Brevet FR2547693A1 — publié le 19841221

"TORCHE A PLASMA, MODADBgE POUR tE SOUDAGE OU lE COUPAGE DE METAUXn Invention de Messieurs Guy SALIFIER et Jean-Paul DOSSARD, au nom de la Société dite : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE AMOMYME POUR L'ETUDE ET 11 EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE. La présente invention est relative à une torche à plasma du type comprenant un tube d'alimentation en gaz, un manchon coaxial à ce tube qui se termine sensiblement dans le plan d'extrémité aval du tube, et un guide d'onde destiné à être relié à un générateur de micro-ondes et dont l'axe rencontre l'axe du tube en un point intermédiaire de ce dernier. Des torches de ce type, récemment proposees, ont permis d'obtenir à la sortie du tube un plasma stable dans un flux central de gaz plasmagène, éventuellement gainé par un flux annulaire d'un autre gaz, ou dans un flux annulaire de gaz plasmagène entourant éventuellement un flux central d'un autre gaz. Cependant, ces torches connues n'ont pas permis d'envisager leur utilisation en soudage-coupage. En effet, lorsqu'on approche une plaque métallique de l'extrémité aval du tube, on provoque une extinction de la flamme. L'invention a pour but de perfectionner les torches de ce genre de façon à permettre leur application au soudage-coupage. A cet effet, elle a pour objet une torche à plasma du type précité, caractérisée en ce que le manchon est limité, du côté amont, par une première paroi fixe reliée de façon étanche au manchon, et en ce que le guide d'onde est limité, du coté opposé au générateur de micro-ondes, par une deuxième paroi fixe reliée de façon étanche au guide d'onde. Dans un mode de réalisation qui permet d'augmenter la puissance transmise, l'extrémité aval du manchon est pourvue d'un bourrelet extérieur à contour arrondi, ou, en variante, d'une aile extérieure roulee. 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 longitudinale d'une torche à plasma conforme à l'invention ; - la figure 2 en est une vue prise en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale, à plus grande échelle, d'un détail d'une variante. La torche à plasma représentée aux figures l et 2 est constituée essentiellement d'un tube 1 d'amenée de gaz, d'un manchon 2 et d'un guide d'onde 3, tous ces éléments étant métalliques. Le tube 1 et le manchon 2 ont un même axe vertical X-X, tandis que l'axe Y-Y du guide d'onde est horizontal et coupe à angle droit l'axe X-X. Le tube 1 est composé de deux conduits coaxiaux : un conduit central 4 dont l'extrémité supérieure comporte un raccord 5, et un conduit annulaire 6, entourant le conduit 4, dont llextrémiré superieure est fermée et qui comporte près de celle-ci un raccord latéral 7. L La buse 8 s'appuie sur un épaulement intérieur 9 du conduit 6, avec interposition d'un joint d'étanchéité approprié, et est maintenue par un écrou 10 vissé dans ce conduit. Le manchon 2 est constitué d'un tronçon principal supérieur il et d'un court tronçon inférieur 12. Une bride circulaire 13 plane et horizontale est soudée sur le conduit 69 à une courte distance au-dessous du raccord 7. Sur la face inférieure de cette bride est soudée une jupe cylindrique 14 à section circulaire dont la partie inférieure entoure étroitement l'extrémité supérieure du tronçon supérieur il du manchon, sur laquelle la jupe 14 est soudée L'extrémité inférieure du tronçon il comporte une collerette inférieure 15. Le guide d'onde 3 est un conduit à section rectangulaire, à faces horizontales et verticales. Sur la figure 1, on a représenté seulement le tronçon aval de ce conduit, mais d'autres tronçons peuvent y être raccordés, le tronçon amont étant relié à un générateur de micro-ondes, ou générateur hyperfréquence. Près de son extrémité aval, le guide d'onde comporte dans sa face supérieure un orifice 16 de diamètre égal au diametre intérieur du tronçon 11 du manchon. Un orifice coaxial 17, de plus petit diamètre, est percé dans la face inférieure du guide d'onde. La collerette 15 est soudée autour de l'orifice 16, de façon que celui-ci soit centré sur l'axe X-X. A son extrémité aval (opposée au générateur de micro-ondes), le guide d'onde est fermé par une plaque plane rectangulaire 18 qui est fixée à joint étanche sur l'extrémité du guide d'onde par soudage. Le tronçon inférieur 12 du manchon 2 présente un diamètre intérieur égal à celui de l'orifce 17. Il comporte à son extrémité supérieure une collerette extérieure 19 soudée autour de cet orifice et, à son extrémité inférieure, un bourrelet extérieur 20 à section circulaire qui se raccorde tangentiellement à la paroi cylindrique intérieure du tronçon 12. Le tube 1 traverse avec un large jeu les orifices 16 et 17, et le cercle le plus bas du bourrelet 20 se trouve sensiblement dans le plan horizontal d'extrémité de la buse 8 En fonctionnement, l'un des deux raccords 5 et 7 est relié à une source d'un gaz plasmagène, par exemple d'argon, et l'autre à une source d'un autre gaz destiné soit à gainer le gaz plasmagène soit à être entouré par celui-ci à la sortie de la buse 8.Le générateur de micro-ondes fournit une énergie électromagnétique pulsatoire, par exemple à la fréquence de 2,45 GHz. La puissance incidente, qui peut être comprise entre O et 6 kW, subit des réflexions sur la plaque 18, dans le manchon 2 et sur la bride plane 13 ; à la suite de ces réflexions, elle se partage en une puissance utile transmise par le tube 1 et la buse 8, laquelle forme une antenne en l'absence de gaz, et en une puissance réfléchie parasite renvoyée par le guide dDonde 3 vers le générateur La demanderesse a constaté que, de façon surprenante, il était possible de choisir les positions des plaques 18 et 13, respectivement suivant les axes Y-Y et X-X, de façon que, d'une patt, en- l'absence de tout objet en regard de la buse 8, la puissance réfléchie le long du guide d'onde 3 vers le générateur soit très faible, et que, d'autre part, lorsqu'on approche une plaque métallique de la buse 8 aux distances usuelles en soudage-coupage (c'est-à-dire quelques millimètres), cette puissance réfléchie s'annule pratiquement. Dans ces conditions, la flamme plasma, qui est obtenue à la sortie de la buse 8 dans le gaz plasmagène par amorçage, par exemple en crevant un court-circuit momentané entre cette buse et le tronçon 12 du manchon, peut etre utilisée, avec un rendement énergétique très voisin de 100 %, pour effectuer des operations de soudage ou de coupage de pièces métalliques, ou encore de traitement de surfaces. Ce résultat très avantageux est favorisé par la présence du bourrelet 20, qui supprime toute arete vive dans la région où se forme le plasma. On notera l'extrême simplicité de construction de la torche suivant l'invention, qui ne possède ni pièce mobile ni dispositif de refroidissement. En variante, comme illustré à la figure 3, le bourrelet 20 peut être remplacé par une aile extérieure roulée 21 prévue à l'extrémité inférieure du tronçon 12 du manchon. Cette aile, qui se raccorde tangentiellement à la paroi cylindrique du tronçon 12, peut avoir, comme représenté, un profil en arc de cercle. Avec l'alimentation à une fréquence de 2,45 GIlz précitée, des resultats expérimentaux satisfaisants ont été obtenus avec divers couples de gaz et dans une large gamme de débits avec une torche dimensionnée de la façon suivante - diamètre extérieur du conduit 6 : 20 mm - diamètre extérieur de la buse 8 : 14 mm - diamètre du conduit central de la buse 8 : 1 à 3 mm ; - dimensions intérieures, en section transversale, du guide d'onde 3 : hauteur 43 ma, largeur 86 mm 2 - diamètre intérieur du tronçon 11 : 57 ma - diamètre intérieur du tronçon 12 0 40 mm - distance de la bride 13 à l'orifice 16 : 135 mm ou 64 mm , - distance de ia plaque 18 à l'axe X-X : 87 mm, ce qui correspond à la demi-longueur d'onde de propagation dans le guide d'onde. On remarque que les rapports diamètre intérieur du tronçon 12/diamètre extérieur de la buse 8 et diamètre intérieur du tronçon 11/diamètre extérieur du conduit 6 ont la même valeur, qui est 2,85. Cette valeur conduit à une impédance caractéristique optimale d'environ 50 ohms pour l'ensemble tube 1 - manchon 2 considéré comme une ligne coaxiale, lorsque le diélectrique est de l'air. Comme on le sait, l'impédance caractéristique d'une ligne coaxiale est donnée par ia formule Z = 60 Log D, où g désigne la permittivité électrique du dlélectrique d d et D le rapport du diamètre intérieur du câble extérieur au diamètre extérieur du câble intérieur. REVENDICATIONS 1. - Torche à plasma, du type comprenant un tube (1) d'alimentation en gaz, un manchon (2) coaxial à ce tube qui se termine sensiblement dans le plan d'extrémité aval du tube, et un guide d'onde (3) destiné à être relié à un générateur de micro-ondes et dont l'axe (Y-Y) rencontre l'axe (X-X) du tube en un point intermédiaire de ce dernier, caractérisée en ce que le manchon est limité, du côté amont, par une première paroi fixe (13) reliée de façon étanche au manchon, et en ce que le guide d'onde est limité, du côté opposé au générateur de micro-ondes, par une deuxième paroi fixe (18) reliée de façon étanche au guide d'onde. 2. - Torche à plasma suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les axes (X-X, Y-Y) du manchon (2) et du guide d'onde (3) sont perpendiculaires l'un à l'autre, ladite première paroi (13) et ladite deuxième paroi (18) étant respectivement perpendiculaires à ces deux axes. 3. - Torche à plasma suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ladite deuxième paroi fboe (18) est située à une distance de l'axe (X-X) du tube (1) égale à la demi-longueur d'onde de propagation dans le guide d'onde (3). 4. - Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'extrémité aval du manchon (2) est pourvue d'un bourrelet extérieur (20) à contour arrondi. 5. - Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'extrémité aval du manchon (2) est pourvue d'une aile extérieure roulée (21). 6. - Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le tube (1) est constitué de deux conduits coaxiaux (4, 6).