Brevet FR2777214A1 — publié le 19991015

La présente invention concerne une torche et un procédé de travail à l'arc électrique, en particulier un procédé de coupage plasma, mettant en oeuvre, d'une part, une électrode en tungstène et, d'autre part, un gaz plasmagène non-oxydant et un gaz plasmagène oxydant. Le coupage à l'arc plasma des tôles et autres structures métalliques est une technique largement répandue dans l'industrie. En général, un dispositif de coupage à l'arc plasma comprend une source électrique à courant continu, laquelle est connectée, d'une part, à une torche de coupage plasma et, d'autre part, à la pièce à découper; le pôle négatif de la source de courant étant relié à l'électrode de la torche à plasma, encore appelée cathode, et le pôle positif de ladite source de courant étant relié à la pièce à découper, laquelle fait office d'anode. L'établissement d'un arc électrique entre l'électrode de la torche à plasma et la pièce à découper se fait notamment par le biais d'un gaz plasmagène qui subit une ionisation au moins à l'intérieur de la torche à plasma et, plus précisément, au moins dans l'espace séparant la tuyère de l'électrode équipant ladite torche. L'ionisation du gaz plasmagène étant ensuite poursuivie dans le jet ou colonne de gaz plasmagène sortant par l'orifice de la tuyère de la torche à plasma; ledit jet de gaz assurant aussi le transfert de l'arc électrique à la pièce en métal à découper. On parle alors de procédé à arc plasma transféré. En général, pour former la saignée et obtenir le profil de coupe désiré, il est d'usage de maintenir la torche à plasma, lors de son fonctionnement à une distance sensiblement constante de la pièce à découper et de déplacer ladite torche par rapport à ladite pièce à découper à une vitesse également sensiblement constante. Actuellement, il existe deux types principaux de torches à plasma à arc transféré susceptibles d'être utilisés dans un procédé de coupage plasma, à savoir les torches mono-gaz ou mono-flux, et les torches bi-gaz ou double-flux. Plus précisément, une torche mono-gaz met en oeuvre un flux unique de gaz plasmagène, destiné à permettre l'établissement d'un arc électrique entre l'électrode et la pièce à découper, à assurer la stabilisation de la racine d'arc sur l'électrode et à engendrer le processus de découpe de la pièce à découper par effets thermique, cinétique et/ou chimique conjugués au jet plasmagène proprement dit. Dans ce cas, la qualité de la découpe obtenue est principalement fonction du choix du gaz plasmagène utilisé compte tenu de la nature du matériau à découper, du mode de distribution dudit gaz dans la chambre plasmagène, ainsi que d'autres paramètres conditionnant la géométrie du jet de gaz plasma, telle sa vitesse d'écoulement et la répartition des zones de température. Une torche mono-gaz est notamment décrite dans le document US-A-4977305. Par ailleurs, le principe de fonctionnement d'une torche bi-gaz ou double-flux est identique à celui d'une torche mono-gaz, mais comprend habituellement, en outre, un ou plusieurs circuits de gaz supplémentaires permettant de distribuer au moins un second gaz, en général, périphériquement au jet de plasma sortant de la tuyère. Bien que ce gaz supplémentaire produise des effets cinétiques et chimiques additionnels permettant, dans certaines applications, d'améliorer la qualité des découpes, ce gaz supplémentaire ne participe pas ou peu à la formation du jet de plasma, de par une ionisation très faible, voire quasi nulle. Dans certains cas, l'addition d'un gaz supplémentaire périphériquement au jet de plasma engendre une action thermique de stabilisation de la veine centrale dudit jet de plasma par refroidissement de la couche périphérique externe de celui-ci et concentration de l'énergie dans l'âme du jet de plasma. Des torches à plasma semblables sont notamment décrites par les documents US-A-3575568 et US-A-5558786. De manière générale, ces deux types de torches à plasma, à savoir mono ou bi-gaz, sont utilisés avec des gaz plasmagène aussi bien de type oxydant que de type non-oxydant. Cependant, dans tous les cas, il convient de veiller à une compatibilité correcte du gaz plasmagène avec la nature du métal constituant l'électrode de la torche. Ainsi, lorsque la torche est utilisée pour mettre en oeuvre un gaz nonoxydant, tel de l'azote ou un mélange argon/hydrogène, azote/hydrogène ou azote/argon/ hydrogène, on utilise habituellement une électrode en tungstène. Une telle association électrode en tungstène/gaz non-oxydant permet d'obtenir une durée de vie accrue de ladite électrode. Les torches à plasma mettant en oeuvre un flux gazeux non-oxydant sont classiquement utilisées pour découper les aciers inoxydables et les alliages légers. En outre, lorsque la torche est une torche bi-gaz, le deuxième gaz peut être de la même famille que le gaz plasmagène ou un gaz différent, tel notamment le dioxyde de carbone ou un hydrocarbure, gaz neutre ou mélange gaz neutre, un gaz actif. A l'inverse, pour les torches à gaz oxydant, des électrodes en tungstène sont à proscrire à cause de leur détérioration rapide en présence du gaz oxydant. En effet, la présence d'oxygène dans le gaz entraîne la formation d'un oxyde à bas point de sublimation sur l'électrode en tungstène et engendre une destruction accélérée de celle-ci. De là, il est d'usage d'utiliser avec ce type de torche une électrode en zirconium ou en hafnium, qui présente un comportement nettement plus satisfaisant en présence d'oxygène que les électrodes en tungstène. Cependant, il n'en demeure pas moins que la durée de vie d'une électrode en zirconium ou hafnium en présence de gaz oxydant est nettement plus faible que celle d'une électrode en tungstène en présence de gaz nonoxydant, et ce, d'autant plus faible que l'intensité du courant de coupe est élevée. Ainsi, pour des intensités supérieures à 150 A, la durée de vie d'une électrode en zirconium ou en hafnium peut être d'environ 4 à 10 fois inférieure à celle d'une électrode en tungstène. Or, il est connu que les gaz oxydants, plus particulièrement l'oxygène, présentent un grand intérêt pour la découpe notamment des aciers de construction car procurant des qualités et des performances de coupe sans équivalent. Mais, compte tenu du problème d'usure des électrodes en zirconium et en hafnium susmentionné, les applications industrielles sont généralement limitées à des intensités inférieures ou égales à 300 A. Dans certaines applications, un deuxième gaz, tel un mélange d'azote et d'oxygène, peut être distribué à la périphérie du jet de gaz oxydant pour éviter l'aspiration de l'air ambiant, améliorer la stabilité du pied anodique de l'arc dans la saignée en cours de formation et ainsi la qualité de coupe résultante. En d'autres termes, il est actuellement très difficile d'assurer, avec un gaz oxydant et une électrode en hafnium, un fonctionnement d'une torche et d'un procédé de coupage plasma d'une durée supérieure ou égale à celle obtenue avec un gaz non-oxydant et une électrode en tungstène; ceci étant d'autant plus vrai que l'intensité du courant mis en oeuvre est forte. Le but de la présente invention est donc de pallier les problèmes susmentionnés, c'est-à-dire d'obtenir, quelle que soit l'intensité du courant mis en oeuvre, une durée de fonctionnement d'une torche de travail à l'arc électrique, telle une torche de coupage plasma ou de soudage TIG, mettant en oeuvre un gaz oxydant sensiblement comparable à celle obtenue avec une torche équipée d'une électrode en tungstène et utilisant un gaz non-oxydant, et ce, en conservant ou en améliorant les performances en termes de qualité et/ou de vitesse de coupe, notamment des aciers de construction, et/ou de qualité de la soudure obtenue. La présente invention concerne alors un procédé de travail à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche comprenant une électrode en tungstène et une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie de gaz, dans lequel: - on alimente ladite torche avec au moins un gaz non-oxydant, ledit gaz non-oxydant venant au contact direct d'au moins une partie de l'électrode en tungstène, - on forme au moins un jet principal de gaz non- oxydant contenant au moins une partie dudit gaz non- oxydant à l'état ionisé et l'arc électrique, ledit jet principal de gaz non-oxydant sortant sous forme de jet plasmagène par l'orifice principal de ladite tuyère principale, - on alimente, en aval de l'orifice de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non- oxydant avec au moins un flux d'au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant et dudit gaz oxydant. Selon le cas, le procédé de l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant de manière à empêcher toute entrée de gaz oxydant dans ladite tuyère principale et/ou tout contact dudit mélange avec l'électrode en tungstène; - on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant, de manière à obtenir des bords de coupe de la pièce à découper sensiblement exempts de bavure; - on ajuste les proportions de gaz oxydant et de gaz non-oxydant en agissant sur au moins un paramètre choisi parmi le site d'injection du gaz non- oxydant, le site d'injection du gaz oxydant, la pression du gaz oxydant, la pression du gaz non-oxydant, le débit du gaz oxydant et le débit du gaz non-oxydant; - le gaz non-oxydant est choisi parmi l'azote, l'argon, l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges; - le gaz oxydant est choisi parmi l'oxygène, l'air, le dioxyde de carbone, l'ozone et leurs mélanges; - il est choisi parmi les procédés de coupage plasma, soudage plasma, marquage plasma, rechargement plasma et de projection plasma ou les procédés de soudage TIG. L'invention concerne également une torche de travail à l'arc électrique, telle une torche de coupage plasma ou une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), comprenant: - une électrode en tungstène, - des moyens d'alimentation en gaz non-oxydant, - des moyens d'alimentation en gaz oxydant, - des moyens permettant de former un jet principal de gaz contenant au moins le gaz non-oxydant et l'arc électrique, - une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie du jet principal de gaz, - des moyens de distribution permettant d'alimenter, en aval de l'orifice de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non-oxydant avec au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant et dudit gaz oxydant. De préférence, la torche selon l'invention comporte une seconde tuyère munie, elle aussi, d'un orifice de sortie de gaz, les orifices de sortie de gaz desdites deux tuyères étant coaxiaux. Selon un autre aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'une torche à plasma selon l'invention pour le coupage de l'acier ou d'un matériau contenant du fer, tels notamment les aciers de construction non-alliés ou faiblement alliés. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail en référence aux figures annexées, données à titre illustratif, mais non limitatif. La figure 1 représente un schéma de la technique du coupage plasma à l'arc transféré. Plus précisément, sur cette figure 1 est représentée, en coupe longitudinale partielle, l'extrémité active d'une torche 1 de coupage plasma comportant une électrode 2 et une tuyère 10 munie d'un orifice principal 13 d'éjection du jet plasmagène 7. Une source électrique 5 à courant continu et connectée, par son pôle négatif, à l'électrode 2 ou cathode de la torche 1 à plasma et, par son pôle positif, à la pièce à couper 12 faisant office d'anode, par exemple une tôle en acier. Un gaz 3 est introduit dans la chambre à plasma 9 séparant l'électrode 2 de la tuyère 10 de la torche 1; l'introduction du gaz pouvant être laminaire ou tourbillonnaire. Après ionisation du gaz 3 dans la chambre à plasma 9, l'arc électrique 6 est transféré par le biais du jet de gaz plasmagène 7 ionisé entre l'électrode 2 et la pièce à couper 12, et il se forme alors une saignée 8 de découpe au sein de la pièce 12 à couper. Les figures 2 et 3 représentent, quant à elles, des schémas analogues à celui de la figure 1, d'une torche à plasma mono-gaz et d'une torche à plasma bi-gaz, respectivement. Ainsi, la figure 2 schématise le mode de fonctionnement d'une torche mono-gaz selon l'art antérieur, selon lequel un gaz 3 de type non-oxydant, par exemple de l'azote ou de l'argon, est utilisé en association avec une électrode 2 en tungstène. Comme susmentionné, l'association d'une électrode 2 en tungstène et d'un gaz non-oxydant permet d'accroître la résistance de l'électrode aux sollicitations de l'arc plasma 6, c'est-à-dire d'augmenter la durée de vie de l'électrode 2, grâce à une faible usure de celle-ci. Cependant, la qualité de la coupe obtenue et/ou la vitesse de coupe ne peuvent être considérées comme réellement satisfaisantes, en particulier lors de la découpe d'un acier de construction non-allié ou faiblement allié. Par ailleurs, la figure 3 représente une torche à plasma bi-gaz, encore appelée torche double-flux, comprenant comme précédemment une électrode 2, une tuyère munie d'un orifice 13 principal de sortie du jet de gaz principal 7 et séparée de l'électrode 2 par une chambre à plasma 9 dans laquelle est introduite le gaz non-oxydant 3. Selon la figure 3, la torche 1 comporte également une seconde tuyère ou buse formant manchon autour d'au moins une partie de la tuyère principale 10, au sein de laquelle une seconde tuyère 14 est pratiquée un orifice 19 coaxial de l'orifice 13 porté par la tuyère 10, de manière à permettre le passage du jet principal de gaz plasmagène 7, de l'arc électrique 6 et d'un gaz secondaire 4 introduit dans l'espace 15 séparant la tuyère principale 10 de la seconde tuyère 14. Lorsque le gaz 3 et le gaz secondaire 4 sont de type non-oxydant, l'électrode 2 est en tungstène; la torche bi-gaz présente alors les inconvénients de la torche mono-gaz de la figure 2. A l'inverse, lorsque le gaz plasmagène 3 et le gaz secondaire 4 sont de type oxydant, l'électrode 2 est alors en zirconium ou en hafnium. Or, ainsi que susmentionné, la durée de vie d'une électrode 2 à insert émissif en hafnium ou zirconium peut être d'environ 4 à 10 fois inférieure à celle d'une électrode 2 en tungstène associée à un gaz non- oxydant, mais tend à présenter de meilleures performances en terme de qualité de coupe, en particulier lors d'une découpe d'acier de construction. Les figures 4 et 5 représentent des schémas, en coupe longitudinale partielle, de l'extrémité active d'une torche à plasma 1 selon la présente invention dotée d'une électrode 2 en tungstène portée par un porte- électrode 17 en cuivre par exemple, ladite électrode étant refroidie par échange thermique avec un fluide de refroidissement amené par un tube plongeur 21. Un gaz plasmagène 3 non-oxydant, tel de l'azote ou de l'argon, est introduit dans la chambre plasmagène 9 séparant l'électrode 2 de la tuyère principale 10, puis est éjecté par l'orifice principal 13 de sortie du jet principal plasmagène 7 et de l'arc électrique 6. Selon le mode de réalisation de la figure 4, la tuyère principale 10 comprend une première paroi 23 interne et une deuxième paroi 24 externe délimitant un espace intra-tuyère 25 dans lequel chemine un gaz oxydant 4, tel de l'oxygène ou de l'air. Cet espace intra-tuyère 25 débouche en aval de l'orifice 13 de la tuyère principale 10, de manière à permettre un mélange au moins partiel du jet 7 de gaz plasmagène non-oxydant ionisé avec le gaz oxydant 4. En d'autres termes, cet espace intra-tuyère 25 canalise le gaz oxydant 4 vers la colonne formée par le gaz plasmagène ionisé 7 et l'arc électrique 6. En procédant ainsi, on obtient un jet plasmagène formé d'un mélange de gaz oxydant et de gaz non-oxydant présentant de bonnes performances de coupe et on évite, en outre, toute entrée néfaste de gaz oxydant, tel l'oxygène, au sein de la chambre plasmagène 9, c'est-à- dire tout contact entre le gaz oxydant 4 et l'électrode 2 en tungstène. La figure 5 est analogue à la figure 4, mais représente cette fois un mode de réalisation selon lequel, l'espace intra-tuyère 25 véhiculant et canalisant le gaz oxydant 4 est délimité, d'une part, par une première paroi 23 portée par l'électrode 2 et, d'autre part, une deuxième paroi 24 externe constituée par la tuyère principale 10. Comme précédemment, la distribution de gaz oxydant est réalisée en aval de l'orifice principal 13 de la tuyère principale et vers la colonne 6, 7 de jet plasmagène composé du gaz plasmagène non- oxydant 7 ionisé au sein de la chambre à plasma 9 et de l'arc électrique 6 prenant racine sur ou à proximité de l'électrode 2 en tungstène. De manière générale, les modes de réalisation représentés sur les figures 4 et 5 exploitent les avantages des torches à gaz plasma non- oxydant, à savoir une durée de vie élevée de l'électrode 2 en tungstène, et des torches à gaz oxydant, à savoir l'obtention de performances notamment de qualité et de vitesse de coupe élevée, en particulier lors du coupage des aciers de construction non-alliés ou faiblement alliés. En d'autres termes, la présente invention permet de séparer, d'une part, les fonctions de génération de l'arc et de stabilisation de la racine cathodique dudit arc électrique et, d'autre part, de génération du processus de coupage du matériau. Toutefois, afin de garantir la longévité ou durée de vie de l'électrode 2 en tungstène, il convient d'éviter tout contact direct entre le flux de gaz oxydant 4 et ladite électrode 2. Pour ce faire, on veille à ce que le rapport des débits de gaz plasmagène non-oxydant 3 et de gaz oxydant 4 soient tels que la quantité de gaz non-oxydant soit suffisamment faible par rapport à la quantité de gaz oxydant pour ne pas pénaliser les performances de coupe, étant donné que le gaz utile permettant de garantir lesdites performances de découpe est principalement le gaz oxydant. On choisit et on dimensionne alors les sites d'injection du gaz nonoxydant 3 et du gaz oxydant 4 et les sections des passages desdits gaz dans la chambre plasmagène 9 et l'espace intra-tuyère 25, respectivement, de manière à limiter le débit de gaz non-oxydant 3 et à favoriser le débit dudit gaz oxydant 4. Pour un mode de réalisation de tuyère 10 à deux étages, tel que représenté sur la figure 4, il convient alors de limiter, pour le premier étage, la section de passage et la longueur du canal d'éjection de l'orifice principal 13 au maximum admissible mais en prenant garde d'éviter une destruction dudit canal d'éjection de l'orifice principal 13 par des arcs électriques parasites, alors que, pour le deuxième étage, on choisit une grande section de passage de la colonne de gaz plasmagène et du flux de gaz oxydant, de manière à obtenir un débit suffisant pour évacuer le métal fondu et éviter les bavures sur la pièce à découper; le premier étage étant délimité par la première paroi 23 et le second étage étant délimité par la seconde paroi 24. La constriction de l'arc électrique est alors assurée par une proportion choisie entre la section et la longueur du canal d'éjection, d'o il résulte une bonne qualité de coupe et une absence ou une quasi- absence d'arc électrique parasite. En outre, la torche à plasma selon l'invention permet d'obtenir un jet de gaz plasmagène formé par un mélange gazeux en proportion choisie mais en s'affranchissant de l'utilisation de tout mélangeur de gaz. En outre, une torche à plasma selon l'invention permet de pratiquer une découpe sous gaz oxydant, tel l'oxygène, sans limitation de l'intensité du courant de l'arc électrique mis en oeuvre, c'est-à-dire en permettant de travailler sous des intensités de courant de coupe plus élevées que dans des conditions classiques, par exemple pour des intensités de courant supérieures à 300 A, voire même supérieures à 450 A, et ce, sans pénaliser la productivité du procédé ce qui permet de découper des tôles d'acier ayant une épaisseur pouvant atteindre de 25 à 100 mm par exemple. La torche à plasma à arc électrique transférée selon la présente invention peut être de type manuel ou automatique, et être appliquée à toute opération de coupage, soudage, marquage ou projection plasma. En outre, on utilise, de préférence, un gaz non- oxydant contenant une faible proportion d'impuretés de type oxygène et/ou vapeur d'eau, de manière à éviter une usure ou une détérioration de l'électrode en tungstène par lesdites impuretés. Avantageusement, le gaz non- oxydant contient moins de 20 ppm d'oxygène et moins de 80 ppm de vapeur d'eau, tant qu'impuretés. Le maintien d'une faible teneur en impuretés dudit gaz non-oxydant peut être effectué grâce à l'emploi de gaz non-oxydant de pureté suffisante pour garantir lesdites teneurs et/ou grâce à la mise en oeuvre d'une étanchéité suffisante des matériels (conduites d'alimentation, torche..) et/ou à l'agencement sur les moyens d'alimentation en gaz non- oxydant de moyens de purification permettant d'éliminer lesdites impuretés H20 et/ou 02. Revendications 1. Procédé de travail à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche comprenant une électrode en tungstène et une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie du gaz, dans lequel: - on alimente ladite torche avec au moins un gaz non-oxydant, ledit gaz non-oxydant venant au contact direct d'au moins une partie de l'électrode en tungstène, - on forme au moins un jet principal de gaz non- oxydant contenant au moins une partie dudit gaz non- oxydant à l'état ionisé et l'arc électrique, ledit jet principal de gaz non-oxydant sortant par ledit orifice principal de ladite tuyère principale, - on alimente, en aval de l'orifice principal de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non-oxydant avec au moins un flux d'au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non- oxydant et dudit gaz oxydant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant de manière à empêcher toute entrée de gaz oxydant ou d'air ambiant dans ladite tuyère principale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant, de manière à obtenir des bords de coupe de la pièce à découper sensiblement exempts de bavure. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions de gaz oxydant et de gaz non-oxydant en agissant sur au moins un paramètre choisi parmi le site d'injection du gaz oxydant, le site d'injection du gaz non-oxydant, la pression du gaz oxydant, la pression du gaz non-oxydant, le débit du gaz oxydant et le débit du gaz non-oxydant. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz non-oxydant est choisi parmi l'azote, l'argon, l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz oxydant est choisi parmi l'oxygène, l'air, l'ozone, le dioxyde de carbone et leurs mélanges. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de coupage plasma, soudage plasma, marquage plasma, rechargement plasma et de projection plasma ou les procédés de soudage TIG. 8. Torche (1) comprenant: - une électrode (2) en tungstène, - des moyens d'alimentation en gaz non-oxydant (3), - des moyens d'alimentation en gaz oxydant (4), - des moyens (9, 23) permettant de former un jet (7) principal de gaz contenant au moins une partie dudit gaz plasmagène non-oxydant (3) et ledit arc électrique (6), - une tuyère principale (10) munie d'un orifice (13) principal de sortie dudit jet principal (7) de gaz plasmagène, - des moyens de distribution (24, 25) permettant d'alimenter, en aval de l'orifice (13) principal de sortie de ladite tuyère principale (10), ledit jet principal (7) de gaz non-oxydant avec au moins un gaz oxydant (4), de manière à obtenir un jet total (4') de gaz plasmagène contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant (3) et dudit gaz oxydant (4). 9. Torche selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde tuyère (14) comprenant un second orifice (19) de sortie de gaz, lesdits orifice principal (13) et second orifice (19) étant coaxiaux. 10. Utilisation d'une torche à plasma (1) selon l'une des revendications 8 ou 9 pour le coupage d'une pièce en acier, telle une pièce en acier de construction non-allié ou faiblement allié.