Brevet FR2614167A1 — publié le 19881021

La présente invention concerne le domaine du travail des matériaux à l'arc au plasma serré et a notamment pour objet un chalumeau au plasma pour travailler des matériaux. Le chalumeau faisant l'objet de l'invention peut être utilisé pour le microplasmasoudage, pour le plasma- soudage et pour le coupage. En outre, il peut être utilisé pour le réchauffage superficiel et le traitement thermique des métaux et des alliages. Dans 'certains cas, on peut l'utiliser pour le brasage à haute température et pour le soudage à l'arc sous argon. La nomenclature des articles pour la fabrication et le traitement desquels le chalumeau selon l'invention peut être utilisé est très vaste. Ces articles peuvent être de configuration compliquée de divers poids et dimensions, - l'épaisseur de leurs parois peut varier de dizièmes de millimètre jusqu'à 3 à 10 mm. De ce fait, le chalumeau faisant l'objet de l'invention peut être utilisé pour le traitement de pièces et ensembles dans des constructions mécaniques de précision, dans la construction des appareils de contrôle et de mesuré, dans les industries radioélec- tronique et chimique, l'industrie de construction des véhicules automobiles et des tracteurs etc. La plupart des chalumeaux utilisés pour le plamasou- dage o l'on prévoit l'utilisation d'un arc principal et d'un arc auxiliaire (de service) comportent, en règle générale, les éléments suivants, à savoir: un corps extérieur isolant, un corps intérieur refroidi à l'air avec une tuyère formant le plasma et une tuyère servant à amener le gaz.de protection, un ensemble d'électrode électriquement isolé à l'aide d'un tube céramique, pourvu d'une douille de serrage de l'électrode non consommable. En plus,. les chalumeaux connus comportent des conducteurs d'amenée du courant électrique et des canalisa- tions pour l'amenée du gaz de plasma et du gaz de protection, de l'eau de refroidissement, une poignée et un dispositif de branchement du courant de soudage (voir, par exemple, brevet d'invention des Etats-Unis d'Amérique nO 3632961, publié le 4 Janvier 1972). L'inconvénient propre à tous les chalumeaux connus réside dans le refroidissement insuffisant de l'électrode non consommable. Le refroidissement est habituellement réalisé suivant deux voies: la première constituée par l'électrode, la douille de serrage, le tube céramique et la partie formant la tuyère du corps refroidi à l'eau oubien la seconde voie, constituéepar l'électrode, la douille de serrage, le dispositif de réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille et la partie arrière du corps refroidi à eau. Il convient de'noter que le dispositif de réglage de l'effort de serrage comporte ordinairement un écrou vissé sur la queue de la douille de serrage, et un ressort, disposé entre l'écrou et la face en bout du tube céramique, ayant une surface intérieure conique et coopérant avec l'élément à ressort. La première voie est plus courte mais sa résistance thermique est grande du fait que la conductivité thermique du tube céramique est très faible, d'o une baisse de l'efficacité de la transmission de la chaleur suivant la génératrice de la douille de serrage et de la surface extérieure du tube céramique. La seconde voie est longue (la longueur de la douille de serrage dépasse le diamètre extérieur de dizaines de fois). Du fait que la section transversale de la douille de serrage est petite, la transmission de la chaleur le long de cette dernière est également peu efficace. Dans ce cas-là, au passage de la douille de serrage vers l'élément sollicitant son déplacement, il y a un faible contact glissant. Il s'ensuit que le refroidissement de la douille de serrage suivant la seconde voie est également insuffisant. Le courant de gaz de plasma assure, dans une certaine mesure, le refroidissement de l'électrode non consommable. Cependant, ce refroidissement ne constitue qu'un faible pourcentage en comparaison avec le cas décrit ci-dessus, c'est-à-dire que ce refroidissement est également insuffisant. L'évacuation de la chaleur de l'électrode dépend, elle aussi, de l'effort de serrage de la douille de serrage. Du fait que l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille de serrage, est crée entre la face en bout du tube céramique et l'écrou, il semble que ledit ressort entraîne la douille de serrage vers l'intérieur du tube céramique ayant une partie conique qui vient en coopé- ration avec la surface conique de l'extrémité pourvue du ressort de la douille de serrage. Le desserrage de la douille, réalisé en vue de libérer l'électrode, se fait d'une main, appuyée sur la queue de la douille après le démontage partiel du chalumeau, pour surmonter la résistance dudit ressort. Il est bien naturel qu'un tel ressort doit être suffisamment souple, mais ceci ne peut assurer un serrage fiable de l'électrode dans la douille de serrage. Il en résulte que l'évacuation de la chaleau de l'électrode vers la douille de serrage n'est pas suffisamment fiable. De plus, pour réaliser les régl:e:s susmentionnés, ili est nécessaire de démonter et de remonter partiellement le chalumeau, ce qui conduit à des dépenses supplémentaires de temps-et impose d'arrêter le processus de soudage. En règle générale, pour travailler les articles au moyen du chalumeau connu, on se sert de l'arc principal de petite puissance. Ceci réduit les possibilités du plasma comme outil compact et mobile pour le réchauffement super- ficiel, pour la fusion des additions non métalliques (par exemple, du verre), pour le traitement thermique et pour le brasage à haute température. En même temps, par suite du réchauffement intense du bout de travail de l'électrode consommable en tungstène, l'électrode se voit prématurément fondre, et elle perd sa forme conique et sa capacité d'émission. En conséquence des difficultés se posent au moment o l'on effectue des amorçages réitératifs de l'arc et à une varia- tion de la valeur d'enfoncement de l'électrode à l'intérieur de la tuyère de plasma, qui est un paramètre important du plasmasoudage. Le caractère instable de la position de l'électrode par rapport à la tuyère de plasma et l'impossibilité de son contrôle conduisent, en cas d'utilisation des chalumeaux de conception connue, à une réduction de la stabilité et de la qualité du soudage. On connaît également un chalumeau (voir, par exemple, demande acceptée du Japon n'o 47-41657) qui comporte une électrode non consommable, une tuyère interchangeable, un corps refroidi à l'eau et un orifice circulaire pour l'amenée du gaz de protection. La tuyère formant le plasma est disposée dans l'endroit de l'assemblage du corps qui est constitué par des pièces rigidement liées entre elles. La fixation de l'électrode, pourvue d'une longue console, se fait moyennant une douille de serrage sur le bout arrière de laquelle agit un système à vis - écrou qui pousse la douille de serrage dans le tube céramique dont la surface intérieure est conique. Une telle conception assure un serrage plus sOr de l'électrode non consommable, cependant, son refroidissement à des courants dépassant 40 à 60 A est également difficile car il se fait par l'intermédiaire d'un tube céramique, qui est un bon isolant thermique, et d'une longue et fine douille de serrage, ayant de ce fait, des possibilités limitées quant à la transmission de chaleau. En outre, ce chalumeau n'est pas équipé d'éléments pour le contrôle visuel du remplacement de l'électrode, c'est pourquoi, au fur et à mesure que l'électrode s'use, on doit arrêter le soudage et démonter le chalumeau pour changer la position de l'électrode. On s'est donc proposé de mettre au point un chalumeau au plasma pour travailler des matériaux, dans lequel la conception de l'ensemble d'électrode permettrait d'assurer le refroidissement sOr de l'électrode et le réglage de sa position sans démonter le corps du chalumeau, ce qui permettrait d'élever la puissance, la fiabilité, d'augmenter la longévité du chalumeau et d'en assurer P utilisation aisée. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un chalumeau au plasma pour travailler des matériaux comportant un corps extérieur isolant dans lequel sont disposés un - corps intérieur refroidi à l'eau sur lequel est fixée une tuyère amenant le gaz de protection et une tuyère formant le plasma, un ensemble d'électrode avec une douille de serrage de l'électrode non consommable et un tube non- conducteur séparant l'ensemble d'électrode du corps inté- rieur, et un dispositif de réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille de serrage, caractérisé, selon l'invention, en ce que l'ensemble d'électrode est monté dans le tube non-conducteur de manière à pouvoir effectuer un déplacement d'ajustage le long de l'axe du chalumeau en cas d'usure de l'électrode, et en ce que la douille de serrage est ourvue d'une queue o sont pratiquées des canalisations de refroidissement et est montée dans un tube métallique, ayant une surface intérieure conique sur un bout qui vient en coopération avec l'élément à ressort de la douille de serrage, tandis que sur l'autre bout du tube sont disposés les dispositifs destinés au réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort et du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeau respectivement en cas d'usure de l'électrode, lesdits dispositifs de réglage étant partiellement dégagés au-delà de la surface du corps extérieur à travers les rainures qui y sont pratiquées. La disposition de l'ensemble d'électrode dans un tube non-conducteur avec possibilité de déplacement de positionnement le long de l'axe du chalumeau en cas d'usure de l'électrode assure la réalisation d'un régime de soudage grâce à la disposition réglable et contrôlable d'une électrode non consommable par rapport à la tuyère formant le plasma, même pendant le soudage. En réalisant les canalisations de refroidissement dans la queue de la douille de serrage, on assure un refroidissement efficace de l'électrode non consommable, ce qui améliore la stabilité du processus de soudage et la qualité de joints soudés, y compris des joints très longs, dont la réalisation posait beaucoup de problèmes à cause de la surchauffe de l'électrode non consommable, de son usure accélérée et de l'impossibilité de corriger sa position par rapport à la tuyère de plasma sans arrêter le processus de soudage. En montrant la douille de serrage dans un tube métallique dont un bout possède une surface intérieure conique coopérant avec l'élément à ressort de la douille de serrage, cela contribue à une fixation fiable de l'électrode non consommable dans ladite douille grâce à l'application d'efforts plus considérables au système "élément métallique à ressort et tube métallique" et grâce à la réduction de la charge mécanique qu'on impose au tube non-conducteur. Le tube métallique et le tube nonconducteur sont soumis à un refroidissement efficace eux aussi, en même temps que la douille de serrage. Ceci augmente la longévité du tube non- conducteur. De ce fait, dans la plupart des cas, il est possible de réaliser le tube non-conducteur à partir de matériaux plus accessibles et faciles à usiner (du type des résines époxydes et des matières plastiques) que la céramique difficilement fusible. En disposant, sur l'autre bout, le tube métallique susmentionné des dispositifs réalisant le réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille de serrage et le réglage du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeau lors de l'usure de l'électrode respectivement, lesdits dispositifs -de réglage étant partiellement dégagés au-delà de la surface du corps extérieur à travers les rainures qui sont pratiquées, on assure la fixation aisée de l'électrode et le réglage facile de sa position par rapport à la tuyère de plasma sans démonter le chalumeau. - Il serait avantageux que les dispositifs effectuant le réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille et le réglage du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeau lors de l'usure de l'électrode, respectivement, soient réalisés en forme des tambours en matières isolantes vissés sur le tube métallique de façon que le tambour qui assure le réglage de l'effort de serrage soit lié par l'intermédiaire d'une saillie circulaire à la queue de la douille de serrage et puisse se déplacer le long de la rainure du corps extérieur, tandis que le tambour qui assure le réglage du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode serait pourvu d'éléments de contrôle visuel sur 1l surface latérale et de limiteurs de son déplacement le long de l'axe du chalumeau en contact avec les faces en bout du tambour; dans ce cas le tube métallique est muni d'un élément de blocage qui l'empêche de tourner et qui se dégage à travers une fente pratiquée dans le corps extérieur le long de laquelle est disposée une échelle de lecture. - Ce mode de réalisation des dispositifs susmentionnés assure la création d'un chalumeau compact, la sécurité de son entretien et crée un simple schéma cinématique des moyens de fixation et de réglage de la position de l'électrode non consommable. On obtient simultanément une commande simple pour régler le chalumeau grâce aux éléments de contrôle visuel. La douille de serrage peut se composer, suivant sa longueur, de plusieurs pièces, ce qui facilite la technologie de sa fabrication et offre la possibilité de remplacement de son élément à ressort au fur et à mesure de sa détérioration et s'il y a une nécessité de changer le diamètre d'une électrode non consommable. Il est avantageux de mettre en communication les canalisations de refroidissement de la queue de la douille de serrage avec le système de refroidissement du corps intérieur, ce qui permet de contrôler mieux l'amenée et l'évacuation d'eau depuis le chalumeau et garantit le main- lO tien d'un régime thermique constant. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de sa réalisation donné à titre d'exemple non'limitatif, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue longitudinale du chalumeau à travailler des matériaux au plasma, selon l'invention; - la figure 2 est une vue de côté du chalumeau à travailler des matériaux au plasma, selon l'invention; et - la figure 3 représente une vue de dessus du chalumeau à travailler des matériaux au plasma, selon l'invention. Le chalumeau à travailler des matériaux au plasma comporte un corps extérieur isolant I (figure 1) composé de deux moitiés reliées entre elles, par exemple, au moyen de vis. Dans le corps 1 est disposé un corps intérieur 2 refroidi à l'eau sur lequel est montée une tuyère 3 formant le plasma. Le corps 2 est pourvu d'une tige 4, le réunissant au corps 1, et possède un système de refroidissement, formé par des canalisations 5 pour l'eau de refroidissement, et des canalisations 6 pour le gaz de protection. Une tuyère 7 servant à amener le gaz de protection est fixée à la partie avant du corps 2. Une canalisation axiale est réalisée dans le corps 2, dans lequel est disposé un ensemble d'électrode qui est séparé du corps 2 par un tube nonconducteur 8, p'ar exemple, en céramique. L'ensemble d'électrode comporte une douille de serrage constituée par un élément à ressort 9 et une queue , reliés entre eux, par exemple, au moyen d'un filetage, par un tube métallique Il dans lequel est disposée la douille de serrage, une électrode non consommable 12 se trouvant dans la douille de serrage. Des canalisations de refroidissement 13 sont pratiquées dans la queue de la douille de serrage et sont misesen communication avec les canalisa- tions 5 du système de refroidissement du corps intérieur 2. L'ensemble d'électrode est monté dans un tube non- conducteur 8 et a la possibilité d'effectuer un déplacement d'ajustage le long de l'axe du chalumeau en cas d'usure de l'électrode 12. Une surface conique intérieure 14 est prévue sur un bout du tube métallique 11 et vient en coopération avec une surface conique correspondante 15 de l'élément à ressort 9 de la douille de serrage. L'autre bout du tube métallique 11 est fileté et porte un dispositif de réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort 9 et un dispositif de réglage du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeaulors de l'usure de l'électrode 12. Ces dispositifs sont réalisés en forme de tambours 16 et 17, respectivement, qui se dégagent partielle- ment au-delà du corps extérieur 1 (figure 2) à travers des rainures 18 et 19 qui y sont respectivement formées. Les tambours 16 et 17 sont taraudés et vissés sur le bout fileté du tube métallique 11. Les tambours peuvent alors être réalisés en une matière isolante ou pourvus d'un revêtement isolant 20. La longueur de la rainure 19 pour le tambour 17 correspond à la longueur de ce tambour suivant sa généra- trice. En conséquence, les parois 21 de la rainure servent de limiteurs pour le déplacement du tambour 17 le long de l'axe du chalumeau et se trouvent en contact permanent avec les abouts dudit tambour. Cela permet, lorsqu'on fait tourner le tambour 17, de déplacer le tube métallique 11 conjointe- ment avec la douille de serrage et l'électrode non consom- mable 12 disposées dans ledit tube, c'est-à-dire que tout l'ensemble d'électrode peut se déplacer le long de l'axe du chalumeau. La longueur de la rainure 18 est supérieure à celle du tambour 16 suivant la génératrice, ce qui permet audit tambour 16 de se déplacer le long de l'axe du chalumeau de concert avec le tube métallique 11. Le tambour 16 est muni d'une saillie circulaire 22 qui entre dans une rainure correspondante 23 réalisée dans la queue 10 de la douille de serrage ce qui permet, lorsqu'on fait tourner le tambour, d'effectuer le réglage de. l'effort de serrage de l'élément à ressort de la douille de serrage. Le tube métallique 11 est pourvu d'un élément 24, par exemple, d'une tige se dégageant à travers la fente longitudinale 25, faite dans le corps extérieur, et assurant ainsi le blocage du tube en lui interdisant de tourner. Des éléments de contrôle visuel réalisés, par exemple, en forme d'échelles de mesure en mm 26 et 27, sont prévus sur la surface du tambour 17 (figures 2 et 3) et sur la surface du corps extérieur 1, respectivement, le long de la fente 25. L'élément 24 dépassant joue le rôle de l'aiguille pour l'échelle 27 de la fente 25. Quant à l'échelle 26, le début de la lecture se trouve sr le corps 1 et est désigné par la flèche A. Il convient de noter que l'échelle 27 sert à marquer des déplacements approxi- matifs de l'ensemble d'électrode tandis que le réglage précis est à marquer à l'aide l'échelle 26. La queue 10 de la douille de serrage, outre la canalisation 13 pour l'eau de refroidissement,comporte une canalisation centrale 28 servant à recevoir l'électrode non consommable 12 et à amener le gaz de plasma. li La douille de serrage composite, le tube métallique li et le tambour lié à la queue 10 forment un dispositif de serrage d'un type à poussoir. Des conducteurs flexibles d'amenée de courant 29 et 30 se trouvent dans le corps I du chalumeau o il y a aussi des canalisations d'amenée du gaz de plasma et du gaz de protection, une conduite 31 d'amenée d'eau de refroidisse- ment, une poignée 32, un dispositif d'amorçage connu, pour mettre le chalumeau en fonctionnement (non-montré sur les figures), des éléments de fixation 33 et 34 pour la fixation du conducteur d'amenée du courant 29 sur la queue 10 et un bouchon 35 obturant la canalisation 28 de la queue 10. Le chalumeau au plasma pour travailler des matériaux exécuté selon la présente invention fonctionne de la manière suivante. En se servant du tambour 17 (figures 1, 2) on met l'ensemble d'électrode en position "zéro", c'est-à-dire que l'on positionne la tige 24 sur "zéro" (figure 3) et le zéro de l'échelle du tambour 17 (figure 3) coincide alors avec le début de la lecture. A travers la canalisation 28 de la douille de serrage, le bouchon. 35 étant enlevé (figure 1), le bout bien aiguisé de l'électrode non consommable 12 coopère avec le bout de la tuyère formant le plasma 3. En faisant tourner le tambour 16, on serre l'électrode dans la douille de serrage. En faisant tourner le tambour 17 on fait se déplacer, le long de l'axe longitudinal du chalumeau, l'ensemble d'électrode avec l'électrode 12 serrée dans la'douille de serrage. A ce moment, le bout de travail de l'électrode 12 se met, par rapport au bout de la tuyère 3, en une position imposée dans la technologie. Le contrôle du déplacement de l'électrode 12 durant le réglage se fait d'après l'échelle prévue sur le tambour 17 et le corps 1. L'eau de refroidissement est amenée dans la canali- sation 5 du corps 2, d'o, par l'intermédiaire de la conduite 31, elle arrive à la canalisation 13 de la queue de la douille de serrage et ensuite on l'évacue. La circulation de l'eau qui refroidit la douille de serrage se produit à proximité immédiate de l'endroit o l'élément à ressort 9 de la douille de serrage vient en contact avec l'électrode 12, ce qui augmente considérable- ment l'évacuation de la chaleur de l'électrode et offre la possibilité d'élever la puissance du chalumeau de prolonger la durée de service et de rendre son fonctionnement plus fiable. Le courant de soudage est amené vers l'ensemble d'électrode moyennant le conducteur flexible d'amenée de courant 29. Le courant de l'arc auxiliaire est amené vers le corps 2 au moyen du conducteur flexible 30 d'amenée de courant. Le gaz de plasma est amené à la canalisation centrale 28 de la douille de serrage, le gaz de protection est amené à la canalisation 6 du corps 2 d'o il arrive à l'intérieur de la tuyère de gaz de protection 7 pour arriver ensuite dans la zone de soudage. Ainsi le chalumeau destiné au travail des matériaux au plasma, faisant l'objet de l'invention, permet de réaliser le travail au plasma en se servant des courants à partir des unités de l'ordre de l'ampère jusqu'à 150 ampères. Ses cotes d'encombrement et son poids sont relativement faibles. Gr ce aux avantages décrits,le. chalumeau à traiter des matériaux au plasma selon l'invention trouvera une large utilisation dans le microplasmasoudage et dans le plasmasoudage. - REVENDICATIONS - 1. Chalumeau à travailler des matériaux au plasma comportant un corps extérieur isolant dans lequel est disposé un corps intérieur refroidi par l'eau qui porte une tuyère d'amenée de gaz de protection et une tuyère formant le plasma, un ensemble d'électrode avec une douille de serrage formé d'une électrode non consommable et un tube non-conducteur qui sépare l'ensemble d'électrode et le corps intérieur, et un dispositif de réglage de l'effort de serrage d'un élément à ressort de la douille de serrage, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrode est disposé dans un tube non-conducteur (8) et a la possibilité d'effec- tuer un déplacement d'ajustage le long de l'axe du chalumeau en cas d'usure de l'électrode (12), en ce que la douille de serrage possède une queue (10) dans laquelle sont pratiquées des canalisations (13) de refroidissement et elle est placée dans ur tube métallique (11) ayant, sur un bout, une surface cc-ique intérieure (14), coopérant avec l'élément à ressort (9) de la douille de serrage, et en ce que sur l'autre bout, sont disposés, respectivement, les dispositifs servant à régler l'effort de serrage de l'élément à ressort (9) et le déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeau en cas d'usure de l'électrode (12), qui sont partiellement dégagés au-delà de la surface du corps extérieur (1) moyennant des rainures (18 et 19) qui y sont pratiquées.- 2. Chalumeau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs de réglage de l'effort de serrage de l'élément à ressort (9) de la douille de serrage et de réglage du déplacement d'ajustage de l'ensemble d'électrode le long de l'axe du chalumeau lors de l'usure de l'électrode (12) sont en forme de tambours (16 et 17), respectivement, vissés sur le tube métallique (11) et faits en matières isolantes, en ce que le tambour (16) est lié à la queue (10) de la douille de serrage moyennant une saillie circulaire (22) et peut se déplacer le long de la rainure (19) du corps extérieur (1), tandis que le tambour (17) est pourvu d'éléments de contrôle visuel sur la surface latérale et de limiteurs de son déplacement le long de l'axe du chalumeau, qui viennent en contact avec les bouts du tambour (17), le tube métallique (11) étant doté d'un élément (24) assurant le blocage dudit tube, en lui interdi- sent de tourner, et sortant à travers une fente longitudi- nale (25), pratiquée dans le corps extérieur, le long de laquelle se trouve disposée une échelle de lecture. 3. Chalumeau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la douille de serrage est constituée suivant sa longueur de plusieurs pièces, c'està-dire qu'elle est composée. 4.' Chalumeau selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les canalisations de refroidissement (13) de la queue (10) de la douille de serrage sont mises en communication avec le système de refroidissement du corps intérieur (2).