Brevet FR2950218A1 — publié le 20110318

L'invention concerne la conception de la partie interne d'une torche à arc plasma, en particulier une torche de découpe à l'arc plasma, laquelle torche comporte deux parties principales dissociables l'une de l'autre, à savoir une embase et un nez amovible. De façon connue, l'embase ou corps de torche d'une torche à plasma est une interface entre le générateur électrique, le boîtier haute fréquence/haute tension nécessaire à l'amorçage de l'arc électrique, le boîtier de régulation des gaz et le système de refroidissement. Les conduits et les fils électriques issus des différents éléments convergent vers l'embase qui regroupe les différentes entrées et sorties de fluides, à savoir liquide de refroidissement et gaz plasmagène et protecteur, ainsi que les connections électriques pour la cathode et les circuits d'amorçage et pilote. Par ailleurs, le nez de la torche ou tête de torche, est démontable, c'est-à-dire dissociable de l'embase, et contient l'empilement des consommables, à savoir électrode, diffuseur amont, tuyère amont, diffuseur aval et tuyère aval, ainsi que des circuits internes de distribution des gaz et du liquide de refroidissement. L'embase ou corps de torche est habituellement fixée sur une structure, tel un bâti-porteur muni d'une poutre mobile par exemple. De telles torches de coupage plasma sont connues des documents EP-A-599709, 20 GB-A-2091594, EP-A-801882 et EP-A-941018. La structure interne d'une torche, c'est-à-dire de l'embase ou corps de torche et de la tête ou nez de torche, doit être conçue de manière à ce que les différents passages de fluides soient indépendants et étanches, et que par ailleurs la connexion et le circuit électrique de la cathode reliée à l'électrode et ceux de l'anode reliée à la tuyère amont, 25 soient isolés et étanches aux différents fluides présent dans la torche. De plus, la matrice contenant tous ces passages fluidiques et électriques doit être capable de résister à de hautes tensions, à savoir de l'ordre de 10 kV, fluctuants à hautes fréquences, c'est-à-dire de l'ordre de 10 kHz. Enfin, le corps de torche doit résister à des températures relativement élevées 30 générées par effet Joule par le courant circulant dans la cathode, par les phénomènes de pied d'arc sur la cathode, par le gaz plasmagène chauffé par la décharge électrique, et aussi par le rayonnement intense de la tôle chaude découpée. En d'autres termes, la structure mécanique et les propriétés électriques de la torche doivent être thermiquement stables. Pour ce faire, la matrice de la torche est généralement fabriquée dans un matériau thermoplastique (Peek, Torlori , Vespel®, etc..) qui, en plus d'être un isolant électrique, présente un point de fusion relativement élevé. Pour les torches fonctionnant avec des courants supérieurs à une centaine d'ampères, un liquide de refroidissement permet de maintenir la stabilité thermique de tels matériaux. Cependant, l'utilisation de matériaux thermoplastiques isolants pour réaliser la matrice présente deux inconvénients majeurs, à savoir, d'une part, des tolérances requises pour la coaxialité des consommables (tuyère amont, tuyère aval...) dans la torche qui sont souvent plus fines que ce que permet l'usage de matériaux thermoplastiques et, d'autre part, une tenue thermique insuffisante des matériaux thermoplastiques pour des intensités de courant supérieures ou égale à 400 ampères. Le problème qui se pose est dès lors de proposer une torche de coupage plasma ne présentant pas ces inconvénients, notamment une torche dont la matrice présente une bonne tenue thermique à haute intensité de courant, c'est-à-dire y compris à 400 A et plus, et qui soit apte à être usinée avec tolérances dimensionnelles compatibles avec les besoins du procédé, notamment qui permette un bon alignement coaxial des éléments de la tête de torche. La solution de l'invention est une torche de coupage plasma comprenant un corps de torche et une tête de torche démontable apte à et conçue pour pouvoir être assemblée à ou désassemblée dudit corps de torche, la tête de torche et/ou le corps de torche comprenant au moins un passage de fluide et au moins un passage électrique aménagés au sein d'une matrice, caractérisée en ce que ladite matrice est formée d'un matériau métallique. Selon le cas, la torche de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des 25 caractéristiques suivantes : - la matrice est en cuivre ou en laiton. - les passages de fluide et électrique comprennent des perçages opérés au sein de ladite matrice. - elle comporte en outre des moyens de fixation permettant de solidariser la tête au 30 corps de torche, de préférence les moyens de fixation comprennent une bague mobile taraudée. - la tête de torche comporte, à son extrémité amont des raccords de fluides et électrique faisant saillie vers l'extérieur et agencés sur lesdits passages de fluide et électrique aménagés au sein de ladite matrice de la tête démontable. - les raccords de fluides et électrique sont aptes à et dimensionnés pour venir s'insérer dans des logements à raccords aménagés au niveau de l'extrémité aval du corps de torche et agencés sur lesdits passages de fluide et électrique aménagés au sein de ladite matrice du corps de torche. - la matrice dans la tête ou dans le corps est monobloc. L'invention concerne aussi : - d'une part, une torche d'une torche selon l'invention comprenant une matrice formée d'un matériau métallique, de préférence du cuivre ou du laiton ; et - d'autre part, un corps de torche d'une torche selon l'invention comprenant une matrice formée d'un matériau métallique, de préférence du cuivre ou du laiton. Par ailleurs, l'invention concerne également un procédé de coupage par jet de plasma, dans lequel on met en oeuvre une torche ou une tête de torche selon l'invention pour découper une pièce métallique, en particulier en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en alliage d'aluminium. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce aux explications suivantes données en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente un schéma en coupe d'une torche à tête démontable selon l'invention et - la figure 2 est une vue en coupe détaillée de la tête démontable de la torche de la figure 1. La figure 1 schématise une torche de coupage plasma d'axe 5 comprenant un corps de torche 2 ou embase et une tête 1 ou nez de torche démontable qui peut être assemblée ou désassemblée du corps 2 de torche. La tête 1 de torche et le corps de torche 2 comprennent des passages 10 internes de fluide pour véhiculer des gaz et du liquide de refroidissement, et un ou des passages 9 électriques aménagés au sein d'une matrice 3, 4 au sein duquel sont agencés des éléments électriques, tels qu'un tube métallique pour conduire l'électricité et le liquide de refroidissement. Selon l'invention, ladite matrice 3, 4 est formé d'un matériau métallique, tel du 30 cuivre ou du laiton, conducteur d'électricité et non d'un matériau isolant comme dans les torches de l'art antérieur. Utiliser une telle matrice 3, 4 métallique en lieu et place d'une matrice en un matériau thermoplastique selon l'art antérieur conduit à une torche à plasma améliorée puisque présentant une structure thermiquement stable et des tolérances dimensionnelles correspondant aux exigences du procédé, ce qui facilite les opérations d'usinage et par ailleurs permet d'améliorer les performances du procédé de coupe puisque les consommables de la torche sont bien positionnés coaxialement les uns aux autres, selon l'axe 5. Ainsi, comme détaillé sur la figure 2, la matrice métallique 4 qui comprend les sièges 11, 12, respectivement, des tuyères amont et aval de la tête 1 permet un alignement coaxial de ces dernières, ce qui assure une bonne qualité de coupe, c'est à dire des angles de dépouille inférieurs à 2° et une absence de bavures adhérentes sur les tôles coupées. Un autre avantage d'utiliser un métal comme matrice 3, 4 est de pouvoir percer des l0 canaux ou passages 10 de petites tailles et/ou très imbriqués pour acheminer les gaz, tels que le gaz plasmagène ou encore le gaz de protection, de la partie amont vers la partie aval de la tête 1 de torche, et de faire circuler le fluide de refroidissement dans les parties internes de la torche nécessitant un bon refroidissement, en particulier à proximité de l'insert thermo-émissif en hafnium ou tungstène thorié par exemple, situé sur l'électrode, 15 du canal de la tuyère amont, ou encore de la tuyère aval. De plus, les propriétés thermiques assurent un bon refroidissement de l'ensemble de la torche. En effet, la conduction thermique des métaux, tel que le cuivre ou le laiton, est meilleur que celle des matériaux thermoplastiques, ce qui a pour effet de retarder le « vieillissement » des parties interne de la torche. L'isolation des connexions électriques 20 parcourant la matrice 3, 4, c'est-à-dire des câbles, tubes métalliques et autres connectiques agencés dans le ou les passages 9 électriques de la matrice 3,4, est assurée par un gainage en matière thermoplastique, ce qui ne représente plus de problème grâce à la capacité de refroidissement de la torche dû à l'utilisation d'un métal pour matrice comme expliqué ci-dessus. 25 A noter qu'une bague isolante 13 agencée dans la tête 1 de coupe sert à isoler électriquement la tuyère aval de la tuyère amont qui joue le rôle d'anode pendant la phase d'arc pilote. La torche de l'invention est utilisable pour découper une pièce métallique, en particulier en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en alliage 30 d'aluminium. Revendications1. Torche de coupage plasma comprenant un corps de torche (2) et une tête (1) de torche démontable apte à et conçue pour pouvoir être assemblée à ou désassemblée dudit corps (2) de torche, la tête (1) de torche et/ou le corps de torche (2) comprenant au moins un passage de fluide (10) et au moins un passage électrique (9) aménagés au sein d'une matrice (3, 4), caractérisée en ce que ladite matrice (3, 4) est formée d'un matériau métallique. l0 2. Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matrice (3, 4) est en cuivre ou en laiton. 3. Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les passages de fluide et électrique (10, 9) comprennent des perçages opérés au sein de 15 ladite matrice (3, 4). 4. Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de fixation permettant de solidariser la tête (1) au corps (2) de torche, de préférence les moyens de fixation comprennent une bague (3) 20 mobile taraudée. 5. Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tête de torche (1) comporte, à son extrémité amont des raccords de fluides (7) et électrique (8) faisant saillie vers l'extérieur et agencés sur lesdits passages de fluide (10) et électrique 25 (9) aménagés au sein de ladite matrice de la tête démontable (1). 6. Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les raccords (7) de fluides et électrique (8) sont aptes à et dimensionnés pour venir s'insérer dans des logements (17, 18) à raccords aménagés au niveau de l'extrémité aval 30 (12) du corps (2) de torche et agencés sur lesdits passages de fluide et électrique aménagés au sein de ladite matrice du corps (2) de torche. 7. Torche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matrice (3, 4) dans la tête (1) ou dans le corps (2) est monobloc. 8. Tête de torche (1) d'une torche selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant une matrice formée d'un matériau métallique, de préférence du cuivre ou du laiton. 9. Corps de torche (2) d'une torche selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant une matrice formée d'un matériau métallique, de préférence du cuivre ou du laiton. 10. Procédé de coupage par jet de plasma, dans lequel on met en oeuvre une lo torche (1) selon l'une des revendications 1 à 8 ou une tête de torche (1) selon la revendication 9 pour découper une pièce métallique, en particulier en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en alliage d'aluminium.