EP0817547A1 - Tête de torche à plasma - Google Patents

Tête de torche à plasma Download PDF

Info

Publication number
EP0817547A1
EP0817547A1 EP97401417A EP97401417A EP0817547A1 EP 0817547 A1 EP0817547 A1 EP 0817547A1 EP 97401417 A EP97401417 A EP 97401417A EP 97401417 A EP97401417 A EP 97401417A EP 0817547 A1 EP0817547 A1 EP 0817547A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
nozzle
axial
torch head
plasma torch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97401417A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Delzenne
André Borne
Christophe Bertez
Régis Augeraud
Eric Salassa
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.)
Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by La Soudure Autogene Francaise filed Critical La Soudure Autogene Francaise
Publication of EP0817547A1 publication Critical patent/EP0817547A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • 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
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip
    • 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
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details
    • 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
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3489—Means for contact starting

Definitions

  • the present invention relates to a torch head with plasma, of the type comprising an axial electrode and a cup-shaped peripheral nozzle with bottom has an axial pipe for ejecting the plasma jet and whose side wall surrounds the electrode, the electrode and the nozzle being axially displaceable one by relation to the other with a view to putting them in contact temporary following a contact surface to initiate a electric arc, called pilot arc, between the electrode and the nozzle.
  • a torch head with plasma of the type comprising an axial electrode and a cup-shaped peripheral nozzle with bottom has an axial pipe for ejecting the plasma jet and whose side wall surrounds the electrode, the electrode and the nozzle being axially displaceable one by relation to the other with a view to putting them in contact temporary following a contact surface to initiate a electric arc, called pilot arc, between the electrode and the nozzle.
  • Such torch heads are used in plasma torches for welding, cutting, heat treatment or thermal spraying.
  • an electric arc is established at through the axial ejection duct between the electrode and the metal piece worked.
  • the electrode and this part are connected to the terminals of an electric generator.
  • the nozzle and the electrode are temporarily connected to the terminals of a electric generator, so that a pilot arc takes birth directly between these two elements.
  • the arc pilot is then transferred to the workpiece under the effect of the plasma flow. After the transfer of the arc, the nozzle is no longer supplied by the generator, the power being applied to the workpiece.
  • the nozzle is not not powered.
  • the pilot arc is initiated by support of the conductive nozzle on the workpiece and contact of the electrode with the nozzle.
  • a short-circuit is then established between the workpiece and the electrode through the nozzle, so that an arc arises between the nozzle and the electrode during their spacing.
  • the electrode has a flat end surface and the nozzle also has a flat bottom.
  • bringing the electrode into contact with the nozzle is carried out along most of the surface flat end of the electrode.
  • the document FR-A-2,650,470 describes, for example, a electrode whose planar end face has a axial counterbore ensuring withdrawal of an insert emissive centrally positioned.
  • This configuration particular solution to the problems related to the deformation of the surface of the insert during the operation.
  • a large flat annular surface dimension remains at the end of the electrode around the counterbore. Contact with the flat bottom of the nozzle takes place over the entire extent of this surface annular.
  • the arc is very unstable and moves from erratically over the entire flat surface of the bottom of the nozzle and in particular near the entrance to the axial ejection duct. This same phenomenon of random displacement of the root of the arc is also found on the surface of the electrode located opposite.
  • Arc movement causes erosion electric, local mergers and displacements of melting residue on the outer walls of the electrode and the internal walls of the nozzle. These phenomena quickly lead to a change in the condition of surfaces channeling the plasma gas. In particular, under the effect of the plasma gas flow, the residues of fusion converge towards the entry of the ejection duct, modifying its geometry. Geometric modifications surfaces cause disturbances in the flow of the plasma jet, thereby reducing the quality of the work done.
  • the object of the invention is to remedy the drawbacks mentioned above and in particular to propose a plasma torch head undergoing little degradation of its internal surfaces during the ignition phase and of which the lifespan is extended, with conservation of working qualities.
  • the invention relates to a head of plasma torch comprising an axial electrode and a cup-shaped peripheral nozzle with bottom has an axial duct for ejecting the plasma jet and whose side wall surrounds the electrode, the electrode and the nozzle being axially displaceable one by relation to the other with a view to putting them in contact temporary following a contact surface to initiate a electric arc between the electrode and the nozzle, characterized in that the bottom of the nozzle has a first axial peripheral projection.
  • the plasma torch head shown in the Figures 1 and 2 is intended, for example, for cutting metal parts. It has a general form of X-X axis revolution. It mounts on a body of suitable plasma torch, for example by snap-fastening in this body.
  • This head essentially comprises an electrode 10 of axis X-X and a peripheral nozzle 12, both adapted to be associated with generators of appropriate electrical potential.
  • the electrode and the nozzle are rigidly connected by a cover (not shown) forming a plasma gas diffuser.
  • the electrode 10 is mounted movable axially by with respect to the nozzle 12 by any appropriate means, between an arc striking position in contact with the nozzle and a working position axially spaced from the nozzle. These positions are shown respectively in Figures 1 and 2.
  • the electrode 10 is made of a suitable metal and has a general form of revolution. It includes internal conduits 14 intended for the circulation of a coolant.
  • An emissive insert 16 on the face flat, in hafnium for example, is arranged axially at the end of the electrode 10. It is flush with the center of the end face 18 thereof.
  • the electrode has further on its end face 18 a projection convex axial device 20 forming a rim continuous device surrounding a flat surface 18A at center of which the insert is flush 16.
  • the projection peripheral 20 is formed by a toroidal bead coming of material and disposed at the outer periphery of the electrode.
  • the nozzle 12 has a general shape of an axle cup X-X. It has a flat bottom 22 crossed by a axial duct 24 for ejecting the plasma gas.
  • the bottom 22 is extended by a side wall 26 surrounding the electrode 10 and delimiting therewith a space 28 substantially annular circulation of plasma gas to conduit 24.
  • the electrode 10 is in contact with the nozzle 12 along the crest 20A of the projection periphery 20.
  • the contact surface 23 established between the ridge 20A and the bottom 22 is moved away from the entry of the axial ejection duct, so that the surface 22A surrounding the entrance to this conduit is free of all contact with the electrode.
  • the conduit entrance is defined as the line of rupture existing between the axial ejection duct and the nozzle bottom. If such a breaking line does not exist not and that the diameter of the conduit varies continuously in its connection area with the bottom, the entrance to the duct is defined as the place where the diameter of the duct is 1.5 times the minimum diameter of the drove.
  • the electrode 10 is in the position of working, away from the nozzle 12.
  • the arc electric arises between a crown 22B of small width containing the circular contact line and the crest 20A of the projection 20.
  • the crown 22B is symbolized by a thick line in this figure.
  • the nozzle 12 is identical to that of the mode of previous achievement.
  • the end face 18 of the electrode further comprises an axial cup 30 bordered by the peripheral projection 20.
  • the surface 32 delimiting the bowl 30 is frustoconical and connects tangentially the crest of the peripheral projection 20 to the periphery of the plan insert 16.
  • the peripheral projection 20 is toroidal with a inner radius noted R.
  • the frustoconical surface 32 is tangentially connects to the torus delimiting the projection 20.
  • the electrode 10 is analogous to the electrode shown in Figures 3 to 5.
  • the nozzle 12 has a bottom provided a first axial peripheral projection 40, again called axial bending 40, at the top of which opens the axial ejection duct 24.
  • the profile of the bending 40 corresponds substantially to the profile of the axial bowl 30 formed on the surface end of the electrode.
  • the surface 42 of the bending 40 is substantially frustoconical.
  • This surface 42 defines with a plane perpendicular to the X-X axis of the torch an angle a substantially equal to 10 ° ( Figure 8).
  • the surface 32 of the axial bowl 30 defines with this same plane perpendicular to the axis X-X an angle ⁇ substantially equal to 12 °. So the slope of the surface of the bowl axial taken in relation to the transverse plane of the torch is slightly greater than the slope of the surface of the bending taken in relation to this same plane.
  • frustoconical surface 42 is connected tangentially to the inner surface of the wall side of the nozzle.
  • the gas undergoes plasmagenicity between the frustoconical surfaces substantially parallel 32 and 42, rolling ensuring stabilization of the root of the electric arc on insert 16, during steady state operation of the torch.
  • the electric arc being established between the points closest to the electrode and the nozzle, the roots of the emerging electric arc are maintained on the crown 22A of the nozzle and on the crest 20A of the projection. So, as long as the electric arc is not blown by the plasma gas, it is kept in a defined area of small area.
  • the level of electrical erosion being linked to the surface swept by the electric arc, circumscribing the arc to an area reduced limits surface degradation.
  • the arc being kept away from the entry of the axial duct ejection, any fusion residues produced do not cannot reach this one, thus guaranteeing the geometric preservation of the duct. We can see that with such an arrangement, the lifetime of the torch head at plasma is elongated.
  • the electric arc takes birth in a localized area of small extent and distant from the inlet of the axial ejection duct 24, thus preserving the torch head.
  • the embodiment shown in Figures 9 to 11 is similar to that of FIGS. 6 to 8.
  • the electrode 10 however, further comprises at least three grooves 50; in this case, four grooves 50 are shown. These grooves extend radially and cross the crest of the projection 20 thus cutting the contact line 23 which is then discontinuous. As shown in the figure 11, the grooves 50 are distributed along a equiangular arrangement. They cross the surface frustoconical 32 of the bowl as well as the peripheral projection 20.
  • the grooves 50 may be slightly offset parallel to the radial grooves shown in Figure 11. So as shown in FIG. 13, grooves 50A are offset in the clockwise, so one of the edges of the grooves extends tangentially to the insert emissive 16. So the plasma gas flowing through of these creates at the outlet a vortex flowing in the direction of arrow F1. The gas circulating in space annular 28 forms a vortex circulating in the direction of arrow F2, identical to the direction of arrow F1. So, the root of the electric arc is stabilized by the effect swirling plasma gas streams with senses identical rotation.
  • the grooves 50B are offset parallel to the radial grooves 50 of Figure 11 counterclockwise of a watch, so that the vortex created at the outlet of grooves 50B rotates in the direction of arrow F3 opposite in the sense of circulation of the plasma gas in space annular 28 and indicated by arrow F2.
  • the root of the arc is then stabilized by the two vortex flows traveling counter-rotating.
  • the end of the electrode 10 has a convex frustoconical surface 60 and has in its center the flat face insert 16.
  • the diameter of the electrode is thus gradually decreasing from the diameter of its lateral surface cylindrical up to the outside diameter of the insert 16.
  • the bottom of the nozzle 12 also has a bowl 62 centered on the X-X axis, hereinafter designated by the sleeve term 62.
  • the axial evacuation duct 24 opens into the center of this sleeve 62.
  • the surface 64 of the sleeve 62 is substantially tapered.
  • the slope of the surface 64 taken relative to to a transverse plane of the torch is greater than the slope of the surface 60 taken with respect to this same plane.
  • the diameter of the sleeve 62 is greater than the outside diameter of electrode 10. So, as shown in Figure 15, the electrode 10 enters contact with the nozzle on the surface of the sleeve 62 at the periphery of it along a line of contact circular 66.
  • the electrode 10 is applied to the surface 64 along the line connecting the frustoconical surface 66 to the cylindrical lateral surface of the electrode.
  • the electric arc arises on the outskirts of the electrode 10 and the nozzle sleeve 12 on an area of small extent.
  • the entry of the axial duct ejection is preserved from arc attacks electric, the arc being kept away from the conduit.
  • the bottom of the nozzle 12 is delimited by an axial sleeve 70 formed of two successive frustoconical surfaces 70A, 70B of conicities different.
  • the electrode 10 has a planar end face 72 whose outside diameter is less than the diameter of the sleeve 70.
  • the insert 16 is flush with the center of this area.
  • Grooves 74 are formed radially on the end surface of the electrode.
  • the end of the electrode has a slightly 76 lateral surface tapered. The grooves 74 open, on the one hand, onto the side wall 76 of the electrode and, on the other hand, on the end face thereof on the outside of the insert 16.
  • the contact between the electrode 10 and the nozzle 12 is established between the crest electrode device and the inner surface of the sleeve 70 in the vicinity of the periphery of the surface 70B.
  • the plasma gas flows through grooves 74, allowing thus the birth of the electric arc in a medium rich in plasma gas.
  • the electrode surfaces and of the nozzle are preserved by maintaining the location of the roots of the nascent electric arc and by the presence of grooves allowing circulation permanent plasma gas.
  • the torch heads in Figures 15-18, as those of Figures 6 to 14, have, on the bottom of nozzle, of a first axial peripheral projection 40, of so the circulation of the plasma gas stream flowing between the electrode 10 and the nozzle is carried out optimally, i.e. substantially without turbulence.

Abstract

L'invention concerne une tête de torche à plasma comportant une électrode axiale (10) et une tuyère périphérique (12) en forme de coupelle dont le fond (22) comporte un conduit axial (24) d'éjection du jet de plasma et dont la paroi latérale entoure l'électrode. L'électrode (10) et la tuyère (12) sont déplaçables axialement l'une par rapport à l'autre en vue de leur mise en contact temporaire suivant une surface de contact pour initier un arc électrique entre l'électrode (10) et la tuyère (12). Application aux torches de coupe par jet de plasma. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une tête de torche à plasma, du type comportant une électrode axiale et une tuyère périphérique en forme de coupelle dont le fond comporte un conduite axial d'éjection du jet de plasma et dont la paroi latérale entoure l'électrode, l'électrode et la tuyère étant déplaçables axialement l'une par rapport à l'autre en vue de leur mise en contact temporaire suivant une surface de contact pour initier un arc électrique, dit arc pilote, entre l'électrode et la tuyère.
De telles têtes de torche sont utilisées dans des torches à plasma pour le soudage, le coupage, le traitement thermique ou encore la projection thermique.
En régime permanent, un arc électrique est établi au travers du conduit axial d'éjection entre l'électrode et la pièce métallique travaillée. L'électrode et cette pièce sont reliées aux bornes d'un générateur électrique.
Afin d'initier l'arc électrique, il est connu de mettre en contact temporairement la surface d'extrémité de l'électrode et la surface de fond de la tuyère.
Dans un premier type d'installation, la tuyère et l'électrode sont reliées temporairement aux bornes d'un générateur électrique, de sorte qu'un arc pilote prend naissance directement entre ces deux éléments. L'arc pilote est ensuite transféré vers la pièce à travailler sous l'effet du flux de plasma. Après le transfert de l'arc, la tuyère n'est plus alimentée par le générateur, l'alimentation étant appliquée à la pièce à travailler.
Dans un second type d'installation, la tuyère n'est pas alimentée. L'arc pilote est initié par appui de la tuyère conductrice sur la pièce à travailler et mise en contact de l'électrode avec la tuyère. Un court-circuit s'établit alors entre la pièce à travailler et l'électrode au travers de la tuyère, de sorte qu'un arc prend naissance entre la tuyère et l'électrode lors de leur écartement.
Dans les têtes de torche connues, l'électrode a une surface d'extrémité plane et la tuyère a également un fond plat. Ainsi, la mise en contact de l'électrode et de la tuyère s'effectue suivant l'essentiel de la surface d'extrémité plane de l'électrode.
Le document FR-A-2,650,470 décrit, par exemple, une électrode dont la face d'extrémité plane comporte un lamage axial assurant une mise en retrait d'un insert émissif disposé en position centrale. Cette configuration particulière permet de résoudre les problèmes liés à la déformation de la surface de l'insert au cours du fonctionnement. Une surface annulaire plane de grande dimension subsiste à l'extrémité de l'électrode autour du lamage. Le contact avec le fond plat de la tuyère s'effectue suivant toute l'étendue de cette surface annulaire.
Dans les têtes de torche connues, la mise en contact de l'électrode et de la tuyère conduit à une interruption momentanée du flux de gaz plasmagène. Ainsi, l'arc électrique prend naissance dans un milieu très pauvre en gaz plasmagène. En conséquence, l'arc s'établit dans un plasma métallique nourri par les vapeurs métalliques provenant de l'érosion des parois de la tuyère et de l'électrode.
Durant la période transitoire nécessaire à la stabilisation du courant gazeux, après établissement de l'intervalle de fonctionnement normal entre l'électrode et la tuyère, l'arc est très instable et se déplace de façon erratique sur toute la surface plane du fond de la tuyère et en particulier au voisinage de l'entrée du conduit axial d'éjection. Ce même phénomène de déplacement aléatoire de la racine de l'arc est également constaté sur la surface de l'électrode située en regard.
Le mouvement de l'arc provoque une érosion électrique, des fusions locales et des déplacements de résidus de fusion sur les parois externes de l'électrode et les parois internes de la tuyère. Ces phénomènes conduisent rapidement à une modification de l'état des surfaces canalisant le gaz plasmagène. En particulier, sous l'effet du flux de gaz plasmagène, les résidus de fusion convergent vers l'entrée du conduit d'éjection, modifiant sa géométrie. Les modifications géométriques des surfaces entraínent des perturbations dans l'écoulement du jet de plasma, réduisant ainsi la qualité du travail effectué.
De plus, l'altération des surfaces provoque des difficultés d'obtention de l'arc électrique lors des allumages ultérieurs de la torche, du fait d'une augmentation de la résistance de contact entre l'électrode et la tuyère.
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et en particulier de proposer une tête de torche à plasma subissant peu de dégradations de ses surfaces internes lors de la phase d'allumage et dont la durée de vie est allongée, avec conservation des qualités de travail.
A cet effet, l'invention a pour objet une tête de torche à plasma comportant une électrode axiale et une tuyère périphérique en forme de coupelle dont le fond comporte un conduit axial d'éjection du jet de plasma et dont la paroi latérale entoure l'électrode, l'électrode et la tuyère étant déplaçables axialement l'une par rapport à l'autre en vue de leur mise en contact temporaire suivant une surface de contact pour initier un arc électrique entre l'électrode et la tuyère, caractérisée en ce que le fond de la tuyère comporte une première saillie périphérique axiale.
Selon le cas, la tête de torche à plasma peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la surface de contact entre le fond de la tuyère et l'électrode est nettement écartée de l'entrée du conduit axial d'éjection de la tuyère. On considère que la ligne de contact est nettement écartée de l'entrée du conduit si celle-ci est située à une distance de l'axe de la tuyère supérieure à au moins quatre fois le rayon minimum du conduit d'éjection et, de préférence, d'environ cinq fois le rayon minimum;
  • une face d'extrémité de l'électrode comporte une seconde saillie périphérique axiale, de préférence bombée, dont la crête définit la surface de contact;
  • la surface de contact est au moins et de préférence une ligne de contact, continue ou discontinue;
  • la face d'extrémité de l'électrode comporte une cuvette axiale délimitée par une surface qui est reliée tangentiellement à la seconde saillie périphérique bordant ladite cuvette axiale;
  • le conduit axial d'éjection débouche au sommet de la première saillie portée par le fond de la tuyère, la ligne de contact s'établissant sensiblement à la base de la première saillie;
  • le profil de la première saillie correspond sensiblement au profil de la cuvette axiale;
  • les surfaces de la cuvette axiale et de la première saillie sont sensiblement tronconiques et la pente de la surface de la cuvette axiale prise par rapport à un plan transversal de la torche est supérieure à la pente de la surface de la première saillie prise par rapport audit plan transversal;
  • les surfaces tronconiques sont reliées à leur périphérie extérieure tangentiellement aux surfaces adjacentes les prolongeant;
  • le fond de la tuyère a la forme d'un manchon centré sur l'axe de la torche et dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur de la face d'extrémité de l'électrode, la ligne de contact s'établissant sur la surface interne dudit manchon;
  • la surface ou ligne de contact est traversée par des rainures sensiblement radiales; et
  • ladite électrode comporte un insert à face plane disposé axialement et affleurant à sa face d'extrémité.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une tête de torche à plasma selon l'art antérieur, lors de la mise en contact de l'électrode et de la tuyère;
  • la figure 2 est une vue analogue de la tête de torche de la figure 1, l'électrode étant écartée de la tuyère;
  • les figures 3 et 4 sont des vues partielles en coupe longitudinale d'une variante de réalisation d'une tête de torche à plasma selon l'art antérieur dans des positions analogues à celles des figures 1 et 2;
  • la figure 5 est un détail à plus grande échelle de la figure 4;
  • les figures 6 et 7 sont des vues d'un mode de réalisation d'une tête de torche à plasma selon l'invention;
  • la figure 8 est une vue analogue à celle de la figure 5 pour la tête de torche des figures 6 et 7;
  • les figures 9 et 10 sont des vues analogues à celles des figures 6 et 7 pour une autre variante de réalisation d'une tête de torche à plasma selon l'invention;
  • la figure 11 est une vue en élévation de la face d'extrémité de l'électrode de la tête de torche des figures 9 et 10;
  • la figure 12 est une vue analogue à celle de la figure 10, montrant un exemple d'écoulement du gaz plasmagène;
  • les figures 13 et 14 sont des vues en élévation de variantes de réalisation de la face d'extrémité de l'électrode, montrant le sens d'écoulement du gaz plasmagène; et
  • les figures 15 et 16, d'une part, et les figures 17 et 18, d'autre part, sont des vues en coupe longitudinale de variantes de réalisation de têtes de torche à plasma selon l'invention, l'électrode et la tuyère étant représentées respectivement en contact et écartées.
La tête de torche à plasma représentée sur les figures 1 et 2 est destinée, par exemple, à la découpe de pièces métalliques. Elle a une forme générale de révolution d'axe X-X. Elle se monte sur un corps de torche à plasma adapté, par exemple, par encliquetage dans ce corps.
Cette tête comporte essentiellement une électrode 10 d'axe X-X et une tuyère périphérique 12, toutes deux adaptées pour être associées à des générateurs de potentiel électrique approprié. L'électrode et la tuyère sont reliées rigidement par un couvercle non représenté formant un diffuseur de gaz plasmagène.
L'électrode 10 est montée déplaçable axialement par rapport à la tuyère 12 par tout moyen approprié, entre une position d'amorçage de l'arc en contact avec la tuyère et une position de travail écartée axialement de la tuyère. Ces positions sont représentées respectivement sur les figures 1 et 2.
L'électrode 10 est réalisée en un métal approprié et a une forme générale de révolution. Elle comporte des conduits internes 14 destinés à la circulation d'un fluide de refroidissement. Un insert émissif 16 à face plane, en hafnium par exemple, est disposé axialement à l'extrémité de l'électrode 10. Il affleure au centre de la face d'extrémité 18 de celle-ci. L'électrode comporte en outre sur sa face d'extrémité 18 une saillie périphérique axiale bombée 20 formant un rebord périphérique continu entourant une surface plane 18A au centre de laquelle affleure l'insert 16. La saillie périphérique 20 est formée par un bourrelet toroïdal venu de matière et disposé à la périphérie extérieure de l'électrode.
La tuyère 12 a une forme générale de coupelle d'axe X-X. Elle comporte un fond plat 22 traversé par un conduit axial 24 d'éjection du gaz de plasma. Le fond 22 est prolongé par une paroi latérale 26 entourant l'électrode 10 et délimitant avec celle-ci un espace 28 sensiblement annulaire de circulation du gaz plasmagène vers le conduit 24.
Sur la figure 1, l'électrode 10 est en contact avec la tuyère 12 suivant la crête 20A de la saillie périphérie 20. La surface 23 de contact établie entre la crête 20A et le fond 22 est écartée de l'entrée du conduit axial d'éjection, de sorte que la surface 22A entourant l'entrée de ce conduit est libre de tout contact avec l'électrode.
L'entrée du conduit se définit comme la ligne de rupture existant entre le conduit axial d'éjection et le fond de la tuyère. Si une telle ligne de rupture n'existe pas et que le diamètre du conduit varie de manière continue dans sa zone de liaison avec le fond, l'entrée du conduit est définie comme étant le lieu où le diamètre du conduit est égal à 1,5 fois le diamètre minimum du conduit.
Sur la figure 1, un court-circuit est établi entre l'électrode et la tuyère suivant la ligne de contact 23 existant entre la crête 20A de la saillie et une ligne circulaire portée par la surface plane 22.
Sur la figure 2, l'électrode 10 est en position de travail, écartée de la tuyère 12. Lors de l'écartement progressif de la tuyère 10 et de l'électrode 12, l'arc électrique prend naissance entre une couronne 22B de faible largeur contenant la ligne circulaire de contact et la crête 20A de la saillie 20. La couronne 22B est symbolisée par un trait épais sur cette figure.
Sous l'effet du gaz plasmagène circulant depuis l'espace annulaire 28, l'arc électrique est soufflé pour s'établir ensuite entre l'insert 16 et la pièce à travailler non représentée. L'alimentation de la tuyère est alors stoppée.
Selon le mode de réalisation représentée aux figures 3 à 5, la tuyère 12 est identique à celle du mode de réalisation précédent. La face d'extrémité 18 de l'électrode comporte, en outre, une cuvette axiale 30 bordée par la saillie périphérique 20. La surface 32 délimitant la cuvette 30 est tronconique et relie tangentiellement la crête de la saillie périphérique 20 à la périphérie de l'insert plan 16.
La saillie périphérique 20 est toroïdale avec un rayon intérieur noté R. La surface tronconique 32 se relie de manière tangentielle au tore délimitant la saillie 20.
Selon un premier mode de réalisation de la tête de torche selon l'invention, représentée sur les figures 6 à 8, l'électrode 10 est analogue à l'électrode représentée aux figures 3 à 5.
En revanche, la tuyère 12 comporte un fond muni d'une première saillie 40 périphérique axiale, encore appelée bombage axial 40, au sommet de laquelle débouche le conduit axial d'éjection 24.
Le profil du bombage 40 correspond sensiblement au profil de la cuvette axiale 30 ménagée sur la surface d'extrémité de l'électrode. Ainsi, la surface 42 du bombage 40 est sensiblement tronconique. Cette surface 42 définit avec un plan perpendiculaire à l'axe X-X de la torche un angle a sensiblement égal à 10° (figure 8). La surface 32 de la cuvette axiale 30 définit avec ce même plan perpendiculaire à l'axe X-X un angle β sensiblement égal à 12°. Ainsi, la pente de la surface de la cuvette axiale prise par rapport au plan transversal de la torche est légèrement supérieure à la pente de la surface du bombage prise par rapport à ce même plan. Dans ces conditions, un contact linéaire s'établit entre l'électrode 10 et la tuyère 12 suivant la saillie périphérique 20 et la base du bombage 40 de la tuyère. De plus, tout autre point de contact entre l'électrode et la tuyère est exclu, la hauteur du bombage en tout point extérieur à la surface de contact étant inférieure à la profondeur de la cuvette axiale au point correspondant à celle-ci.
En outre, la surface tronconique 42 est reliée tangentiellement à la surface interne de la paroi latérale de la tuyère.
On comprend, au regard de la figure 8, que le gaz plasmagène subit entre les surfaces tronconiques sensiblement parallèles 32 et 42, un laminage assurant une stabilisation de la racine de l'arc électrique sur l'insert 16, lors du fonctionnement en régime permanent de la torche.
En outre, l'arc électrique s'établissant entre les points les plus proches de l'électrode et de la tuyère, les racines de l'arc électrique naissant sont maintenues sur la couronne 22A de la tuyère et sur la crête 20A de la saillie. Ainsi, tant que l'arc électrique n'est pas soufflé par le gaz plasmagène, celui-ci est maintenu dans une zone définie de faible surface. Le niveau de l'érosion électrique étant lié à la surface balayée par l'arc électrique, la circonscription de l'arc à une zone réduite limite la dégradation des surfaces. De plus, l'arc étant maintenu éloigné de l'entrée du conduit axial d'éjection, les éventuels résidus de fusion produits ne peuvent pas atteindre celui-ci, garantissant ainsi la préservation géométrique du conduit. On conçoit qu'avec un tel agencement, la durée de vie de la tête de torche à plasma est allongée.
Dans ce mode de réalisation, l'arc électrique prend naissance sur une zone localisée de faible étendue et distante de l'entrée du conduit axial d'éjection 24, préservant ainsi la tête de torche.
De plus, on constate avec la tête de torche des figures 6 à 8 que la paroi de l'entrée du conduit axial d'éjection de la tuyère est moins sollicitée thermiquement que dans les modes de réalisation précédents.
En d'autres termes, le fait d'aménager une première saillie 40 ou bombage sur le fond de la tuyère permet d'obtenir une torche nettement supérieure aux torches classiques; cette supériorité de la torche selon l'invention étant encore accrue lorsque la surface d'extrémité 18 de l'électrode 10 est elle aussi pourvue d'une seconde saillie 20, de sorte que le laminage des gaz représenté sur la figure 8 soit assuré.
Le mode de réalisation représenté aux figures 9 à 11 est analogue à celui des figures 6 à 8. L'électrode 10 comporte toutefois, en outre, au moins trois rainures 50; dans ce cas, quatre rainures 50 sont représentées. Ces rainures s'étendent radialement et traversent la crête de la saillie 20 sectionnant ainsi la ligne de contact 23 qui est alors discontinue. Comme représenté sur la figure 11, les rainures 50 sont réparties suivant une disposition équiangulaire. Elles traversent la surface tronconique 32 de la cuvette ainsi que la saillie périphérique 20.
Comme représenté sur la figure 9, lorsque l'électrode 10 est appliquée contre la tuyère 12, le flux de gaz plasmagène n'est pas interrompu et se poursuit au travers des rainures 50. Ainsi, lors de l'écartement de l'électrode, un courant stable de gaz plasmagène est établi entre l'espace 28 et une chambre 52 délimitée en aval du conduit 24, entre l'électrode et la tuyère. En conséquence, l'arc électrique prend naissance dans un milieu riche en gaz plasmagène. Ceci évite les destructions des parois engendrées par la formation d'un plasma métallique. Les problèmes de dégradation excessive des parois de l'électrode et de la tuyère sont alors atténués par la présence du gaz plasmagène.
Sur les figures 9 et 10, la circulation du gaz dans l'espace annulaire 28 s'effectue axialement, de sorte que le flux gazeux converge radialement vers l'insert 16. Toutefois, comme représenté sur la figure 12, sur laquelle le flux gazeux est représenté par une ligne en hélice 54, le gaz peut être alimenté de manière tourbillonnaire, créant un vortex dans l'espace annulaire 28. Cette alimentation tourbillonnaire favorise la stabilité de la racine de l'arc sur l'insert 16.
Afin d'accroítre encore la stabilité de l'arc, les rainures 50 peuvent être légèrement déportées parallèlement par rapport aux rainures radiales représentées sur la figure 11. Ainsi, comme représenté sur la figure 13, des rainures 50A sont déportées dans le sens des aiguilles d'une montre, de sorte que l'un des bords des rainures s'étend tangentiellement à l'insert émissif 16. Ainsi, le gaz plasmagène circulant au travers de celles-ci crée en sortie un vortex s'écoulant dans le sens de la flèche F1. Le gaz circulant dans l'espace annulaire 28 forme un vortex circulant suivant le sens de la flèche F2, identique au sens de la flèche F1. Ainsi, la racine de l'arc électrique est stabilisée par l'effet tourbillonnaire des flux de gaz plasmagène ayant des sens de rotation identiques.
Par contre, sur la figure 14, les rainures 50B sont déportées parallèlement par rapport aux rainures radiales 50 de la figure 11 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de sorte que le vortex créé en sortie des rainures 50B tourne dans le sens de la flèche F3 opposé au sens de circulation du gaz plasmagène dans l'espace annulaire 28 et indiqué par la flèche F2.
Dans ce mode de réalisation, la racine de l'arc est alors stabilisée par les deux flux tourbillonnaires circulant de manière contrarotative.
Selon les figures 15 et 16, l'extrémité de l'électrode 10 présente une surface tronconique convexe 60 et comporte en son centre l'insert à face plane 16. Le diamètre de l'électrode est ainsi progressivement décroissant depuis le diamètre de sa surface latérale cylindrique jusqu'au diamètre extérieur de l'insert 16.
Le fond de la tuyère 12 comporte elle aussi une cuvette 62 centrée sur l'axe X-X, désigné ci-après par le terme manchon 62. Le conduit axial d'évacuation 24 débouche au centre de ce manchon 62.
La surface 64 du manchon 62 est sensiblement tronconique. La pente de la surface 64 prise par rapport à un plan transversal de la torche est supérieure à la pente de la surface 60 prise par rapport à ce même plan. De plus, le diamètre du manchon 62 est supérieur au diamètre extérieur de l'électrode 10. Ainsi, comme représenté sur la figure 15, l'électrode 10 entre en contact avec la tuyère sur la surface du manchon 62 à la périphérie de celui-ci suivant une ligne de contact circulaire 66. L'électrode 10 s'applique sur la surface 64 suivant la ligne liant la surface tronconique 66 à la surface latérale cylindrique de l'électrode.
L'arc électrique prend naissance à la périphérie de l'électrode 10 et du manchon de la tuyère 12 sur une zone de faible étendue. Ainsi, l'entrée du conduit axial d'éjection est préservée des attaques de l'arc électrique, l'arc étant maintenu écarté du conduit.
Selon les figures 17 et 18, le fond de la tuyère 12 est délimité par un manchon axial 70 formé de deux surfaces tronconiques successives 70A, 70B de conicités différentes.
L'électrode 10 présente une face d'extrémité plane 72 dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre du manchon 70. L'insert 16 affleure au centre de cette surface. Des rainures 74 sont ménagées radialement sur la surface d'extrémité de l'électrode. L'extrémité de l'électrode présente une surface latérale 76 légèrement tronconique. Les rainures 74 débouchent, d'une part, sur la paroi latérale 76 de l'électrode et, d'autre part, sur la face d'extrémité de celle-ci à l'extérieur de l'insert 16.
Comme représenté sur la figure 17, le contact entre l'électrode 10 et la tuyère 12 s'établit entre la crête périphérique de l'électrode et la surface interne du manchon 70 au voisinage de la périphérie de la surface 70B. Lorsque l'électrode et la tuyère sont en contact, le gaz plasmagène circule par les rainures 74, permettant ainsi la naissance de l'arc électrique dans un milieu riche en gaz plasmagène. Les surfaces de l'électrode et de la tuyère sont préservées par le maintien de la localisation des racines de l'arc électrique naissant et par la présence des rainures permettant la circulation permanente du gaz plasmagène.
Les têtes de torches des figures 15 à 18, comme celles des figures 6 à 14, sont dotées, sur le fond de tuyère, d'une première saillie périphérique axiale 40, de sorte que la circulation du flux gazeux plasmagène circulant entre l'électrode 10 et la tuyère s'effectue de manière optimale, c'est-à-dire sensiblement sans turbulences.

Claims (11)

  1. Tête de torche à plasma comportant une électrode axiale (10) et une tuyère périphérique (12) dont le fond (22) comporte un conduit axial (24) d'éjection du jet de plasma, l'électrode (10) et la tuyère (12) étant déplaçables axialement l'une par rapport à l'autre en vue de leur mise en contact temporaire suivant une surface de contact (23) pour initier un arc électrique entre l'électrode (10) et la tuyère (12), caractérisée en ce que le fond (22) de la tuyère (12) comporte une première saillie (40) périphérique axiale.
  2. Tête de torche à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de contact (23) entre le fond (22) de la tuyère et l'électrode (10) est nettement écartée de l'entrée du conduit axial d'éjection (24) de la tuyère.
  3. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'une face d'extrémité (18) de l'électrode (10) comporte une seconde saillie périphérique axiale (20) définissant la surface de contact (23).
  4. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface de contact (23) est au moins une ligne de contact continue ou discontinue.
  5. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la face d'extrémité (18) de l'électrode comporte une cuvette (30) axiale délimitée par une surface (32) qui est reliée tangentiellement à la seconde saillie périphérique (20) bordant la cuvette.
  6. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le conduit axial d'éjection (24) débouche au sommet de la première saillie (40), la ligne de contact (23) s'établissant sensiblement à la base de la première saillie (40).
  7. Tête de torche à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que le profil de la première saillie (40) correspond sensiblement au profil de la cuvette axiale (30).
  8. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les surfaces de la cuvette axiale (30) et de la première saillie (40) sont sensiblement tronconiques et en ce que la pente de la surface de la cuvette axiale (30) prise par rapport à un plan transversal de la torche est supérieure à la pente de la surface de la première saillie (40) prise par rapport audit plan transversal.
  9. Tête de torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les surfaces tronconiques (32, 42) sont reliées à leur périphérie extérieure tangentiellement aux surfaces adjacentes les prolongeant.
  10. Tête de torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la surface de contact (23) est traversée par des rainures (50, 50A, 50B) sensiblement radiales.
  11. Tête de torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite électrode (10) comporte un insert (16) à face plane disposé axialement et affleurant à sa face d'extrémité.
EP97401417A 1996-06-24 1997-06-19 Tête de torche à plasma Withdrawn EP0817547A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9607816A FR2750286B1 (fr) 1996-06-24 1996-06-24 Tete de torche a plasma
FR9607816 1996-06-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0817547A1 true EP0817547A1 (fr) 1998-01-07

Family

ID=9493346

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP97401417A Withdrawn EP0817547A1 (fr) 1996-06-24 1997-06-19 Tête de torche à plasma

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0817547A1 (fr)
FR (1) FR2750286B1 (fr)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2917314A1 (fr) * 2007-06-14 2008-12-19 Air Liquide Electrode pour torche a arc plasma a geometrie amelioree
IT201600081330A1 (it) * 2016-08-02 2018-02-02 Cebora Spa Torcia al plasma con accensione a contatto
WO2021102147A1 (fr) * 2019-11-19 2021-05-27 Hypertherm, Inc. Conceptions des consommables pour chalumeau à jet de plasma

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3840459A1 (de) * 1988-11-14 1990-05-17 Merkle Wilhelm Schweissmasch Schneidbrenner
FR2669847A1 (fr) * 1990-11-29 1992-06-05 Trafimet Trafilerie Metalliche Chalumeau coupeur a plasma, dans lequel le declenchement de l'amorcage est realise a l'aide d'un contact.
EP0591018A1 (fr) * 1992-10-02 1994-04-06 La Soudure Autogene Francaise Torche à plasma d'arc et procédé de mise en oeuvre

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4902871A (en) * 1987-01-30 1990-02-20 Hypertherm, Inc. Apparatus and process for cooling a plasma arc electrode
US4791268A (en) * 1987-01-30 1988-12-13 Hypertherm, Inc. Arc plasma torch and method using contact starting

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3840459A1 (de) * 1988-11-14 1990-05-17 Merkle Wilhelm Schweissmasch Schneidbrenner
FR2669847A1 (fr) * 1990-11-29 1992-06-05 Trafimet Trafilerie Metalliche Chalumeau coupeur a plasma, dans lequel le declenchement de l'amorcage est realise a l'aide d'un contact.
EP0591018A1 (fr) * 1992-10-02 1994-04-06 La Soudure Autogene Francaise Torche à plasma d'arc et procédé de mise en oeuvre

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2917314A1 (fr) * 2007-06-14 2008-12-19 Air Liquide Electrode pour torche a arc plasma a geometrie amelioree
IT201600081330A1 (it) * 2016-08-02 2018-02-02 Cebora Spa Torcia al plasma con accensione a contatto
WO2021102147A1 (fr) * 2019-11-19 2021-05-27 Hypertherm, Inc. Conceptions des consommables pour chalumeau à jet de plasma
US11420286B2 (en) 2019-11-19 2022-08-23 Hypertherm, Inc. Consumable designs for a plasma arc torch

Also Published As

Publication number Publication date
FR2750286A1 (fr) 1997-12-26
FR2750286B1 (fr) 1998-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO1993013871A1 (fr) Buse coaxiale de traitement superficiel sous irradiation laser, avec apport de materiaux sous forme de poudre
EP0505285B1 (fr) Pistolet de découpage de tôle
CA2021836C (fr) Electrode pour torche de travail, a l&#39;arc plasma, et torche correspondante
FR2703557A1 (fr) Torche plasma et procédé de mise en Óoeuvre pour le gougeage de pièces.
CA2696178A1 (fr) Cone d&#39;ejection des gaz pour turboreacteur d&#39;aeronef equipe d&#39;un dispositif de generation de turbulences de flux primaire limitant le bruit de jet
CA2639231C (fr) Outil a main a combustion de gaz ameliore
EP0817547A1 (fr) Tête de torche à plasma
EP1933607A1 (fr) Torche de coupage plasma avec circuit de refroidissement à tube plongeur adaptatif
FR2901313A1 (fr) Dispositif de degazage pour une turbomachine
EP0750449B1 (fr) Tête de torche à plasma et torche à plasma la comportant
EP0634887B1 (fr) Torche à plasma d&#39;arc transféré
FR2863817A1 (fr) Tuyere a deflecteur pour torche a l&#39;arc plasma
EP0935405A1 (fr) Electrode pour torche à plasma
WO2023143814A1 (fr) Torche de coupage plasma munie d&#39;un système de verrouillage amelioré
FR2590654A1 (fr) Chalumeau a arc a plasma et son procede d&#39;utilisation sous l&#39;eau et au-dessus de l&#39;eau
EP0515249A1 (fr) Dispositif d&#39;étanchéité partielle entre l&#39;intérieur et l&#39;extérieur d&#39;un four à arc
FR3019707A1 (fr) Torche a plasma d&#39;arc avec chambre d&#39;arc a geometrie amelioree
WO1991001077A1 (fr) Torche a plasma
WO2023143816A1 (fr) Tuyère aval pour une torche de coupage plasma
WO2023143812A1 (fr) Torche de coupage plasma avec refroidissement indirect des consommables
WO2023143813A1 (fr) Torche de coupage plasma munie d&#39;un empilement de consommables
WO2023143815A1 (fr) Tuyère améliorée pour une torche de coupage plasma
EP3638412A1 (fr) Element d&#39;injection de gaz pour unite de craquage catalytique fluide et systeme de distribution de gaz equipe de cet element d&#39;injection
WO2023143817A1 (fr) Électrode ameliorée pour une torche de coupage plasma
EP0668121A1 (fr) Tête de soudage au laser à buse améliorée

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE DE ES FR GB IT NL

17P Request for examination filed

Effective date: 19980707

AKX Designation fees paid

Free format text: AT BE DE ES FR GB IT NL

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AT BE DE ES FR GB IT NL

17Q First examination report despatched

Effective date: 19990824

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20001104