Brevet FR2947748A1 — publié le 20110114

L'invention porte sur un procédé de découpe de matériaux, tels les métaux, le béton, le bois, les plastiques ou tout autre type de matériau, par jet de fluide cryogénique à très haute pression additionné d'abrasif. La découpe de matériaux peut se faire à la disqueuse (béton, pierre, métaux.), à la scie (métaux, bois, plastiques...), par faisceau laser (métaux, plastiques...), au jet de plasma (métaux), au jet d'eau à Ultra Haute Pression (UHP) avec ou sans abrasifs (tous type de matériaux)... Toutefois, lorsqu'il doit ne pas y avoir de point chaud au contact de matériaux durs, pendant le processus de découpe, seule la découpe par jet d'eau UHP avec abrasif est utilisée. Dans ce cas, selon un procédé de coupage assez répandu, de l'eau à une pression (UHP) comprise entre 1000 et 4000 bars est amenée jusqu'à une chambre de mélange en acier inoxydable, dans laquelle est simultanément introduit un flux d'air comprimé véhiculant un abrasif du type grenat ou olivine de manière à former un mélange d'eau et d'abrasif à ultra haute pression. Ce mélange eau/abrasif est ensuite envoyé en direction du matériau à couper par un canon de focalisation en carbure de tungstène, tel celui représenté en Figure 1. Ainsi, la figure 1 schématise une structure classique de canon de focalisation 5 en carbure de tungstène utilisé pour envoyer un matériau abrasif vers un matériau à couper. Ce canon de focalisation 5 comprend une première arrivée ou entrée 1 par laquelle on alimente le canon avec un mélange abrasif/air comprimé, une seconde arrivée ou entrée 2 par laquelle on alimente le canon 5 avec de l'eau à UHP, par exemple entre 1000-4000 bars, une tête 3 de type venturi, une chambre de mélange 4 et une sortie pour le mélange formé d'eau sous pression additionnée d'abrasif Or, dans certains cas, l'utilisation d'eau est elle même problématique. En effet, l'utilisation d'eau pour certaines applications de découpe de pièce contaminée, par exemple suite à une contamination par produit chimique, radiations nucléaires ou autres, comporte des risques de pollution et impose des systèmes de récupération complexes et couteux. Une solution alternative à la découpe à l'eau est proposée par l'utilisation de jets cryogéniques, comme enseigné par le document US-A-7,310,955 par exemple. Dans ce cas, on utilise un fluide cryogénique, en général de l'azote liquide, sous très haute pression en remplacement de l'eau pour réaliser la découpe souhaitée. Toutefois, ce procédé n'est pas utilisable pour découper certains matériaux durs, tels le métal, la pierre, le béton..., en particulier quand leur épaisseur devient trop importante, par exemple supérieure à environ 10 mm. Il s'ensuit que le problème qui se pose est de pouvoir utiliser un procédé de découpage 35 par jet de fluide cryogénique UHP pour découper différents types de matériaux, y compris des matériaux durs, tel le béton, les métaux, la pierre, le bois, les plastiques et/ou ayant des épaisseurs pouvant atteindre 10 cm. La solution de l'invention est alors un procédé de coupage d'un matériau, dans lequel on opère une découpe dudit matériau au moyen d'un jet de coupe à une pression d'au moins 100 bars, caractérisé en ce que le jet de coupe est formé par mélange d'au moins un composé sous forme liquide et à une température cryogénique inférieure à -100°C, et de particules abrasives solides formées d'au moins un matériau abrasif ayant un indice de dureté d'au moins 6 Mohs. Selon le cas, le procédé de coupage de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la pression du jet de coupe est comprise entre 500 et 4000 bars, entre 1000 et 3800 bars, de préférence de l'ordre de 3000 à 3500 bars. - le composé sous forme liquide est à une température inférieure à -150°C, de préférence entre -160°C et -230°C. - le composé sous forme liquide est de l'azote liquide. - les particules abrasives solides comprennent au moins un matériau abrasif choisi dans le groupe formé par le corindon, le grenat, le carbure de tungstène, le carbure de silicium, l'olivine, l'alumine et le carbonate de calcium. - les particules abrasives solides ont une granulométrie comprise entre 20 et 200 mesh, de préférence 60 et 100 mesh. - les particules abrasives solides sont avantageusement des particules de corindon, grenat ou olivine. - le matériau à découper est en métal, en béton, en céramique, en bois, en plastique, en tout autre polymère ou en matière organique dure. - le matériau à découper a une épaisseur comprise entre 1 cm et 20 cm. - la vitesse de coupe est comprise entre 0,01 et 4 m/min selon la nature du matériau à couper. - le jet de coupe comprenant le composé sous forme liquide et les particules abrasives solides est obtenu par mélange dudit composé sous forme liquide avec un flux gazeux comprenant les particules abrasives solides, de préférence un flux d'air. - le mélange entre le flux liquide et l'abrasif véhiculé par un flux gazeux, se fait dans une chambre de mélange formée, totalement ou partiellement, i.e. pièce massive ou revêtement de surface, d'acier trempé, de carbure de tungstène, de carbure de silicium, de titane ou de bore, nitrure de bore, de préférence nitrure de bore cubique, ou de diamant ; - avantageusement, le mélange entre le flux liquide et l'abrasif véhiculé par un flux gazeux, se fait dans une chambre de mélange formée, totalement ou partiellement, i.e. pièce massive ou revêtement surfacique interne, en un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de l'abrasif utilisé. - le jet de découpe est dirigé vers le matériau à couper au moyen d'un canon de focalisation alimenté par le mélange obtenu dans ladite chambre de mélange. - la matière formant, totalement ou partiellement, i.e. pièce massive ou revêtement surfacique interne, le canon de focalisation est de l'acier trempé, du carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, de préférence de l'ordre de 0.15% à 0.5%, par exemple de l'ordre 0.25%, du carbure de silicium, du carbure de titane, du carbure de bore, du nitrure de bore cubique ou du diamant, de préférence en un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de l'abrasif utilisé. - le mélange entre le flux liquide et l'abrasif véhiculé par un flux gazeux, se fait dans une chambre de mélange formée, totalement ou partiellement, d'acier trempé, de carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, de carbure de silicium, de carbure de titane, de carbure de bore, de nitrure de bore ou de diamant, de préférence chambre de mélange formée en un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de l'abrasif utilisé. - la chambre de mélange ou le canon est formé, au moins partiellement, de carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, et les grains de carbure de tungstène ont une taille inférieure à 1,5 �m, de préférence entre 0,1 et 0,6 �m. L'invention concerne aussi un dispositif de coupage par jet de coupe à une pression d'au moins 100 bars comprenant une source de liquide cryogénique sous pression relié fluidiquement à une chambre de mélange pour alimenter ladite chambre de mélange en liquide cryogénique sous pression, et un canon de focalisation relié fluidiquement à ladite chambre de mélange, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre une source de particules abrasives ayant un indice de dureté d'au moins 6 Mohs, alimentant la chambre de mélange de manière à alimenter le canon de focalisation en un mélange formé de liquide cryogénique sous pression et desdites particules abrasives, lequel mélange est délivré par le canon de focalisation sous forme d'un jet de coupe. Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le canon de focalisation est formé, totalement ou partiellement, d'acier trempé, de carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, de carbure de silicium, de carbure de titane, de carbure de bore, de nitrure de bore cubique ou de diamant, ou - la chambre de mélange est formée, totalement ou partiellement, d'acier, de carbure de tungstène, de carbure de silicium, de carbure de titane, de carbure de bore, de nitrure de bore cubique ou de diamant. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce aux explications suivantes et aux exemples de réalisation ci-après. Le procédé de découpe selon l'invention existante consiste à utiliser un jet de coupe formé, d'une part, d'un fluide cryogénique sous forme liquide, en particulier de l'azote liquide, à UHP, c'est-à-dire typiquement plus de 100 bars, voire plus de 1000 bars, et d'autre part, de particules abrasives formées d'un ou plusieurs matériaux ayant un indice de dureté d'au moins 6 Mohs, pour réaliser la découpe d'un matériau. Les particules abrasives sont amenées par un flux de gaz, tel de l'air, à la chambre de mélange alimentant le canon de focalisation servant à distribuer le jet de mélange azote liquide/abrasif. Les abrasifs utilisés en association avec l'azote liquide UHP sont de préférence le corindon, le grenat et l'olivine par les raisons expliquées ci-après. Toutefois, d'autres abrasifs, tel que carbure de tungstène, carbure de silicium, alumine et carbonate de calcium peuvent aussi être utilisés, en fonction de l'application considérée, notamment de la nature, de l'épaisseur du matériau à découper, du type de canon utilisé, de la nature du matériau formant la chambre de mélange.... La performance d'un abrasif dépend de sa granulométrie, de sa forme et de sa dureté. Les essais de découpe ont été faits avec des abrasifs de granulométrie égale à 80 mesh, soit 150 à 180 �m, et ayant la même forme de grains (angles vifs à 60° environ). C'est donc la dureté des abrasifs qui détermine ici leur efficacité. Les indices de dureté de plusieurs matériaux sont donnés dans le tableau I suivant. Tableau I Matériau Indice de dureté (Mohs) Diamant 10 Nitrure de bore cubique 9.8 Carbure de bore (B4C) 9,5 Carbure de silicium 9,3 Alumine 9,2 Chrome 9 Corindon 9 Carbure de tungstène (WC) standard 8,5 Acier inoxydable Toutefois, il a été constaté qu'avec le corindon, la chambre de mélange, en acier trempé, et le canon de focalisation, en carbure de tungstène (WC) standard, subissent une plus forte érosion qu'avec le grenat. En fait, ces dégradations s'expliquent par le fait que la dureté du corindon est supérieure à celle de l'acier inox et à celle du carbure de tungstène standard. Le tableau II ci-après illustre ainsi la dégradation d'un canon de focalisation en fonction du matériau constituant ledit canon, lors de tests opérés avec un mélange d'azote liquide et de corindon. Tableau II Après 1 heure de test : Corindon + azote liquide Type de WC standard WC + résistant WC + Alumine B4C canon de à l'abrasion résistant à (Tétrabor�) focalisation (Roctec� 500) l'abrasion (Ultramant 3000) Marque / KMT Ceratizit Sceram ESK Résultats Inopérante au Pas de perte Pas de perte Inopérante au Pas de perte bout de 2 min d'efficacité d'efficacité bout de 15 min d'efficacité Diamètre 1.02 mm 1.02 mm 1.02 mm 1.20 mm 1.20 mm intérieur avant utilisation Diamètre intérieur Entre 1.04 mm 1.08 mm 3 à 4 mm 1.20 mm après 2 et 2.5 mm utilisation Compatibilité Mauvaise Très bonne Très bonne Mauvaise Excellente avec corindon On constate que les canons de focalisation Roctec� 500 et Ultramant 3000 sont plus durs que le canon en carbure de tungstène (WC) standard et résistent beaucoup mieux à l'érosion du corindon. Ceci est dû à la proportion de cobalt présent dans le liant du tungstène utilisé pour fabriquer des canons. En effet, plus la quantité de cobalt (Co) liant du tungstène est faible, plus le tungstène est résistant à l'abrasion mais aussi fragile aux chocs. Toutefois, étant donné qu'un canon de focalisation ne subit pas de choc mais simplement une érosion par frottements, on préfèrera utiliser des canons de focalisation formés de tungstène comprenant moins de 0.5% en poids de cobalt, de préférence moins 0.30%, par exemple de l'ordre de 0.25%, lorsque du corindon est choisi comme matériau abrasif mélangé au flux d'azote liquide. Comme déjà mentionné, la chambre de mélange 4 est très érodée par le flux de particules abrasives. Ainsi, le tableau III ci-après montre la dégradation d'une chambre de mélange en acier trempé suite à une utilisation d'un mélange d'azote liquide et de corindon pendant 8 heures, en particulier de la partie 11 de la chambre de mélange où arrive l'abrasif, de la partie de la chambre 12 de mélange où arrive l'azote liquide et de la partie de la chambre de mélange où sort le mélange azote/abrasif, tel qu'illustré en Figure 2. Tableau III Après 8 heures de test : corindon + azote liquide Chambre de focalisation acier trempé (cf. Figure 2) Diamètre intérieur Chambre de mélange avant utilisation Partie 11 Partie 12 Partie 13 3 mm 2 mm 4.5 mm après utilisation 3.1 mm 4.2 mm 6.5 mm Les résultats obtenus montrent que, malgré une érosion importante de son diamètre, en particulier des parties 12 et 13 de la Figure 2, la chambre de mélange 4 en acier inox est restée efficace pour réaliser le mélange corindon/azote liquide durant les 8h de tests. Néanmoins, pour minimiser l'usure de la chambre de mélange et du canon de focalisation, on utilisera une chambre de mélange et un canon de focalisation formés (i.e. pièces massives ou revêtements de surface) d'un matériau plus dur que le corindon permettant ainsi de pallier le problème d'érosion due au corindon. Ainsi, la matière de la chambre de mélange et du canon de focalisation peut être du carbure de tungstène contenant un faible taux de cobalt ( Au final, ces essais montrent qu'utiliser des outils adaptés permet de gagner en durée de vie malgré l'utilisation d'abrasifs efficaces en découpe mais très érodant pour les matériels, tel le corindon. Ceci est d'autant plus important pour des applications où le nombre d'opérations de maintenance préventives et/ou correctives doit être réduit au maximum, par exemple, dans des applications où l'intervention humaine est difficile, typiquement en milieux radioactifs.20 Revendications1. Procédé de coupage d'un matériau, dans lequel on opère une découpe dudit matériau au moyen d'un jet de coupe à une pression d'au moins 100 bars, caractérisé en ce que le jet de coupe est formé par mélange d'au moins un premier composé sous forme liquide et à une température cryogénique inférieure à -100°C, et de particules abrasives solides formées d'au moins un matériau abrasif ayant un indice de dureté d'au moins 6 Mohs. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression du jet de coupe est comprise entre 500 et 4000 bars. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le composé sous forme liquide est à une température inférieure à -150°C. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé sous forme liquide est de l'azote liquide. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules abrasives solides comprennent au moins un matériau abrasif choisi dans le groupe formé par le corindon, le grenat, le carbure de tungstène, le carbure de silicium, le carbure de titane, l'olivine, l'alumine et le carbonate de calcium. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau à découper est en métal, en céramique, en béton, en bois, en plastique ou en polymère. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet comprenant le composé sous forme liquide et les particules abrasives solides est obtenu par mélange dudit composé sous forme liquide avec un flux gazeux comprenant les particules abrasives solides, de préférence un flux d'air. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange entre le flux liquide et l'abrasif véhiculé par un flux gazeux, se fait dans une chambre de mélange formée, totalement ou partiellement, d'acier trempé, de carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, de carbure de silicium, de carbure de 30titane, de carbure de bore, de nitrure de bore ou de diamant, de préférence chambre de mélange formée en un matériau ayant une dureté supérieure à la dureté de l'abrasif utilisé. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet de découpe est dirigé vers le matériau à couper au moyen d'un canon de focalisation alimenté par le mélange obtenu dans ladite chambre de mélange, la matière formant, totalement ou partiellement, le canon de focalisation est de l'acier trempé, du carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, du carbure de silicium, du carbure de titane, du carbure de bore, du nitrure de bore cubique ou du diamant. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules abrasives solides comprennent au moins un matériau abrasif choisi dans le groupe formé par le corindon, le grenat et l'olivine. 11. Dispositif de coupage par jet de coupe à une pression d'au moins 100 bars comprenant une source de liquide cryogénique sous pression relié fluidiquement à une chambre de mélange (4) pour alimenter ladite chambre de mélange (4) en liquide cryogénique sous pression, et un canon de focalisation (5) relié fluidiquement à ladite chambre de mélange (4), caractérisé en ce qu'elle comporte en outre une source de particules abrasives ayant un indice de dureté d'au moins 6 Mohs, alimentant la chambre de mélange (4) de manière à alimenter le canon de focalisation (5) en un mélange formé de liquide cryogénique sous pression et desdites particules abrasives, lequel mélange est délivré par le canon de focalisation (5) sous forme d'un jet de coupe. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le canon de focalisation (5) ou la chambre de mélange (4) est formé, totalement ou partiellement, d'acier trempé, de carbure de tungstène avec un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, de carbure de silicium, de carbure de titane, de carbure de bore, de nitrure de bore cubique ou de diamant. 13. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que le canon de focalisation (5) ou la chambre de mélange (4) est formé, totalement ou partiellement, de carbure de tungstène comprenant un taux de cobalt compris entre environ 0.1 et 10%, les grains de carbure de tungstène ayant une taille inférieure à 1,5 �m.