Brevet FR2610776A1 — publié le 19880812

La présente invention concerne des dispositifs utilisés pour le travail des matériaux par un arc au plasma et a notamment pour objet une tuyère pour chalumeaux à plasma. L'invention peut trouver son application au soudage, au rechargement, au brasage, au traitement thermique ainsi qu'au coupage d'une vaste nomenclature des pièces dans des constructions de machines, d'appareils , dans l'électronique ainsi que dans d'autres branches de l'industrie. Il est plus efficace d'utiliser la présente invention-pour le microplasmasoudage et le plasmasoudage des éléments et des pièces de précision ayant de petites et moyennes épaisseurs. Pour réduire la colonne de l'arc à action directe utilisé pour le soudage, le rechargement et le coupage ainsi que de l'arc à action indirecte utilisé, en général, pour le brasage et le traitement thermique, on a élaboré toute une multitude de tuyères ayant en majeure partie un canal cylindrique de sortie. Dans les constructions des tuyères destinées au travail par plasma, on prévoit un rapport déterminé du diamètre et de la longueur du canal cylindrique, ce qui est imposé, avant tout, par la nécessité de prévenir la formation d'un arc double. Il existe des tuyères dans lesquelles la cavité intérieure se joignant au canal cylindrique s'élargit brusquement, autrement dit, elle se présente sous forme d'un canal cylindrique mais son diamètre est sensiblement supérieur à celui du canal de travail (voir, par exemple, le Guide "Soudage dans les constructions mécaniques", 1978, v.I., figure 103a). Toutefois, lorsque la cavité intérieure de la tuyère est réalisée selon cette forme, dans certains cas, l'arc auxiliaire (indirect) n'est pas soufflé après son amorçage vers l'extérieur du canal cylindrique. Ceci rend difficile l'amorçage de l'arc de soudage principal. Il vaut mieux utiliser la conception dans laquelle une partie conique convergente de la cavité intérieure de la tuyère est prévue en amont du canal cylindrique de sortie (voir "Influence de la construction de la tuyère d'un chalumeau à plasma et des paramètres du régime sur les dimensions de l'arc" par V.A. Malakhovsky, V.A.Stikhin, A.M.Popkov, revue "Svarochnoe proizvodstvo" n0 7, 1976). A l'aide de cette conception, on obtient aussi bien l'amorçage stable de l'arc à l'intérieur de la tuyère et son soufflage subséquent vers l'extérieur que la stabilité tridimensionnelle du jet de plasma. Cependant, dans la plupart des cas, l'angle au sommet de la partie conique intérieure de la tuyère n'est pas limité et, le plus souvent ,il dépend de l'angle d'affûtage d'un foret par lequel est usinée la cavité intérieure de la tuyère (c'est-à-dire que cet angle est compris habituellement entre 900 et 1200). La longueur et le diamètre du canal cylindrique de sortie sont ses paramètres importants. En règle générale, ils sont approximativement égaux (voir par exemple, "Appareillage à arc plasma" par E.I.Esibyan, 1971). Selon des renseignements récents, en vue d'éviter la formation d'un arc double dans les tuyères dont le diamètre peut atteindre 5 mm à des courants électriques de 300 à 1000 A, on choisit une longueur du canal constituant 90 à 130 % du diamètre de sa sortie (voir, par exemple, recueil ftitogi nauki i tekhniki, série "Soudage" 1980, v.12, p. 55, figure 1). La même proportion, an pourcentage, est également constatée pour les tuyères utilisées pour le microplasmasoudage et le plasmasoudage des métaux de petites et de moyennes épaisseurs. Cependant, les paramètres incertains de la cavité intérieure conique et de la tuyère imposent des frais notables pour la fabrication de la tuyère du fait qu'il existe un grand nombre de dimensions types des tuyères. La tuyère, ayant une cavité intérieure conique dans laquelle l'angle au sommet est de 200 (voir, par exemple, "Soudage à microplasma" par B.E.Paton, 1979, page 155, figure 92), est la plus proche, d'auprès son essentiel technique et son effet positif, de l'invention revendiquée. Ladite cavité conique intérieure de la tuyère se transforme en un canal cylindrique de sortie, dont la longueur est de 0,8 à 1 mm. Toutefois, ces tuyères ne peuvent être utilisées que dans une gamme étroite des régimes de soudage et, pour cette raison, il est nécessaire de fabriquer une tuyère individuelle d'une dimension type pour chacun des régimes. On s'est donc proposé de mettre au point une tuyère pour les chalumeaux à plasma qui assurerait, grâce aux paramètres géométriques choisis de la cavité intérieure de la tuyère, la réduction du nombre de dimensions types des tuyères pour les différents régimes et types du travail par plasma et diminuerait la main d'oeuvre dépensée pour leur fabrication. Le problème posé est résolu à l'aide d'une tuyère pour chalumeaux à plasma pour le travail par plasma, réalisée avec une cavité intérieure conique qui converge dans la direction de la face active de la tuyère et se transforme en canal cylindrique de sortie, caractérisée, selon l'invention, en ce que le sommet géométrique de la cavité intérieure conique est disposé dans le plan de la face active de la tuyère sur l'axe de symétrie du canal cylindrique de sortie. En disposant le sommet géométrique de la cavité intérieure conique dans le plan de la face active de la tuyère sur l'axe de géométrie du canal cylindrique de sortie de la tuyère, on contribue à la réduction du nombre de dimensions types des tuyères et à la diminution de la main d'oeuvre pour la fabrication,conformément aux différentes plages des courants électriques de travail et aux conditions d'utilisation. Il est avantageux que, pour des processus de soudage au microplasma et au plasma, l'angle au sommet du cône de la cavité intérieure conique de la tuyère soit compris entre 400 et 600. En formant l'angle au sommet de la cavité intérieure conique de la tuyère dans les limites entre 400 et 600, on assure l'obtention d'une longueur requise de ce canal égale à la valeur de 0,9 à 1,3 fois le diamètre du canal, quel que soit ce diamètre. On l'obtient grâce aux limites susmentionnées des dimensions et de la dispositon de l'angle du sommet géométrique de la cavité intérieure conique de la tuyère. Dans ce cas, la longueur du canal cylindrique augmente simultanément avec son augmentation de manière que leur rapport soit gardé dans les limites requises. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente, d'une manière schématique, une tuyère réalisée selon l'invention - la figure 2 représente la transformation de la cavité intérieure conique en canal cylindrique de sortie, selon l'invention. La tuyère pour chalumeaux à plasma selon l'invention est exécutée avec une cavité intérieure conique 1 (figure 1) qui se transforme en canal cylindrique de sortie 2 convergeant vers la face active 3 de la tuyère. Le sommet géométrique 4 (figures 1, 2) de la cavité intérieure conique est disposé dans le plan de la face active 3 de la tuyère sur l'axe de symétrie 5 du canal cylindrique de sortie 2. A l'aide de cette conception de la tuyère, on assure la similitude géométrique des canaux cylindriques de sortie quels que soient leurs diamètres. En effet, on suppose que la longueur initiale et le diamètre initial du canal cylindrique de sortie soient égaux à 1 et d o o respectivement et, qu'ils seront ensuite augmentés jusqu'aux valeurs li et d. (figure 2). Il est bien évident i i que les triangles correspondant à ces canaux cylindriques de sortie, dont le sommet est disposé au sommet géométrique 4 de la cavité intérieure conique 1 et placé simultanément dans le plan de la face active 3 de la tuyère et sur l'axe de symétrie 5 du canal cylindrique de sortie 2, qui ont, par couple, comme base et hauteur do, lo et di, lit sont similaires.Il s'ensuit qu'au fur et à mesure (érosion) que le canal cylindrique de sortie 2 de la tuyère s'use régulièrement pendant son fonctionnement, on obtient l'égalité des rapports Cette constance du rapport de la longueur du canal cylindrique de sortie 2 de la tuyère à son diamètre permet, en cas de passage à une grande plage des courants électriques, d'aléser le canal de sortie initial jusqu'à un diamètre désiré. En même temps, on n'a pas besoin de faire appel à un usinage supplémentaire de la cavité intérieure conique î de la tuyère. Autrement dit, il est maintenant possible de produire, à l'aide d'un même outil, une vaste série de tuyères ayant une forme extérieure et une géométrie de la cavité intérieure identiques.La réalisation du canal cylindrique de sortie 2 peut être exécutée comme la dernière opération par forage de l'orifice axial d'un diamètre désiré. On va examiner le fonctionnement de la tuyère proposée. Tout d'abord, le courant de plasma est formé dans la zone où la cavité intérieure conique 1 (figures 1, 2) de la tuyère se transforme en canal cylindrique de sortie 2 où est logée une extrémité pointue d'une électrode non consommable (non représentée sur la figure). Etant donné que la vitesse du courant de plasma croît avec la diminution de la section transversale du canal cylindrique de sortie 2, il se précipite à travers le canal cylindrique de sortie 2, vers l'extérieur, dans la direction de l'article à usiner. Il est possible d'assurer la déroulement normal des processus réalisés à l'arc au plasma à condition que les paramètres du plasma restent constants. Dans la construction revendiquée de la tuyère, la tension du champ électrique du plasma et ses autres paramètres sont gardés à un niveau approximativement identique grâce au rapport constant de la longueur et du diamètre du canal cylindrique de sortie et l'on supprime, de ce fait, l'éventualité de la formation d'un arc double (on suppose que le diamètre du canal cylindrique de sortie 2 de la tuyère correspond à la plage des courants du procédé au plasma). Selon l'invention, pour le travail par le micro plasma et le plasma, l'angle i #au sommet du cône de la cavité intérieure conique 1 de la tuyère est compris entre 40 et 600 (figure 2). Le tableau proposé illustre que ce sont ces valeurs de l'angle OC qui assurent la conservation du rapport de la longueur 1 du canal cylindrique de sortie 2 à son diamètre d dans les limites de 0,9 à 1,3 pour des tuyères dont le diamètre est compris entre 1 et 5 mm sans aucun usinage de la cavité intérieure conique de la tuyère. On a admis que les valeurs de départ du diamètre et de la longueur du canal cylindrique de sortie 2 étaient égales chacune à 1 mm, c'est-à-dire, do=lo = 1 mm. Ces valeurs assurent o le microplasma aux courants de 15 à 18 A. Le tableau fait apparaître que la tuyère revendiquée assure un rapport requis l/d quelle que soit l'augmentation du diamètre "d" du canal cylindrique de sortie de 2 à 5 mm ce qui permet d'utiliser cette tuyère pour le travail par plasma à des courants allant jusqu'à 450 A (en conformité avec les données de l'article "Plasmasoudage" par A.V.Petrov dans le recueil "Itogi nauki i tekhniki", série Soudage", 1980, v. 12). - TABLEAU Rapport l/d d1mm/oC 0 200 300 400 500 600 900 1200 1,2 1,31 1,15 1,07 1,02 0,98 0,92 0,88 1,5 1,62 1,29 1,13 1,03 0,96 0,83 0,76 1,8 1,82 1,39 1,17 1,03 0,94 0,78 0,68 2,0 1,93 1,44 1,19 1,04 0,93 0,75 0,65 2,3 2,04 1,49 1,22 1,04 0,93 0,72 0,60 2,6 2,14 1,54 1,23 1,04 0,92 0,69 0,56 3,0 2,24 1,58 1,25 1,05 0,91 0,67 0,53 3,5 2,32 1,62 1,27 1,05 0,91 0,64 0,49 4,0 2,39 1,65 1,28 1,05 0,90 0,63 0,47 5,0 2,47 1,7 1,3 1,06 0,90 0,60 0,43 Lorsque l'angle aCau sommet de la cavité intérieure conique 1 est égal à 200 (comme dans le cas de l'antériorité la -plus proche), l'augmentation du diamètre du canal cylindrique de sortie 2 à 1,2 mm, 1,5 mm, 1,8 mm, 2,0 mm, 2,3 mm, 2,6 mm, 3,0 mm, 3,5 mm, 4,0 mm et 5,0 mm aboutit à ce que le rapport de la longueur du canal à son diamètre devient égal à 1,31 ; 1,62 ; 1,93 ; 2,04 ; 2,14 2,24 ; 2,32 ; 2,39 ; 2,45, respectivement. Ces valeurs sont notablement inférieures aux valeurs requises (0,9 à 1,3). Lorsqu'on augmente l'angle 4 au sommet du cône de la cavité intérieure conique 1 à 300, le rapport requis ne sera respecté que pour des diamètres du canal cylindrique de sortie 2 d1 = 1,2 mm et d1 = 1,5 mm. Pour les autres diamètres d3 = 1,8 mm, d4= 2,0 mm ... d. = 5 mm, le rapport sera compris entre 1,39 et 1,7, c'est-à-dire que cette valeur est supérieure au rapport désiré. Il s'ensuit qu'il y a une augmentation sensible du canal cylindrique de sortie 2 de la tuyère. On obtient l'effet contraire si les angles au sommet de la cavité conique de la tuyère sont compris entre 900 et 1200. Dans ces cas, les valeurs du rapport entre la longueur du canal cylindrique de sortie 2 et son diamètre diminuent et sont comprises entre 0,83 et 0,43, c'est-à-dire que la longueur du canal 2 diminue au dessous de la norme. Ainsi, des angles au sommet de la cavité intérieure conique de la tuyère inférieurs à 400 et supérieurs à 600 ne satisfont pas à la condition de la conservation du rapport requis de la longueur du canal cylindrique de sortie 2 à son diamètre qui doit être compris entre 0,9 et 1,3 dans toute la plage des diamètres du canal. C'est seulement dans le cas où les valeurs de l'angle ~C sont comprises entre 40 et 600 que la longueur du canal cylindrique de sortie de la tuyère et son rapport au diamètre satisfont dans tous les cas aux exigences imposées. Il s'ensuit que,lorsque l'angle Oc est compris entre 400 et 600, il est possible de fabriquer une multitude de tuyères d'une même dimension type (par exemple des tuyères dans lesquelles do = 1 = 1 mm) et, ensuite, o en faisant appel à une opération simple, un alésage du canal cylindrique de sortie 2, d'obtenir une tuyère d'une autre dimension type Jusqu'à un diamètre de 5,00 mm du canal. Il est évident que le diamètre maximal possible du canal cylindrique de sortie 2 est déterminé par les dimensions de la cavité intérieure conique 1 de la tuyère. Les faits susmentionnés ont fait apparaître que la tuyère revendiquée possédait les avantages suivants l'uniformité des outils de travail, la réduction du temps nécessaire à sa fabrication ainsi que de la main d'oeuvre, l'augmentation de sa durée de vie et l'amélioration de la qualité du soudage. En règle générale, un chalumeau utilisé intensivement pendant une année nécessite, pour son travail, trois lots de tuyères comprenant, chacun, 5 à 6 dimensions types. La tuyère revendiquée permet d'utiliser une seule dimension type (le diamètre requis est obtenu, dans ce cas, par un simple alésage du canal cylindrique), ce qui permet de réduire sensiblement les frais pour le tournage d'un seul chalumeau. Si l'on fabrique la tuyère revendiquée par moulage de précision, pressage ou estampage avec alésage d'un seul canal de sortie, l'effet économique croît davantage. L'invention revendiquée permet d'obtenir un effet économique encore plus important si l'on utilise des tuyères fabriquées avec un petit diamètre du canalcylindrique de sortie après alésage du canal pour les régimes les plus élevés de travail au plasma,donc pour le soudage, le coupage, le rechargement, le rabotage etc. En outre, cette tuyère assure une augmentation de la stabilité de l'amorçage de l'arc au plasma. Cet avantage est dû à ce que, lorsque l'angle Oc au sommet du cône de la cavité intérieure conique de la tuyère est compris entre 400 et 600, les dimensions de la surface sont optimales. Lorsque l'angles est égal ou inférieur à 30 , les dimensions de la cavité croissent sensiblement, ce qui nuit au soufflage du plasma vers l'extérieur de la tuyère. Si l'angle ouest égal ou supérieur à 900 à 1200, la stabilité de l'amorçage de l'arc au plasma à l'intérieur de la tuyère se trouve compromise du fait que la surface de la cavité intérieure diminue sensiblement. REVENDICATIONS 1. Tuyère pour chalumeaux à plasma présentant une cavité intérieure conique convergeant dans la direction de la face active de la tuyère et se transformant en un canal de sortie (2), caractérisée en ce que le sommet géométrique (4) de la cavité intérieure conique (1) est disposé dans le plan de la face active (3) de la tuyère sur l'axe de symétrie (5) du canal cylindrique de sortie (2). 2. Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle (ot) au sommet du cône de la cavité intérieure conique (1) est compris entre 40 et 600.