Brevet FR2552964A1 — publié le 19850405

"TORCHEI A PLASMA A ENERGIE YP UENCE" 2552964 La présente invention est relative à une torche à plasma du type comprenant un guide d'onde destiné à être relié à un générateur de microondes, et une conduite d'alimentation en gaz qui comprend une partie aval traversant avec jeu une ouverture du guide d'onde. Des torches de ce type, récemment proposées, 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 10 connues n'ont pas permis d'atteindre des puissances suffisantes pour envisager leur utilisation industrielle, notamment en soudage-coupage. L'invention a pour but de fournir une torche à plasma de construction simple capable de combler cette lacune. A cet effet, l'invention a pour objet une torche à plasma du type précité, caractérisée en ce que la conduite d'alimentation a la forme générale d'un T dont la hampe constitue ladite partie aval, une première branche supérieure du T traversant sans jeu un orifice latéral du guide d'onde et étant destinée à être reliée à une source 20 de gaz tandis que la deuxième branche supérieure du T s'étend jusqu'à la paroi latérale du guide d'onde opposée à cet orifice et est obturée. Dans un mode de réalisation qui permet d'augmenter encore la puissance de la torche et d'utiliser celle-ci dans des 25 applications très variées, dans la partie aval de la conduite est disposé un conduit central relié à un conduit d'alimentation en un deuxième gaz, ce conduit d'alimentation étant disposé coaxialement dans l'une des branches supérieures du T et étant relié au conduit central par un coude. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'une torche à plasma suivant l'invention, prise suivant la ligne I- I de la figure 2; la figure 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne II-II de la 35 figure 1. La torche à plasma représentée aux dessins est constituée essentiellement d'un guide d'onde 1, d'un tube 2 d'alimentation en 2 2552964 gaz et d'un manchon 3, tous ces éléments étant méetalliques. Le guide d'onde 1 est rectiligne et présente une section rectangulaire que l'on voit à la figure 2 Il s'étend depuis un générateur de micro- ondes (non représenté, situé à gauche en 5 considérant la figure 1) jusqu'à une extrémité obturée par un piège quart-d'onde 4, lequel est réglable en position au moyen d'une tige coulissante 5 qui fait saillie à l'extrémité du guide d'onde De tels pièges sont bien connus dans la technique des hyperfréquences et n'ont pas besoin d'être décrits en détail Pour la commodité de la 10 description, on supposera que l'axe X-X du guide d'onde est horizontal, ainsi que les grands côtés de la section rectangulaire de ce guide d'onde. Le guide d'onde 1 comporte un tronçon intermédiaire amovible 6 dont la face inférieure présente une ouverture circulaire 15 7 d'axe vertical Y-Y et dont les faces latérales présentent respectivement deux orifices circulaires 8 et 9 Les orifices 8 et 9 ont un mûme diamètre inférieur à celui de l'ouverture 7 et sont alignés sur un même axe Z-Z horizontal Les axes X-X, Y-Y et Z-Z se rencontrent au centre de la section du guide d'onde située dans le 20 plan de symétrie du tronçon 6. Le tube d'alimentation 2 est destiné à véhiculer deux gaz différents, respectivement par une conduite extérieure 10 et par un conduit intérieur 11. La conduite extérieure 10 a une forme générale en T Une 25 branche supérieure 12 du T, d'axe Z-Z, traverse à joint étanche l'orifice 8 et se termine par un raccord 13 destiné à être relié à une source (non représentée) d'un premier gaz L'autre branche supérieure 14 du T, également d'axe Z-Z, s'embo te à joint étanche à son extrémité dans l'orifice 9 et est obturée hermétiquement par une 30 rondelle 15 La hampe 16 du T traverse caxialement l'aouverture 7, avec un large jeu. Le conduit intérieur 11, muni d'un raccord 17 pour sa liaison avec une source (non représentée) d'un deuxième gaz, est constitué d'une partie anmont 18 d'axe Z-Z qui traverse à joint étanche la rondelle 15, d'un coude 20 et d'une partie aval 21 d'axe Y-Y La partie 21 comporte une collerette perforée axialement qui permet à la fois son centrage dans la hampe 16 du T et le passage du premier gaz. L'ensemble du tube 2 peut, comme représenté, être constitué par une succession d'éléments tubulaires vissés les uns aux autres, les étancheites étant de préférence réalisées par des soudures Sur 5 l'extrémite inférieure de la hampe 16 est vissée une buse 22 à nez conique, d'un type usuel en oxycoupage, dont un conduit central conmunique avec le conduit 11 et dont un conduit annulaire (ou une série de conduits disposés en couronne) comunique avec le conduit 10 La buse 22 s'appuie sur un épaulement intérieur 23 du conduit 10, 10 avec interposition d'un joint d' étanchéité approprié (non représenté), et est maintenue par un écrou 24 vissé dans ce conduit. Le manchon 3 présente un diamntre intérieur sensiblement égal à celui de l'ouverture 7 Il comnporte à son extrémité supérieure une bride extérieure 24 vissée autour de cette ouverture, et à son 15 extrémité inférieure une aile extérieure roulée 25 Cette aile, qui se raccorde tangentiellement à la paroi cylindrique du manchon, peut avoir, comme représenté, un profil en arc de cercle En variante, cette aile 25 pourrait être remplacée par un bourrelet extérieur à contcxn arrondi se raccordant tangentiellement au manchon Le cercle 20 le plus bas de l'aile 25 ou du bourrelet se trouve sensiblement dans le plan horizontal d'extrémité de la buse 22. En fonctionnement, l'un des deux raccords 13 et 17 est relié à une sourve d'un gaz plasmagène, par exemple d'argon, et l'autre a une source d'un autre gaz destiné soit à gainer le gaz 25 plasmagène soit à être entouré par celui-ci à la sortie de la buse 22 Le générateur de micro-ondes fournit une énergie électromagnétique pulsatoire, par exemple à la fréquence de 2,45 G Hz. La puissance incidente se partage en une puissance utile transmise par le tube 2 et la buse 22, laquelle forme une antenne en 30 l'absence de gaz, et en une puissance réfléchie parasite renvoyée par le guide d'onde 1 vers le générateur La demanderesse a constaté que, de façon surprenante, avec un réglage convenable du piège 4, il était possible d'obtenir un plasma stable à la sortie de la buse 22 avec un rendement puissance utile/ puissance incidente de l'ordre de 95 %, 35 pour une puissance incidente allant jusqu'à 6 k W au moins Des essais satisfaisants ont en particulier été réalisés avec un plasma central d'argon gainé d'azote ou d'air comprimé En supprimant le gaînage 4 2552964 gazeux, on a pu obtenir un plasma stable jusqu'à une puissance incidente de 4 k W environ. En variante, le chapeau extérieur de la buse peut être réalisé en un matériau dialectique (quart, céramique, etc) Ceci 5 permet d'augmenter la puissance de la torche ou, pour une puissance donnée, de réduire les débits de gaz nécessaires Par ailleurs, si la torche est destinée à fonctionner dans des conditions toujours identiques, il est possible de remplacer le piège 4 par une simple plaque plane d'axe X-X reliée hermétiquement au guide d'onde. La torche décrite ci-dessus peut en particulier être utilisée pour le soudage ou le coupage d'objets métalliques. 2552964 REVENDICATIONS 1 Torche à plasma, du type comprenant un guide d'onde ( 1) destiné à être relié à un générateur de micro-ondes, et une conduite ( 10) d'alimentation en gaz qui comprend une partie aval ( 16) traversant avec jeu une ouverture ( 7) du guide d'ondes, caractérisée 5 en ce que la conduite d'alimentation ( 10) a la forme générale d'un T dont la hampe constitue ladite partie aval, une première branche supérieure ( 12) du T traversant sans jeu un orifice latéral ( 8) du guide d'onde et étant destinée à être reliée à une source de gaz tandis que la deuxième branche supérieure ( 14) du T s'étend jusqu'à 10 la paroi latérale du guide d'onde opposée à cet orifice et est obturée. 2 Torche à plasma suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'ondes ( 1) a une section rectangulaire et en ce que chacune des parties du T est rectiligne et 15 perpendiculaire à la paroi associée du guide d'onde. 3 Torche à plasma suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la partie aval ( 16) de la conduite ( 10) traverse un grand côté du guide d'onde ( 1). 4 Torche à plasma suivant l'une quelconque des 20 revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans la partie aval ( 16) de la conduite ( 10) est disposé un conduit central ( 21) relié à un conduit ( 18) d'alimentation en un deuxième gaz. Torche à plasma suivant la revendication 4, caractérisée en ce que ledit conduit d'alimentation ( 18) est disposé 25 coaxialement dans l'une ( 14) des branches supérieures du T et est relié au conduit central ( 21) par un coude ( 20). 6 Torche à plasma suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ledit conduit d'alimentation ( 18) est disposé coaxialement à ladite deuxième branche supérieure ( 14) du T. 7 Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le chapeau extérieur de la buse ( 22) est constitué d'un matériau dialectique. 8 Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la partie aval ( 16) de 35 la conduite ( 10) est entourée d'un manchon ( 3) dont le diamètre intérieur est à peu près égal à celui de ladite ouverture ( 7) et qui 6 2552964 est fixe sur le guide d'onde ( 1) autour de cette dernière. 9 Torche a plansma suivant la revendication 8, caractérisée en ce que l'extrétmité aval du manchon est pourvue d'une aile extérieure roulée ( 25). 10 Torche à plasma suivant la revendication 8, caractérisée en ce que l'extrémité aval du manchon est pourvue d'un bourrelet extérieur à contour arrondi.