Brevet FR2534106A1 — publié le 19840406

La présente invention est relative à une torche à plasma du type comprenant un conduit unique d'alimentation en gaz qui débou- che dans un porte-électrode métallique, et des moyens diviseurs pour diviser le flux de gaz en un premier flux de gaz plasmagène et en un deuxième flux de gaz derefroidissement Dans la suite, on désignera de telles torches par l'expression "torches à plasma monogaze", On conçoit que l'utilisation d'un circuit unique pour four- nir le gaz plasmagène et pour refroidir les principaux éléments de la torche: électrode, tuyère, isolateur, etc est séduisante du fait de la simplicité de construction qui en résulte. Toutefois, la nécessité de contrôler de façon précise le rapport des deux flux malgré les variations importantes de température qui se produisent en service pose de sérieuses difficultés de concep- tion C'est probablement la raison pour laquelle, à la connaissance de la demanderesse, aucune torche à plasma monogaz n'a été fabriquée industriellement, bien que leur principe ait été énoncé depuis de nombreuses années. L'invention a pour but de fournir une torche à plasma mo- nogaz qui soit capable de fonctionner de façon satisfaisante dans les conditions réelles d'utilisation. A cet effet, l'invention a pour objet une torche à plasma du type précité, caractérisée en ce que lesdits moyens diviseurs com- prennent deux séries d'orifices ménagées dans le porte-électrode ou dans un porte-tuyère métallique. Dans un mode de réalisation qui assure un refroidissement particulièrement efficace de l'électrode, à l'intérieur du porte- électrode est prévue une chicane tubulaire qui dirige le gaz entrant tout d'abord sur la partie active de l'électrode puis vers les deux séries d'orifices Dans ce cas, pour abaisser la température du gaz de refroidissement, ce dernier peut être guidé entre un support de tuyère et une jupe annulaire pourvue d'au moins un perçage d'aspira- tion d'air ambiant, et/ou un passage supplémentaire peut relier l'en- trée de gaz à un point du circuit de refroidissement situé en aval des orifices correspondants. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une torche de coupage plasma manuelle conforme à l'invention les figures 2 et 3 sont des coupes transversales du porte-électrode de cette torche prises respectivement suivant les lignes Il-II et III- III de la figure 1. La torche de coupage plasma représentéc au dessin comprend une poignée 1 et 2 à l'extrémité de celle-ci, une tête de coupage 2 qui est dans l'ensemble de révolution autour d'un axe X-X Pour la commodité de la description, on supposera l'axe XI vertical et la tête 2 dirigée vers le bas. La poignée 1 contient un tube unique 3 d'amenée de gaz et du courant de coupage entouré d'une gaine isolante 4, et un câble électrique 5 La tête 2 contient un premier ensemble métallique 6 relié électriquement au tube 3 un deuxième ensemble métallique 7 relié électriquement au câble 5, et un isolateur 8 interposé entre ces ensembles 6 et 7. L'ensemble 6 est constitué de trois pièces creuses: un porte-électrode 9 qui présente un conduit axial borgne 10 ouvert à son extrémité inférieure et dont l'autre extrémité communique avec le tube 3 par une entrée de gaz radiale 11; une électrode 12 non consommable constituée d'une coupelle 13 dont le bord supérieur est vissé sur l'extrémité inférieure du porte-élec- trode 9 et dont le fond comporte une saillie 14 dirigée vers le haut. Cette saillie est pourvue d'un logement borgne 15 ouvert vers le bas qui reçoit un insert 16, par exemple en zirconium; et une chicane tubulaire 17 dont l'extrémité supérieure est vissée dans le conduit 10 du porteélectrode 9, juste au-dessous de l'entrée de gaz 11, et dont l'extr 4 mité:inférieure est élargie pour venir coif- fer la saillie 14 de l'électrode à une faible distance de celle-ci. Le porte-électrode 9 présente une forme extérieure en gra- dins: sa partie supérieure, dans la région de l'entrée de gaz 11, se termine par un épaulement horizontal 18 et est suivie par une partie intermédiaire de diamètre légèrement inférieur; un second épaulement horizontal-19 relie cette dernière à une partie inférieure de diamè- tre nettement plus petit, à peu près égal au diamètre extérieur de la coupelle 13 Quatre orifices radiaux 20, situés à 900 les uns des autres, traversent le porte-électrode 9 juste au-dessous de l'épaule- ment 19, et deux orifices 21 de plus petit diamètre, également radiaux, traversent ce porte-électrode juste au-dessus du bord supérieur de la coupelle 13. Le deuxième ensemble métallique 7 est constitué de deux pièces, à savoir d'un porte-tuyère tubulaire 22 et d'une tuyère 23 en forme de coupelle dont le bord supérieur est vissé à l'extrémité in- férieure du porte-%tuyère et dont le fond est percé d'un orifice axial 24. L'isolateur 8, constitué d'une matière isolante appropriée, présente trois parties: une partie supérieure enfilée sur la partie intermédiaire du porte-électrode 9 et butant contre l'épaulement 18, une partie intermédiaire de plus forte épaisseur qui délimite avec l'épaulement 19 une chambre annulaire 25 et est percée d'une série de passages longitudinaux 26, et une partie inférieure qui entoure avec un jeu annulaire le porte-électrode dans la région des orifices 21 La chambre 25 est également reliée directement à l'extrémité su- périeure du conduit 10 du porte-électrode par un ou plusieurs passa- ges supplémentaires 27. Le porte-tuyère 22 comporte une partie supérieure enfilée sur les parties intermédiaire et supérieure de l'isolateur 8, une partie intermédiaire plus épaisse enfilée sur la partie inférieure de cet isolateur, et une partie inférieure recevant la tuyère La partie intermédiaire du portetuyère délimite avec celle de l'isolateur une chambre annulaire 28 et est également percée d'une série de passages longitudinaux 29 Ces derniers débouchent dans une chambre annulaire finale 30 délimitée intérieurement par la partie inférieure du porte- tuyère 22 et par la tuyère-et extérieurement par une jupe isolante 31 vissée ou fixée par un autre moyen sur la partie supérieure du porte- tuyère La jupe 31 est percée de plusieurs trous d'aspiration 32 in- clinés vers l'intérieur et vers le bas, La torche est complétée par un enrobage isolant 33 en ma- tière plastique qui constitue la partie extérieure de la poignée 1 et de la tête 2 jusqu'au niveau du bord supérieur de la jupe 31. En fonctionnement, l'ensemble 6 est porté par l'intermédi- aire du tube 3 à un potentiel approprié par rapport à la pièce à cou- per (non représentée), l'ensemble 7 est porté à un potentiel intermé- diaire au moyen du câble 5, et un gaz approprié, par exemple de l'air comprimé, est envoyé dans le tube 3 - Pour l'essentiel, le gaz pénètre par l'entrée 11 dans le- conduit 10, descend par la chicane 17, passe sur la saillie 14 de l'électrode et remonte dans l'espace annulaire 34 existant entre la coupelle 13 et la chicane 17, puis entre celle-ci et-la paroi du con- duit 10. Une fraction relativement faible (par exemple 10 %) du gaz sort de l'espace annulaire 34 par les deux trous 21 pour former une injection de gaz plasmagène dans l'intervalle annulaire prévu &à ce niveau entre le porte-electrode 9 et l'isolateur 8 e puis dans la chambre annulaire laissée libre sous ce dernier entre la tuyère 23 et la coupelle 13 Ce gaz plasmagène sort de la tête 2 par l'orifice central 24. Le reste du gaz qui a atteint l'espace annulaire 34 est utilisé pour refroidir la tète 2 et notamment la tuyère 23 Ce gaz sort du porteélectrode par les orifices 20 et passe successivement dans la chambre annulaire 25, dans les passages 26, dans la chambre annulaire 28, dans les passages 29 et dans la chambre annulaire 30, d'o il est évacué vers le bas dans le milieu environnant Un certain débit de gaz passe directement de l'entrée 11 à la chambre 25 par les passages 27 du porte-électrode, et l'écoulement du gaz de refroidis- sement dans la chambre 30 aspire une quantité importante d'air am- biant par les trous 32 de la jupe 31. On voit ainsi que l'essentiel du gaz admis par le tube 3 sert tout d'abord à refroidir l'électrode 12 Une partie de ce gaz réchauffé par l'électrode, déterminée par-le rapport des sections totales des orifices 20 d'une part, des orifices 21 d'autre part, est prélevée pour constituer le gaz plasmagène Ce dernier possède ainsi, en service, une température élevée indépendante des éventuelles va- riations de la température du gaz entrant par le tube 3 Ceci est avantageux car on sait que la température du gaz plasmagène influe sur les performances de coupage de la-torche, en les améliorant lors- qu'elle augmente. La fraction du débit sortant par les orifices 21 peut être réglée de façon précise du fait que tous les orifices 20 et 21 sont percés dans une même pièce, qui se dilate de façon uniforme Ceci resterait d'ailleurs valable si le porte-électrode était constitué de plusieurs pièces ayant des coefficients de dilatation voisins De plus, ces orifices, et notamment les orifices 21, peuvent facilement être réalisés avec un très faible diamètre puisqu'ils Dnt percés dans une pièce métallique Par contre, les passages 26 de l'isolateur 8, qui n'ont qu'un rôle de guidage du gaz de refroidissement, peuvent posséder un diamètre nettement supérieur à celui des orifices 20, car leur diamètre n'est pas critique. Le gaz frais qui pénètre dans le circuit de refroidissement en aval Ès orifices 20 par 1 ls passages 27 et l'air frais aspiré par -5 les trous 32 permettent d'obtenir à chaque niveau un gaz de refroi- dissement à une température suffisamment-basse pour jouer son râle de façon efficace En particulier, le gaz sortant des passages 27 permet de maintenir l'isolateur 8 à une température inférieure à la température de ram 'hssement de certaines matières plastiques, ce qui est très avantageux pour la fabrication en série De nouveau, le fait de percer des passages 27 dans la même pièce métallique que les ori- fices 20 et 21 permet un bon réglage de la fraction de gaz ainsi dé- viée. En variante, bien que ceci semble actuellement moins avan- tageux, les deux séries d'orifices constituant le diviseur de débit pourraient être ménagées dans une ou dans deux pièces métalliques formant le porte-tuyère Dans ce cas, le porte-électrode ne comporte- rait plus les orifices 219 et tout le gaz contenu dans l'espace an- nulaire 34 sortirait par les orifices 20 pour être réinjecté en par- tie dans la chambre de gaz piasmagène. Il est à noter que la conception de la torche suivant l'invention permet de donner aux orifices 20 et 21 toute orientation désirée. REVXMDIOATIONS 1 Torche à plasma, du type comprenant un conduit unique ( 3) d'alimentation en gaz qui d 6 bouc Le dans un Dorte-electrode métal- lique ( 9)9 et des moyens diviseurs pour diviser le flux de gaz ea lu premier flux de gaz plasmagène et en un deuxième flux de gaz de re- froidissemente caractérise en ce que lesdits moyens diviseurs compren- nent deux séries d'orifices ( 209 21) ménagées dans le porte-électrode ( 9) ou dans un porte-tuyère métallique. 2 Torche suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices ( 20) correspondant au gaz de refroidissement débou- chent à l'entrée d'un passage de guidage ( 26) ménagé dans un isola- teur ( 7) qui entoure le porte-électrode ( 9). 3 Torche à plasma suivant la revendication 2, caractéri- sée en ce que le passage de guidage est constitué par une série de perçages axiaux ( 26) prévus dans l'isolateur ( 8). 4 Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce qu'à l'intérieur du porte-électrode ( 9) est prévu une chicane tubulaire ( 17) qui dirige le gaz entrant tout d'abord sur la partie active de l'électrode ( 13) puis vers les deux séries d'orifices ( 20,21) - Torche à plasma suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le gaz de refroidissement est guidé entre un support de tuyère ( 22) et une jupe annulaire ( 31) pourvue d'au moins un perçage ( 32) d'aspiration d'air ambiant. 6 Torche à plasma suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'un passage supplémentaire ( 27) relie l'entrée de gaz ( 11) à un point ( 25)du circuit de refroidissement situé en aval des orifices correspondants ( 20).