Brevet FR2522916A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne la protection d'ensembles d'électrodes refroidies par eau pour des dispositifs de génération de plasma thermique, souvent appelés des " torches à plasma " ou des " pistolets " du type général comprenant une électrode refroidie par eau autour de laquelle un passage de gazde section annulaire est défini par une gaine extérieure refroidie par eau. Dans le type précité de dispositifs de génération de plasma (qui sont essentiellement du type à électrode non consommable ), le profil géométrique de la sortie de gaz définie entre l'extrémité libre de l'électrode ét la gaine extérieure refroidie par eau peut être déterminé en fonction des impératifs existants. Cette propriété résulte de la caractéristique non consommable de l'ensemble d'électrode par opposition à une électrode de type consommable pour laquelle le profil géométrique de sortie de gaz varie en concordance avec l'allure de consommation de l'électrode, par exemple une électrode creuse en graphite. Un inconvénient de l'ensemble d'électrode refroidie par eau et non consommable du type défini ci-dessus consiste en ce que, lorsqu'elle est utilisée pour engendrer des arcs transférés, elle est susceptible d'être endommagée par ce qu'on appelle souvent une " formation d'arc dispersé ". Une telle formation d'arc dispersé résulte du fait qu'un écoulement de courant électrique est engendré le long d'un trajet autre que la cathode refroidie par eau qui est conçue dans ce but. En fait, des mesures ont montré que la tension entre la gaine et la cathode indique que le potentiel de la gaine est proche de celui de la cathode dans de nombreux cas. Différentes tentatives ont été faites pour supprimer cette " formation d'arc dispersé " et elles ont consisté à augmenter la résistance du trajet entre la cathode et l'anode par l'intermédiaire de la gaine. Ces tentatives ont consisté à prévoir des revetements réfractaires sur la gaine mais ces revêtements sont affectés par des chocs thermiques et ils ne donnent par conséquent pas complètement satisfaction. I1 en résulte que ce problème reste pratiquement non résolu, avec pour conséquence que de telles gaines extérieures sont sujettes à la formation de trous par brûlage sous l'action des arcs dispersés. La formation de tels trous rend l'ensemble d'électrode inopérant et vulnérable à l'échauffement environnant par suite de la diminution du refroidissement. Il en résulte que la totalité de l'ensemble d'électrode est usuellement endommagée sans possibilité de réparation ou bien en nécessitant des réparations substantielles. L'invention a pour but de fournir une solution au problème précité sans nécessiter l'isolation électrique de la gaine électriquement conductrice et refroidie par 'eau, ce qui n'avait pas eu beaucoup de succès jusqu'à maintenant, comme indiqué ci-dessus. Dans la présente description, l'expression " point de fusion élevé ", lorsqu'elle est appliquée-à un matériau, est destinée à désigner un matériau qui ne fond ou ne se, sublime pas en dessous de 2000-. I1 est à noter que cette expression s'étend à des matériaux qui peuvent donner lieu à une sublimation à la place d'une fusion. Selon la présente invention, il est prévu un ensemble d'électrode de génération de plasma, comprenant une électrode refroidie par eau qui est logée dans, mais espacée d'une gaine métallique conductrice refroidie par eau, dans lequel un trajet d'écoulement d'eau est défini entre la gaine et l'électrode et est pourvu d'une sortie à son extrémité libre, le pistolet à plasma étant caractérisé en ce que la gaine comporte, au moins sur une partie substantielle de sa surface extérieure, une couche électriquement conductrice de point de fusion élevé qui est agencée pour attirer un arc dispersé au lieu que celui-ci arrive directement sur la gaine extérieure, l'épaisseur de matière conductrice de point defusion élevé assurant une-dispersion de l'énergie thermique-engen- drée dans celle-ci par I'arcdispersé. Selon d'autres particularités de l'invention, la couche conductrice de point de fusion élevé est formée d'une matière graphitique appropriée et en particulier la couche est composée d'un manchon préfabriqué, éventuellement fendu longitudinalement et formé de graphite solide,- en étant maintenu en contact électrique- avec la surface -extérieure de' la gaine. I1 est évident que la zone de contact nécessaire entre la couche extérieure et la gaine conductrice dépend, dans une large mesure, des circonstances et peut varier d'une application à l'autre. Ainsi, dans de nombreux cas, il peut être suffisant qu'un bon contact électrique soit établi seulement à une extrémité, par exemple l'extrémité éloignée de l'extrémité libre de l'ensemble de cathode de manière à dissiper l'énergie électrique absorbée par la couche par suite de la formation d'arc dispersé. Dans un tel cas, on doit veiller à ce qu'un arc- intérieur établi entre la couche proprement dite et la surface extérieure de la gaine ne se produise pas dans des zones où il n'existe pas un contact direct entre la couche et la gaine. L'invention se rapporte également à l'utilisation d'un manchon d'un diamètre intérieur bien plus grand que le diamètre extérieur de la gaine avec lequel le manchon doit coopérer et la disposition d'une couche intermédiaire, compactée et éventuellement durcissable, de matière conductrice entre ladite gaine et ledit manchon. Cette matière pourrait également avoir une composition à base de graphite. I1 peut s'avérer, en cours d'usage, que le manchon ou la couche ait tendance à se consommer et, dans un tel cas, il peut être possible de rendre le manchon ou la couche déplaçable par rapport à la surface extérieure de la gaine de façon qu'on puisse le faire descendre sur la gaine extérieure ou bien régler sa position axiale en faisant ainsi en sorte que l'extrémité de travail de l'ensemble d'électrode soit protégée de façon appropriée. L'invention concerne également des éléments préfabriqués agencés pour définir, en combinaison avec un ensemble d'électrode de génération de plasma non consommable, une structure telle que définie ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la fig. 1 est une vue en élévation et en coupe longitudinale d'un ensemble d'électrode de génération de plasma protégé conformément à la présente invention, et la fig. 2 représente une forme d'un manchon en graphite fendu longitudinalement conformément à la présente invention. En considérant d'abord la fig. 1, on voit qu'un ensemble de cathode de génération de plasma du type refroidi par eau classique comprend une cathode 1 refroidie par eau, qui est logée concentriquement dans mais espacée d'une gaine extérieure 2 refroidie par eau. Le passage de section annulaire 3 qui est défini entre la cathode et la gaine établit le trajet nécessaire d'écoulement de gaz et les extrémités libres 4 et 5 de la cathode et de la gaine peuvent chacune être profilées pour donner la géométrie nécessaire au passage extérieur et permettre par conséquent l'établissement de l'écoulement nécessaire de gaz à partir du pistolet. La cathode et la gaine refroidie par eau sont toutes deux formées d'une matière métallique électriquement conductrice, de préférence respectivement de tungstène thorié et de cuivre ( ou bien de combinaisons des deux matériaux ), comme cela est bien connu dans l'art antérieur. Pour éviter un risque d'endommagement de la gaine extérieure sous l'effet d'une formation d'arc dispersé, il est prévu un manchon 6 en graphite solide, qui a été usiné pour s'emboiter sur la gaine. Dans ce mcde particulier de réalisation de l'invention, le manchon est réalisé d'une seule pièce par usinage d'une pièce cylindrique massive en graphite. Il est évident que les tolérances doivent être telles qu'une zone suffisamment grande du graphite scit en contact avec la surface extérieure de la gaine de manière que l'énergie électrique et thermique abscrbée par le manchon en graphite soit dissipée dans la gaine dans une zone suffisamment grande pour éviter tout endommagement de ladite gaine. L'épaisseur du manchon en graphite est choisie en correspondance et, bien qu'aucune optimisation ou autres calculs n'aient été effectués pour déterminer l'épaisseur optimale ou minimale du manchon, il est envisagé qu'une épaisseur comprise de préférence entré cinq et vingt cinq millimètres ( ou plus ) permette d'obtenir les résultats désirés, des manchons encore plus épais étant utilisés avec des ensembles d'électrodes de génération de plasma de plus grandes dimensions. Le manchon peut se terminer à courte distance de l'extrémité de buse essentiellement massive de la gaine comme indiqué, mais il peut également s'étendre jusqu'à l'extrémité de la surface extérieure de la gaine, ou bien au-delà de cette extrémité, comme indiqué par des lignes en trait interrompu en 7. Il peut évidemment être nécessaire que la face extrême ou bien une partie de celle-ci soit recouverte par la matière de manchon et un tel agencement, qui est représenté en 8 par les lignes en trait interrompu, rentre également dans le cadre de cette invention. Dans un essai pratique qui a été réalisé conformément à l'invention, on a pourvu d'un manchon en graphite, du type défini ci-dessus, un ensemble d'électrode de génération de plasma classique du type non consommable et refroidi par eau, comportant une gaine en cuivre refroidie par eau. On a provoqué la formation d'arc dispersé au moyen d'une sonde conductrice reliée à l'anode au moyen d'un câble flexible, ce qui a permis de produire artificiellement un arc dispersé. I1 n'en est résulté absolument aucun dommage pour l'ensemble d'électrode, même lorsqu'on a établi un court-circuit sur le côté du manchon. I1 est évident que de nombreuses variantes peuvent être envisagées pour l'ensemble d'électrode spécifique décrit ci-dessus en ce qui concerne le manchon en graphite et en particulier il est envisagé que le manchon puisse être fendu longitudinalement afin d'éliminer des difficultés qui pourraient autrement être rencontrées lors de l'usinage précis d'une pièce massive de graphite en vue de l'établissement du contact avec la surface extérieure d'une gaine conductrice refroidie par eau. Ainsi il est envisagé de réaliser un manchon fendu longitudinalement, du type indiqué sur la fig. 2 où deux moitiés 9 comportent des bords 10 s'étendant longitudinalement et qui sont dégagés de manière à coopérer l'un avec l'autre et à créer un joint étagé en section droite. De nombreuses autres possibilités rentrent dans le cadre de l'invention, nctamment le dépôt de mélanges durcissables de matières conductrices appropriées, en particulier du graphite et d'autres matières carbonées, sur la surface de la gaine conductrice refroidie par eau d'un ensemble d'électrode. Egalement il peut être suffisant de fixer une série de bandes étroitement espacées, ayant une forme rectiligne, circulaire ou hélicoïdale, d'un matériau conducteur de point de fusion élevé sur la surface extérieure de la gaine. Dans ce cas, l'espacement a évidemment une influence critique sur l'efficacité des bandes. L'invention concerne par conséquent un procédé et un moyen simples et peu coûteux pour empêcher un endommagement de la gaine extérieure d'ensembles d'électrodes-de génération de plasma refroidies par eau sous l'effet de la formation d'arcs dispersés. En outre l'invention prévoit la disposition d'une couche de faible conductivité thermique sur la surface de la gaine, ce qui signifie que moins de chaleur arrive en fait sur la surface de cuivre. I1 en résulte une diminution du degré de refroidissement de la gaine. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'électrode de génération de plasma, comprenant une électrode refroidie par eau qui est logée dans, mais espacée d'une gaine métallique conductrice refroidie par eau, dans lequel un trajet d'écoulement d'eau est défini entre la gaine et l'électrode et est pourvu d'une sortie à son extrémité libre, le pistolet à plasma étant caractérisé en ce que la gaine (2) comporte, au moins sur une partie substantielle de sa surface extérieure, une couche électriquement conductrice de point de fusion élevé qui est agencée pour attirer un arc dispersé au lieu que celui-ci arrive directement sur la gaine extérieure, l'épaisseur de matière conductrice de point de fusion élevé assurant une dispersion de l'énergie thermique engendrée dans celle-ci par l'arc dispersé. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche électriquement conductrice de point de fusion élevé est formée d'une matière graphitique appropriée. 3. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche est composée d'un manchon préfabriqué (6) en graphite massif qui est maintenu en contact électrique substantiel avec la surface extérieure de la gaine (2). 4. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que le manchon (6) est fendu longitudinalement (9, 10 ). 5. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couche électriquement conductrice s'étend seulement sur les parties sélectionnées de la surface de la gaine (2). 6. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite couche électriquement conductrice est composée, au moins en partie, d'une matière durcissable en contact avec la gaine. 7. Ensemble d'électrode de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite couche conductrice est réglable axialement en position sur la gaine (2).