Brevet FR2735710A1 — publié le 19961227

La présente invention concerne une tête de torche à plasma, du type comportant une électrode axiale à face d'extrémité plate, associée à une tuyère périphérique en forme de coupelle dont le fond comporte un conduit axial d'éjection du jet de plasma et dont la paroi latérale entoure l'électrode et délimite avec celle-ci un espace d'alimentation sensiblement annulaire. L'invention concerne en outre une torche à plasma. De telles têtes de torche, munies d'une électrode à face d'extrémité plate, sont utilisées pour engendrer des jets de plasma à partir de gaz plasmagènes très oxy- dants tels que de l'oxygène. En effet, les électrodes ayant une face d'extrémité taillée en pointe et réalisées par exemple en tungstène se volatilisent sous l'effet du gaz plasmagène très oxydant et sous l'effet de la tempé- rature élevée. Ce problème est résolu en utilisant des électro- des à face d'extrémité plate au centre de laquelle est prévu un insert émissif par exemple en hafnium, affleu- rant la surface de celle-ci. Cependant, l'utilisation d'une électrode à face d'extrémité plate induit des difficultés de stabilisation de la racine de l'arc électrique au niveau de l'insert émissif. Afin de stabiliser celui-ci, il est connu d'avoir recours à une distribution de gaz tourbillonnaire dans l'espace annulaire délimité par l'électrode et la paroi latérale de la tuyère. Cette distribution de gaz tourbil- lonnaire forme un vortex de gaz dans l'axe d'écoulement de la tuyère et donc dans la zone située immédiatement en avant de l'insert émissif, créant ainsi par dépression axiale des forces suffisantes au maintien quasi-station- naire de la racine de l'arc. Le jet de plasma ainsi créé est animé en sortie de la tête de torche d'un mouvement de rotation autour de son axe longitudinal. Lors de la découpe d'une pièce, le mouvement de rotation du jet provoque une dissymétrie du profil de la saignée réalisée par le jet de plasma. En particulier, les angles de dépouille et la rugosité sont différents sur les deux flancs découpés bordant la saignée. Cette dissymétrie dans le profil de coupe néces- site la reprise mécanique ultérieure des pièces ainsi découpées, notamment par usinage, en vue de leur utilisa- tion dans des assemblages nécessitant des ajustements relativement précis. La présente invention a pour but de fournir une tête de torche à plasma permettant d'obtenir des profils de coupe de bonne qualité avec des angles de dépouille sensiblement égaux de part et d'autre de la saignée, et ne nécessitant pas systématiquement une reprise mécanique des pièces découpées en vue de leur utilisation ulté- rieure. A cet effet, l'invention a pour objet une tête de torche à plasma, du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'écoulement d'un gaz plasma- gène dans l'espace d'alimentation annulaire suivant une direction sensiblement axiale, et en ce que la face d'extrémité de l'électrode délimite avec le fond de la tuyère un intervalle annulaire de laminage de l'écoule- ment du gaz plasmagène. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'invention peut présenter l'une ou plusieurs des carac- téristiques suivantes: - l'aire de la section cylindrique de passage du gaz dans l'intervalle annulaire de laminage, mesurée à l'entrée du conduit axial d'éjection, est inférieure au tiers de l'aire de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire entourant l'électrode; - l'aire de la section cylindrique de passage du gaz dans l'intervalle annulaire de laminage, mesurée à l'entrée du conduit axial d'éjection, est supérieure à 1/90e de l'aire de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire entourant l'électrode; - lesdits moyens d'écoulement comportent des lumières d'alimentation en gaz plasmagène débouchant radialement dans l'espace annulaire; - l'aire de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire entourant l'électrode est supérieure à 1,5 fois l'aire totale de la section de passage du gaz dans les lumières d'alimentation; - l'aire de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire entourant l'électrode est inférieure à 3 fois l'aire totale de la section de pas- sage du gaz dans les lumières d'alimentation; - la hauteur e de l'intervalle annulaire de laminage, exprimée en centimètre, vérifie sensiblement l'inégalité 1 G 1 1 G 1 ---- - i - s e 5 ---- - - - 5500 v I 3000 v I dans laquelle: G est le débit de gaz plasmagène de la tête, exprimé en cm3.s, v est la viscosité cinématique du gaz plasmagène, ex- primée en cm2.s-, et I est l'intensité du courant de coupe, exprimée en Ampère; - le conduit axial d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère comporte un tronçon cylindrique de diamètre constant d'amenée du flux de plasma à un régime laminaire; - le conduit axial d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère comporte à son entrée un tronçon de diamètre progressivement décroissant suivant le sens de circulation du jet de plasma; - le tronçon d'entrée est délimité par une sur- face toroïdale reliée tangentiellement au tronçon de laminage; - le conduit axial d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère comporte en sortie un tronçon de section progressivement croissante suivant le sens de circulation du jet de plasma, notamment ayant la forme d'une tuyère de Laval. L'invention a également pour objet une torche à plasma comportant une tête de torche, notamment inter- changeable dans son ensemble, telle que définie précédem- ment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur les- quels: - la figure 1 est une vue très schématique, en coupe longitudinale, d'une tête de torche à plasma selon l'invention, et - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle d'un détail de la tuyère de la figure 1. La tête de torche à plasma représentée sur la figure 1, destinée à la découpe de pièces métalliques, est indémontable mais interchangeable et a une forme générale de révolution d'axe X-X. Elle se monte sur un corps de torche à plasma adapté, par exemple par encli- quetage dans ce corps. Cette tête comporte essentielle- ment une électrode 10 d'axe X-X et une tuyère périphéri- que 12 en forme de coupelle, toutes deux adaptées pour être associées à des générateurs de potentiels électri- ques appropriés, et solidaires d'un couvercle 14 isolant reliant rigidement l'électrode et la tuyère, et formant un diffuseur de gaz plasmagène. L'électrode 10 est réalisée en un métal approprié et a une forme générale de révolution. Elle comporte une face d'extrémité plate 16 s'étendant perpendiculairement à l'axe X-X de l'électrode, à une extrémité de diamètre légèrement réduit de celle-ci. Un insert émissif cylindrique 18 en hafnium est disposé axialement à l'extrémité de l'électrode 10 et affleure au centre de la face 16. La tuyère 12 a une forme de coupelle d'axe X-X. Elle comporte un fond plat 20 muni d'un conduit axial 22 d'éjection du jet de plasma. Le fond 20 est prolongé par une paroi latérale 24 entourant l'électrode 10 et délimi- tant avec celle-ci un espace 26 d'alimentation du gaz plasmagène sensiblement annulaire. Le fond 20 et la paroi latérale 24 délimitent une cuvette à l'intérieur de laquelle est reçue l'extrémité de l'électrode 10. Le fond de la cuvette est formé par une surface plate 28 disposée en regard de la face plate 16. Elles délimitent ensemble un intervalle annulaire 29 de laminage de l'écoulement du gaz plasmagène. Cet inter- valle a une hauteur calibrée notée e. La surface 28 est reliée à sa périphérie à la paroi latérale 24 par des tronçons successifs de paroi coniques ou toroïdaux 30. La surface cylindrique intérieure 32 de la paroi latérale 24 et la paroi latérale cylindrique de l'élec- trode 10 délimitent transversalement à l'espace d'alimen- tation annulaire 26 une section en couronne de passage du gaz, dont l'aire est notée Sch. Le couvercle 14 a la forme générale d'une cou- pelle inversée dont le fond 34 est opposé au fond de la tuyère 12. Ce fond 34 est muni d'un passage pour l'élec- trode 10. La paroi latérale 36 du couvercle 14 est fixée à la paroi latérale 24 de la tuyère dans le prolongement de celle-ci. La paroi latérale 36 comporte par ailleurs des lumières 38 circulaires suivant toute la circonfé- rence, adaptées pour permettre le passage dans l'espace annulaire 26 du gaz plasmagène issu d'une source sous pression 37. Les lumières 38 sont ménagées perpendi- culairement à l'axe X-X de l'électrode et sont régulière- ment réparties suivant le pourtour de la paroi latérale. Elles permettent l'écoulement du gaz plasmagène dans l'espace annulaire 26 suivant une direction sensiblement axiale et avec une répartition de vitesses sensiblement homogène sur toute la section Sch. Afin de permettre la stabilisation de l'arc électrique s'établissant entre l'insert émissif 18 et une pièce métallique (non représentée) disposée en sortie du conduit 22 d'éjection, la hauteur e de l'intervalle annulaire 29 de laminage 16, exprimée en centimètre, est choisie de telle sorte qu'elle vérifie sensiblement l'inégalité: 1 G 1 1 G 1 - - - e --- - (1) 5500 v I 3000 v I dans laquelle: G est le débit de gaz plasmagène dans la tête, exprimé en cm3.s1, v est la viscosité cinématique du gaz plasmagène, expri- mée en cm2.s-, et I est l'intensité du courant de coupe, exprimée en Ampère. Par ailleurs, afin que l'intervalle annulaire de laminage défini entre les faces planes en regard 16 et 28 crée un laminage du gaz plasmagène suffisant pour mainte- nir la racine de l'arc électrique sur l'insert émissif 18, le dimensionnement est tel que l'aire, notée Se, de la section cylindrique de passage du gaz dans l'inter- valle annulaire 29 de laminage, mesurée à l'entrée du conduit 22 d'éjection du plasma, est inférieure au tiers de l'aire Sch de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire 26 entourant l'électrode 10. Cependant, afin d'éviter un phénomène de claquage et la formation d'un arc électrique entre l'électrode 10 et le fond 20 de la tuyère, la hauteur e est choisie de telle sorte que la même aire Se est supérieure à 1/90e de l'aire Sch. Par ailleurs, afin de limiter les perturbations en sortie des lumières d'alimentation 38, et ainsi permettre un écoulement axial du gaz plasmagène à travers l'espace annulaire 26, l'aire Sch est comprise entre 1,5 fois et 3 fois l'aire totale de la section de passage du gaz dans les lumières d'alimentation 38. On conçoit qu'avec un tel agencement, l'écoule- ment du gaz plasmagène s'effectue parallèlement à l'axe X-X dans l'espace annulaire 26, et permet de donner naissance à des forces convergentes suivant l'axe X-X immédiatement en avant de l'insert émissif 18 après laminage dans l'intervalle annulaire 29. Ces forces convergentes maintiennent la racine de l'arc électrique dans un état quasi-stationnaire. La stabilisation de l'arc est renforcée par la pression dynamique du flux de plasma s'écoulant à l'entrée du conduit d'éjection 22. Le conduit d'éjection 22 comporte trois tronçons successifs coaxiaux. Un tronçon d'entrée 40, prévu à l'entrée du conduit d'éjection 22, présente un diamètre progressivement décroissant suivant le sens de circula- tion du jet de plasma. Ce tronçon 40 est prolongé par un tronçon intermédiaire 42 de diamètre constant adapté pour amener le flux de plasma à un régime laminaire. Sur la figure 2 est représentée à plus grande échelle la première partie du conduit d'injection 22. Sur cette figure, le tronçon d'entrée 40 est délimité par une surface toroïdale reliée à la surface plate 28 par une arête vive notée 40A. Par ailleurs, cette surface toroïi- dale se raccorde tangentiellement en 40B au tronçon intermédiaire 42. Le conduit 22 comporte en sortie un tronçon 44 de section progressivement croissante suivant le sens de circulation du jet de plasma. Ce tronçon de sortie évasé a le profil d'une tuyère de Laval afin d'amener progres- sivement le jet de plasma à la pression atmosphérique tout en l'accélérant pour porter sa vitesse à une vitesse supersonique. Par ailleurs, le profil de la tuyère de Laval permet en sortie du conduit d'éjection d'obtenir des lignes de courant gazeux parallèles et des vitesses sensiblement identiques en tout point de la section transversale du jet. Afin de faciliter la réalisation de la tuyère de Laval, l'usinage peut être effectué à partir d'un profil approchant mettant en oeuvre par exemple des cylindres, des arcs de cercle et des troncs de cône raccordés les uns aux autres. Un tel conduit d'éjection 22 permet d'éviter le dépôt de particules extraites de l'électrode dans le tronçon d'entrée 40. Par ailleurs, le tronçon intermé- diaire 42 de laminage du jet de plasma permet de stabili- ser celui-ci par établissement d'un régime laminaire. Une tête de torche à plasma telle que décrite précédemment permet de maintenir quasi-stationnaire l'arc électrique entre l'insert émissif 18 et la pièce à décou- per. De plus, elle est simple à réaliser et ne nécessite pas de moyen complexe de stabilisation de l'arc électri- que. Par ailleurs, aucun vortex n'étant créé sur le trajet du gaz plasmagène ou du plasma, la découpe obtenue présente des caractéristiques dimensionnelles extrêmement voisines de celles obtenues par une découpe au laser. A titre d'exemple, sont regroupés dans le tableau ci-dessous les résultats comparés de la découpe d'une tôle d'acier de construction E24 de 5 mm d'épaisseur avec une tête de torche à plasma classique et avec une tête de torche à plasma selon l'invention, toutes deux utilisant l'oxygène comme gaz plasmagène. Tête selon Tête classique l'invention Angle de dépouille 1 à 150 0 10' à 030" Rugosité Ra = 50 pm Ra = 2 pm Hauteur de bavure 0,03 mm 0,03 mm L'expérience a été menée avec une intensité de coupe de 45 Ampères, une pression d'alimentation relative de 5,2 bars et une vitesse de coupe de 0,82 m/mn. Bien entendu, la tête de torche à plasma décrite précédemment peut comporter des dispositifs de distribu- tion de fluides périphériques supplémentaires de refroi- dissement ou de protection du jet central de plasma de l'influence de l'air ambiant, ou de modification de la composition chimique de ce jet. Elle peut également comporter des conduits de circulation d'un fluide de refroidissement dans l'électrode et/ou dans la tuyère. Par ailleurs, la tête de torche à plasma selon l'invention peut être formée d'un module unique préfa- briqué et se monter par tout moyen approprié sur un corps de torche adapté. La tête de torche est alors amovible et interchangeable dans son ensemble. De même, la tête peut être intégrée à une torche. Dans ce cas, les différents organes constituant la torche reproduisent les caractéristiques dimensionnelles de la tête décrites précédemment. Ainsi par exemple, le couver- cle 14 est intégré au corps de torche et l'électrode 10 et la tuyère 12 se vissent ou s'emboîtent sur des connec- teurs du corps de torche. Par ailleurs, il est possible, dans ce cas, que, lors de la mise en route de la torche, l'électrode 10, montée mobile axialement, soit mise en contact avec la tuyère 12 afin de créer un arc électrique entre elles. L'électrode est ensuite automatiquement rétractée et maintenue écartée de la tuyère de la hauteur5 e prédéterminée. La tête de torche selon l'invention peut être dimensionnée d'après l'inégalité (1) pour fonctionner avec tout type de gaz plasmagène, de l'oxygène ou de l'air par exemple. REVENDICATIONS 1.- Tête de torche à plasma, du type comportant une électrode axiale (10) à face d'extrémité (16) plate, associée à une tuyère périphérique (12) en forme de cou- pelle dont le fond (20) comporte un conduit axial (22) d'éjection du jet de plasma et dont la paroi latérale (24) entoure l'électrode (10) et délimite avec celle-ci un espace (26) d'alimentation sensiblement annulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (38) d'écoulement d'un gaz plasmagène dans l'espace d'alimen- tation (26) annulaire suivant une direction sensiblement axiale, et en ce que la face d'extrémité (16) de l'élec- trode (10) délimite avec le fond (20) de la tuyère (12) un intervalle annulaire (29) de laminage de l'écoulement du gaz plasmagène. 2.- Tête de torche à plasma selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'aire (Se) de la section cylindrique de passage du gaz dans l'intervalle annulaire (29) de laminage, mesurée à l'entrée du conduit axial (22) d'éjection, est inférieure au tiers de l'aire (Sch) de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire (26) entourant l'électrode (10). 3.- Tête de torche à plasma selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisée en ce que l'aire (Se) de la section cylindrique de passage du gaz dans l'intervalle annulaire (29) de laminage, mesurée à l'entrée du conduit axial (22) d'éjection, est supérieure à 1/90e de l'aire (Sch) de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire (26) entourant l'électrode (10). 4.- Tête de torche à plasma selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens d'écoulement comportent des lumières (38) d'alimentation en gaz plasmagène débouchant radiale- ment dans l'espace annulaire (26). 5. Tête de torche à plasma selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'aire (Sch) de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire (26) entourant l'électrode (10) est supérieure à 1,5 fois l'aire totale de la section de passage du gaz dans les lumières d'alimentation (38). 6.- Tête de torche à plasma selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que l'aire (Sch) de la section en couronne de passage du gaz dans l'espace annulaire (26) entourant l'électrode (10) est inférieure à 3 fois l'aire totale de la section de passage du gaz dans les lumières d'alimentation (38). 7.- Tête de torche à plasma selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisée en ce que la hauteur e de l'intervalle annulaire (29) de laminage, exprimée en centimètre, vérifie sensiblement l'inégalité 1 G 1 1 G 1 ---- - 1 - 5 _ 5 ---- - r - 5500 v I 3000 v I dans laquelle: G est le débit de gaz plasmagène de la tête, exprimé en cm3. -1, cm.sl v est la viscosité cinématique du gaz plasmagène, ex- primée en cm2.s-, et I est l'intensité du courant de coupe, exprimée en Ampère. 8.- Tête de torche à plasma selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit axial (22) d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère (12) comporte un tronçon (42) cylindrique de diamètre constant d'amenée du flux de plasma à un régime laminaire. 9.- Tête de torche à plasma selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit axial (22) d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère (12) comporte à son entrée un tronçon (40) de diamètre progressivement décroissant suivant le sens de circulation du jet de plasma. 10.- Tête de torche à plasma selon les revendi- cations 8 et 9 prises ensemble, caractérisée en ce que le tronçon d'entrée (40) est délimité par une surface toroïdale reliée tangentiellement au tronçon de laminage (42). 11.- Tête de torche à plasma selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit axial (22) d'éjection du jet de plasma ménagé dans la tuyère (12) comporte en sortie un tronçon (44) de section progressivement croissante suivant le sens de circulation du jet de plasma, notamment ayant la forme d'une tuyère de Laval. 12.- Torche à plasma comportant une tête, no- tamment interchangeable dans son ensemble, selon l'une quelconque des revendications précédentes.