Brevet FR3157246A1 — publié le 20250627

Tuyère d’apport de gaz de protection pour torche de soudage. L’invention concerne une torche de soudage (10), comprenant : - une électrode (11) s’étendant le long d’un axe longitudinal (X) et destinée à former un arc électrique avec une pièce à souder, - une tuyère (12) agencée autour de l’électrode, de préférence de manière coaxiale, en étant en retrait longitudinal par rapport à l’électrode, la tuyère étant configurée pour éjecter un gaz de protection, dit gaz externe, s’écoulant hors de la tuyère en étant attaché le long de la surface externe de l’électrode jusqu’à l’extrémité libre de l’électrode en saillie hors de la tuyère. Figure pour l’abrégé : fig.5 Tuyère d’apport de gaz de protection pour torche de soudage. La présente invention concerne le domaine des torches de soudage à l’arc sous protection gazeuse, notamment de soudage TIG (acronyme anglo-saxon de « Tungsten Inert Gas »). Les torches de soudage à l’arc sous protection gazeuse recouvrent notamment les procédés des familles 13 (MIG/MAG), 14 (TIG/TAG) et 15 (Plasma) de la norme NF EN ISO 4063. Bien que l’invention soit décrite en référence à une application de soudage TIG, elle peut être envisagée pour tout autre procédé de soudage à l’arc sous protection gazeuse. Les procédés de soudage TIG, aussi appelés procédés de la famille 14 selon la norme NF EN ISO 4063, utilisent un arc électrique entre une électrode de tungstène ou alliage de tungstène non fusible et la pièce à souder pour produire une soudure. On a illustré à la FIG. 1 , un procédé de soudage TIG selon l’art antérieur mis en œuvre par une torche de soudage TIG 1. Une telle torche 1 comprend une électrode 2 en tungstène ou alliage de tungstène et une buse 3 agencée autour de l’électrode 2, coaxialement à celle-ci. L’électrode 2 produit un arc électrique E entre l’électrode 2 et les pièces 4 a et 4 b à souder l’une à l’autre. L’arc électrique E chauffe les pièces 4 a et 4 b à souder, afin de créer un bain de fusion 5 qui, après le passage de la torche de soudage TIG 1, et son refroidissement forme la soudure 6, par exemple un cordon de soudure. Un flux de gaz de protection F est éjecté par la buse 3 vers l’arc électrique E. Le flux de gaz de protection F protège contre l’oxydation de l’électrode 2 et des pièces 4 a et 4 b , il a également une fonction plasmagène et refroidit les éléments non fusibles de la torche 1. Généralement, dans un procédé TIG, un apport de matière est réalisé via un fil à souder 7. Dans les procédés de soudage TIG usuels, le fil à souder 7 est déporté de la torche de soudage TIG 1, ce qui complexifie la manipulation de la torche 1 lors du soudage. Par exemple, lors d’un procédé de soudage TIG réalisé manuellement, le soudeur doit tenir la torche de soudage TIG 1 d’une main et le fil à souder 7 de l’autre main. Selon un autre exemple, lors d’un procédé de soudage TIG robotisé, au moins un robot doit réaliser des mouvements amples et nécessitant de fortes accélérations notamment lors des trajectoires courbes, provoquant l’usure dudit robot et la diminution de la précision du soudage. Les demandes de brevet WO2018/036122 A1, CN106312270 A, CN111266702 A et CN107186322 A décrivent chacune une torche de soudage TIG avec un fil à souder agencé et amené de manière coaxiale avec l’électrode. Cependant, ces torches de soudage TIG sont particulièrement encombrantes, ce qui complexifie leur utilisation. Notamment, leur diamètre est imposant à proximité de la zone de génération de l’arc électrique. En outre, certaines des torches de soudage TIG décrites par les demandes de brevet précitées nécessitent un système de refroidissement indépendant, ce qui augmente davantage l’encombrement et rend difficile la manipulation desdites torches. Il existe donc un besoin pour une torche de soudage, notamment une torche de soudage TIG, surmontant les inconvénients précités. En particulier, il existe un besoin pour une torche de soudage, notamment une torche de soudage TIG, facilement manipulable et peu encombrante. Le but de l’invention est de répondre, au moins en partie, à ce(s) besoin(s). Pour ce faire, l’invention concerne une torche de soudage, comprenant : - une électrode s’étendant le long d’un axe longitudinal X et destinée à former un arc électrique avec une pièce à souder, - une tuyère agencée autour de l’électrode, de préférence de manière coaxiale, en étant en retrait longitudinal par rapport à l’électrode, la tuyère étant configurée pour éjecter un gaz de protection, dit gaz externe, s’écoulant hors de la tuyère en étant attaché le long de la surface externe de l’électrode jusqu’à l’extrémité libre de l’électrode en saillie hors de la tuyère. Au sens de la présente invention, un écoulement de gaz est attaché le long d’une surface lorsque ses lignes de courant sont parallèles à ladite surface et que le flux de gaz reste concentré à proximité immédiate de ladite surface. La présente invention consiste donc essentiellement en une torche de soudage exempte de buse s’étendant autour de l’électrode à proximité de son extrémité où est généré un arc électrique, comme selon l’état de l’art. La buse est avantageusement remplacée par une tuyère avec l’extrémité libre de l’électrode qui fait saillie hors de ladite tuyère. Les inventeurs ont judicieusement pensé à utiliser un écoulement du gaz externe en étant attaché le long de la surface externe de l’électrode. Contrairement à un écoulement qui se décolle de la surface externe de l’électrode, un écoulement attaché le long de la surface externe de l’électrode, comme selon la présente invention, permet l’alimentation en gaz de protection, au niveau de l’arc électrique tout en présentant une électrode faisant saillie bien au-delà de la tuyère. Ainsi, la torche de soudage selon la présente invention présente un encombrement moindre du fait de l’absence d’une buse autour de l’électrode à proximité de la zone de génération de l’arc électrique, comme selon l’état de l’art. De préférence, l’électrode comprend un conduit interne débouchant par son extrémité libre, la torche de soudage comprenant un fil à souder, de préférence en métal, logé dans le conduit interne, de préférence de manière coaxiale, en faisant saillie au-delà de l’extrémité libre de l’électrode. L’insertion du fil à souder à travers le conduit interne de l’électrode facilite la manipulation de la torche de soudage et simplifie les mouvements à effectuer lors d’un procédé de soudage utilisant la torche de soudage. Cela permet, par exemple, de diminuer le nombre de mouvement nécessaire lors de l’utilisation par un robot de la torche de soudage selon la présente invention. Cela permet également de libérer une main d’un soudeur lors d’un procédé de soudage manuel utilisant la torche de soudage. De préférence, la torche de soudage comprend un tube de guidage isolant électriquement et thermiquement, agencé, de préférence de manière coaxiale, dans le conduit interne de l’électrode et dans lequel est enfilé le fil à souder. De préférence, l’électrode est en tungstène ou alliage de tungstène. De préférence, l’extrémité libre de l’électrode présente une surface de forme générale externe tronconique. De préférence, la torche de soudage comprend une structure isolante agencée entre la tuyère et l’électrode de sorte à les isoler électriquement et thermiquement. De préférence, l’électrode comprend un conduit interne débouchant par son extrémité libre, le conduit interne étant configuré pour faire circuler puis éjecter un gaz de protection, dit gaz interne, par l’extrémité libre. De préférence, la torche de soudage comprend des moyens de réglage de flux pour éjecter un flux de gaz interne de composition et/ou de débit et/ou de pression indépendant(s) de celui(ceux) du flux d’éjection du gaz externe. Avantageusement, cela améliore le contrôle d’apport en gaz de protection au niveau de la zone d’émission de l’arc électrique. Il est ainsi possible d’ajuster précisément la forme du plasma généré par l’arc électrique et donc les flux de chaleur mis en œuvre lors d’un procédé de soudage. Avantageusement, les débits du gaz interne et du gaz externe peuvent également être réglés afin d’éviter la dégradation de la torche de soudage, notamment de l’électrode. Il est également possible d’alimenter la zone d’émission de l’arc électrique en un gaz interne ayant une composition différente de la composition du gaz externe, chacune des compositions en gaz ayant une fonction privilégiée différente. Par exemple, une des compositions étant particulièrement plasmagène et l’autre composition étant davantage protectrice contre l’oxydation et/ou isolante thermiquement. Notamment, le gaz externe peut être choisi pour une fonction plasmagène et le gaz interne peut assurer les protections chimique et thermique des éléments constitutifs de la torche de soudage. De préférence, le gaz interne et/ou le gaz externe est de l’argon ou de l’hélium ou un mélange des deux. D’autres gaz peuvent bien évidemment être envisagés. Les débits d’éjection du gaz interne et externe sont avantageusement de l’ordre du Nl/min. La présente invention a également pour objet une utilisation d’une torche de soudage selon la présente invention pour réaliser un procédé de soudage, de préférence un procédé de soudage TIG. De préférence, le gaz externe éjecté par la torche de soudage durant le procédé de soudage est de l’argon. D’autres gaz peuvent bien évidemment être envisagés. Les débits d’éjection du gaz interne sont avantageusement de l’ordre du Nl/min. De préférence, la torche de soudage utilisé comprend un conduit interne débouchant par son extrémité libre, le conduit interne étant configuré pour faire circuler puis éjecter un gaz de protection, dit gaz interne, par l’extrémité libre, le gaz interne éjecté par la torche de soudage durant le procédé de soudage pouvant être l’argon. D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes : FIG. 1 La FIG. 1 est une vue schématique en perspective d’une torche de soudage TIG selon l’art antérieur lors d’un procédé de soudage TIG. FIG. 2 La FIG. 2 est une vue en perspective d’une torche de soudage selon la présente invention, les différents éléments de la torche de soudage étant représentés en transparence. FIG. 3 La FIG. 3 est une vue du dessous d’une torche de soudage selon la présente invention. FIG. 4 La FIG. 4 est une vue de face d’une torche de soudage selon la présente invention. FIG. 5 La FIG. 5 est une vue en coupe longitudinale (A-A) d’une torche de soudage selon la présente invention. FIG. 6 La FIG. 6 est une simulation numérique du champs thermique lors d’un procédé de soudage TIG mettant en œuvre une torche de soudage selon la FIG. 1 . FIG. 7 La FIG. 7 est une simulation numérique du champ thermique lors d’un procédé de soudage TIG mettant en œuvre une torche de soudage selon la présente invention. Description détaillée La FIG. 1 a déjà été décrite précédemment et ne le sera pas davantage par la suite. On a illustré aux figures 2 à 5 une torche de soudage 10 selon la présente invention. La torche de soudage 10 s’étend le long d’un axe longitudinal X et comprend une électrode 11 en tungstène ou alliage de tungstène et une tuyère 12 agencée de manière coaxiale à l’électrode. La tuyère 12 entoure une partie de l’électrode 11, l’autre partie de l’électrode 11 faisant saillie au-delà de la tuyère 12. Autrement dit, la tuyère est en retrait longitudinal par rapport à l’extrémité libre 14 de l’électrode 11. De préférence, l’extrémité libre 14 est en saillie par rapport à la tuyère 12 sur une longueur L, mesurée selon l’axe longitudinal X, supérieure ou égale à 0,1 cm, de préférence comprise entre 0,1 et 50 fois le diamètre d de l’électrode 11. L’électrode 11 a la forme d’un cylindre circulaire sur sa portion en saillie hors de la tuyère 12. Le diamètre extérieur d de l’électrode 11 peut être de l’ordre de 1mm. Le conduit externe 13 délimité entre la tuyère 12 et la partie de l’électrode 11 est configuré pour éjecter un gaz de protection, dit gaz externe. La tuyère 12 est configurée de sorte que le gaz externe en sortie du conduit externe 13 s’écoule le long de l’axe longitudinal X en étant attaché à la surface externe de l’électrode 11 jusqu’à son extrémité libre 14 en saillie. On a illustré à la FIG. 5 le flux F ext du gaz externe s’écoulant dans le conduit externe 13 puis le long de l’électrode 11. Le conduit externe 13 présente un diamètre d’ouverture à la sortie de la tuyère 12 par laquelle fait saillie l’électrode 11. Ce diamètre d’ouverture est constant sur une portion de sortie 13a, du conduit externe 13. En amont de la portion de sortie 13a, selon le sens du flux F ext du gaz externe, le diamètre d’ouverture du conduit externe 13 s’élargit jusqu’à une portion d’entrée 13b. Le diamètre extérieur de la tuyère 12 s’élargit progressivement en s’éloignant de ladite sortie le long de l’axe longitudinal X jusqu’à atteindre un diamètre extérieur. La portion de la tuyère 12 le long de laquelle son diamètre extérieur s’élargit. La torche de soudage 10 comprend une structure isolante 15 agencée entre la tuyère 12 et l’électrode 11, notamment dans la portion d’entrée 13b du conduit externe 13. La structure isolante 15 est en un matériau isolant électrique et thermique, par exemple en céramique. En plus d’isoler électriquement et thermiquement l’électrode 11 de la tuyère 12, la structure isolant 15 peut assurer un maintien mécaniquement de la coaxialité de l’électrode 11 par rapport à la tuyère 12. L’électrode 11 est creuse avec son extrémité libre 14 ouverte, formant ainsi un conduit interne 16 par lequel est destiné être éjecté un gaz de protection, dit gaz interne. Le diamètre d’ouverture du conduit interne 16 est compris entre le diamètre du fil et le diamètre interne de l’électrode. On a illustré à la FIG. 5 le flux F int du gaz interne s’écoulant à l’intérieur puis en sortie du conduit interne 16. L’alimentation en gaz externe dans le conduit externe 13 est indépendante de l’alimentation en gaz interne dans le conduit interne 16. Ainsi, les débits du gaz externe et du gaz interne peuvent être réglés différemment l’un de l’autre, notamment pour ajuster la forme du plasma généré par l’arc électrique lors d’un procédé de soudage. La composition du gaz externe peut être différente de la composition du gaz interne. Par exemple, le gaz externe peut être de l’argon et le gaz interne peut être de l’hélium ou inversement. Le conduit interne 16 forme également un passage d’un fil à souder 17. Le fil à souder 17 peut être inséré le long de l’axe longitudinal X, notamment de manière coaxiale à l’électrode 11, depuis la portion de l’électrode 11 logée dans la tuyère 12 jusqu’à faire saillie au-delà de l’extrémité libre 14 de l’électrode 11. Le fil à souder 17 apporte de la matière dans la zone d’émission de l’arc électrique 18. Le fil à souder 17 étant logé dans l’électrode 11, le déplacement du fil à souder 17 est intrinsèquement solidaire de celui de la torche 10 dans les directions orthogonales à l’axe longitudinal X. Cela simplifie grandement la manipulation de la torche de soudage 10 lors d’un soudage nécessitant un apport de matière. Cet apport de matière est réalisé coulissement du fil à souder 17 selon l’axe longitudinal X. La torche de soudage 10 comprend un tube de guidage 19 agencé dans le conduit interne 16 en s’étendant jusqu’à l’extrémité libre 14 de l’électrode 11. Le tube de guidage 19 est coaxial à l’électrode 11 selon l’axe longitudinal X. Le fil à souder 17 est enfilé dans le tube de guidage 19, ce qui assure le maintien mécanique et le centrage du fil à souder 17 dans le conduit interne 16 et guide le fil à souder 17 durant son insertion dans l’électrode 11. Le tube de guidage 19 est en un matériau isolant électrique et thermique, par exemple en céramique, ce qui permet d’isoler électriquement et thermiquement le fil à souder 17 de l’électrode 11 lors du procédé de soudage. Par ailleurs, l’extrémité libre 14 en saillie de l’électrode 11 est une surface de forme générale externe tronconique dont le sommet forme la pointe de l’électrode 11. Les inventeurs ont réalisé des simulations numériques multiphysiques, à l’aide du logiciel « Cast3M », afin de comparer une torche de soudage 1 selon l’état de l’art, comme illustré à la FIG. 1 , avec une torche de soudage 10 selon la présente invention. L’écoulement de gaz externe est imposé sur la surface d’entrée du gaz avec un même diamètre d’ouverture. On a illustré à la FIG. 6 , respectivement 7, le champs thermique 20, respectivement 21, obtenu par une simulation de l’utilisation de la torche de soudage 1 selon l’art antérieur, respectivement de la torche de soudage 10 selon la présente invention. Pour ces simulations, la hauteur d’arc, c’est-à-dire la distance entre l’extrémité libre 24 ou 14 de l’électrode 2 ou 11 et la pièce à souder 4, était de 10 mm. La simulation pour la torche de soudage 1 selon l’art antérieur a été réalisée avec un flux de gaz de protection F éjecté avec un débit de 22,5 Nl/min, le gaz de protection étant de l’argon. La simulation pour la torche de soudage 10 selon la présente invention a été réalisée avec un flux de gaz externe F ext éjecté avec un débit de 22,5 Nl/min et un flux de gaz interne F int éjecté avec un débit de 1,5 Nl/min, le gaz externe et le gaz interne étant de l’argon. Ces simulations montrent que la température au niveau de l’extrémité libre 24 de l’électrode 2 de la torche de soudage 1 selon l’état de l’art est de 18132 K alors qu’elle n’est que de 10866 K pour au niveau de l’extrémité libre 14 de l’électrode 11 de la torche de soudage 10 selon la présente invention. De plus, ces simulations montrent un meilleur contrôle des flux de chaleur lors de l’utilisation de la torche de soudage 10 selon la présente invention, la température étant plus homogène entre la pièce à souder 4 et l’électrode 11. D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Torche de soudage (10), comprenant : - une électrode (11) s’étendant le long d’un axe longitudinal (X) et destinée à former un arc électrique avec une pièce à souder, - une tuyère (12) agencée autour de l’électrode, de préférence de manière coaxiale, en étant en retrait longitudinal par rapport à l’électrode, la tuyère étant configurée pour éjecter un gaz de protection, dit gaz externe, s’écoulant hors de la tuyère en étant attaché le long de la surface externe de l’électrode jusqu’à l’extrémité libre de l’électrode en saillie hors de la tuyère. Torche de soudage selon la revendication 1, l’électrode comprenant un conduit interne (16) débouchant par son extrémité libre, la torche de soudage comprenant un fil à souder (17), de préférence en métal, logé dans le conduit interne, de préférence de manière coaxiale, en faisant saillie au-delà de l’extrémité libre de l’électrode. Torche de soudage selon la revendication 2, comprenant un tube de guidage (19) isolant électriquement et thermiquement, agencé, de préférence de manière coaxiale, dans le conduit interne de l’électrode et dans lequel est enfilé le fil à souder. Torche de soudage selon l’une des revendications précédentes, l’électrode comprenant un conduit interne débouchant par son extrémité libre, le conduit interne étant configuré pour faire circuler puis éjecter un gaz de protection, dit gaz interne, par l’extrémité libre. Torche de soudage selon la revendication précédente, comprenant des moyens de réglage de flux pour éjecter un flux de gaz interne de composition et/ou de débit et/ou de pression indépendant(s) de celui(ceux) du flux d’éjection du gaz externe. Torche de soudage selon l’une des revendications précédentes, l’électrode étant en tungstène ou alliage de tungstène. Torche de soudage selon l’une des revendications précédentes, l’extrémité libre de l’électrode présentant une surface de forme générale externe tronconique. Torche de soudage selon l’une des revendications précédentes, comprenant une structure isolante (15) agencée entre la tuyère et l’électrode de sorte à les isoler électriquement et thermiquement. Utilisation d’une torche de soudage (10) selon l’une des revendications précédentes pour réaliser un procédé de soudage, de préférence un procédé de soudage TIG.