Brevet FR3008271A1 — publié le 20150109

L'invention concerne un ensemble de composants pour torche à plasma d'arc à assemblage amélioré, ainsi qu'une torche à plasma d'arc comprenant ledit ensemble et un procédé de coupage par plasma d'arc mettant en oeuvre ladite torche. Habituellement, une torche à plasma d'arc, en particulier une torche de coupage par plasma d'arc, comprend une embase alimentée en courant et une tête de torche connectée à ladite embase, l'embase étant fixée à une machine de coupage et servant d'interface entre la tête de torche et le générateur de courant, le générateur haute tension / haute fréquence servant à l'amorçage de l'arc électrique ainsi que les alimentations en fluides équipant une installation de coupage par plasma d'arc. Une tête de torche comprend les composants nécessaires à l'établissement de l'arc électrique mis en oeuvre dans un procédé de coupage par plasma d'arc, en particulier une électrode, munie en son extrémité d'un insert thermo-émissif, et une tuyère amont munie d'un canal de sortie. Ces composants sont supportés respectivement par un porte-électrode et un porte-tuyère. Une tête de torche comprend en outre un bloc isolant électrique assurant une isolation électrique entre le porte-électrode et le porte-tuyère. Au cours de la phase de coupage, un arc électrique est établi entre l'électrode, plus précisément au niveau d'un insert thermo-émissif situé à l'extrémité inférieure de l'électrode, et la pièce métallique à découper. La chambre d'arc, définie par le volume compris entre l'électrode et la tuyère amont, est alimentée par un flux de gaz plasmagène qui est ionisé dans l'arc électrique. Cette alimentation se fait au moyen d'un diffuseur amont, généralement muni de plusieurs orifices d'injection permettant d'injecter le gaz dans la chambre d'arc. Le flux de gaz plasmagène circule jusqu'au canal de la tuyère amont dans lequel s'opère la constriction de l'arc. Il s'ensuit l'éjection par la tuyère d'un jet de plasma d'arc dont la forte densité de puissance permet de fournir la chaleur nécessaire à la fusion du matériau constitutif de la pièce à découper. La torche peut également comprendre une tuyère aval agencée en aval de la tuyère amont et permettant de distribuer un flux de fluide de protection autour du jet de plasma d'arc. Le gaz de protection est distribué jusqu'à la tuyère aval au moyen d'une coiffe intermédiaire portant un diffuseur aval. De façon connue en soi, le diffuseur aval et/ou la coiffe intermédiaire peut comprendre des moyens de création d'un vortex de fluide, généralement du gaz ou de l'eau, qui est éjecté par la tuyère aval et se propage jusqu'à la pièce à découper en tourbillonnant autour du plasma d'arc produit par la torche. Un pièce de maintien, ou écrou, est en général agencé à l'extrémité aval de la tête de torche, de préférence par vissage, de manière à maintenir les différents composants de la torche assemblés les uns aux autres. Or, une installation de coupage plasma doit pouvoir découper une large gamme de matériaux et d'épaisseurs. Typiquement, la plage des épaisseurs de tôle à couper est comprise entre 0.5 mm et 50 mm pour des pièces en acier doux et entre 0.5 mm et 120 mm pour des pièces en acier inoxydable. Le tableau 1 illustre ainsi l'évolution de l'intensité selon les épaisseurs de matériau découpé. A chaque procédé, c'est-à-dire un type de gaz plasmagène, une pression, une intensité du courant, correspond un jeu de consommables comprenant une électrode, une tuyère amont et/ou une tuyère aval de profils internes spécifiques, un diffuseur amont et/ou aval dont les orifices d'injection ont des dimensions et formes particulières. Tableau 1 ACIER DOUX ACIER INOXYDABLE Intensité [A] Epaisseur [mm] Intensité [A] Epaisseur [mm] 30 0.5 - 3 20 0.5 - 3 50 0.8 - 6 40 et 60 1 - 6 80 4-10 90 4-12 130 8-20 120 10 - 30 200 12 - 25 200 15 - 40 260 15 - 35 280 30 - 50 400 20 - 50 400 35 - 70 Un opérateur mettant en oeuvre le procédé de coupage plasma est donc amené à monter et démonter un grand nombre de fois les composants de la torche selon les besoins de production. La facilité de montage et démontage des consommables est donc un facteur crucial en termes de productivité et de réduction des risques d'erreurs dans l'assemblage des composants de torche pouvant affecter le fonctionnement du procédé et la durée de vie des composants. En outre, en raison de la fréquence de remplacement des consommables, il est important de maîtriser leur coût de fabrication. Pour cela, il faut que les consommables soient faciles à usiner. On privilégie donc l'utilisation de pièces à géométrie axisymétrique, c'est-à-dire à symétrie de révolution ou cylindrique, réalisables par de simples opérations de tournage et/ou de perçage, plutôt que par fraisage ou d'autres méthodes d'usinage plus complexes. C'est le cas notamment pour la coiffe intermédiaire portant le diffuseur aval, qui vient se loger dans un logement correspondant de la torche. Cette coiffe intermédiaire permet notamment l'assemblage de différents composants de la torche et peut assurer une isolation électrique entre la tuyère amont et la tuyère aval. En général, la coiffe intermédiaire est munie d'un filet sur lequel vient se visser l'écrou de maintien des composants de la torche. Le phénomène de rotation du diffuseur aval dans son logement induit par le vissage de l'écrou n'est alors réduit que par des organes d'étanchéité tels des joints toriques agencés entre la coiffe intermédiaire et le logement. Toutefois, ces solutions ne sont pas complètement satisfaisantes. L'effort de frottement fourni par ces joints n'est pas suffisant à empêcher totalement la rotation du diffuseur aval dans son logement pendant le dévissage de l'écrou. Cela peut rendre difficile, voire impossible, le démontage de l'écrou. En outre, la rotation de la coiffe intermédiaire dans son logement s'oppose au vissage de l'écrou et donc au positionnement correct de la tuyère aval. Ces problèmes sont accentués par les déformations des joints dues à leur vieillissement, les saletés qui s'introduisent dans les filets et grippent l'assemblage par filetage. Ils se posent également avec d'autres ensembles de composants de la torche. Une solution existante pour remédier à cela consiste à utiliser des composants à profil non axisymétrique. Par exemple, le document W02011000337 divulgue une torche à plasma dans laquelle la tuyère amont est indexée par rapport au porte tuyère grâce à un usinage particulier de sa surface externe. Toutefois, cette solution n'est pas idéale car elle conduit à une augmentation significative du coût de fabrication des composants du fait de leur géométrie complexe, ce qui nuit à la productivité globale de l'installation de coupage plasma. Au vu de cela, le problème à résoudre est de pallier tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus, en améliorant notamment l'assemblage de composants d'une torche à plasma d'arc les uns aux autres, sans engendrer une augmentation excessive du coût de fabrication desdits composants. La solution de l'invention est alors un ensemble pour torche à plasma d'arc formé d'un 30 premier composant et d'un deuxième composant choisis parmi un porte-tuyère un porte-électrode, un bloc isolant électrique, une tuyère amont, une tuyère aval, une coiffe intermédiaire et un diffuseur amont, les premier et deuxième composants étant à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal, caractérisé en ce que le premier composant comprend au moins une protubérance et le deuxième composant comprend au moins un orifice dans lequel vient se loger au moins une partie de ladite protubérance de manière à empêcher toute rotation autour de l'axe longitudinal du premier composant par rapport au deuxième composant lors du vissage ou du dévissage d'un pièce de maintien dans ou autour desdits premier ou deuxième composants. Par ailleurs, selon le mode de réalisation considéré, l'ensemble de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'orifice s'étend le long dudit axe longitudinal depuis une face amont du deuxième composant et la protubérance s'étend le long dudit axe longitudinal depuis une face aval du premier composant en direction de l'orifice. - le profil externe de la protubérance est au moins partiellement complémentaire du profil interne de l'orifice. - l'orifice comprend un évidement cylindrique, de préférence avec fond conique ou 15 tronconique. - le premier composant comprend une pluralité de protubérances. - les protubérances sont réparties de façon équidistante au niveau de la face aval. - les premier et deuxième composant sont maintenus assemblés au moyen d'une pièce de maintien vissée dans ou autour du premier ou du deuxième composant. 20 Selon un autre aspect, l'invention concerne une pièce de maintien conformée pour maintenir assemblés les premier et deuxième composant d'un ensemble selon l'une des revendications précédentes par vissage dans ou autour du premier ou du deuxième composant. Par ailleurs, l'invention a trait à une torche à plasma d'arc comprenant au moins un ensemble et un pièce de maintien selon l'invention, ainsi qu'à un procédé de coupage par plasma 25 d'arc d'une pièce métallique mettant en oeuvre une telle torche à plasma d'arc. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une vue en coupe d'une torche à plasma d'arc selon l'art antérieur, c'est-à-dire sans mise en oeuvre de la solution de l'invention, 30 - la Figure 2 est une vue en coupe selon un autre plan de la coiffe intermédiaire selon l'art antérieur, - la Figure 3 est une vue en coupe d'une torche à plasma d'arc comprenant un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention, - la Figure 4 est une vue en coupe partielle de l'ensemble de la Figure 3, - la Figure 5 est une vue en coupe partielle d'un deuxième composant d'un ensemble selon le mode de réalisation de l'invention illustré en Figure 3, et - la Figure 6 est une vue de dessus du deuxième composant de la Figure 5. La Figure 1 schématise les composants d'une torche à plasma d'arc selon l'art antérieur, à savoir l'électrode 8, munie en son extrémité inférieure d'un insert thermo-émissif 8a, la tuyère amont 4, le diffuseur de gaz plasmagène, aussi appelé diffuseur amont 7, le porte-tuyère 1 sur lequel la tuyère amont 4 est assemblée, et le porte-électrode 2 sur lequel l'électrode 8 est assemblée. Un bloc isolant 3 formé d'un matériau électriquement isolant est agencé entre le porte-électrode 2 et le porte-tuyère 1. L'électrode 8 et la tuyère amont 4 définissant entre elles la chambre d'arc 20 alimentée en gaz plasmagène par l'intermédiaire du diffuseur amont 7. Optionnellement, la tête de torche peut comprendre une tuyère aval 5, une coiffe intermédiaire 6 et un diffuseur de fluide aval 25 alimentant en liquide ou en gaz la tuyère aval 5. Ces éléments sont positionnés en aval du diffuseur amont 7. La tuyère aval 5 peut assurer différentes fonctions telles que le refroidissement de la tuyère amont 4 ou encore la distribution d'un flux de gaz secondaire ou d'un vortex de fluide, notamment d'eau, autour de la colonne d'arc établie entre l'électrode et la pièce à découper. La tuyère aval peut ainsi comprendre plusieurs rainures, usinées de préférence tangentiellement à l'orifice de sortie de la tuyère aval. L'eau de vortex est injectée par les rainures et se propage en tourbillonnant jusqu'à l'orifice de sortie de la tuyère aval. Une pièce de maintien 11, ou écrou, est en général agencée et serrée à l'extrémité aval de la tête de torche, de préférence par vissage, de manière à maintenir les différents composants de la torche assemblés les uns aux autres. A noter que les directions amont et aval sont définies en suivant la direction donnée par la flèche sur l'axe longitudinal AA de la torche. Comme on le voit sur la Figure 1, les composants de la torche sont en général des pièces de révolution comprenant un évidement axial logées les unes dans les autres. Leurs axes de symétrie sont alignés suivant l'axe longitudinal AA de la torche. C'est le cas en particulier de la coiffe intermédiaire 6 qui vient s'engager dans un logement correspondant dans la torche. La coiffe intermédiaire 6 peut comprendre plusieurs rainures 12, usinées de préférence tangentiellement à l'orifice de sortie de la tuyère aval. Cette coiffe intermédiaire 6 supporte en général un diffuseur aval 25 comportant généralement à son extrémité aval plusieurs orifices 24 permettant une distribution de fluide de vortex. Le fluide se propage en tourbillonnant jusqu'à l'orifice de sortie de la tuyère aval. La coiffe intermédiaire 6 est munie sur au moins une partie de sa surface externe d'un filet 23 sur lequel vient se visser l'écrou 11. Le frottement de joints toriques 21 agencés entre la surface interne du logement et la surface externe de la coiffe intermédiaire 6 s'oppose à une rotation de la coiffe intermédiaire 6 dans son logement, un joint torique 22 peut aussi être agencé entre une surface interne du diffuseur aval 7 et une surface externe de la tuyère amont 4. La Figure 2 présente une vue détaillée d'un agencement de coiffe intermédiaire 6 et de diffuseur aval 25. Comme expliqué précédemment, l'effort de frottement fourni par les joints n'est pas suffisant pour empêcher la rotation de la coiffe intermédiaire dans son logement pendant le vissage ou le dévissage de la pièce de maintien 11. Il s'ensuit des difficultés de démontage de l'écrou ainsi que des erreurs de positionnement de la tuyère aval lors du montage de l'écrou. Pour remédier à cela, la présente invention propose un ensemble pour torche à plasma d'arc formé d'un premier composant et d'un deuxième composant à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal AA. Les premier et deuxième composants peuvent être le porte-tuyère 1, le porte-électrode 2, le bloc isolant électrique 3, la tuyère amont 4, la tuyère aval 5, la coiffe intermédiaire 6 et le diffuseur amont 7. Evidemment, les premier et deuxième composants sont choisis distincts l'un de l'autre. Selon l'invention, le premier composant comprend au moins une protubérance 9 et le deuxième composant comprend au moins un orifice 10 dans lequel vient se loger au moins une partie de ladite protubérance 9 de manière à empêcher toute rotation autour de l'axe longitudinal 25 AA du premier composant par rapport au deuxième composant lors du vissage ou du dévissage d'un pièce de maintien 11 dans ou autour desdits premier ou deuxième composants. Avantageusement, on choisira d'aménager ledit orifice 10 sur un composant de torche du type consommable, c'est-à-dire devant être remplacé régulièrement du fait de l'usure qu'il subit au cours du procédé de coupage plasma, tel la tuyère amont 4, la tuyère aval 5, la coiffe 30 intermédiaire 6 et le diffuseur amont 7. En effet l'usinage d'un orifice 10 est nettement moins couteux et fragile que celui d'une protubérance 9, que l'on préférera aménager au niveau d'un composant de torche de durée de vie plus longue que celle d'un consommable, tel le porte-tuyère 1, le porte-électrode 2, le bloc isolant électrique 3. Les Figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation préféré de l'invention dans lequel le premier composant est le porte-tuyère 1 et le deuxième composant est la coiffe intermédiaire 6. La coiffe intermédiaire 6 peut comprendre des moyens de création de vortex tels qu'illustrés sur la Figure 6. Ces moyens sont aptes à et conçus pour créer, au cours du fonctionnement de la torche, un jet de fluide, de préférence de l'eau, se propageant jusqu'à la tôle à découper en tourbillonnant (vortex) autour du plasma d'arc produit par la torche, ce qui permet de constricter la colonne de plasma, c'est-à-dire de former autour de celle-ci un manchon de fluide animé d'un mouvement tourbillonnant. De préférence, les moyens de création de vortex comprennent plusieurs rainures, conduits ou analogues 12, usinés de préférence tangentiellement à l'orifice de sortie de la tuyère aval 5. L'eau de vortex est injectée par les rainures 12 et se propage en tourbillonnant jusqu'à l'orifice de sortie de la tuyère aval 5. Dans le cadre de l'invention, l'orifice 10 s'étend de préférence le long dudit axe longitudinal AA, c'est-à-dire selon un axe parallèle à l'axe AA, depuis une face amont 10a du deuxième composant et la protubérance 9 s'étend le long dudit axe longitudinal AA depuis une face aval 9b du premier composant en direction de l'orifice 10. Avantageusement, le profil externe de la protubérance 9 est au moins partiellement complémentaire du profil interne de l'orifice 10. Dans le cadre de l'invention, l'orifice 10 comprend avantageusement un évidement cylindrique, de préférence avec fond conique ou tronconique. Les protubérances 9 sont au moins en partie de forme cylindrique. Leur diamètre D doit être suffisamment grand pour résister aux forces de cisaillement qui s'exercent sur les protubérances lors du démontage ou du montage de l'écrou 11, tout en respectant les contraintes en termes de dimensionnement des composants de la torche. Par contre, la hauteur H des protubérances ne doit pas être trop importante pour ne pas les fragiliser. Avantageusement, les protubérances ont un diamètre D compris entre 1 et 8 mm et une hauteur H comprise entre 2 et 10 mm. D'autres géométries que cylindriques peuvent toutefois être utilisée, telles que parallélépipédique, à section carrée ou rectangulaire, ainsi qu'elliptique ou cruciforme. Afin d'améliorer la résistante aux forces de cisaillement s'exerçant entre le premier et le deuxième composant lors du vissage ou du dévissage de le pièce de maintien 11, le premier composant comprend avantageusement une pluralité de protubérances 9, de préférence entre 1 et 12. De préférence encore, les protubérance 9 sont au nombre de 3. En cas de pluralité de protubérances 9, celles-ci peuvent être réparties de façon équidistante au niveau de la face aval 9b du premier composant. Comme illustré sur la Figure 5, les orifices correspondants 10 sont donc séparés par des angles a, p et p. égaux. Cette géométrie simple permet de réduire les coûts de fabrication. Dans le cas où la mise en oeuvre du procédé de coupage plasma nécessite une indexation du premier composant par rapport au deuxième, il est possible d'agencer les protubérances 9 et les orifices correspondant 10 selon des angles de séparation de valeurs différentes. Les diamètres des protubérances ou leur géométrie peuvent aussi être différentes. Cela permet l'assemblage du premier et du deuxième composant dans une position unique. Selon le cas, le premier composant comprenant la protubérance 9 peut être formé d'un seul bloc ou, comme illustré sur les Figures 3 et 4, être formé d'au moins deux éléments distincts, la protubérance 9 étant agencée sur l'un des deux éléments. De préférence, l'ensemble de l'invention comprend au moins un organe d'étanchéité 13, par exemple un joint torique, en matériau élastomère, agencé dans une gorge périphérique aménagée dans la paroi périphérique externe et/ou interne du premier et/ou du deuxième 20 composant. Avantageusement, les premier et deuxième composants sont formés d'un matériau métallique, de préférence choisi parmi le cuivre et ses alliages, le laiton ou l'argent et ses alliages, excepté pour le bloc isolant 3 qui est formé majoritairement d'un matériau isolant électrique, de préférence un matériau plastique. 25 Au moins un ensemble selon l'invention peut équiper tout type de torche à plasma d'arc, conventionnelle ou à vortex de fluide tel de l'eau. L'application principale d'une torche à plasma d'arc selon l'invention est un procédé de coupage de pièce métallique par plasma d'arc, sans ou avec vortex d'eau. Outre un assemblage plus fiable et plus facile du premier composant par rapport au deuxième du fait du blocage en 30 rotation, l'ensemble de l'invention permet d'améliorer la précision de leur positionnement relatif l'un par rapport à l'autre. REVENDICATIONS1. Ensemble pour torche à plasma d'arc formé d'un premier composant et d'un deuxième composant choisis parmi un porte-tuyère (1), un porte-électrode (2), un bloc isolant électrique (3), une tuyère amont (4), une tuyère aval (5), une coiffe intermédiaire (6) et un diffuseur amont (7), les premier et deuxième composants étant à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (AA), caractérisé en ce que le premier composant comprend au moins une protubérance (9) et le deuxième composant comprend au moins un orifice (10) dans lequel vient se loger au moins une partie de ladite protubérance (9) de manière à empêcher toute rotation autour de l'axe longitudinal (AA) du premier composant par rapport au deuxième composant lors du vissage ou du dévissage d'un pièce de maintien (11) dans ou autour desdits premier ou deuxième composants. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice (10) s'étend le long dudit axe longitudinal (AA) depuis une face amont (10a) du deuxième composant et la protubérance (9) s'étend le long dudit axe longitudinal (AA) depuis une face aval (9b) du premier composant en direction de l'orifice (10). 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le profil externe de la protubérance (9) est au moins partiellement complémentaire du profil interne de l'orifice (10). 4. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice (10) comprend un évidement cylindrique, de préférence avec fond conique ou 25 tronconique. 5. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier composant comprend une pluralité de protubérances (9). 30 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les protubérances (9) sont réparties de façon équidistante au niveau de la face aval (9b). 7. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième composant sont maintenus assemblés au moyen d'une pièce de maintien (11) vissée dans ou autour du premier ou du deuxième composant. 8. Torche à plasma d'arc comprenant au moins un ensemble selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Procédé de coupage par plasma d'arc d'une pièce métallique mettant en oeuvre une torche à plasma d'arc selon la revendication 8.