Brevet FR2466171A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne les procédés d'ap préciation de l'aptitude au travail des électrodes et notamment, les procédés d'appréciation de l'aptitude au travail des électrodes non consommables. L'invention peut être utilisée avantageusement lors de la réalisation et de l'exploitation d'équipements pour l'usinage par plasma, le soudage, le coupage, le rechargement et la fusion au plasma de métaux. On connaît bien un procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une cathode consistant à allumer un arc électrique entre les électrodes dans un milieu formant le plasma, l'une des électrodes étant celle à essayer, à entretenir la combustion de l'arc électrique, à l'éteindre et à contrôler visuellement le diamètre, la forme et la configuration des limites de la partie utile du segment actif de l'électrode non consommable. Cependant, l'absence d'étalons normalisés auxquels on pourrait comparer chaque fois les électrodes à contrôler, fait que ce procédé est subjectif du fait qu'il ne fournit pas de données réelles concernant l'aptitude au travail de l'électrode, ce qui amène une diminution de la qualité d'appréciation de l'aptitude au travail de l'électrode. On peut accroître la qualité d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode en mesurant la valeur du flux calorifique arrivant à l'électrode. On connaît bien un procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode constituée par une cathode non consommable consistant à allumer un arc électrique entre des électrodes dans un milieu formant le plasma, l'une des électrodes (la cathode) étant celle à essayer, et à mesurer la valeur du flux calorifique arrivant à l'é- lectrode. Dans ce cas, la qualité de l'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode est meilleure parce qu'on utilise un critère objectif pour déterminer l'aptitude au travail de l'électrode. Cependant, cette qualité est ici encore insuffisante par suite de la dépendance de la valeur du flux calorifique arrivant à l'électrode, d'une série de facteurs, par exemple, de la longueur et de la puissance de l'arc électrique, de la configuration de la buse, de la vitesse d'amenée du milieu formant le plasma, facteurs qui ne sont pas directement liés au fonctionnement de l'électrode examinée. On connaît bien un procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode (cathode) non consommable consistant à allumer un arc électrique entre des électrodes dans un milieu formant le plasma, l'une de ces électrodes étant la cathode à essayer, à entretenir la combustion de l'arc électrique, à l'éteindre et à contrôler l'état de la surface active de l'électrode à essayer par détermination du taux de combustion du segment actif de l'électrode. Ce procédé assure une meilleure qualité d'appréciation de l'aptitude au travail de l'électrode non consommable car il est basé sur une évaluation objective de son fonctionnement, indépendamment de tous autres facteurs. Cependant, ce procédé est très long, la durée de l'opération atteingnant parfois plusieurs heures. Cela limite l'application de ce procédé, même en cas d'appréciation au choix de l'aptitude au travail d'échantillons pris dans des divers lots. On connaît enfin un procédé d'usinage de matériaux par plasma (voir le brevet des E.U.A. NO 3307011) consistant à introduire dans l'espace entre les électrodes d'un dispositif à arc électrique un mélange formant le plasma contenant des composés carboniques dissociables choisis dans la classe d'hydrocarbures et/ou du monoxyde de car. bone, qui assurent, lors de la combustion de l'arc électrique le dépôt du carbone sur la surface utile du segment actif de l'une au moins des électrodes du dispositif à arc électrique, ainsi que des gaz n'attaquant pas le matériau des électrodes. Bien que du carbone se dépose sur la surface utile du segment actif de la cathode pendant la réalisation de ce procédé, il n'est pas dit cependant dans la description comment on peut utiliser ce phénomène pour apprécier l'aptitude au travail d'une électrode non consom mable. L'invention vise à mettre au point un procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode non consommable pouvant assurer, par contrôle d'un paramètre caractéristique, une appréciation rapide et de haute qualité de l'aptitude au travail d'une électrode. Elle a donc pour objet un procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode non consommable par l'amorçage d'un arc électrique entre les électrodes dans un milieu formant le plasma, contenant des composés darboniques dissociables, l'une des électrodes étant celle à essayer, l'entretien de la combustion de l'arc électrique, l'extinction de cet arc et le contrôle visuel de l'état de la surface utile du segment actif de l'électrode à essayer, les données obtenues en résultat de ce contrôle déterminant l'aptitude au travail de ladite électrode, caractérisé en ce qu'on évalue l'importance de recouvrement de la surface utile du segment actif de l'électrode par du carbone qui s'est dégagé des composés carboniques dissociables entrant dans le milieu formant le plasma pendant la combustion de l'arc électrique, et on considère l'électrode comme apte au travail si la surface utile du segment actif est complètement recouverte de carbone. La rapidité et la qualité du contrôle visuel de la surface utile du segment actif de l'électrode essayée dans un mélange formant le plasma contenant des composés carboniques dissociables sont déterminées par les causes suivantes. Premièrement, le dépôt de carbone sur la surface utile du segment actif peut seulement avoir lieu si on assure une égalité ou un dépassement de la vitesse de condensation du carbone par rapport à la vitesse d'évaporation de celui-ci, ce qui n'est possible que lorsque l'électrode est de bonne qualité et exploitée de façon appropriée. Deuxièmement, si on satisfait aux exigences précitées, le dépôt de carbone sur la surface utile du segment actif commence en pratique instantanément, c'est-à-dire dès l'amorçage de l'arc électrique. Par la suite, l'invention sera décrite en détail à l'aide de quelques exemples de réalisation en faisant référence aux dessins ci-joints sur lesquels la Fig. 1 représente schématiquement la surface d'une électrode (cathode) en contact avec l'arc électrique par l'intermédiaire de la zone voisine de l'électrode. La Fig. 2 représente une variante de la surface de l'électrode (cathode) en contact avec l'arc électrique par l'intermédiaire de la zone voisine de l'électrode. Les examens effectués ont montré que le degré de revêtement de la surface utile d'une électrode non consommable par du carbone qui s'est dégagé à partir des composés carboniques dissociables entrant dans le milieu for mant le plasma, dépend non seulement de la teneur en carbone libre de ce milieu, mais encore du matériau utilisé pour la réalisation du segment actif de l'électrode, de la qualité de son insertion (d'habitude encastrement par pression) dans un étrier formant tête d'électrode en cuivre refroidi à l'eau, de la longueur et du diamètre de la tige du segment actif de l'électrode, de la distance entre la surface utile du segment actif de l'électrode et la surface de contact de l'étrier avec le milieu réfrigérant, de l'épaisseur de la couche de cuivre de I'étrier-tête d'électrode entre le segment actif de l'électrode et la surface refroidie, de la nature du milieu réfrigérant (eau, air, etc.) de la consommation de celui-ci, et ainsi de suite, c'est-à-dire, en fin de compte, des facteurs déterminant l'aptitude au travail de l'électrode. Si une électrode non consommable est apte au travail, c'est-à-dire qu'elle est de bonne qualité et qu'elle est intensivement refroidie, toute sa surface utile se recouvre de carbone au cours de la combustion de l'arc électrique, si le milieu formant le plasma contient des composés carboniques dissociables (hydrocarbures, monoxyde de carbone), qui sont la source de carbone libre. Cela se passe pendant un temps (en tenant compte de l'établissement de l'arc à son régime) ne dépassant pas deux à trois minutes au cours d'une mise en amorçage de l'arc électrique. Au contraire, si l'électrode non consommable n'est pas apte au travail du fait que l'un ou plusieurs des facteurs précités n'est pas satisfaisant, la couche de carbone recouvre, la partie périphérique de la surface utile du segment actif de l'électrode sous forme d'un anneau étroit, ou bien ne la recouvre pas du tout, par suite de l'effet de dépassement de la vitesse d'évaporation du carbone libre sur la surface utile du segment actif de l'électrode par rapport à la vitesse de précipitation du carbone depuis le milieu formant le plasma. Ceci est également révélé pendant un temps ne dépassant pas deux ou trois minutes au cours d'un amorçage de l'arc électrique. Le procédé proposé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode non consommable est mis en oeuvre de la façon suivante. L'électrode dont l'aptitude au travail est à ap précier, prise comme échantillon dans le lot d'électrodes fabriquées est assemblée, puis installée dans un plasmatron en qualité de cathode à travers laquelle on fait passer un milieu réfrigérant avec un débit exigé. Dans ltes- pace entre les électrodes, on amène le milieu formant le plasma contenant des composés carboniques dissociables, par exemple, des hydrocarbures ou du monoxyde de carbone. On amorce un arc électrique entre les électrodes on règle le courant de travail de la cathode à examiner et on entretient la combustion de l'arc électrique avec ce courant pendant deux ou trois minutes, après quoi on éteint l'arc électrique. En présence de facteurs assurant une bonne évacuation de la chaleur de la surface utile du segment actif de la cathode vers son milieu réfrigérant, la température sur cette surface ne dépasse pas la température de sublimation du carbone. Cela assure l'égalité ou le dépassement de la vitesse de condensation du carbone du mélange formant le plasma sur ladite surface par rapport à sa vitesse d'évaporation et une croissance de la couche de carbone dont le diamètre devient égal ou supérieur au diamètre du segment actif. Dans ce dernier cas, les zones périphériques de la couche de carbone déposée se disposent sur la surface de l'étrier en cuivre qui entoure le segment actif. En l'absence des facteurs précités, la température de la surface utile du segment actif dépasse considérablement la température de sublimation du carbone. De ce fait, la vitesse d'évaporation du carbone, sur cette surface dépasse sa vitesse de condensation, de sorte que la couche de carbone soit ne se forme pas du tout, soit se forme seulement sur une partie de la surface utile du segment actif, sous forme dtune couche étroite répartie sur sa périphérie. Ensuite, on extrait la cathode du plasmatron et on contrôle visuellement la surface ayant été en contact avec la zone cathodique de l'arc. Si l'électrode est de bonne qualité, toute la surface utile du segment actif 1 (Fig. 1) encastré par pression dans l'étrier 2 en cuivre refroidi à l'eau est recouverte d'une couche 3 de carbone, le diamètre- de la couche 3 de carbone pouvant être supérieur au diamètre du segment actif 1. Si l'électrode est de mauvaise qualité, la surface utile du segment actif 1 (fig. 2) soit ne se recouvre pas du tout de carbone, soit n'en est recouverte que sur sa partie périphérique sous forme d'un anneau étroit. Exemple 1 il faut apprécier l'aptitude au travail d'une cathode comportant un segment actif réalisé d'une barre d'hafnium de 2,5 mm de diamètre encastrée par pression jusqu'à 5 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi à l'eau, la distance de la barre à la surface refroidie de l'étrier de la tige cathodique étant de 1,0 mm au niveau du cuivre. Le mélange formant le plasma est composé de gaz carbonique et de méthane, son débit étant maintenu égal à 4 000 l/h. La consommation en eau refrigérante est maintenue égale à 150 g/s. On amorce l'arc électrique avec un courant de 600 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc électrique et on contrôle visuellement la surface utile du segment actif de la cathode. Au cours du contrôle on a constaté que la surface utile du segment actif de la cathode réalisé en une barre d'hafnium est complètement recouverte de carbone (graphite). On a déduit de cet essai que la cathode du lot contrôlé est apte au travail dans les conditions indiquées. Exemple 2 il faut apprécier l'aptitude au travail d'une cathode comprenant un segment actif réalisé en une barre de zirconium de 2,5 mm de diamètre encastrée par pression jusqu'à 5 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi à l'eau, la distance de la barre à la surface refroidie de l'étrier de la tige cathodique étant de 1,0 mm au niveau du cuivre. Le mélange formant le plasma est constitué de gaz carbonique et de méthane, son débit étant maintenu égal à 4 000 l/h. La consommation en eau réfrigérante est maintenue égale à 150-g/s. On allume l'arc électrique avec un courant de 600 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc et on contrôle visuellement la surface utile du segment actif de la cathode. Au cours du contrôle on a révélé qu'il n'y a pas de carbone sur la surface utile du segment actif réalisé en une barre de zirconium. On déduit alors que la cathode du lot contrôlé n'est pas apte au travail dans les conditions indiquées. Exemple 3 il faut apprécier l'aptitude au travail d'une cathode comportant un segment actif réalisé à l'aide d'une barre dthafnium de 2,5 mm de diamètre encastrée par pression jusqu'à 5 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi à l'eau, la distance de la barre à la surface refroidie de l'étrier de la tige cathodique étant de 1,0 mm au niveau du cuivre. Le mélange formant le plasma est composé d'air et de gaz naturel, son débit étant maintenu égal à 3000 l/h. La consommation en eau réfrigérante est maintenue égale à 150 g/s. On amorce l'arc électrique avec un courant de 600 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc et on contrôle visuellement la surface utile du segment actif de la cathode. On a constaté au cours du contrôle que la surface du segment actif de la cathode est complètement recouverte de carbone, c'est-à-dire que l'électrode est apte au travail. Exemple 4 il faut apprécier l'aptitude au travail d'une cathode comportant un segment actif réalisé en une barre d'hafnium de 2,5 mm de diamètre encastrée par pression jusqu'à 5 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi par l'air entrant dans le mélange formant le plasma, la dis; tance entre la barre et la surface refroidie de l'étrier de la tige cathodique étant de 1,0 mm au niveau du cuivre. Le mélange formant le plasma est composé d'air et de gaz naturel, son débit étant maintenu égal à 3000 l/h. La consommation de l'air est maintenue égale à 2200 l/h. On allume l'arc électrique avec un courant de 600 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc et on contrôle visuellement la surface utile du segment actif de la cathode. On a constaté au cours du contrôle qu'il n'y a pas de carbone sur la surface utile du segment actif de la cathode, c'est-à-dire que celle-ci n'est pas apte au travail. Exemple 5 il faut apprécier l'aptitude au travail d'une électrode-anode comportant un segment actif réalisé en une barre de tungstène de 5 mm de-diamètre encastrée par -pression jusqu'à 3 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi à l'eau, la distance entre la barre et la surface refroidie de l'étrier étant égale à 0,5 mm au niveau du cuivre. On place l'électrode à examiner en tant que cathode dans un plasmatron. Le mélange formant le plasma est composé d'argon et de monoxyde de carbone, son débit étant maintenu égal à 7000 l/h. La consommation en eau réfrigérante est maintenue égale à 250 g/s. On allume l'arc électrique avec un courant de 1000 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc et on contrôle visuellement la surface utile du segment actif. On a constaté au cours du contrôle, que toute la surface utile du segment actif est recouverte d'une couche de carbone sous forme d'une couronne, c'est-à-dire que l'électrode est apte au travail. Exemple 6 Il faut apprécier l'aptitude au travail d'une anode comportant un segment actif réalisé en une barre de tungstène de 5 mm de diamètre encastrée par pression jusqu'à 3 mm de profondeur dans un étrier en cuivre refroidi à l'eau, la distance entre la barre et la surface refroidie de l'étrier étant égale à 5 mm au niveau du cuivre. On place l'électrode à examiner en tant que cathode dans un plasmatron. Le mélange formant le plasma est composé d'argon et de monoxyde de carbone, son débit étant maintenu égal à 7000 l/h. La consommation en eau réfrigérante est maintenue à 250 g/s. On allume l'arc électrique avec un courant de 1000 A. Après deux à trois minutes, on éteint l'arc et l'on contrôle visuellement la surface utile du segment actif. On a constaté au cours du contrôle que la couche de carbone ne recouvre que la zone périphérique de la surface utile du segment actif sous forme d'un anneau étroit, c'est-à-dire que l'électrode n'est pas apte au travail. De ces exemples particuliers de réalisation de l'invention, il est évident pour l'homme de métier qu'il est possible d'atteindre tous les buts de l'invention. Cependant, il est aussi bien entendu qu'on peut apporter des changements aux opérations du procédé sans s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. Ainsi, le procédé proposé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode non consommable permet -de diminuer de 30 à 40 fois le temps d'appréciation de l'aptitude au travail, ce qui assure une économie de temps, de travail et de matériaux. REVENDICATION Procédé d'appréciation de l'aptitude au travail d'une électrode consommable par amorçage d'un arc électrique entre les électrodes dans un mélange formant le plasma contenant des composés carboniques dissociables, l'une desdites électrodes étant celle à essayer, l'entretien de la combustion de l'arc électrique, l'extinction de celui-ci et le contrôle visuel de l'état de la surface utile du segment actif de l'électrode à essayer, les résultats de ce contrôle étant utilisés pour apprécier l'aptitude au travail, de l'électrode à essayer, caractérisé en ce qu'au cours dudit contrôle visuel, on évalue l'importance du revêtement de la surface travaillante du segment actif de l'électrode par du carbone qui s'est dégagé des composés carboniques dissociables entrant dans le mélange formant le plasma pendant la combustion de l'arc électrique, et on considère l'électrode comme apte au travail si sa surface utile du segment actif est complètement recouverte de carbone.