Brevet FR2798083A1 — publié le 20010309

La présente invention concerne le domaine des procédés à arc plasma pour le traitement ou le travail thermique des matériaux métalliques, en particulier un procédé et un dispositif de découpe par jet de plasma d'une pièce métallique, notamment d'une pièce en acier de construction ou en acier inoxydable. Un système ou une installation de coupage plasma comprend typiquement une torche à plasma, une source de courant électrique, un système d'allumage d'arc et des lignes d'alimentation en fluides, tels que le gaz plasmagène, éventuellement un gaz de protection ou un fluide post- injecté, et un fluide de refroidissement de la torche, par exemple de l'eau distillée. Habituellement, une torche de coupage plasma peut être tenue à la main ou peut être montée sur une machine automatique de découpe de type 2 D, de type portique X-Y, ou de type 3 D, c'est-à-dire de type robot. Le procédé de coupage plasma exploite les effets thermique et cinétique du 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 et de la pièce de travail. De tels procédés de coupage plasma ou de soudage plasma sont décrits dans de nombreuses publications et, à ce titre, on peut citer les documents suivants auxquels on peut se reporter pour plus de détails : EP- A-599709 US-A-4,280,042 US-A-4,625,094 US-A-4,527,038 US-A- 4,555,609 US-A-4,567,346 US-A-4,682,005 US-A-4,692,582 US-A- 4,855,566; US-A-4,885,455; EP-A-278797 ; EP-A-326445 ; EP-A-8175471 EP-A-750449; FR-A-2650522 et US-A-5,083,005. Dans l'art antérieur, comme expliqué en détail ci-après en références à la Figure l a, le pôle négatif (-) de la source de courant continu est toujours relié à l'électrode ou cathode de la torche à plasma , alors que le pâle positif (+) est, à l'inverse, toujours relié à la pièce à travailler ou anode. Après établissement d'un arc pilote, généralement d'une intensité de courant inférieure à celle utilisée pour le travail de découpe, entre l'électrode et la tuyère de la torche, l'arc est habituellement transféré à la pièce de travail. De plus, le circuit électrique de la tuyère est ouvert, l'intensité de courant de l'arc est portée à une valeur correspondant à l'intensité de courant de coupe et le gaz plasmagène de l'arc pilote est éventuellement remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe. De l'art antérieur, il est également connu que le procédé de coupage plasma permet la découpe de matériaux tels que les aciers de construction, les aciers inoxydables et les alliages légers et que l'intensité du courant de coupe est ajustée en fonction de l'épaisseur à couper. A titre d'illustration, les intensités de courant de coupe en fonction de deux épaisseurs à couper sont données dans le Tableau 1 suivant. Tableau 1 intensité du courant Epaisseur de la tôle (en Ampères) (en mm) 300 50 640 110 Il ressort clairement du Tableau 1 que, plus l'épaisseur du matériau à couper augmente, plus l'intensité du courant augmente. Or, travailler à de fortes intensités de courant, en particulier celles supérieures à 650, a fortiori celles supérieures à 1000 A, engendrent un certains nombre de problèmes, d'une part, pour le concepteur ou le fabricant de sources de courant, c'est-à-dire de générateurs ou postes de coupage, qui se heurte à des problèmes technologiques, tels que choix et disponibilté des composants électroniques, dissipation calorifique, régulation du courant, couplage de plusieurs sources.... et, d'autre part, pour l'utilisateur qui est confronté à des problèmes d'encombrement et de poids de la source de courant, de prix global de l'installation, de la source de courant et des câbles d'alimentation et de distribution électrique, et de la torche elle-même, étant donné que tous ces matériels doivent pouvoir résister à de tels niveaux d'intensité ..... ainsi qu'un coût d'exploitation élevé du fait, notamment, des fortes consommations électriques et de fluides de refroidissement de l'installation. De là, se pose le problème de pouvoir couper des épaisseurs de métal relativement importantes, par exemple supérieures à 100 mm, sans faire appel à des intensités de courant de coupe très élevées, c'est-à-dire en mettant en oeuvre des intensités de courant très inférieures à celles connues de l'art antérieur pour l'épaisseur considérée, de préférence des intensités de courant d'environ de 50% à 75% inférieures à celles relevant de la pratique connue pour les mêmes épaisseurs. Or, les observations expérimentales menées par les inventeurs et les recherches qu'ils ont menées dans la littérature scientifique consacrée à la physique de l'arc électrique font ressortir que le comportement du pied anodique de l'arc est différent de celui du pied cathodique. En effet, il apparaît que le pied d'arc est plus mobile à la cathode que ne l'est le pied d'arc à l'anode. En d'autres termes, le pied cathodique d'arc à un caractère plutôt diffus et son aire d'excursion à tendance à être plutôt grande alors que le pied anodique, notamment dans les conditions du coupage plasma, à un caractère plutôt constricté et son aire d'excursion sur l'anode est plutôt faible. De là, il découle que dans le cas de l'art, antérieur, tel que schématisé sur la figure la, c'est-à-dire lorsque l'électrode de la torche à plasma est la cathode reliée au pâle (-) du générateur de courant et la pièce de travail est l'anode reliée au pâle (+) du générateur, l'énergie servant à porter la pièce de travail à température de fusion est distribuée de façon relativement locale par le pied anodique de l'arc dans l'épaisseur de la pièce de travail. A titre d'illustration, sur la Figure la, Apc symbolise la possilité d'excursion du pied cathodique et Apa celle du pied anodique de l'arc. Il s'ensuit que, pour porter à fusion le reste de l'épaisseur de la pièce de travail, n'interviennent principalement alors que l'énergie transmise par le rayonnement d'arc et celle transmise par conduction dans le matériau. Pour ces raisons, on comprend aisément que, pour une énergie donnée, l'épaisseur susceptible d'être découpée est limitée et très tributaire des caractéristiques du matériau et notamment de sa conductivité thermique. De là, le but de la présente invention est de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire d'éviter les inconvénients de l'art antérieur, en proposant un procédé de travail à l'arc plasma amélioré permettant, en particulier, de couper des épaisseurs élevées sans nécessiter une mise en ceuvre d'intensités aussi importantes, comparativement, que celles classiquement préconisées dans l'art antérieur. La présente invention concerne alors un procédé de travail à l'arc plasma mettant en #uvre au moins une torche à plasma munie d'une électrode et au moins une source de courant électrique munie d'un pâle positif (+) et d'un pôle négatif (-), dans lequel : - on alimente ladite torche à plasma munie d'une électrode en courant électrique délivré par ladite source de courant électrique, de manière à relier, directement ou indirectement, ladite électrode à l'un des pâles de ladite source de courant électrique ; - on alimente ladite torche à plasma avec au moins un gaz plasmagène, - on génère et on délivre au moins un jet de plasma en direction d'au moins une pièce métallique à travailler, ladite pièce métallique étant reliée, directement ou indirectement, à l'autre desdits pâles de la source de courant électrique, caractérisé en ce qu'on relie, au moins temporairement, ladite électrode au pôle positif (+) de la source de courant électrique et en ce qu'on relie, au moins temporairement, ladite pièce métallique à travailler au pâle négatif (-) de la source de courant électrique. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -on relie alternativement et cycliquement ladite électrode au pâle positif de la source de courant électrique et subséquemment au pôle négatif de la source de courant électrique par inversion, temporaire et cyclique, de la polarité de ladite source de courant. - on relie, alternativement et cycliquement, ladite pièce métallique à travailler au pâle négatif (-) de la source de courant électrique et subséquemment au pôle positif (+) de la source de courant électrique par inversion, temporaire et cyclique, de la polarité de ladite source de courant, - le courant électrique a une intensité comprise entre 10 Ampères et 1000 Ampères, de préférence entre 100 Ampères et 400 Ampères, - le courant électrique a une tension comprise entre 100 Volts et 500 Volts, de préférence entre 150 V et 450 V. - l'électrode est réalisée, au moins en partie, en cuivre, en un alliage de cuivre, en tungstène, en hafnium ou en zirconium, de préférence en cuivre désoxydé. - la pièce métallique à travailler est constituée en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers de constructions, les aciers inoxydables et les alliages légers. - le gaz plasmagène est choisi parmi l'oxygène, l'azote, l'air, les mélanges azoteloxygène et les mélanges azote/hydrogène, de préférence de l'air. - il est choisi parmi les procédés de coupage plasma. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une installation de travail à l'arc plasma, en particulier une installation de coupage plasma, comprenant : au moins une torche à plasma munie d'une électrode, au moins une source de courant électrique munie d'un pâle positif et d'un pâle négatif (-), - des premiers moyens de liaison électrique reliant, directement ou indirectement, ladite torche à plasma munie d'une électrode au pâle positif de ladite source de courant électrique, - des moyens d'alimentation en gaz plasmagène pour alimenter ladite torche à plasma avec au moins un gaz plasmagène, et - des moyens de génération de jet de plasma pour générer et délivrer au moins un jet de plasma en direction d'au moins une pièce métallique à travailler, ladite pièce métallique étant reliée, directement ou indirectement, par des seconds moyens de liaison électrique au pôle négatif (-) de ladite source de courant électrique. Selon le cas, le procédé de l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - elle comporte, en outre, des moyens d'inversion de polarité pour inverser, au moins temporairement et cycliquement, la polarité de ladite électrode et de ladite pièce métallique à travailler, - elle comporte, en outre, des moyens de réglage permettant de régler ou d'ajuster au moins un paramètre choisi parmi : (i) la balance d'énergie délivrée à l'électrode et à la pièce à travailler, c'est-à-dire la répartition des charges de courant auquelles sont soumises alternativement l'électrode et la pièce de travail, autrement dit une répartition contrôlée des flux d'électrons que l'électrode ou la tuyère reçoivent à chaque inversion de polarité, (ii) la fréquence du courant, c'est-à-dire le nombre d'alternances positives et négatives par unité de temps, (iii) le rapport cyclique, c'est-à-dire le rapport existant entre la durée d'une demi-alternance positive et la durée d'une demi-alternance négative ou encore le rapport existant entre la valeur du courant efficace de la demi- alternance positive et la valeur du courant efficace de la demi-alternance négative, et (iv) la forme de l'onde, c'est-à-dire donner, par exemple, à l'onde de courant une forme telle que les fronts montants et descendants de courant soient suffisament raides, autrement dit que les temps d'augmentation et de diminution d'intensité de courant dans l'alternance soient suffisament faibles, notament dans la région où l'intensité avoisine une valeur nulle, pour que l'inversion de polarité du courant ne provoque pas une extinction de l'arc. Dit autrement, l'invention repose sur un procédé de coupage plasma, applicable dans la gamme d'intensité de courant d'environ de 10 A à 1000 A, dont les connections des pâles de la source de courant continu à la torche à plasma, d'une part, et à la pièce de travail, d'autre part, sont inversées par rapport à la pratique de l'art antérieur. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'exemples de modes de réalisation, en références aux figures annexées, donnés à titre illustratif mais non limitatif ; sur les figures, les mêmes parties sont désignées par les mêmes références numériques. L'invention est décrite ci-après en relation avec un procédé de découpe plasma, mais il est entendu que l'application de la présente invention n'est pas limitée à ce seul procédé et qu'elle concerne, d'une façon générale, tous les procédés à arc plasma pour le traitement ou le travail thermique des matériaux métalliques mettant classiquement en oeuvre au moins une torche à plasma comportant une électrode centrée sur l'axe ou dont l'extrémité, côté tuyère, est à proximité immédiate ou en regard de l'axe d'un orifice d'éjection du jet de plasma d'arc, formant diaphragme de constriction, porté par une partie habituellement appelée tuyère ; un débit de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, étant distribué entre l'électrode et la tuyère et s'écoulant par l'orifice de ladite tuyère en direction de la pièce de travail, par exemple d'une tôle à découper. La Figure la schématise le principe de fonctionnement d'une torche 1 mise en #uvre comme connu de l'art antérieur. Plus précisément, on voit sur cette Figure l a que le pôle négatif (-) de la source de courant 7 continu, c'est-à-dire un générateur de courant de électrique, est relié à l'électrode ou cathode 2 de la torche à plasma 1 et le pâle positif (+) est relié à la pièce de travail 3 ou anode. Par une dérivation de circuit, non représenté, le pôle positif (+) de la source de courant 7 est également connecté, via un contact de sectionnement de type classique, à la tuyère 4 de la torche 1 à plasma. Un système d'allumage d'arc classique, non représenté, du type à haute fréquence (HF), par impulsion de haute tension (HT) ou à mise en court-circuit de l'électrode 2 et de la tuyère 4, est utilisé pour établir un arc pilote, généralement d'une intensité de courant inférieure à celle utilisée pour le travail de découpe, entre l'électrode 2 et la tuyère 4. Puis, l'arc est subséquemment transféré à la pièce 3 de travail, le circuit électrique de la tuyère 4 est ouvert, l'intensité de courant de l'arc est portée à une valeur correspondant à l'intensité de courant de coupe, le gaz plasmagène de l'arc pilote est éventuellement remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe. Ce type de fonctionnement présente les inconvénients évoqués ci- dessus. La Figure 1 b schématise, quant à elle, le principe de fonctionnement d'une torche à plasma 10 selon la présente invention, c'est-à-dire dont la mise en #uvre peut se faire dans la gamme d'intensité de courant d'environ de 10 à 1000 A, mais dont les connections des pôles de la source 70 de courant continu à la torche 10 à plasma, d'une part, çt à la pièce 30 de travail, d'autre part, sont inversées par rapport à ce qui est connu de l'art antérieur, tel que montré sur la Figure la. En effet, selon l'invention, l'électrode 20 de la torche à plasma 10 de la figure 1 b est l'anode, c'est-à-dire quelle est reliée au pâle positif (+) de la source de courant 70, et la pièce de travail 30 est la cathode, c'est-à-dire quelle est reliée au pâle négatif (-) de la source de courant 70. Comme pour la figure la, les possibilités d'excursion du pied cathodique et du pied anodique de l'arc ont été représentés, sur la Figure 1 b, par Apc et Apa, respectivement. Selon l'invention, le pied cathodique de l'arc prend naissance sur environ toute l'épaisseur de la pièce 30 de travail. De là, l'énergie y étant distribuée de façon homogène, il s'ensuit que les phénomènes de formation de défauts de coupe, tel un angle de dépouille, sont quasiment supprimés et les épaisseurs maximales de coupe pour une énergie donnée sont spectaculairement augmentées en comparaison à ce qui peut être obtenu avec un dispositif selon l'art antérieur, tel celui de la Figure la. En résumé, un procédé de coupage selon l'art antérieur ne donne pas accès à des épaisseurs de coupe importantes ou tout au moins les intensités de courant de coupe à mettre en #uvre seraient très importantes pour ces épaisseur. Cependant, sur les épaisseurs accessibles, les vitesses de coupe sont relativement importantes du fait que le flux d'électrons est déposé sur la pièce de travail. A l'inverse, le procédé selon l'invention permet de couper des épaisseurs très importantes sans avoir besoin d'intensités de courant élevées. Par contre, les vitesses de coupe sont relativement faibles du fait que le flux d'électrons est déposé à l'intérieur de l'électrode de la torche et n'apporte donc pas sa contribution au processus de mise en fusion de la pièce de travail. De là, un autre aspect de l'invention consiste à utiliser en combinaison les possibilités offertes par les deux procédés, c'est-à-dire utiliser un courant alternatif ou assimilé, autrement dit un procédé à polarité variable afin que le flux d'électrons soit en alternance déposé sur la pièce de travail et à l'intérieur de l'électrode de la torche. Ce procédé à courant alternatif ou à polarité variable s'entend bien sur avec la possibilité de régler la balance de l'énergie vers la pièce de travail et vers l'électrode de la torche, la fréquence des alternances ainsi que de moduler la forme des ondes pour permettre une bonne stabilité d'arc et éviter les extinctions d'arc, notamment à l'inversion de polarité lorsque l'intensité du courant de coupe devient nul. Une installation de coupage plasma selon l'invention est schématisée sur la Figure 2 ; celle-ci peut être utilisée pour mettre en ceuvre un procédé à polarité inverse selon l'invention et/ou, moyennant une source de courant adaptée, un procédé à polarité variable selon l'invention ; dans ce cas, les symboles de polarité schématisés sur la figure 2 devront être compris comme représentant une situation temporaire et cyclique puisque la polarité s'inverse périodiquement. Sur la Figure 2, on voit une source de courant continu 21 , une source auxiliaire 22 de haute fréquence, une torche à plasma 23 et une pièce de travail 24. La torche 23 peut être déplacée manuellement par rapport à la pièce de travail 24 ou automatiquement par un dispositif de déplacement automatisé adapté. Ce dispositif de déplacement peut être, par exemple, une machine (X-Y) à commande numérique, un robot multi-axes ou tout autre dispositif mécanique ou électromécanique approprié. Le pôle positif (+) de la source de courant continu 21 est relié, via un conducteur 21 1 électrique, tel un câble ou un faisceau de câbles, à l'électrode 231 formant anode. 1. A l'inverse, le pôle négatif (-) de la source de courant continu 21 est relié, également via un conducteur 212, à la pièce de travail 24 formant cathode. Par une dérivation de circuit, le pâle négatif (-) de la source 21 est également connecté, via un contact de sectionnement 213a, à la tuyère 232 de la torche à plasma 23, par un conducteur 213. La torche 23 est dotée d'un circuit de refroidissement, à l'eau par convection forcée par exemple, comprenant un orifice d'admission 234, un orifice d'évacuation 235 et un aménagement interne permettant le refroidissement efficace de la tuyère 232 et de l'électrode 231. En outre, un orifice 233 d'entrée de gaz permet l'alimentation en gaz piasmagène de ladite torche 23. Bien que du point de vue des phénomènes physiques mis en jeu, il y ait une très importante différence de fond (i.e. la polarité inverse), ce procédé utilise dans ses phases de mise en #uvre une procédure qui s'apparente aux procédures classiques, c'est-à-dire un système d'allumage d'arc, du type à haute fréquence 22 ou, selon le cas, à mise en court-circuit de l'électrode et de la tuyère, pour établir un arc pilote, généralement d'une intensité de courant inférieure à celle utilisée pour le travail de découpe, entre l'électrode 231 formant anode et la tuyère 232 formant alors cathode. Puis, l'arc est subséquemment transféré à la pièce de travail 24 formant cathode, le circuit électrique 213 de la tuyère est ouvert par ouverture du contact de sectionnement 213a, l'intensité de courant de l'arc électrqiue est portée à une valeur correspondant à l'intensité de courant de coupe, le gaz plasmagène de l'arc pilote est porté d'une pression ou d'un débit dit 'pilote' à une pression ou à un débit dit 'de coupe' et est éventuellement remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe. Un arc plasma 25 est alors établi de façon stable qntre l'électrode 231 formant anode et la pièce de travail 24 formant cathode, et une entaille de coupe se forme alors sur toute l'épaisseur du matériau 24, puis lorsqu'un mouvement régulier d'avance, selon une vitesse convenable et une trajectoire souhaitée, est communiqué, par exemple, à la torche 23, il s'ensuit la formation d'une saignée de coupe à bords quasiment parallèles permettant, par pré-programmation de la trajectoire, de découper des pièces de forme dans des matériaux métalliques de nature variée. Le procédé de coupage plasma selon l'invention mis en ceuvre par une installation selon la figure 2 a été mis en oeuvre avec succès dans les conditions opératoires suivantes : - Gaz plasmagène air comprimé - Pression environ 3 bar - Débit environ 14 1 / min - Intensité de coupe :350A - Epaisseurs coupées .200 à 250 mm - Matériaux coupés aciers de construction, aciers inoxydables et alliages léger Revendications 1. Procédé de travail à l'arc plasma mettant en #uvre au moins une torche à plasma munie d'une électrode et au moins une source de courant électrique munie d'un pâle positif (+) et d'un pâle négatif (-), dans lequel : - on alimente ladite torche à plasma munie d'une électrode en courant électrique délivré par ladite source de courant électrique, de manière à relier, directement ou indirectement, ladite électrode à l'un des pôles de ladite source de courant électrique ; - on alimente ladite torche à plasma avec au moins un gaz plasmagène, - on génère et on délivre au moins un jet de plasma en direction d'au moins une pièce métallique à travailler, ladite pièce métallique étant reliée, directement ou indirectement, à l'autre desdits pâles de la source de courant électrique, caractérisé en ce qu'on relie, au moins temporairement, ladite électrode au pôle positif (+) de la source de courant électrique et en ce qu'on relie, au moins temporairement, ladite pièce métallique à travailler au pâle négatif (-) de la source de courant électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie alternativement et cycliquement ladite électrode au pâle positif de la source de courant électrique et subséquemment au pâle négatif de la source de courant électrique par inversion, temporaire et cyclique, de la polarité de ladite source de courant. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on relie, alternativement et cycliquement, ladite pièce métallique à travailler au pâle négatif (-) de la source de courant électrique et subséquemment au pôle positif (+) de la source de courant électrique par inversion, temporaire et cyclique, de la polarité de ladite source de courant. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant électrique a une intensité comprise entre 10 Ampères et 1000 Ampères, de préférence entre 100 A et 400A, et/ou en ce que le courant électrique a une tension comprise entre 100 V et 500 V) de préférence entre 150 V et 450 V. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode est réalisée, au moins en partie, en cuivre, en un alliage de cuivre, en tungstène, en hafnium ou en zirconium, de préférence en cuivre désoxydé. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce métallique à travailler est constituée en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers de constructions, les aciers inoxydables et les alliages légers. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz plasmagène est choisi parmi l'oxygène, l'azote, l'air, les mélanges azote/oxygène et les mélanges azotethydrogène, de préférence de l'air. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de coupage plasma. 9. Installation de travail à l'arc plasma, en particulier une installation de coupage plasma, comprenant: - au moins une torche à plasma munie d'une électrode, - au moins une source de courant électrique munie d'un pôle positif et d'un pâle négatif (-), - des premiers moyens de liaison électrique reliant, directement ou indirectement, ladite torche à plasma munie d'une électrode au pâle positif de ladite source de courant électrique, - des moyens d'alimentation en gaz plasmagène pour alimenter ladite torche à plasma avec au moins un gaz plasmagène, et - des moyens de génération de jet de plasma pour générer et délivrer au moins un jet de plasma en direction d'au moins une pièce métallique à travailler, ladite pièce métallique étant reliée, directement ou indirectement, par des seconds moyens de liaison électrique au pâle négatif (-) de ladite source de courant électrique. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens d'inversion de polarité pour inverser, au moins temporairement et cycliquement, la polarité de ladite électrode et de ladite pièce métallique à travailler, etiou en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens de réglage permettant de régler ou d'ajuster au moins un paramètre choisi parmi la balance d'énergie délivrée à l'électrode et à la pièce à travailler, la fréquence du courant, le rapport cyclique et la forme de l'onde du courant.