Brevet FR2596942A1 — publié le 19871009

TORCHE A PLASMAGENE GAZEUX UNIVERSEL La présente invention concerne une torche a plasma du type à plasmagène gazeux universel comprenant - une électrode, réglable en longueur par pince d serrage, dont la partie ac tive est de matière et de forme différentes de la partie de fixation selon qu'elle est utilisée soit avec un même fluide gazeux pour le gaz plasmagène et pour le gaz de refroidissement et pour le gaz de chasse lorsque la torche est dite "à refroidissement par air", soit avec des fluides gazeux diffé rents pour les gaz plasmagènes, etc, etc... comme précité, soit encore avec tout fluide gazeux pour le gaz plasmagène et pour le gaz de chasse et tout fluide liquide pour en assurer le refroidissement lorsque la torche est dite a refroidissement par eau - un isolateur enfermant la pince porte-électrode et assurant par ses orifi ces le contrôle du flux plasmagène, - une tuyère à évidements externes le long de son fût de fixation et munie d'un embout d'usure interchangeable, - une buse extérieure réfractaire autorisant le contact avec la pièce et concentrant le flux de refroidissement dans le jet de plasma pour en aug menter lfeffet de chasse. Dans la suite, on désignera de telles torches par l'expression "torches à plasma universelles". Traditionnellement, les torches à plasma gazeux ne peuvent être utilisées, en général, qu'avec l'électrode et les flux gazeux pour lesquels elles ont été conçues. Par ailleurs, il y a incompatibilité de matière et de forme selon que cette électrode est utilisee avec un flux plasmagène composé de gaz inertes ou de gaz actifs, chaque flux ayant des caractéristiques propres et non concordantes. On conçoit que l'utilisation d'une torche unique s'adaptant aux différents flux plasmagènes par simple changement de l'électrode soit recherchée du fait de la simplification des systèmes et des coûts. Toutefois, la nécessité de satisfaire précisément aux contraintes de chaque type de plasma pose de sérieuses difficultés de conception et de réalisation. C'est pourquoi, a la connaissance du demandeur, aucune torche à plasmagène universel n'a été fabriquée bien que les principes soient connus. L'invention a pour but de fournir une torche a plasmagène gazeux universel qui soit capable de fonctionner de manière satisfaisante dans les conditions réelles d'utilisation. A cet effet, l'invention a pour objet une torche è plasma du type précité caractérisbe en ce que L'électrode est réglable en longueur au fur et 4 mesure de son usure. L'électrode possède la même forme et la même matière, tant dans sa partie active que dans sa partie de fixation lorsqu'elle est utilisée avec un flux plasmagene è gaz inerte pur ou melangé. - L'électrode possède et/ou une forme différente et/ou une matière différente tant dans sa partie active que dans sa partie de fixation lorsqu'elle est utilisée avec un flux plasmagène L gaz actif pur ou mélangé. La partie de fixation de l'électrode est identique pour un flux plasmagène z gaz inerte et un flux plasmagène è gaz actif, purs ou mélangés. Le flux plasmagène etlou le flux de refroidissement peuvent être un gaz inerte ou un gaz actif, et inversement. La base de l'isolateur central sert de butée a la pince de blocage de l'électrode en autorisant le passage de celle-ci. Les orifices périphériques de l'isolateur central assurent la régulation du flux plasmagène. La base de l'isolateur central délimite la chambre a plasma. L'épaulement interne de la tuyère sert d'appui u l'isolateur précité, donc b la pince porte-électrode, donc au blocage de celle-ci. Les évidements externes du fat de fixation de la tuyère assurent son refroi dissement intégral et stabilisent le plasma. La tuyère forme avec le porte-tuyère une chambre annulaire communiquant avec les évidements du fat de la tuyère précitée. L'embout des la tuyère précitée est interchangeable selon l'usure. L'embout précité autorise la modification de la géométrie de la chambre b plasma. L'embout précité autorise l'utilisation d'électrodes de forme variable donc de flux plasmagènes différents. La buse extérieure en matière isolante réfractaire forme avec la tuyère une chambre annulaire cylindro-conique. La buse précitée concentre le flux de refroidissement dans le jet plasma pour en augmenter l'effet de chasse. La buse précitée autorise le travail en contact avec la pièce. Accessoirement, la torche peut être complétée par une seconde buse exterieure de grand diamètre, 6 l'extrémité taillée en forme de "gueule de loup", dans le but de faciliter sa perpendicularité au plan de travail. La réalisation de la figure I représente en coupe axiale une torche de coupage plasma manuelle équipée d'une électrode et d'une tuyère pour gaz inertes selon l'invention. La figure 2 est une coupe transversale de la tuyère prise suivant les lignes Il-Il. La figure 3 est une coupe transversale de l'isolateur prise suivant les lignes 111-111.- La figure 4 représente en coupe axiale l'extrémité d'une tAete de torche selon l'invention équipée d'une électrode et d'une tuyère pour utilisation avec gaz actifs. La torche de coupage plasma représentée au dessin, comprend une poignée 1 et, a l'une de ses extrémités, une tête de coupage 2 située dans l'axe vertical de révolution X-X. La poignée 1 contient un tube 3 d'amenée du gaz plasmagène et du courant de coupe, entouré d'un isolant 4, un tube 5 d'amenée du gaz de refroidissement et du courant pilote entouré d'un isolant 6, d'un tube d'arrivée 7 et d'un tube de départ 8 du liquide de refroidissement lorsque la torche est "refroidie par eau". La tête 2 comprend un premier ensemble métallique 9, relié électrique- ment au tube 3, un deuxième ensemble métallique 10, relié électriquement au tube 5, un premier isolateur 11, interposé entre les ensembles 9 et 10, un second isolateur 12, coulissant a l'intérieur de l'isolateur 11 et des ensembles 9 et 10, une pince porte-électrode métallique 13, une électrode 14 reliées électriquement Il l'ensemble 9 et un ensemble buse terminale 65. L'ensemble 9 est constitué d'une coupelle métallique 15, ayant une entrée de gaz radiale 16 et sur sa partie supérieure un trou taraudé 17 dans lequel se visse le bouchon ou coiffe 18, dont l'intérieur 19 est évidé an gradin et les térieur, au-dessus de sa partie filetée, est forme de crans 20, permettant le moulage d'un enrobage isolant 47 dans lequel est loge un joint dYéta-nchéite 21. L'isolateur Il de forme cylindrique possède un épaulement supérieur 22 et inférieur 23 assurant la concentricité des ensembles 9 et 10 et son alé- sage 50 permet le glissement de l'isolateur 12. L'ensemble 10 se compose de quatre pièces S savoir un porte-tuy#re 249 une canalisation annulaire de liquide de refroidissement 25, une tuyère 26 et un embout de tuyère 27. Le porte-tuyère 24 se compose d'une coupelle qui possède, sur sa partie supérieure, un évidement 48 recevant l'épaulem~nt 23, un trou central 49 autorisant le passage de l'isolateur 12, une entrée de gaz radiale 28, une chambre annulaire de gaz 29, une saignée extérieure 30 où se loge la canalisation 25, et sur sa partie inférieure, un trou taraudé 31 sur lequel se visse la tuyère 26 et un filetage externe 32 sur lequel se fixe 11 ensemble 15. La canalisation de refroidissement 25 a une forme annulaire ; elle vient se loger dans la saignée 30 et elle est raccordée aux tubes 7 et 8. La tuyère 26 est usinée dans un volume prismatique permettant son blocage sur le porte-tuyère 24. Sa forme se compose d'un fût cylindrique de fixation fileté 33 se vissant dans le trou taraudé 31 et d'une partie prismatique précitée dont l'extrémité se termine en tronc-cône. Sur le fat 33 précité, sont pratiqués, extérieurement, les évidements 34 de nombre et de configuration variables. Son alésage intérieur 51 est dans le même alignement que 49 et 50 et forme, avec l'alésage 52, un épaulement 53 servant d'appui è l'isolateur 12. La longueur du fût 33 est telle que lorsqu'il est en appui sur la partie interne supérieure 54 du porte-tuyère 24, il subsiste un intervalle 35 entre le haut de la partie prismatique de la tuyère 55 et l'extrémité inférieure 56 du porte-tuyère 24. La petite base du tronc-cône de la tuyère 26 précitée est percée d'un trou taraudé 36 avec un épaulement 37 qui permet par vissage la fixation de l'embout 27, lequel détermine la configuration de la chambre à plasma 38 propre U chaque flux plasmagène, celui-ci s'échappant par l'orifice 39. A l'intérieur de l'isolateur 11, du porte-tuyère 24 et de la tuyère 26, vient se loger l'isolateur 12 dont l'intérieur est évidé pour laisser le passage 8 la pince porte-électrode 13 et former une chambre annulaire 40 et dont la base fermée 64, qui sert de plafond è la chambre à plasma 38, est percée d'un orifice central 41, autorisant le passage de l'électrode 14 dans ses parties soit active 57 et de fixation 14 pour les gaz inertes, soit seulement de fixation 14 pour les gaz actifs ; et d'orifices périphériques 42 assurant la régulation du flux plasmagène. Le trou central 41 sert aussi L resserrer les lèvres 60 de la pince porteélectrode 13 qui assure ainsi le blocage de l'électrode 14 au moyen de la preste sion exercée par l'épaulement 61 du bouchon 18 sur l'extrémité 62 de la pinceporte-électrode précitée qui est ainsi portée au potentiel de l'ensemble 9. L'électrode 14 est constituée d'une aiguille de tungstène de mese section pour la partie active 57 que pour la partie de fixation 14, lors de l'utili- sation d'un flux plasmagène inerte. Dans ce cas, la configuration de la chambre S plasma est comme en 38. Avec un flux plasmagène actif, l'électrode 14 est constituée d'une aiguille de tungstène pour sa partie de fixation 14 sur laquelle est serti un cylindre d'alliage cuivreux 58 servant de partie active. Dans ce cas, la configuration de la chambre è plasma est comme en 59 L'ensemble 65 comprend une buse isolante et réfractaire 43, de forme cylindro-conique, maintenue par vissage sur le porte-tuyère 24 et dont la conicité intérieure identique celle de la tuyère 26 concentre le flux de refroidissement ou de chasse dans le jet plasma représenté par le point 44. La buse 43 permet u la torche de travailler en contact avec la pièce è couper. Une autre buse métallique 45, facultative, taillée en "gueule de loup" a une extrémité pour dégager la vision du champ de travail, assure la perpendiculaité de la torche è la pièce. La bague plastique 46 sert au maintien de la buse 45 sur la buse 43. La forme extérieure de la poignée I et de la tête 2 est assurée par le moulage d'un enrobage isolant 47. Lors du fonctionnement, l'ensemble 9 est porté par l'intermédiaire du tube 3 ai un potentiel donné par rapport è la pièce (non représentée), lten- semble 10 est porté au moyen du tube 5 è un potentiel intermédiaire et les gaz appropriés sont envoyés dans les tubes 3 et 5. Le gaz plasmagène du tube 3 arrive a l'entrée 16, remplit la chambre 40, passe par les orifices 42 qui servent è la régulation de son débit, puis arrive dans la chambre plasma 38 ou 59 d'où il sort par l'orifice 39. Simultanément, le gaz de refroidissement ou de chasse, dans le cas d'une torche è refroidissement par eau, du tube 5 arrive è l'entrée 28, remplit la chambre 29, descend le long du fat -33 de la tuyère 26, par les évidements 34, arrive dans l'intervalle 35, et est de nouveau canalisé le long de la partie conique de la tuyère au moyen de la buse 43 qui le concentre dans le jet plasma au point 44.Comme on le voit, la tuyère 26 n'est pas seulement refroidie dans sa partie active mais aussi dans sa partie interne de fixation 33 avec, comme effets corollaires, la stabilisation de la température du gaz plasmagène dans la chambre X plasma 38 ou 59-d'une part et le préchauffage du gaz plasmagène le long de la: pince porte-électrode 13, tous deux étant recherchés pour un plasma de qualité. En outre, le refroidissement énergique de l'ensemble de la tuyère 26 par les évidements 34 et la buse 43 augmente largement la durée de vie de l'embout de la tuyère 27 dont l'usure influe directement et sur les capacités de la torche et sur l'aspect de la coupe. Dans le cas où la torche est reliée, par les tubes 7 et 8, è un circuit de refroidissement forcé, les effets précités ainsi que la capacité dlectrique de la torche se trouvent renforcés. Après un temps donnez d'utilisation, ou avant si nécessaire, on desserre le bouchon 18 permettant ainsi 9 la pince porte-électrode 13 de laisser coulisser la partie de fixation 14 de l'électrode, ce qui autorise le rapprochement de sa partie active 57-58 de l'orifice 39 de l'embout de tuyère 27 empêchant ainsi son "élargissement" ou sa "détérioration" puisque l'on sait que ces deux inconvénients sont fonction de la distance "électrode-tuyère" qui détermine aussi la capacité et l'aspect de la coupe. REVENDICATIONS 1. Torche à plasma du type d plasmagène gazeux universel caractérisée en ce qu'elle peut être utilisée avec tout flux plasmagène composé de gaz inerte et/ou actifs, purs et/ou mélangés, par le simple changement de l'électrode (14) et/ou de la tuyère (26-27), ce qui modifie et/ou la partie active de l'électrode (57-58) et/ou la géométrie de la chambre (38-59) à plasma. La torche précitée peut être 8 "refroidissement par air" ou à "refroidissement par eau 2.Torche è plasma du type comprenant une électrode réglable par-rapport è la tuyère, selon son usure, caractérisée en ce que l'électrode (57-58) est maintenue par une pince porte-électrode è serrage (13) qui par ses lèvres (60) autorise le blocage en tout point de la partie de fixation (14) de la dite électrode permettant ainsi de garder constant son écartement avec la tuyère (26-27). La torche précitée peut être è "refroidissement par air" ou à "refroidissement par eau 3.Torche è plasma du type comprenant une électrode constituée et/ou d'une forme identique ou différente et/ou d'une matière identique ou différente tant dans sa partie active que dans sa partie de fixation selon qu'elle est utilisée avec un gaz plasmagène inerte ou actif, pur ou mélangé, caractérisée en ce que la partie active de l'électrode (57-58) et la chambre è plasma (38-59) se trouvent modifiées par l'utilisation de chaque gaz et vice-versa alors que la partie de fixation (14) de l'électrode (57-58) est la même pour tous les gaz plasmagnes. La torche précitée peut être è "refroidissement par air" ou à "refroidissement par eau 4.Torche àplasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 carac térisee en ce que le blocage de l'électrode (14) est assuré par une pince porteélectrode (13) prenant appui sur l'isolateur central (12). 5. Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 è 4 caractérisée en ce que l'orifice central (41) de la base (64) de l'isolateur central (12) permet le serrage des livres (60) de la pince porte-électrode (13) soit par action de vissage du bouchon ou coiffe (20) soit par action de vissage de la tuyère (26-27). 6. Torche à plasma suivant l'une quelconque de revendications k è 5 carac térisee en ce que l'isolateur central (12) par ses orifices périphériques g429 assure la régulation du flux plasmagène et par sa base (64) delieite la chambre è plasma (38). 7. Torche è plasma suivant l'une quelconque des revendications I è 6 cazac- vériste en ce que la tuyère (26-27) par son Epau7lement interne (53) sert d'assxse è l'isolateur central (12) et X la pince portezeSectrode (13) par l'intermédiaire de sa base (64). 8. Torche è plasma suivant l'une quelconque des revendications I è 7 carac triste en ce que les évidements externes (34) du fflt de fixation (33) de la tuyère (26-27) permettent le passage interne du flux de refroidissement, ce qui assure le préchauffage du flux plasmagène et le refroidissement intégral de la tuyère. 9. Torche b plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 è 8 carac terisee en ce que la tuyère (26-27), par la longueur de son fut de fixation (33) laisse subsister une chambre (35), entre sa partie (55) et l'extrémité (56) du porte-tuyère (24), qui communique avec les évidements (34) assurant ainsi l'arrive du flux de refroidissement U l'extremité de la tuyère (26-27). 10. Torche è plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 è 9 carac tSrisée en ce que la tuyère (26) possède un embout interchangeable (27) dont la forme intérieure (38-59) modifie la configuration de la chambre è plasma (38-59) selon que le flux plasmagène est è gaz inerte (38) ou actif (59). 11. Torche a plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 a 10 ca ractérisée en ce que elle est munie d'une buse extérieure isolante et réfractaire (26), que la dite buse forme une chambre cylindro-conique (63) avec la tuyère (26) assurant simultanément son refroidissement intégral, la stabilisation de la température de la chambre è plasma (38-59), la concentration du flux de refroidissement dans le jet plasma (44) et qu'elle permet le travail en contact avec la pièce.