 disposé dans le corps de chalumeau 2, le mélange combustible passe dans le canal 13 de la tuyère de chauffe où il est enflammé. La flamme de chauffe 15 brûle alors à l'orifice du canal 13 de la tuyère de chauffe et également dans la chambre à flamme 14 entre la tuyère de chauffe 11 et la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur 1 en réchauffant celle-ci, en particulier dans la zone 10 du canal à oxygène dans laquelle s'effectue la détente.L'apport d'énergie calorifique à la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur peut aussi être effectué, conformément à la figure 2, par des flammes de chauffe spéciales 16 qui reçoivent le mélange combustible nécessaire à partir du même réservoir de gaz que la flamme de chauffe 15. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. En particulier l'apport d'énergie calorifique à la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur, peut, par exemple, être obtenu par un chauffage électrique par résistance ou par induction; la tuyère de chauffe 11 et la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur 1 peuvent aussi être réalisées en une seule pièce; au lieu d'une flamme de chauffe commune 15 ou d'une flamme auxiliaire commune 16, on peut aussi utiliser plusieurs flammes séparées REVENDICATIONS 1. Procédé d'oxycoupage par jet fin pour le découpage de précision de pièces métalliques de forme compliquée, caractérisé par le fait que l'énergie cinétique d'un jet d'oxygène de découpage, s'écoulant à une vitesse de plusieurs fois la vitesse du son obtenue par sa détente isentropique complète jusque dans le domaine où la température est inférieure à la température d'ébullition de l'oxygène, est augmentée par l'apport au jet d'oxygène, par l'intermédiaire d'une tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur (1) s'épanouissant en forme de cône, d'exactement la quantité de chaleur nécessaire, en fonction de la chute de pression entre l'entrée et la sortie de la tuyère, pour que la température de l'oxygène de découpage dans le jet libre ne descende pas au-dessous de la température d'ébullition de l'oxygène. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'avant son entrée dans la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur (1), l'oxygène de découpage est soumis à un refroidissement dirigé jusqu'à une température inférieure à la température ambiante. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la pression de l'oxygène à l'entrée de la tuyère combinée de détente et de dosage de chaleur (1) est comprise entre 50 et 1000 atm. 4. Procédé suivant les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'un dosage de l'apport de chaleur au jet d'oxygène de découpage s'effectue, en particulier, par le réglage de la flamme de chauffe. 5. Tuyère de découpage pour la mise en oeuvre du procédé d'oxycoupage à jet fin suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 avec un profil convergent-divergent connu en soi, d'un angle d'ouverture compris entre 3 et 200 et dont le diamètre au col (dc) est calculé de façon connue par la formule dans laquelle VO et PO sont le débit en m3/h et la pression en 2 2 2 kgp/cm2, caractérisée par le fait que le diamètre de la section de sortie du divergent est calculé par la formule 6. Chalumeau coupeur pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la distance minimum entre le siège (3) de l'obturateur (4) de la soupape à oxygène de découpage et la tuyère d'oxygène de découpage ne dépasse pas la valeur de 10 mm et que, pour des temps d'ouverture et de fermeture extrêmement courts de l'obturateur (4), il est prévu une commande électro-magnétique, pneumatique, hydraulique ou mécanique.