Brevet FR2805958A1 — publié le 20010907

La présente invention concerne une coiffe de protection de la tuyère d'une torche à l'arc plasma et une torche à plasma équipée d'une telle coiffe. Une torche à plasma utilisable dans une opération de coupage, de soudage, de marquage, de projection ou dans toute autre opération de traitement thermique d'un matériau métallique ou non métallique comprend habituellement une électrode en cuivre ou en alliage de cuivre portant un 1o insert cylindrique généralement en hafnium, en tungstène ou en zirconium, sur lequel vient prendre racine l'arc électrique servant à ioniser le gaz alimentant la torche, c'est-à-dire le débit déterminé de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, qui est distribué entre l'électrode et la tuyère et qui s'écoule par un orifice de ladite tuyère en direction de la pièce de travail. L'électrode est généralement centrée au-dessus de cet orifice d'éjection du jet plasma aménagé axialement dans la tuyère et qui forme un diaphragme de constriction. Dans le cas particulier d'une opération de coupage plasma, le dispositif ou système de coupage plasma comprend habituellement une torche à plasma, une source de courant électrique, un système d'allumage d'arc électrique et une ou plusieurs sources de fluides, en particulier de gaz plasmagène, éventuellement de gaz de protection ou de fluide post-injecté, et de fluide de refroidissement de la torche, en général de l'eau distillée. De telles torches ou installations sont bien connues de l'homme du métier car ayant déjà été décrites dans de nombreux documents auxquels on pourra se reporter pour plus de détails, notamment EP-A-599709, EP-A- 872300, EP-A-801882, EP-A-941018, EP-A-144267, EP-A-410875, EP-A- 772957, EP-A-902606, EP-A-810052, EP-A-845929, EP-A-790756, EP-A- 196612, WO-A-89/11941, US-A-4,521,666, US-A-4,059,743, US-A- 4,163,891 et US-A-5,591,357. De façon connue, le coupage à l'arc plasma exploite les effets thermiques et cinétiques d'un jet plasma pour fondre le matériau à découper et expulser le matériau fondu hors de la saignée formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche par rapport à la pièce de travail; la composition ou la nature du gaz plasmagène utilisé variant selon la nature du matériau à couper. La tuyère de la torche se trouve généralement à un potentiel lo électrique intermédiaire compris entre le potentiel électrique de la cathode et celui de la tôle à travailler. Or, pour des raisons mécaniques ou des erreurs de fonctionnement, il arrive que la tuyère entre au contact de la tôle. Il se crée alors un arc parasite qui détruit instantanément la tuyère, ce qui se traduit alors par une détérioration très nette de la qualité de la coupe et/ou oblige l'opérateur à changer la tuyère. La durée d'utilisation de la tuyère s'en trouve donc réduite, ce qui augmente considérablement le coût du procédé puisque les tuyères usagées doivent être remplacées plus fréquemment par des tuyères neuves. Afin de palier ce problème, il a déjà été proposé d'agencer une coiffe de protection autour de la tuyère de la torche de manière à former une barrière mécanique isolante entre la tuyère et la tôle de façon à protéger la tuyère, lors d'un éventuel contact avec la tôle. Pour ce faire, certains documents préconisent d'utiliser des coiffes en stumatite, qui est une céramique naturelle, ou en alumine. Or, il a été constaté, en pratique, que si ces matériaux résistent bien a un choc thermique, ceux-ci sont relativement fragiles et peuvent se casser facilement en cas de choc avec une tôle. Par ailleurs, il et aussi connu d'utiliser une coiffe en zircone. Cependant, là encore, il a été constaté au plan industriel que, si les coiffes en zircone étaient plus solides que les coiffes en stumatite ou en alumine, celles-ci présentaient, par contre, une faible résistance aux chocs et contraintes thermiques. Le problème qui se pose alors est de disposer d'une coiffe pour torche à plasma constituée d'un matériau isolant permettant de résister non seulement à la température élevée du jet de plasma, c'est-à-dire aux contraintes thermiques, mais aussi aux contraintes mécaniques, notamment aux chocs avec la tôle à travailler. Le but de la présente invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant une coiffe de protection pour torche à plasma formée d'un matériau ayant une forte résilience pour résister aux chocs mécaniques, un faible coefficient de dilatation pour résister aux chocs thermiques et qui soit, en outre, un bon isolant électrique. Avantageusement, la coiffe de protection selon l'invention doit aussi être relativement lisse, c'est-à-dire sans aspérité, de façon à ce que les scories projetées durant le travail du métal n'adhèrent pas ou le moins possible à la coiffe. La présente invention concerne alors une coiffe protectrice pour torche de travail à l'arc plasma comprenant un corps de coiffe comportant un orifice de passage de gaz plasma, ledit corps de coiffe étant composé d'au moins un matériau de type céramique, caractérisée en ce que ladite céramique est un nitrure-de silicium ou un silicate d'alumine, de préférence le nitrure de silicium. Selon le cas, la coiffe de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - ledit corps de coiffe présente au moins une section cylindrique et un axe de révolution coaxial avec ledit orifice, de préférence ledit corps de coiffe a une forme générale de manchon ou de coupelle. - le corps de coiffe en céramique est au moins partiellement revêtu de nitrure de bore déposé sur la surface externe du corps de coiffe, de préférence l'épaisseur du revêtement de nitrure de bore est inférieure à 3 mm. Le dépôt de la couche de nitrure de bore sur la surface externe du corps de coiffe est réalisée, par exemple, par pulvérisation de nitrure de bore. - la céramique est du silicate d'alumine formé de SiO2, A1203 et d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205, et éventuellement des impuretés inévitables, dans les proportions suivantes: au moins 60% en poids de SiO2, au moins 25 % en poids de A1203 et le reste étant essentiellement un ou plusieurs des constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205. De préférence la céramique est du silicate d'alumine formé de 60 à % en poids de SiO2, préférentiellement de 60 à 70% de SiO2, de 25 à 35% en poids de A1203, préférentiellement de 28 à 34% en poids de A1203, et pour le reste (jusqu'à environ 100% en poids) d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205. - la céramique est un nitrure de silicium présentant une ou plusieurs des propriétés suivantes: une densité de 2 à 4 kg/dm3, de préférence de 2.3 à 3.5 kg/dm3; une résistance aux chocs thermiques supérieure ou égale à 600 C; une résistivité volumique d'au moins 10 10 Q.cm, de préférence d'au moins 1012 O.cm; un coefficient de dilatation thermique inférieur à 6.106/ C, de préférence inférieur à-4.106/ C; une résistance à la flexion à 20 C d'au moins 200 MPa, de préférence d'au moins 600 MPa; et/ou une résistance à la compression d'au moins 650 MPa, de préférence d'au moins 1500 MPa. - le corps de coiffe a une épaisseur comprise entre 2 mm et 10 mm, au niveau ou à proximité de l'orifice de passage de gaz plasma. - le corps de coiffe comprend des moyens de fixation permettant de fixer ou d'agencer solidairement la coiffe sur une torche à plasma autour d'au moins une partie de la tuyère équipant ladite torche, de manière à entourer et protéger ladite tuyère. - le corps de coiffe est formé d'une partie aval au moins partiellement en céramique portant l'orifice fixée à une partie amont faisant office de support permettant de fixer ledit corps de coiffe sur une torche à plasma, de préférence la partie aval en céramique fixée à la partie amont par sertissage, collage ou tout autre technique adéquate et ladite partie amont est en métal ou en alliage métallique, par exemple en laiton. - la paroi externe du corps de coiffe comprend une ou plusieurs protubérances externes, de préférence lesdites protubérances ont une dimension comprise entre 0.5 et 2 mm par rapport à la surface de la coiffe. L'invention concerne aussi une torche à plasma comprenant un corps de torche et une tête de torche munie d'une électrode et d'au moins une tuyère, caractérisée en ce qu'elle comprend une coiffe protectrice selon lI'invention entourant au moins une partie de ladite tuyère de manière à former une barrière mécanique, électrique et thermique efficace autour de ladite tuyère. Selon le cas, le corps de torche et la tête de torche sont dissociables l'un de l'autre, comme expliqué dans le document EP-A-599709, auquel on 2 o pourra se reporter pour plus de détail. En outre, I'invention porte aussi sur une machine automatique, en particulier de coupage plasma, comportant une torche selon l'invention, ainsi que sur l'utilisation d'une torche ou d'une machine selon l'invention pour couper au moins une plaque métallique par mise en oeuvre d'un jet de plasma, de préférence une plaque en acier. En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que, parmi les nombreuses céramiques susceptibles d'être utilisées en tant que matériau constitutif d'une coiffe pour torche à plasma, à savoir les silicates comprenant les stéatites et les cordiérites, les oxydes de titane, les alumines et les zircones, les céramiques naturelles, telle que la stumatite, certaines d'entre elles présentaient des propriétés particulières inattendues, c'est-à-dire qu'elles présentaient une forte résilience pour résister aux chocs mécaniques, un faible coefficient de dilatation pour résister aux chocs thermiques et pouvaient être rendues relativement lisses par usinage simple. Ces céramiques particulières sont le nitrure de silicium (KERSITTM ou KERNITTM) et le silicate d'alumine, lesquelles céramiques permettent d'allier l'ensemble des contraintes susmentionnées. Une coiffe protectrice pour torche à plasma composée de l'une ou o l'autre des céramiques particulières selon la présente invention est préférentiellement dimensionnée de façon à recouvrir au maximum la tuyère de la torche tout en ne pénalisant pas le fonctionnement de cette dernière, c'est-à-dire en ne perturbant pas le passage du flux de gas plasma. Ainsi la distance entre la tôle et la tuyère étant très faible, l'épaisseur de la coiffe doit être la plus faible possible et doit permettre l'évacuation des scories au-dessus de la tôle. Par ailleurs, des protubérances sur la coiffe permettent de maintenir éloignée la coiffe et la tôle sans pénaliser l'évacuation des scories ou du gaz. De plus, avantageusement, un revêtement externe de la coiffe constitué de nitrure de bore permet, de par ses propriétés physico- chimiques, d'éviter que des scories ou du métal fondu jaillissant de la tôle lors du perçage de celle-ci, par exemple, ne viennent se coller sur la coiffe de protection revêtue de ce revêtement externe. L'invention va maintenant être mieux comprise au vu des figures annexées et des exemples, donnés à titre illustratif mais non limitatif de l'invention. La figure 1 schématise une torche de coupage plasma alimentée par une source de courant 5 électrique reliée à un système d'allumage 6 d'arc électrique permettant de générer un arc pilote entre la tuyère 2 et l'électrode 1, et par divers fluides, tel que le gaz plasmagène 3. Une coiffe de protection 7 isolante en céramique selon l'invention protège la tuyère 2 de la torche. Selon un mode de réalisation particulier, la coiffe 7 isolante en céramique peut être assemblée par collage, sertissage ou tout autre moyen d'assemblage à un support métallique en cuivre, en laiton ou tout autre matériau métallique. Pendant, le coupage un jet plasma fait fondre le matériau 11 à découper et expulse le matériau 10 fondu hors de la saignée formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche et de la pièce de travail 11. La torche à plasma comprend aussi une électrode 1 o vient lo prendre racine l'arc électrique servant à ioniser le gaz alimentant la torche, c'est-à- dire le débit déterminé de gaz plasmagène sous pression, qui est distribué et s'écoule dans la chambre plasmagène située entre l'électrode 1 et la tuyère 2. Le jet de plasma est alors expulsé hors de la chambre plasmagène par un orifice aménagé dans la tuyère 2 et en direction de la tôle 11 à couper. Pour ce faire, l'électrode 1 est classiquement centrée au- dessus de l'orifice d'éjection du jet plasma aménagé axialement dans la tuyère 2. Une coiffe selon l'invention peut équiper tout type de torche à plasma, quelle soit en une partie ou en deux parties dissociables l'une de l'autre (schématisée sur la figure 2), à savoir une tête 13 de torche et un corps 12 de torche, telle la torche démontable décrite dans le document EP-A- 599709, ainsi que schématisé sur les figures 3 ou 4 qui représentent la tête 13 de torche après dissociation du corps 12 de torche. Comme on peut le voir, sur les figures 3 ou 4, la coiffe 7 protectrice selon l'invention peut être formée de deux parties, à savoir: - une partie aval 7a en céramique comprenant l'orifice de passage du gaz et destinée à englober la majeure partie de la tuyère 2, et - une partie amont 7b en métal, tel le laiton, faisant office de support et d'armature métalliques, et servant au raccordement et à la fixation de la coiffe sur la torche 1. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la partie amont en céramique est sertie sur le support métallique, alors que dans le mode de réalisation de la figure 4, la partie amont en céramique est collée sur ledit support métallique. La figure 5 représente une coiffe 7 protectrice selon l'invention en vue de profil o l'on voit apparaître des protubérances 15 sur la partie aval 7a du corps 7 de coiffe qui permettent d'éviter tout contact mécanique direct avec la tôle sans pénaliser l'évacuation des scories ou du gaz entre la torche équipé de la coiffe et la tôle à travailler. La figure 6 représente une vue de dessous de la coiffe de la figure 5 faisant mieux apparaître la disposition des protubérances 15, qui sont au nombre de trois et réparties autour de l'orifice de sortie 17. Comme on peut le voir sur la figure 7, qui est une vue en coupe longitudinale selon A-A de la coiffe des figures 5 et 6, la coiffe protectrice pour torche à plasma selon l'invention est de forme cylindrotronconique et se compose, dans ce mode de réalisation, d'une céramique 11 particulière selon la présente invention fixée, par exemple par collage, à une structure ou armature métallique 10 interne. Le corps de coiffe 7 comprend aussi des moyens de fixation 18, tel un filetage ou analogue, permettant de fixer ou d'agencer solidairement la coiffe sur une torche à plasma autour d'au moins une partie de la tuyère équipant ladite torche, de manière à entourer et protéger ladite tuyère. Avantageusement, une couche d'un revêtement de nitrure de bore est déposée sur la partie en céramique et est renouvelée après un temps déterminé d'utilisation de la torche ou après usure de celle-ci. La coiffe 7 protectrice selon l'invention peut être utilisée pour protéger la tuyère et les autres pièces fragiles de la tête de torche de n'importe quel type d'installation de découpe plasma, qu'elle soit manuelle ou automatique. Préférentiellement, la torche selon l'invention est de type monoflux, le flux de gaz pouvant être un flux tourbillonnaire ou axial. L'invention a été décrite ci-dessus en relation avec une torche de coupage plasma, mais il est bien entendu que l'application de cette invention n'est pas limitée aux seules torches de coupage et qu'elle concerne en tout ou partie les torches de marquage, de soudage, de projection et d'une façon générale toute torche de traitement thermique des matériaux métalliques ou non métalliques. Exemple d'une coiffe en silicate d'alumine selon l'invention Le tableau I ci-après donne la composition chimique d'un silicate d'alumine utilisable pour réaliser toute ou partie d'une coiffe de protection pour torche à plasma selon la présente invention. Tableau I Eléments constituants le Proportion de chaque élément silicate d'alumine( en % en poids) Perte au feu (séchage à 110 C) 0.61 SiO2 63.58 A1203 31.44 TiO2 1.79 Fe2O3 1.02 CaO 0.11 MgO K20 0.81 Na2O 0.23 P205 0.18 TOTAL environ 99.77 Les valeurs (%) sont déterminées en faisant le rapport pondérai en grammes de chaque constituant pour 100 grammes de matière (silicate d'alumine) séchée à 110 C et sont déterminées par spectrométrie de fluorescence X. Exemple d'une coiffe en nitrure de silicium selon l'invention Le tableau Il ci-après donne les caractéristiques de plusieurs nitrures de silicium (NS1, NS2, NS3) utilisables pour réaliser toute ou partie d'une o10 coiffe de protection pour torche à plasma selon la présente invention. Tableau II Propriétés NS1 NS2 NS3 Densité (en kg/dm3) 2.5 3.3 3.2 Résistance aux chocs thermiques (variation de 200 850 650 température en C) Résistivité volumique (en O.cm) >1010 >1012 >10 o12 Coefficient de dilatation thermique (10-6/ C) 3.1 3.3 3.3 Résistance à la flexion à 20 C (en MPa) > 600 >600 >600 Résistance à la compression (en MPa) 650 >3000 >3000 Les nitrures de silicium (NS1, NS2, NS3) répondant aux spécifications cidessus sont disponibles commercialement notamment auprès de la société MORGAN-MATROC sous les références RBSN, HPSN et SSN, respectivement, ou encore auprès de la société NORTON-DEMARQUEST sous les références KERSITTM ou KERNITTM. Les nitrures de silicium NS2 et NS3 sont préférés car ils présentent des propriétés de résistance thermique et mécanique, et isolantes meilleures que celles de NS1. Revendications 1. Coiffe protectrice pour torche de travail à l'arc plasma comprenant un corps de coiffe (7) comportant un orifice (17) de passage de gaz plasma, au moins une partie dudit corps de coiffe (7) étant composé d'au moins un matériau de type céramique, caractérisée en ce que ladite céramique est du nitrure de silicium ou du silicate d'alumine. 2. Coiffe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit corps 1o de coiffe (7) présente au moins une section cylindrique et un axe de révolution coaxial avec ledit orifice (17), de préférence ledit corps de coiffe (7) a une forme générale de manchon ou de coupelle. 3. Coiffe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit corps de coiffe (7) en céramique est au moins partiellement revêtu de nitrure de bore déposé sur la surface externe -du corps de coiffe en céramique, de préférence l'épaisseur du revêtement de nitrure de bore est inférieure à 3 mm. 4. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la céramique est du silicate d'alumine formé de 'SiO2, A1203 et d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205, dans les proportions suivantes: au moins 60% en poids de SiO2, au moins 25 % en poids de A1203 et le reste étant essentiellement un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205, de préférence la céramique est du silicate d'alumine formé de 60 à 80% en poids de SiO2, de 25 à 35% en poids de A1203 et pour le reste (jusqu'à environ 100% en poids) d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe203, CaO, MgO, K20, Na20 et P205. 5. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la céramique est un nitrure de silicium présentant une ou plusieurs des propriétés suivantes: - une densité de 2 à 4 en kg/dm3, - une résistance aux chocs thermiques supérieure ou égale à 600 C, - une résistivité volumique d'au moins 1010 Q.cm, - un coefficient de dilatation thermique inférieur à 6.1 0-6/o C, - une résistance à la flexion à 20 C d'au moins 200 MPa, - une résistance à la compression d'au moins 650 MPa. 6. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit corps de coiffe (7) est formé d'une partie aval (7a) au moins partiellement en céramique portant l'orifice (17) fixée à une partie amont (7b) lo faisant office de support permettant de fixer ledit corps de coiffe (7) sur une torche à plasma, de préférence la partie aval (7a) en céramique fixée à la partie amont (7b) par sertissage ou collage et ladite partie amont (7b) est en métal ou en alliage métallique. 7. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la paroi externe du corps de coiffe (7) comprend une ou plusieurs protubérances (15) externes, de préférence lesdites protubérances (15) ont une dimension comprise entre 0.5 et 2 mm par rapport à la surface de la coiffe (7). 8. Torche à plasma comprenant un corps (12) de torche et une tête (13) de torche munie d'une électrode et d'au moins une tuyère (2), caractérisée en ce qu'elle comprend une coiffe protectrice (7, 7a, 7b, 17) selon l'une des revendications 1 à 7 entourant au moins une partie de ladite tuyère (2) de manière- à former une barrière mécanique, électrique et thermique autour de ladite tuyère (2). 9. Torche selon la revendication 8, caractérisée en ce que le corps (12) de torche et la tête (13) de torche sont dissociables l'un de l'autre. 10. Machine automatique, en particulier de coupage plasma, comportant une torche selon la revendication 8 ou 9. 11. Utilisation d'une torche selon l'une des revendications 8 ou 9 ou d'une machine selon la revendication 10 pour couper au moins une plaque métallique par mise en oeuvre d'un jet de plasma, de préférence une plaque en acier.