Brevet FR2649278A1 — publié le 19910104

La présente invention se rapporte à l'usinage de métaux à l'arc, au gaz ionisé ouau plasma et a notam- ment pour objet un procédé de contrôle de l'aptitude à fonctionner d'une électrode de plasmatron, ainsi qu'un dispositif pour la réalisation de ce procédé, et peut être utilisée dans toute branche de la construction mécanique, essentiellement pour le plasmacoupage à l'air des métaux. Dans la plupart des cas, le matériel pour l'usi- nage des métaux à l'arc au plasma qui' est fabriqué en sé- rie, ne possède pas de dispositif de contrôle de l'état de l'électrode du plasmatron. Cette électrode est utili- sée au maximum, jusqu'à sa complète usure. En général, lorsque le délai d'utilisation est expiré, l'électrode se trouve brûlée. Dans ce cas, l'étanchéité des systèmes pour son refroidissement se rompt et dans le cas du refroi- dissement par un liquide, il y a fuite de ce liquide de refroidissement ce qui sert de signal pour le remplacement de l'électrode. Lorsque l'électrode est brûlée, la tache cathodi- que "saute" souvent sur les pièces du plasmatron qui sont voisines de l'électrode et jusqu'à l'extinction de l'arc (spontanée ou par débranchement), l'arc peut endommager ces pièces qui doivent dans ce cas être remplacées ou restaurées. En fonction de la structure du plasmatron, des pièces telles que des ensembles comme cathode ou buse peuvent être endommagées. Dans tous les cas, la buse du plasmatron devient inapte à fonctionner et il faut la remplacer. En même temps, si l'on remplace l'électrode, on peut préserver les éléments constitutifs du plasmatron, augmeter le coefficient de leur utilisation et augmenter au maximum la durée d'utilisation de chaque électrode. Il existe un procédé pour le contrôle de l'apti- tude à fonctionner d'une électrode de plamatron (SU, A, 818793) dans lequel on juge de son état suivant l'aspect de sa surface lors du maintien de l'arc sous mélange ga- zeux, le mélange contenant des composés carbonifères dissociants et on considère comme apte à fonctionner une électrode dont la surface utile, lors du maintien de l'arc, se couvre d'une couche de carbone. Pour réaliser ce procédé, il faut faire des essais "à chaud" de chaque électrode dans des conditions carac- téristiques du processus supposé d'usinage à l'arc au plasma. Ce procédé ne permet de déterminer que l'apti- tude à fonctionner de l'électrode,compte tenu des condi- tions de charge thermique et de refroidissement. L'endu- rance, c'est-à-dire la durée espérée de son fonctionne- ment,et le moment à partir duquel l'électrode devient inapte à fonctionner sont impossibles à déterminer par ce procédé. Le procédé considéré est applicable dans cer- tains types d'usinage, o l'on utilise un milieu gazeux approprié carbonifère. En outre, pour la formation en continu d'un dé- pût de carbone sur la surface utile de l'électrode, il faut maintenir l'état d'équilibre entre la charge thermi- que de l'électrode et son refroidissement,ce qui est dif- ficile vu les paramètres variables de l'usinage. Outre cela, il est difficile de déterminer comment s'use l'élec- trode et le moment o il faut arrêter le processus d'usi- nage, démonter le plasmatron et contrôler visuellement la surface utile de l'électrode pour la remplacer si néces- saire, cela exige beaucoup de temps et ne donne aucune possibilité de déterminer le moment de l'usure complète pour le remplacement opportun,ce qui n'exclut pas la brû- lure de l'électrode. Il existe également un procédé de contrôle de l'aptitude à fonctionner d'une électrode de plasmatron ("Notice descriptive et d'utilisation de l'appareil "Kiev-2", 1975 -Kiev_7) dans lequel on juge de l'usure de l'électrode suivant la valeur de l'un des paramètres de l'usinage à plasma.: l'endurance de l'électrode est déterminée par le nombre moyen admissible d'allumages de l'arc. Le nombre moyen admissible d'allumages de l'arc est déterminé à partir des données expérimentales pour un lot d'électrodes fabriquées suivant une même technolo- gie. Le dispositif pour réaliser ce procédé comporte un bloc de mesure de la valeur de l'un des paramètres du processus d'usinage au plasma: un compteur électromécani- que qui indique le nombre d'allumages de l'arc sur un indicateur numérique. Le compteur du nombre d'allumages est lié à un bloc avertisseur et à un bloc de commutation de la source d'alimentation du plasmatron. Pourtant, lors du contrôle de l'aptitude à fonc- tionner d'une électrode suivant le nombre moyen d'alluma- ges, la possibilité d'une brûlure de certaines électrodes dont l'endurance est inférieure à la valeur moyenne n'est pas exclue parce qu'il y a toujours une dis- persion des paramètres lors de la fabrication. D'autre part, si le nombre possible d'allumages d'une électrode donnée est supérieur au nombre d'allumages moyen nominal, son remplacement prématuré ne permet pas d'utiliser com- plètement son endurance. Le dispositif connu pour déter- miner le fonctionnement d'une électrode enregistre chaque allumage de l'arc, débranche la source d'alimentation du plasmatron lorsque le nombre moyen d'allumages déterminé d'avance est atteint et avertit sur la nécessité de rem- placer l'électrode qui n'a pas utilisé complètement son endurance. Dans ce cas, d'une part, la brûlure de l'élec- trode n'est pas exclue et d'autre part, l'endurance de l'électrode peut ne pas être utilisée totalement. L'invention vise à créer un procédé de contrôle de l'aptitude à fonctionner d'une électrode pour plasma- tron o le contrôle serait réalisé d'après un paramètre de l'usinage à plasma permettant d'évaluer plus objecti- vement l'état de l'électrode concrète contrôlée, compte tenu de ses caractéristiques individuelles, d'exclure l'éventualité d'un endommagement du plasmatron ainsi que d'utiliser au maximum l'endurance de chaque électrode et de créer également un dispositif pour réaliser ce procédé n'exigeant pas l'utilisation d'ensembles sophistiqués, qui soit commode à l'utilisation et permette de déterminer véridiquement l'état de l'électrode pendant le travail. Le problème posé est résolu par le fait que,dans un procédé de contrôle de l'amplitude à fonctionner d'une lO électrode pour plasmatron o l'on juge de l'usure de l'électrode suivant la valeur de l'un des paramètres de l'usinage auplasma, selon l'invention, en tant que para- mètre contrôlé,on utilise la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc à plasma et dans le cas d'un saut de cette fréquence, lorsqu'elle augmente au moins de 1,5 fois par rapport à celle du rayonnement de lfarc maintenu sur une bonne électrode, l'électrode est considérée comme étant inapte à fonctionner au courant nominal d'utilisa- tion ou garantissant les paramètres optimaux du processus d'usinage. Afin d'assurer la possibilité d'utiliser au maxi- mum l'endurance de l'électrode, il est utile, après une augmentation par bond de la fréquence acoustique de l'arc, de diminuer le courant d'utilisation jusqu'à la valeur mi- nimale admissible pour le régime donné, ensuite de mesurer la fréquence de rayonnement acoustique de l'arc, l'élec- trode étant considérée mauvaise dans le cas d'une deuxiè- me augmentation par bon de la fréquence acoustique au moins de 1,5 fois par rapport à la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc sur une bonne électrode. Le problème posé est résolu par le fait que,dans un dispositif de contrôle de l'aptitude à fonctionner d'une électrode de plasmatron qui comporte un bloc de me- sure de la valeur de l'un des paramètres du processus de l'usinage à l'arcau plasma relié à un bloc avertisseur et à un bloc de commutation de la source d'alimentation du plasmatron, selon l'invention, le bloc de mesure de la valeur de l'un des paramètres du processus d'usinage au plasma comporte, en série, un microphone placé à proxi- mité immédiate de la zone de maintien de l'arc, un ampli- ficateur, un filtre à bande et un circuit à seuil. - Pour utiliser au maximum l'endurance de l'élec- trode sous les charges réduites de courant, admissibles pour le processus concret d'usinage, il est souhaitable d'utiliser, dans le dispositif, une source d'alimentation comportant un régulateur de l'intensité du courant de tra- vail et d'y monter en supplément un élément à retard in- séré entre la sortie du circuit à seuil et l'entrée du bloc de commutation, ainsi qu'un limiteur du niveau du signal contrôle,branché par son entrée sur la sortie du circuit à seuil et par sa sortie sur l'entrée du régula- teur de l'intensité du courant de travail. Le procédé de contrôle de l'aptitude à fonction- ner d'une électrode de plasmatron réalisé conformément à la présente invention permet de contrôler, pendant le travail, l'état de l'électrode ce qui donne la possibili- té de la remplacer en un temps opportun et d'utiliser au maximum son endurance sous un courant nominal et sous des courants plus faibles admissibles pour un processus donné de traitement. En outre, le procédé permet d'exclure l'endomma- gement du plasmatron grâce à l'exclusion d'une brûlure de l'électrode à l'expiration de son délai d'utilisation. Le dispositif de contrôle de l'aptitude à fonc- tionner d'une électrode de plasmatron selon la présente invention n'exige pas l'utilisation d'un montage sophis- tiqué et est fiable dans son fonctionnement. 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 réalisation donné uniquement à titre d'exem- ple non limitatif, avec références aux dessins non limi- tatifs annexés,dans lesquels: - la figure i montre une électrode de plasmatron avant le début du travail, en vue en coupe; - la figure 2 montre la même électrode, usée, en vue en coupe; et - la figure 3 représente un schéma de structure d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de con- trôle de l'aptitude à fonctionner d'une électrode de plas- matron selon l'invention. L'électrode de plasmatron montrée sur les figu- res 1 et 2 comporte un corps à refroidissement i en un matériau thermoconducteur, par exemple, en cuivre, et un noyau 2 en un matériau actif, par exemple, en zirconium ou hafnium. Le corps i de l'électrode présente une cavité de refroidissement 3 o arrive un agent de refroidisse- ment, pendant le fonctionnement. Pendant le fonctionnement, l'électrode 2 brûle et dans le corps 1 se forme un cratère 4 suivant une li- gne 5, comme on peut le voir à la figure 2. Après expira- tion du délai de fonctionnement, l'électrode est brûlée de part en part à l'endroit o l'épaisseur de la paroi 6 du corps 1 est minimale. Le dispositif de contrôle de l'aptitude à fonc- tionner d'une électrode de plasmatron,dont le schéma de structure fait l'objet de la figure 3,comporte un bloc 7 de mesure de la valeur de l'un des paramètres du pro- cessus d'usinage à l'arc au plasma, notamment de la fré- quence du rayonnement acoustique de l'arc, qui est relié à un bloc avertisseur 8 et à un bloc 9 de commutation d'une source 10 d'alimentation. A son tour, le bloc 7 de mesure de la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc compor- te, en série, un microphone 11 placé à proximité immédiate de la zone de l'arc 12 sur une pièce 13, un amplificateur 14, un filtre à bande 15 et un circuit à seuil 16. La source d'alimentation 10 comporte un régulateur 17 du cou- rant de travail. Le dispositif comporte également un élément à re- 7 2649278 tard 18 qui est inséré entre la sortie du circuit à seuil 16 et l'entrée du commutateur 9, un limiteur 19 du niveau du signal contrôlé qui est branché par son entrée à la sortie du circuit à seuil 16 et par sa sortie à l'entrée du régulateur 17 du courant de travail. En tant qu'amplificateur 14, on utilise un am- plificateur de courant alternatif dont la caractéristique de sortie est linéaire. Le filtre 15 est un filtre LC ordinaire, dont la bande passante correspond à la gamme acoustique des fréquences du rayonnement de l'arc. En tant que circuit à seuil 16, on peut utiliser un montage ayant une caractéristique de démarrage du type relais, la mise en marche du circuit se faisant à une valeur strictement déterminée du signal d'entrée. En tant qu'élément à retard 18, on utilise un dispositif dans lequel le signal à contrôler est retardé à la sortie,d'un temps égal à la composante constante du circuit de réglage de la source d'alimentation. En tant que source d'alimentation 10, on utilise un redresseur réglable à thyristors dont le régulateur du courant 17 utilise un dispositif déphaseur. Le bloc avertisseur 8 est un tableau lumineux avec inscription "remplacer l'électrode". Le procédé de contrôle de l'aptitude à fonction- ner d'une électrode de plasmatron est le suivant. En tant que paramètre contrôlé, on utilise la fréquence des oscillations du rayonnement acoustique de l'arc à plasma et lors d'une augmentation par bond de cet- te fréquence au moins de 1,5 fois par rapport à la fré- quence du rayonnement acoustique de l'arc maintenu sur une bonne électrode, l'électrode est considérée comme ne pouvant être utilisée à un courant nominal garantissant les paramètres optimaux du processus d'usinage. Pour utiliser au maximum le délai d'utilisation de l'électrode à contrôler caractérisant son endurance, après une augmentation par bond de là fréquence du rayon- nement acoustique de l'arc, le courant est réduit jusqu'à sa valeur minimale admissible pour le régime donné d'usi- nage, la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc est de nouveau mesurée et on considère l'électrode comme mauvaise dans le cas d'une deuxième augmentation par bond de la fréquence du rayonnement acoustique au moins de 1,5 fois par rapport à celle de l'arc maintenu sur une bonne élec- trode. Le procédé deviendra plus clair lors de la des- cription du fonctionnement du dispositif représenté à la figure 3. Pendant le maintien de l'arc 12 entre le noyau 2 de l'électrode et la pièce 13, le noyau brûle progressi- vem.ent. Dans le corps 1 de l'électrode, se forme un cra- tère 4 suivant la ligne 5. La paroi 6 du corps 1 devient de plus en plus mince au fur et à mesure de la croissance du cratère 4. Dans ce cas, l'arc 12 émet un signal acoustique dont le spectre des fréquences est défini par les condi- tions de maintien de l'arc 12 et par les particularités constructives du plasmatron. Le signal acoustique émis par l'arc 12 attaque le microphone 11, est amplifié par l'amplificateur 14, passe par le filtre à bande 15 et est retardé par le cir- cuit à seuil 16. Lorsque l'épaisseur de la paroi 6 du corps 1 de l'électrode pendant le maintien de l'arc devient critique, dans le spectre du rayonnement acoustique de l'arc 12, apparaît un signal dont la fréquence est au moins 1,5 fois supérieure à la fréquence initiale. Cela peut s'ex- pliquer par les phénomènes de résonance dans le cratère 4 formé, qui ont lieu lorsque ses dimensions géométri- ques atteignent une certaine valeur et par le mouvement oscillatoire de la paroi amincie 6 d'un côté de laquelle se trouve le liquide de refroidissement (cavité 3) et de l'autre c6té,la tache cathodique chaude de l'arc 12. L'ap- parition du signal à une fréquence accrue indique que le dé- lai d'utilisation de l'électrode est expiré et qu'il faut la remplacer. Le signal acoustique à une fréquence élevée passe par la voie formée du microphone 11, de l'amplifi- cateur 14, du filtre à bande 15, o il est séparé et, at- teignant le niveau déterminé, passe par le circuit à seuil 16 dont la sortie est reliée au bloc avertisseur 8 et au bloc 9 de commutation de la source d'alimentation 10. Dans ce cas, la source 10 se débranche et le bloc avertis- seur 8,qui émet le signal "remplacer l'électrode",fonc- tionne. L'électrode dont l'endurance au courant nominal est épuisée peut être utilisée en courant réduit (courant minimum admissible pour le processus donné d'usinage). Le dispositif de contrôle de l'aptitude à fonc- tionner d'une électrode assure une telle utilisation grâce à l'élément à retard 18 et au limiteur 19 du signal à con- trôler qui sont insérés dans le dispositif. De la sortie du circuit à seuil 16, le signal est appliqué simultanément au limiteur 19 et à l'entrée de l'élément de retard 18. Par l'intermédiaire du limi- teur 19, le signal agit sur le régulateur de courant 17 de la source d'alimentation 10. Le régulateur 17 diminue le courant de l'arc jusqu'à une valeur minimale admissible imposée par le limiteur 19. Le signal acoustique d'une fréquence élevée disparaît, ce qui indique que l'électrode peut fonctionner dans des conditions changées. A la deuxième apparition du signal acoustique à une fréquence élevée, ce dernier, en passant par la voie ci-dessus décrite, n'agit pas sur le régulateur 17 du courant parce que ce signal est limité par le limiteur 19 et, à un certain temps qui correspond aux paramètres de l'élément à retard 18, arrive au commutateur 9 de la source d'alimentation 10, arrêtant cette dernière et met- tant en marche l'avertisseur indiquant que l'endurance de l'électrode est épuisée même pour le courant réduit. Le procédé a été essayé dans des conditions de laboratoire et a montré de bons résultats. On a essayé des électrodes avec des noyaux en zirconium et en hafnium à des courants de l'arc de 200 et 300 A. Au maintien de l'arc à plasma dans un mi- lieu à air comprimé, le spectre acoustique de l'arc 12 était de 4 à 6 kHz. En l'état critique de brûlure de l'électrode, dans le spectre de rayonnement de l'arc apparaît un signal acoustique d'une fréquence de 9 à 12 kHz. Le nombre d'allumages de l'arc auquel apparaît un signal acoustique d'une fréquence élevée est différent pour chaque électrode et aux essais, il était de 130 à pour des électrodes à noyau en zirconium et de 200 à 290 pour des électrodes à noyau en hafnium. L'avantage du procédé décrit réside dans le fait que la capacité d'utilisation de chaque électrode est utilisée au maximum et que l'intégrité des éléments cons- titutifs du plasmatron est préservée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de contrôle de l'aptitude à fonction- ner d'une électrode de plasmatron,du type o l'on juge de l'usure de l'électrode suivant la valeur de l'un des paramètres de l'usinage à plasma, caractérisé en ce qu'en tant que paramètre à contrôler, on utilise la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc à plasma et pour une augmentation par bond de la fréquence du rayonnement acous- tique au moins de 1,5 fois par rapport à celle de l'arc maintenu sur une bonne électrode, l'électrode contrôlée est considérée comme étant mauvaise pour fonctionner à un courant nominal garantissant les paramètres optimaux du processus d'usinage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après l'augmentation par bond de la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc, on diminue le courant jusqu'à une valeur minimale admissible pour le régime donné d'usinage, on mesure la fréquence du rayonnement acoustique de l'arc et on considère que l'électrode est mauvaise lors d'une deuxième augmentation par bond de cette fréquence au moins de 1,5 fois par rapport à celle de l'arc maintenu sur une bonne électrode. 3. Dispositif de contrôle de l'aptitude à fonc- tionner d'une électrode de plasmatron,du type comportant un bloc de mesure de la valeur de l'un des paramètres du processus d'usinage à l'arc au plama qui est relié à un bloc avertisseur et à un bloc de commutation de la source d'alimentation du plasmatron, caractérisé en ce que le bloc (7) de mesure de l'un des paramètres du processus d'usinage au plasma comporte, en série, un microphone (11) qui est placé à proximité immédiate de la zone de maintien de l'arc (12), un amplificateur (14), un filtre à bande (15) et un circuit à seuil (16). 4. Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'on emploie une source d'alimentation (10) qui comporte un régulateur (17) de l'intensité du cou- rant de travail et il comporte également un élément à retard (18), inséré entre la sortie du circuit à seuil (16) et l'entrée du bloc commutateur (9) et un limiteur (19) du niveau du signal contrôlé qui est branché par son entrée à la sortie du circuit à seuil (16) et par sa sortie à l'entrée du régulateur (17) de l'intensité du courant de travail.