Brevet FR2703557A1 — publié le 19941007

La présente invention concerne les torches plasma en particulier pour le gougeage de pièces, du type comprenant une tuyère définissant un canal de sortie d'un premier gaz et une électrode s'étendant dans la tuyère définissant, avec la tuyère, une extrémité d'un premier circuit pour le premier gaz. Le gougeage plasma consiste à former une rainure par enlèvement de métal dans une pièce de travail électriquement conductrice, généralement métallique, sous l'effet d'un plasma d'arc établi entre une électrode formant cathode, dans la torche, et la pièce de travail formant anode Dans une torche plasma, le jet de plasma est obtenu par l'effet combiné d'un arc électrique contracté par l'intermédiaire de la tuyère et du premier gaz, qui peut être un mélange de gaz L'énergie thermique et cinétique de la colonne de gaz ionisé fond et chasse hors de la rainure ou de la saignée le métal en fusion de façon continue par déplacement à vitesse régulière de la torche par rapport à la pièce de travail Le gougeage ou usinage thermique, est utilisé principalement pour enlever tout ou partie d'un cordon de soudure comportant un défaut et nécessitant d'être recommencé, ou également comme moyen de préparation de bords de tôles destinées à être assemblées par soudage. Les torches plasma classiques, dotées d'un unique circuit de gaz, présentent l'inconvénient, malgré l'utilisation d'un gros diamètre de tuyère, de former une colonne d'arc cylindrique relativement "rigide" ne permettant la réalisation, dans les applications gougeage, que de rainures étroites et profondes, le métal fondu étant difficilement expulsé de la rainure profonde et s'accumulant sur les bords de celle-ci Pour obtenir une rainure dont la profondeur ne soit pas excessive, il est nécessaire d'incliner très fortement la torche par rapport au plan de la pièce de travail, sous un angle inférieur à 30 , ce qui provoque un allongement de l'arc et donc une augmentation de sa tension rendant parfois problématique son transfert à la pièce de travail lors de la phase d'amorçage de la torche D'autre part, cette position inclinée de la torche rend cette dernière très vulnérable aux remontées de métal fondu, voire aux courts-circuits, si le nez de la torche n'est pas suffisamment isolé. La présente invention a pour objet de proposer une torche plasma perfectionnée permettant, de façon simple et reproductible, d'obtenir des rainures de gougeage larges et avec un profil adapté aux opérations de soudage. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, la torche comporte au moins un deuxième circuit pour un deuxième gaz débouchant tangentiellement dans le canal par au moins un orifice transversal formé dans la tuyère. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention: le premier circuit comporte des moyens pour impartir au premier gaz une composante tangentielle dans une première direction, l'orifice étant orienté pour éjecter tangentiellement le deuxième gaz dans le canal dans une direction opposée à la première direction; la torche comporte au moins une série de premiers passages débouchant concentriquement autour du canal et éjectant un gaz de chasse, analogue au premier gaz plasmagène ou différent de ce dernier; elle comporte une série de deuxièmes passages débouchant concentriquement autour des premiers passages et communiquant avec un troisième circuit pour un gaz de chasse et/ou de protection. La présente invention a également pour objet de proposer un procédé de mise en oeuvre d'une telle torche pour le gougeage de pièces de travail, caractérisé en ce que l'on déplace la torche parallèlement à la pièce de travail, la torche formant avec la pièce un angle entre 35 et 50 . Selon une autre caractéristique de l'invention, notamment pour le gougeage ou le coupage d'aciers inoxydables ou d'alliages légers, le premier et le deuxième gaz sont identiques, avantageusement constitués d'un mélange d'argon et d'hydrogène o la teneur en hydrogène n'excède pas 25 %, le débit du deuxième gaz étant compris entre 0,25 et 0,35 fois le débit du premier gaz. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une extrémité d'une torche plasma selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique montrant la mise en oeuvre d'une torche plasma selon l'invention pour le gougeage d'une pièce; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe transversale suivant le plan de coupe IV-IV de la figure 3; et les figures 5 à 7 sont des vues analogues à la figure 1 montrant d'autres variantes de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. En se référant tout d'abord à la figure 3, on a représenté une torche plasma T comprenant un corps tubulaire inférieur 1 monté sur une âme intérieure tubulaire 2, solidaire d'un corps supérieur de torche (non représenté) et définissant avec la périphérie de cette dernière une chambre annulaire 3 reliée à une source de gaz (non représentée) par une tubulure 4 fixée au corps 1 Dans l'âme 2 est montée, concentriquement, une pièce tubulaire 5, en matériau électriquement conducteur, sur l'extrémité inférieure de laquelle est montée de façon étanche une tuyère métallique 6 définissant un logement intérieur 7 dans lequel s'étend centralement une électrode 8 et qui débouche vers l'extérieur, à l'avant de la torche, par un canal 9 d'éjection d'une veine plasma figurée en J sur les figures 1 et 3. L'électrode 8 est montée de façon étanche dans une partie d'extrémité tubulaire centrale 10 du corps supérieur sur laquelle est emmanchée une âme Il en matériau isolant définissant, avec la pièce 5, un passage tubulaire 12 d'amenée à la chambre 7 dans la tuyère 6, d'un premier gaz, plasmagène, servant à former le jet de plasma J. Avantageusement, comme on le voit sur la figure 3, l'âme isolante Il présente, à son extrémité inférieure, des nervures externes hélicoïdales 13 assurant une fonction de centrage de l'âme Il dans l'âme 5 et procurant au flux de premier gaz acheminé dans le passage 12, une composante tangentielle dans une direction, ce qui améliore la stabilité de l'arc plasma sur la cathode et favorise l'écoulement et l'éjection du gaz dans le canal 9 de la tuyère 6 Comme on le voit sur les dessins, le canal 9 comporte une partie amont de diamètre réduit, à profil évolutif ou plus simplement droit, débouchant dans une partie aval cylindrique droite de diamètre légèrement supérieur. Conformément à un aspect de l'invention, autour de la tuyère 6 et de la partie inférieure de l'âme 2 est disposée une coiffe métallique 14, coopérant, comme on le voit notamment sur les figures 1 et 3, à contact étanche avec la périphérie de la tuyère 6, vissée sur l'extrémité inférieure du corps 1 et définissant, autour de la tuyère 6, une chambre intérieure 15 alimentée en gaz par la chambre annulaire 3. Comme on le voit mieux sur la figure 4, dans la paroi de la tuyère 6, sont formés des orifices transversaux 16, par exemple au nombre de 4, répartis angulairement et débouchant tangentiellement dans la zone amont de la partie aval du canal 9, avec une direction tangentielle opposée à celle impartie au gaz dans la chambre 7 par les nervures 13 Les orifices 16 établissent la communication entre la chambre 15 recevant le deuxième gaz fourni par la tubulure 4 et le canal 9 d'éjection de la veine plasma J Comme illustré sur les figures 1 et 3, le deuxième gaz sous pression injecté de façon contra-rotative dans le canal 9 de la tuyère 6 par les orifices 16 provoque un effet de diaphragme, resserrant localement la veine plasma, dans le canal 9, ce qui engendre, en aval, par réaction, une expansion de la veine plasma J qui devient moins rigide, ce qui permet, comme sus-mentionné, d'obtenir des rainures de gougeage R plus larges et plus profondes en chassant le métal fondu M sur les côtés de la rainure qui est parfaitement symétrisée avec l'injection contra- rotative du deuxième gaz Pour l'obtention de proportions largeur/ profondeur de rainure convenant au soudage, l'angle x formé par la torche et la pièce de travail est avantageusement compris entre 40 et degrés (figure 2), de préférence d'environ 40 degrés Dans ces conditions, la colonne d'arc n'est pas allongée à l'excès, ce qui remédie aux problèmes d'amorçage et de remontée de métal fondu vers la torche Le débit du deuxième gaz est inférieur à au moins la moitié du débit du premier gaz Avantageusement, le débit du deuxième gaz est compris entre 0,25 et 0,35 fois le débit du premier gaz, qui est typiquement de l'ordre de 50 1/mn La présente invention n'est toutefois pas limitée à l'injection contra-rotative du deuxième gaz et s'applique également une injection co-rotative si l'on accepte une dissymétrie de la rainure par rapport à l'axe de gougeage. Les figures 3 à 7 montrent des perfectionnements à l'invention selon la figure 1 permettant de garantir une évacuation plus efficace du métal fondu de la rainure, en prévoyant une éjection, autour du canal 9, d'au moins un rideau de gaz de chasse permettant d'évacuer plus efficacement et de façon plus régulière le métal fondu en le réduisant à l'état de fines pellicules déposées sans adhérence, donc aisément détachables, sur la pièce de travail A cet effet, l'extrémité inférieure de la tuyère 6 comporte une série d'orifices 17 angulairement répartis autour du canal 9, concentriquement à ce dernier, pour former un rideau de chasse autour de la veine plasma J, comme représenté par les flèches sur la figure 3 La variante de la figure 5 diffère du mode de réalisation de la figure 3 en ce sens que la rangée annulaire d'orifices 17 est remplacée par une fente annulaire 17 A ménagée entre la périphérie de l'extrémité inférieure de la tuyère 6 et l'alésage central de la coiffe 14. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 5, le gaz de chasse éjecté par les passages 17 provient de la chambre 15 alimentant également les orifices 16 Dans certains cas d'application, il peut être intéressant d'agir sur le réglage du débit de gaz de chasse indépendamment du débit du deuxième gaz ou, pour des raisons techniques et économiques, de distribuer un troisième gaz d'une nature différente A cet effet, comme représenté sur la figure 7 (par ailleurs analogue au mode de réalisation de la figure 1), on peut utiliser une buse 14 composite comprenant une partie intérieure 18 délimitant, d'un côté, avec la tuyère 6, la chambre 15 alimentant les orifices 16 et délimitant intérieurement, de l'autre côté, une chambre interne 19 alimentant les orifices 17 formés ici dans la structure de coiffe 14, en un troisième gaz (ou le deuxième gaz à un débit différent) acheminé par une canalisation extérieure 20. Pour le gougeage d'aciers inoxydables ou d'alliages légers, outre le choix des premier et deuxième gaz, des résultats encore améliorés peuvent être obtenus en éjectant, en outre, une veine gazeuse de protection autour des veines plasma et de gaz de chasse qui viennent d'être décrits A cette fin, comme représenté sur la figure 6, qui est par ailleurs analogue au mode de réalisation de la figure 3, on prévoira, comme pour la variante de la figure 7, une coiffe composite 14 avec une partie intermédiaire 18 délimitant d'un côté, avec la tuyère 6, la chambre 15 d'alimentation des orifices 16 et des passages 17 de gaz de chasse, une chambre interne 19 alimentant une série annulaire de passages 21, formés dans la structure de coiffe 14, concentriquement autour de la série annulaire de passages 17 de gaz de chasse pour éjecter un rideau périphérique de gaz de protection, par exemple de l'argon, acheminé par une tubulure extérieure 22. Selon un autre aspect de l'invention, comme représenté sur les dessins, la torche est complétée par un circuit de circulation de fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, comprenant notamment une chambre annulaire 23 formée entre l'âme 2 et la pièce tubulaire 5, et s'étendant jusqu'autour de l'embase de la tuyère 6, et un tube central 24 s'étendant coaxialement dans l'électrode 8 et formant, dans cette dernière, une portion de circuit aller et retour du fluide de refroidissement parvenant ensuite à la chambre 23. La torche plasma selon l'invention convient pour le gougeage de différents matériaux, avec des appariements préférentiels de gaz. Les tableaux ci-après donnent des sélections permettant d'obtenir des rainures de dimensions suffisantes, exemptes d'oxydes et présentant une géométrie convenable pour le soudage ultérieur Les conditions de mise en oeuvre de la torche, dans les différents exemples ci-dessous, sont les suivantes intensité: 150 ampères vitesse d'avancement de la torche: 0,60 mètre/minute angle x: 40 degrés; L et P indiquent la largeur et à la profondeur de la rainure. 1 Acier au carbone A 42: premier circuit gaz deuxième circuit gaz dimensions rainure L X P N 2 air comprimé 10 X 3 5 N 2 02 13 X 4 air comprimé air comprimé 10 X 5 5 Ar + H 2 ( 80 % / 20 %) air comprimé 11 X 5 Ar + H 2 ( 80 %/20 %) 02 12 5 X 5 5 02 air comprimé 11 5 X 6 5 02 N 2 11 5 X 7 air comprimé 02 13 X 7 02 02 14 5 X 6 5 2 Acier inoxydable 304 L: 3 Alliage léger AG 5 premier circuit gaz deuxième circuit gaz dimensions rainure L X P Ar+H 2 ( 80 %/20 %) Ar+H 2 ( 80 %/20 %) 11 5 X 6 Les contrôles radiographiques et micrographiques effectués après soudage sur des cordons réalisés dans des rainures obtenues par le procédé selon l'invention selon les paramètres ci-dessus n'ont révélé aucun défaut imputable au procédé de gougeage plasma, tant sur les aciers au carbone que sur les aciers inox et les alliages légers. Pour ces derniers, un léger brossage à la brosse métallique pratiqué juste avant le soudage reste conseillé, comme habituellement lors de l'assemblage d'éléments en alliage léger. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art En particulier, avec quelques adaptations, une telle torche convient également au coupage des aciers et alliages légers, le deuxième gaz, notamment avec le mélange 80 % Ar et 20 %, formant une veine de protection gazeuse empêchant les entrées d'air dans la saignée de découpe et évitant l'oxydation des faces coupées, en particulier dans l'acier inoxydable. premier circuit gaz deuxième circuit gaz dimensions rainure L X P Ar+H 2 ( 80 %/20 %) Ar+H 2 ( 80 %/20 %) 1 OX 5 REVENDICATIONS 1 Torche plasma comprenant une tuyère ( 6) définissant un canal ( 9) de sortie d'un premier gaz et une électrode ( 8) s'étendant dans la tuyère ( 6) et définissant avec la tuyère une extrémité d'un premier circuit ( 12, 7) pour le premier gaz, caractérisée en ce que qu'elle comporte au moins un deuxième circuit ( 3, 15) pour un deuxième gaz, débouchant tangentiellement, dans le canal ( 9), par au moins un orifice transversal ( 16) formé dans la tuyère ( 6). 2 Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le canal ( 9) comporte une partie aval cylindrique, l'orifice ( 16) débouchant latéralement dans une zone amont de la partie aval. 3 Torche selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le premier circuit de gaz ( 12, 7) comporte des moyens ( 13) pour impartir au premier gaz une composante tangentielle dans une première direction et en ce que l'orifice ( 16) est orienté pour éjecter tangentiellement le deuxième gaz dans le canal dans une direction opposée à la première direction. 4 Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une coiffe ( 14) entourant la tuyère ( 6) et définissant intérieurement, avec cette dernière, une partie aval ( 15) du deuxième circuit de gaz qui communique avec l'orifice ( 16). Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une série de premiers passages ( 17; 17 A) débouchant concentriquement autour du canal ( 9) pour éjecter un gaz de chasse. 6 Torche selon la revendication 5, caractérisée en ce que les premiers passages ( 17, 17 A) communiquent avec le deuxième circuit ( 15) pour le deuxième gaz. 7 Torche selon la revendication 5, caractérisée en ce que les premiers passages ( 17) communiquent avec un troisième circuit ( 20, 19) pour un gaz de chasse. 8 Torche selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte une série de deuxièmes passages ( 21) débouchant concentriquement autour des premiers passages ( 17) et communiquant avec un quatrième circuit ( 22, 19) pour un gaz de protection. 2703557 9 Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier gaz est choisi dans le groupe constitué de l'air, l'azote, l'oxygène et un mélange d'argon et d'hydrogène o la teneur en hydrogène est inférieure à 25 %. 10 Torche selon la revendication 9, caractérisée en ce que le deuxième gaz est choisi dans le groupe constitué de l'air, l'azote et l'oxygène. 11 Torche selon la revendication 9, caractérisée en ce que les premier et deuxième gaz sont constitués chacun d'un mélange io d'environ 80 % d'argon et d'environ 20 % d'hydrogène. 12 Procédé de mise en oeuvre d'une torche selon l'une des revendications précédentes pour le gougeage d'une pièce de travail, caractérisé en ce qu'on déplace la torche (T) parallèlement à la pièce de travail (P), la torche formant avec la pièce un angle (x) compris entre 35 et 50 degrés. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le débit du deuxième gaz est compris entre 0,25 et 0,35 fois le débit du premier gaz.