EP0157702B1 - Torche de soudage ou coupage à plasma - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a plasma welding or cutting torch of the type comprising a torch body the interior of which is connected to a source of plasma gas, a hollow electrode housed inside this body and electrically connected to a power supply conductor , and a plasma outlet nozzle mounted opposite and at a distance from the electrode and pierced with an orifice for the plasma outlet.
- the present invention aims to remedy these drawbacks by providing a plasma button of particularly simple design, the number of constituent elements of which is very small, of low cost and of very high security.
- the invention relates to a welding torch or plasma cutting of the aforementioned type, characterized in that it comprises a removable annular skirt secured to the torch body and having on the one hand a seat for the nozzle, which is mounted to slide freely in the skirt and applied to its seat only under the effect of an elastic force, and on the other hand means for longitudinal positioning of the electrode.
- the removable skirt comprises an envelope of electrically insulating material, integral, in its part facing the torch body, with a first conductive sleeve screwed into a conductive element of the torch body and having, on its internal surface, a shoulder forming a seat for the electrode, and also integral, in its end part which is opposite to that facing the torch body, with a second metal sleeve in which the nozzle is mounted to slide and which has the seat of this nozzle, the first and second sleeves being in communication by an axial passage of the skirt.
- the plasma torch according to the invention offers the advantage that it consists only of four main elements, namely the torch body and the skirt removably mounted on this torch body, as well as the electrode and the nozzle engaged in the skirt, said nozzle at least being able to slide freely in the latter. It is therefore, therefore, simple to disassemble and reassemble and its cost price is considerably reduced. Furthermore, the torch also has any guarantee of safety because, when the skirt is separated from the torch body, no live conductive part of this torch body is protruding, the conductive element of the torch body with which is in electrical connection, the first sleeve of the skirt being housed in a hollow part which is difficult to access from the outside.
- the plasma torch according to the invention essentially comprises four elements which are independent of each other and which can be assembled together, namely a torch body 1, an electrode 2, a nozzle 3 and a removable skirt 4.
- the torch body 1 comprises a central bell-shaped part 5 and a tubular lateral extension 6 terminated by a connector 7, the central bell-shaped part 5 and the tubular lateral extension 6 being made of electrically insulating material.
- a connector 7 On the connection 7, with external teeth, is fitted by force a flexible and insulating pipe 8 for the arrival of a plasma gas, this pipe 8 being held on the connection 7 by an external coaxial sleeve 9.
- the tubular lateral extension 5 of the torch body 1 is crossed by a conduit in which is housed a tube 11 of electrically conductive material.
- This tube opens, at its outer end, into the insulating sheath 8 and it is extended longitudinally at this point, inside the sheath 8, by a part of its periphery constituting a tab 12 folded transversely on itself and ensuring maintaining by crimping the end of an electrical supply conductor 13 housed in the pipe 8.
- the bell-shaped part 5 of the torch body 1 has a central cavity 14 closed at its upper part and opening downwards.
- a metal cap 15 with a cylindrical side wall 15a in which is drilled a hole which is engaged the internal end of the conductive tube 11 passing through the lateral extension 6.
- This conductive tube 11 is advantageously fixed to the metal cap 15 by welding.
- the cylindrical side wall 15a of the metal cap 15 has a thread 15b on its lower end portion extending below the hole where the end of the conductive tube 11 is fixed. This side wall 15a provided with the thread 15b stops at a certain distance from the lower end 5a of the bell-shaped part 5.
- the removable skirt 4 comprises, for its part, an envelope 16 of insulating material, of annular shape, for example frustoconical with taper directed downward.
- This envelope 16 has, at its upper end, a lateral rim 16a intended to surround and cover the end 5a of the torch body 1.
- the casing 16 is overmolded on two metal sleeves, namely an upper electrode holder sleeve 17 and a lower nozzle holder sleeve 18.
- L the envelope 16 has, between the two sleeves 17 and 18, a central passage 19 ensuring communication in the axial direction between the upper sleeve 17 and the lower sleeve 18.
- the upper sleeve 17 has, on its upper end protruding from the casing 16, a thread 21 intended to be screwed into the internal thread 15b of the cap 15 of the torch body 1.
- the sleeve 11 has a stepped internal surface and it comprises an upper part 17a of large internal diameter a and a lower part 17b of smaller internal diameter b, the parts 17a and 17b connecting to each other by a transverse annular shoulder 17c intended to form a seat for the electrode 2 as will be seen later.
- the lower sleeve la comprises, in the internal face of its lateral surface, a certain number of longitudinal grooves 18a which extend downwards and end in holes drilled in an annular front face 18b constituted by an internal flange terminating the sleeve 18 down.
- This annular front face 18b preferably has a frustoconical shape, converging downwards, in order to constitute a seat for the nozzle 3 as will be seen below.
- the metal electrode 2 has an axial U-shaped section. It has a blind axial bore 22 open upwards, that is to say towards the inside of the torch body 1. Outside the electrode 2 has, from top to bottom, an annular flange 23 projecting outwards, then a cylindrical surface 24 of external diameter equal to the internal diameter b of the lower part 17b of the sleeve 17, then a frustoconical lower part 25, converging towards the bottom. This frustoconical lower part 25 is pierced, at the bottom of the bore 22, with at least one tangential hole 26 ensuring the exit of the plasma gas. Finally, in the central part of the relatively thick lower front wall 27 of the electrode 2 is housed axially an insert 28, for example made of zirconium, promoting the initiation of the arc.
- the electrode 2 could be screwed into the upper sleeve 17 of the skirt 4.
- the last component part of the plasma torch according to the invention namely the nozzle 3, comprises, at its upper part, a skirt 29 extending upward and which is connected to a relatively thick frustoconical lower part 31, downward taper.
- the skirt 29 is delimited by an external cylindrical lateral surface 32, of diameter equal to the internal diameter of the sleeve 18, and by a frustoconical internal lateral surface 33, having substantially the same conicity as the frustoconical lower part 25 of the electrode 2.
- the frustoconical lower part 31 of the nozzle 3 is pierced right through with an axial hole 34. Furthermore, this frustoconical lower part 31 has, near its large upper base, an annular recess 35 of cylindrical shape and of equal diameter or slightly less than the diameter of the orifice delimited by the frustoconical front wall 18b of the sleeve 18.
- the upper sleeve 17 of the removable skirt 4 is screwed, by its thread 21, into the internal thread 15b of the cap 15 of the torch body 1, l electrode 2 is housed in the upper sleeve 17 and it bears, by its upper flange 23, on the internal shoulder 17c, forming electrode seat, of the sleeve 17, and the nozzle 3 is engaged in the lower sleeve 18 in which it is held in abutment on the truncated front wall 18b of this sleeve, constituting the seat of this nozzle.
- the two seats 17c and 18b are offset axially with respect to each other by a distance such that in operation the nozzle 3 is kept at a distance from the electrode 2, while being able to slide freely in the lower sleeve 18 to be able to come into contact with the electrode 2 and cause the initiation of an arc between the electrode 2 and the nozzle 3.
- the plasma gas which is supplied through the insulating pipe 8, penetrates inside the torch flowing through the tube 11 extending through the lateral extension 6 of the torch body 1, it then passes inside the cap 15 then it flows longitudinally downwards into the bore 22 of the electrode 2, and it leaves tangentially through the hole or holes 26 to pass into the space defined between the frustoconical lower part 25 of the electrode 2 and the nozzle 3.
- the gas divides in two currents, namely a relatively low flow current, representing from 10 to 20 % of the supply flow, which flows down inside the nozzle 3 and which leaves this nozzle axially, through the hole 34, to form the plasma, and another current corresponding to the excess of gas (from 80 to 90% of the feed rate), this excess gas stream flowing longitudinally in the various internal grooves 18a of the sleeve 18, to exit the torch in the form of a plurality of jets surrounding the central jet forming the plasma.
- the circulation of the plasma gas is indicated by the arrows in the drawing.
- the hole 26 which is drilled tangentially in the electrode 2 ensures the calibration of the gas flow rate and the production of a vortex in the space between the electrode 2 and the nozzle 3.
- the electric supply current of the electorde 2 is brought to the latter due to the electrical connection provided between the upper conductive sleeve 17 and the metal cap 15 to which the tube 11 is welded.
- the electrode 2 and the nozzle 3 are pressed against their respective seats 17c and 18b only under the effect of the pressure of the gas.
- springs could also be used for this purpose.
- the plasma torch according to the invention offers great security in that, when the removable skirt 4 is disassembled, by unscrewing the threaded sleeve 17, the electrode 2 is automatically disconnected from the source of electric current and moreover no metal element does not protrude from the body of the torch 1, the conductive cap 15 being embedded inside this body. This eliminates any risk of accidental contact of the user of the torch with a live metal part.
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Description
- La présente invention concerne une torche de soudage ou coupage plasma du type comportant un corps de torche dont l'intérierur est relié à une source de gaz plasmagène, une électrode creuse logée à lintérieur de ce cops et reliée électriquement à un conducteur d'alimentation électrique, et une tuère de sortie du plasma montée en regard et à distance de l'électrode et percée d'un orifice pour la sortie du plasma.
- Les torches connues de ce type (voir par exemple US-A-3 242 305) présentent l'inconvénient d'être constituées d'un grande nombre de pièces, ce qui se traduit par un prix de revient relativement élevé. Par ailleurs, elles ne présentent pas toute garantie de sécurité du fait que l'utilisation de la torche peut toucher accidentellement de pièces métalliques internes sous tension, lorsqu'il est amené à démonter les éléments consitutifs de cette torche.
- La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant une touche à plasma de conception particulièrement simple, dont le nombre des éléments constitutif est très réduit, d'un faible prix de revient et à très grande sécurité.
- A cett effet, l'invention a pour objet une torche de soudage ou coupage plasma du type précité, caractérisé en ce qu'elle comporte une jupe amovible annulaire solidarisée avec le corps de torche et présentant d'une part un siège pour la tuyère, qui est montée à coulissement libre dans la jupe et appliquée sur son siège uniguement sous l'effet d'une force élastique, et d'autre part des moyens de positionnement longitudinal de l'électrode.
- Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, la jupe amovible comporte une enveloppe en matière isolante électiquement, solidaire, dans sa partie tournée vers le corps de torche, d'un premier manchon conducteur vissé dans un élément conducteur du corps de torche et présentant, sur sa surface interne, un épaulement formant siège pour l'électrode, et également solidaire, dans sa partie extrême qui est opposée à celle tournée vers le corps de torche, d'un second manchon métallique dans lequel est montée à coulissement la tuyère et qui présente le siège de cette tuyère, les permier et second manchons étant en communication par un passage axial de la jupe.
- La torche à plasma suivant l'invention offre l'avantage qu'elle est constituée uniquement de quatre éléments principaux, à savoir le corps de torche et la jupe montée d'une manière amovible sur ce corps de torche, ainsi que l'électrode et la tuyère engagée dans la jupe, ladite tuyère au moins pouvant coulisser librement dans cette dernière. Elle est donc, de ce fait, simple à démonter et remonter et son prix de revient est considérablement réduit. Par ailleurs, la torche présente également toute garantie de sécurité du fait que, losque la jupe est séparée du corps de torche, aucune partie conductrice sous tension de ce corps de torche n'est en saillie, l'élément conducteur du corps de torche avec lequel est en liaison électrique le premier manchon de la jupe étant logé dans une partie en creux difficilement accessible de l'extérieur.
- On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel:
- La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une torche à plasma suivant l'invention.
- La figure 2 est une vue en coupe axiale des divers éléments constitutifs de la torche représentés séparés les uns des autres avant le montage de cette torche.
- La torche à plasma suivant l'invention comprend essentiellement quatre éléments indépendants les uns des autres et pouvant être assemblés entre eux, à savoir un corps de torche 1, une électrode 2, une tuyère 3 et une jupe amovible 4.
- Le corps de torche 1 comprend une partie centrale en forme de cloche 5 et un prolongement latéral tubulaire 6 terminé par un raccord 7, la partie centrale 5 en forme de cloche et le prolongement latéral tubulaire 6 étant en matière isolante électriquement. Sur le raccord 7, à denture externe, est emboîtée à force une canalisation souple et isolante 8 d'arrivée d'un gaz plasmagène, cette canalisation 8 étant maintenue sur le raccord 7 par un manchon coaxial externe 9. Le prolongement latéral tubulaire 5 du corps de torche 1 est traversé par un conduit dans lequel est logé un tube 11 en matière conductrice de l'électricité. Ce tube débouche, à son extrémité externe, dans la gaine isolante 8 et il est prolongé longitudinalement à cet endroit, à l'intérieur de la gaine 8, par une partie de sa périphérie constituant une patte 12 repliée transversalement sur elle-même et assurant le maintien par sertissage de l'extrémité d'un conducteur d'allimentation électrique 13 logé dans la canalisation 8.
- La partie 5 en forme de cloche du corps de torche 1 présente une cavité centrale 14 fermée à sa partie supérieure et s'ouvrant vers le bas. Dans cette cavité 14 est logé un capuchon métallique 15 à paroi latérale cylindrique 15a dans laquelle est percé un trou où est engagée l'extrémité interne du tube conducteur 11 traversant le prolongenemet latéral 6. Ce tube conducteur 11 est avantageusement fixé au capuchon métallique 15 par soudage. Par ailleurs la paroi latérale cylindrique 15a du capuchon métallique 15 présente un taraudage 15b sur sa partie extrême inférieure s'étendant en dessous du trou où est fixée l'extrémité du tube conducteur 11. Cette paroi latérale 15a pourvue du taraudage 15b s'arrête à une certaine distance de l'extrémité inférieure 5a de la partie 5 en forme de cloche.
- La jupe amovible 4 comporte, de son côté, une enveloppe 16 en matière isolante, de forme annulaire, par exemple tronconique à conicité dirigée ver le bas. Cette enveloppe 16 présente, à son extrémité supérieure, un rebord latérale 16a destiné à enourer et coiffer l'extrémité 5a du corps de torche 1. L'enveloppe 16 est surmoulée sur deux manchons métalliques à savoir un manchon supérieur porteélectrode 17 et un manchon inférieure porte-tuyère 18. L'enveloppe 16 présente, entre les deux manchon 17 et 18, un passage central 19 assurant la communication dans le sens axial entre le manchon supérieur 17 et le manchon inférieur 18.
- Le manchon supérieur 17 présente, sur sa partie extrême supérieure en saillie par rapport à l'enveloppe 16, un filetage 21 destiné à être vissé dans le taraudage 15b du capuchon 15 du corps de torche 1. Le manchon 11 a une surface interne étagée et il comporte une partie supérieure 17a de grand diamètre interne a et une partie inférieure 17b de diamètre interne b plus petit, les parties 17a et 17b se raccordant l'une à l'autre par un épaulement annulaire transversal 17c destiné à former un siège pour l'électrode 2 comme on le verra plus loin.
- Bien que dans la forme d'exécution préférée de l'invention décrite ci-dessus la jupe amovible 4 soit fixée au corps de torche 1 par vissage, il va de soi que l'on pourrait également utiliser à cet effet tout autre moyen de fixation.
- Le manchon inférieur la comprend, dans la face interne de sa surface latérale, un certain nombre de gorges longitudinales 18a qui s'étendent vers le bas et se terminent par des trous percés dans une face frontale annulaire 18b constituée par une collerette interne terminant le manchon 18 vers le bas. Cette face frontale annulaire 18b a de préférence une forme tronconique, convergeant vers le bas, afin de constituer un siège pour la tuyère 3 comme on le verra plus loin.
- L'électrode métallique 2 présente une section axiale en forme de U. Elle comporte un alésage axial borgne 22 ouvert vers le haut, c'est-à-dire vers l'intérieure du corps de torche 1. A l'extérieur l'électrode 2 présente, de haut en bas, une collerette annulaires 23 en saillie vers l'extérieur, puis une portée cylindrique 24 de diamètre externe égal au diamètre interne b de la partie inférieure 17b du manchon 17, puis une partie inférieure 25 tronconique, convergeant vers le bas. Cette partie inférieure 25 tronconique est percée, au niveau du fond de l'alésage 22, d'au moins un trou tangentiel 26 assurant la sortie du gaz plasmagène. Enfin dans la partie centrale de la paroi frontale inférieure 27, relativement épaisse, de l'électrode 2 est logé axialement un insert 28, par exemple en zirconium, favorisant l'amorçage de l'arc.
- Suivant une variante de réalisation l'électrode 2 pourrait être vissée dans le manchon supérieur 17 de la jupe 4.
- La dernière pièce constitutive de la torche à plasma suivant l'invention, à savoir la tuyère 3, comporte, à sa partie supérieure, une jupe 29 s'étendant vers le haut et qui est raccordée à une partie inférieure tronconique 31 relativement épaisse, à conicité dirigée vers le bas. La jupe 29 est délimitée par une surface latérale cylindrique externe 32, de diamètre égal au diamètre interne du manchon 18, et par une surface latérale interne 33 tronconique, présentant sensiblement la même conicité que la partie inférieure tronconique 25 de l'électrode 2.
- La partie inférieure tronconique 31 de la tuyère 3 est percée de part en part d'un trou axial 34. Par ailleurs cette partie inférieure tronconique 31 présente, à proximité de sa grande base supérieure, un décrochement annulaire 35 de forme cylindrique et de diamètre égal ou légèrement inférieur au diamètre de l'orifice délimité par la paroi frontale tronconique 18b du manchon 18.
- Lorsque la torche à plasma est assemblée, ainsi qu'il est représenté sur la figure 1, le manchon supérieur 17 de la jupe amovible 4 est vissé, par son filetage 21, dans le taraudage 15b du capuchon 15 du corps de torche 1, l'électrode 2 est logée dans le manchon supérieur 17 et elle prend appui, par sa collerette supérieure 23, sur l'épaulement interne 17c, formant siège d'électrode, du manchon 17, et la tuyère 3 est engagée dans le manchon inférieur 18 dans lequel elle est maintenue en appui sur la paroi frontale tronchonique 18b de ce manchon, constituant le siège de cette tuyère. Les deux sièges 17c et 18b sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre d'une distance telle qu'en fonctionnement la tuyère 3 soit maintenue à distance de l'électrode 2, tout en pouvant coulisser librement dans le manchon inférierur 18 pour pouvoir venir en contact avec l'électrode 2 et provoquer l'amorçage d'un arc entre l'électrode 2 et la tuyère 3. Le gaz plasmagène qui est fourni à travers la canalisation isolante 8, pénètre à l'intérieur de la torche en s'écoulant à travers le tube 11 s'étendant à travers le prolongement latéral 6 du corps de torche 1, il passe ensuite à l'intérieur du capuchon 15 puis il s'écoule longitudinalement vers le bas dans l'alésage 22 de l'électrode 2, et il sort de celle-ci tangentiellement à travers le ou les trous 26 pour passer dans l'espace délimité entre la partie inférieure tronconique 25 de l'électrode 2 et la tuyère 3. A partir de là le gaz se divise en deux courants à savoir un courant de débit relativement faible, représentant de 10 à 20 % du débit d'alimentation, qui s'écoule vers le bas à l'intérieur de la tuyère 3 et qui sort de cette tuyère axialement, à travers le trou 34, pour former le plasma, et un autre courant correspondant à l'excédent de gaz (de 80 à 90 % du débit d'alimentation), ce courant de gaz excédentaire s'écoulant longitudinalement dans les diverses gorges internes 18a du manchon 18, pour sortir de la torche sous la forme d'une pluralité de jets entourant le jet central formant le plasma. La circulation du gaz plasmagène est indiquée par les flèches sur le dessin.
- Le trou 26 qui est percé tangentiellement dans l'électrode 2 assure le calibrage du débit de gaz et la production d'un vortex dans l'espace compris entre l'électrode 2 et la tuyère 3.
- Le courant électrique d'alimentation de l'électorde 2 est amené à cette dernière du fait de la liasion électrique assurée entre le manchon supérieur conducteur 17 et le capuchon métallique 15 auquel est soudé le tube 11.
- En fonctionnement, lorsque du gaz sous pression est fourni à la torche suivant l'invention, l'électrode 2 et la tuyère 3 sont plaquées sur leur sièges respectifs 17c et 18b uniquement sous l'effet de la pression du gaz. Toutefois on pourrait aussi utiliser, à cet effet, des ressorts.
- La torche à plasma suivant l'invention offre une grande sécurité du fait que, lorsque l'on démonte la jupe amovible 4, en dévissant le manchon fileté 17, l'électrode 2 est autmatiquement déconnectée de la source de courant électrique et par ailleurs aucun élément métallique ne dépasse du corps de la torche 1, le capuchon conducteur 15 étant noyé à l'intérieur de ce corps. On élimine ainsi tout risque de contact fortuit de l'utilisateur de la torche avec une partie métallique sous tension.
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