Brevet FR2910224A1 — publié le 20080620

La présente invention concerne une torche de coupage plasma avec circuit de refroidissement comprenant un tube plongeur maintenu en permanence au contact du fond d'électrode, quelle que soit la longueur de l'électrode utilisée. Pour assurer le refroidissement des électrodes des torches de coupage plasma, on utilise classiquement un tube plongeur venant s'insérer à l'intérieur de l'électrode et permettant le passage de l'eau de refroidissement. A ce titre, on peut se reporter aux brevets US-A-2001/30007320, WO-A-2004/093502, WO-A-90/10366. Plus précisément, le tube plongeur permet d'assurer la circulation et la mise en contact du fluide de refroidissement, par exemple de l'eau distillée, avec le fond de l'électrode portant l'insert émissif de manière à assurer un refroidissement le plus efficace possible dudit fond d'électrode et surtout de l'insert émissif porté à très haute température durant l'utilisation de la torche. En effet, c'est sur l'insert émissif de l'électrode que vient s'accrocher le pied d'arc plasma et il est dès lors indispensable de le refroidir efficacement pour minimiser et/ou ralentir son érosion due à la vaporisation du matériau qui le constitue, tel que du hafnium, du zirconium, du tungstène ou un alliage métallique contenant un ou plusieurs de ces métaux. Un tube plongeur a généralement une forme tubulaire, c'est-à-dire la forme d'un 2 0 tube allongé de section cylindrique, et comprend une extrémité aval débouchant au niveau du fond d'électrode, lorsque le tube plongeur est positionné dans une torche. Le tube plongeur permet d'assurer l'arrivée du fluide de refroidissement au contact dudit fond de l'électrode pour y assurer un échange thermique permettant le refroidissement de l'insert, puis ensuite le retour, c'est-à-dire l'évacuation, du fluide de refroidissement 2 5 réchauffé au contact du fond d'électrode. Le fluide de refroidissement est typiquement convoyé à l'intérieur du tube plongeur et en direction du fond d' électrode. Ensuite, l'évacuation du fluide réchauffé au contact du fond d'électrode se fait entre la paroi externe du tube plongeur et notamment la paroi interne de l'électrode dans laquelle il est positionné au sein du corps de torche. C'est le sens 2910224 2 de circulation communément employé, mais on pourrait envisager de faire circuler le liquide de refroidissement dans l'autre sens. Or, il s'avère que la taille, c'est-à-dire la longueur, des électrodes utilisées dans les différents procédés de coupage plasma est variable car la structure des électrodes varie en 5 fonction des conditions de coupage, de l'intensité de coupe, du procédé à mettre en oeuvre... De là, afin de conserver un refroidissement efficace de l'électrode et, en particulier, de l'insert émissif de l'électrode, lorsqu'on change de procédé ou de conditions de coupage, il faut actuellement changer de tube plongeur afin de remplacer celui utilisé dans un procédé 10 donné par un autre tube plongeur dont la longueur est plus adaptée à celle de l'électrode utilisée pour le procédé suivant. On comprend immédiatement que cette opération n' est pas pratique car elle rend obligatoire un nombre de pièces élevé, c'est-à-dire qu'il est nécessaire de disposer d'autant de tubes plongeurs différents qu'existent d'électrodes différentes. 15 Un problème à résoudre est dès lors de pouvoir changer l'électrode d'une torche à plasma, notamment lors d'un changement de procédé ou des conditions d'un procédé donné, sans avoir à remplacer également le tube plongeur de la torche et de manière telle que le tube plongeur soit maintenu à une distance approximativement constante du fond de l'électrode quelle que soit l'électrode utilisée. 2 0 Une solution à ce problème est une torche de coupage plasma comprenant un corps de torche avec une tuyère, une électrode creuse présentant un fond borgne et un insert émissif, et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse, caractérisée en ce que le tube plongeur a une extrémité aval qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne de 2 5 l'électrode au moyen de moyens d'appui venant exercer sur le tube plongeur une force tendant à repousser le tube plongeur en direction du fond de l'électrode. Selon le cas, la torche de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens d'appui viennent exercer une force axiale sur le tube plongeur dirigée 3 0 selon l'axe dudit tube plongeur en direction du fond de l'électrode. 2910224 3 -les moyens d'appui viennent exercer une force élastique sur le tube plongeur. - les moyens d'appui viennent exercer une force de contact permanent et de centrage du tube plongeur dans l'électrode. - les moyens d'appui viennent appuyer sur la moitié supérieure du tube plongeur, 5 ladite moitié supérieure du tube plongeur portant l'extrémité amont dudit tube plongeur. - la moitié supérieure du tube plongeur comporte au moins un épaulement sur sa paroi externe sur lequel viennent appuyer les moyens d'appui. - les moyens d'appui sont un ou plusieurs ressorts. - le tube plongeur est creux et de forme cylindrique, de préférence il a une forme 10 globalement tubulaire. L'invention concerne aussi une machine automatique de coupage plasma comportant une torche selon l'invention, ainsi qu'un procédé de coupage plasma d'une pièce métallique, en particulier d'une pièce en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium, dans lequel on met en oeuvre une torche et/ou une machine selon 15 l'invention. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre faite en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 représente une vue générale en coupe longitudinale du corps d'une torche à plasma selon l'invention, 2 0 - la Figure 2 représente une vue grossie de la partie amont du tube plongeur de la torche de la Figure 1, et - la Figure 3 représente une vue grossie de la partie aval du tube plongeur de la torche de la Figure 1. Comme schématisé sur les Figures 1 à 3, le corps 1 de la torche à plasma de 2 5 l'invention comporte une tuyère 4, une électrode creuse 2 présentant un fond borgne 2a et portant un insert émissif 3, et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur 5 agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse 2. D'une manière générale, par torche de coupage plasma selon l'invention, on entend une torche conçue pour concentrer l'énergie sous forme d'un jet de plasma d'arc à 3 0 très haute température, typiquement entre 15000 à 20000 C. 2910224 4 Le jet de plasma sous pression fond le métal à son point d'impact avec la pièce à couper et éjecte le métal fondu hors de la saignée en dessous de la pièce. Le jet plasma est généré par un arc électrique qui s'établit entre l'électrode 2 de la torche et la pièce. 5 L'arc se combine, dans la chambre plasmagène située entre la tuyère 4 et l'électrode 2 à insert émissif 3, en hafnium, zirconium ou tungstène, à un flux de gaz dit gaz plasmagène pour assurer la génération du jet de plasma proprement dit. Le jet de plasma est constricté par l'orifice de sortie 8 de la tuyère 4 de la torche, ce qui lui confère finesse et rigidité. 10 Le principe du coupage plasma et le fonctionnement d'une telle torche sont bien connus de l'homme du métier et ne seront donc pas détaillés davantage ici. Pendant la découpe plasma d'une pièce, par exemple d'une plaque ou d'une tôle en acier au carbone, en acier inoxydable ou en tout autre métal ou alliage métallique, un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau distillée, circulant dans la torchel est utilisé pour 15 refroidir l'électrode 2 et surtout l'insert 3 par échange thermique avec ces pièces d'usure. Ce fluide de refroidissement est convoyé dans le corps de torche 1 par des passages de fluide aménagés dans ledit corps 1 et par ailleurs par le tube plongeur 5, qui pénètre partiellement dans l'électrode 2 à fond borgne pour y convoyer l'eau de refroidissement jusqu'à proximité de l'insert 3. 2 0 Selon l'invention, le tube plongeur 5 a une extrémité aval 5a qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne 2a de l'électrode 2 par l'intermédiaire de moyens d'appui 6 venant exercer sur le tube plongeur 5 une force tendant à repousser le tube 5 en direction du fond 2a. Autrement dit, l'extrémité aval 5a du tube plongeur 5 pénètre dans l'électrode 2 et 2 5 est maintenue à une distance sensiblement constante du fond 2a de l'électrode 2 (cf. Figure 3) grâce à un contact permanent et, de préférence, centré du tube plongeur 5 sur la surface intérieure de l'électrode 2 par un dispositif ou des moyens d'appui 6, tel un moyen élastique comme un ressort par exemple, venant appuyer de préférence axialement sur le tube plongeur 2, comme montré en Figure 2. 2910224 5 Comme illustré en Figure 3, les moyens à ressort peuvent venir appuyer axialement sur un épaulement latéral 7 aménagé sur la paroi externe du tube plongeur 5 de manière à repousser le tube plongeur 5 en direction de l'électrode 2. On peut également prévoir plusieurs épaulements 7 sur la paroi externe du tube 5 plongeur 5 sur lesquels viendraient appuyer un ou plusieurs ressorts 6 ou tout autre système apte à remplir la même fonction. Selon un autre mode de réalisation, un ressort 6 pourrait venir appuyer axialement sur le rebord périphérique de l'extrémité amont 5b du tube plongeur 5, voire même à l'intérieur de celui-ci. 10 De préférence, les moyens à ressort 6 viennent appuyer sur la partie haute du tube plongeur 5, c'est-à-dire sa portion amont 5b portant l'orifice aval du tube plongeur. L'orifice amont correspond à l'orifice d'entrée du fluide de refroidissement dans le tube plongeur 5, alors que l'orifice aval correspond à l'orifice de sortie du fluide de refroidissement dans le tube plongeur 5. 15 La force axiale est donc appliquée par les moyens d'appui 6 sur le tube plongeur 5 en direction de l'électrode 2 de manière à maintenir le tube plongeur 5 à une distance approximativement constante du fond de l'électrode 2 quelle que soit l'électrode utilisée. En effet, une telle configuration permet de changer l'électrode 2 de la torche à plasma, notamment lors d'un changement de procédé ou d'une variation des conditions de 2 0 procédé, sans avoir à remplacer le tube plongeur 5 de la torche puisque les moyens d'appui 6 repousseront le tube 6 plongeur vers l'électrode de manière à obtenir un bon refroidissement de l'insert 3 de l'électrode 2 puisque la circulation de l'eau de refroidissement se fera toujours au plus près de l'insert. Le tube plongeur 5 vient en appui direct du fond de l'électrode. Toutefois, des 2 5 créneaux ou autres découpes similaires sont prévus au niveau de l'extrémité ou bordure aval 5a du tube plongeur 5 afin de permettre une circulation du liquide de refroidissement entre l'intérieur et l'extérieur du tube 5 (ou inversement) et au plus près de l'insert émissif 3, c'est-à-dire de la zone la plus chaude de l'électrode. Selon l'invention, la torche à plasma est de type mono flux ou double flux, c'est-à- 3 0 dire qu'elle peut être équipée d'une seule tuyère 4 ou alors de deux tuyères coaxiales de 2910224 6 manière à délivrer deux flux de gaz, à savoir un flux de gaz plasma provenant de la tuyère interne 2 et un flux périphérique provenant de la tuyère externe et permettant d'opérer un gainage gazeux du flux de gaz plasma. 5 Revendications 1. Torche de coupage plasma comprenant un corps (1) de torche avec une tuyère (4) , une électrode (2) creuse présentant un fond borgne (2a) et un insert émissif (3), et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur (5) agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse (2), caractérisée en ce que le tube plongeur (5) a une extrémité aval (5a) qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne (2a) de l'électrode (2) au moyen de moyens d'appui (6) venant exercer sur le tube plongeur (5), une force tendant à repousser le tube plongeur (5) en direction du fond (2a) de l'électrode (2). 2. Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'appui (6) viennent exercer une force axiale sur le tube plongeur (5) dirigée selon l'axe dudit tube plongeur (5) en direction du fond (2a) de l'électrode. 3. Torche selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens d'appui (6) viennent exercer une force élastique sur le tube plongeur (5). 4. Torche selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les 2 0 moyens d'appui (6) viennent exercer une force de contact permanent et de centrage du tube plongeur (5) dans l'électrode (2). 5. Torche selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'appui (6) viennent appuyer sur la moitié supérieure du tube plongeur (5), ladite 2 5 moitié supérieure du tube plongeur (5) portant l'extrémité amont (5b) dudit tube plongeur (5). 6. Torche selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la moitié supérieure du tube plongeur (5) comporte au moins un épaulement (7) sur sa paroi externe 3 0 sur lequel viennent appuyer les moyens d'appui (6). 2910224 8 7. Torche selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'appui (6) sont un ou plusieurs ressorts. 5 8. Torche selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le tube plongeur (5) est creux et de forme cylindrique, de préférence il a une forme globalement tubulaire. 9. Machine automatique de coupage plasma comportant une torche selon l'une 10 des revendications 1 à 8. 10. Procédé de coupage plasma d'une pièce, en particulier métallique, dans lequel on met en oeuvre une torche selon l'une des revendications 1 à 8 ou une machine selon la revendication 9. 15 25 30