Brevet FR2941128A1 — publié le 20100716

L'invention concerne un bloc-tuyère formé de deux tuyères et d'un diffuseur de gaz pour torche à plasma, en particulier pour torche de coupage plasma, dans lequel les canaux des tuyères présentent une co-axialité quasi parfaite, ainsi qu'une torche à plasma équipée d'un tel bloc-tuyère et un procédé de fabrication dudit bloc-tuyère. Le coupage par arc plasma est une technique de découpe des matériaux, notamment des métaux, bien connue mettant en oeuvre une torche à plasma d'arc comprenant une électrode et une ou plusieurs tuyères, laquelle torche est alimentée en gaz et en courant électrique de manière à former un plasma d'arc qui est expulsé par l'orifice de la ou des tuyères en direction de la pièce à couper. Des torches de coupage plasma et leur principe de fonctionnement sont décrits dans de nombreux documents, notamment dans les documents suivants auquel on pourra se reporter, à savoir EP-A-599709, EP-A-1578177, EP-A-1126750, EP-A-1139701, WO-A-94013424, EP-A-794697, EP-A-641269 et EP-A-1298966. Les tuyères et les électrodes des torches sont des pièces d'usure qui s'érodent au fil du temps, c'est-à-dire pendant l'utilisation de la torche, et qui doivent donc être remplacées régulièrement, typiquement après quelques heures d'utilisation. Il existe deux type de torches de coupage plasma, à savoir celles dites � à mono flux � et celles dites � à double flux �. Les torches mono-flux mettent en oeuvre une seule tuyère par laquelle le flux de gaz plasma est expulsé en étant constricté au sein de l'orifice de la tuyère, après son ionisation par un arc électrique dans la chambre plasmagène située entre la partie intérieure de la tuyère et l'électrode portant l'insert émissif. Par ailleurs, les torches à double flux comprennent une seconde tuyère située en aval de la tuyère amont formant la chambre plasmagène, en considérant le sens de trajet du flux de gaz. Un deuxième flux de gaz circule entre les deux tuyères et est expulsé par le canal ou orifice de sortie de la seconde tuyère par lequel est également expulsé le flux de gaz plasma généré dans la chambre plasmagène et expulsé par la tuyère amont. On comprend aisément que, dans les torches à double flux, les canaux de sortie des deux tuyères des torches à double flux doivent être parfaitement coaxiaux. En effet, si tel n'est pas le cas, le flux de gaz plasmagène expulsé par la tuyère amont vient frapper la paroi interne de la tuyère aval et/ou la paroi du canal de ladite tuyère aval, ce qui engendre alors une détérioration rapide de la tuyère aval et surtout des défauts de coupe car le jet de plasma délivré par la torche est perturbé. Actuellement, les deux tuyères sont usinées séparément, en particulier le canal de chaque tuyère est percé individuellement, puis elles sont montées successivement dans la torche avec un jeu de positionnement minimum. La réduction du défaut de coaxialité entre les canaux des tuyères amont et aval est limitée par la précision de l'opération d'usinage et le mode de montage utilisé. A ce titre, le document EP-A-934684 a proposé d'améliorer la concentricité de la ou des tuyères et de l'électrode d'une torche à plasma en fixant autour de celles-ci une bague élastique 5 permettant de centrer le consommable dans le corps de torche. Toutefois, cette solution n'est pas idéale car elle nécessite l'emploi d'éléments supplémentaires autour de chaque consommable, ce qui augmente les coûts et la complexité de la torche. De plus, même avec ce type de dispositif, il reste très difficile d'obtenir des défauts de coaxialité minimums, et a fortiori nuls ou quasi nuls, entre les deux tuyères de la torche. Or, 10 comme déjà dit, toute variation quasi-inévitable de coaxialité entraîne des variations importantes de la qualité de coupe obtenue avec la torche munie de ces tuyères. De là, le problème qui se pose est de réduire au minimum le défaut de coaxialité entre les canaux des tuyères amont et aval d'une torche à plasma à deux tuyères coaxiales de manière à pouvoir assurer une qualité de coupe optimale ou quasi-optimale et de minimiser l'usure desdites 15 tuyères susceptible de résulter d'un défaut de coaxialité entre les deux tuyères. La solution de l'invention est un bloc-tuyère pour torche à plasma formé d'une tuyère amont dont la paroi est traversée par un canal amont et d'une tuyère aval dont la paroi est traversée par un canal aval, la tuyère amont étant solidaire de la tuyère aval et les canaux amont et aval étant coaxiaux l'un à l'autre. 20 Selon le cas, le bloc-tuyère de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le diamètre du canal amont de la tuyère amont est inférieur au diamètre du canal aval de la tuyère aval. - la tuyère amont a une forme générale allongée et la tuyère aval a une forme générale de 25 coupelle aplatie. - un diffuseur de gaz de forme annulaire est agencé entre la tuyère amont et la tuyère aval. - la tuyère amont et la tuyère aval sont fixées solidairement au diffuseur, de préférence par vissage. L'invention porte aussi sur une torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage 30 plasma, comprenant un bloc-tuyère selon l'invention, ainsi que sur un procédé de coupage plasma d'une pièce métallique, notamment en acier, en acier inoxydable ou en aluminium, en titane ou un alliages d'aluminium ou de titane, dans lequel on utilise une telle torche à arc plasma. Par ailleurs, l'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un bloc-tuyère selon l'invention, dans lequel on procède selon les étapes de : 35 a) usiner une pré-tuyère amont de forme désirée mais sans réaliser de perçage du canal amont, b) usiner une pré-tuyère aval de forme désirée mais sans réaliser de perçage du canal aval, c) assembler et solidariser la pré-tuyère amont à la pré-tuyère aval, directement ou par l'intermédiaire d'un diffuseur annulaire agencé entre lesdites pré-tuyères, et d) subséquemment à l'étape c), réaliser un perçage du canal amont au travers de la paroi de la pré-tuyère amont et du canal aval au travers de la paroi de la pré-tuyère aval de manière à obtenir un bloc-tuyère selon l'invention dont les canaux amont et aval sont coaxiaux. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - à l'étape d), les perçages du canal amont et du canal aval sont opérés successivement et immédiatement l'un après l'autre, au cours d'un même perçage. - l'étape d), les perçages du canal amont et du canal aval sont réalisés avec un même outil. La présente invention va être mieux comprise grâce à la description illustrative suivante faite en références aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 représente une vue de côté d'un bloc-tuyère selon l'invention, - la Figure 2 représente une vue en coupe du bloc-tuyère de la Figure 1 et - la Figure 3 représente une vue en coupe grossie de la région comprenant les canaux des tuyères du bloc-tuyère de la Figure 2. La Figure 1 représente un bloc-tuyère pour torche de coupage à l'arc plasma selon l'invention comprenant une tuyère amont 1, une tuyère aval 2 et un diffuseur 3 de gaz intermédiaire de forme annulaire, pris en sandwich entre les deux tuyères 1, 2. Comme détaillé sur les Figures 2 et 3, la paroi de la tuyère 1 amont est traversée, de manière classique au niveau de son fond, par un canal amont 11 servant à la constriction et à l'expulsion du jet de plasma qui se forme dans la chambre plasmagène qui est l'espace formé entre la partie interne 4 de cette tuyère amont 1 et l'électrode portant l'insert émissif (non représenté) de la torche à plasma dans laquelle est agencée cette tuyère amont 1. De manière analogue, la paroi de la tuyère aval 2 est elle aussi traversée par un canal aval 12 situé au niveau du fond de cette tuyère aval 2. Il est à noter que les canaux 11 et 12 sont de forme cylindrique mais que le canal amont 11 présente un diamètre inférieur à celui du canal aval 12. Selon l'invention, les tuyères amont 1 et aval 2 sont fixées de manière solidaire l'une à l'autre de manière à constituer un bloc-tuyère, ce qui permet de garantir une coaxialité quasi parfaite des canaux 11, 12 desdites tuyères. La fixation de la tuyère amont 1 à la tuyère aval 2, ou inversement, peut se faire directement par vissage par exemple d'une tuyère à l'autre, ou alors préférentiellement indirectement, par l'intermédiaire d'un diffuseur 3 de gaz intermédiaire de forme annulaire, comme illustré sur les Figures 1 à 3. Le diffuseur 3 assure la diffusion de gaz dans l'espace inter-tuyère délimité par la surface extérieure de la tuyère amont et la surface interne de l'intérieur 5 de la tuyère aval 2. Comme on le voit, la tuyère amont a une forme générale plutôt allongée, alors que la tuyère aval 2 a une forme de coupelle plutôt aplatie. Toutefois, il va de soi que les tuyères amont et aval 1, 2 peuvent revêtir d'autres formes notamment en fonction de l'architecture de la torche dans laquelle elles doivent être montées. Afin de garantir une coaxialité quasi-parfaite des tuyères, on usine d'abord des pré-tuyères 1, 2 qui sont des tuyères dans lesquelles les perçages des canaux n'ont pas été effectués, puis on assemble sans jeu et de manière solidaire ces pré-tuyères avec (ou sans) le diffuseur aval 3, par exemple par vissage serré des différentes parties entre elles. Ensuite, le bloc-tuyère ainsi obtenu est repris en usinage pour le perçage quasi-simultanée des canaux 11, 12 des tuyères 1, 2, en garantissant ainsi un défaut de coaxialité réduit au minimum. Par perçage � quasi-simultané � des canaux, on entend que le perçage des deux canaux se fait par un outil unique dans un même mouvement. Stricto sensu, on obtient alors un perçage successif des deux canaux mais à des instants extrêmement rapprochés dans le temps, c'est-à-dire quasi-concomitamment. Le bloc-tuyère ainsi obtenu présente alors des tuyères de coaxialité quasi parfaite, c'est-à- dire présentant un angle de déviation quasi nul. En procédant de la sorte, il est possible de garantir une reproductibilité de la qualité de coupe optimum, indépendamment des lots de pièces fabriquées, lors de l'utilisation subséquente du bloc-tuyère ainsi obtenu dans une torche de coupage plasma. De manière générale, les tuyères peuvent être réalisées en tout métal ou alliage métallique présentant une bonne usinabilité et des propriétés de résistance aux contraintes thermiques existant dans les torches à plasma, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre, par exemple en cupro-tellure, en cupro-chrome ou tout autre alliage de cuivre adapté à un usage en tant que tuyère de torche à plasma. A titre indicatif, les canaux 11, 12 ont typiquement un diamètre inférieur à environ 4 ou 5 millimètres, par exemple de l'ordre de 0.8 à 2 mm. Par ailleurs, comme visible sur les Figures 2 et 3, le canal aval 12 de la tuyère aval 2 comporte une embouchure 13 évasée, c'est-à-dire de diamètre supérieur à celui du canal aval 12. En outre, la tuyère aval 2 comprend des orifices 14 d'entrée de gaz qui sont utilisés pour introduire du gaz dans l'espace inter-tuyère 5, lorsque le bloc-tuyère est monté dans une torche de coupage plasma et que cette torche est en fonctionnement. Ces orifices 14 sont régulièrement répartis sur une couronne située dans la région amont de la tuyère aval 2. De préférence, ces orifices 14 sont percés tangentiellement à la paroi interne de la tuyère aval 2 de manière à conférer au gaz entrant dans l'espace inter-tuyère 5, un mouvement de tourbillon (vortex). Revendications1. Bloc-tuyère pour torche à plasma formé d'une tuyère (1) amont dont la paroi est traversée par un canal amont (11) et d'une tuyère aval (2) dont la paroi est traversée par un canal aval (12), la tuyère amont (1) étant solidaire de la tuyère aval (2) et les canaux amont (11) et aval (12) étant coaxiaux l'un à l'autre. 2. Bloc-tuyère selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du canal amont (11) de la tuyère (1) amont est inférieur au diamètre du canal aval (12) de la tuyère aval (2). 3. Bloc-tuyère selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tuyère (1) amont a une forme générale allongée et la tuyère aval (2) a une forme générale de coupelle aplatie. 4. Bloc-tuyère selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un diffuseur (3) de gaz de forme annulaire est agencé entre la tuyère (1) amont et la tuyère aval (2). 5. Bloc-tuyère selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tuyère (1) amont et la tuyère aval (2) sont fixées solidairement au diffuseur (3), de préférence par vissage. 6. Torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage plasma, comprenant un bloc-tuyère selon l'une des revendications précédentes. 7. Procédé de coupage plasma d'une pièce métallique, dans lequel on utilise une torche à arc plasma selon la revendication 6. 8. Procédé de fabrication d'un bloc-tuyère selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on procède selon les étapes de : a) usiner une pré-tuyère (1) amont de forme désirée mais sans réaliser de perçage du canal amont (11), b) usiner une pré-tuyère (2) aval de forme désirée mais sans réaliser de perçage du canal aval (12),c) assembler et solidariser la pré-tuyère (1) amont à la pré-tuyère (2) aval, directement ou par l'intermédiaire d'un diffuseur (3) annulaire agencé entre lesdites pré-tuyères (1, 2), et d) subséquemment à l'étape c), réaliser un perçage du canal amont (11) au travers de la paroi de la pré-tuyère (1) amont et du canal aval (12) au travers de la paroi de la pré-tuyère (2) aval de manière à obtenir un bloc-tuyère selon l'une des revendications 1 à 5 dont les canaux amont et aval (11, 12) sont coaxiaux. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'à l'étape d), les perçages du canal amont (11) et du canal aval (12) sont opérés successivement et immédiatement l'un après l'autre, au cours d'un même perçage. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'à l'étape d), les perçages du canal amont (11) et du canal aval (12) sont réalisés avec un même outil.15