Brevet FR2839606A1 — publié le 20031114

La presente invention concerne une torche de soudage ou coupage a amorgage par rupture de contact toyere/electrode. Dans les torches de coupage plasma classiques, I'allumage de l'arc pilote est souvent initie par une etincelle de haute frequence ou de haute tension entre ['electrode et la tuyere. Par ailleurs, il existe une autre technique d'allumage basee sur un courtcircuit entre ['electrode et la tuyere de la torche, qui vent reliees a une source de tension, de maniere a creer ainsi une etincelle des que ies deux pieces s'ecartent l'une de l'autre, c'est-a-dire quand le contact electrique entre celles-ci est rompu. Des torches a allumage par court-circuit vent decrites par exemple par les documents US-A-3242305, FR-A-2669847 et EP-A-591018. De fason generale, le porte-electrode est mobile et actionne par la pression de refroidissement de la torche qui agit sur une extremite de cette piece au moyen d'une surface de piston. Selon les cas, le deplacement du porte-electrode se fait soit par la pression d'un liquide de refroid issement, tel de l'eau, soit par u ne pression d 'air com prime fa isant 2 0 office de gaz plasma et de gaz de refroidissement. Dans le cas du document US-A-3242305, on comprend aisement que devoir utiliser un fluide de refroidissement (eau) de nature differente de celui du fluide (gaz) servant a generer le jet de plasma complique i'architecture de la torche et peut poser des problemes de securite du fait de la presence d'eau et de courant electrique dans la 2 5 torche. Par ailleurs, le document FR-A-2669847 s'est attache a proposer un assemblage mecanique particulier du corps de torche permettant d'assurer une distance constante entre ['electrode et la tuyere queue que soit l'usure de cette mecanique. La constitution de cette torche est de ce fait complexe et repose sur la presence obligatoire d'un diffuseur annulaire isolant et d'une douille exterieure qui permettent de maintenir la tuyere et le diffuseur sur le corps de torche, tandis que la repartition des gaz est caracterisee par le diffuseur isolant qui separe le gaz plasma et le gaz de refroidissement. Enfin, dans le cas du document EP-A-591018, le cycle d'allumage est complexe car, au repos, ltelectrode niest pas en contact avec la tuyere. En effet, c'est la montee en pression qui rapproche les deux pieces et qui les ecarte l'une de l'autre en-quite. Le but de la presente invention est alors de proposer une torche a allumage par rupture de contact plus simple et plus fiable que les versions existantes. La solution de ['invention est alors une torche a ptasma comprenant un corps de torche d'axe A-A comportant: - un porte-electrode de forme oblongue ayant une extremite avant et une extremite arriere, et portent un collet annulaire ayant au moins une surface avant et au moins une suRace arriere, ledit porte-electrode etant mobile axialement dans ledit corps de torche, - une electrode fixee 3 I'extremite avant du porte- electrode, un porte-tuyere formant manchon axialement autour du porte- electrode, ledit porte-tuyere eta nt fixe par son extremite amont au corps de torche et portent a son extrem ite aval une tuyere mu nie d'un orifice axial de sortie de gaz, led it porte-tuyere etant espace audit porte-electrode de maniere a former une chambre de tuyere, - un moyen elastique venant exerce une force de pression mecanique sur la surface arriere du collet annutaire dans te sens tendant a rapprocher le porte- electrode et ['electrode de la tuyere, - une chambre de pression en communication fluidique avec la surFace avant du collet annulaire de maniere a ce qu'un gaz sous pression introduit dans ladite chambre 2 0 de pression vienne exercer une force pression pneumatique sur ladite surface avant du collet annulaire dans le sens tendant a eloigner le porte- electrode et ['electrode de la tuyere, caracterisee en ce que - ie porte- electrode comporte au moins un evidemment interne stetendant 2 5 axialement a partir de liextremite avant audit porte-electrode jusquta un fond borgne, - un tube plongeur creux est agence axiaiement dans ledit evidemment interne, I'extremite avant audit tube plongeur debouchant en regard de ['electrode et l'extremite arriere audit tube plongeur debouchant en regarct du fond audit evidemment, - au moins un persage, pratique a travers la paroi du porte-electrode, permet 3 0 une mise en communication fluidique de la chambre de pression avec l'interieur du tube plongeur agence dans l'evidemment interne du porte-electrode de maniere a permettre une circulation de gaz de la chambre de pression vers i'interieur du tube plongeur, et - la paroi externe audit tube plongeur creux et la paroi interne de ltevidemment du porte-electrode vent espacees l'une de l'autre, au niveau de l'extremite avant audit porte- electrode, en delimitant ainsi un espace inter-parois et au moins un orifice de sortie, p ratiq ue a travers la pa roi du porte-etectrode au niveau de ttespace inter-pa rois, permet une mise en communication fluidique audit espace inter-parois avec la chambre de tuyere de maniere a permettre le passage du gaz sortant par l'extremite avant du = tube plongeur successivement dans l'espace inter-parois, dans ledit orifice de sortie et dans ia chambre de tuyere. Selon le cas, ia torche de ['invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - des moyens d'aiimentation en gaz permettent d'alimenter la chambre de pression en gaz. - le moyen elastique est un ressort amenage axialement autour du porte electrode. - la paroi externe de la chambre de tuyere comprend au moins un orifice d'evacuation de gaz communiquant avec ['atmosphere exterieure, de preference plusieurs orifices d'evacuation de gaz. - la paroi externe de la chambre de tuyere comprend au moins un orifice d'evacuation de gaz communiquant fluidiquement avec une chambre de refroidissement formant jupe externe peripherique autour du porte-tuyere, ladite jupe externe etant ouverte sur ['atmosphere ambiante. - le porte-electrode est mobile dans le corps de torche en etant guide par axialement par au moins une piece isolante agencee dans ledit corps de torche. - le porte-electrode porte un collet annulaire dont au moins une surface avant et au moins une surFace arriere forment piston de maniere a perrnettre le deplacement axial audit porte-electrode dans le corps de torche. - la chambre de pression est annuiaire. - I'extremite avant du tube plongeur est fixee de fason etanche a la paroi de l'evidemment interne. - le porte-electrode, I'electrode, la tuyere et le porte-tuyere vent realises, au moins en partie, en au moins un materieu electro-conducteur de sorte de former un circuit electrique consu pour vehiculer du courant ele*rique lorsque ['electrode est au contact de la tuyere et, a ['inverse, pour creer au moins une etincelle electrique dans la chambre de tuyere iorsqu'il se produit une rupture du contact entre ['electrode et la tuyere par eloignement axial du porte-electrode sous lieffet de la pression du gaz s'exersant sur la surface avant du collet annulaire. - la chambre de compression contenant le moyen elastique communique avec ['atmosphere ambiante par l'intermediaire d'au moins un orifice de mise a iiatmosphere. -- le collet annulaire compote des moyens d'etancheite permettant d'assurer une etancheite fluidique entre la chambre de compression et la chambre de pression. - le porte-eiectrode et lielectrode vent au potentiel negatif, et la tuyere et le porte-tuyere vent au potentiel positif. - les orifices de sortie vent pratiques tangentiellement 3 travers la paroi cylindrique du porte-electrode de maniere a assurer une entree tourbillonnaire du gaz dans la chambre de tuyere. - des rainures helicoidaies vent usinees dans la piece isolante etlou dans le porte electrode, dans le meme sens que les orifices de sortie pratiques tangentiellement a travers la paroi cylindrique du porte-electrode. L'invention porte aussi sur une utilisation d'une torche selon ['invention dans une operation de coupage ou soudage a l'arc plasma, de preference la torche est une torche manueile munie d'une poignee de manipoiation par un operateur. L'invention va etre mieux comprise grace a la description detailiee ciapres donnee en references aux figures annexees parmi lesquelles: - la figure 1 represente une vue en coupe longitudinale du corps 20 d'une torche selon ['invention, schematisee en position de contact tuyere/electrode (torche au repos), - et la figure 2 represente une vue de ia torche de la figure 1, schematisee en position de rupture de contact tuyerelelectrode (torche en situation arc allume). Les figures 1 et 2 ne font apparaTtrent que les parties corps 20 de torche indispensables a la comprehension de ['invention. Toutefois, il va de soit que ce corps 20 sera lui-meme integre dans une poignee isolante adaptee, en particulier manipulable par un operateur, laquelle peut revetir differentes formes. La torche a plasma de ['invention comprend un corps 20 d'axe A-A comportant un porte-electrode 1 de forme oblongue, globalement cylindrique mais pouvant presenter plusieurs diametres differents, pourvu d'une extremite avant la sur laquelle vient se 2 0 fixer une electrode 5, par exemple par vissage, et d'une extremite arriere lb reliee a une source de courant electrique au potentiel negatif (-). Le porte-electrode 1 porte, environ 3 ml-distance entre ses extremites avant la et arriere lb, un collet annulaire 9, se projetant radialement, ayant une surface avant 9a et une surface arriere 9b, et eventuellement des surfaces ou decrochements 2 5 intermediaires. L'electrode 5 porte un insert 28 emissif par exemple en tungstene, en hafnium ou en zirconium. Par ailleurs, un porte-tuyere 7 formant manchon axialement autour du porte electrode 1 est fixe par son extremite amont 7b au corps 20 de torche et porte a son extremite aval 7a une tuyere 6 munie d'un orifice axial 21 de sortie de gaz de maniere a expulser le jet de plasma d'arc, forme de gaz ionise et de l'arc electrique. Le porte-tuyere 7 est espace du porte-electrode lde maniere a former entre eux une chambre de toyere 12 dans laquelle le gaz va etre introduit, preferentiellement de maniere tourbillonnaire (vortex) avant d'etre expulse par ['orifice de 21 de la tuyere 6. Comme schematise sur la figure 1, le porte-electrode mobile 1 dans le corps de torche 20 est guide axialement a l'interieur des deux pieces isolantes 2 et 3. Plus precisement, le coliet annulaire 9 fait office de piston en etant soumis, via sa partie inferieure ou surface avant 9a, a la pression du gaz de maniere a eloigner la tuyere de ['electrode (voir figure 2) et, a ['inverse, en etant repousse, comme montre sur la figure 1, par un ressort 4 venant exercer une force d'appui sur la partie superieure ou surface arriere 9b du collet 9 annulaire. La pression du ressort 4 permet alors de mettre en contact mecanique ['electrode 5 et la tuyeFe 6. Le porte tuyere 7 recoit les pieces isolantes 2,3 dans sa partie superieure et la tuyere da ns sa pa rtie inferieure. Electriquement, le porte-electrode 1 et le porte-tuyere 7 vent relies a une source de tension continue. Une ele*rovanne (non montree) alimente ie porte-tuyere 7 en gaz plasma et gaz de refroidissement. Pour amorcer un arc electrique, c'est la pression du gaz qui va exercer une force sous le piston 9 et, quand cette force est superieure a celle du ressort 4, le porte O electrode 1 se deplace axialement en s'eloignant de la tuyere 6. Quand le gaz est envoye dans la torche, il arrive dans une chambre circulaire 8, 3 I'extremite inferieure de laquelle, une serie de persages radisux permet d'alimenter la partie inferieure 9a du piston 9. La chambre de pression 8 est done en communication fluidique avec la surface avant 9a du collet annulaire 9 de maniere a ce que le gaz sous pression introduit dans la chambre de pression 8 vienne exercer une force pression pneumatique sur ladite surface avant 9a du collet 9 dans le sens tendant a eloigner le porte-electrode 1 de la tuyere 6. Le contact entre ['electrode 5 et la tuyere 6 est alors rompu et cette rupture de contact engendre une etincelle d'allumage de l'arc pilote. Le porte-electrode 1 comporte un evidemment interne 22 s'etendant axialement a partir de l'extremite avant la audit porte-electrode jusqu'a un fond 23 borgne formant une cavite interne du porte-electrode. Un tube plongeur 11 creux oblong, de forme cylindrique, est agence axialement dans ltevidemment interne 22. L'extremite avant 11a de ce tube plongeur 11 debouchant en regard de ['electrode 5, alors que son extremite arriere 11b debouche en regard du fond 23 de l'evidemment 22. Un ou plusieurs pergages radiaux 10 pratiques dans le porte-electrode 1 assurent une introduction du gaz dans la cavite situee au fond de l'evidemment 22, puis a l'interieur du tube plongeur 11 creux. Ce flux gazeux assure le refroidissement du fond 3 0 de ['electrode 5 et de ['insert 28. Pour assurer une circulation correcte du gaz depuis les perc,ages 1O vers l'interieur du tube plongeur 11, ii est imperatif que ledit tube plongeur soit fixe de maniere etanche dans lievidemment 22 de maniere a ce que le gaz entrant dans le fond de l'evidemment 22 ne puisse pas circuler entre la paroi interne de l'evidemment 22 et la paroi externe de la partie amont 11b du tube plongeur 11, ctest-a-dire la partie du tube 11 fixee a la paroi interne de l'evidemment 22. Le flux gazeux ressort ensuite par l'extremite aval 11a du tube plongeur 11, circule dans l'espace amenage entre la paroi externe audit tube plongeur 11 creux, au niveau de son extremite aval 11a, et la paroi interne de l'evidemment 22 du porte electrode 1, et passe ensuite dans une serie de pergages tangents 15 au porte electrode pour deboucher dans la partie amont de la chambre de tuyere 12. Quand ce ffux debouche dans la chambre de tuyere 12, il est done projete en forme de tourbillons (vortex). Deux orifices 13 calibres d'evacuation de gaz vent amenages dans cette chambre 12 de tuyere de maniere a expulser ie gaz vers ['atmosphere ambiante, c'est-a-dire hors du corps 20 de la torche, lesdits orifices 13 debouchant dans une chambre en cloche ou chambre de refroidissement delimitee par une jupe peripherique 25 agencee autour du porte-tuyere 7 pour assurer ie refroidissement du porte-tuyere 7 et de la tuyere 6 par balayage gazeux de leur surface externe. Au repos, I'orifice 21 de la tuyere est obture par 1'eiectrode 5 positionnee sur cet orifice 21. Cependant, au moment ou la force du ressort 4 devient inferieure a celle de ia pression exercee sur la surface 9a du piston 9, le porte-electrode 1 remonte, I'electrode 5 s'eloigne de la toyere 6, I'etincelle de rupture Jaillit, I'orifice 21 est libere et l'arc pilote peut s'etablir dans le canal de la tuyere 6. Pour ameliorer la dynamique du tourbillon gazeux se formant dans la chambre de tuyere 12, des rainures helicodales 14 peuvent etre usinees dans la piece isolante 2 ou dans le porte-electrode 1, dans le meme sens que les pergages 15 du porteelectrode. Pour moduler les debits en fonction des intensites d'arc de coupe, des series de percages vent plus ou moins liberes suivant la forme du tube plongeur 2 (voir figure 2 avec un debit reduit). Ia conception particuliere de la torche de "'invention reduit considerabiement le nombre de pieces necessaires, ce qui conduit a une simplification de son architecture et done a une augmentation de sa fiabilite. Revendications l. Torche a plasma comprenant un corps (20) de torche d'axe (AA) comportant: - un porte-eiectrode (1) de forme oblongue ayant une extremite avant (la) et une extremite arriere (lb), et portent un collet annulaire (9) ayant au moins une surface avant (9a) et au moins une surface arriere (9b), ledit porte-electrode (1) etant mobile axiaiement dans ledit corps de torche (20), - une electrode (5) fixee a i'extremite avant (la) du porte-electrode (1), - un porte-tuyere (7) formant manchon axialement autour du porte-electrode (1), ledit porte-tuyere (7) etant fixe par son extremite amont (7b) au corps (20) de torche et portent a son extremite aval (7a) une tuyere (6) munie d'un orifice axial (21) de sortie de gaz, led it porte-tuyere (7) etant espace audit porte-electrode ( 1) de maniere a former une chambre de tuyere (12), - un moyen elastique (4) venant exerce une force de pression mecanique sur la sufiace arriere (9b) du cotlet annulaire (9) dans ie sens tendant a rapprocher le porte electrode (1) et ['electrode (5) de la tuyere (6), - une chambre de pression (8) en communication fluidique avec la surface avant (9a) du collet annulaire (9) de maniere a ce qu'un gaz sous pression introduit dans ladite chambre de pression (8) vienne exercer une force pression pneumatique sur ladite surface avant (9a) du collet annulaire (9) dans le sens tendant a eloigner le porte electrode (1) et ['electrode (5) de la tuyere (6), caracterisee en ce que - le porte-electrode (1) comporte au moins un evidemment interne (22) 2 5 s'etendant axialement a partir de l'extremite avant (la) audit porte-electrode (1) jusqu'a un fond (23) borgne, - un tube plongeur (11) creux est agence axialement dans ledit evidemment interne (22), I'extremite avant (la) audit tube plongeur (11) debouchant en regard de ltelectrode (5) et l'extremite arriere (lib) audit tube plongeur (11) debouchant en 3 0 regard du fond (23) audit evidemment (22), - au moins un persage (10), pratique a travers la paroi du porte-electrode (1), perrnet une mise en communication fiuidique de la chambre de pression (8) avec l'interieur du tube plongeur (11) agence dans l'evidemment interne (22) du porte electrode (1) de maniere a permettre une circulation de gaz de la chambre de pression (8) vers l'interieur du tube piongeur (11), et - la paroi externe audit tube plongeur (11) creux et la paroi interne de l'evidemment (22) du porte- electrode (1) vent espacees l'une de l'autre, au niveau de l'extremite avant (la) audit porte-electrode, en delimitant ainsi un espace (24) inter parois et au moins un orifice de sortie (15), pratique a travers la paroi du porte-electrode (1) au niveau de l'espace inter-parois (24), permet une mise en communication fluidique audit espace inter-parois (24) avec ia chambre de tuyere (12) de maniere a permettre le passage du gaz sortant par l'extremite avant (11a) du tube plongeur (11) successivement dans l'espace inter-parois (24), dans led it orifice de sortie ( 15) et da ns la chambre de tuyere (12). 2. Torche selon la revendication 1, caracterisee en ce que des moyens dalimentation en gaz permettent d'alimenter la chambre de pression (8) en gaz. 3. Torche selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterisee en ce que le moyen elastique (4) est un ressort amenage axialement autour du porteelectrode (1). 4. Torche selon l'une des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que la paroi externe de la chambre de tuyere (12) comprend au moins un orifice d'evacuation de gaz (13) communiquant avec ['atmosphere exterieure, de preference plusieurs orifices d'evacuation de gaz. 5. Torche selon l'une des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que la paroi externe de la chambre de tuyere (12) comprend au moins un orifice d'evacuation de gaz communiquant fluidiquement avec une chambre de refroidissement (25) formant jupe externe peripherique autour du portetuyere (7), ladite jupe externe (25) etant ouverte sur ['atmosphere ambiante. 6. Torche selon i'une des revendications 1 a 5, caracterisee en ce que le porte ele*rode (1) est mobile dans le corps de torche (20) en etant guide par axialement par au moins une piece isolante (2, 3) agencee dans ledit corps de torche (20) . 7. Torche selon l'une des revendications 1 a 6, caracterisee en ce que le porte electrode (1) porte un collet annulaire (9)- dont au moins une surface avant (9a) et au moins une surface arriere (9b) forment piston de maniere a permettre le deplacement axial audit porte-electrode (1) dans le corps de torche (20). 8. Torche selon l'une des revendications 1 a 7, caracterisee en ce que la chambre de pression (8) est annulaire. 9. Torche selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce que l'extremite avant (l la) du tube plongeur (1 1) est fixee de fagon etanche a la paroi de l'evidemment interne (22). 10. Torche selon l'une des revendications 1 a 9, caracterisee en ce que le porte ele*rode (1), I'electrode (5), la tuyere (6) et le porte-tuyere (7) vent realises, au moins en partie, en au moins un materiau elecEro-condu*eur de sorte de former un circuit eie*rique congu pour vehiculer du courant ele*rique lorsque ltelectrode (5) est au contact de la tuyere (6) et, a ['inverse, pour creer au moins une etincelle electrique dans la chambre (12) de tuyere lorsqu'il se produit une rupture du contac* entre ['electrode (5) et ia toyere (6) par eloignement axial du porte-electrode (1) sous lieffet de la pression du gaz s'exergant sur la surface avant (9a) du collet annuiaire (g). 11. Torche selon l'une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce que la chambre de compression (26) contenant le moyen elastique (4) communique avec ['atmosphere ambiante par itintermediaire d'au moins un orifice (27) de mise a ['atmosphere. 12. Torche selon l'une des revendications 1 3 11, caracterisee en ce que le collet annulaire (9) compote des moyens d'etancheite perrnettant d'assurer une etancheite fluidique entre la chambre de compression (26) et la chambre de pression (8). 13. Torche selon l'une des revendications 13 12, caracterisee en ce que le porte electrode (1) et l'elec*rode (5) vent au potentiel negatif, et ia tuyere (6) et le porte tuyere (7) vent au potentiel positif. 14. Torche selon l'une des revendications 1 3 13, caracterisee en ce que les orifices de sortie (15) vent pratiques tangentiellement a travers la paroi cylindrique du porte-electrode (1) de maniere 3 assurer une entree tourblilonnaire du gaz dans la chambre de tuyere (12). 15. Torche selon l'une des revendications 3 14, caracterisee en ce que des rainures helicoidales (14) vent usinees dans la piece isolante (Z) etfou dans le porte electrode (), dans le meme sens que les orifices de sortie (15) pratiques tangentiellement a travers la paroi cylindrique du porte-eie*rode (1). 16. Utilisation d'une torche selon l'une des revendications 1 a 15 dans une operation de coupage ou soudage a l'arc plasma, de preference la torche est une torche