Brevet FR2216748A1 — publié le 19740830

L'intention concerne un système de guidage du gaz dans des décharges d'arcs électriques avec gaz oxydants ou nitrants pour cathodes refroidies directement afin d'obtenir une décharge de plasma. en particulier pour la coupe par fusion. On connait des guidages du gaz pour décharges d'arc électrique avec des cathodes refroidies directement ou avec des cathodes en forme de barreaux refroidies indirectement. Pour quelques gaz porteurs tels que par exemple l'argon et l'hydrogène, on emploie des cathodes en forme de barreaux. Dans le cas de ces cathodes en forme de barreaux, l'amenée et le guidage axiaux du gaz porteur par rapport à l'axe de la décharge, nécessaires pour la stabilité de la décharge de l'arc, sont relativement simples à réaliser parce qu'en particulier, lors de l'emploi de gaz porteurs inertes, les diamètres des électrodes en forme de barreaux sont de l'ordre de grandeur du diamètre de la décharge par arc rétrécie par l'ajutage. Ce guidage du gaz presque parallèlement à l'axe de l'arc assure une décharge stable avec laquelle sont obtenues, lors de la coupe par fusion, avec une polarité anodique de la pièce, des surfaces de coupe à peu près parallèles. Dans le cas de gaz oxydants ou de gaz nitrants ou de mélanges de gaz, on ne peut pas monter de cathodes en barreaux. Par exemple dans le cas de l'air, on emploie des cathodes refroidies directement. Il est connu en outre de noyez dans du cuivre des matériaux de cathode tels que le zirconium ou le hafnium et de refroidir directement avec de l'eau le corps de cathode et par suite la cathode elle-mme. Cette intensification du refroidissement est nécessaire pour qu'on obtienne, par exemple dans le cas de l'air, une durée de résistance suffisante de la cathode. Il n'est pas possible d'utiliser une cathode en barreau pour 1'air étant donné que l'évacuation de la chaleur dans une direction axiale seulement est insuffisante. Les cathodes enrobées dans du cuivre sont refroidies directement axialement et radialement sur toute l'étendue de la surface latérale. De l enrobage de la cathode dans du cuivre, il résulte une surface d'extrémité plus grande en comparaison de l'électrode en barreau et la disposition d'une amenée d'eau et d'une évacuation d'eau dans le corps de cathode lui-mme et de ce fait une augmentation importante du corps de cathode lui-mme. Le diamètre de cette cathode refroidie directement est de ce fait un multiple du diamètre des cathodes en barreaux et par conséquent aussi un multiple du diamètre de la décharge rétrécie. Les cathodes refroidies directement présentent l'inconvénient qu'il n'est pas possible de réaliser une amenée du gaz porteur parallèlement à l'axe de l'arc de plasma. On a réalisé aussi des guidages de gaz qui ont une inclinaison plus grande par rapport à l'axe de l'arc ou qui sont perpendiculaires à ce dernier, mais ces guidages de gaz présentent l'inconvénient que la décharge par arc et les gaz porteurs tournent fortement et de ce fait usent le barreau de cathode. Pour éviter l'usure de la monture de cathode, on a disposé à l'extrémité des canaux de guidage du gaz des surfaces de choc qui devaient former une zone de gaz en repos. Mais il se formait alors des tourbillons qui rendaient plus mauvais le guidage de 17arc. Les systèmes connus présentent en outre l'inconvénient d'tre très sensibles pour ce qui concerne les dissymétries dans l'espace de décharge, de sorte que le jet de plasma et son logement anodique sont détruits. Ce défaut contribue à ce que les vitesses de coupe possibles varient, à ce que les ajutages aient une durée moindre et à ce qu'on n'obtienne pas de coupes parallèles. C'est en particulier quand il s'agit de la coupe de pièces façonnées de petites dimensions que ce défaut se fait défavorablement sentir. On connaît en outre des systèmes de décharge dans un gaz dans lesquels le gaz est soumis à une rotation relativement élevée par une pièce cylindrique créant des tourbillons qui est disposée dans le courant de gaz avant la cathode. La pièce créant des tourbillons est disposée dans la monture de cathode et elle possède des rainures hélicoïdales qui, en liaison avec le support de cathode en contact intérieurement, forment des canaux hélicoïdaux pour le guidage du gaz. Le mme principe est encore réalisé conformément à une autre variante en ce sens que le support de cathode possède une sorte de filetage extérieur de sorte quil se forme avec le manchon entourant ce filetage des canaux également hélicoïdaux. Toutefois, dan-les deux cas, une partie du gaz s'écoulera encore en filets parallèles vers la cathode sans qu'il se produise une réduction de la pression. Cette rotation élevée ainsi obtenue est nécessaire dans le cas de l'utilisation de gaz inertes pour l'obtention d'un effet de rétrécissement de la décharge. Mais cette solution présente l'inconvénient que la rotation élevée provoque une forte usure de la monture de cathode qui est en zirconium ou en hafnium. Il est connu en outre d'usiner dans la partie inférieure de l'ajutage des canaux de guidage du gaz disposés parallèlement à l'axe ou de forme hélicoïdale. Ces canaux produisent un bon guidage de l'arc lors de la sortie de l'arc électrique hors de ajutage et ils forment cet arc. Cette réalisation des ajutages ne convient pas pour des systèmes de décharge du gaz fonctionnant avec des gaz oxydants ou avec des gaz nitrants étant donné que le gaz doit tre guidé d'une manière définie dans la zone de la cathode. En outre, les canaux se trouvant à la sortie de l'ajutage ont l'inconvénient de favoriser la tendance à la formation d'un arc double en raison de l'augmentation de l'intensité du champ aux bords. L'invention a pour but de remédier aux défauts de l'état de la technique et de créer un système de décharge qui permette de réaliser lors de la coupe par fusion, avec des gaz oxydants, des coupes propres, symétriques et à peu près parallèles, avec une durée de résistance élevée des cathodes et des ajutages. L'invention a pour tâche de créer un système de guidage du gaz pour cathodes refroidies directement pour décharge de plasma symétriquement stable en position afin que 1'arc de plasma brûle axialement et parallèlement et soit indépendant de petites tolérances de fabrication. Conformément à l'invention, le problème est résolu avec un dispositif de décharge se composant du corps de cathode en cuivre, avec cathode montée en zirconium ou en hafnium et centrée dans l'alésage, caractérisé en ce qu'entre le corps de cathode et l'alesage ; est disposé un chapeau de guidage du gaz en une matière isolante résistant à la chaleur qui s'étend aussi loin que possible jusqu'à 1 appendice cathodique de la décharge en arc et qui entoure sans glissement la cathode et centre cette cathode. Le chapeau de guidage du gaz possède plusieurs rainures ou alésages qui sont orientés en direction de la cathode et la somme des sections droites de ces rainures ou alésages est plus petite que la section droite libre de l'alésage de 1'ajutage. Grâce à ce chapeau de guidage du gaz qui agit en tant que diaphragme de pression, on arrive à ce résultat qu'il se forme une différence de pression suffisamment grande pour que, mme pour une position dissymétrique du corps de cathode par rapport à lçajutagei conditionnée par des tolérances de fabrication, des quantités de gaz égales entourent l'arc de plasma suivant une symétrie de révolution. L'action de choc de l'arc de plasma sur le gaz porteur, à proximité immédiate de l'appendice de l'arc de plasma, est obtenue comme dans le cas d'une électrode à barreau du fait que, dans le corps de cathode, plusieurs rainures ou alésages sont prévus en direction axiale sur ou dans le pourtour de la partie conique du corps de cathode. Il est également avantageux qu'entre le corps de cathode et l'ajutage, soit disposé dans la région de la partie conique avant du corps de cathode un autre anneau en une matière résistant à la chaleur qui remplisse l'espace compris entre le corps de cathode et l'ajutage. Les rainures ont pour effet que le gaz est amené d'une manière définie au point de montage de la cathode et s'écoule presque parallèlement à l'axe du dispositif de décharge. En outre, il est avantageux que la surface intérieure de l'ajutage soit soumise à un traitement, par exemple à un noircissement, pour empcher que la radiation infra-rouge de l'arc de plasma soit réfléchie contre la paroi intérieure et rayonne contre la face d'extrémité du chapeau de guidage du gaz et provoque ainsi un échauffement inadmissible. En outre, il est avantageux que les alésages ou les rainures dans le chapeau de guidage du gaz soient disposés suivant un angle par rapport à l'axe du dispositif de décharge de façon à obtenir une faible rotation du gaz. Les avantages de l'invention résident en ce que le système de guidage du gaz garantit que, lors de la coupe par fusions des coupes propres et parallèles sont exécutées attendu que l'arc de plasma sort du brûleur d'une manière correspondant 1 une symétrie axiale par rapport à l'alésage de l'ajutage. Des tolérances de fabrication éventuelles dans le système de décharge influencent bien moins la décharge de plasma. La durée de résistance des cathodes et des ajutages est sensiblement augmentée. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci après et aux dessins annexés, dans lesquels -La figure 1 représente en demi-coupe le dispositif de décharge d un brûleur à plasma avec chapeau de guidage du gaz4 -La figure 2 représente une vue en plan de la monture de cathode et du chapeau de guidage du gaz (ajutage non représenté), -La figure 3 représente en demi-coupe un dispositif de décharge d'un brûleur à plasma avec anneau de guidage du gaz et anneau. Le brûleur à plasma représenté sur les figures 1 et 2 sert à la coupe par fusion avec de l'air comme gaz porteur. La cathode est constituée par une monture de cathode en zirconium et par le corps de cathode 2 en cuivre. Dans la monture de cathode 1, sont disposées plusieurs rainures 3 faisant un angle de 5 environ par rapport à l'axe du brûleur. Ces rainures ont des formes telles qu'une partie du gaz porteur est déviée parallèlement à l'axe du dispositif de décharge et que, de ce fait, se produit une faible rotation du gaz. Entre le corps de cathode et l'ajutage habituel 4, se trouve le chapeau 5 de guidage du gaz, en une matière isolante et résistant à la chaleur, par exemple en"Teflon". avec des alésages 6 répartis sur son pourtour. La section de passage totale de tous les alésages 6 doit tre plus petite que la section droite du canal 7 afin que soit provoquée une différence de pression. Le gaz porteur qui s écoule ainsi produit un arc 8 de plasma, parallèle, dirigé axialement. Mme dans le cas de tolérances de fabrication dans le dispositif de décharge, c'est-a-dire quand il se produit des intervalles quelque peu dissymétriques entre la cathode et 1 ajutage 4. le gaz. à cause de la différence de pression que produit le chapeau de guidage du gaz 5, agissant en tant que diaphragme de pression, s écoule avec des vitesses différentes. ce qui a pour effet que la décharge par arc de plasma est néanmoins dirigée centralement et qu'une action certaine et dissymétrique sur 1 arc 8 de plasma est assurée par le gaz porteur. Sur la figure 3, on a représenté le mme système de décharge. On a seulement monté en supplément devant le chapeau 5 de guidage du gaz un anneau 9 en une matière isolante, résistant à la chaleur, par exemple en une matière céramique. L'anneau 9 a pour effet que la totalité du gaz porteur est guidée à travers les rainures 3 et que, de ce fait, la totalité du gaz est dirigée presque axialement vers le plan du brûleur dans 11alésage d'ajutage', ce qui a pour conséquence une nouvelle stabilisation de 1"arc de plasma 8. Les systèmes de guidage du gaz peuvent tre employés de la mme manière pour les brûleurs à plasma avec ajutages polarisés. Bien entendu, 19invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés,à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation9 sans sortir pour cela du cadre de 1'invention. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de guidage du gaz dans des décharges d'arcs électriques, dispositif se composant du corps et de la monture de cathode ainsi que de l'ajutage entourant en le centrant le corps de cathode, dispositif de guidage du gaz caractérisé en ce qu'entre le corps de cathode (2) et l'ajutage (4) est disposé un chapeau de guidage du gaz (5) en une matière isolante résistant à la chaleur et comportant plusieurs alésages (6) répartis sur son pourtour ou des rainures qui sont disposées en direction de la cathode, ce chapeau de guidage faisant office de diaphragme de pression et la somme des sections droites des alésages ou des rainures étant plus petite que la section droite de l'alésage (7), des rainures (3) ou des alésages, répartis sur le pourtour et orientés en direction axiale, étant prévus dans la partie conique du corps de cathode (2). 2 ) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre le corps de cathode (2) et l'ajutage (4) derrière le chapeau (5) de guidage du gaz, dans la zone de la partie conique du corps de cathode (2), est disposé un anneau (9j en une matière isolante résistant à la chaleur. 3') Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure de 1'ajutage (4) est traitée d'une manière empchant la réflexion et de préférence noircie. 4 ) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les alésages (6) ou les rainures dans le chapeau (5) de guidage du gaz sont inclinés par rapport à 1 axe du système de décharge en vue de l'obtention d une faible rotation du gaz.