Brevet FR2658378A1 — publié le 19910816

- CHALUMEAU A PLASMA ROTATIF La présente invention se rapporte à des perfec- tionnements apportés à des sources thermiques pour la fusion à températures élevées de métaux et autres maté- riaux et, plus particulièrement, à un chalumeau ou tor- che à plasma perfectionné. Dans le domaine des systèmes de fusion de pro- duits non consommables pour la fusion de divers maté- riaux et également dans les applications thermiques, le chalumeau à plasma se voit accorder la préférence dans de nombreuses applications spéciales o l'on est con- fronté à des températures relativement élevées et o des systèmes de chauffage souples sont requis Parmi ces ap- plications, on peut citer la fusion des métaux, la pro- duction des poudres, l'incinération des déchets et de nombreuses autres applications nécessitant une tempé- rature élevée et une source de chaleur électrique non polluante. Le chalumeau à plasma est également considéré comme étant une source de chaleur souhaitable en raison des arcs relativement longs qu'il peut produire par rap- port aux autres systèmes de formation d'arcs considéra- blement plus courts Les arcs plus courts de ces autres systèmes ne présentent pas d'intérêt pour de nombreuses applications et ils n'ont pas la précision ou les apti- tudes directionnelles caractéristiques des conceptions de chalumeaux à plasma plus perfectionnés. Un inconvénient principal du chalumeau au jet de plasma avec arc transféré est le problème de la double formation d'arc lorsque la buse du chalumeau heurte un objet à la masse, provoquant un arc depuis la buse jus- qu'à l'objet Ce type d'arc peut provoquer des dégâts importants à la buse, voire une destruction complète de celle-ci lorsque la formation d'arc se prolonge Il 2 - existe par conséquent un besoin pour une conception per- fectionnée de chalumeau à plasma permettant d'éviter le problème de la double formation d'arc mentionnée ci-des- sus. La présente invention fournit un chalumeau ou torche à plasma perfectionné de conception robuste, fa- cile à mettre en action et avec lequel il n'est plus besoin de prévoir des isolateurs fragiles et éventuelle- ment polluants en métal à partir de l'extrémité infé- rieure du chalumeau à plasma. Pour empêcher la double formation d'arc et sup- primer les isolateurs onéreux au niveau de la buse, l'électrode et la buse du chalumeau à plasma d'un pre- mier mode de réalisation selon la présente invention sont mises conjointement en rotation à une vitesse se situant dans la plage de O à 400 tours/minute Bien que des vitesses plus élevées puissent être atteintes, elles ne sont normalement pas nécessaires car elles exige- raient une source de puissance d'entraînement plus éle- vée et occasionneraient une usure plus importante au niveau des paliers, des bagues collectrices, des joints rotatifs hydrauliques et autres pièces en mouvement. Dans un second mode de réalisation de l'invention, l'en- semble de buses est mis en rotation par rapport à l'électrode qui est normalement fixe L'électrode et la buse peuvent également être mises en rotation dans des sens opposés. Lorsque l'ensemble de la buses est mis en rota- tion, le temps d'arcs résidant au moment de la formation d'arc devra être de courte durée pour empêcher que la rotation rapide de la buse n'entraîne d'importantes dé- tériorations sur celle-ci Ce principe est celui de la Rototrode (électrode rotative non consommable) qui per- met la fusion d'un grand nombre de matériaux conducteurs différents. Un autre avantage du chalumeau à plasma rotatif 3 - selon la présente invention est la simplicité des opéra- tions de mise en route du chalumeau lorsque l'on n'est pas en mesure de déterminer visuellement l'emplacement ou la position du métal à fusionner La buse rotative peut être avancée et au cas o elle heurterait un obstacle imprévu, le risque de détérioration au niveau de la buse ou de l'électrode extérieure sera fortement réduit et dans la plupart des cas supprimé. L'entraînement rotatif de la buse du chalumeau à plasma selon la présente invention permet également d'améliorer les opérations de mise en route du chalumeau à l'aide d'un arc pilote, étant donné que l'arc transfé- ré depuis la buse jusqu'à la pièce à usiner sera trans- féré depuis l'électrode du chalumeau à plasma à la pièce à usiner lorsque le chalumeau est retiré ou lorsqu'il est déplacé pour éviter la double formation d'arc. Le principal but de la présente invention est de créer un chalumeau à plasma perfectionné doté d'une buse rotative évitant la double formation d'arc lorsque la buse d'un chalumeau heurte un objet à la masse, provo- quant un arc depuis la buse jusqu'à l'objet. D'autres buts de la présente invention découle- ront à la lecture de la description suivante, avec réfé- rence au dessin d'accompagnement illustrant des modes de réalisation de l'invention: la figure 1 est une vue schématique d'un cha- lumeau à plasma rotatif selon la présente invention, le chalumeau servant ici à chauffer une pièce à usiner dans un récipient ouvert; la figure 2 est une vue schématique d'un se- cond mode de réalisation du chalumeau à plasma selon la présente invention montrant une électrode sur laquelle doit êtr montée de façon rotative une buse rotative; la figure 3 est une vue partielle agrandie du mode de montage de façon rotative de l'électrode à l'in- térieur d'un arbre creux; et 4 - la figure 4 est une vue agrandie partielle montrant une buse rotative sur l'extrémité inférieure d'une électrode fixe. La figure 1 montre le premier mode de réalisa- tion du chalumeau ou torche à plasma selon la présente invention, désigné de façon générale par la référence numérique 10 Le chalumeau à plasma 10 est accouplé à un support fixe 12, comme par exemple un mandrin fixe non rotatif Le chalumeau à plasma comporte une électrode creuse 13 à l'intérieur d'un arbre creux 15 Un ensemble de buse 14 est situé à l'extrémité normalement la plus basse de l'électrode 13, et un tube 66 est prévu à l'ex- trémité supérieure de l'électrode pour diriger un jet de plasma dans et à travers l'électrode et la buse de sorte que le plasma sort de la buse sous forme d'un jet 16 sur une pièce à usiner 18 comme par exemple une masse d'un métal à fusionner La pièce à usiner est placée à l'in- térieur d'un récipient 20 dont la partie supérieure 22 est ouverte afin de recevoir partiellement la buse 14 et permettre au jet de plasma 16 d'être dirigé sur la pièce à usiner comme cela est montré à la figure 1. L'arbre 15 est normalement vertical et comporte une extrémité inférieure sur laquelle est montée la buse 14 L'arbre 15 est logé de façon rotative à l'intérieur d'une gaine 26 raccordée de façon rigide au support 12. Un palier inférieur isolé 30 et un joint d'étanchéité rotatif isolé 32 sont montés à l'intérieur de la gaine 26 pour le montage de l'arbre 15 dans la gaine pour per- mettre la rotation de celui-ci autour de l'axe géométri- que central 32 de l'arbre 15. Un "joint" rotatif hydraulique 34 est accouplé à l'arbre 15 au-dessus de l'extrémité supérieure de la gaine 26 Le joint rotatif hydraulique 34 comporte une admission d'eau 36 et une sortie d'eau 38 et il sert à diriger l'eau à travers l'arbre 15 pour le refroidisse- ment. - Une bague collectrice 40 est montée sur le joint rotatif 34 et comporte un balai rotatif 42 Une poulie 43 est montée de façon rotative sur l'arbre 15, et une courroie flexible sans fin 44 relie la poulie 42 à une seconde poulie 46 sur l'arbre d'entraînement 48 d'un réducteur 50 accouplé à un moteur d' entraînement 52 Le réducteur 50 est monté sur une plaque de support 54 s 'étendant latéralement à partir de et fixée sur l'ex- trémité supérieure de la gaine 26. Un second "joint" hydraulique 56 est monté sur l'extrémité supérieure de l'arbre 15 et comporte une admission de fluide 58 et une sortie de fluide 60 et sert à diriger de 1 eau à l'intérieur de et à l'exté- rieur de l'arbre 15 pour le refroidissement Une bague collectrice 62 est montée sur l'extrémité supérieure du joint 56 et comporte un balai 64 Le tube 66 dirige le gaz de plasma dans l'extrémité supérieure de l'électrode creuse 13 pour le passage à travers l'électrode vers l'extrémité de sortie de la buse 14. L'alimentation en puissance électrique 68 est montée de façon contiguë au chalumeau à plasma 10 et comporte une borne positive 70 et une borne négative 72. La borne négative 72 est mise à la terre et possède le même potentiel que la pièce à usiner 18 montrée à la fi- gure 1 Un premier conducteur 74 relie la borne 70 au balai 64 Une paire de seconds conducteurs 76 et 78 pa- rallèles entre eux relient la borne 72 au balai 42 Les conducteurs 76 et 78 comportent des commutateurs res- pectifs en série avec les conducteurs Le conducteur 78 est muni d'une résistance 80 qui limite le flux de cou- rant en provenance de l'alimentation en puissance élec- trique 68 vers le balai 42. En le fonctionnement, l'alimentation en puis- sance électrique 68 est reliée aux balais 42 et 64 com- me cela est montré à la figure 1, la borne 72 de l'ali- mentation en puissance électrique étant reliée au 6 - conducteur 76 ou au conducteur 78 en fonction de la position des commutateurs associés aux conducteurs 76 et 78 et en fonction de la nécessité de disposer d'un arc pilote au niveau de la buse 14 Le moteur 52 est alors mis sous tension lorsque le gaz de plasma est dirigé dans et à travers le tube 66 pour le passage à travers l'électrode 13 vers la buse 14 Lorsque le moteur est mis sous tension, l'arbre 15 tourne à une vitesse située dans la plage de O à 400 tours/minute ou supérieure, faisant ainsi tourner l'électrode 13 et la buse 14 par rapport au support 12 Un jet de plasma ionisé 16 est formé par l'action de l'arc pilote et le jet 16 traverse alors la buse et atteint la pièce à usiner 18 à une tem- pérature suffisante pour la mettre en fusion. Bien que la description ci-dessus concerne la rotation spécifique conjointe de la buse du chalumeau à plasma et de l'électrode, il peut dans certains cas s'avérer souhaitable de construire le chalumeau de ma- nière à permettre à la buse de tourner par rapport à l'électrode, pour les raisons mentionnées précédemment. Dans certains cas, il pourrait s'avérer avantageux que l'électrode et l'ensemble injecteur de gaz soient main- tenus dans une position fixe ou en mode non rotatif dans l'ensemble de buse en rotation L'avantage de cette con- figuration est que l'arc pilote se déplacera physique- ment par rapport au diamètre intérieur de l'ensemble de buse Cet agencement supprime la nécessité d'un joint hydraulique rotatif à double passage et également d'un joint de gaz de plasma rotatif Dans de nombreux cas, ceci constituera une caractéristique très avantageuse. Les figures 3 et 4 montrent, au sens large, le chalumeau à plasma 80 dans lequel l'électrode est fixe et l'ensemble de buse tourne par rapport à l'extrémité inférieure de l'électrode. 7 - L'électrode est désignée par la référence numé- rique 82 et elle est montée de façon rotative sur l'en- semble de buse 84 pour sa rotation autour de l'axe lon- gitudinal 83 de l'ensemble de buse 14 Les paliers 85 sont prévus pour le montage de la portion de type arbre 86 de l'ensemble de buse 84 sur l'électrode 82 Un an- neau injecteur de gaz 87 est monté sur l'extrémité infé- rieure de l'électrode fixe et il est positionné de façon à diriger le gaz de plasma dans l'ouverture de buse 88 de la buse 84. Une gaine d'isolation 89 est située entre l'électrode 82 et l'ensemble d'électrode 84 Un isola- teur 90 est prévu entre la gaine d'isolateur 89 et la portion contiguë de l'électrode 82 La buse 84 comporte un isolateur 91 à proximité de son extrémité inférieure. Les figures 2 et 3 montrent le mandrin de chalu- meau ou support fixe 93 sur lequel tourne l'ensemble de buse L'ensemble de buse, désigné par la référence numé- rique 84, est monté de façon rotative par l'intermédiai- re de paliers isolés 94 et ces derniers sont maintenus en place par des cages ou logements isolants 95 La fi- gure 2 montre un joint rotatif d'étanchéité au gaz et au vide 96 situé audessus des paliers isolés 94 Un palier principal 95 est prévu sur le mandrin de chalumeau 92 pour le montage en rotation de l'ensemble de buse Un engrenage d'entraînement ou roue dentée 98 accouplé à l'ensemble de buse 84 peut être relié à un moteur d'en- trainement (non représenté) pour la rotation de l'ensem- ble de buse 84 par rapport à l'électrode 82 Un joint rotatif d'étanchéité à l'eau à deux passes 100 permet la rotation de l'ensemble de buse 84 par rapport à l'élec- trode 82. En fonctionnement, le moteur d'entraînement ac- couplé à la roue dentée 98 entraîne la rotation de l'en- semble de buse 84 par rapport à l'électrode 82 Pendant ce temps, une source de tension telle qu'une alimenta- tion en puissance 68 est raccordée aux bagues collectri- ces et aux balais de la même manière que cela a été dé- crit ci-dessus à l'égard du chalumeau à plasma 10. Un arc pilote dans la région désignée en 100 et 101 sert à ioniser les gaz passant longitudinalement par rapport à l'électrode Dès que les gaz sont ionisés, le plasma est établi et dirigé contre la pièce à usiner Le commutateur d'arc pilote, tel que le commutateur associé au conducteur 78 de la figure 1, est alors mis sur la position fermée et le jet de plasma ionisé, par exemple le jet 16 est dirigé contre la pièce à usiner 18 de la figure 1. Un autre agencement consiste à déplacer l'ensem- ble d'électrodes dans une rotation opposée à l'ensemble de buse augmentant ainsi la vitesse relative entre l'électrode et la buse Toutefois, ce dernier agencement est mécaniquement plus complexe que l'une électrode fixe non rotative avec la rotation de l'ensemble de buse. g - REVENDICATIONS 1 Chalumeau à plasma, caractérisé en ce qu'il comprend: un arbre creux ( 15) comportant un axe central ( 32); des moyens de montage d'arbre pour la rotation axiale par rapport à une référence prédéterminée; une électrode creuse ( 13) à l'intérieur de l'ar- bre ( 15) et s'étendant longitudinalement; des moyens accouplés à l'arbre ( 15) pour sa ro- tation autour de son axe central ( 32); une buse sur une extrémité de l'arbre ( 15), cet- te buse ( 14) étant rotative avec l'arbre ( 15), l'élec- trode ( 13) étant apte à recevoir le gaz de plasma et à diriger celui-ci sur la buse ( 14); et des moyens pour appliquer une tension à l'élec- trode ( 13) et la buse pour ioniser le gaz de plasma au niveau de la buse ( 14). 2 Chalumeau à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode ( 13) est rotative avec l'arbre ( 15) et la buse ( 14). 3 Chalumeau à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode ( 13) est fixe par rap- port à l'arbre ( 15) et à la buse ( 14). 4 Chalumeau à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode ( 13) est rotative dans un sens par rapport à l'arbre ( 15) et en ce que l'arbre et la buse ( 14) sont rotatifs dans le sens opposé. Chalumeau à plasma selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens accouplés à l'électrode ( 13) pour être mis en rotation dans un sens, le moyen de rotation de l'arbre ( 15) pouvant être ac- tionné de façon à mettre l'arbre ( 15) et la buse ( 14) en rotation dans le sens opposé. 6 Procédé de production d'une torche à plasma, caractérisé en ce qu'il comprend: - la mise en rotation d'un arbre creux ( 15) autour de son axe central par rapport à une référence prédéter- minée, une électrode creuse ( 13) se situant à l'inté- rieur de l'arbre ( 15) et une buse ( 14) étant prévue sur une extrémité de l'arbre ( 15); la mise en rotation de la buse ( 14) avec l'arbre ( 15); l'orientation du gaz de plasma à travers l'élec- trode ( 13) vers la buse ( 14); et l'application d'une tension à l'électrode ( 13) et à la buse ( 14) pour ioniser le gaz de plasma au ni- veau de la buse ( 14). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à mettre en ro- tation l'électrode ( 13) avec l'arbre ( 15) et la buse ( 14). 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à maintenir l'électrode ( 13) stationnaire lorsque l'arbre ( 15) et la buse ( 14) sont en rotation. 9 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à mettre en ro- tation l'électrode ( 13) dans un sens et l'arbre ( 15) et la buse ( 14) dans le sens opposé.