L'invention se rapporte à un générateur à jet de plasma.
Les générateurs à jet de plasma utilisés dans une large mesure pour le coupage, le soudage, le rechargement et d'autres opérations, sont décrits dans le brevet américain No 2 806 124. Dans de tels générateurs, les facteurs agissant sur les caractéristiques électriques de ces appareils sont par exemple les suivants: débit et composition du gaz, dimensions des buses, distance entre les électrodes et intensités du courant. Il y a lieu de noter que la tension de l'arc est également fonction de ces facteurs.
Le rendement du gaz chauffé est habituellement donné par l'équation suivante:
Rendement du gaz de chauffage (rl) VI VI - Lt
7
VI
d'autre part: où
V: tension de l'arc
I: Intensité du courant
Lt: Consommation de la torche
Lt = KI + Lw (2) où K est une constante et Lw la conductibilité thermique vers la paroi de l'enveloppe.
En reportant dans l'équation (I) le terme correspondant de l'équation (2), on obtient l'équation suivante:
K - 'w (3)
V 1 - V VI
Le dernier terme, de faible valeur, est négligeable et de ce fait il apparaît que le rendement augmente avec la tension de l'arc.
Une méthode classique pour accroître la tension de l'arc consiste à agir sur la composante vortex du courant gazeux traversant la torche.
D'autres moyens pour accroître la tension de l'arc consistent à prévoir des parties évidées électriquement isolées à la fois de l'anode et de la cathode dans la trajectoire de circulation du gaz. Toutefois, en disposant de tels moyens, la tension de l'arc, pour des valeurs données du débit gazeux et de l'intensité de courant, ne peut pas être augmentée au-delà d'une certaine valeur critique sans qu'il se produise des effets nuisibles tels que l'établissement d'un arc double, la détérioration de l'orifice d'étranglement et la déviation ou l'instabilité de la colonne d'arc. Les générateurs à jet de plasma proposés jusqu'à présent sont en outre de construction compliquée et présentent des difficultés de fonctionnement ainsi qu'une faible marge de variation de l'intensité du courant, du débit gazeux et des autres facteurs.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvenients.
Le générateur à jet de plasma selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux torches à jet de plasma susceptibles de fonctionner respectivement comme torche positive et comme torche négative, un organe de fixation et de guidage entièrement relié aux torches et isolé diélectriquement d'au moins l'une des torches, ainsi que des moyens pour alimenter en gaz l'espace interne à l'emplacement du raccordement entre l'organe de fixation et de guidage et l'une des torches.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente une première forme d'exécution en coupe, ainsi que le circuit électrique qui lui est associé.
La fig. 2 est une vue en coupe d'une deuxième forme d'exécution.
Les fig. 3 à 8 sont des vues en coupes partielles de différents organes de fixation et de guidage.
La fig. 9 est une vue en coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 10 est une vue en coupe d'une quatrième forme d'exécution.
La fig. 11 représente en coupe différentes formes de la partie incandescente de la flamme de plasma à l'orifice de sortie.
Le générateur à jet de plasma représenté à la fig. 1 se compose d'une torche positive à jet de plasma (A), d'une torche négative à jet de plasma (B) et d'un organe de fixation et de guidage (C). La torche positive à jet de plasma A présente une tige cathodique 1 et deux manchons 2, 3 montés de manière concentrique par rapport à la tige cathodique 1. Le second manchon 3 présente un orifice 4 d'étranglement de l'arc. Un gaz tel que l'argon, l'hélium et d'autres gaz inertes, est envoyé sous la forme d'un courant 7 et 8 par les orifices d'admission 5 et 6, respectivement vers l'espace annulaire formé entre la cathode et le premier manchon 2 et l'espace annulaire entre le premier manchon 2 et le second manchon 3. La torche négative à jet de plasma B présente une tige cathodique 9 et un manchon 1 1 disposé de manière concentrique par rapport à la cathode.
Ce manchon 11 présente un orifice 10 d'étranglement de l'arc. Un gaz inerte 13 est envoyé par l'orifice d'admission 12 vers l'espace annulaire formé entre la cathode 9 et le manchon 11.
La pièce de fixation et de guidage C présente deux orifices d'admission 15 et 16 et un orifice de sortie 17. Ces orifices d'admission sont disposés de façon que lorsque la pièce de guidage est fixée sur les torches positive et négative, ces admissions permettent de diriger les courants gazeux provenant des torches vers le point d'intersection de l'axe central de ces torches, cependant que l'orifice de sortie est disposé de manière à permettre au courant gazeux résultant de s'écouler à partir de ce point d'intersection vers l'extérieur.
Il y a lieu de noter que la pièce de fixation et de guidage est fixée à au moins un manchon (le manchon 3 de la torche à jet de plasma positive à la fig. 1) par l'intermédiaire d'un isolant 18 en une matière diélectrique et qu'un gaz 20 est envoyé par l'orifice d'admission 29 vers l'espace annulaire formé par l'isolant 18 à l'emplacement du raccordement. Les supports de cathode 50, 51 et les manchons 2, 3, 11, ainsi que la pièce de guidage C, sont refroidis par l'eau par des moyens non représentés et sont montés en une seule pièce par l'intermédiaire d'isolants 52 par exemple en bakélite, de manière complètement étanche à l'air.
Une source auxiliaire 21 comprend un oscillateur à haute fréquence pour l'établissement de l'arc. La borne de la source 21 est connectée à la cathode 1 de la torche positive A par l'intermédiaire d'un interrupteur 22, cependant que la borne positive est connectée au manchon 2 de la torche A.
De même, la borne négative de la source principale 23 présentant un oscillateur haute fréquence pour l'établissement de l'arc, est connectée à la cathode 9 de la torche négative à jet de plasma B, et la borne positive de la source principale est connectée au manchon 2 de la torche A. Les bornes positives des sources 21, 23 sont connectées au manchon 11 par l'inter médiaire d'un interrupteur 24. Le générateur ainsi connecté à son circuit associé est mis en action de la façon suivante:
1) La torche positive à jet de plasma A est alimentée en gaz 7, 8, puis l'oscillateur haute fréquence de la source auxiliaire 21 est actionné en fermant l'interrupteur 22.
Un arc auxiliaire 25 s'établit alors et finalement, une flamme de jet de plasma se forme et s'étend à partir de l'orifice 4 d'étranglement de l'arc dans la pièce de fixation et de guidage C.
2) Du gaz 13 est fourni et l'oscillateur haute fréquence de la source principale 23 est actionné en fermant l'interrupteur 24.
Un arc 26 s'établit alors puis une flamme de jet de plasma se forme et s'étend à partir de l'orifice 10 d'étranglement de l'arc dans la pièce de fixation et de guidage C.
3) L'interrupteur 24 est ouvert après que les flammes à jet de plasma de polarité directe sont ainsi établies et se rencontrent l'une et l'autre au point d'intersection 14. Il se forme alors un arc principal en forme d' épingle à cheveux et la flamme de jet de plasma 28 s'étend à partir de l'orifice de sortie 17 de la pièce de guidage C vers l'extérieur.
L'alimentation en courant gazeux 20 provenant de l'orifice d'admission 19 de la pièce de guidage C peut être commencée avant ou après l'opération 3) ci-dessus. L'arc en épingle à cheveux s'ouvre et s'élargit, de sorte que la partie incurvée de l'arc se rapproche d'un côté de l'orifice d'admission 15, ce qui a pour effet de chauffer excessivement la paroi de cet orifice.
D'une part, en raison de ce fait et, d'autre part, en raison de l'injection des ions dans la paroi de l'orifice d'admission, il se forme vraisemblablement un spot ou cratère cathodique sur cette paroi. Ceci provoque la formation d'un arc double. L'alimentation en courant gazeux 20 est utile afin d'empêcher en premier lieu l'arc en épingle à cheveux de s'épanouir et en second lieu d'empêcher les ions d'envahir la paroi de l'orifice d'admission, de façon à éliminer en définitive tout risque d'établissement d'un arc double.
Le générateur haute tension ainsi mis en action est capable d'établir un arc stable dont la tension d'arc est au moins deux fois plus élevée que la tension d'arc d'un générateur à jet de plasma classique, ceci pour une intensité de courant et un débit gazeux donnés.
Exemple 1
Les particularités de l'appareil selon la forme d'exécution représentée à la fig. 1 sont les suivantes:
Diamètre de l'orifice d'étranglement 4 du manchon 3 2 mm
Diamètre de l'orifice d'admission 15 de la pièce de guidage 3 mm
Diamètre de l'orifice d'admission 16 de la pièce de guidage 2 mm
Diamètre du conduit 30 de la pièce de guidage 5 mm
Distance de l'intersection 14 à l'extrémité du manchon 2 18 mm
Distance de l'intersection 14 à la pointe de la cathode 9 27 mm
Débit de gaz 7 (argon) 0,2 1/min.
Débit de gaz 8 (argon) 0,4 I/min.
Débit de gaz 13 (argon) 3,0 I/min.
Débit de gaz 20 (argon) 0,2 I/min.
Intensité de courant 20 A
Une flamme à jet de plasma la plus longue possible à été formée et la tension de l'arc était de 76 volts. (La tension de l'arc dans le générateur à jet de plasma classique est de 30 volts ou moins pour la même intensité et le même débit).
La deuxième forme d'execution selon la fig. 2 du générateur est capable de chauffer un gaz concentré (90% ou plus) exer çant une action chimique sur la matière de l'électrode, tel que l'oxygène ou l'air, directement au moyen d'une colonne d'arc.
Dans l'appareil de la fig. 2, la torche à jet de plasma positive
A est similaire à celle de l'appareil de la fig. 1. La torche à jet de plasma négative B présente un manchon supplémentaire 34 muni d'une ouverture d'étranglement 34', ainsi que des orifices d'admission supplémentaires 35, 36 pour le gaz 37, 38, comparativement à la torche négative B de la fig. 1. La pièce de fixation et de guidage C est fixée au manchon 34 par l'intermédiaire d'un isolant 18. En conformité avec cette variante, la borne positive de la source principale 23 est connectée aux manchons 11 et 34 et à la pièce de guidage et de fixation C.
Cet appareil peut être mis en action comme suit:
1) On envoie de l'argon sous la forme d'un courant gazeux 7, puis on ferme l'interrupteur 22 de manière à faire fonctionner l'oscillateur haute tension de la source auxiliaire 21, ce qui permet d'établir un arc auxiliaire 25. La flamme de jet de plasma jaillit alors de l'orifice d'étranglement 4 et s'étend dans le conduit principal 30. En outre, de l'argon est envoyé sous la forme des courants gazeux 8 et 20.
2) De l'argon est envoyé sous la forme des courants gazeux 13, 37 et 38, puis les interrupteurs 24, 24 et 24" sont fermés de façon que la source principale 23 applique une tension continue et une tension haute fréquence à la torche B et à la pièce de guidage C, ce qui a pour conséquence l'établissement d'un premier arc 26. On ouvre ensuite l'interrupteur 24, ce qui transforme la colonne d'arc en un deuxième arc 26'. Puis, l'interrupteur 24' est ouvert, ce qui transforme la colonne d'arc en un troisième arc 26'0. L'alimentation en gaz 13 vers la cathode est alors interrompue et l'interrupteur 24'2 est ouvert, ce qui permet d'établir la colonne d'arc principal 27.
3) L'interrupteur 22 est ouvert de manière à éteindre l'arc 25 et en même temps, on interrompt l'alimentation en gaz 7 à la cathode. Finalement, les courants gazeux 20 et 38 sont commutés de l'argon en air ou oxygène. De cette façon, on peut obtenir un jet de plasma à gaz actif à haute concentration.
Ce fonctionnement peut être transformé en un fonctionnement entièrement automatique ouvert-fermé en utilisant un dispositif de conduit comprenant des valves à pointeaux préalablement réglées et des valves électromagnétiques.
Exemple 2
Les particularités de l'appareil représenté à la fig. 2 sont les suivantes:
Diamètre de l'orifice d'admission 15 ou 16 de la pièce de fixation et de guidage C 3 mm
Diamètre du conduit de gaz de la pièce de fixation et de guidage 5 mm
Diamètre de l'orifice d'étranglement 34' du manchon 34 2 mm
Distance de l'intersection 14 à la surface terminale du manchon 2 18 mm
Distance de l'intersection 14 à la pointe de la cathode 9 34 mm
Débit du courant gazeux 8 (argon) 0,31/min.
Débit du courant gazeux 20 (oxygène) 0,2 I/min.
Débit du courant gazeux 37 (argon) 0,3 limon.
Débit du courant gazeux 38 (oxygène) 5 l/min
Intensité du courant de l'arc 20A
Une flamme de plasma de concentration de 90% en oxygène fut obtenue et la tension de l'arc était de 115 volts. La substitution de l'air par l'oxygène provoque un accroissement de la tension d'arc jusqu'à 135 volts.
Un mélange d'un gaz actif à teneur plus élevée peut être utilisé en augmentant la capacité de refroidissement des manchons et en augmentant l'intensité de courant de l'arc.
En vue d'améliorer la stabilité directionnelle de la flamme de jet de plasma et en même temps d'accroître le rendement de gaz de chauffage, on a effectué comme suit un certain nombre d'essais sur des pièces de fixation et de guidage de types variés:
La pièce de guidage représentée à la fig. 3 est la même que la pièce correspondante de l'appareil représenté à la fig. 1, excepté pour la partie entaillée a sur le côté aval, permettant que l'extrémité de l'orifice 17 soit assez proche de la colonne d'arc en épingle à cheveux . Dans cette variante, la flamme de jet de plasma 28 est déviée par rapport à l'axe central 29 de
I'orifice de sortie 17 et la direction varie en fonction du débit et de la valeur de l'intensité du courant.
La fig. 4 représente une autre variante de la pièce de guidage de la fig. 3, suivant laquelle le conduit de gaz est élargi autour de l'intersection 14 sur la partie amont, la section de l'orifice d'émission étant maintenue égale à celle de l'orifice d'émission de la pièce de guidage représentée à la fig. 1 ou 3.
Dans ce cas, la flamme de jet de plasma 28 était disposée dans l'axe 29 de l'émission 17.
La fig. 5 représente une pièce de guidage illustrée à la fig. 1 et modifiée de la même manière que dans la fig. 4. Dans cette va'riante, la flamme de jet de plasma 28 est également disposée dans l'axe 29 de l'émission 17 et, ce qui constitue une amélioration, la longueur de la partie incandescente de l'écoulement lamellaire de la flamme à jet de plasma est accrue d'environ 50% Ceci signifie que l'émission de la flamme à jet de plasma est remarquablement améliorée. Un résultat analogue a été obtenue avec la pièce de guidage dont le conduit de gaz est modifié comme indiqué par les traits interrompus 31.
La fig. 6 illustre une autre variante de la pièce de guidage de la fig. 5, variante suivant laquelle la partie b indiquée en traits interrompus a été éliminée. Dans ce cas, le courant lamellaire de la flamme à jet de plasma 28 est dévié par rapport à l'axe central 29 de l'émission 17.
Les pièces de guidage représentées aux fig. 3, 4, 5 et 6 furent essayées pour les mêmes valeurs de débit et d'intensité de courant.
Les résultats de ces essais montrent que:
1) La suppression de la partie a de l'extrémité de la fixation indiquée à la fig. 1 est utile pour diriger la flamme à jet de plasma le long de l'axe central 29 du conduit de guidage.
2) L'élargissement de la section du conduit de guidage représenté à la fig. 4 permet à la pièce de guidage d'orienter la flamme à jet de plasma.
3) L'élargissement du conduit de guidage dans la pièce de fixation et de guidage exempte de la partie entaillée a comme indiqué à la fig. 5 est avantageux pour réduire la perte de flamme à jet de plasma qui se produirait autrement sur la partie correspondant à la zone entaillée a de la fig. 3.
4) Si l'élargissement de la section s'étend vers l'admission de la pièce de guidage comme indiqué à la fig. 6, I'effet de guidage de la flamme à jet de plasma sur l'axe central disparaît.
Les résultats des essais précités permettent de formuler la conclusion suivante:
Les constructions des pièces de guidage représentées aux fig. 4 et 5 sont avantageuses pour étrangler l'écoulement perturbé de fluide provenant des deux courants gazeux envoyés par les deux admissions de la pièce de guidage, ce qui permet à l'écoulement résultant d'être dans l'axe central de cette pièce de guidage.
Comme on le voit à la fig. 6, la position de l'orifice d'émission par rapport à la colonne d'arc est critique et il est indispensable qu'une partie de l' épingle à cheveux de l'arc ou au moins la partie très incurvée soit présente dans l'orifice d'étranglement, ceci pour les raisons suivantes:
En premier lieu, la présence d'une partie de la colonne de l'arc à l'intérieur de l'orifice d'étranglement provoque l'accroissement de la température du gaz daris cet orifice et, en conséquence, l'accroissement de l'expansion volumique de ce gaz, ce qui se traduit en définitive par un accroissement de la résistance à l'écoulement de l'étranglement, ce qui est avantageux pour améliorer la capacité de guidage de cet étranglement.
En second lieu, l'effet de guidage obtenu par la paroi de l'orifice au détriment de la perte de chaleur comme dans le cas du dispositif de la fig. 1, peut être réduit et l'émission de la flamme à jet de plasma sera améliorée en raison de l' épingle à cheveux de l'arc dont l'énergie thermique est environ la moitié de l'énergie totale de la colonne de l'arc, cette émission se produisant dans l'axe central de l'ouverture d'étranglement pour le chauffage du gaz.
Les fig. 7 et 8 représentent d'autres variantes de la pièce de guidage. La pièce de guidage de la fig. 7 est conçue spécialement pour le coupage. Dans cet exemple, I'espace 32 dans lequel pénètre l' épingle à cheveux est rendu plus large que l'orifice d'émission 17 de la pièce de guidage qui a, par exemple, un diamètre de 1,0 mm, du fait qu'autrement l' épingle à cheveux n'entrerait pas dans l'orifice d'étranglement.
La fig. 8 illustre une variante de la pièce de guidage de la fig. 4. Selon cette variante, un trou borgne 33 est ménagé dans la paroi du conduit de guidage opposée à l'orifice d'admission 15 de la pièce de guidage. Ceci permet d'améliorer sensiblement la direction d'un écoulement lamellaire de jet de plasma qui est émis par l'orifice 17 d'un diamètre relativement faible.
Ainsi qu'il ressort des résultats des essais effectués sur les variantes représentées auy fig. 3-6, la direction d'une flamme à jet de plasma peut être améliorée et en même temps le rendement du gaz de chauffage peut être accru en élargissant la section du canal de guidage sur toute la longueur du canal au-delà du point d'intersection des deux axes des torches à jet de plasma positive et négative en direction de l'émission.
La fig. 9 représente un générateur équivalent à la forme d'exécution de la fig. 2, mais modifié en remplaçant la pièce de guidage de la fig. 4 ou 5 par l'élément correspondant de l'appareil de la fig. 2. Cette modification fut comparée comme suit avec l'appareil de la fig. 2:
Exemple 3
Conditions de fonctionnement:
Courant gazeux 8 Argon 0,31/min.
Courant gazeux 37 Argon 0,3 I/min.
Courant gazeux 7 néant
Courant gazeux 13 néant
Courant gazeux 38 Oxygène 4 I/min.
Courant gazeux 20 Oxygène 1 I/min.
Tension de l'arc 95 V
Courant de l'arc 50 A
Génerateur de la fig. 2
Diamètres di, d2 des admissions 15, 16 di, d2 = 3,0 mm
Diamètre ds de l'émission 17 d3 = 5,0 mm
Distance l de l'intersection 14 à l'émission 17 1 = 8,5 mm
La flamme de jet de plasma s'étend sur 25 à 30 cm et est
déviée d'environ 2 degrés par rapport à l'axe 29.
Générateur de la fig. 9
Diamètres di, d2 des admissions 15, 16 di, d2 = 3,0 mm
Diamètre d3 de l'émission d3 = 5,0 mm
Diamètre d4 du conduit de guidage d4 = 7,0 mm
Distance li de l'intersection 14 à l'émission 17 11 = 4,5 mm
12 = 4,0 mm
La flamme à jet de plasma s'étend sur 35 à 50 cm sur l'axe central 29.
La partie étranglée fut modifiée suivant la forme à deux niveaux représentée à la fig. 7.
Les tensions d'arc suivantes furent obtenues pour différents diamètres d2 et d3 de l'admission 16 et de l'émission 17 et l'émission de la flamme à jet de plasma pour le coupage fut sensiblement améliorée.
d2 d4 Tension de l'arc Pression dans la
pièce de guidage
(Pression de
calibrage) 3,0mm 3,0mm 95V 2,0 mm Ci 1,5 mm Ci 110 V 0,1 kg/cm2 2,0 mm 1,0 mm 120 V 1,0 kg/cm2
Exemple 4
Conditions de fonctionnement
Courant gazeux 38 Oxygène 12 I/min.
Courant gazeux 20 Oxygène 3 I/min.
(Les débits des autres courants gazeux sont les mêmes que
ceux de l'exemple 3).
Tension de l'arc 130 V
Courant de l'arc 50 A
Générateur de la fig. 2
Les dimensions de l'appareil furent identiques à celles de l'exemple 3. La partie incandescente de la flamme était composée d'une zone perturbée d'écoulement d'environ 2 cm de longueur et la flamme à jet de plasma fut déviée d'environ 3 degrés ou plus par rapport à l'axe central.
Générateur de la fig. 9
Les dimensions particulières de l'appareil furent identiques à celles de l'exemple 3. La partie incandescente de la flamme était composée d'un courant perturbé d'environ 3,5 cm de longueur et la flamme à jet de plasma était dirigée en ligne droite.
La déviation et la longueur de la flamme à jet de plasma constituent une mesure directe du rendement du gaz de chauffage pour une condition déterminée. Compte tenu de ce fait, il apparaît que l'effet de la construction spéciale de la pièce de fixation et de guidage représentée aux fig. 4 et 5 est remarquable pour améliorer le rendement du gaz de chauffage. En outre, la possibilité de faire varier le débit du courant gazeux 20 dans une large mesure facilite le fonctionnement de l'appareil.
Comme on le voit d'après ce qui précède, le générateur décrit présente un seul orifice d'étranglement et au moins une électrode anode et diffère essentiellement d'un générateur classique utilisant la paroi intérieure de l'orifice d'étranglement comme électrode anode.
Les avantages résultant de l'utilisation de plusieurs torches positives à jet de plasma sont les suivants:
En premier lieu, comme il va de soi, I'énergie absorbée par l'anode peut être également répartie en autant de parties que de torches positives à jet de plasma, ce qui permet d'éviter les détériorations de l'orifice d'étranglement dues à la concentration locale de la chaleur. En second lieu, I'effet nuisible exercé par l'injection du gaz provenant de l'admission 15 sur la colonne principale de l'arc peut être sensiblement réduit.
La fig. 10 représente une quatrieme forme d'execution comprenant une torche à jet de plasma négative et deux torches à jet de plasma positives disposées symétriquement par rapport à la torche négative. Cet appareil est identique à l'appareil de la fig. 1, excepté en ce qui concerne la pièce de fixation et de guidage. Un seul interrupteur 24 est prévu pour faire jaillir une flamme à jet de plasma dans chacune des torches négatives. Bien que deux sources auxiliaires 21 soient représentées au dessin, une seule source à la place de ces dispositifs peut être utilisée en modifiant la connexion électrique correspondante, du fait que le dispositif n'est pas utilisé en même temps pour les torches positives à jet de plasma.
Durant le fonctionnement, un arc principal est établi par la torche positive à laquelle l'interrupteur 24 est connecté (torche à droite sur le dessin), de la même manière que pour l'appareil de la fig. 1. L'arc principal étant ainsi établi, un arc auxiliaire est établi par l'autre torche positive à jet de plasma (torche à gauche sur le dessin), puis un arc principal s'établit à l'intérieur de celle-ci. Après établissement de l'arc principal sur la partie gauche, I'interrupteur 22 est ouvert, puis l'alimentation en courant gazeux 7 est interrompu. Le débit du gaz 7 et 8, tel que l'argon, est réglé à une valeur convenable, par exemple 0,2 I/min. Ainsi, I'arc principal 27 se 'trouve finalement établi.
Dans un exemple particulier de l'appareil, I'intensité totale de courant était de 40 A et la tension de l'arc de 73 V.
On a représenté en coupe à la fig. 11, les différentes formes prises par les parties centrales ou âmes incandescentes des flammes de jet de plasma qui sont émises par le conduit principal 30 lorsque le gaz est envoyé par chacune des torches positives à jet de plasma de droite et de gauche, à une pression égale s'équilibrant au centre dudit conduit principal. Sur cette figure, le cercle extérieur 39 représente la paroi du conduit principal de la pièce de fixation et de guidage, cependant que la direction du gaz envoyé par la torche positive à jet de plasma est indiquée par la flèche. La zone hachurée 40 correspond à la coupe de la partie centrale ou âme incandescente de la flamme à jet de plasma dans l'orifice d'emission 17.
La fig. 11-I concerne l'utilisation d'une seule torche positive à jet de plasma et montre la position désaxée de l'âme incandescente dont la section est une ellipse. Ce phénomène a été observé dans la flamme à jet de plasma émise par une torche classique
La fig. 11-II est-relative à l'utilisation de deux torches positives et montre la position centrée de l'âme incandescente 40 dont la section est une ellipse.
La fig. 11-III concerne un appareil avec trois torches positives à jet de plasma disposées à 120 degrés les unes par rapport aux autres et montre la position centrée de l'âme incandescente 40 dont la section est presque circulaire.
La fig. 11-IV est relative à une disposition à 90 degrés de quatre torches positives et montre la position centrée de l'âme incandescente dont la section est voisine d'un cercle.
La position de l'âme incandescente sur le centre exact de l'orifice d'étranglement comme indiqué aux fig. 11-II, III et
IV signifie que la flamme à jet de plasma est alignée dans l'axe du conduit principal, ce qui entraîne une diminution des pertes thermiques qui se produiraient si la flamme à jet de plasma se rapprochait de la paroi du conduit en s'écartant du centre. Le centrage de la flamme à jet de plasma au moyen de plusieurs torches positives est utile pour améliorer le rendement de l'appareil.
Pour des raisons de simplicité, le générateur décrit est à polarité directe du type à arc transféré, mais il y a lieu de noter qu'un générateur à polarité inverse est également avantageux.
On admet généralement que l'utilisation d'oxygène ou d'air accroît la vitesse de coupage pour les tôles d'acier ou d'aluminium. Toutefois, afin d'éviter les endommagements de l'éléc- trode d'un gnérateur classique (plus particulièrement, afin d'assurer une durée de service de l'appareil aussi longue que l'appareil utilisant l'argon), il est nécessaire d'utiliser un gaz inerte dans le mode de fonctionnement en arc non transféré, puis d'introduire l'oxygène ou l'air en remplacement du gaz inerte après le transfert de l'arc sur la pièce à travailler. Cette façon d'opérer est par trop incommode et rend l'appareil pratiquement inutile.
Cet inconvénient est surmonté avec la présent générateur, en formant en premier lieu un jet de plasma non transféré à l'aide d'une source auxiliaire et en second lieu un jet de plasma transféré entre la tige cathodique et la pièce à l'aide de la source principale.
Dans les formes d'exécution décrites, les axes de la torche positive et de la torche négative à jet de plasma sont disposés transversalement. Toutefois, lors du coupage d'une pièce en une matière diélectrique telle que le béton en opérant en arc non transféré ou lors du coupage d'une pièce en une matière conductrice telle que l'aluminium, le fer ou autre métal en opérant en arc transféré, deux torches à jet de plasma furent disposées à 60 degrés l'une par rapport à l'autre, ce qui en premier lieu permet que l' épingle à cheveux de l'arc se rapproche de l'émission avec comme conséquence un accroissement de l'énergie thermique vers la pièce à travailler et, en second lieu, rend l'orifice d'émission accesssible à la pièce du fait que les unités de jet de plasma ne causent pratiquement aucun obstacle vis-à-vis de la pièce.
Il est évident que l'angle formé par les deux unités de jet de plasma peut être arbitrairement choisi de manière à satisfaire les exigences requises.
The invention relates to a plasma jet generator.
Plasma jet generators used extensively for cutting, welding, hardfacing and other operations are described in U.S. Patent No. 2,806,124. In such generators, the factors acting on the electrical characteristics of the generator. these devices are for example the following: flow rate and composition of the gas, dimensions of the nozzles, distance between the electrodes and intensities of the current. It should be noted that the arc voltage is also a function of these factors.
The efficiency of the heated gas is usually given by the following equation:
Heating gas yield (rl) VI VI - Lt
7
VI
on the other hand: where
V: arc voltage
I: Current intensity
Lt: Torch consumption
Lt = KI + Lw (2) where K is a constant and Lw the thermal conductivity towards the wall of the envelope.
By transferring into equation (I) the corresponding term from equation (2), we obtain the following equation:
K - 'w (3)
V 1 - V VI
The last term, of low value, is negligible and therefore it appears that the efficiency increases with the voltage of the arc.
A classic method of increasing the arc voltage is to act on the vortex component of the gas stream passing through the torch.
Other means of increasing the arc voltage are to provide electrically insulated recessed portions from both the anode and the cathode in the gas flow path. However, by having such means, the arc voltage, for given values of the gas flow rate and of the current intensity, cannot be increased beyond a certain critical value without occurring. deleterious effects such as establishing a double arc, deterioration of the throttle orifice, and deflection or instability of the arc column. The plasma jet generators proposed heretofore are furthermore of complicated construction and present operating difficulties as well as a small margin of variation in the intensity of the current, the gas flow rate and the other factors.
The aim of the invention is to remedy these drawbacks.
The plasma jet generator according to the invention is characterized in that it comprises at least two plasma jet torches capable of functioning respectively as a positive torch and as a negative torch, a fixing and guide member entirely connected to the torches and dielectrically insulated from at least one of the torches, as well as means for supplying gas to the internal space at the location of the connection between the fixing and guide member and one of the torches.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, several embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 shows a first embodiment in section, as well as the electrical circuit associated with it.
Fig. 2 is a sectional view of a second embodiment.
Figs. 3 to 8 are views in partial section of various fixing and guide members.
Fig. 9 is a sectional view of a third embodiment.
Fig. 10 is a sectional view of a fourth embodiment.
Fig. 11 shows in section different shapes of the incandescent part of the plasma flame at the exit orifice.
The plasma jet generator shown in FIG. 1 consists of a positive plasma jet torch (A), a negative plasma jet torch (B) and a fixing and guiding member (C). The positive plasma jet torch A has a cathode rod 1 and two sleeves 2, 3 mounted concentrically with respect to the cathode rod 1. The second sleeve 3 has an orifice 4 for restricting the arc. A gas such as argon, helium and other inert gases, is sent in the form of a stream 7 and 8 through the inlet ports 5 and 6, respectively to the annular space formed between the cathode and the first sleeve 2 and the annular space between the first sleeve 2 and the second sleeve 3. The negative plasma jet torch B has a cathode rod 9 and a sleeve 1 1 arranged concentrically with respect to the cathode.
This sleeve 11 has an orifice 10 for restricting the arc. An inert gas 13 is sent through the inlet orifice 12 to the annular space formed between the cathode 9 and the sleeve 11.
The fixing and guide piece C has two inlet ports 15 and 16 and an outlet port 17. These inlet ports are arranged so that when the guide piece is fixed to the positive and negative torches, these admissions allow the gas streams from the torches to be directed to the point of intersection of the central axis of these torches, while the outlet orifice is so arranged as to allow the resulting gas stream to flow from this point intersection to the outside.
It should be noted that the fixing and guide piece is fixed to at least one sleeve (the sleeve 3 of the positive plasma jet torch in FIG. 1) by means of an insulator 18 in one. dielectric material and a gas 20 is sent through the inlet 29 to the annular space formed by the insulator 18 at the location of the connection. The cathode supports 50, 51 and the sleeves 2, 3, 11, as well as the guide part C, are cooled by water by means not shown and are mounted in one piece by means of insulators 52 for example in bakelite, completely airtight.
An auxiliary source 21 comprises a high frequency oscillator for establishing the arc. The source terminal 21 is connected to the cathode 1 of the positive torch A through a switch 22, while the positive terminal is connected to the sleeve 2 of the torch A.
Likewise, the negative terminal of the main source 23 having a high frequency oscillator for establishing the arc, is connected to the cathode 9 of the negative plasma jet torch B, and the positive terminal of the main source is connected to the sleeve 2 of the torch A. The positive terminals of the sources 21, 23 are connected to the sleeve 11 by the intermediary of a switch 24. The generator thus connected to its associated circuit is put into action as follows:
1) The positive plasma jet torch A is supplied with gas 7, 8, then the high frequency oscillator of the auxiliary source 21 is activated by closing the switch 22.
An auxiliary arc 25 is then established and finally a plasma jet flame forms and extends from the arc throttle orifice 4 into the fixing and guide piece C.
2) Gas 13 is supplied and the high frequency oscillator of the main source 23 is operated by closing the switch 24.
An arc 26 is then established and then a plasma jet flame is formed and extends from the throttle orifice 10 of the arc into the fixing and guide part C.
3) Switch 24 is opened after the direct polarity plasma jet flames are thus established and meet each other at the point of intersection 14. A main arc-shaped arc then forms. hairpin and the plasma jet flame 28 extends from the outlet 17 of the guide piece C to the outside.
The supply of gas stream 20 from the inlet 19 of the guide piece C can be started before or after step 3) above. The hairpin arch opens and widens, so that the curved portion of the arch approaches one side of the intake port 15, which has the effect of overheating the wall of this orifice.
On the one hand, due to this fact and, on the other hand, due to the injection of the ions into the wall of the inlet orifice, a cathodic spot or crater is probably formed on this wall. This causes the formation of a double arc. The gas current supply 20 is useful in order to first prevent the hairpin arc from expanding and secondly to prevent ions from invading the wall of the inlet port. so as to ultimately eliminate any risk of establishing a double arc.
The high voltage generator thus activated is capable of establishing a stable arc, the arc voltage of which is at least twice as high as the arc voltage of a conventional plasma jet generator, this for an intensity of current and gas flow rate given.
Example 1
The particularities of the device according to the embodiment shown in FIG. 1 are as follows:
Diameter of throttle hole 4 of sleeve 3 2 mm
Diameter of the inlet port 15 of the guide piece 3 mm
Diameter of inlet port 16 of guide piece 2 mm
Diameter of the duct 30 of the guide piece 5 mm
Distance from intersection 14 to end of sleeve 2 18 mm
Distance from intersection 14 to tip of cathode 9 27 mm
Gas flow rate 7 (argon) 0.2 1 / min.
Gas flow 8 (argon) 0.4 l / min.
Gas flow 13 (argon) 3.0 l / min.
Gas flow 20 (argon) 0.2 l / min.
Current intensity 20 A
The longest possible plasma jet flame was formed and the arc voltage was 76 volts. (The arc voltage in the conventional plasma jet generator is 30 volts or less for the same amperage and flow rate).
The second form of execution according to FIG. 2 of the generator is capable of heating a concentrated gas (90% or more) exerting a chemical action on the material of the electrode, such as oxygen or air, directly by means of an arc column.
In the apparatus of FIG. 2, the positive plasma jet torch
A is similar to that of the apparatus of FIG. 1. The negative plasma jet torch B has an additional sleeve 34 provided with a throttle opening 34 ', as well as additional inlet ports 35, 36 for gas 37, 38, compared to the negative torch B of fig. 1. The fixing and guiding part C is fixed to the sleeve 34 by means of an insulator 18. In accordance with this variant, the positive terminal of the main source 23 is connected to the sleeves 11 and 34 and to the part guide and fixing C.
This device can be put into action as follows:
1) Argon is sent in the form of a gas stream 7, then switch 22 is closed so as to operate the high voltage oscillator of the auxiliary source 21, which makes it possible to establish an auxiliary arc 25. The plasma jet flame then bursts from the throttle orifice 4 and extends into the main duct 30. Further, argon is supplied in the form of gas streams 8 and 20.
2) Argon is sent in the form of gas streams 13, 37 and 38, then switches 24, 24 and 24 "are closed so that the main source 23 applies a direct voltage and a high frequency voltage to the torch. B and to the guide piece C, which results in the establishment of a first arc 26. The switch 24 is then opened, which transforms the arc column into a second arc 26 '. 'switch 24' is open, which transforms the arc column into a third arc 26'0. The gas supply 13 to the cathode is then interrupted and the switch 24'2 is opened, which allows to establish the main arc column 27.
3) The switch 22 is open so as to extinguish the arc 25 and at the same time, the supply of gas 7 to the cathode is interrupted. Finally, gas streams 20 and 38 are switched from argon to air or oxygen. In this way, a high concentration active gas plasma jet can be obtained.
This operation can be transformed into fully automatic open-close operation using a conduit device comprising pre-set needle valves and electromagnetic valves.
Example 2
The peculiarities of the apparatus shown in FIG. 2 are as follows:
Diameter of the inlet 15 or 16 of the fixing and guide piece C 3 mm
Diameter of the gas pipe of the fixing and guide piece 5 mm
Diameter of the throttle hole 34 'of the sleeve 34 2 mm
Distance from intersection 14 to end surface of sleeve 2 18 mm
Distance from intersection 14 to tip of cathode 9 34 mm
Flow rate of gas stream 8 (argon) 0.31 / min.
Flow rate of the gas stream 20 (oxygen) 0.2 l / min.
Flow rate of gas stream 37 (argon) 0.3 silt.
Gas flow rate 38 (oxygen) 5 l / min
Arc current intensity 20A
A plasma flame of 90% oxygen concentration was obtained and the arc voltage was 115 volts. The substitution of air by oxygen causes an increase in the arc voltage up to 135 volts.
A mixture of a higher content active gas can be used by increasing the cooling capacity of the sleeves and increasing the amperage of the arc.
In order to improve the directional stability of the plasma jet flame and at the same time to increase the heating gas efficiency, a number of tests were carried out on fasteners and guide parts of the following types. varied:
The guide piece shown in FIG. 3 is the same as the corresponding part of the apparatus shown in FIG. 1, except for the notched part a on the downstream side, allowing the end of the hole 17 to be quite close to the hairpin arch column. In this variant, the plasma jet flame 28 is deflected with respect to the central axis 29 of
The outlet orifice 17 and the direction vary according to the flow rate and the value of the intensity of the current.
Fig. 4 shows another variant of the guide part of FIG. 3, according to which the gas duct is widened around the intersection 14 on the upstream part, the section of the emission orifice being kept equal to that of the emission orifice of the guide piece shown in FIG. fig. 1 or 3.
In this case, the plasma jet flame 28 was arranged in the axis 29 of the emission 17.
Fig. 5 shows a guide piece illustrated in FIG. 1 and modified in the same way as in fig. 4. In this variant, the plasma jet flame 28 is also disposed in the axis 29 of the emission 17 and, which constitutes an improvement, the length of the incandescent part of the lamellar flow of the flame. plasma jet flame is increased by about 50% This means that the emission of the plasma jet flame is remarkably improved. A similar result has been obtained with the guide piece, the gas duct of which is modified as indicated by the dotted lines 31.
Fig. 6 illustrates another variant of the guide part of FIG. 5, variant in which part b indicated in broken lines has been eliminated. In this case, the lamellar current of the plasma jet flame 28 is deflected with respect to the central axis 29 of the emission 17.
The guide pieces shown in fig. 3, 4, 5 and 6 were tested for the same values of flow rate and amperage.
The results of these tests show that:
1) The removal of part a from the end of the binding shown in fig. 1 is useful for directing the plasma jet flame along the central axis 29 of the guide duct.
2) The widening of the section of the guide duct shown in FIG. 4 allows the guide piece to orient the plasma jet flame.
3) The widening of the guide duct in the fixing and guiding part free of the notched part a as indicated in fig. 5 is advantageous for reducing the loss of plasma jet flame which would otherwise occur on the part corresponding to the notched area a of FIG. 3.
4) If the enlargement of the section extends towards the inlet of the guide piece as shown in fig. 6, the guiding effect of the plasma jet flame on the central axis disappears.
The results of the aforementioned tests allow the following conclusion to be formulated:
The constructions of the guide parts shown in FIGS. 4 and 5 are advantageous for throttling the disturbed flow of fluid from the two gas streams sent by the two inlets of the guide piece, which allows the resulting flow to be in the central axis of this guide piece .
As seen in fig. 6, the position of the emission orifice relative to the arc column is critical and it is essential that part of the hairpin of the arc or at least the very curved part be present in the '' choke hole, for the following reasons:
In the first place, the presence of part of the column of the arc inside the throttle orifice causes the temperature of the gas in this orifice to increase and, consequently, the increase of the gas. The volume expansion of this gas, which ultimately results in an increase in the resistance to flow of the constriction, which is advantageous for improving the guiding capacity of this constriction.
Secondly, the guiding effect obtained by the wall of the orifice to the detriment of heat loss as in the case of the device of FIG. 1, can be reduced and the emission of plasma jet flame will be improved due to the arc hairpin whose thermal energy is about half of the total energy of the column of the arc, this emission occurring in the central axis of the throttle opening for gas heating.
Figs. 7 and 8 show other variants of the guide piece. The guide piece of FIG. 7 is specially designed for cutting. In this example, the space 32 into which the hairpin penetrates is made larger than the emission port 17 of the guide piece which has, for example, a diameter of 1.0 mm, because otherwise the hairpin would not go into the choke hole.
Fig. 8 illustrates a variant of the guide part of FIG. 4. According to this variant, a blind hole 33 is formed in the wall of the guide duct opposite to the inlet orifice 15 of the guide piece. This significantly improves the direction of a lamellar plasma jet flow which is emitted from the orifice 17 of relatively small diameter.
As can be seen from the results of the tests carried out on the variants shown in fig. 3-6, the direction of a plasma jet flame can be improved and at the same time the efficiency of the heating gas can be increased by widening the section of the guide channel along the entire length of the channel beyond the point d 'intersection of the two axes of the positive and negative plasma jet torches in the direction of emission.
Fig. 9 shows a generator equivalent to the embodiment of FIG. 2, but modified by replacing the guide piece of FIG. 4 or 5 by the corresponding element of the apparatus of FIG. 2. This modification was compared as follows with the apparatus of FIG. 2:
Example 3
Working conditions:
Gas current 8 Argon 0.31 / min.
Gas current 37 Argon 0.3 I / min.
Gas stream 7 none
Gas current 13 none
Gas current 38 Oxygen 4 I / min.
Gas current 20 Oxygen 1 I / min.
Arc voltage 95 V
Arc current 50 A
Generator of fig. 2
Inlet diameters di, d2 15, 16 di, d2 = 3.0 mm
Diameter ds of emission 17 d3 = 5.0 mm
Distance l from intersection 14 to emission 17 1 = 8.5 mm
The plasma jet flame extends 25 to 30 cm and is
deviated by approximately 2 degrees from axis 29.
Generator of fig. 9
Inlet diameters di, d2 15, 16 di, d2 = 3.0 mm
Diameter d3 of emission d3 = 5.0 mm
Diameter d4 of the guide duct d4 = 7.0 mm
Distance li from intersection 14 to emission 17 11 = 4.5 mm
12 = 4.0 mm
The plasma jet flame extends 35 to 50 cm on the central axis 29.
The constricted part was modified according to the two-level shape shown in fig. 7.
The following arc voltages were obtained for different diameters d2 and d3 of inlet 16 and outlet 17 and the emission of the plasma jet flame for cutting was significantly improved.
d2 d4 Arc voltage Pressure in the
guide piece
(Pressure of
calibration) 3.0mm 3.0mm 95V 2.0 mm Ci 1.5 mm Ci 110 V 0.1 kg / cm2 2.0 mm 1.0 mm 120 V 1.0 kg / cm2
Example 4
Working conditions
Gas current 38 Oxygen 12 I / min.
Gas current 20 Oxygen 3 I / min.
(The flow rates of the other gas streams are the same as
those of example 3).
Arc voltage 130 V
Arc current 50 A
Generator of fig. 2
The dimensions of the apparatus were identical to those of Example 3. The incandescent part of the flame consisted of a disturbed flow zone of about 2 cm in length and the plasma jet flame was deflected from. about 3 degrees or more from the central axis.
Generator of fig. 9
The particular dimensions of the apparatus were identical to those of Example 3. The incandescent part of the flame was composed of a disturbed current of approximately 3.5 cm in length and the plasma jet flame was directed in line. right.
The deflection and length of the plasma jet flame is a direct measure of the efficiency of the heating gas for a given condition. In view of this fact, it appears that the effect of the special construction of the fixing and guiding part shown in Figs. 4 and 5 is remarkable for improving the efficiency of the heating gas. Further, the possibility of varying the flow rate of the gas stream 20 to a large extent facilitates the operation of the apparatus.
As can be seen from the above, the generator described has a single throttle orifice and at least one anode electrode and differs essentially from a conventional generator using the inner wall of the throttle orifice as an anode electrode.
The advantages resulting from the use of several positive plasma jet torches are as follows:
First of all, as goes without saying, the energy absorbed by the anode can be equally divided into as many parts as there are positive plasma jet torches, which makes it possible to avoid damage to the throttle orifice. due to the local concentration of heat. Second, the deleterious effect exerted by injecting gas from inlet 15 onto the main column of the arc can be significantly reduced.
Fig. 10 shows a fourth embodiment comprising a negative plasma jet torch and two positive plasma jet torches arranged symmetrically with respect to the negative torch. This device is identical to the device of FIG. 1, except for the fixing and guide part. A single switch 24 is provided to trigger a plasma jet flame in each of the negative torches. Although two auxiliary sources 21 are shown in the drawing, a single source instead of these devices can be used by modifying the corresponding electrical connection, since the device is not used at the same time for positive jet torches. plasma.
During operation, a main arc is established by the positive torch to which the switch 24 is connected (torch on the right in the drawing), in the same way as for the apparatus of FIG. 1. The main arc being thus established, an auxiliary arc is established by the other positive plasma jet torch (torch on the left in the drawing), then a main arc is established inside the latter. After establishing the main arc on the left part, switch 22 is open, then the gas current supply 7 is interrupted. The flow rate of gas 7 and 8, such as argon, is set to a suitable value, for example 0.2 l / min. Thus, the main arc 27 is finally established.
In a particular example of the apparatus, the total amperage was 40 A and the arc voltage was 73 V.
There is shown in section in FIG. 11, the different shapes taken by the central parts or glowing cores of the plasma jet flames which are emitted from the main duct 30 when the gas is sent through each of the right and left positive plasma jet torches at a pressure equal balancing at the center of said main duct. In this figure, the outer circle 39 represents the wall of the main duct of the fixing and guide piece, while the direction of the gas sent by the positive plasma jet torch is indicated by the arrow. The hatched area 40 corresponds to the section of the central part or incandescent core of the plasma jet flame in the emission orifice 17.
Fig. 11-I concerns the use of a single positive plasma jet torch and shows the off-center position of the incandescent core, the section of which is an ellipse. This phenomenon has been observed in the plasma jet flame emitted by a conventional torch.
Fig. 11-II relates to the use of two positive torches and shows the centered position of the incandescent core 40, the section of which is an ellipse.
Fig. 11-III relates to an apparatus with three positive plasma jet torches arranged at 120 degrees with respect to each other and shows the centered position of the incandescent core 40 whose section is almost circular.
Fig. 11-IV relates to a 90-degree arrangement of four positive torches and shows the centered position of the incandescent core, the section of which is close to a circle.
The position of the incandescent core on the exact center of the throttle hole as shown in fig. 11-II, III and
IV means that the plasma jet flame is aligned with the axis of the main duct, which results in a decrease in heat losses that would occur if the plasma jet flame were to approach the wall of the duct away from the center . Centering the plasma jet flame using multiple positive torches is helpful in improving the efficiency of the apparatus.
For the sake of simplicity, the described generator is of the transferred arc type direct polarity, but it should be noted that a reverse polarity generator is also advantageous.
It is generally accepted that the use of oxygen or air increases the cutting speed for steel or aluminum sheets. However, in order to avoid damage to the electrode of a conventional generator (more particularly, in order to ensure the service life of the device as long as the device using argon), it is necessary to use inert gas in the non-transferred arc mode of operation, and then to introduce oxygen or air as an inert gas replacement after the arc has been transferred to the workpiece. This way of operating is too inconvenient and renders the apparatus practically useless.
This drawback is overcome with the present generator, by first forming a plasma jet not transferred using an auxiliary source and secondly a plasma jet transferred between the cathode rod and the workpiece using the main source.
In the embodiments described, the axes of the positive torch and of the negative plasma jet torch are arranged transversely. However, when cutting a part from a dielectric material such as concrete by operating in a non-transferred arc or when cutting a part from a conductive material such as aluminum, iron or other metal by operating in an arc transferred, two plasma jet torches were placed at 60 degrees to each other, which in the first place allows the hairpin of the arc to come closer to the emission with the consequence of an increase. heat energy to the workpiece and, secondly, makes the emission port accessible to the workpiece as the plasma jet units cause virtually no obstruction to the workpiece.
Obviously, the angle formed by the two plasma jet units can be arbitrarily chosen so as to meet the required requirements.