Brevet FR2774549A1 — publié le 19990806

La présente invention concerne une électrode pour torche à plasma, une torche à plasma munie d'une telle électrode et un procédé de soudage, de marquage, de coupage, de rechargement ou de projection plasma mettant en oeuvre une telle électrode ou une telle torche. Les torches à plasma sont classiquement utilisées dans les domaines du coupage ou du soudage de matériaux, ainsi que dans d'autres domaines connexes, tels la projection, le rechargement ou le marquage plasma. Habituellement, une torche plasma comprend une électrode, réalisée en tout ou en partie d'un matériau émissif, laquelle électrode a une forme généralement cylindrique ou cylindro-tronconique, d'une tuyère disposée coaxialement par rapport à l'électrode et formant diaphragme sur le parcours de l'arc plasma, d'un circuit de refroidissement interne de la torche, notamment de l'électrode, et d'un ou plusieurs circuits de distribution de gaz plasmagène dans une chambre délimitée, d'une part, par l'électrode et son support et, d'autre part, par la partie interne de la tuyère et de son support. En fonctionnement, l'électrode est reliée à l'un des pôles d'une source de courant, alors que la tuyère est reliée à l'autre pôle de ladite source de courant. Après ionisation d'une partie du flux gazeux, circulant entre l'extrémité inférieure de l'électrode et un canal d'éjection des gaz pratiqué au sein de la tuyère, un premier arc électrique est généré en formant ainsi une colonne de plasma d'arc prenant naissance de ladite électrode et s'étirant au travers dudit canal de la tuyère vers l'extérieur et jusqu'au matériau à couper ou à souder par exemple. Selon le type d'utilisation de la torche, le jet de plasma est porté à une puissance adéquate et maintenu entre l'électrode, formant cathode par exemple, et la tuyère, formant anode, durant toute l'opération de soudage ou coupage par exemple, ou selon le cas, le jet de plasma est transféré à la pièce à travailler avant la montée en puissance, par rapprochement et commutation électrique; la pièce formant alors anode et la tuyère pouvant être électriquement déconnectée. De telles torches à plasma et leurs fonctionnements ont notamment été décrits dans les documents EP-A-599709, EP-A-573330, US-A-5597497, WO-A-96/23620, US-A-5451739, EP-A-0787556, FR-A-2669847 et FR-A-2113144. Dans certains cas, la distribution du gaz plasmagène dans la chambre délimitée par l'électrode et la tuyère est effectuée, notamment pour des raisons techniques ou constructives, selon un plan d'injection sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'électrode. Ainsi, l'injection du gaz plasmagène dans ladite chambre peut se faire en couronne centrée sur l'axe de l'électrode, par l'intermédiaire d'une fente continue et circulaire. Dans un autre cas de figure, l'injection du gaz plasmagène dans la chambre peut être réalisée par l'intermédiaire d'une pièce ayant la forme d'une couronne au sein de laquelle sont aménagés des trous calibrés dont les axes convergent et concourent avec l'axe de l'électrode. Enfin, selon un autre mode de réalisation, l'injection du gaz plasmagène dans la chambre peut se faire par l'intermédiaire d'une couronne percée de trous calibrés, comme dans le cas précédent, mais dont les trous débouchent, cette fois, tangentiellement à l'alésage de la chambre ou dans une disposition intermédiaire entre la tangence à l'alésage et la convergence des axes des trous vers l'axe de l'électrode. Dans les deux premiers cas, le flux gazeux ou les filets gazeux doivent opérer un changement de direction brutal, qui se produit lors de l'impact dudit flux gazeux sur la périphérie externe du corps de l'électrode ou de son support, selon un angle souvent de l'ordre de 90 . Or, il est connu que cet impact à angle droit provoque des turbulences, voire des zones de recirculation au sein dudit flux gazeux et donc engendre une perturbation de l'écoulement du flux gazeux dans la torche. Alors, pour calmer ou contrôler l'écoulement, il est nécessaire de ménager ou prévoir en aval du lieu d'injection une longueur suffisante de canalisation sans variation notable de régime d'écoulement pour que le gaz ne perturbe pas ou le moins possible la stabilité de la racine d'arc accrochée à l'extrémité de l'électrode, lors du fonctionnement de la torche à plasma. Dans le dernier cas, la pièce en forme de couronne percée de trous débouchant tangentiellement à l'alésage ou, selon le cas, dans une direction intermédiaire entre la tangence et la convergence avec l'axe de l'électrode, distribue le gaz en écoulement tourbillonnaire. Or, les jets gazeux issus des trous d'injection et guidés par la paroi de l'alésage, ont, en général, une trajectoire courbe située sensiblement dans un plan commun. Chaque jet de gaz rencontre donc sur sa trajectoire le jet de gaz suivant, lorsque l'on considère l'ordre de distribution de la pièce en forme de couronne percée de trous. Il en résulte alors, selon la vitesse d'écoulement des jets gazeux et l'exiguïté de la chambre dans le plan radiant, une perturbation de l'écoulement gazeux pouvant se traduire par un brassage de l'ensemble des jets gazeux avec d'importantes turbulences et une perte notable de vorticité ou, le cas échéant, une chevauchement des jets gazeux dans le plan vertical, lequel chevauchement s'accompagne de fortes instabilités de la racine d'arc. De là, on comprend que quelque soit le mode de réalisation observé, il apparaît des perturbations de l'écoulement du flux gazeux au sein de la torche à plasma engendrant une instabilité notable de l'arc plasma, ce qui a des répercutions négatives sur le travail effectué, lequel est de moins bonne qualité. Le but de la présente invention est donc de pallier les problèmes susmentionnés en proposant une électrode pour torche à plasma aménagée pour permettre et faciliter le changement de direction de la veine gazeuse ou des filets gazeux lors de leur entrée de la chambre située entre la tuyère et l'électrode, sensiblement sans formation de turbulences de l'écoulement gazeux. La présente invention concerne alors une électrode pour torche à plasma ayant une forme sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique allongée, ladite électrode comportant au moins un évidement aménagé sur au moins une partie de sa paroi périphérique externe. Selon le cas, l'électrode selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - ledit évidement est aménagé sur toute la périphérie de la paroi périphérique externe; - ledit évidement est à section profilée et est sensiblement symétrique de révolution; - ledit évidement est une gorge; - elle comporte, en outre, un insert émissif à son extrémité inférieure; - elle comporte, en outre, au moins une rainure ou striure pratiquée au sein de son extrémité inférieure. L'invention concerne également une torche à plasma comprenant un corps de torche muni d'au moins une électrode et d'au moins une tuyère sensiblement coaxiale entourant au moins une partie de ladite électrode, caractérisée en ce que ladite électrode est munie d'au moins un évidement selon l'invention. Selon le cas la torche à plasma selon l'invention peut comprendre: - ledit évidement est placé en regard d'au moins un orifice d'injection d'au moins un flux gazeux dans ledit corps de torche, de manière à ce qu'au moins une partie dudit flux gazeux soit déviée et/ou guidée par ledit évidement; ledit orifice d'injection et ledit évidement sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection convergente d'au moins une partie dudit flux gazeux; - ledit orifice d'injection et ledit évidement sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection tangentielle à la paroi périphérique externe de ladite électrode d'au moins une partie dudit flux gazeux; - ledit orifice d'injection et ledit évidement sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection combinée vers la paroi périphérique externe de ladite électrode d'au moins une partie dudit flux gazeux. Par injection combinée, on entend une injection réalisée selon une direction intermédiaire entre une injection tangentielle et une injection convergente, ou une combinaison d'une injection tangentielle et d'une injection convergente. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un procédé de soudage, de coupage, de marquage, de rechargement ou de projection plasma, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une électrode selon l'invention ou une torche plasma selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide de schémas, donnés à titre illustratif, mais non limitatif de l'invention. Les figures la et lb représentent des schémas de torches à plasma 10 et de leur mode de fonctionnement. Plus précisément, on voit sur les figures la et lb, une torche à plasma 10 comprenant une électrode portant un insert émissif à son extrémité inférieur 6, laquelle électrode à une forme sensiblement cylindrotronconique allongée et est reliée à la borne négative d'une source 16 de courant. L'électrode 1 est entourée par une tuyère 2 au sein de laquelle sont aménagés des orifices 7 de distribution de gaz plasmagène, ladite tuyère 2 étant reliée à la borne positive de la source de courant 16 (figure la). Plus précisément, l'électrode 1 et la tuyère 2 sont sensiblement coaxiales et définissent une chambre 5 délimitée, d'une part, par la paroi périphérique externe de l'électrode 1 et, d'autre part, par la paroi interne de la tuyère 2. Comme on peut le voir sur les figures la et lb, l'arrivée du gaz plasmagène par les orifices 7 de distribution de gaz, se fait sensiblement perpendiculairement à l'électrode 1, le flux gazeux étant ensuite dévié vers la partie inférieure 6 de l'électrode, puis évacué en un jet de plasma 13 par l'orifice de sortie 3 aménagé dans la partie inférieure de la tuyère 2, de manière à atteindre la pièce à travailler 15. Dans le mode de réalisation de la figure lb, c'est la pièce à travailler 15 qui est reliée au pôle positif de la source de courant 16 et non plus la tuyère 2 comme représenté sur la figure la; pour le reste, la structure de la torche à plasma et son fonctionnement restent sensiblement identiques. Les figures 2a, 2b et 2c représentent, respectivement, des demi-coupes d'une torche à plasma conforme à la figure la ou lb, longitudinale pour la figure 2a et transversales pour les figures 2b et 2c. Plus précisément, on voit sur la figure 2a que l'entrée du gaz plasmagène dans la chambre 5 se fait par l'intermédiaire de l'orifice 7, perpendiculaire à l'axe de l'électrode 1. De cette configuration, il résulte une zone de perturbations ou turbulences 8 du flux gazeux plasmagène perturbant l'écoulement global du gaz plasmagène au sein de la chambre 5 et jusqu'à l'orifice de sortie 3 et donc la stabilité de la racine de l'arc. Ceci apparaît d'ailleurs plus nettement sur les figures 2b et 2c représentant des modes de réalisation avec injection tangentielle ou convergente des gaz dans la chambre 5, respectivement. Les figures 3a, 3b, 4 à 6 représentent, quant à elles, des modes de réalisation d'une électrode pour torche à plasma selon la présente invention. La figure 3a représente une vue partielle en coupe longitudinale d'une torche à plasma, selon l'invention, comprenant une électrode 1 et une tuyère 2 définissant une chambre 5, dans laquelle est introduit un gaz plasmagène par un orifice d'injection 7. Cette électrode 1 selon l'invention a une forme sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique allongée et comporte un évidement, ayant ici en forme de gorge 9, aménagé sur la paroi 15 périphérique externe de l'électrode 1, de manière à constituer un guide pour dévier la ou les veines ou filets gazeux introduits dans la chambre 5 par le ou les orifices 7. En pratique, on choisit une profondeur et une largeur d'évidement 9, c'est-à-dire un volume d'évidement, suffisant et adéquat pour permettre un arrangement et une extension harmonieuse des filets gazeux au sein de la chambre 5, de manière à faciliter leurs changements de direction sans formation de turbulence et un écoulement du flux gazeux à l'intérieur de la chambre 5 jusqu'à l'orifice 3 de la tuyère 2 exempt de toute turbulence susceptible de perturber la stabilité de la racine d'arc. Les figures 3a et 3b permettent de visualiser une injection de gaz dans une torche à plasma selon l'invention. Plus précisément, la figure 3a permet de visualiser le trajet du flux gazeux plasmagène dans une torche à plasma à injection convergente et la figure 3b montre le trajet du gaz plasmagène dans une torche à injection tangentielle. La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d'une électrode 1 selon l'invention, laquelle comporte un insert émissif 4 dans sa partie inférieure 6 et un évidement 9 aménagé sur sa paroi périphérique externe à proximité de ladite extrémité 6, ladite électrode 1 ayant sensiblement une forme cylindrique et étant munie de moyens de montage et fixation 14 de ladite électrode dans la torche 10 à plasma. Les figues 5a et 5b et, respectivement, 6a et 6b représentent chacune une électrode sensiblement identique à celle de la figure 4, mais comportant également des striures ou rainures 11 pratiquées au sein de son extrémité inférieure 6. Les figures 5a et 5b représentent un mode de réalisation d'une électrode 1 destinée, par exemple, à une torche à plasma à amorçage par court-circuit entre l'électrode 1 et la tuyère 2. Les rainures 11 aménagées au sein de l'extrémité 6 de l'électrode 1 permettent un passage du gaz plasmagène lorsque l'électrode 1 est au contact mécanique et électrique de la tuyère 2. Cet aménagement obtenu par une géométrie particulière de l'extrémité 6 de l'électrode 1 évite de rompre le court-circuit et d'établir un premier arc dans une atmosphère dépourvue de gaz adéquat, c'est-à-dire constituée principalement de vapeur métallique, de manière à éviter d'endommager l'électrode 1 et la tuyère 2. Les rainures ou moletages 11 sont par exemple de type radial. Sur les figures 6a et 6b on voit un second mode de réalisation d'une électrode 1 selon l'invention comprenant, d'une part, un évidement 9 sur sa paroi périphérique externe et, d'autre part, comme représenté sur les figures 5a et 5b, des rainures 11 pratiquées au sein de son extrémité 6 inférieure. Cette électrode 1 est une électrode, par exemple, à double circuit de gaz avec alimentation en gaz des rainures de dérivation contrôlée par une section de rainures débouchant dans l'évidement. De par cette disposition, moyennant une bonne adaptation géométrique, on peut réduire notablement l'érosion du matériau émissif de l'électrode tout en garantissant une stabilité du jet plasmagène efficace et propice à l'obtention d'un travail de qualité sur le matériau à traiter. Il en résulte, en outre, un gain en terme de durée de vie de l'électrode et une augmentation de la stabilité d'arc grâce à la combinaison judicieuse de la présence d'un évidement 9 et des rainures 11. L'électrode pour torche à plasma, selon la présente invention, peut être avantageusement utilisée dans tout type de procédé de coupage, de soudage, de projection, de rechargement ou de marquage à l'arc plasma. Revendications 1. Electrode (1) pour torche à plasma ayant une forme sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique allongée, ladite électrode (1) comportant au moins un évidement (9) aménagé sur au moins une partie de sa paroi (15) périphérique externe. 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évidement (9) est aménagé sur toute la périphérie de la paroi (15) périphérique externe. 3. Electrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit évidement (9) est à section profilée et est sensiblement symétrique de révolution. 4. Electrode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un insert (4) émissif à son extrémité inférieure (6). 5. Electrode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une rainure (11) pratiquée au sein de son extrémité (6) inférieure. 6. Torche à plasma comprenant un corps de torche muni d'au moins une électrode (1) et d'au moins une tuyère (2) sensiblement coaxiale entourant au moins une partie de ladite électrode (1), caractérisée en ce que ladite électrode (1) est munie d'au moins un évidement (9) selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Torche à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit évidement (9) est placé en regard d'au moins un orifice d'injection (7) d'au moins un flux gazeux dans ledit corps de torche, de manière à ce qu'au moins une partie dudit flux gazeux soit déviée et/ou guidée par ledit évidement (9). 8. Torche à plasma selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit orifice (7) d'injection et ledit évidement (9) sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection convergente d'au moins une partie dudit flux gazeux. 9. Torche à plasma selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit orifice (7) d'injection et ledit évidement (9) sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection tangentielle à la paroi périphérique externe de ladite électrode (1) d'au moins une partie dudit flux gazeux. 10. Torche à plasma selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que ledit orifice (7) d'injection et ledit évidement (9) sont agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à permettre une injection combinée vers la paroi (15) périphérique externe de ladite électrode (1) d'au moins une partie dudit flux gazeux. 11. Procédé de soudage, de coupage, de marquage, de rechargement ou de projection plasma, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une électrode (1) selon l'une des revendications 1 à 5 ou une torche plasma selon l'une des revendications 6 à 10.