La présente invention concerne une torche à plasma
munie d'une électrode présentant un évidement
périphérique destiné à dévier et/ou guider, c'est-à-dire
canaliser le flux gazeux entrant dans la chambre
plasmagène de la torche, et un procédé de soudage, de
marquage, de coupage, de rechargement ou de projection
plasma mettant en oeuvre une telle torche.
Les torches à plasma sont classiquement utilisées
dans les domaines du coupage ou du soudage de matériaux,
ainsi que dans d'autres domaines connexes, tels la
projection, le rechargement ou le marquage plasma.
Habituellement, une torche plasma comprend une
électrode, réalisée en tout ou en partie d'un matériau
émissif, laquelle électrode a une forme allongée
généralement cylindrique ou cylindro-tronconique, d'une
tuyère disposée coaxialement par rapport à l'électrode et
formant diaphragme sur le parcours de l'arc plasma, d'un
circuit de refroidissement interne de la torche,
notamment de l'électrode, et d'un ou plusieurs circuits
de distribution de gaz plasmagène dans une chambre
délimitée, d'une part, par l'électrode et son support et,
d'autre part, par la partie interne de la tuyère et de
son support.
En fonctionnement, l'électrode est reliée à l'un des
pôles d'une source de courant, alors que la tuyère est
reliée à l'autre pôle de ladite source de courant.
Après ionisation d'une partie du flux gazeux,
circulant entre l'extrémité inférieure de l'électrode et
un canal d'éjection des gaz pratiqué au sein de la
tuyère, un premier arc électrique est généré en formant
ainsi une colonne de plasma d'arc prenant naissance de
ladite électrode et s'étirant au travers dudit canal de
la tuyère vers l'extérieur et jusqu'au matériau à couper
ou à souder par exemple.
Selon le type d'utilisation de la torche, le jet de
plasma est porté à une puissance adéquate et maintenu
entre l'électrode, formant cathode par exemple, et la
tuyère, formant anode, durant toute l'opération de
soudage ou coupage par exemple, ou selon le cas, le jet
de plasma est transféré à la pièce à travailler avant la
montée en puissance, par rapprochement et commutation
électrique; la pièce formant alors anode et la tuyère
pouvant être électriquement déconnectée.
De telles torches à plasma et leurs fonctionnements
ont notamment été décrits dans les documents EP-A-599709,
EP-A-573330, US-A-5597497, WO-A-96/23620, US-A-5451739,
EP-A-0787556, US-A-5416296, US-A-5208441, FR-A-2669847 et
FR-A-2113144.
Dans certains cas, la distribution du gaz plasmagène
dans la chambre délimitée par l'électrode et la tuyère
est effectuée, notamment pour des raisons techniques ou
constructives, selon un plan d'injection sensiblement
perpendiculaire à l'axe de l'électrode.
Ainsi, l'injection du gaz plasmagène dans ladite
chambre peut se faire en couronne centrée sur l'axe de
l'électrode, par l'intermédiaire d'une fente continue et
circulaire.
Dans un autre cas de figure, l'injection du gaz
plasmagène dans la chambre peut être réalisée par
l'intermédiaire d'une pièce ayant la forme d'une couronne
au sein de laquelle sont aménagés des trous calibrés dont
les axes convergent et concourent avec l'axe de
l'électrode.
Enfin, selon un autre mode de réalisation,
l'injection du gaz plasmagène dans la chambre peut se
faire par l'intermédiaire d'une couronne percée de trous
calibrés, comme dans le cas précédent, mais dont les
trous débouchent, cette fois, tangentiellement à
l'alésage de la chambre ou dans une disposition
intermédiaire entre la tangence à l'alésage et la
convergence des axes des trous vers l'axe de l'électrode.
Dans les deux premiers cas, le flux gazeux ou les
filets gazeux doivent opérer un changement de direction
brutal, qui se produit lors de l'impact dudit flux gazeux
sur la périphérie externe du corps de l'électrode ou de
son support, selon un angle souvent de l'ordre de 90°.
Or, il est connu que cet impact à angle droit
provoque des turbulences, voire des zones de
recirculation au sein dudit flux gazeux et donc engendre
une perturbation de l'écoulement du flux gazeux dans la
torche.
Alors, pour calmer ou contrôler l'écoulement, il est
nécessaire de ménager ou prévoir en aval du lieu
d'injection une longueur suffisante de canalisation sans
variation notable de régime d'écoulement pour que le gaz
ne perturbe pas ou le moins possible la stabilité de la
racine d'arc accrochée à l'extrémité de l'électrode, lors
du fonctionnement de la torche à plasma.
Dans le dernier cas, la pièce en forme de couronne
percée de trous débouchant tangentiellement à l'alésage
ou, selon le cas, dans une direction intermédiaire entre
la tangence et la convergence avec l'axe de l'électrode,
distribue le gaz en écoulement tourbillonnaire.
Or, les jets gazeux issus des trous d'injection et
guidés par la paroi de l'alésage, ont, en général, une
trajectoire courbe située sensiblement dans un plan
commun.
Chaque jet de gaz rencontre donc sur sa trajectoire
le jet de gaz suivant, lorsque l'on considère l'ordre de
distribution de la pièce en forme de couronne percée de
trous.
Il en résulte alors, selon la vitesse d'écoulement
des jets gazeux et l'exiguïté de la chambre dans le plan
radiant, une perturbation de l'écoulement gazeux pouvant
se traduire par un brassage de l'ensemble des jets gazeux
avec d'importantes turbulences et une perte notable de
vorticité ou, le cas échéant, un chevauchement des jets
gazeux dans le plan vertical, lequel chevauchement
s'accompagne de fortes instabilités de la racine d'arc.
De là, on comprend que quelque soit le mode de
réalisation observé, il apparaít des perturbations de
l'écoulement du flux gazeux au sein de la torche à plasma
engendrant une instabilité notable de l'arc plasma, ce
qui a des répercutions négatives sur le travail effectué,
lequel est de moins bonne qualité.
Le but de la présente invention est donc de pallier
les problèmes susmentionnés en proposant une électrode
pour torche à plasma aménagée pour permettre et faciliter
le changement de direction de la veine gazeuse ou des
filets gazeux lors de leur entrée de la chambre située
entre la tuyère et l'électrode, sensiblement sans
formation de turbulences de l'écoulement gazeux.
La présente invention concerne alors une torche à
plasma comprenant un corps de torche muni d'au moins une
électrode et d'au moins une tuyère sensiblement coaxiale
entourant au moins une partie de ladite électrode, ladite
électrode étant munie d'au moins un évidement aménagé sur
au moins une partie de sa paroi périphérique externe, au
moins un évidement étant placé en regard d'au moins un
orifice d'injection d'au moins un flux gazeux dans ledit
corps torche, de manière à ce qu'au moins une partie
dudit flux gazeux soit déviée et/ou guidée par ledit
évidement .
En d'autres termes, la torche à plasma comprend un
corps de torche comportant au moins une électrode et au
moins une tuyère sensiblement coaxiale entourant au moins
une partie de ladite électrode, ledit corps de torche
contenant une chambre plasmagène délimitée au moins par
l'électrode et la tuyère, l'électrode étant munie d'au
moins un évidement aménagé sur au moins une partie de sa
paroi périphérique externe, au moins un évidement étant
placé au débouché d'au moins un orifice d'injection d'au
moins un flux gazeux dans ledit corps de torche pour
permettre un changement de direction d'au moins une
partie du flux gazeux entrant dans ladite chambre
plasmagène, lors de l'entrée en contact dudit flux gazeux
avec ledit évidement.
Dans le cadre de l'invention, on entend par "placé
en regard" qu'au moins un évidement porté par l'électrode
est situé en face, c'est-à-dire au débouché, d'au moins
un orifice d'injection de flux gazeux, de manière à ce
qu'un flux gazeux circulant dans ledit orifice
d'injection, en direction de l'électrode, entre en
contact avec ledit évidement porté par l'électrode.
Selon le cas, la torche selon l'invention peut
comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques
suivantes:
- l'électrode a une forme allongée ou oblongue, de
préférence une forme générale sensiblement cylindrique ou
cylindro-tronconique ;
- ledit évidement est aménagé sur toute la
périphérie de la paroi périphérique externe de
l'électrode ;
- ledit évidement est à section profilée et est
sensiblement symétrique de révolution ;
- ledit évidement est une gorge ;
- elle comporte, en outre, un insert émissif à son
extrémité inférieure, de préférence un insert émissif en
hafnium, en zirconium ou en tungstène ;
- elle comporte, en outre, au moins une rainure ou
striure pratiquée au sein de son extrémité inférieure, de
préférence plusieurs rainures ou stries radiales ;
- l'axe d'au moins un orifice d'injection forme un
angle compris entre 90° et 45° avec l'axe de l'électrode;
- ledit orifice d'injection et ledit évidement sont
agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à
permettre une injection convergente d'au moins une partie
dudit flux gazeux ;
- ledit orifice d'injection et ledit évidement sont
agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à
permettre une injection tangentielle à la paroi
périphérique externe de ladite électrode d'au moins une
partie dudit flux gazeux ;
- ledit orifice d'injection et ledit évidement sont
agencés, l'un par rapport à l'autre, de manière à
permettre une injection combinée vers la paroi
périphérique externe de ladite électrode d'au moins une
partie dudit flux gazeux. Par injection combinée, on
entend une injection réalisée selon une direction
intermédiaire entre une injection tangentielle et une
injection convergente, ou une combinaison d'une injection
tangentielle et d'une injection convergente.
Dans le cadre de la présente invention, on appelle
orifice d'injection, un ou plusieurs trous, perçages,
fentes et/ou analogues permettant l'entrée d'un ou
plusieurs flux gazeux à l'intérieur de la chambre
plasmagène de la torche.
Selon un autre aspect, l'invention concerne
également un procédé de soudage, de coupage, de marquage,
de rechargement ou de projection plasma, caractérisé en
ce qu'il met en oeuvre une électrode selon l'invention ou
une torche plasma selon l'invention.
En d'autres termes, la présente invention porte
aussi sur l'utilisation d'une telle torche à plasma dans
un des procédés susmentionnés, en particulier un procédé
de coupage d'aciers.
L'invention va maintenant être décrite plus en
détail à l'aide de schémas, donnés à titre illustratif,
mais non limitatif de l'invention.
Les figures 1a et 1b représentent des schémas de
torches à plasma 10 et de leur mode de fonctionnement.
Plus précisément, on voit sur les figures 1a et 1b,
une torche à plasma 10 comprenant une électrode portant
un insert émissif à son extrémité inférieur 6, laquelle
électrode à une forme allongée sensiblement cylindro-tronconique
et est reliée à la borne négative d'une
source 16 de courant.
L'électrode 1 est entourée par une tuyère 2 au sein
de laquelle sont aménagés des orifices de distribution ou
orifices d'injection 7 de gaz plasmagène, ladite tuyère 2
étant reliée à la borne positive de la source de courant
16 (figure 1a).
Plus précisément, l'électrode 1 et la tuyère 2 sont
sensiblement coaxiales et définissent une chambre 5
délimitée, d'une part, par la paroi périphérique externe
de l'électrode 1 et, d'autre part, par la paroi interne
de la tuyère 2.
Comme on peut le voir sur les figures 1a et 1b,
l'arrivée du gaz plasmagène par les orifices 7 de
distribution de gaz, se fait sensiblement
perpendiculairement à l'électrode 1, le flux gazeux étant
ensuite dévié vers la partie inférieure 6 de l'électrode,
puis évacué en un jet de plasma 13 par l'orifice de
sortie 3 aménagé dans la partie inférieure de la tuyère
2, de manière à atteindre la pièce à travailler 15.
Dans le mode de réalisation de la figure 1b, c'est
la pièce à travailler 15 qui est reliée au pôle positif
de la source de courant 16 et non plus la tuyère 2 comme
représenté sur la figure la ; pour le reste, la structure
de la torche à plasma et son fonctionnement restent
sensiblement identiques.
Les figures 2a, 2b et 2c représentent,
respectivement, des demi-coupes d'une torche à plasma
conforme à la figure 1a ou 1b, longitudinale pour la
figure 2a et transversales pour les figures 2b et 2c.
Plus précisément, on voit sur la figure 2a que
l'entrée du gaz plasmagène dans la chambre 5 se fait par
l'intermédiaire de l'orifice 7, perpendiculaire à l'axe
de l'électrode 1.
De cette configuration, il résulte une zone de
perturbations ou turbulences 8 du flux gazeux plasmagène
perturbant l'écoulement global du gaz plasmagène au sein
de la chambre 5 et jusqu'à l'orifice de sortie 3 et donc
la stabilité de la racine de l'arc.
Ceci apparaít d'ailleurs plus nettement sur les
figures 2b et 2c représentant des modes de réalisation
avec injection tangentielle ou convergente des gaz dans
la chambre 5, respectivement.
Les figures 3a, 3b, 4 à 6 représentent, quant à
elles, des modes de réalisation d'une électrode pour
torche à plasma selon la présente invention.
La figure 3a représente une vue partielle en coupe
longitudinale d'une torche à plasma, selon l'invention,
comprenant une électrode 1 et une tuyère 2 définissant
une chambre 5, dans laquelle est introduit un gaz
plasmagène par un orifice d'injection 7. Toutefois, selon
un autre mode de réalisation, l'entrée du gaz dans la
chambre 5 peut être réalisé par le biais de plusieurs
orifices d'injection 7, par exemple trois ou quatre
orifices d'injection 7.
Cette électrode 1 selon l'invention a une forme
allongée sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique
et comporte un évidement, ayant ici en forme de gorge 9,
aménagé sur la paroi 15 périphérique externe de
l'électrode 1, de manière à constituer un guide pour
dévier la ou les veines ou filets gazeux introduits dans
la chambre 5 par le ou les orifices 7.
En pratique, on choisit une profondeur et une
largeur d'évidement 9, c'est-à-dire un volume
d'évidement, suffisant et adéquat pour permettre un
arrangement et une extension harmonieuse des filets
gazeux au sein de la chambre 5, de manière à faciliter
leurs changements de direction sans formation de
turbulence et un écoulement du flux gazeux à l'intérieur
de la chambre 5 jusqu'à l'orifice 3 de la tuyère 2 exempt
de toute turbulence susceptible de perturber la stabilité
de la racine d'arc.
Les figures 3a et 3b permettent de visualiser une
injection de gaz dans une torche à plasma selon
l'invention. Plus précisément, la figure 3a permet de
visualiser le trajet du flux gazeux plasmagène dans une
torche à plasma à injection convergente et la figure 3b
montre le trajet du gaz plasmagène dans une torche à
injection tangentielle.
La figure 4 représente une vue en coupe
longitudinale d'une électrode 1 selon l'invention,
laquelle comporte un insert émissif 4 dans sa partie
inférieure 6 et un évidement 9 aménagé sur sa paroi
périphérique externe à proximité de ladite extrémité 6,
ladite électrode 1 ayant sensiblement une forme
cylindrique et étant munie de moyens de montage et
fixation 14 de ladite électrode dans la torche 10 à
plasma.
Les figues 5a et 5b et, respectivement, 6a et 6b
représentent chacune une électrode sensiblement identique
à celle de la figure 4, mais comportant également des
striures ou rainures 11 pratiquées au sein de son
extrémité inférieure 6.
Les figures 5a et 5b représentent un mode de
réalisation d'une électrode 1 destinée, par exemple, à
une torche à plasma à amorçage par court-circuit entre
l'électrode 1 et la tuyère 2.
Les rainures 11 aménagées au sein de l'extrémité 6
de l'électrode 1 permettent un passage du gaz plasmagène
lorsque l'électrode 1 est au contact mécanique et
électrique de la tuyère 2.
Cet aménagement obtenu par une géométrie
particulière de l'extrémité 6 de l'électrode 1 évite de
rompre le court-circuit et d'établir un premier arc dans
une atmosphère dépourvue de gaz adéquat, c'est-à-dire
constituée principalement de vapeur métallique, de
manière à éviter d'endommager l'électrode 1 et la tuyère
2.
Les rainures ou moletages 11 sont par exemple de
type radial.
Sur les figures 6a et 6b on voit un second mode de
réalisation d'une électrode 1 selon l'invention
comprenant, d'une part, un évidement 9 sur sa paroi
périphérique externe et, d'autre part, comme représenté
sur les figures 5a et 5b, des rainures 11 pratiquées au
sein de son extrémité 6 inférieure.
Cette électrode 1 est une électrode, par exemple, à
double circuit de gaz avec alimentation en gaz des
rainures de dérivation contrôlée par une section de
rainures débouchant dans l'évidement.
De par cette disposition, moyennant une bonne
adaptation géométrique, on peut réduire notablement
l'érosion du matériau émissif de l'électrode tout en
garantissant une stabilité du jet plasmagène efficace et
propice à l'obtention d'un travail de qualité sur le
matériau à traiter.
Il en résulte, en outre, un gain en terme de durée
de vie de l'électrode et une augmentation de la stabilité
d'arc grâce à la combinaison judicieuse de la présence
d'un évidement 9 et des rainures 11.
Une torche à plasma, selon la présente invention,
peut être avantageusement utilisée dans tout type de
procédé de coupage, de soudage, de projection, de
rechargement ou de marquage à l'arc plasma, en
particulier dans une opération de coupage de tôles ou de
pièces en acier.