Brevet FR2928287A1 — publié le 20090911

La présente invention porte sur une tuyère-électrode améliorée, une torche munie de cette tuyère-électrode et un procédé de coupage plasma utilisant une torche à plasma munie d'une tuyère-électrode améliorée. Le procédé de coupage plasma des matériaux conducteurs de l'électricité met typiquement en oeuvre une torche à plasma telle que schématisée sur la Figure 1, dont le fonctionnement est le suivant. Un arc électrique 31 est établi entre une électrode 32, généralement refroidie par contact avec un fluide caloporteur 39, et le matériau à découper 33. Pour obtenir une coupe efficace, on réalise la striction par pompage thermique de cet arc électrique au moyen d'une tuyère 34, dotée d'un ou de plusieurs étages, généralement refroidis par contact avec un fluide caloporteur 40. Cette tuyère, à travers laquelle est constricté l'arc électrique 31, est par exemple constituée d'un convergent 35 d'entrée suivi d'un canal cylindrique 36, et, est alimentée par un fluide plasmagène 37, généralement du gaz, dont le débit ou la pression sont contrôlés, et dont le rôle est d'assurer la constriction de l'arc à l'intérieur de la tuyère 34 en récupérant l'énergie thermique dégagée par l'arc, et en assurant, en outre, l'évacuation de la chaleur émise 2 0 par l'arc électrique vers les parois de la tuyère, tout en protégeant celle-ci d'un échauffement excessif lié à la proximité de l'arc. Cette constriction permet d'obtenir des températures élevées au centre 38 du plasma situé dans le canal de la tuyère, donc une densité de puissance thermique importante. 25 Le jet de plasma chaud ainsi crée est dirigé par la tuyère 34 vers la pièce à découper avec une grande vitesse et une énergie cinétique élevée, ce qui permet d'évacuer le métal liquide, dont la fusion est réalisée par l'énergie thermique du plasma d'arc. La découpe proprement dite du matériau est alors réalisée par déplacement relatif de la pièce à découper et de la torche de coupage, suivant une 3 0 trajectoire définie par la forme de la pièce désirée. Ainsi, pour une puissance électrique donnée, la capacité du procédé de coupage plasma à découper des matériaux d'épaisseur importante, avec une grande précision et une grande vitesse de découpe est d'autant plus grande que la vitesse d'éjection ou encore l'énergie cinétique du plasma est élevée et que la densité de puissance thermique, ou encore l'enthalpie et la température dans le coeur du plasma situé dans le canal de la tuyère est élevée. Toutefois, un tel procédé de coupage plasma des matériaux présente plusieurs facteurs limitant. Tout d'abord, la constriction de l'arc étant réalisée par la tuyère à travers laquelle l'arc est transféré à la pièce. La densité de puissance thermique maximale ou la température maximale est atteinte au centre du plasma à l'intérieur de la tuyère. Une fois que le jet plasma atteint l'atmosphère ambiante, la densité d'énergie, ou encore la température du coeur du plasma, diminue en l'absence de parois de la tuyère qui canalisent le flux de gaz plasmagène et évacuent la chaleur, réduisant ainsi énormément l'effet de pompage thermique qui a lieu dans le canal de la tuyère. Dès lors, la densité de puissance disponible à la pièce, généralement située à quelques millimètres de la sortie de la tuyère est affaiblie par rapport à celle obtenue dans le canal de la tuyère. De plus, la présence d'une tuyère de constriction, nécessairement isolée 2 0 électriquement du circuit du courant entre les électrodes établissant le plasma d'arc électrique, c'est à dire entre la pièce et l'électrode, impose un processus préalable d'amorçage de l'arc électrique entre l'électrode et la tuyère, avant de transférer celui-ci à la pièce à découper. Cet arc soufflé, généralement appelé arc pilote, est usuellement amorcé au moyen d'une décharge de haute tension à haute fréquence 25 (HF) entre l'électrode et la tuyère, ou d'un contact direct ou court-circuit entre celles-ci. Ce mode opératoire présente toutefois l'inconvénient de complexifier la conception des torches de coupage plasma et d'augmenter leur coût de fabrication en imposant des épaisseurs importantes de matériaux diélectriques isolants dans le cas 3 0 d'un amorçage par HF, et en imposant la conception d'un système de déplacement relatif de l'électrode par rapport à la tuyère dans le cas de l'amorçage par court-circuit. Ce mode opératoire présente aussi l'inconvénient de limiter la productivité car il impose d'établir l'arc pilote avant le transfert et retarde donc d'autant la phase de 5 perçage et de découpe à proprement parler du matériau. De plus, il est nécessaire de refroidir intensément les deux éléments exposés à l'énergie thermique dégagée par le plasma que sont l'électrode et la tuyère, généralement au moyen de circuits de refroidissements dans lesquels circule un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, la tuyère étant de plus soumise à l'érosion générée 10 par les phases d'arc pilote. Par ailleurs, les procédés de coupage plasma connus sont aussi limités par le caractère supersonique de l'écoulement en sortie de la tuyère. En effet, lorsqu'on augmente la pression d'alimentation de manière à assurer un meilleur pompage thermique de l'arc, et ainsi augmenter la densité de puissance, la pression du plasma à 15 la sortie de la tuyère est supérieure à la pression atmosphérique. Autrement dit, le régime de fonctionnement de la tuyère n' est pas adapté. La tuyère fonctionne alors en régime sous-détendu, c'est à dire que le jet libre de plasma poursuit sa détente vers la pression atmosphérique par une suite de détentes et de compressions à travers une série de structures de choc. On observe ainsi pour 2 0 les jets plasma fortement sous-détendus un disque de Mach caractéristique, situé à quelques millimètres de la sortie de la tuyère, qui est une onde de choc droite à travers laquelle l'écoulement passe brutalement d'un régime supersonique, où la vitesse du plasma est supérieure à la célérité locale du son, à un régime subsonique, où la vitesse du plasma est inférieure à la célérité locale du son. 25 Cette détente extérieure au canal de la tuyère s'accompagne aussi par une expansion radiale du jet plasma qui s'élargit d'autant plus vite en sortie de tuyère que la pression d'éjection est élevée par rapport à la pression ambiante. Cette expansion radiale du jet plasma s'accompagne d'une diminution de la densité de puissance et de la température au coeur du plasma, ce qui diminue l'efficacité du procédé de découpe, puisque la vitesse de coupe maximale diminue le volume de métal fondu augmente et l'épaisseur maximale possible à couper diminue. Ces structures de choc dues à la détente à la pression ambiante du jet plasma supersonique sous-détendu sont aussi dommageables pour le procédé car elles peuvent interagir avec la pièce découpée en perturbant le bon écoulement du jet de plasma dans la saignée de découpe. Ainsi, il est connu que pour le coupage plasma des matériaux conducteurs, la présence d'une onde de choc droite, ou disque de Mach, lorsqu'elle est située juste au-dessus ou au niveau de la saignée de découpe, conduit à une déflection de l'écoulement, à une diminution de la vitesse de frottement du jet plasma sur le bain de métal liquide, donc à un mauvais entraînement et à une mauvaise éjection du matériau à découper, et donc à une réduction des performances du procédé. L'utilisation de tuyères dont le canal forme un convergent-divergent, ou de tuyères de Laval, permet d'adapter la pression du jet à la sortie du canal de tuyère au niveau de la pression atmosphérique et donc de limiter les effets décrits précédemment. Cette méthode de coupage induit cependant une perte de la densité de puissance de l'écoulement au cours de sa détente dans le divergent de la tuyère, qui permet certes de limiter le problème de la présence de structures de choc aux 2 0 alentours de la zone d'interaction entre le plasma et la matière mais pas de conserver des densités de puissance élevées, en comparaison à ceux obtenus avec une tuyère cylindrique classique. Ce type de tuyère présente aussi un canal interne beaucoup plus coûteux à fabriquer que celui des tuyères classiques. De plus, même si la réalisation d'une tuyère adaptée à l'écoulement plasma qui 2 5 la traverse est possible, le régime adapté n' est obtenu que pour une pression ambiante à la sortie de tuyère donnée, généralement la pression atmosphérique du lieu. Autrement dit, l'écoulement ne sera exempt de structures de choc néfastes pour les performances du procédé que dans des conditions de pression atmosphériques fixées, ce qui implique que les performances du procédé sont inévitablement différentes d'un 30 jour à l'autre. Le problème qui se pose alors est d'améliorer les procédés de coupage plasma connus de manière à éviter au minimum les inconvénients susmentionnés. La solution de l'invention est alors une tuyère-électrode pour torche de coupage plasma formé d'une pièce de révolution formant le corps principal comprenant une extrémité avant présentant une protubérance comportant une surface perpendiculaire à l'axe du corps, et plane, en forme de disque ou de couronne, et une surface latérale de profil courbe ou incurvée dont le diamètre diminue progressivement en direction de la surface plane. Selon le cas, la tuyère-électrode de l'invention peut comprendre l'une ou 10 plusieurs des caractéristiques suivantes : - la surface plane comporte une cavité ou évidement borgne. - la surface plane comporte une cavité ou évidement borgne au sein duquel est fixé un insert émissif, de préférence en hafnium, en zirconium, un mélange de hafnium et zirconium ou du tungstène. 15 - elle comporte un ou plusieurs canaux aménagés radialement à travers la paroi de la surface courbe de la protubérance et débouchant dans l'évidemment borgne. - le corps principal a une forme générale cylindrique. - la paroi du corps principal, au niveau de la surface latérale à profil courbe ou incurvé, est conformée pour former un guide d'écoulement de gaz. 2 0 - la paroi a une forme concave, de préférence en forme de parabole. L'invention porte aussi sur une torche de coupage à l'arc plasma comprenant une telle tuyère-électrode. Selon le cas, la torche de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 25 - elle comporte, en outre, une chambre d'injection de gaz, la paroi périphérique externe de la tuyère-électrode étant conformée de manière telle que le gaz délivré par la chambre d'injection de gaz et cheminant au contact de ladite paroi externe de la tuyère soit détendu à l'extérieur de la chambre d'injection de gaz et soit utilisé pour réaliser la constriction et la stabilisation d'un plasma au niveau de la 3 0 protubérance. - la protubérance fait saillie hors de la torche et la paroi périphérique externe du corps principal est conformée de manière telle que le gaz délivré par la chambre d'injection de gaz soit dirigé et converge vers le sommet de ladite protubérance portant la surface plane. - la chambre d'injection de gaz comporte une paroi de chambre espacée de la paroi du corps et formant avec ladite paroi, un col annulaire par lequel transite le gaz sortant de la chambre d'injection de gaz. - par la paroi de chambre est conformée et agencée de manière à diriger le gaz traversant le col annulaire de la chambre d'injection de gaz en direction de la paroi externe de la surface courbe du corps principal de la tuyère-électrode. - la paroi de la torche comporte un rebord formant lèvre dirigé radialement en direction de la surface courbe de la tuyère-électrode, le rapport entre la section du col annulaire et la section projetée de la lèvre étant compris entre 1,5 et 13, de préférence entre 1,5 et 4. L'invention porte aussi sur un procédé de coupage plasma d'une pièce dans lequel on met en oeuvre une torche selon l'invention ou une tuyère-électrode selon l'invention, de manière à établir un plasma d'arc électrique constricté entre ladite tuyère-électrode, et une seconde électrode formée par la pièce à découper, et préférentiellement dans lequel on crée une détente externe du gaz plasma de manière à 2 0 obtenir un écoulement supersonique, et/ou on met en en oeuvre dans la chambre plasma une pression relative comprise entre 1,8 et 200 bars, de préférence entre 5 et 20 bars. En d'autres termes, la solution de l'invention consiste donc en l'utilisation dans une torche de coupage plasma d'une tuyère particulière, de conception inversée 2 5 ou encore � aérospike �, permettant de réaliser la striction par effet aérothermique du plasma situé à l'extérieur de l'enveloppe géométrique de la tuyère et, dans le même temps, l'accélération du jet de plasma à une vitesse supersonique de manière à obtenir une densité de puissance thermique et une énergie cinétique du jet de plasma plus importante. Cette tuyère particulière selon l'invention est appelée � tuyère électrode �, 3 0 dans le reste de la description. En effet il a été mis en évidence que l'utilisation d'une tuyère de conception inversée, ou tuyère-électrode pour accélérer les gaz chauds issus de la combustion permet de garantir l'adaptation de l'écoulement quelle que soit la pression ambiante et peut être dès lors avantageusement utilisée dans un procédé de coupage plasma ou matériaux, en particulier de métaux. Pendant la découpe des matériaux, le plasma ainsi constricté et accéléré par la tuyère-électrode peut être amené à proximité immédiate de la zone d'interaction entre le plasma et le matériau à découper de manière à augmenter les performances du procédé de découpe. Dans le cas où le plasma est généré par un arc électrique établi entre la première électrode située dans la torche et une deuxième électrode, par exemple constituée par le matériau à découper, la tuyère est utilisée comme première électrode formant alors une tuyère-électrode selon l'invention. Les Figures 2 et 3 représentent deux modes de réalisation selon l'invention. Dans le mode de réalisation de la Figure 2, la tuyère-électrode 1 est formée d'un corps principal, pièce de révolution dont le diamètre diminue progressivement en s'éloignant du col annulaire 2 formant une section critique d'injection du gaz plasmagène, et en direction de la partie avant protubérante 4 de la tuyère-électrode 1. Autrement dit, le col annulaire 2 est défini par la section de passage du gaz 2 0 située entre une partie de la surface courbe ou incurvée de la protubérance 4 et une partie de la surface interne de la paroi interne 5 du corps de torche. La surface courbe ou incurvée présente un profil non-linéaire s'incurvant progressivement en direction de la surface plane située à l'extrémité active de la protubérance 4 du corps 1 de la tuyère-électrode. 2 5 Le plasma d'arc électrique 3 est ainsi établi entre l'extrémité 4 protubérante du corps 1 de la tuyère-électrode, formant la première électrode, laquelle est reliée à une source de courant 6, et est saillante par rapport au corps de torche 5 et en direction de la pièce 7 à couper et l'extrémité terminale 5 dudit corps de torche. La deuxième électrode est la pièce à découper 7, placée au pôle positif de la source de courant dans la plupart des applications utilisant du courant continu, de manière à assurer un transfert d'énergie additionnel par bombardement électronique. La chambre d'injection 8 de la torche est alimentée en gaz plasmagène 9 à une pression relative supérieure à la pression ambiante, c'est-à-dire entre 1,5 et 100 bars et de préférence entre 2 et 25 bars. Le gaz plasmagène chemine alors dans la chambre 8 puis s'écoule à travers le col annulaire 2 où il atteint la vitesse du son, le nombre de Mach étant alors égal à 1 dans la section critique de l'écoulement. Le jet de gaz plasmagène subit ensuite une détente supersonique externe, le long de son parcours en étant guidé 10 par la paroi 12 externe de la tuyère 1. Tout en se détendant, la vitesse de l'écoulement gazeux augmente et atteint des nombres de Mach supérieurs à 1, alors que la température du gaz diminue. La forme de courbe génératrice de la paroi 12 de la tuyère 1 est choisie 15 rectiligne ou incurvée, avantageusement concave, par exemple paraboloïdale, en arc de cercle ou d'ellipse ou tout autre profil adapté similaire. L'arc électrique s'accroche préférentiellement à l'extrémité de la protubérance 4 de la tuyère-électrode 1, dans une zone de faible vitesse d'écoulement favorable à une bonne stabilité du pied d'accrochage de l'arc. 2 0 Comme visible sur les Figures 2 et 3, la protubérance 4 est dirigée et fait saillie vers l'extérieur de la torche en direction de la pièce à couper. Un insert émissif 11 dont le matériau constitutif est choisi pour ces propriétés de bonne conductivité électrique, de tenue à la température et d'émissivité électronique peut être placé dans le logement 16 situé à l'extrémité du corps 1 de la 25 tuyère-électrode pour augmenter sa durée de vie. Lorsque le gaz plasmagène utilisé est oxydant, par exemple de l'oxygène, du dioxyde de carbone ou du protoxyde d'azote ou tout mélange de ces gaz, ce matériau peut être du hafnium, du zirconium, leur mélange ou d'autres matériaux dont l'oxyde est réfractaire. A l'inverse, lorsque le gaz plasmagène n'est pas oxydant, par exemple de l'azote, de l'hydrogène, de l'argon de l'hélium ou tout autre gaz rare, et tout mélange de ces gaz, le matériau utilisé pour cet insert 11 peut être du tungstène pur ou additionné d'éléments à bon coefficient d'émissivité électronique, par exemple du thorium ou du lanthane. Dans le mode de réalisation de la Figure 3, la tuyère-électrode ne comporte pas d'insert émissif et l'arc plasma se forme directement dans la cavité ou évidemment borgne 16 aménagé dans l'extrémité protubérante 4 de la tuyère au centre de la surface plane. Dans ce cas, préférentiellement, des canaux 15 de passage de gaz sont également percés sensiblement radialement dans le corps de la tuyère de manière à alimenter en gaz l'intérieur de la cavité 16 avec du gaz détendu c'est-à-dire du gaz prélevé après sa sortie du col 2 situé entre la paroi externe de tuyère 1 et la paroi 5 de la torche en particulier d'une lèvre 15 bordant ladite paroi 5 et se projetant radialement en direction de ladite tuyère-électrode, comme visible sur les figures 2 et 3. Dans tous les cas, le matériau utilisé pour réaliser la tuyère 1 est un métal conducteur de l'électricité et de la chaleur, notamment en cuivre ou en alliage de cuivre, par exemple en laiton ou en cuivre allié à du chrome, du tellure et/ou à du plomb. 2 0 De même, la géométrie ou profil de la tuyère 1 est conçue de manière à faire converger les lignes de flux du jet de gaz guidés par la paroi 12, ce qui permet une constriction du plasma par le jet de gaz issu de la tuyère 1. Comme illustré en Figure 2, l'effet de constriction obtenu est maximum à une distance 14 de l'extrémité 4 de la tuyère dépendant de l'angle 13 d'éjection du jet de 25 gaz plasmagène à l'extrémité de la tuyère par rapport à la verticale, et du diamètre de l'extrémité 4 de la tuyère. L'invention permet ainsi d'obtenir la densité de puissance maximale de l'arc à quelques millimètres de la torche, ce qui permet positionner le matériau à découper 7 au voisinage immédiat de la zone la plus énergétique du plasma d'arc électrique. Selon la nature et l'épaisseur du matériau à découper, on peut ainsi placer la face supérieure du matériau 7 à découper au niveau de la zone de densité de puissance maximale du plasma. Un autre avantage de l'invention est d'assurer un excellent pompage thermique du plasma car le jet de gaz qui sert à la constriction a été détendu, accéléré à des vitesses supersoniques et refroidi avant d'interagir avec l'arc, ce qui améliore le transfert d'énergie entre le plasma d'arc électrique et le jet de gaz. En effet, le gaz étant refroidi à des températures inférieure à la température ambiante, par exemple à -50 °C au moins, l'échange par conduction est maximisé, ce qui diminue le diamètre de la zone conductrice du plasma d'arc ou diamètre du plasma, ce qui augmente la densité de courant électrique et ce qui produit des densités de puissance thermique élevées par effet Joule. De plus, le jet de gaz étant accéléré à des vitesses supersoniques, le pompage thermique par convection est augmenté, c'est-à-dire qu'une quantité de chaleur plus importante est évacuée par le gaz plasmagène. Encore un autre avantage de l'invention est que la détente supersonique du jet de gaz effectuée avant la constriction du plasma d'arc électrique évite la présence de structures de choc au niveau de l'arc électrique. Ainsi, l'onde de détente du jet à la sortie du col de la tuyère est située à la périphérie du jet de gaz et l'interaction du jet de plasma avec le matériau à découper n'est pas perturbée par des chocs 2 0 aérodynamiques, ce qui augmente le transfert de mouvement entre le jet de plasma et le métal fondu, ce qui permet d'évacuer plus rapidement une plus grande quantité de bain de métal liquide. En outre, l'invention permet d'opérer un amorçage direct par court-circuit de l'arc électrique entre l'électrode et la pièce, ce qui minimise les temps de cycle 25 d'exécution d'une pièce et facilite la conception des torches. Pour mettre en oeuvre le procédé de coupage plasma de l'invention, on peut utiliser comme fluide plasmagène, un gaz ou un mélange de gaz comprenant de l'azote, oxygène dioxyde de carbone, argon, hydrogène, des hydrocarbures gazeux dans les conditions normales tels le méthane, l'éthane, le gaz naturel. Par ailleurs, le refroidissement est assuré par une circulation de fluide caloporteur, comme de l'eau, à l'intérieur de canaux situés au plus près de la zone d'accrochage de l'arc électrique. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les canaux 15 permettent d'obtenir une injection complémentaire de gaz suivant un mode d'écoulement tourbillonnaire (vortex) 2 dans le canal 1 d'accrochage de l'arc, de manière à assurer la rotation du pied d'arc sur la surface du canal.. Cette injection complémentaire de gaz est réalisée au moyen d'une dérivation de l'écoulement principal externe aux parois de la tuyère, via les perçages obliques 15 débouchant dans le canal d'accrochage du pied d'arc fermé par le perçage borgne 16. Selon le procédé de découpe plasma selon l'invention, le plasma d'arc électrique est amorcé dans le gaz en amenant la tuyère-électrode 1 au contact de la pièce 7 à découper, puis en l'écartant de celle-ci une fois le passage d'un courant détecté dans la pièce 7, c'est-à-dire en opérant un court-circuit directement entre la tuyère-électrode 1 et la pièce 7 à couper. Revendications 1. Tuyère-électrode (1, 4) pour torche de coupage plasma formée d'une pièce de révolution formant le corps principal (1) comprenant une extrémité avant (4) présentant une protubérance (4) comportant une surface perpendiculaire à l'axe du corps et plane, en forme de disque ou de couronne, et une surface latérale de profil courbe ou incurvé dont le diamètre diminue progressivement en direction de la surface plane. 2. Tuyère-électrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface plane comporte une cavité ou évidement borgne (16). 3. Tuyère-électrode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface plane comporte une cavité ou évidement borgne (16) au sein duquel est fixé un insert émissif (11), de préférence en hafnium, en zirconium, un mélange de hafnium et zirconium ou du tungstène. 4. Tuyère-électrode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une ou plusieurs canaux (15) aménagés radialement à travers la paroi (12) de la surface courbe de la protubérance (4) et débouchant dans l'évidemment borgne (16). 2 0 5. Tuyère-électrode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps (1) principal a une forme générale cylindrique. 6. Tuyère-électrode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi (12) du corps principal (1), au niveau de la surface latérale à profil courbe ou incurvé, est conformée pour former un guide (10) 2 5 d'écoulement de gaz. 7. Tuyère-électrode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi (12) a une forme concave. 8. Torche de coupage à l'arc plasma comprenant une tuyère-électrode (1, 4) selon l'une des revendications 1 à 7, et comportant, en outre, une chambre (8) 3 0 d'injection de gaz, la paroi périphérique externe (12) de la tuyère-électrode étant conformée de manière telle que le gaz délivré par la chambre (8) d'injection de gaz etcheminant au contact de ladite paroi externe (12) de la tuyère (1) soit détendu à l'extérieur de la chambre (8) d'injection de gaz et soit utilisé pour réaliser la constriction et la stabilisation d'un plasma au niveau de la protubérance (4). 9. Torche selon la revendication 8, caractérisée en ce que la protubérance (4) fait saillie hors de la torche et la paroi périphérique externe (12) du corps principal (1) est conformée de manière telle que le gaz délivré par la chambre (8) d'injection de gaz soit dirigé et converge vers le sommet de ladite protubérance (4) portant la surface plane. 10. Torche selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que la chambre (8) d'injection de gaz comporte une paroi (5) de chambre espacée de la paroi (12) du corps (1) et formant avec ladite paroi (12), un col annulaire (2) par lequel transite le gaz sortant de la chambre (8) d'injection de gaz et en ce que par la paroi (5) de chambre est conformée et agencée de manière à diriger le gaz traversant le col (2) annulaire de la chambre (8) d'injection de gaz en direction de la paroi externe (12) de la surface courbe du corps principal (1) de la tuyère-électrode.