Brevet FR2799274A1 — publié le 20010406

présente invention concerne une tuyère pour chalumeau ou pour torche travail à l'arc électrique, en particulier pour chalumeau d'oxycoupage, et l'utilisation d'une telle tuyère dans un procédé de soudage, de coupage, de traitement thermique ou analogues. De façon connue, les tuyères et autres orifices calibrés permettent de contrôler les écoulement des fluides, qu'il s'agisse de contrôler ou mesurer des débits ou de créer des jets aux caractéristiques précises. Ainsi, dans le domaine de l'oxycoupage de métaux, des jets d'oxygène cohérents, de sections bien déterminées et de vitesse maximale, sont genérés et délivrés par des tuyères équipant les chalumeaux d'oxycoupage. II existe plusieurs profils de tuyères plus ou moins élabores pouvant etre utilisés à cette fin, par exemple les tuyères dites de LAVAL, tuyères a sections cylindriques, les tuyères à sections cylindriques avec divergent, les tuyères étagées.... façon analogue, dans le domaine du coupage plasma, la tuyère la torche à plasma entoure l'électrode et porte un orifice d'éjection du jet plasma, lequel forme diaphragme de constriction dudit jet de plasma. d'autres termes, un gaz sous pression, dit gaz plasmagène, est introduit dans torche à plasma, est distribué entre l'électrode et la tuyère, s'écoule ensuite, après ionisation par un arc électrique, par l'orifice de tuyère en direction de la pièce métallique à couper ou à souder, par exemple une tôle d'acier de construction. Dans tous les cas, il est nécessaire que le ou les matériaux constitutifs de la tuyère soit choisi avec soin, de manière à ce qu'ils puissent résister le plus longtemps possible aux contraintes physico-chimiques, notamment thermiques, auxquell la tuyère est soumise durant l'opération de coupage et donc ainsi diminuer fréquence de remplacement . Pour ce faire, il est souhaitable que les tuyères soient réalisées en cuivre ou en alliage de cuivre. Lorsque des pressions élevées de gaz doivent être mises en oeuvre, en particulier en oxycoupage, il convient de réduire la imension des tuyères, ce conduit à diminuer le diamètre du passage de gaz de la tuyère, lequel devient souvent inférieur au millimètre. Or, diminuer ainsi la dimension du passage de traversant axialement tuyère engendre des problèmes de fabrication. effet, pour des raisons liées à l'écoulement gazeux, il est habituellement nécessaire, lors de la fabrication des tuyères, de procéder à des perçages au sein du corps de tuyère dont la longueur peut atteindre 10 fois le diamètre et, pour ce faire, il nécessaire d'utiliser des outils qui s'avèrent particulièrement fragiles, compte tenu des dimensions à atteindre, à savoir un iamètre très faible ( De plus, pour garantir un écoulement efficace du dans les passages gaz, il est indispensable que l'état de surface parois de la tuyère soit plus lisse possible, ce qui ne peut pas être gisement obtenu lorsqu'on réalise des perçages de petites dimensions (de l'ordre ou inférieur au millimètre). De le problème qui se pose alors est de concevoir des pièces d'usure pour torches ou chalumeaux qui soient capables de répondre favorablement aux exigences et contraintes susmentionnées sans toutefois présenter problèmes d'usinage exposés ci-dessus. En d'autres termes, la présente invention vise à résoudre le problème de la fabrication de tuyères pour torche ou chalumeau pourvues d'un canal ou passage de gaz dont le diamètre interne soit très petit, c'est-à-dire inférieur millimètre, et ayant, en outre, un état de surface paroi interne aussi lisse possible pour permettre un écoulement efficace du gaz. La presente invention concerne alors une tuyère de torche de travail à l'arc électrique ou de chalumeau formée d'un corps de tuyère traversé par au moins un passage principal de gaz, caractérisée en ce 'au moins un premier tube métallique est inséré coaxialement dans au moins une partie dudit passage principal de gaz. Selon le cas, la tuyère selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la longueur LT, dudit premier tube métallique est inférieure ou égale à la longueur LP dudit passage principal gaz, de préférence la longueur LT, dudit premier tube métallique est comprise entre 4 mm et 30 mm. - au moins un deuxième tube métallique est inséré coaxiaiement dans au moins une partie dudit passage principal de gaz et coaxialement audit premier tube métallique. - au moins une partie dudit deuxième tube métallique est positionné concentriquement à au moins une partie dudit premier tube métallique. - ledit corps de tuyère est formé moins une sous-partie amont et d'au moins une sous-partie aval, fixées idairement l'une à l'autre, de préférence par vissage. - la longueur LTZ dudit deuxième tube métallique est inférieure ou égale à la longueur LT, dudit premier tube métallique, de préférence inférieure à la longueur L;, dudit premier tube métallique. - ie passage principal a au moins section circulaire de diamètre DP avec DP - ledit premier tube métallique un diamètre externe DE, approximativement inférieur ou égal au diamètre DP du passage principal de gaz, et un diamètre interne D" avec D" - le passage principal est situé approximativement au centre du corps de tuyère et est percé coaxialement à l'axe de révolution dudit corps de tuyère. - le corps de tuyère comporte, en outre, plusieurs passages annexes de gaz traversant ledit corps de tuyère agencés périphériquement audit passage principal de gaz, de préférence 4 à 14 passages annexes. - le corps de tuyère comprend une extrémité aval où débouchent ledit passage principal et/ou lesdits passages annexes. L'invention porte aussi sur une torche ou un chalumeau, en particulier un chalumeau d'oxycoupage, comportant une tuyère selon I invention. Par ailleurs, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une tuyère selon l'invention, dans lequel on procède selon les étapes de (a) réaliser un corps de tuyère, en une partie unique ou plusieurs sous-parties, présentant un axe de révolution, une extrémité amont et une extrémité aval, à partir d'un métal ou d'un alliage métalli en particulier du cuivre ou un alliage de cuivre, (b) percer au moins un passage principal entre ladite extrémité amont et ladite extrémité aval, et coaxialement avec l'axe de révolution dudit corps de tuyère, ledit passage principal ayant une section circulaire et au moins un diamètre Dp inférieur à 2 mm, de préférence 0.8 mm Un tel chalumeau peut être utilisé dans une opération d'oxycoupage de métaux, en particulier de métaux ferreux, tels les aciers constructions. L'invention va maintenant être décrite plus détail à l'aide d'exemples de modes de réalisation schématisés sur les figures annexées, lesquels sont donnés à titre illustratif mais non limitatif. ces figures les mêmes parties sont désignées par les mêmes références numériques. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une tuyère(vue en coupe longitudinale) pour torche ou chalumeau selon l'invention, laquelle est formée d'un corps 1 de tuyère traversé par un passage de gaz principal 2 percé coaxialement à l'axe révolution dudit corps 1. Le corps 1 de tuyère comporte, en outre, plusieurs passages 5 de gaz annexes traversant ledit corps 1 de tuyère et agencés péri phériquement audit passage de gaz principal, de préférence de 4 à 14 passages de gaz annexes. Comme on peut le voir, le corps 1 de tuyère est de forme allongée et comprend, d'une part, une face ou extrémité amont 7 où prennent naissance le passage 2 de gaz principal et lesdits passages 5 de gaz annexes et, d'autre une face ou extrémité aval 6 au niveau de laquelle débouche ledit passage 2 de gaz principal et lesdits passages 5 de gaz annexes. passage de gaz principal 2 est sensiblement cylindrique diamètre égal à environ 1 mm, alors que les passages 5 de gaz annexes sont section circulaire et ont un diamètre se réduisant progressivement depuis 'extrémité amont 7 du corps 1 de tuyère jusqu'à l'extrémité 6 aval celui-ci. exemple, côté face amont 7, le diamètre initial des passages de gaz annexes peut être de l'ordre de 1 mm, alors que du côté de la face aval 6, diamètre initial des passages 5 de gaz annexes peut n'être plus que de l'ordre de 0.5 mm. ailleurs, le corps 1 de tuyère est constitué essentiellement cuivre d'un alliage de cuivre, de préférence d'un alliage de cuivre, teneur matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre étant de 0.01% à 5% la teneur en cuivre dans l'alliage de cuivre étant d'au moins 90% ; pourcentages (%) étant des pourcentages en poids. Avantageusement, matériau d'alliage est choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb, chrome, le zirconium, et leurs mélanges. Par exemple, un alliage cupro-tellure ou cupro-chrome. Selon l'invention, afin d'obtenir une tuyère dont le passage de gaz principal 2 soit de section sensiblement circulaire et cylindrique de diamètre inférieur au millimètre, par exemple d'un diamètre d'environ 0.6 mm, on insère dans ledit passage 2 principal et on fixe par un moyen approprié dans ce passage 2, un tube 3 métallique, c'est-à-dire un capillaire, ayant, d'une part, diamètre externe DE, approximativement égal au diamètre DP du passage 2 de gaz principal (ici env. 1 mm) et, d'autre part, un diamètre interne D" de dimension souhaitée (ici D" = 0.6 mm), ledit tube métallique ayant la longueur voulue, c'est-à-dire une longueur inférieure égale à celle du passage 2 principal (ici une longueur égale à environ 10 mm). En d'autres termes, un tube 3 métallique ou capillaire est inséré et fixé coaxialement dans tout ou partie du passage 2 principal de gaz du corps 1 de tuyère, de manière à obtenir une section de passage de gaz de dimension prédéterminée (ici 0.6 mm) et présentant un état de surface interne quasi parfait. La figure 2a représente un deuxième mode de réalisation d'une tuyère selon l'invention, laquelle est analogue à celle de ia figure 1, à l'exception du fait que, dans ce deuxième mode de réalisation, un deuxième capillaire ou tube métallique 4 est inséré et fixé dans tout ou partie du premier capillaire ou tube métallique 3, les deux tubes métalliques 3 et 4 étant eux-mêmes insérés coaxialement dans le passage principal 2 de gaz. Dans le mode de réalisation selon la figure 2a, la longueur du deuxième tube métallique 4 est inférieure d'une valeur oh (ici d'environ 4 mm) à celle du premier tube métallique 3, ce qui permet d'obtenir un pallier ou décrochement 8 interne dans ledit passage 2 principal. Le réglage de la valeur de la hauteur ah peut se faire facilement par coulissement du deuxième tube métallique 4 à l'intérieur du premier tube métallique 3 jusqu'à la valeur souhaitée. Dans cet exemple, le passage 2 principal de gaz muni d'un décrochement 8 interne permet de reproduire les caractéristiques d'une tuyère de type étagé ; le diamètre interne du deuxième tube métallique 4 étant d'environ 0.3 mm et son diamètre externe d'environ 0.60 mm, le diamètre interne du premier tube métallique 3 étant légèrement supérieur à 0.60 mm pour permettre l'insertion des deux tubes l'un dans l'autre. Cependant, selon une variante de réalisation, montrée sur la Figure 2b, le tube 3 métallique ou capillaire, inséré et fixé coaxialement dans tout ou partie du passage 2 principal de gaz du corps 1 de tuyère, comme dans une cas de la Figure 1, peut , lui aussi, présenter une longueur inférieure d'une valeur 4h (ici d'environ 4 mm) à celle du passage 2 principal, qui permet d'obtenir, là encore, un pallier ou décrochement 8 interne dans ledit passage 2 principal mais sans nécessiter d'utiliser un tube supplémentaire comme dans le cas du deuxième tube métallique 4 de la Figure 2a. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation d'une tuyère selon l'invention, laquelle est analogue à celle de la figure 2, et schématise l'aspect d'une tuyère pouvant être produite en série sur une chaîne de fabrication automatisée. Dans ce cas, le corps 1 de tuyère est percé d'un premier canal coaxial à l'axe dudit corps d'un diamètre D nettement supérieur à celui recherché mais ne débouchant pas au niveau de la face ou extrémité aval 6, lequel premier canal est lui-même percé d'un deuxième canal interne coaxial de diamètre (Dp), lequel débouche au niveau de ladite face aval 6, de manière à constituer une première portée 10a formant une partie du passage principal 2 de gaz au sein de laquelle vient se loger et se fixer le premier tube métallique 3. Le fond du premier canal peut constituer un plan perpendiculaire à l'axe de la tuyère 1 ou, selon le cas, être tronconique, c'est-à-dire non perpendiculaire à l'axe vertical de la tuyère 1. Un troisième perçage de diamètre D' supérieur au diamètre D est opéré coaxialement au premier perçage de diamètre D au niveau de la face amont 7 du corps 1 de tuyère, de manière à définir un épaulement 11 sur lequel vient prendre appui un disque perforé 9 assurant, d'une part; l'étanchéité et, d'autre part, une deuxième portée 10b pour le premier tube 3 métallique inséré dans le passage 2 principal. En effet, le disque perforé 9 comporte en son centre un orifice de diamètre (Dp), lequel est traversé par le tube métallique 3. En outre, un deuxième capillaire ou tube métallique 4 est inséré et fixé, par collage par exemple, dans la partie amont du premier capillaire ou tube métallique 3, les deux tubes métalliques 3 et 4 étant eux-mêmes insérés coaxialement dans le passage principal 2 de comme précédemment. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation, la longueur calibrée, à savoir les portions du passage 2 principal de diamètre (Dp), beaucoup plus courte que dans le cas de la figure 2, ce qui permet un usinage moins contraignant, le col de la tuyère pouvant être rapporté ensuite sous la forme disque perforé 9. La figure 4 représente un mode de réalisation d'une tuyere selon l'invention, analogue à celle de la figure 2, mais présentant un d'entrée présentant un évasement 12 en forme d'entonnoir. Dans ce cas, fixation et i'etanchéité des capillaires 3 et 4 sont assurées par sertissage desdits laires conduisant à une déformation desdits capillaires 4 selon l'evasement 12 qui peut être mise à profit pour l'obtention convergent d'entrée du passage 12 principal de gaz. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'une tuyère selon l'invention, dans lequel la tuyère comporte un corps tuyère 1 formé deux sous-parties, à savoir une sous-partie amont 1 a une sous-partie aval 1 b, fixée solidairement et coaxialement l'une à l'autre vissage 13 ou tout autre moyen analogue, lesdites sous-parties amont 1 a et aval 1 b etant traversée par le passage 2 principal de gaz. Comme on peut le voir, ce mode de réalisation permet d'adapter en sortie de tuyère un orifice de diamètre désiré grâce à l'insertion dans la sous-partie amont 1a d'un premier capillaire ayant un premier diamètre determiné et dans la sous-partie aval 1b d'un deuxième capillaire ayant un deuxième diamètre déterminé, supérieur ou égal à celui de la sous-partie aval 1 b. De façon alternative, comme illustré sur la figure 6, la sous-partie aval 1 peut ne pas contenir de tube 4 métallique et, dans ce cas, le diamètre du passage principal de gaz dans cette sous-partie aval 1 b est défini par diamètre perçage constituant ledit passage 2. tuyère en deux sous-parties présente l'avantage de pouvoir être remplacee rapidement, facilement et partiellement en cas de détérioration la sous-partie aval 1 b au cours de l'utilisation du chalumeau d'oxycoupage par exemple. manière générale, dans le cadre de l'invention, les tuyères pour torche ou chalumeau peuvent revêtir des formes variées mais, en général, une tuyère est généralement de forme allongée, c'est-à-dire oblongue, et toujours percée d'un passage principal central permettant d'acheminer un gaz, par exemple de l'oxygène de coupe. Revendications . Tuyère de torche de travail à l'arc électrique de chalumeau formée d'un corps (1) de tuyère traversé par au moins un passage principal (2) de , caractérisée en ce qu'au moins un premier tube métallique (3) est inseré coaxialement dans au moins une partie dudit passage principal (2) de Tuyère selon la revendication 1, caractérisée en que la longueur (LT,) dudit premier tube métallique (3) est inférieure ou égale à la longueur (LP) dudit passage principal (2) de gaz, de préférence la longueur (LT,) dudit premier tube métallique (3) est comprise entre 4 mm et 30 . Tuyère selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins un deuxième tube métallique (4) est inséré coaxialement dans au moins une partie dudit passage principal (2) de gaz et coaxialement audit premier tube métallique (3), de préférence au moins partie dudit deuxième tube métallique (4) est positionné concentriquement à au moins une partie dudit premier tube métallique (3). Tuyère selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit corps (1) de tuyère est formé d'au moins une sous-partie amont (1a) et d'au moins une sous-partie aval (1b), fixées solidairement l'une à l'autre, préférence par vissage (13). Tuyère selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la longueur (LTZ) dudit deuxième tube métallique (4) est inférieure ou égale a fa longueur (LT,) dudit premier tube métallique (3), de préférence inférieure à la longueur (LT,) dudit premier tube métallique (3). 6. Tuyère selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le passage principal (2) a au moins une section circulaire de diamètre (DP) avec DP DP mm revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit premier tube métallique (3) a un diamètre externe approximativement inférieur ou égal au diamètre (DP) du passage principal de gaz, et un diamètre interne (D") avec D" coaxialement à l'axe de révolution dudit corps tuyère (1). . Tuyère selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée que 1e corps de tuyère (1) comporte, en outre, plusieurs passages annexes (5) de traversant ledit corps de tuyère (1) et agencés périphériquement audit passage principal (2) de gaz, de préférence de 4 à 10 passages annexes Tuyère selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée que le corps (1) de tuyère comprend une extrémité aval (6) où débouchent ledit passage principal (2) et/ou lesdits passages annexes (5). 1 .. Torche ou chalumeau, en particulier un chalumeau d'oxycoupage, comportant une tuyère selon l'une des revendications 1 à 10. Procédé de fabrication d'une tuyère selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel on procède selon les étapes de (a) réaliser un corps (1) de tuyère, en une partie unique ou plusieurs sous-parties (la, lb), présentant un axe de révolution, une extrémité amont (7) et une extrémité aval (6), à partir d'un métal ou d'un alliage métallique, en particulier du cuivre ou un alliage de cuivre, percer au moins un passage principal (2) entre ladite extrémité amont et ladite extrémité aval (6), et coaxialement avec l'axe de révolution dudit corps (1) de tuyère, ledit passage principal (2) ayant une section circulaire et au moins un diamètre (Dp) inférieur à 2 mm, de préférence 0.8 mm DP coaxialement et fixer au sein d'au moins une partie dudit passage principal (2), un ou plusieurs tubes métalliques (3, 4), de préférence le ou lesdits tubes métalliques (3, 4) sont fixés par sertissage dans ledit passage principal (2).