EP0289423B1 - Electrode tubulaire pour torche à plasma et torche à plasma pourvue de telles électrodes - Google Patents

Electrode tubulaire pour torche à plasma et torche à plasma pourvue de telles électrodes Download PDF

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EP0289423B1
EP0289423B1 EP88401035A EP88401035A EP0289423B1 EP 0289423 B1 EP0289423 B1 EP 0289423B1 EP 88401035 A EP88401035 A EP 88401035A EP 88401035 A EP88401035 A EP 88401035A EP 0289423 B1 EP0289423 B1 EP 0289423B1
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EP
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electrode
parts
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disposed
tubular
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Maxime Labrot
Didier Pineau
Jean Feuillerat
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Airbus Group SAS
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Airbus Group SAS
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H—ELECTRICITY
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3431—Coaxial cylindrical electrodes

Definitions

  • the present invention relates to tubular electrodes for plasma torches and to plasma torches provided with such electrodes.
  • each of the electrodes generally metallic, is one-piece and is shaped as a tubular intermediate part extended by end parts intended for connection to other parts of the torch, said electrodes being respectively disposed in sealed chambers in which a cooling fluid circulates.
  • the tubular intermediate part is of simple shape and is used for hooking the arch feet, while the end parts are of complex shape, but are not reached by the arc.
  • these electrodes are wearing parts of which only the tubular intermediate part is eroded.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of these known electrodes for plasma torches.
  • the electrode for plasma torch comprises the characteristics mentioned in claim 1.
  • the mechanical assembly according to the invention exhibits a contact resistance of the order of 0.1 to 1 milliohm, which is perfectly admissible for the overall conduction of the electrode.
  • the seals because the significant thickness of the electrode parts and the proximity of the peripheral shoulders of the sealed chamber, the seals, on the one hand, are not directly subjected to the high temperature of the arc and, on the other hand , are subjected to effective cooling. They can be produced in known manner from elastomers resistant to temperatures of the order of 100 ° C. to 200 ° C.
  • the present invention also relates to a plasma torch comprising at least one electrode according to claim 1 (see claim 5).
  • the plasma torch 1 according to the present invention and shown in FIG. 1, comprises a body 2 comprising two envelopes 3 and 4. Inside the envelope 3 is mounted a cathode 5, while at the inside the envelope 4 is mounted an anode 6. A coil 7 is provided around the envelope 3.
  • the cathode 5 and the anode 6 are of elongated tubular shape and they are mounted coaxially, one after the other.
  • a cooling fluid circulation network connected outside the torch to means for circulating such a fluid (not shown) by the intermediary of fittings 8, only one of which is shown in FIG. 1.
  • This cooling fluid circulation network comprises sealed cylindrical chambers 9 and 10, in which the cathode 5 and the anode 6 are respectively disposed.
  • An arcing device 15 is provided in the vicinity of the two ends facing the cathode 5 and the anode 6.
  • the torch 1 will not be described in more detail, because it is of a known type and only the description of the features of its electrodes is sufficient to understand the present invention.
  • the cathode 5 is constituted by a tubular intermediate portion 5 I, extended by end portions 5 E1 and 5 E2.
  • the intermediate part 5 I is of simple cylindrical shape and it is intended for the attachment of the arch feet; it is therefore subject to erosion, as illustrated diagrammatically at 16 in FIG. 1.
  • the end parts 5 E1 and 5 E2 are intended for connection to other parts of the torch 1 (not described in detail ) and are of complex shape, all the more so since they at least partially conform the cooling fluid circulation circuit.
  • the three parts 5 I, 5 E1 and 5 E2 of the cathode 5 have a wall thickness e5 at least equal to ten millimeters, preferably of the order of twenty five millimeters, and their ends are machined to allow their tight mechanical assembly by screwing.
  • a peripheral shoulder 17 is machined, the plane of which is orthogonal to the axis 18 of the cathode 5, a thread 19 at mid-thickness and coaxial with the axis 18 and a male centering cylindrical surface 20, also coaxial with the axis 18. Furthermore, in each of the ends of the end pieces 5 E1 and 5 E2 arranged opposite the intermediate piece 5 I, a peripheral shoulder 21 is machined whose plane is orthogonal to axis 18, a thread 22 coaxial with axis 18 and a female cylindrical centering surface 23, also coaxial with axis 18.
  • the sealed mechanical assembly of the intermediate tubular part 5 I and of the end parts 5 E1 and 5 E2 is obtained by the cooperation of the threads 19 and 22 and the shoulders 17 and 21, at least one joint 24 being arranged. between the cooperating shoulders of said parts.
  • the housings of the seals 24 are preferably machined in the shoulders 17 of the intermediate tubular part 5 I.
  • the anode 6 is constituted by a tubular intermediate part 6 I, extended by end parts 6 E1 and 6 E2.
  • the intermediate part 6 I is of simple cylindrical shape and subjected to erosion, as has been indicated for part 5 I of the cathode 5.
  • the end pieces 6 E1 and 6 E2 are of complex shape.
  • the end piece 6 E1 placed opposite the cathode 5 forms a flare 25.
  • the three parts 6 I, 6 E1 and 6 E2 of the anode 6 also have a wall thickness e6 at least equal to ten millimeters, preferably of the order of twenty five millimeters, and their ends are machined to allow their assembly. mechanical tightness by screwing.
  • a peripheral shoulder 26 is machined, the plane of which is orthogonal to the axis 27 of the anode 6, a thread 28 at mid-thickness and coaxial with the axis 27 and a cylindrical male centering surface 29, also coaxial with the axis 27.
  • a peripheral shoulder 30 is machined, the plane of which is orthogonal to the axis 27, a thread 31 coaxial with the axis 27 and a female cylindrical centering part 32, also coaxial with the axis 27. It will be noted that the female cylindrical part centering 32 of the part 6 E1 opens into the flare 25.
  • the sealed mechanical assembly of the intermediate tubular part 6 I and of the end parts 6 E1 and 6 E2 is obtained by the cooperation of the threads. 28 and 31 and the shoulders 26 and 30, at least one seal 33 being disposed between the cooperating parts of said shoulders.
  • the housings of the seals 33 are preferably inserted into the shoulders 26 of the tubular part 6 I.

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Description

  • La présente invention concerne les électrodes tubulaires pour torche à plasma et les torches à plasma pourvues de telles électrodes.
  • On connait déjà, par exemple par le brevet français FR-A-2473248, des torches à plasma dans lesquelles chacune des électrodes, généralement métalliques, est monopièce et est conformée en une partie intermédiaire tubulaire prolongée par des parties d'extrémité destinées au raccord à d'autres pièces de la torche, lesdites électrodes étant disposées respectivement dans des chambres étanches dans lesquelles circule un fluide de refroidissement.
  • Dans les électrodes de ce type, la partie intermédiaire tubulaire est de forme simple et sert à l'accrochage des pieds d'arc, tandis que les parties d'extrémité sont de forme complexe, mais ne sont pas atteintes par l'arc. Ainsi, ces électrodes sont des pièces d'usure dont seule la partie intermédiaire tubulaire s'érode.
  • Pour réaliser de telles électrodes monopièces, on connaît essentiellement deux méthodes:
    • ― la première méthode consiste à réaliser, puis à usiner, une ébauche monolithique d'éléctrode. Cette méthode permet d'obtenir des électrodes minces dont l'épaisseur est de quelques millimètres. Par suite, ces électrodes s'usent rapidement et doivent être remplacées fréquemment, ce qui entraîne des couts élevés d'utilisation et des limitations des performances des torches;
    • ― la seconde méthode réside en la réalisation et l'usinage d'ébauches de parties d'électrode, puis en la soudure par bombardement électronique desdites pièces. Cette seconde méthode permet d'obtenir des électrodes plus épaisses que celles obtenues par la première. Toutefois, à cause du mode de soudage, il n'est guère possible d'obtenir une épaisseur d'électrode supérieure à dix millimètres, de sorte que les électrodes ainsi réalisées doivent également être fréquemment remplacées. En plus du fait que la soudure par bombardement électronique ne permet pas la solidarisation de pièces épaisses, elle risque de causer des irrégularités de surface et des inhomogénéités dans la zone de soudure entraînant le percement rapide desdites électrodes. Par ailleurs, si, dans une telle électrode obtenue par soudure par bombardement électronique, on ne remplace que la partie tubulaire érodée par une partie tubulaire neuve que l'on soude aux parties d'extrémités auparavant soudées à la partie tubulaire érodée, on ne peut obtenir une électrode de géométrie identique à celle d'une électrode neuve. Il en résulte des dégradations des performances de la torche.
  • En outre, quelle que soit la méthode connue de réalisation des électrodes, compte tenu du fait qu'à un gaz plasmagène utilisé doit être associée une électrode de métal approprié, il faut effectuer des remplacements complets des électrodes, si l'on désire mettre en oeuvre la torche avec différents gaz plasmagènes.
  • La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients de ces électrodes connues pour torche à plasma.
  • A cette fin, selon l'invention, l'électrode pour torche à plasma comporte les caractéristiques mentionnées dans la revendication 1.
  • On voit ainsi que, grâce à l'invention, on obtient des électrodes épaisses dont la durée de vie est longue et qui ne nécessitent pas de remplacements fréquents. De plus, grâce à l'épaisseur importante des électrodes de l'invention, on peut réaliser un assemblage mécanique des pièces individuelles entre elles, de sorte qu'il devient facile d'interchanger la seule partie tubulaire érodée d'une électrode, ainsi que d'adapter immédiatement la nature de cette partie tubulaire d'une électrode à la nature du gaz plasmagène utilisé.
  • On remarquera qu'il est étonnant d'avoir pu obtenir des électrodes satisfaisantes par assemblage mécanique de pièces que, jusqu'à présent, on croyait devoir assembler entre elles par soudure par bombardement électronique, ce qui limitait leur épaisseur. En effet, ces électrodes doivent non seulement présenter une excellente conduction électrique aux raccords de leurs parties constitutives, mais encore elles doivent être parfaitement étanches au niveau de ces raccords, pour que le fluide de refroidissement circulant dans les chambres étanches ne puisse passer à l'intérieur desdites électrodes.
  • La Demanderesse a constaté que l'assemblage mécanique selon l'invention présentait une résistance de contact de l'ordre de 0,1 à 1 milliohm ce qui est parfaitement admissible pour la conduction d'ensemble de l'électrode. De plus, du fait de l'épaisseur importante des pièces de l'électrode et de la proximité des épaulements périphériques de la chambre étanche, les joints, d'une part, ne sont pas soumis directement à la température élevée de l'arc et, d'autre part, sont soumis à un refroidissement efficace. Ils peuvent être réalisés de façon connue en élastomères résistant à des température de l'ordre de 100°C à 200°C.
  • Des variantes de réalisation avantageuses sont mentionnées dans les revendications 2, 3 et 4.
  • La présente invention concerne également une torche à plasma comportant au moins une électrode selon la revendication 1 (voir la revendication 5).
  • Des variantes avantageuses sont mentionnées dans les revendications 6 et 7. La partie centrale courbe de la seconde électrode, soumise à érosion importante, est facilement remplaçable avec la partie intermédiaire tubulaire d'usure de la seconde électrode, alors que la partie d'extrémité évasée, de forme complexe, ne subit pratiquement pas d'érosion.
  • Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
    • La figure 1 est une vue schématique, mi en coupe longitudinale, mi en vue extérieure, d'une torche à plasma conforme à la présente invention.
    • La figure 2 est une vue en coupe longitudinale, agrandie et partielle, de la cathode de la torche à plasma de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue en coupe agrandie, illustrant l'assemblage des différentes parties de la cathode de la figure 2, ainsi que de certaines parties de l'anode de ladite torche à plasma.
    • La figure 4 est une vue en coupe longitudinale agrandie de l'anode de la torche à plasma de la figure 1.
      Les figures 5 et 6 illustrent deux variantes de réalisation de l'assemblage de certaines parties de l'anode de la figure 4.
  • La torche à plasma 1, conforme à la présente invention et montrée par la figure 1, comporte un corps 2 comprenant deux enveloppes 3 et 4. A l'intérieur de l'enveloppe 3 est montée une cathode 5, tandis qu'à l'intérieur de l'enveloppe 4 est montée une anode 6. Une bobine 7 est prévue autour de l'enveloppe 3.
  • La cathode 5 et l'anode 6 sont de forme tubulaire allongée et elles sont montées coaxialement, l'une à la suite de l'autre. A l'intérieur du corps 2 et des enveloppes 3 et 4 est prévu un réseau de circulation de fluide de refroidissement, relié à l'extérieur de la torche à des moyens de mise en circulation d'un tel fluide (non représentés) par l'intermédiaire de raccords 8, dont un seul est représenté sur la figure 1. Ce réseau de circulation de fluide de refroidissement comporte des chambres cylindriques étanches 9 et 10, dans lesquelles sont respectivement disposées la cathode 5 et l'anode 6. Des parois cylindriques 11 et 12, disposées dans lesdites chambres étanches 9 et 10 et entourant coaxialement lesdites cathode et anode 5 et 6 respectivement, permettent de ménager autour de celles-ci des espaces cylindriques lamellaires, 13 et 14 respectivement, parcourus par ledit fluide de refroidissement.
  • Un dispositif d'amorçage d'arc 15 est prévu au voisinage des deux extrémités en regard de la cathode 5 et de l'anode 6.
  • La torche 1 ne sera pas décrite plus en détail, car elle est d'un type connu et seule la description des particularités de ses électrodes est suffisante pour comprendre la présente invention.
  • Comme le montre de plus la figure 1, la cathode 5 est constituée par une partie intermédiaire tubulaire 5 I, prolongée par des parties d'extrémité 5 E1 et 5 E2. La partie intermédiaire 5 I est de forme cylindrique simple et elle est destinée à l'accrochage des pieds d'arc; elle est donc soumise à érosion, comme cela est illustré schématiquement en 16 sur la figure 1. En revanche, les parties d'extrémité 5 E1 et 5 E2 sont destinées au raccord à d'autres pièces de la torche 1 (non décrites en détail) et sont de forme complexe, d'autant plus qu'elles conforment au moins en partie le circuit de circulation de fluide de refroidissement.
  • Conformément à l'invention (voir également la figure 2), les trois parties 5 I, 5 E1 et 5 E2 de la cathode 5 ont une épaisseur de paroi e5 au moins égale à dix millimètres, de préférence de l'ordre de vingt cinq millimètres, et leurs extrémités sont usinées pour permettre leur assemblage mécanique étanche par vissage.
  • Pour ce faire, aux deux extrémités de la pièce tubulaire intermédiaire 5 I, on usine un épaulement périphérique 17 dont le plan est orthogonal à l'axe 18 de la cathode 5, un filetage 19 à mi-épaisseur et coaxial à l'axe 18 et une surface cylindrique mâle de centrage 20, également coaxiale à l'axe 18. Par ailleurs, dans chacune des extrémités des pièces d'extrémité 5 E1 et 5 E2 disposées en regard de la pièce intermédiaire 5 I, on usine un épaulement périphérique 21 dont le plan est orthogonal à l'axe 18, un filetage 22 coaxial à l'axe 18 et une surface cylindrique femelle de centrage 23, également coaxiale à l'axe 18.
  • Ainsi, l'assemblage mécanique étanche de la pièce tubulaire intermédiaire 5 I et des pièces d'extrémité 5 E1 et 5 E2, est obtenu par la coopération des filetages 19 et 22 et des épaulements 17 et 21, au moins un joint 24 étant disposé entre les épaulements coopérants desdites pièces. Les logements des joints 24 sont de préférence usinés dans les épaulements 17 de la pièce tubulaire intermédiaire 5 I.
  • Par ailleurs, comme le montre à plus grande échelle la figure 4, l'anode 6 est constituée par une partie intermédiaire tubulaire 6 I, prolongée par des parties d'extrémité 6 E1 et 6 E2. La partie intermédiaire 6 I est de forme cylindrique simple et soumise à érosion, comme cela a été indiqué pour la partie 5 I de la cathode 5. De même que les pièces 5 E1 et 5 E2, les pièces d'extrémité 6 E1 et 6 E2, sont de forme complexe. Notamment, la pièce d'extrémité 6 E1, disposée en regard de la cathode 5 forme un évasement 25.
  • Les trois parties 6 I, 6 E1 et 6 E2 de l'anode 6 ont également une épaisseur de paroi e6 au moins égale à dix millimètres, de préférence de l'ordre de vingt cinq millimètres, et leurs extrémités sont usinées pour permettre leur assemblage mécanique étanche par vissage.
  • Comme cela est également montré sur la figure 5, aux deux extrémités de la pièce tubulaire 6 I, on usine un épaulement périphérique 26 dont le plan est orthogonal à l'axe 27 de l'anode 6, un filetage 28 à mi-épaisseur et coaxial à l'axe 27 et une surface cylindrique mâle de centrage 29, également coaxiale à l'axe 27. Par ailleurs, dans chacune des extrémités des pièces d'extrémité 6 E1 et 6 E2 disposées en regard de la pièce intermédiaire 6 I, on usine un épaulement périphérique 30 dont le plan est orthogonal à l'axe 27, un filetage 31 coaxial à l'axe 27 et une partie cylindrique femelle de centrage 32, également coaxiale à l'axe 27. On remarquera que la partie cylindrique femelle de centrage 32 de la pièce 6 E1 débouche dans l'évasement 25.
  • Ainsi l'assemblage mécanique étanche de la pièce tubulaire intermédiaire 6 I et des pièces d'extrémité 6 E1 et 6 E2 est obtenu par la coopération des filetages 28 et 31 et des épaulements 26 et 30, au moins un joint 33 étant disposé entre les pièces coopérantes desdits épaulements. Les logements des joints 33 sont de préférence insérés dans les épaulements 26 de la pièce tubulaire 6 I.
  • On remarquera que, du côté de la pièce 6 E1, l'extrémité 34 de la pièce tubulaire intermédiaire 6 I, délimitée par la partie femelle de centrage 32, forme la partie centrale érodable de l'évasement 25.
  • Dans la variante de réalisation de la figure 6, on retrouve les épaulements 26 et 30, les filetages 28 et 31 et les surfaces de centrage 29 et 32. Toutefois, dans ce cas, entre lesdits filetages et lesdits épaulements, sont prévues des surfaces cylindriques 35 (sur la pièce 6 I) et 36 (sur les pièces 6 E1 et 6 E2) coaxiales à l'axe 27 et un joint 37 est disposé entre ces surfaces 35 et 36.

Claims (7)

1. Electrode (5, 6) pour torche à plasma (1) comportant une partie intermédiaire tubulaire destinée à l'accrochage des pieds d'arc et prolongée par des parties d'extrémité destinées au raccord à d'autres pièces de ladite torche, ladite électrode étant disposée dans une chambre étanche (9, 10) dans laquelle circule un fluide de refroidissement, caractérisée en ce que lesdites parties intermédiaire et d'extrémité sont constituées de pièces individuelles (5 I, 6 I, 5 E1, 5 E2, 6 E1, 6 E2) dont l'épaisseur est au moins égale à dix millimètres, en ce que lesdites pièces individuelles sont reliées entre elles par un assemblage mécanique, démontable et étanche, et en ce que ledit assemblage mécanique comporte, pour chaque pièce à assembler:
― un épaulement périphérique (17, 21, 26, 30) qui est disposé du côté de ladite chambre étanche et dont le plan est orthogonal à l'axe (18, 27) de ladite partie intermédiaire tubulaire;
― un filetage (19, 22, 28, 31) coaxial à ladite partie intermédiaire tubulaire;
― des moyens de centrage (20, 23, 29, 32), formés par des surfaces cylindriques coopérantes desdites parties d'électrode à assembler, lesdites surfaces cylindriques étant coaxiales à ladite partie tubulaire et prolongeant ledit filetage à l'opposé de l'épaulement correspondant; et
― un joint (24, 33) étant disposé entre deux pièces assemblées.
2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le filetage (19, 22, 28, 31) de chaque pièce à assembler est pratiqué au moins sensiblement à mi-épaisseur de ladite pièce.
3. Electrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit joint est disposé entre les deux épaulements périphériques coopérants de deux pièces assemblées.
4. Electrode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit assemblage mécanique comporte de plus, pour chaque pièce à assembler, une surface cylindrique (35 36) coaxiale à ladite partie intermédiaire tubulaire et disposée à la suite dudit épaulement, ledit filetage (19, 22 28, 31) étant également coaxial à ladite partie intermédiaire tubulaire et ledit joint (37) étant disposé entre lesdites surfaces cylindriques coopérantes des deux pièces assemblées.
5. Torche à plasma (1) comportant au moins une électrode (5, 6) constituée d'une partie intermédiaire tubulaire destinée à l'accrochage de pieds d'arc et prolongée par des parties d'extrémité destinées au raccord à d'autres pièces de ladite torche, ladite électrode étant disposée dans une chambre étanche (9,10) dans laquelle circule un fluide de refroidissement, caractérisée en ce que les parties intermédiaire et d'extrémité de ladite électrode sont constituées de pièces individuelles (5 I, 6 I, 5 E1, 5 E2, 6 E1, 6 E2) dont l'épaisseur est au moins égale à dix millimètres, en ce que lesdites pièces individuelles le à dix millimètres, en ce que lesdites pièces indivisont reliées entre elles par un assemblage mécanique, démontage et étanche, et en ce que ledit assemblage mécanique comporte, pour chaque pièce à assembler:
― un épaulement périphérique (17, 21, 26, 30) qui est disposé du côté de ladite chambre étanche et dont le plan est orthogonal à l'axe (18, 27) de ladite partie intermédiaire tubulaire;
― un filetage (19, 22, 28, 31) coaxial à ladite partie intermédiaire tubulaire;
― des moyens de centrage (20, 23, 29, 32), formés par des surfaces cylindriques coopérantes desdites parties d'électrode à assembler, lesdites surfaces cylindriques étant coaxiales à ladite partie tubulaire et prolongeant ledit filetage à l'opposé de l'épaulement correspondant; et
― un joint (24, 33) étant disposé entre deux pièces assemblées.
6. Torche à plasma selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit assemblage mécanique comporte les particularités spécifiées sous l'une quelconque des revendications 2 à 4.
7. Torche à plasma selon la revendication 5, comportant une première électrode et une seconde électrode coaxiales disposées l'une à la suite de l'autre et la partie d'extrémité de la seconde électrode en regard de la première électrode formant un évasement (25) de la partie intermédiaire de ladite seconde électrode, celle-ci étant pourvue de surfaces cylindriques de centrage, caractérisée en ce que lesdites surfaces cylindriques coopérantes de centrage, portées par la partie d'extrémité et la partie intermédiaire de ladite seconde électrode, se prolongent jusque dans ledit évasement, de sorte que l'extrémité de la partie tubulaire intermédiaire de ladite seconde électrode forme la partie centrale (34) dudit évasement (25).
EP88401035A 1987-04-29 1988-04-28 Electrode tubulaire pour torche à plasma et torche à plasma pourvue de telles électrodes Expired - Lifetime EP0289423B1 (fr)

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