Brevet FR2836079A1 — publié le 20030822

La présente invention concerne un procédé de découpe thermique des aciers non alliés ou faiblement alliés, contenant typiquement moins de 5% en masse d'éléments d'alliage, par un jet d'oxygène de coupe associé à un chauffage annulaire par arc plasma. Le document WO-A-00/37207 décrit un procédé de découpe thermique, dans lequel un jet de plasma d'arc électrique annulaire, d'intensité régulée, est établi entre une électrode évidée en son centre, de manière à former un canal d'amenée de gaz de coupe, en général de l'oxygène, et la pièce à couper. L'électrode peut comporter ou non un insert émissif, par exemple en hafnium ou en tungstène selon que le gaz plasmagène utilisé est respectivement oxydant comme l'oxygène ou l'air, ou neutre comme l'argon ou l'azote. L'arc plasma sert à porter localement la pièce à couper à une température suffisante pour que la réaction de combustion du fer dans l'oxygène puisse débuter, cette étape étant connue sous le nom d'étape d'amorçage ou de préchauffage. Après chauffage localisé de la pièce par le jet de plasma et amorçage de la réaction suscitée, la pièce est percée par l'action dynamique du jet d'oxygène de coupe amené par le canal central aménagé dans l'électrode, lequel jet d'oxygène de coupe éjecte le métal en fusion sous la pièce. Cette étape est dénommée perçage. Le canal central de l'électrode présente un profil convergent-divergent pour que le jet d'oxygène à la sortie de la buse soit à vitesse supersonique et à pression adaptée à la pression ambiante, ces caractéristiques permettant une éjection efficace du métal fondu. Par ailleurs, l'arc plasma est confiné entre le jet central d'oxygène sortant du canal central de l'électrode et les parois de l'orifice de la tuyère aménagée en regard de l'électrode de telle manière que le canal central de l'électrode et l'orifice de la tuyère soient coaxiaux. Après amorçage de la réaction d'oxy-combustion et perçage de la pièce de travail, la découpe proprement dite de la pièce est obtenue par mouvement relatif de la pièce qui vient d'être percée et de la torche d'oxycoupage-plasma. Dans le même temps, l'intensité du courant d'arc peut être réduite à une valeur juste suffisante pour entretenir la réaction d'oxy-combustion. Habituellement, la tuyère et l'électrode sont refroidies par circulation interne de fluide caloporteur, tel que de l'eau ou de l'air, pour éviter leur détérioration trop rapide du fait des contraintes thermiques. Toutefois, lors de la mise en oeuvre du procédé et de l'installation décrits par ce document, les problèmes suivants sont apparus. Tout d'abord, il a été constaté que l'accrochage de l'arc électrique se fait préférentiellement à proximité de l'arrête terminale du canal de coupe de l'électrode. Cette arrête s'échauffe, s'oxyde et s'érode sous l'action du pied d'arc, ce qui dégrade la qualité et la symétrie du jet d'oxygène de coupe, donc dégrade la qualité des bords de coupe. Ensuite, le jet plasma est entraîné, par effet venturi, par le jet d'oxygène supersonique et le pied d'arc anodique s'accroche préférentiellement sur l'arrête supérieure de la saignée de coupe qui est dégradée par cette fusion additionnelle. Enfin, l'arc électrique, et par conséquent le transfert d'énergie à la pièce, n'est pas toujours très stable avec une injection axiale de gaz plasmagène, ce qui nuit à la constance de la qualité de coupe, en donnant aux bords de coupe un aspect irrégulier. Le problème qui se pose est alors de pouvoir améliorer la qualité et la constance de la qualité de coupe obtenue, lors de la mise en oeuvre d'un procédé d'oxycoupage avec préchauffage/amorçage par jet de plasma tel que décrit par le document WO-A- 00/37207. La solution de l'invention est alors un procédé de mise en oeuvre d'une installation d'oxycoupage-plasma de pièce métallique contenant au moins un matériau ferreux, en particulier du fer, comportant : - une buse centrale pour délivrer un flux gazeux de coupage contenant de l'oxygène, ledit flux gazeux de coupage cheminant à l'intérieur de ladite buse centrale, - une buse intermédiaire faisant office d'électrode, agencée coaxialement à la buse centrale, pour délivrer un premier jet de gaz plasmagène annulaire, ledit premier jet de gaz plasmagène annulaire cheminant dans l'espace situé entre la buse centrale et ladite buse intermédiaire, - une buse périphérique pour délivrer un deuxième jet de gaz plasmagène annulaire, agencée coaxialement à la buse intermédiaire, ledit deuxième jet de gaz plasmagène annulaire cheminant dans l'espace situé entre la buse intermédiaire et buse périphérique, dans lequel : (a) on réalise un préchauffage localisé d'une zone d'amorçage d'une pièce métallique à couper en soumettant ladite zone d'amorçage à au moins un jet de plasma de préchauffage, ledit plasma formé par un arc électrique établi dans un flux gazeux réalisé par combinaison du premier jet de gaz plasmagène annulaire et du deuxième jet de gaz plasmagène annulaire, (b) on soumet au moins une partie de la zone d'amorçage au moins préchauffée à l'étape (a) au flux gazeux de coupage contenant de t'oxygène délivré par la buse centrale, (c) on réalise un perçage selon toute l'épaisseur de la pièce à découper, dans au moins une partie de la zone d'amorçage soumise au préchauffage de l'étape (a), par fusion et/ou par combustion du matériau ferreux contenu dans ladite pièce métallique par réaction dudit matériau ferreux sous l'effet du flux gazeux oxydant et du jet de plasma, (d) on déplace simultanément le jet de plasma et le flux gazeux oxydant suivant une trajectoire de coupe pour réaliser une saignée de coupe à travers ladite pièce par fusion et/ou par combustion du matériau ferreux contenu dans la pièce métallique au moins par réaction dudit matériau ferreux avec au moins ledit flux gazeux oxydant, et dans lequel la buse est isolée électriquement de l'électrode et de toute pièce de l'installation au même potentiel que l'électrode. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - le perçage réalisé à l'étape (c) est obtenu par réaction dudit matériau ferreux avec au moins ledit flux gazeux oxydant ou avec ledit jet de plasma. - l'intensité du courant d'arc, pendant la phase d'amorçage de l'étape (a) et de perçage de l'étape (c), est réglée à une valeur comprise entre 1 et 1000 A. - la zone d'amorçage est préchauffée à l'étape (a) à une température comprise entre 10000C et 15000C, de préférence de 12000C à 14000C, de préférence encore de l'ordre de 13000C à 13500C. - la durée du préchauffage est comprise entre 0.001 et 2 secondes, de préférence de 0.01 et 1.5 seconde. - le flux gazeux oxydant est de l'oxygène ou un mélange gazeux contenant de l'oxygène, notamment de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. - durant la coupe, chaque portion de la trajectoire de coupe est soumise au jet de plasma et au flux gazeux oxydant, l'essentiel de la fusion et/ou de la combustion du matériau selon ladite trajectoire de coupe étant assuré principalement par réaction du fer avec le flux gazeux oxydant. - le jet de plasma et le flux gazeux oxydant sont délivrés coaxialement ou de manière convergente. - la saignée de coupe est réalisée par déplacement à une vitesse de coupe approximativement constante desdits jet de plasma et flux gazeux oxydant relativement à la pièce métallique. - le premier jet de plasma annulaire délivré par la buse intermédiaire et le deuxième jet de plasma annulaire délivré par la buse périphérique sont des gaz ou mélanges gazeux non oxydants, de préférence de l'argon, de l'azote ou de l'hélium, ou leurs mélanges. - la buse intermédiaire faisant office d'électrode comporte un insert annulaire émissif en matériau réfractaire, de préférence en tungstène comprenant un additif. - la buse centrale, la buse intermédiaire et la buse périphérique sont concentriques et coaxiales. - la buse centrale est en matériau isolant, de préférence une céramique à base d'alumine ou de nitrure de silicium. - l'arc électrique servant à générer le jet de plasma est établi entre l'électrode et la pièce à découper pendant les phases d'amorçage et de perçage, puis établi entre l'électrode et la tuyère pendant la phase de découpe. Comme schématisé sur la figure 2, l'invention repose donc sur une séparation des fonctions d'accrochage de l'arc par l'électrode 2, d'une part, et d'amenée d'oxygène par la buse 1, d'autre part, en isolant électriquement la buse 1 de l'électrode 2 et de toute pièce de l'installation au même potentiel que l'électrode. On peut à cet effet, soit utiliser une buse en matériau conducteur, par exemple un alliage à base de cuivre ou de zinc, et assembler cette buse à la torche par le biais d'un matériau isolant, par exemple un plastique ou une céramique, soit utiliser directement une buse en matériau isolant, préférentiellement une céramique, par exemple une céramique à base de nitrure de silicium ou une céramique à base d'alumine. Pour éloigner l'arc de la buse, on peut injecter un premier flux annulaire de gaz plasmagène 13 entre la buse 1 et l'électrode 2, tout en injectant un second flux de gaz plasmagène 11 entre l'électrode 2 et la tuyère. 3. La réalisation de l'injection des flux de gaz plasmagènes 11,13 peut se faire suivant un mode tourbillonnaire, plus ou moins marqué, ou purement axial de manière à contrôler la rotation du pied d'arc cathodique sur la surface de l'électrode annulaire et à stabiliser la colonne plasma. L'utilisation du générateur de courant continu peut se faire en polarité dite "directe", comme schématisé sur la figure 2, c'est-à-dire avec la pièce de travail reliée au pôle positif (+) du générateur et la pièce de travail tenant lieu d'anode, ou, à l'inverse, en polarité dite "indirecte", c'est-à-dire avec la pièce de travail reliée au pôle négatif (-) du générateur, la pièce de travail tenant lieu alors de cathode. L'établissement, pour les opérations d'amorçage, de perçage et de découpe ; du plasma d'arc entre l'électrode 2 et la tuyère 3 se faisant en maintenant le contact 6 ouvert et le contact 5 fermé, le plasma étant alors soufflé par les flux de gaz plasmagène 11 et 13, en particulier principalement par le flux 11, de manière à chauffer la pièce de travail sans que celle-ci ne tiennent lieu d'électrode, de manière à créer un arc "soufflé". La réalisation du perçage de la pièce de travail 8 s'obtient en maintenant d'abord le plasma d'arc établi entre la tuyère 2 et la pièce de travail 8 pendant une durée comprise entre 0.01 et 20 secondes, préférentiellement entre 0.1 et 2 secondes, par exemple environ 0.5 secondes, puis à l'échéance de ladite durée et à un instant immédiatement avant le début de l'opération de découpe à proprement parler, de la fermeture du contact 5 et de l'ouverture du contact 6 de manière à réaliser un plasma d'arc soufflé. On poursuit ensuite la découpe en chauffant la pièce de travail uniquement par ce jet de plasma d'arc soufflé. Ainsi, le transfert d'énergie à la pièce à découper est réparti de manière plus homogène autour de la saignée de découpe et l'arrête supérieure de la saignée de découpe présente un profil amélioré, la fusion d'arrête est diminuée, c'est-à-dire que l'angle entre la surface de la tôle et la face de coupe est plus proche de l'angle droit. Dans le cas d'un fonctionnement en polarité dite directe, on peut utiliser une cathode 2 comportant un insert annulaire émissif 9 en matériau réfractaire, tel le tungstène, préférentiellement en tungstène comprenant un additif, ledit additif choisi parmi l'hexaborure de lanthane (LaB6) ou les oxydes de terres rares tel l'oxyde de thorium (Th02), t'oxyde de Cérium (CeOz), l'oxyde de Lanthane (La203), l'oxyde d'Yttrium (Y203) ou l'oxyde de zirconium (Zr02), ledit additif en concentration inférieure à 5% en poids, préférentiellement de 0.05% à 3%, par exemple environ 2%. Les gaz plasmagènes 11 et 13 sont des gaz ou mélanges gazeux non oxydants, préférentiellement des gaz neutres ou inertes, tel de l'argon, de l'azote ou de l'hélium, utilisés seuls ou en mélange. Le réglage et la régulation de l'intensité du courant du plasma d'arc se fait en fonction de l'épaisseur de la pièce de travail, de la nature du matériau de la pièce de travail, de la vitesse de découpe, de la hauteur de la torche de découpe et de la phase dans laquelle se trouve le cycle. Par exemple, le réglage de l'intensité du courant d'arc pendant la phase d'amorçage et de perçage à une valeur comprise entre 1 et 1000 Ampères, par exemple de 7 à 100 A pour les épaisseurs de 1 et 2000 mm, de 15 à 30 A pour les épaisseurs entre 10 et 100 mm. Ainsi, on peut choisir une intensité de 25 A pour une pièce de 80 mm. On règle, par ailleurs, l'intensité du courant d'arc pendant la phase de découpe à une valeur comprise entre 1 et 1000 A, par exemple de 5 à 100 A pour les épaisseurs de 1 et 2000 mm, ou de 10 à 20 A pour les épaisseurs de 10 et 100 mm. Ainsi, on peut choisir une intensité de 14 A pour une pièce de 80 mm. Le jet de plasma d'arc est stabilisé et contrôlé indépendamment du jet d'oxygène de coupe qui garde ses caractéristiques au cours du temps, indépendamment de l'état d'usure de l'électrode. On peut utiliser une électrode réfractaire sous atmosphère neutre car ainsi la durée de vie de l'électrode est nettement augmentée, la constance de la qualité de coupe est améliorée. Revendications 1. Procédé de mise en oeuvre d'une installation d'oxycoupage-plasma de pièce métallique contenant au moins un matériau ferreux, en particulier du fer, comportant : - une buse centrale (1) pour délivrer un flux gazeux de coupage contenant de l'oxygène, ledit flux gazeux de coupage cheminant à l'intérieur de ladite buse centrale (1), - une buse intermédiaire (2) faisant office d'électrode (9), agencée coaxialement à la buse centrale (1), pour délivrer un premier jet de gaz plasmagène annulaire, ledit premier jet de gaz plasmagène annulaire cheminant dans l'espace situé entre la buse centrale (1) et ladite buse intermédiaire (2), - une buse périphérique (3) pour délivrer un deuxième jet de gaz plasmagène annulaire, agencée coaxialement à la buse intermédiaire (2), ledit deuxième jet de gaz plasmagène annulaire cheminant dans l'espace situé entre la buse intermédiaire (2) et buse périphérique (3), dans lequel : (a) on réalise un préchauffage localisé d'une zone d'amorçage d'une pièce métallique à couper en soumettant ladite zone d'amorçage à au moins un jet de plasma de préchauffage, ledit plasma formé par un arc électrique établi dans un flux gazeux réalisé par combinaison du premier jet de gaz plasmagène annulaire et du deuxième jet de gaz plasmagène annulaire, (b) on soumet au moins une partie de la zone d'amorçage au moins préchauffée à l'étape (a) au flux gazeux de coupage contenant de l'oxygène délivré par la buse centrale (1), (c) on réalise un perçage selon toute l'épaisseur de la pièce à découper, dans au moins une partie de la zone d'amorçage soumise au préchauffage de l'étape (a), par fusion et/ou par combustion du matériau ferreux contenu dans ladite pièce métallique par réaction dudit matériau ferreux sous l'effet du fiux gazeux oxydant et du jet de plasma, (d) on déplace simultanément le jet de plasma et le flux gazeux oxydant suivant une trajectoire de coupe pour réaliser une saignée de coupe à travers ladite pièce par fusion et/ou par combustion du matériau ferreux contenu dans la pièce métallique au moins par réaction dudit matériau ferreux avec au moins ledit flux gazeux oxydant, et dans lequel la buse (1) est isolée électriquement de l'électrode (2) et de toute pièce de l'installation au même potentiel que l'électrode. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le perçage réalisé à l'étape (c) est obtenu par réaction dudit matériau ferreux avec au moins ledit flux gazeux oxydant ou avec ledit jet de plasma. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'intensité du courant d'arc, pendant la phase d'amorçage de l'étape (a) et de perçage de l'étape (c), est réglée à une valeur comprise entre 1 et 1000 A. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone d'amorçage est préchauffée à l'étape (a) à une température comprise entre 1000 C et 15000C, de préférence de 12000C à 14000C, de préférence encore de l'ordre de 1300 C à 13500C et/ou en ce que la durée du préchauffage est comprise entre 0. 001 et 2 secondes, de préférence de 0. 01 et 1. 5 seconde. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le flux gazeux oxydant est de l'oxygène ou un mélange gazeux contenant de l'oxygène, notamment de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, durant la coupe, chaque portion de la trajectoire de coupe est soumise au jet de plasma et au flux gazeux oxydant, l'essentiel de la fusion et/ou de la combustion du matériau selon ladite trajectoire de coupe étant assuré principalement par réaction du fer avec le flux gazeux oxydant. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le jet de plasma et le flux gazeux oxydant sont délivrés coaxialement ou de manière convergente. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la saignée de coupe est réalisée par déplacement à une vitesse de coupe approximativement constante desdits jet de plasma et flux gazeux oxydant relativement à la pièce métallique. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier jet de plasma annulaire (11) délivré par la buse intermédiaire (2) et le deuxième jet de plasma annulaire (13) délivré par la buse périphérique (3) sont des gaz ou mélanges gazeux non oxydants, de préférence de l'argon, de l'azote ou de l'hélium, ou leurs mélanges. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la buse intermédiaire (2) faisant office d'électrode comporte un insert annulaire émissif (9) en matériau réfractaire, de préférence en tungstène comprenant un additif. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la buse centrale (1), la buse intermédiaire (2) et la buse périphérique (3) sont concentriques et coaxiales. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la buse centrale (1) est en matériau isolant, de préférence une céramique à base d'alumine ou de nitrure de silicium. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'arc électrique servant à générer le jet de plasma est établi entre l'électrode (2) et la pièce à découper (8) pendant les phases d'amorçage et de perçage, puis établi entre l'électrode (2) et la tuyère (3) pendant la phase de découpe.