EP0186560A1 - Procédé et dispositif de formation d'un arc plasma - Google Patents

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EP0186560A1
EP0186560A1 EP85402379A EP85402379A EP0186560A1 EP 0186560 A1 EP0186560 A1 EP 0186560A1 EP 85402379 A EP85402379 A EP 85402379A EP 85402379 A EP85402379 A EP 85402379A EP 0186560 A1 EP0186560 A1 EP 0186560A1
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EP
European Patent Office
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forming
electrode
plasma arc
plasma
nozzle
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Withdrawn
Application number
EP85402379A
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German (de)
English (en)
Inventor
Gérard Marhic
Joel 41 avenue des Goupillers Messager
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to the formation of a plasma arc, of the type comprising a device with an electrode and means for conducting a plasma gas along and around said electrode, then through an axial restrictive conduit of a nozzle.
  • This kind of device implies either that one uses a coolant, which requires specially assigned conduits for this purpose, or that one uses the plasma gas itself, but in this case, it is imperative to have a gas flow rate noticeably greater than that necessary for the formation of the plasma arc proper, and consequently, part of the flow of plamagen gas admitted into the device is derived to allow it to escape into the open air around and away from the plasma arc proper.
  • the object of the invention is to simplify the cooling of a plasma arc by using a special cooling gas, which is also capable of forming the plasma arc.
  • the cooling is ensured by vaporization essentially at the level of the electrode of a gas admitted in the liquid state.
  • the gas is nitrous oxide stored under pressure at ambient temperature and its vaporization occurs after expansion.
  • a particularly happy double effect is thus combined with the same gas, namely the formation of the plasma arc, since nitrous oxide is made up of the elements essential for the formation of such a plasma arc on the one hand, and on the other hand it is under pressure in the liquid state at room temperature, so that its simple expansion causes a powerful refrigerating effect which is quite sufficient to cool the metal parts in the vicinity of the arc plasma and more particularly in the hottest area of the electrode.
  • it is preferably arranged so that the expansion of the nitrous oxide occurs in the immediate vicinity of the electrode.
  • the invention also relates to a device for forming a plasma arc, in particular a cutting torch, of the type comprising a torch body incorporating an electrode and a nozzle with restrictive passage for forming a plasma arc and a conduit for supplied with a plasma gas terminating in said nozzle, and according to the invention said conduit incorporates a part with expansion orifice for said plasma gas.
  • the part with expansion orifice is located immediately upstream of the electrode.
  • this incorporates a valve mounted on the plasma gas supply pipe upstream of the part with expansion orifice and preferably this valve is remote-controlled, for example an electromagnetic valve acting against a closing return means, for example a spring or a fluid which may also be plasma gas.
  • a valve mounted on the plasma gas supply pipe upstream of the part with expansion orifice and preferably this valve is remote-controlled, for example an electromagnetic valve acting against a closing return means, for example a spring or a fluid which may also be plasma gas.
  • the device comprises inside a sleeve 1 a base 2 bored at 3 to receive an electrode holder 4 ending in an electrode head 5, in which is housed a zirconium insert 6 forming the actual electrode.
  • the electrode holder is itself bored so as to form a part of upstream conduit 8 and a part of downstream conduit 9 of larger bore.
  • the lover duct part 8 opens at its lover end by a frustoconical shape flared outwards and is intended to serve as a seat 10 for a valve 11 of a valve 12 of which a cylindrical body 13 slides in a cylindrical housing 14 serving to support for an electromagnetic winding or winding 15.
  • the valve 12 is subjected to the action of a closing spring 16.
  • the excitation winding 15 of the valve 12 is held in the torch body 1 by two locking pieces 20, 21 with shoulder 22, 23.
  • the part 20 ends at the upstream end by a nozzle 25 on which is mounted a conduit 60 for the admission of nitrous oxide under pressure and in the liquid state.
  • the cylindrical body 13 of the valve 12 has a hollow part 26 which communicates with the interior of the endpiece 25 and presents lateral orifices 27 through which the plasma-producing gas in the liquid state can flow into a chamber 28 located directly upstream of the valve plug 11.
  • a piece 29 Inside the electrode conduit 9 is screwed a piece 29 provided with an axial passage 30 in direct communication at its upstream end with the conduit 8 and having at its downstream end 31, which engages in a recess 32 of the electrode head 5, an expansion orifice 33 (for example a passage from 0.05 mm to 0.2 mm and preferably of the order of 0.1 mm over a length of a few mm) located a short distance from the bottom of an electrode recess or base 32, all so that the cold gas formed after the expansion orifice 33 cools the electrode and circumferentially escapes through an annular passage 34 located between the part 29 and the electrode head 5 to reach a chamber 35 located between the sleeve 1 and the electrode holder 4 through one or more lateral orifices 36.
  • an expansion orifice 33 for example a passage from 0.05 mm to 0.2 mm and preferably of the order of 0.1 mm over a length of a few mm
  • This chamber 35 communicates on the one hand by an annular gap 38 with an annular zone 39 formed between the electrode head 5 and a nozzle 40 provided with a restrictive axial passage 41 for plasma arc formation, d on the other hand by one or more holes 42 opening into the open air around the nozzle.
  • the electrode 6 is connected to the potential of an electrical source by means of the electrode head 5, the electrode holder 4 and a conductor 43 leading to the control winding 15 of the solenoid valve 12, the other end of which is connected by a conductor 44 to said current source, so that the excitation winding 15 of the solenoid valve 12 is in fact traversed by the plasma arc current.
  • the nitrous oxide in the liquid and pressurized state is introduced through the pipe 60, the nozzle 25, the interior of the solenoid valve 12, the chamber 28 and, if the solenoid valve is traversed by the arc-forming current, that is to say if the solenoid valve is in the retracted position with the valve 11 released from its seat 10, the liquid nitrous oxide, always under pressure, enters the conduit 8, then into the recess 30 before opening through the expansion orifice 33 in the expansion chamber 32, where it vaporizes producing cold.
  • the nitrous oxide in the gaseous state escapes through the annular passage 34 coaxially around and inside the part 29, enters the chamber 35 through the orifices 36 then in the supply chamber 39 of passage 41 for the formation of the plasma arc.
  • the expansion orifice 33 is arranged at the end of a part 29 which itself is mounted by screwing to come into abutment against a shoulder 45 of the electrode holder 4, while providing between an outer wall situated upstream of the screwing area 46 an annular space 47 between itself and the electrode holder 4, which communicates by a passage 48 with the chamber 35.
  • This arrangement has the effect, during a abnormal heating which has repercussions on the level of the electrode holder 4, of causing, by difference of expansion, detachment of the part 29 of its seat 45 and an exhaust at high flow rate of the gas directly towards the chamber 35 via the passage 48 (therefore without being limited by the expansion orifice 33) and from there towards the outside by the restrictive duct 41 and the lateral exhaust holes 42.
  • This phenomenon has the effect of causing a rapid gas purge, when the nitrous oxide is abnormally in the gaseous state upstream of the expansion orifice, either after a prolonged operational stop, or after the substitution of an empty bottle by a full bottle, which restores as quickly as possible the correct supply of nitrous oxide in the liquid state, or finally to ensure rapid detection of a drop in pressure reflecting the exhaustion of the liquid phase in the nitrous oxide bottle, which makes it possible to ensure a stop of operation in a d was very brief.
  • the nozzle 40 is mounted to slide freely to come into short-circuit contact with the electrode head 5, so as to initiate the ignition of the plasma arc.
  • This displacement of the nozzle 40 advantageously causes, by a sliding rod 50, the detachment of the valve 11 from its seat 10, therefore the conccmnittent arrival of nitrous oxide.

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Abstract

L'invention concerne la formation d'un arc plasma. On utilise, à cet effet, du protoxyde d'azote à l'état liquid que l'on transfère par une vanne (12) vers un orifice de détente (33) produisant un effet refroidisseur de l'électrode (5, 6). Applications notamment au coupage plasma.

Description

  • La présente invention concerne la formation d'un arc plasma, du genre comprenant un dispositif avec une électrode et des moyens pour conduire un gas plasmagène le long et autour de ladite électrode, puis au travers d'un conduit restrictif axial d'une tuyère. Ce genre de dispositif implique soit que l'on utilise un liquide de refroidissement, ce qui nécessite des conduits spécialement affectés à cet effet, soit que l'on utilise le gaz plasmagène lui-même, mais dans ce cas, il est impératif de disposer d'un débit de gaz notablement supérieur à celui nécessaire à la formation de l'arc plasma proprement dit et en conséquence, on dérive une partie du débit de gaz plamagène admis dans le dispositif pour le laisser s'échapper à l'air libre autour et à distance de l'arc plasma proprement dit.
  • L'invention a pour objet de simplifier le refroidissement d'un arc à plasma en utilisant un gaz spécial de refroidissement, qui est apte également à former l'arc plasma.
  • Ce résultat est atteint en ce que le refroidissement est assuré par vaporisation essentiellement au niveau de l'électrode d'un gaz admis à l'état liquide. Selon une forme préférentielle le gaz est du protoxyde d'azote stocké sous pression à la terpérature ambiante et sa vaporisation intervient après détente. On combine ainsi avec le même gaz un double effet particulièrement heureux, à savoir la formation de l'arc-plasma, puisque le protoxyde d'azote est constitué des éléments essentiels à la formation d'un tel arc-plasma d'arc d'une part, et d'autre part il se présente sous pression à l'état liquide à la température ambiante, de sorte que sa simple détente provoque un puissant effet frigorifique qui est tout-à-fait suffisant pour refroidir les pièces métalliques au voisinage du plasma d'arc et plus particulièrement dans la zone la plus chaude de l'électrode. A cet effet, on s'arrange de préférence pour que la détente du protoxyde d'azote intervienne au voisinage immédiat de l'électrode.
  • L'invention concerne également un dispositif de formation d'un arc-plasma, notamment une torche de coupage, du genre comprenant un corps de torche incorporant une électrode et une tuyère à passage restrictif de formation d'un arc plasma et un conduit d'amenée d'un gaz plasmagène aboutissant dans ladite tuyère, et selon l'invention ledit conduit incorpore une pièce à orifice de détente pour ledit gaz plasmagène. De préférence, la pièce à orifice de détente est située immédiatement en amont de l'électrode.
  • Dans une forme perfectionnée du dispositif selon l'invention, celui-ci incorpore une vanne montée sur le conduit d'amenée du gaz plasmagène en amont de la pièce à orifice de détente et de préférence cette vanne est télécommandée, par exemple une vanne électromagnétique agissant contre un moyen de rappel de fermeture, par exemple un ressort ou un fluide qui peut être d'ailleurs le gaz plasmagène.
  • L'invention sera maintenant décrite en référence au dessin annexé dont la figure unique est une coupe axiale, qui représente un dispositif de formation d'un arc plasma.
  • En se référant au dessin, le dispositif comprend à l'intérieur d'un manchon 1 une embase 2 alésée en 3 pour recevoir un porte-électrode 4 se terminant par une tête d'électrode 5, dans laquelle est logé un insert 6 en zirconium formant l'électrode proprement dite.
  • Le porte-électrode est lui-même alésé de façon à former une partie de conduit amont 8 et une partie de conduit aval 9 de plus grand alésage.
  • La partie de conduit amant 8 débouche à son extrémité amant par une forme tronconique évasée vers l'extérieur et est destinée à servir de siège 10 pour un clapet 11 d'une vanne 12 dont un corps cylindrique 13 coulisse dans un logement cylindrique 14 servant de support à un bobinage ou enroulement électranagnétique 15. La vanne 12 est soumise à l'action d'un ressort de fermeture 16. L'enroulement d'excitation 15 de la vanne 12 est maintenu dans le corps de torche 1 par deux pièces de blocage 20, 21 à épaulement 22, 23.
  • La pièce 20 se termine à l'extrémité amont par un embout 25 sur lequel est monté un conduit 60 pour l'admission de protoxyde d'azote sous pression et à l'état liquide.
  • Le corps cylindrique 13 de la vanne 12 présente une partie creuse 26 qui communique avec l'intérieur de l'embout 25 et préssnte des orifices latéraux 27 par lesquels le gaz plasmagène à l'état liquide peut s'écouler dans une chambre 28 située directement en amont du clapet de vanne 11.
  • A l'intérieur du conduit d'électrode 9 est vissée une pièce 29 pourvue d'un passage axial 30 en communication directe à son extrémité amont avec le conduit 8 et présentant à son extrémité aval 31, qui s'engage dans un évidement 32 de la tête d'électrode 5, un orifice de détente 33 (par exemple un passage de 0,05 mm à 0,2 mm et de préférence de l'ordre de 0,1 mm sur une longueur de quelques mm) situé à faible distance du fond d'un évidement d'électrode ou culot 32, le tout de façon que le gaz froid formé après l'orifice de détente 33 refroidisse l'électrode et s'échappe circonfêrentiellement par un passage annulaire 34 situé entre la pièce 29 et la tête d'électrode 5 pour parvenir à une chambre 35 située entre le manchon 1 et le porte-électrode 4 au travers d'un ou de plusieurs orifices latéraux 36. Cette chambre 35 communique d'une part par un interstice annulaire 38 avec une zone annulaire 39 ménagée entre la tête d'électrode 5 et une tuyère 40 pourvue d'un passage axial restrictif 41 de formation d'arc plasma, d'autre part par un ou plusieurs trous 42 débouchant à l'air libre autour de la tuyère.
  • L'électrode 6 est raccordée au potentiel d'une source électrique par l'intermédiaire de la tête d'électrode 5, du porte-électrode 4 et d'un conducteur 43 aboutissant à l'enroulement de commande 15 de l'électrovanne 12, dont l'autre extrémité est raccordée par un conducteur 44 à ladite source de courant, de sorte que l'enroulement d'excitation 15 de l'électrovanne 12 est en fait parcourue par le courant d'arc plasma.
  • En fonctionnement, on notera que le protoxyde d'azote à l'état liquide et sous pression est introduit par la canalisation 60, l'embout 25, l'intérieur de l'électrovanne 12, la chambre 28 et, si l'électrovanne est parcourue par le courant de formation d'un arc, c'est-à-dire si l'électrovanne est en position rétractée avec le clapet 11 dégagé de son siège 10, le protoxyde d'azote liquide, toujours sous pression, pénètre dans le conduit 8, puis dans l'évidement 30 avant de déboucher par l'orifice de détente 33 dans la chambre de détente 32, où il se vaporise en produisant du froid. Après quoi, le protoxyde d'azote à l'état gazeux s'échappe par le passage annulaire 34 coaxialement autour et à l'intérieur de la pièce 29, pénètre dans la chambre 35 par les orifices 36 puis dans la chambre 39 d'alimentation du passage 41 pour la formation de l'arc plasma.
  • On notera que l'orifice de détente 33 est aménagé en bout d'une pièce 29 qui elle-même est montée par vissage pour venir en butée contre un épaulement 45 du porte-électrode 4, tout en ménageant entre une paroi extérieure située en amont de la zone de vissage 46 un espace annulaire 47 entre elle-même et le porte-électrode 4, qui communique par un passage 48 avec la chambre 35. Cette disposition a pour effet, lors d'un échauffement anormal qui se répercute au niveau du porte-électrode 4, de provoquer, par différence de dilatation, un décollement de la pièce 29 de son siège 45 et un échappement à débit important du gaz directement vers la chambre 35 via le passage 48 (donc sans être limité par l'orifice de détente 33) et de là vers l'extérieur par le conduit restrictif 41 et les trous d'échappement latéral 42. Ce phénomène a pour effet de provoquer une purge gazeuse rapide, lorsque le protoxyde d'azote se trouve anormalement à l'état gazeux en amont de l'orifice de détente, soit après un arrêt opératoire prolongé, soit après la substitution d'une bouteille vide par une bouteille pleine, ce qui rétablit le plus rapidement possible l'alimentation correcte en protoxyde d'azote à l'état liquide, soit enfin pour assurer la détection rapide d'une baisse de pression traduisant l'épuisement de la phase liquide dans la bouteille de protoxyde d'azote, ce qui permet d'assurer un arrêt de fonctionnement dans un délai très bref.
  • On note également que la tuyère 40 est montée à coulissement libre pour venir en contact de court-circuit avec la tête d'électrode 5, de façon à initier l'allumage de l'arc plasma. Ce déplacement de la tuyère 40 provoque avantageusement, par une tringle coulissante 50, le décollement du clapet 11 de son siège 10, donc l'arrivée conccmnittente du protoxyde d'azote.

Claims (13)

1. Procédé de formation d'un arc plasma du genre comprenant un dispositif avec une électrode (4, 5, 6) et des moyens (60, 25, 12, 28, 8, 46, 39) pour conduire un gaz plasmagène le long et autour de ladite électrode vers un conduit restrictif axial (41) d'une tuyère (40), avec refroidissement du dispositif, notamment de ladite électrode , caractérisé en ce que le refroidissement est assuré par vaporisation (en 32) essentiellement au niveau de ladite électrode (5, 6) dudit gaz admis à l'état liquide.
2. Procédé de formation d'un arc plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est du protoxyde d'azote stocké sous pression à la température ambiante et en ce que sa vaporisation intervient après détente (en 33).
3. Procédé de formation d'un gaz plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une part substantielle du protoxyde d'azote admis est dirigée vers un conduit axial (41) de tuyère (40) pour former le plasma d'arc.
4. Procédé de formation d'un gaz plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que la détente (en 33) du protoxyde d'azote intervient au voisinage de l'électrode (5, 6).
5. Dispositif de formation d'un arc plasma, notamment torche de coupage, du genre comprenant un corps de torche incorporant une électrode (5, 6) et une tuyère (40) de formation d'un arc plasma et un conduit d'amené d'un gaz plasmagène (25, 12, 28, 8, 46, 39) aboutissant dans ladite tuyère (40), caractérisé en ce que ledit conduit incorpore une pièce (29) à orifice de détente (33) pour ledit gaz plasmagène à l'état liquide.
6. Dispositif de formation d'un arc plasma, notamment torche de coupage, selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pièce (29) à orifice de détente (33) est située au voisinage immédiat de l'électrode (5, 6).
7. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électrode (5, 6) présente une partie en forme de culot (32) ouvert dans une direction opposée à celle de la tuyère (40) et en ce que la pièce (29) à orifice de détente (33) s'engage dans ledit culot (32).
8. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif incorpore une vanne (12) montée sur le conduit d'amenée du gaz plasmagène en amont de la pièce (29) à orifice de détente (33).
9. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vanne (12) est télécommandée, par exemple une vanne électromagnétique (12, 15), agissant contre l'action d'un élément de rappel de fermeture, par exemple un ressort (16) ou un fluide qui peut être le gaz liquéfié destiné à former le gaz plasmagène.
10. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vanne électrcanagnétique (12) présente un enroulement de commande (15), qui est parcouru (via 44, 43) par une fraction ou la totalité du courant d'arc.
11. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 8, du genre où la tuyère (40) est montée à coulissement axial, caractérisé en ce qu'une tige coulissante (50) solidaire de la tuyère 40 initie l'ouverture de la vanne (12) dans la position rétractée de ladite tuyère (40).
12. Dispositif de formation d'un arc plasma, selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pièce (29) à orifice de détente (33) forme un tronçon de conduit solidarisé circonférentiellement (en 46) à distance radiale dans un corps d'électrode annulaire (4), qui présente un siège (45) contre lequel bute ladite pièce (29) à l'orifice de détente (33), ledit corps d'électrode annulaire (4) présentant un passage de communication (48) vers l'intérieur de la tuyère (40).
13. Dispositif de formation d'un arc plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice de détente (33) a un diamètre de 0,05 mm à 0,2 mm et de préférence de l'ordre de O,1 mm sur une longueur de quelques millimètres.
EP85402379A 1984-12-07 1985-12-03 Procédé et dispositif de formation d'un arc plasma Withdrawn EP0186560A1 (fr)

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DK (1) DK565485A (fr)
ES (1) ES8704666A1 (fr)
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EP0640426A1 (fr) * 1993-02-23 1995-03-01 APUNEVICH, Alexandr Ivanovich Pistolet a plasma a arc electrique
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