Brevet FR2336184A1 — publié le 19770722

La présente invention a pour objet les dispositifs du type " chaplumeau à plasma " pour revêtement par projection de matériaux en fusion Les dispositifs connus de ce genre, qui utilisent un gaz inerte ionisé par son passage à travers l'arc électrique créé entre une anode creuse et une cathode concentrique, présentent généralement l'inconvé- nient de ne pas comporter une étanchéité suffisante ou durable dans le circuit de refroidissement des électrodes .Certains des joints d'étanchéité du circuit d'eau de refroidissement étant toujours placés à proximité de la zone chaude , se détériorent rapidement , ce qui provoque l'intrusion intempestive d'eau dans l'arc électrique, ce qui produit des surpressions instantanées très importantes qui gênent considérablement le bon fonctionnement de l'appareil et même entraînent sa rapide destruction Ces surpressions accidentelles provoquent en effet de véritables explosions qui gênent la projection du métal. et dévient l'arc électrique qui, n' étant plus centré détériore rapidement l'anode, d'autant plus que la surpression ainsi créée dans le méat où débouche le gaz arrête son débit, ce qui supprime par le fait même au niveau des parois de l'anode la couche d'isolation thermique que ce gaz produisait .En outre ces explosions aggravent la détérioration du joint responsable de ce mauvais fonctionnement, ce qui entraine par le fait même une progression rapide de la détérioration. Par ailleurs, dans ces dispositifs connus, l'apport du métal qui doit être projeté et qui se fait sous forme de poudre se fait à la manière d'un vaporisateur élémentaire, c'est-à-dire à travers un ajutage traversant l'anode radialement et débouchant soit dans le conduit central traversé par la flamme plasma , soit à la sortie même de ce conduit . De sorte que 1à encore toute surpression instantanée et accidentelle provoque des per turbations dans l'écoulement de la poudre, ce qui peut même entraîner l'obstruction de l'ajutage qui l'amène . Indépendamment de cet inconvénient accidentel, la position radiale de l'ajutage qui conduit la poudre amène celle-ci a la périphérie de la flamme plasma .Cn constate donc que dans ces appareils la poudre , qui devrait etre portée à la température la plus élevée , est en fait distribuée dans la zone extérieure qui est la plus froide de la flamme, au contact de l'anode qui est constamment refroidie, ce qui provoque un mauvais rendement calorifique Dans le cas où certains de ces appareils utilisent un fil comme métal d'apport, celui-ci emprunte le meme conduit radial , le rendement étant dans ce cas bien moindre encore Il y a lieu aussi de remarquer que lorsque le métal à diffuser se trouve apporté à l'extérieur de la flamme , les particules en fusion pénè trent difficilement celle-ci du fait de la très importante pression qui y rè gne , de sorte que la projection métallique ainsi obtenue n'est pas homogène, n'étant pas uniformément répartie dans la totalité du volume du faisceau créé par la flamme Le dispositif objet de l'invention permet d'éviter ces inconvénients Dans celui-ci en effet , une modification de structure a permis tout d'abord d'assurer l'alimentation du métal à projeter aussi bien en fil qu'en poudre au coeur même de la flamme plasma, là où règne la plus haute température, aussitôt après la zone où jaillit l'arc électrique, ce qui assure non seulement le meilleur rendement thermique mais aussi la meilleure répartition et homogénéité de la projection qui emplit de façon parfaitement uniforme la totalité du faisceau de la flamme .Enfin la disposition des circuits de refroidissement est telle que l'évacuation des calories est mieux assurée et la position des joints d'étanchéité a été prévue telle que leur détérioration par la chaleur n'est plus à craindre, ce qui évite toutes les perturbations, détériorations et accidents qui survenaient du simple fait de ce défaut toujours constaté d'étanchéité Pour cela le métal à projeter, qu'il se présente en poudre ou en fil, est conduit par un ajutage axial qui traverse la cathode qui se termine par une ogive à l'extrémité de laquelle ledit ajutage débouche .Et l'or- ganisation des circuits d'eau sera essentiellement définie par le dessin annexé, donné à titre d'exemple, qui illustre un mode de réalisation de L 'invention La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale de l'extrémité active d'un chalumeau à plasma, selon le dispositif actuellement connu La figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un chalumeau à plasma objet de la présente invention Tel qu'il est représenté on voit sur la figure 1 le conduit A des poudres situé à l'extérieur de l'appareil en position radiale par rapport à la buse terminale B .De meme on voit que l'étanchéité du circuit d'eau essentiellement constitué par la couronne C et la chemise D est étanchée à son arrière par le joint torique E qui se trouve très proche du méat E où jaillit l'arc entre l'anode B et la cathode G constituée par un barreau de tungstène plein . On n'est donc pas étonné qu'ainsi placé le joint torique E ne résiste pas aux températures régnant à ce niveau que l'on sait être de l'ordre de 16.000 degrés . On comprend donc ainsi les inconvénients que présente un tel dispositif tant pour la distribution du métal à projeter que pour l'étanchéité du circuit d'eau de refroidissement . Et on constate aussi que le moin dre défaut d 'étanchéité provoque une introduction de l'eau dans le plasma causant les désordres déjà décrits Au contraire le dispositif objet de l'invention comporte une cathode en tungstène 1 de forme oblongue, supportée par une masse de molybdène 2, toutes deux percées de manière à etre traversées par le tube axial 3 qui est monté en force et soudé et traverse ainsi non seulement ladite cathode 1 et son support 2, mais traverse aussi de part en part le porte cathode 4 jusqu'à llextrémité arrière de l'appareil .Le porte-cathode 4, jusqu'à l'extrémité arrière de l'appareil, est évidé de façon à créer autour du tube 3 une chambre 5 destinée à assurer le refroidissement simultané du porte-cathode et du tube 3, le cheminement sur toute la longueur de ce dispositif étant obtenu grâce au tube concentrique 5 qui crée un labyrinthe qui doit etre parcouru par l'eau pénétrant par la douille 6 avant d'etre évacué par la douille 7, après avoir parcouru toute la longueur de la chambre 8 et ensuite du tube 5 . Le presse-étoupe 9 assure l'étanchéité à l'extrémité arrière de l'appareil Ce tube 3 peut recevoir, et conduire jusqu'au nez de la cathode, tous les corps à pulvériser, qu'ils soient en poudre ou en fil.Il peut aussi recevoir, simultanément ou indépendamment du métal , tout gaz jugé nécessaire . I1 peut enfin recevoir , étant donné sa rectitude, un rayonnement tel que le rayonnement laser, ou tout autre L'anode 10, percée d'un canal cylindro-conique axial 11 qui est traversé par le plasma, peut être évidée annulairement pour former la chambre annulaire, laminaire, complémentaire 12 de refroidissement . Selon une caractéristique de la présente invention l'anode 10 n'est pas montée directement sur le bec du chalumeau, mais elle est solidarisée par soudure afin de créer un excellent échange thermique, au porte-anode 15 objet de la présente invention, sur lequel s'appuient les joints toriques d'étanchéité . Selon une caractéristique de l'invention ce porte-anode 15 se prolonge cylindriquement et couvre partiellement le porte-cathode 4 laissant entre lui et ce dernier un espace cylindrique 16 suffisant pour laisser le libre paysage du gaz à ioniser , tout en contenant la chemise isolante 17 qui sert simultanément de guide au porte-cathode 4 et au porte-anode 15 qui sont ainsi réciproquement calés concentriquement et isolés entre eux .La zone de cette chemise isolante qui forme la couronne 18, qui est en contact simultanément avec les deux porte-électrodes, est percée périphériquement de façon à laisser un libre passage de part et d'autre d'elle pour le gaz à ioniser qui circule entre la chemise isolante et chacune des électrodes Cette chemise isolante 17 s'épanouit vers l'arrière en une masse isolante 19 qui solidarise les deux électrodes, chaque porte-électrode s'y trouvant fixé : le porte-anode par l'intermédiaire de l'écrou 20 situé à son avant et assurant le positionnement de la cathode par rapport au cône 21, le porte-cathode par l'intermédiaire de l'écrou 22 qui maintient la cathode dans un logement cylindrique à frottement doux muni du joint 23 et dans lequel la manoeuvre de l'écrou 22 permet de positionner parfaitement la cathode 2 par rapport à l'anode 10 , le mouvement de recul de ladite cathode étant provoqué au moyen de ce même écrou par l'inter~ médiaire du circlip 24 . Ledit écrou 22 est gradué de façon à situer de façon parfaite et micrométrique la cathode par rapport à l'anode .Le tenon 44 empêche la rotation du mandrin porte-cathode au cours de sa manoeuvre La masse isolante 19 dans laquelle s'épanouit la chemise isolante 17 a donc pour but de solidariser ensemble les deux électrodes en les isolant électriquement et en les centrant parfaitement grâce à la couronne 18 Cette masse isolante 19 comporte aussi le conduit 25 par où le gaz à ioniser est amené jusqu'au méat 26 où se produit l'arc électrique, au nez même de la cathode, où débouche le canal 3 qui conduit le métal & projeter La chemise isolante 17 est complétée au niveau de la pointe de la cathode par l'anneau 27 constitué par un corps composé d'amiante afin de résister aux fortes températures qui règnent à ce niveau Enfin le porte-anode 15 est contenu dans la chemise cylindrique 28 qui porte les ajutages 29 et 30 d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement de l'anode qui se trouvent diamétralement opposés , l'ajutage ge 30 pouvant être simultanément utilisé comme support du dispositif . Le porte-cathode 15 pénètre à frottement doux dans la chemise 28 laissant à son extrémité avant une couronne interstitielle 42 entre le porte-cathode 15 et ladite chemise 28 .Deux canaux 40 et 41 sont percés longitudinalement dans la masse de la chemise 28 pour faire communiquer l'ajutage 29 avec la face avant de ladite chemise et l'ajutage 30 avec la partie arrière de la chambre interstitielle 42. Cette chemise 28, étant en contact électrique avec le porte-anode 15, peut aussi être utilisée pour le branchement électrique au moyen de la cosse 31 . De même l'alimentation électrique de la cathode se fait par la cosse 32 solidaire du porte-cathode 4 Le porte-anode 15 introduit dans la chemise 28 est positionné par la butée 33 de manière à laisser libre à l'extrémité avant de la chemise 28 la couronne 34 de circulation d'eau . Ces deux éléments sont immobilisés entre eux par l'écrou extérieur 35 . La structure générale du dispositif étant ainsi organisée, les joints d'étanchéité du circuit d'eau de refroidissement de l'anode sont d'une part le joint 36 situé entre l'écrou 35 et le porte-anode 15 sur une portée conique et le joint torique 37 situé entre le même écrou 35 et la chemise 28 , et d'autre part les deux joints 38 et 39 qui, selon une ca ractéristique de l'invention, se trouvent situés entre la chemise 28 et le porte-anode 15 à l'arrière de ceux-ci, donc éloignés de la zone chaude de toute la longueur du porte-anode 15 .Le circuit d'eau allant de la douille 29 à la douille 30 parcourant successivement le canal 40, l'anneau 34 la chambre laminaire 42 et le canal 41, se trouve donc ainsi parfaite ment étanche, et de façon définitive, chacun des quatre joints se trouvant ainsi dans une zone parfaitement froide en contact pratiquement direct avec l'eau et aussi éloigné que possible de la zone chaude On remarque d'ailleurs que, en cas de fuite d'eau celle-ci ne peut atteindre l'arc électrique . En effet les fuites des joints avant 36 et 37 ne peuvent que s'écouler à l'extérieur de l'écrou 35, donc à l'ex- térieur du dispositif .Et les fuites éventuelles des joints 38 et 39 ne peuvent que s'écouler vers l'arrière du porte-anode 15, ces fuites éven tuelles sont reprises par l'évidement circulaire 43 qui comporte un orifi ce d'évacuation radiale conduisant l'eau qu'il collecte vers l'extérieur du dispositif Le dispositif étant ainsi constitué, on comprend que l'échange de calories en vue du refroidissement s'opère sur le maximum de surface donc dans les meilleures conditions, atteignant meme la zone la plus chau de du chalumeau, et sans que les joints d'étanchéité de ce circuit de re froidissement de l'anode puissent etre atteints par un excès de tempéra ture .L'étanchéité du circuit de refroidissement de la cathode est aussi assurée par un joint métallo-plastique situé au niveau de la jonctionpar filetage du support de cathode 2 et du porte-cathode 4 qui est lui-meme sou dé à la masse arrière du chalumeau qui pénètre dans le bloc isolant 19 qui comporte lui-meme le joint d'étanchéité 23, qui ne subit lui-meme aucune élévation de température qui puisse le détériorer . Une telle étanchéité qui permet d'éviter toute introduction accidentelle d'eau dans- la zone occupée par l'arc électrique permet au dispositif de supporter sans danger des intensités électriques très élevées avec un excellent rendement que l'on a constaté atteindre 57% alors que le rendement thermique des chalumeaux connus se trouve situé aux environs de 30% Quant au métal à déposer, qu'il se présente sous forme de fil ou de poudre, on comprend qu'étant porté par le canal axial 3 jusqu'au nez même de la cathode 1 il se trouve amené au coeur de l'arc électrique, au centre même où se forme le plasma gazeux, donc au niveau où règne la température la plus élevée, assurant une dispersion parfaite du métal au sein même du faisceau de la flamme, ce qui permet d'obtenir des dépôts plus fins et plus homogènes qu'au moyen des chalumeaux connus Il est bien entendu que l'étendue de l'invention n'est pas limitée à l'exemple ou aux exemples de réalisation qui en ont été décrits , toute variante considérée comme équivalence ne pouvant en modifier la portée. L'invention peut être utilisée pour projeter tout matériau métallique y compris les matériaux les plus réfractaires en vue de leur dépôt sur toute surface .Elle peut aussi être utilisée pour la soudure ou le découpage . La très haute température qui peut être obtenue grâce aux sécurités que comporte l'invention permet, par une plus grande dispersion du matériau projeté à l'état moléculaire, de pratiquer des dépôts d'une telle finesse et d'une telle homogénéité qu'ils peuvent atteindre de façon parfaitement uniforme une épaisseur plus fine. De même la masse spécifique de chaque particule de matière ainsi projetée étant plus faible, du fait de la plus grande dispersion obtenue, on constate qu'on peut appliquer cette projection sur des matériaux fusibles ou combustibles sans les endommager la quantité de calories transportée par unité de surface dans un temps déterminé étant plus faible malgrè la température plus élevée de la matière REVENDICATIONS 10) - Dispositif permettant de projeter à l'état de dispersion moléculaire tout mat ériau non organique au moyen d'une flamme plasma Caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen permettant d'amener le matériau à projeter, qu'il soit en poudre ou en fil, au coeur meme du méat où se forme la flamme plasma, au centre de l'arc électrique, ledit moyen étant un tube qui traverse la cathode selon son axe et qui débouche à son extrémité où éclate l'arc électrique, ledit tube parcourant le dispositif depuis cette extrémité jusqu'à sa partie arrière , après avoir traversé une chambre de refroidissement où l'eau est amenée à circuler successivement sur la totalité de la longueur de ladite chambre et ensuite sur la totalité de la longueur dudit tube au moyen d'une chemise intermédiaire formant chicane, ledit tube pouvant acheminer jusqu'à l'extrémité de la cathode aussi bien des matériaux en poudre que des matériaux en fil, que des gaz introduits simultanément ou indépendamment dudit matériau, aussi bien même qu'un rayonnement. 20) - Dispositif conforme à la revendication 1, Caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen permettant d'assurer l'étanchéité du circuit d'eau de refroidissement de la tuyère d'éjection du plasma qui joue le rôle d'anode, de telle manière que ltétanchéité de ce circuit ne soit pas affectée par la haute température qui règne dans ladite tuyère, ledit moyen étant constitué par un porte-anode rendu solidaire de ladite tuyère-anode de façon à assurer un parfait échange thermique entre ces deux éléments, ledit porte-anode se prolongeant à l'intérieur du corps du chalumeau par un longue jupe cylindrique enveloppant la cathode et le porte-cathode et isolée d'elle par un isolant thermique et électri- que , et laissant entre cet isolant et ledit porte-cathode l'espace suffisant pour la libre circulation du gaz à ioniser, qui est conduit jusque dans le meat où jaillit l'arc électrique , ladite jupe étant elle-meme introduite dans une chemise de refroidissement qui l'enveloppe sur toute sa longueur et qui est parcourue par l'eau sous pression, les joints qui assurent l'étanchéité de ce dispositif étant placés à 11 extérieur dudit porte-anode et de ladite chemise de refroidissement en ce qui concerne ceux situés à l'avant du dispositif, et entre l'extérieur de la jupe porte-anode et l'intérieur de ladite chemise de refroidissement en ce qui concerne ceux situés à l'ar rière , de façon à se trouver aussi éloignés que possible de la tuyèreanode , dans une zone froide du dispositif 30) - Dispositif selon la revendication 2, Caractérisé par le fait qu'il comporte à l'extrémité arrière dudit porte-anode, à l'arrière des joints d'étanchéité situés à ce niveau, un évi dement annulaire collecteur pouvant recevoir les fuites d'eau accidentelles que lesdits joints arrière pourraient éventuellement laisser échapper, ledit collecteur étant relié avec l'extérieur du dispositif par un canal d'évacuation desdites fuites accidentelles 40) - Dispositif selon la revendication 3, Caractérisé par le fait qu'une chambre annulaire laminaire est pratiquée entre le porte-anode et la chemise de refroidissement qui l'enveloppe, à l'avant de celle-ci et est parcourue par l'eau provenant d'un canal pratiqué dans ladite chemise de refroidissement , son évacuation s'effectuant à travers un deuxième canal pratiqué dans la meme chemise de re - froidissement diamétralement opposé au précédent, chacun de ces canaux étant sur une des bases de ladite couronne. 50) - Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que l'extrémité de la cathode épouse une forme oblongue d'ogive effilée , l'anode qui l'enveloppe épousant une forme femelle complémentaire laissant entre ces deux pièces l'espace suffisant pour le libre passage du gaz à ioniser qui s'échappe à travers l'anode formant un col de Venturi arrondi 60) - Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes, Caractérisé par le fait qu'une chambre annulaire laminaire est pratiquée entre l'anode et le porte-anode, maintenus solidaires l'un de -l'au- tre par soudo-brasure, et est mise en relation avec le circuit de refroidissement de l'anode par deux canaux diamétralement opposés pratiqués dans le porte-anode, l'un en avant , l'autre en arrière de ladite chambre annulaire