EP0193456A1 - Welding or cutting plasma torch with nozzle unit - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une torche de soudage ou de coupage à plasma, comportant un corps de torche dont l'intérieur est relié à une source de gaz plasmagène, une électrode logée à l'intérieur de ce corps et reliée électriquement à un conducteur d'alimentation électrique, et une tuyère de sortie du plasma montée en regard et à distance de l'électrode, et percée d'un orifice pour la sortie du plasma.The present invention relates to a plasma welding or cutting torch, comprising a torch body the interior of which is connected to a source of plasma gas, an electrode housed inside this body and electrically connected to a conductor. power supply, and a plasma outlet nozzle mounted opposite and at a distance from the electrode, and pierced with an orifice for the plasma outlet.
Il est connu du brevet américain 3.242.305, une torche plasma dans laquelle l'électrode et la tuyère sont refroidies par un courant de liquide tel que l'eau. Dans cette torche, l'électrode est mobile par rapport à la tuyère et au contact électrique de celle-ci lorsque la torche est au repos. Lors de la mise sous tension de la torche, ceci entraîne une mise sous pression du liquide de refroidissement qui, à l'aide d'un mécanisme hydraulique, entraîne la compression du ressort et de la séparation de l'électrode et de la tuyère, créant ainsi un arc électrique qui engendre l'armorçage de l'arc électrique dans le gaz plasmagène. Un tel système à circuit hydraulique est particulièrement difficile à réaliser et par conséquent coûteux.It is known from US Patent 3,242,305, a plasma torch in which the electrode and the nozzle are cooled by a stream of liquid such as water. In this torch, the electrode is movable relative to the nozzle and to the electrical contact thereof when the torch is at rest. When the torch is energized, this causes the coolant to be pressurized, which, by means of a hydraulic mechanism, causes the compression of the spring and the separation of the electrode and the nozzle, thus creating an electric arc which generates the arcing of the electric arc in the plasma gas. Such a hydraulic system is particularly difficult to achieve and therefore expensive.
Il est connu du brevet français 2.385.483 de réaliser l'amorçage entre l'électrode et la tuyère par mise en court-circuit de celles-ci, ladite électrode étant vissée et mise au contact de la tuyère puis dévissée, l'écart entre l'électrode et la tuyère étant ensuite réglé à la valeur voulue. Un tel système de vissage et dévissage est particulièrement peu pratique de mise en oeuvre et nécessite un réglage du jet de la torche lors de chaque mise en route de celle-ci.It is known from French patent 2,385,483 to initiate priming between the electrode and the nozzle by short-circuiting the latter, said electrode being screwed and brought into contact with the nozzle then unscrewed, the difference between the electrode and the nozzle then being adjusted to the desired value. Such a screwing and unscrewing system is particularly impractical to implement and requires adjustment of the jet of the torch each time it is started up.
Plus récemment, il a été proposé dans la demande française 83.19.554 du 7 décembre 1983, intitulée "Procédé d'allumage d'un arc pour torche de soudage ou coupage et torche adaptée à mettre en oeuvre ce procédé", déposée au nom de la demanderesse, un procédé d'amorçage d'une torche plasma par court-circuit entre l'électrode et la tuyère. Selon ce procédé, la tuyère est montée à coulissement libre dans le corps de torche de façon à venir en contact avec l'électrode lorsque la torche est appliquée contre une pièce à souder ou à couper. En dégageant la torche, un arc s'allume entre l'électrode et la tuyère, permettant d'amorcer le gaz plasmagène et maintenir un arc électrique qui est transféré vers la pièce à découper.More recently, it has been proposed in French application 83.19.554 of December 7, 1983, entitled "Arc ignition process for welding or cutting torch and torch adapted to implement this process", filed in the name of the applicant, a method of igniting a plasma torch by short circuit between the electrode and the nozzle. According to this method, the nozzle is mounted to slide freely in the torch body so as to come into contact with the electrode when the torch is applied against a workpiece to be welded or cut. By releasing the torch, an arc ignites between the electrode and the nozzle, allowing to initiate the plasma gas and maintain an electric arc which is transferred to the part to be cut.
La demande française 84.05.286 déposée le 4 avril 1984, au nom de la demanderesse et intitulée "Torche de soudage ou coupage à plasma", décrit une torche de soudage ou de coupage à plasma colportant une structure particulièrement bien adaptée à la mise en oeuvre du procédé décrit dans la demande ci-dessus référencée au nom de la demanderesse. Cette torche comporte essentiellement un corps de torche dont l'intérieur est relié à une source de gaz plasmagène, une électrode logée à l'intérieur de ce corps et reliée électriquement à un conducteur d'alimentation électrique, et une tuyère de sortie du plasma montée en regard et à distance de l'électrode, et percée d'un orifice pour la sortie du plasma. Elle comporte de plus une jupe amovible annulaire, solidarisée avec le corps de torche, et présentant au moins un siège pour la tuyère qui est montée à coulissement libre dans la jupe et appliquée sur son siège uniquement sous l'effet d'une force élastique. Selon un mode préférentiel de réalisation, la force élastique qui applique la tuyère sur son siège est la pression du gaz plasmagène.French application 84.05.286 filed on April 4, 1984, in the name of the applicant and entitled "Welding torch or plasma cutting", describes a plasma welding or cutting torch peddling a structure particularly well suited to the implementation of the method described in the above application referenced in the name of the applicant. This torch essentially comprises a torch body, the interior of which is connected to a source of plasma gas, an electrode housed inside this body and electrically connected to an electrical supply conductor, and a mounted plasma outlet nozzle. opposite and at a distance from the electrode, and pierced with an orifice for the exit of the plasma. It further comprises a removable annular skirt, secured to the torch body, and having at least one 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. According to a preferred embodiment, the elastic force which applies the nozzle to its seat is the pressure of the plasma gas.
La torche de coupage ou soudage à plasma décrite dans le deux demandes de brevet ci-dessus référencées donne entièrement satisfaction. Toutefois, on a constaté que la torche décrite dans la demande française 84.05.286 pouvait encore être améliorée dans certaines applications.The plasma cutting or welding torch described in the two patent applications referenced above is entirely satisfactory. However, it was found that the torch described in French application 84.05.286 could still be improved in certain applications.
On a en effet constaté que cette torche avec sa structure démontable électrode, tuyère et jupe, pouvait engendrer parfois des erreurs de montage. Ainsi, on a constaté, qu'il était possible de monter la jupe et l'électrode en oubliant de monter simultanément la tuyère.It has in fact been found that this torch with its removable electrode, nozzle and skirt structure, could sometimes cause mounting errors. Thus, it was found that it was possible to mount the skirt and the electrode while forgetting to simultaneously mount the nozzle.
Par ailleurs, la tuyère devant être introduite par l'orifice interne de la jupe dont le diamère extérieur est celui du diamètre interne du corps de torche, ceci conduisait à une tuyère de petites dimensions, et par conséquent, à un diamètre d'électrode réduit, puisque celle-ci doit pénétrer partiellement à l'intérieur de la tuyère. Dans ces conditions, on a constaté que pour certaines applications, il était difficile d'assurer un refroidissement efficace des pièces telles que l'électrode et la tuyère, ayant des dimensions aussi limitées.Furthermore, the nozzle having to be introduced through the internal orifice of the skirt whose external diameter is that of the internal diameter of the torch body, this led to a nozzle of small dimensions, and consequently, to a reduced electrode diameter , since it must partially penetrate inside the nozzle. Under these conditions, it has been found that for certain applications, it was difficult to ensure effective cooling of the parts such as the electrode and the nozzle, having such limited dimensions.
La torche selon l'invention permet de résoudre le problème ainsi posé. L'objet de l'invention est la réalisation d'une cartouche non démontable constituée d'au moins la jupe et la tuyère, adaptable au corps de la torche.The torch according to the invention solves the problem thus posed. The object of the invention is the production of a non-removable cartridge consisting of at least the skirt and the nozzle, adaptable to the body of the torch.
Selon l'invention, la torche comporte une jupe annulaire solidarisée avec le corps de torche (1) et comportant d'une part, au moins un siège (18b) et d'autre part une butée arrière (118b) pour la tuyère (3) qui est montée à coulissement libre dans la jupe (4), entre le siège (18b) et la butée arrière (118b), et appliquée sur son siège (18b) uniquement sous l'effet d'une force élastique.According to the invention, the torch comprises an annular skirt secured to the torch body (1) and comprising on the one hand, at least one seat (18b) and on the other hand a rear stop (118b) for the nozzle (3) which is mounted to slide freely in the skirt (4), between the seat (18b) and the rear stop (118b), and applied to its seat (18b) only under the effect of an elastic force.
De préférence, la jupe (4) en matière isolante électriquement, est solidaire dans sa partie tournée vers le corps de torche (1), d'un premier manchon conducteur (17) vissé dans un élément conducteur (15) du corps de torche (1), dont la partie inférieure, tournée vers la tuyère (3) constitue la butée arrière (118b) de celle-ci.Preferably, the skirt (4) of electrically insulating material, is integral in its part facing the torch body (1), with a first conductive sleeve (17) screwed into a conductive element (15) of the torch body ( 1), the lower part of which faces the nozzle (3) constitutes the rear stop (118b) thereof.
Selon un mode préférentiel de réalisation, la torche est caractérisée en ce que le premier manchon conducteur (17) comporte sur sa face intérieure un épaulement (17c) constituant le siège pour positionner l'électrode (2).According to a preferred embodiment, the torch is characterized in that the first conductive sleeve (17) has on its inner face a shoulder (17c) constituting the seat for positioning the electrode (2).
Selon un autre mode de réalisation, la jupe (4) dans sa partie tournée vers la tuyère (3) sera solidaire d'un second manchon métallique (18) disposé à l'intérieur de ladit jupe (4) et dans lequel est monté à coulissement la tuyère (3), la partie supérieure dudit second manchon (18) constituant le siège (18b) de la tuyère (3).According to another embodiment, the skirt (4) in its part facing the nozzle (3) will be secured to a second metal sleeve (18) disposed inside said skirt (4) and in which is mounted sliding the nozzle (3), the upper part of said second sleeve (18) constituting the seat (18b) of the nozzle (3).
Selon une première variante de réalisation, l'électrode (2) sera démontable. Ceci permet de surveiller l'évolution de l'usure de l'électrode (2) et de remplacer ainsi indépendamment l'électrode (2) et la cartouche contenant la tuyère (3).According to a first alternative embodiment, the electrode (2) will be removable. This makes it possible to monitor the development of the wear of the electrode (2) and thus to independently replace the electrode (2) and the cartridge containing the nozzle (3).
Selon une seconde variante de réalisation, l'électrode (2) sera rendue solidaire de la jupe (4), l'ensemble jupe (4) tuyère (3) et électrode (2) formant ainsi une cartouche non démontable.According to a second alternative embodiment, the electrode (2) will be made integral with the skirt (4), the skirt assembly (4) nozzle (3) and electrode (2) thus forming a non-removable cartridge.
Dans les deux cas, la cartouche selon l'invention permet d'une part d'éviter les erreurs de montage (il n'est plus possible d'oublier la tuyère qui est toujours solidaire de la jupe) et d'autre part pour un diamètre du filetage du corps de torche identique, l'électrode et la tuyère ont des dimensions sensiblement plus importantes que dans le cas décrit dans la demande française 84.05.286, où électrode et tuyère sont démontables.In both cases, the cartridge according to the invention makes it possible on the one hand to avoid assembly errors (it is no longer possible to forget the nozzle which is always integral with the skirt) and on the other hand for a identical diameter of the torch body, the electrode and the nozzle have substantially larger dimensions than in the case described in French application 84.05.286, where the electrode and nozzle are removable.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent :
- - la figure 1 est une vue en coupe axiale des différents éléments constitutifs de la torche selon l'invention, le corps et la cartouche étant démontés ;
- - la figure 2 est une variante préférentielle de réalisation de la cartouche illustrée sur la figure 1.
- - Figure 1 is an axial sectional view of the various components of the torch according to the invention, the body and the cartridge being disassembled;
- - Figure 2 is a preferred embodiment of the cartridge illustrated in Figure 1.
Sur la figure 1, est représentée une vue en coupe d'une torche selon l'invention. Elle est constituée essentiellement d'un corps de torche 1 et d'une cartouche 60. 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 électriquement 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 6 du corps de torche 1 est traversé par un conduit dans lequel est logé un tube 11 en matière conductrice électriquement. 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'alimentation électrique 13 logé dans la canalisation 8.In Figure 1 is shown a sectional view of a torch according to the invention. It essentially consists of a
La partie 5 en forme de cloche du corps de torche 1 présente un 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 d'un tube conducteur 11 traversant le prolongement latéral 6. Ce tube conducteur 11 est avantageusement fixé au capuchon métallique 15 par soudage. Par ailleurs, la paroi latérale cylindrique 15a du manchon 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.The bell-shaped part 5 of the
La cartouche amovible 60 est essentiellement constituée de trois éléments, l'électrode 2, la tuyère 3 et la jupe 4. Cette dernière comporte une enveloppe 16 en matière isolante de forme annulaire, par exemple tronconique, à conicité dirigée vers le bas. L'enveloppe 16 est surmoulée sur un manchon métallique inférieur 18 porte-tuyère et sur un manchon métallique supérieur 17 porte-électrode, ce manchon 17 formant une pièce unique avec l'électrode 2. Ce manchon cylindrique 18 joue le rôle du siège sur lequel la tuyère 3 vient s'appuyer en 18b. Pour cela, cette tuyère, de forme sensiblement cylindrique de diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du manchon 18, au jeu près, comporte un rebord annulaire 51 dans sa partie supérieure qui vient prendre appui sur le siège 18b. La tuyère 3 se termine par une calotte 31 de forme sensiblement sphérique, mais plus épaisse en son centre que dans sa partie périphérique. La tuyère 3 est délimitée par une surface latérale interne 33, également cylindrique, rejoignant la surface interne sensiblement sphérique de la calotte 31. Celle-ci est percée de part en part d'un trou axial 34 pour le passage du gaz plasmagène.The
L'électrode 2 solidaire du manchon supérieur 17, présente sur sa partie extrême supérieure, un filetage 21 destiné à être vissé dans le taraudage 15b du capuchon 15 du corps de-torche 1. Le manchon supérieur 17 de diamètre e se prolonge par le corps d'électrode proprement dit 61, de forme sensiblement cylindrique, mais de diamètre nettement inférieur à e. L'électrode métallique 2 présente un alésage axial borgne 22 ouvert vers le haut, c'est-à-dire vers l'intérieur du corps de torche 1. Sensiblement à mi-hauteur, est disposée au moins une ouverture 26, permettant le passage du gaz plasmagène de l'intérieur de l'électrode par l'alésage borgne 22 vers la tuyère 3. De préférence, la ou les ouvertures 26 sont orientées tangentiellement par rapport à l'électrode 2, de manière à créer un vortex de gaz plasmagène dans l'espace 19 et jusqu'au canal 34. 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. L'électrode 2 comporte également un insert cylindrique 64 monté coaxialement dans l'alésage borgne 22 laissant un passage 66 entre son extrémité inférieure et le fond de l'alésage borgne 22, d'une part, ainsi qu'entre sa paroi extérieure 65 et la paroi de l'alésage borgne 22, de manière à permettre la circulation du gaz plasmagène.The
On notera que le diamètre e du manchon 17 et de l'alésage interne de l'enveloppe 16 au niveau du manchon 17 est supérieur ou égal au jeu près, au diamètre extérieur c du rebord annulaire 51 de la tuyère 3.It will be noted that the diameter e of the
Lors du montage de la cartouche 60, on introduit tout d'abord le manchon 18 dans l'enveloppe 16. On vient ensuite rapporter l'électrode 2 dans l'enveloppe 16, en solidarisant le manchon supérieur 17 de l'électrode 2 avec la partie supérieure de l'enveloppe 16.When mounting the
Lorsque la torche à plasma est assemblée, 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. La distance entre les deux sièges 118b et 18b est au moins égale à la distance nécessaire au coulissement de la tuyère 3 dans le manchon inférieur 18 pour 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 envoyé dans la canalisation isolante 8, pénètre à l'intérieur de la torche et s'écoule dans 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 dans l'insert 64. Au passage, il refroidit la paroi frontale inférieure 27 de l'électrode 2. Puis il remonte entre la paroi extérieure de l'insert 64 et la paroi intérieure de l'alésage 22 de l'électrdoe 2 et il sort de celle-ci tangentiellement par les ouvertures 26 pour passer d'une part dans l'espace délimité par l'extrémité de l'électrode 2 et la tuyère 3 puis à travers le trou axial 34 et d'autre part dans les canalisations latérales 52 et 53 (figure 2) entre le manchon inférieur 18 et l'enveloppe 16 de la jupe 4. Les deux courants de gaz ainsi créés ont un débit sensiblement différent. Le premier entre l'électrode et la tuyère représente de 10 à 20 % du débit d'alimentation et sort de cette tuyère axialement à travers le trou 34, pour former le plasma. Le second courant correspond à l'excédent de gaz (de 80 à 90 % du débit..d'alimentation) et s'écoule dans les différents canaux tels que 52 et 53 (figure 2) pour sortir de la torche sous la forme d'une pluralité de jets entourant le jet central formant le plasma. Dans certaines applications, les proportions relatives du premier et du second courant pourront être sensiblement différentes. De préférence, ces proportions varieront de 1/1 à 1/10.When the plasma torch is assembled, the
Le courant électrique est amené à l'électrode 2 par la liaison électrique assurée entre le manchon supérieur conducteur 17 et le capuchon métallique 15 auquel est soudé le tube 11.The electric current is brought to the
En fonctionnement, lorsque le gaz sous pression est fourni à la torche suivant l'invention, la tuyère 3 est plaquée sur son siège 18b uniquement sous l'effet de la pression du gaz.In operation, when the pressurized gas is supplied to the torch according to the invention, the
La figure 2 représente une variante préférentielle de réalisation de la cartouche de la figure 1, variante dans laquelle les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent les mêmes références. Sur cette figure 2, l'électrode 2 est amovible : la tuyère 3, l'enveloppe 16 de la jupe 4, ainsi que la manchon 18 sont solidaires les uns des autres. Pour rendre cette cartouche indémontable et éviter ainsi de perdre la tuyère 3, l'enveloppe 16 comporte un alésage interne supérieur de diamètre e, supérieur ou égal au diamètre c de la tuyère 3. Après introduction de celle-ci, on vient loger à l'intérieur de l'enveloppe 16 le manchon supérieur 17, comportant un alésage interne 24 de diamètre b inférieur au diamètre c. De cette manière, et en l'absence de l'électrode 2, le déplacement de la tuyère 3 est limité par l'épaulement 118b situé sur la partie inférieure du manchon 17. La distance entre les manchons inférieur 18 et supérieur 17 est telle que, lors du retournement de la cartouche, l'épaulement 51 vient en butée contre l'épaulement 118b. Ceci interdit à la tuyère 3 de sortir complètement de son manchon de coulissement et de guidage 18.2 shows a preferred embodiment of the cartridge of Figure 1, in which the same elements as those of Figure 1 have the same references. In this figure 2, the
Le manchon supérieur 17 comporte sur sa partie supérieure un alésage délimitant une portée circulaire 17c servant de butée à l'épaulement cylindrique 23 de l'électrode 2. Lorsque celle-ci est en position, sa partie inférieure a sensiblement la même position que la partie correspondante de l'électrode de la cartouche de la figure 1.The
Dans cette seconde variante, l'électrode est démontable, ce qui permet de vérifier l'état de l'électrode et éventuellement de changer celle-ci sans changement de tuyère, ou vice-versa.In this second variant, the electrode is removable, which makes it possible to check the condition of the electrode and possibly to change it without changing the nozzle, or vice versa.
Bien entendu, les canalisations latérales 52, 53 peuvent prendre différentes formes et orientations. En particulier, elles peuvent être orientées radialement.Of course, the
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