Brevet FR2917314A1 — publié le 20081219

La présente invention porte sur une électrode pour torche à plasma à refroidissement amélioré et une torche à plasma munie d'une telle électrode. Une torche à plasma comporte habituellement une électrode munie d'un insert émissif entourée d'une tuyère munie d'un orifice de sortie de jet de plasma d'arc, l'électrode et la tuyère étant séparée l'une de l'autre par une chambre dite plasmagène au sein de laquelle est généré le plasma au moyen d'un gaz et d'un courant électrique. Le fonctionnement d'une telle torche est bien connu et décrit notamment par les documents suivants EP-A-1147692 et EP-A-599709. Pour assurer un bon fonctionnement d'une torche à plasma, on opère habituellement un refroidissement permanent de l'électrode. Ce refroidissement est assuré par une circulation d'eau ou d'un autre fluide de refroidissement à l'intérieur de l'électrode, et plus particulièrement autour de l'insert émissif porté par l'électrode. En effet, un refroidissement insuffisant ou inadéquat de l'insert de l'électrode engendre une usure et une détérioration rapide de l'insert par vaporisation du métal qui le constitue, typiquement du hafnium, zirconium ou tungstène, ce qui oblige à remplacer fréquemment l'électrode donc nuit à la productivité et au coût global du procédé de coupage. Ainsi, le document EP-A-641269 a proposé de tenter de réduire l'usure des inserts en adaptant la dimension de l'insert en fonction de l'intensité du courant servant à générer un spot électrique sur cet insert et en procédant à un refroidissement simultané de cet insert. Toutefois, malgré la mise en oeuvre systématique dans les torches à plasma d'un refroidissement des électrodes, il s'avère en pratique que la vitesse de détérioration des électrodes à plasma reste toujours importante au plan industriel puisque celles-ci sont souvent changées au bout d'à peine quelques heures d'utilisation, voire parfois moins que cela. Un problème à résoudre dans le cadre de la présente invention est dès lors d'améliorer la durée de vie de l'électrode d'une torche à plasma en améliorant l'efficacité du refroidissement de l'insert portée par cette électrode. Une solution selon l'invention est alors une électrode pour torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage à l'arc plasma, comprenant un corps d'électrode creux à fond borgne, ledit fond comportant une structure centrale faisant saillie, par rapport audit fond, vers l'intérieur du corps d'électrode, ladite structure centrale étant au moins partiellement évidée de manière à former un logement apte à recevoir un insert émissif, caractérisée en ce que : - l'intersection entre le fond de l'électrode et la paroi latérale de la structure centrale présente un premier rayon de courbure R1 et/ou - l'intersection entre la paroi latérale et le sommet de la structure centrale présente un second rayon de courbure R2. Selon le cas, l'électrode de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier rayon de courbure R1 et le second rayon de courbure R2 sont égaux ou différents. - le premier rayon de courbure Rl est compris entre 0,1 mm et 1 mm (rayon de courbure total = une demi-sphère) et le second rayon R2 de courbure est compris entre 0,1 et l mm. - la structure centrale est de forme générale cylindrique. - le fond de l'électrode a une forme de disque comprenant, en son centre, la structure centrale de forme cylindrique. - la structure centrale constitue une partie de la surface interne du corps d'électrode en étant formée d'une seule pièce avec ledit corps d'électrode. - un insert émissif est inséré dans le logement de la structure centrale. - l'insert émissif est en hafnium, zirconium, tungstène ou un alliage contenant l'un ou plusieurs de ces métaux, et le corps d'électrode est en cuivre ou en un alliage de cuivre, notamment en alliage cuivre-tellure, cuivre-chrome, cuivre-béryllium ou cuivre-zirconium. - le sommet de la structure centrale est de forme conique ou tronconique. Selon un autre aspect, l'invention porte aussi sur une torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage à l'arc plasma, comprenant une électrode selon l'invention. L'invention va être mieux comprise grâce à la description suivante faite en relation aux figures illustratives annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une vue en coupe de la partie avant d'une électrode selon l'art antérieur, - la Figure 2 est une vue en coupe de la partie avant d'une électrode selon l'invention, - et la Figure 3 est une vue en coupe de la partie avant d'une torche à plasma incluant une électrode selon la Figure 2. En s'intéressant au problème du refroidissement insuffisant de l'insert 2 d'une électrode 1 de torche à plasma, les inventeurs de la présente invention se sont aperçus que cette insuffisance de refroidissement était notamment liée à un pompage thermique inefficace au niveau de l'insert 2, c'est-à-dire que le transfert d'énergie de la zone la plus chaude vers la zone la plus froide est fortement ralenti par des résistances de contact, des coefficients de transfert thermiques défavorables, ou encore par la présence d'éléments isolants (bulles d'air, aspérités des surfaces, ...). En effet, la géométrie de la partie interne 5 des électrodes 2 creuses à fond borgne de l'état de la technique, telle celle schématisée en Figure 1, comprend des angles vifs. Ainsi, le fond 3 borgne de l'électrode 1 comporte habituellement une structure 4 centrale, de forme généralement cylindrique, faisant saillie axialement vers l'intérieur 5 du corps d'électrode 1 par rapport au fond 3, et évidée du côté externe du corps d'électrode pour former un logement 10 au sein duquel vient se loger et se fixer l'insert 2 émissif. Lors de l'utilisation d'une torche à plasma munie d'une telle électrode 1 (cf. figure 3), le fluide de refroidissement vient baigner cette structure 4 centrale pour la refroidir et donc aussi refroidir par échange thermique l'insert 2 émissif qu'elle contient, c'est-à-dire par transfert de calories successivement de l'insert 2 en hafnium, zirconium ou tungstène au corps d'électrode 1 qui est typiquement en cuivre ou en un alliage de cuivre, puis au fluide de refroidissement, tel que de l'eau distillée. Comme on peut le voir sur la Figure 1, la géométrie interne d'une telle électrode comporte des angles vifs 6, 7, typiquement de l'ordre de 90 , à savoir un premier angle vif 6 au niveau de la base 4a de cette structure 4, c'est-à-dire au niveau de l'intersection de la paroi périphérique latérale de cette structure 4 avec le fond 3 d'électrode, et un second angle vif 7 au niveau du sommet 4b de la structure cylindrique 4, c'est-à-dire au niveau de l'intersection entre la paroi périphérique latérale de cette structure 4 et son sommet, c'est-à-dire sa surface supérieure. Or, comme susmentionné, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le problème d'efficacité de refroidissement de l'insert 2 était notamment lié à ce type de configuration à angles vifs. En effet, lorsque le fluide de refroidissement circule dans la torche pendant une opération de coupage thermique, ces angles vifs 6, 7 engendrent des pertes de charge importantes du liquide de refroidissement et donc des perturbations de la vitesse et de la fluidité d'écoulement de celui-ci. Partant de ce constat, les inventeurs ont cherché à remédier à ces problèmes et à améliorer le pompage thermique au niveau de l'insert 2 pour accroître la durée de vie de l'insert 2, donc de l'électrode 1, en modifiant la géométrie du fond 3 de l'électrode 1. Pour ce faire, les angles vifs 6, 7 présents aux intersections 8, 9 entre le fond 3 d'électrode et la paroi périphérique de la structure 4 centrale, et entre ladite paroi périphérique et le sommet de ladite structure 4 centrale ont été supprimés et remplacés par des profils à congés ou rayons de courbure R1, R2, comme schématisé sur la Figure 2. Par exemple, les rayons de courbure 8, 9 sont de l'ordre de 0,3 mm, mais plus généralement de 0,1 à 0,5 mm, pour un fond compris entre 0,5 et 1 mm et une structure 4 comprise entre 1 et 3 mm. Des électrodes ainsi modifiées ont ensuite été testées dans une torche à plasma classique. Ces essais ont permis de montrer que la géométrie spécifique selon l'invention permet d'augmenter la vitesse de circulation du liquide de refroidissement au plus près de la source de chaleur, c'est-à-dire de l'insert 2 émissif. Le pompage thermique s'en trouve donc amélioré et l'usure de l'insert 2 réduite. De plus, cette nouvelle géométrie interne d'électrode 2 permet aussi de diminuer le décollement de la veine fluide au moment de ses changements de direction, lorsque le fluide circule dans le corps 5 d'électrode agencé dans une torche à plasma, comme illustré en Figure 3, ce qui permet par ailleurs de réduire les pertes de charge et de stabiliser la vitesse d'écoulement du fluide.25 Revendications 1. Electrode (1) pour torche à arc plasma comprenant un corps d'électrode creux (5) à fond (3) borgne, ledit fond (3) comportant une structure (4) centrale faisant saillie, par rapport audit fond (3), vers l'intérieur (5) du corps d'électrode, ladite structure (4) centrale étant au moins partiellement évidée de manière à former un logement (10) apte à recevoir un insert (2) émissif, caractérisée en ce que : - l'intersection (8) entre le fond (3) de l'électrode (1) et la paroi latérale (4c) de la structure centrale (4) présente un premier rayon de courbure (Rl) et/ou -l'intersection (9) entre la paroi latérale (4c) et le sommet de la structure centrale (4) présente un second rayon de courbure (R2). 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier rayon de courbure (Rl) et le second rayon de courbure (R2) sont égaux ou différents. 3. Electrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier rayon de courbure (Rl) est compris entre 0,1 mm et 1 mm et le second rayon (R2) de courbure est compris entre 0,1 et 1 mm. 20 4. Electrode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la structure (4) centrale est de forme générale cylindrique. 5. Electrode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fond (3) de l'électrode (1) a une forme de disque comprenant, en son centre, la structure (4) centrale de 25 forme cylindrique. 6. Electrode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la structure (4) centrale constitue une partie de la surface interne du corps d'électrode en étant formée d'une seule pièce avec ledit corps d'électrode. 7. Electrode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un insert (2) émissif est inséré dans le logement (10) de la structure (4) centrale. 30 8. Electrode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'insert (2) émissif est en hafnium, zirconium, tungstène ou un alliage contenant l'un ou plusieurs de ces métaux, et le corps d'électrode est en cuivre ou en un alliage de cuivre, notamment en alliage cuivre-tellure, cuivre-chrome, cuivre-béryllium ou cuivre-zirconium. 9. Electrode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le sommet de la structure (4) centrale est de forme conique ou tronconique. 10. Torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage à l'arc plasma, 10 comprenant une électrode (1) selon l'une des revendications 1 à 9. 15