EP1133216A1 - Torche à plasma équipée d'une coiffe de protection céramique - Google Patents

Torche à plasma équipée d'une coiffe de protection céramique Download PDF

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EP1133216A1
EP1133216A1 EP01400282A EP01400282A EP1133216A1 EP 1133216 A1 EP1133216 A1 EP 1133216A1 EP 01400282 A EP01400282 A EP 01400282A EP 01400282 A EP01400282 A EP 01400282A EP 1133216 A1 EP1133216 A1 EP 1133216A1
Authority
EP
European Patent Office
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cap
torch
ceramic
plasma
cap body
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01400282A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Régis Augeraud
Michel Delzenne
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.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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, Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical La Soudure Autogene Francaise
Publication of EP1133216A1 publication Critical patent/EP1133216A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—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
    • H05H1/3473—Safety means

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle protection cap a plasma arc torch and a plasma torch equipped with such a cap.
  • a plasma torch usable in a cutting operation, welding, marking, projection or in any other operation of heat treatment of a metallic or non-metallic material includes usually a copper or copper alloy electrode bearing a cylindrical insert generally made of hafnium, tungsten or zirconium, on which the electric arc used to ionize the gas takes root supplying the torch, that is to say the determined flow of gas under pressure, known as plasma gas, which is distributed between the electrode and the nozzle and which flows through an orifice in said nozzle towards the workpiece.
  • the electrode is generally centered above this hole ejection of the plasma jet arranged axially in the nozzle and which forms a constriction diaphragm.
  • the plasma cutting device or system usually includes a plasma torch, electric power source, ignition system electric arc and one or more sources of fluids, particularly gases plasmagen, possibly protective gas or post-injected fluid, and torch coolant, usually distilled water.
  • plasma arc cutting exploits the effects thermal and kinetic properties of a plasma jet to melt the material to be cut and expel the molten material out of the groove formed consecutive to relative movement of the torch relative to the workpiece; the composition or nature of the plasma gas used varying according to the nature of the material to be cut.
  • the torch nozzle is usually at a potential electrical intermediate between the electrical potential of the cathode and that of the sheet metal to be worked.
  • a parasitic arc is created which instantly destroys the nozzle, which which results in a very clear deterioration in the quality of the cut and / or forces the operator to change the nozzle.
  • caps in stumatitis which is a natural ceramic, or alumina.
  • zirconia caps were stronger than stumatitis or alumina, these had, on the other hand, a low impact resistance and thermal stresses.
  • the problem which then arises is to have a cap for plasma torch made of insulating material to resist non only at the high temperature of the plasma jet, i.e. thermal stresses, but also mechanical stresses, in particular impact with the sheet metal to be worked.
  • the aim of the present invention is therefore to solve these problems by proposing a protective cap for plasma torch formed by a material with high resilience to resist mechanical shock, a low coefficient of expansion to withstand thermal shock and either in addition, a good electrical insulator.
  • the protective cap according to the invention must also be relatively smooth, that is to say without roughness, so that the slag projected during metalworking does not adhere or at least possible at the cap.
  • the present invention therefore relates to a protective cap for plasma arc work torch comprising a cap body comprising a orifice for the passage of plasma gas, said cap body being composed of at least less a ceramic type material, characterized in that said ceramic is a silicon nitride or an alumina silicate, preferably silicon nitride.
  • the invention also relates to a plasma torch comprising a body torch and a torch head provided with an electrode and at least one nozzle, characterized in that it comprises a protective cap according to the invention surrounding at least part of said nozzle so as to form an effective mechanical, electrical and thermal barrier around said nozzle.
  • the torch body and the torch head are separable one from the other, as explained in document EP-A-599709, to which may refer for more details.
  • the invention also relates to an automatic machine, in particular plasma cutting, comprising a torch according to the invention, as well that on the use of a torch or a machine according to the invention for cut at least one metal plate by using a jet of plasma, preferably a steel plate.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that, among the many ceramics likely to be used as that material constituting a cap for plasma torch, namely the silicates including steatites and cordierites, titanium oxides, aluminas and zirconia, natural ceramics, such as stumatitis, some of them had unexpected special properties, that is, they had strong resilience to resist shocks mechanical, low coefficient of expansion to resist impact thermal and could be made relatively smooth by machining simple.
  • KERSIT TM or KERNIT TM silicon nitride
  • alumina silicate silicon nitride
  • a protective cap for plasma torch composed of one or the other of the particular ceramics according to the present invention is preferably dimensioned so as to cover the nozzle as much as possible of the torch while not penalizing the functioning of the latter, that is to say by not disturbing the passage of the plasma gas flow.
  • the thickness of the cap must be as small as possible and must allow the evacuation of slag above the sheet.
  • protrusions on the cap allow to maintain away the cover and the sheet without penalizing the evacuation of slag or gas.
  • an external coating of the cap made of boron nitride allows, by its physicochemical properties, avoid slag or molten metal spouting from the sheet when drilling it, for example, do not stick to the cap protection coated with this external coating.
  • Figure 1 shows a plasma cutting torch powered by an electric current source 5 connected to an arc ignition system 6 electric to generate a pilot arc between the nozzle 2 and the electrode 1, and by various fluids, such as plasma gas 3.
  • a cap of protection 7 ceramic insulator according to the invention protects the nozzle 2 from the torch.
  • the insulating cap 7 in ceramic can be assembled by gluing, crimping or any other means assembly to a metallic support made of copper, brass or any other metallic material.
  • a plasma jet melts the material 11 to be cut and expels the molten material 10 out of the groove formed as a result of relative movement of the torch and the workpiece of work 11.
  • the plasma torch also includes an electrode 1 where take root the electric arc used to ionize the gas supplying the torch, i.e. the determined flow of pressurized plasma gas, which is distributed and flows into the plasma chamber located between electrode 1 and the nozzle 2.
  • the plasma jet is then expelled from the chamber plasmagen through an orifice arranged in the nozzle 2 and towards the sheet 11 to be cut.
  • the electrode 1 is conventionally centered above of the plasma jet ejection orifice arranged axially in the nozzle 2.
  • a cap according to the invention can equip any type of plasma torch, either in one part or in two parts separable from each other (shown diagrammatically in FIG. 2), namely a torch head 13 and a body 12 torch, such as the removable torch described in document EP-A-599709, as shown schematically in Figures 3 or 4 which represent the head 13 of torch after dissociation of body 12 of torch.
  • the upstream part at ceramic is crimped onto the metal support, while in the embodiment of Figure 4, the upstream ceramic part is glued to said metal support.
  • FIG. 5 shows a protective cap 7 according to the invention in view profile where we see appear protrusions 15 on the downstream part 7a of cap body 7 which makes it possible to avoid any direct mechanical contact with sheet metal without penalizing the evacuation of slag or gas between the torch equipped with the cap and the sheet metal to work.
  • Figure 6 shows a bottom view of the cover of Figure 5 making better appear the arrangement of the protrusions 15, which are at number of three and distributed around the outlet 17.
  • the protective cap for plasma torch according to the invention is of cylindro-frustoconical shape and consists, in this embodiment, of a particular ceramic 11 according to the present invention fixed, for example by gluing, to a structure or internal metal frame 10.
  • the cap body 7 also comprises fixing means 18, such as a threading or the like, allowing the cap to be fixed or arranged in solidarity on a plasma torch around at least part of the nozzle fitted said torch, so as to surround and protect said nozzle.
  • fixing means 18 such as a threading or the like, allowing the cap to be fixed or arranged in solidarity on a plasma torch around at least part of the nozzle fitted said torch, so as to surround and protect said nozzle.
  • a layer of a boron nitride coating is deposited on the ceramic part and is renewed after a time determined to use the torch or after it has worn out.
  • the protective cap 7 according to the invention can be used for protect the nozzle and other fragile parts of the torch head from any type of plasma cutting installation, whether manual or automatic.
  • the torch according to the invention is of the monoflux type, the gas flow which can be a vortex or axial flow.
  • Table I below gives the chemical composition of an alumina silicate which can be used to produce all or part of a protective cap for a plasma torch according to the present invention.
  • Constituent elements alumina silicate Proportion of each element (in% by weight) Loss on ignition (drying at 110 ° C) 0.61 SiO 2 63.58 Al 2 O 3 31.44 TiO 2 1.79 Fe 2 O 3 1.02 CaO 0.11 MgO ⁇ 0.08 K 2 O 0.81 Na 2 O 0.23 P 2 O 5 0.18 TOTAL about 99.77
  • the values (%) are determined by making the weight ratio in grams of each constituent per 100 grams of material (silicate alumina) dried at 110 ° C and are determined by spectrometry of X-ray fluorescence.
  • NS1 NS2 NS3 Density (in kg / dm 3 ) 2.5 3.3 3.2 Resistance to thermal shock (temperature variation in ° C) 200 850 650 Volume resistivity (in ⁇ .cm) > 10 10 > 10 12 > 10 12 Coefficient of thermal expansion (10 -6 / ° C) 3.1 3.3 3.3 Flexural strength at 20 ° C (in MPa) > 600 > 600 > 600 Compressive strength (in MPa) 650 > 3000 > 3000
  • Silicon nitrides (NS1, NS2, NS3) meeting specifications above are available commercially in particular from the MORGAN-MATROC company under the references RBSN, HPSN and SSN, respectively, or from NORTON-DEMARQUEST under the references KERSIT TM or KERNIT TM.
  • the silicon nitrides NS2 and NS3 are preferred because they have thermal and mechanical resistance and insulating properties better than those of NS1.

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Abstract

Coiffe protectrice pour torche de travail à l'arc plasma comprenant un corps de coiffe (7) comportant un orifice (17) de passage de gaz plasma, ledit corps de coiffe (7) étant composé d'au moins un matériau de type céramique. La céramique est un nitrure de silicium ou un silicate d'alumine. Avantageusement, le corps de coiffe (7) en céramique est revêtu de nitrure de bore déposé sur la surface externe du corps de coiffe, l'épaisseur du revêtement de nitrure de bore étant inférieure à 3 mm. Torche équipée d'une telle coiffe et son utilisation dans une opération de coupage plasma de tôle en acier. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une coiffe de protection de la tuyère d'une torche à l'arc plasma et une torche à plasma équipée d'une telle coiffe.
Une torche à plasma utilisable dans une opération de coupage, de soudage, de marquage, de projection ou dans toute autre opération de traitement thermique d'un matériau métallique ou non métallique comprend habituellement une électrode en cuivre ou en alliage de cuivre portant un insert cylindrique généralement en hafnium, en tungstène ou en zirconium, sur lequel vient prendre racine l'arc électrique servant à ioniser le gaz alimentant la torche, c'est-à-dire le débit déterminé de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, qui est distribué entre l'électrode et la tuyère et qui s'écoule par un orifice de ladite tuyère en direction de la pièce de travail.
L'électrode est généralement centrée au-dessus de cet orifice d'éjection du jet plasma aménagé axialement dans la tuyère et qui forme un diaphragme de constriction.
Dans le cas particulier d'une opération de coupage plasma, le dispositif ou système de coupage plasma comprend habituellement une torche à plasma, une source de courant électrique, un système d'allumage d'arc électrique et une ou plusieurs sources de fluides, en particulier de gaz plasmagène, éventuellement de gaz de protection ou de fluide post-injecté, et de fluide de refroidissement de la torche, en général de l'eau distillée.
De telles torches ou installations sont bien connues de l'homme du métier car ayant déjà été décrites dans de nombreux documents auxquels on pourra se reporter pour plus de détails, notamment EP-A-599709, EP-A-872300, EP-A-801882, EP-A-941018, EP-A-144267, EP-A-410875, EP-A-772957, EP-A-902606, EP-A-810052, EP-A-845929, EP-A-790756, EP-A-196612, WO-A-89/11941, US-A-4,521,666, US-A-4,059,743, US-A-4,163,891 et US-A-5,591,357.
De façon connue, le coupage à l'arc plasma exploite les effets thermiques et cinétiques d'un jet plasma pour fondre le matériau à découper et expulser le matériau fondu hors de la saignée formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche par rapport à la pièce de travail ; la composition ou la nature du gaz plasmagène utilisé variant selon la nature du matériau à couper.
La tuyère de la torche se trouve généralement à un potentiel électrique intermédiaire compris entre le potentiel électrique de la cathode et celui de la tôle à travailler.
Or, pour des raisons mécaniques ou des erreurs de fonctionnement, il arrive que la tuyère entre au contact de la tôle.
Il se crée alors un arc parasite qui détruit instantanément la tuyère, ce qui se traduit alors par une détérioration très nette de la qualité de la coupe et/ou oblige l'opérateur à changer la tuyère.
La durée d'utilisation de la tuyère s'en trouve donc réduite, ce qui augmente considérablement le coût du procédé puisque les tuyères usagées doivent être remplacées plus fréquemment par des tuyères neuves.
Afin de palier ce problème, il a déjà été proposé d'agencer une coiffe de protection autour de la tuyère de la torche de manière à former une barrière mécanique isolante entre la tuyère et la tôle de façon à protéger la tuyère, lors d'un éventuel contact avec la tôle.
Pour ce faire, certains documents préconisent d'utiliser des coiffes en stumatite, qui est une céramique naturelle, ou en alumine.
Or, il a été constaté, en pratique, que si ces matériaux résistent bien a un choc thermique, ceux-ci sont relativement fragiles et peuvent se casser facilement en cas de choc avec une tôle.
Par ailleurs, il et aussi connu d'utiliser une coiffe en zircone.
Cependant, là encore, il a été constaté au plan industriel que, si les coiffes en zircone étaient plus solides que les coiffes en stumatite ou en alumine, celles-ci présentaient, par contre, une faible résistance aux chocs et contraintes thermiques.
Le problème qui se pose alors est de disposer d'une coiffe pour torche à plasma constituée d'un matériau isolant permettant de résister non seulement à la température élevée du jet de plasma, c'est-à-dire aux contraintes thermiques, mais aussi aux contraintes mécaniques, notamment aux chocs avec la tôle à travailler.
Le but de la présente invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant une coiffe de protection pour torche à plasma formée d'un matériau ayant une forte résilience pour résister aux chocs mécaniques, un faible coefficient de dilatation pour résister aux chocs thermiques et qui soit, en outre, un bon isolant électrique.
Avantageusement, la coiffe de protection selon l'invention doit aussi être relativement lisse, c'est-à-dire sans aspérité, de façon à ce que les scories projetées durant le travail du métal n'adhèrent pas ou le moins possible à la coiffe.
La présente invention concerne alors une coiffe protectrice pour torche de travail à l'arc plasma comprenant un corps de coiffe comportant un orifice de passage de gaz plasma, ledit corps de coiffe étant composé d'au moins un matériau de type céramique, caractérisée en ce que ladite céramique est un nitrure de silicium ou un silicate d'alumine, de préférence le nitrure de silicium.
Selon le cas, la coiffe de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • ledit corps de coiffe présente au moins une section cylindrique et un axe de révolution coaxial avec ledit orifice, de préférence ledit corps de coiffe a une forme générale de manchon ou de coupelle.
  • le corps de coiffe en céramique est au moins partiellement revêtu de nitrure de bore déposé sur la surface externe du corps de coiffe, de préférence l'épaisseur du revêtement de nitrure de bore est inférieure à 3 mm. Le dépôt de la couche de nitrure de bore sur la surface externe du corps de coiffe est réalisée, par exemple, par pulvérisation de nitrure de bore.
  • la céramique est du silicate d'alumine formé de SiO2, Al2O3 et d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5, et éventuellement des impuretés inévitables, dans les proportions suivantes : au moins 60% en poids de SiO2, au moins 25 % en poids de Al2O3 et le reste étant essentiellement un ou plusieurs des constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5. De préférence la céramique est du silicate d'alumine formé de 60 à 80% en poids de SiO2, préférentiellement de 60 à 70% de SiO2, de 25 à 35% en poids de Al2O3, préférentiellement de 28 à 34% en poids de Al2O3, et pour le reste (jusqu'à environ 100% en poids) d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5.
  • la céramique est un nitrure de silicium présentant une ou plusieurs des propriétés suivantes : une densité de 2 à 4 kg/dm3, de préférence de 2.3 à 3.5 kg/dm3 ; une résistance aux chocs thermiques supérieure ou égale à 600°C ; une résistivité volumique d'au moins 1010 Ω.cm, de préférence d'au moins 1012 Ω.cm ; un coefficient de dilatation thermique inférieur à 6.10-6/°C, de préférence inférieur à 4.10-6/°C ; une résistance à la flexion à 20°C d'au moins 200 MPa, de préférence d'au moins 600 MPa; et/ou une résistance à la compression d'au moins 650 MPa, de préférence d'au moins 1500 MPa.
  • le corps de coiffe a une épaisseur comprise entre 2 mm et 10 mm, au niveau ou à proximité de l'orifice de passage de gaz plasma.
  • le corps de coiffe comprend des moyens de fixation permettant de fixer ou d'agencer solidairement la coiffe sur une torche à plasma autour d'au moins une partie de la tuyère équipant ladite torche, de manière à entourer et protéger ladite tuyère.
  • le corps de coiffe est formé d'une partie aval au moins partiellement en céramique portant l'orifice fixée à une partie amont faisant office de support permettant de fixer ledit corps de coiffe sur une torche à plasma, de préférence la partie aval en céramique fixée à la partie amont par sertissage, collage ou tout autre technique adéquate et ladite partie amont est en métal ou en alliage métallique, par exemple en laiton.
  • la paroi externe du corps de coiffe comprend une ou plusieurs protubérances externes, de préférence lesdites protubérances ont une dimension comprise entre 0.5 et 2 mm par rapport à la surface de la coiffe.
L'invention concerne aussi une torche à plasma comprenant un corps de torche et une tête de torche munie d'une électrode et d'au moins une tuyère, caractérisée en ce qu'elle comprend une coiffe protectrice selon l'invention entourant au moins une partie de ladite tuyère de manière à former une barrière mécanique, électrique et thermique efficace autour de ladite tuyère.
Selon le cas, le corps de torche et la tête de torche sont dissociables l'un de l'autre, comme expliqué dans le document EP-A-599709, auquel on pourra se reporter pour plus de détail.
En outre, l'invention porte aussi sur une machine automatique, en particulier de coupage plasma, comportant une torche selon l'invention, ainsi que sur l'utilisation d'une torche ou d'une machine selon l'invention pour couper au moins une plaque métallique par mise en oeuvre d'un jet de plasma, de préférence une plaque en acier.
En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que, parmi les nombreuses céramiques susceptibles d'être utilisées en tant que matériau constitutif d'une coiffe pour torche à plasma, à savoir les silicates comprenant les stéatites et les cordiérites, les oxydes de titane, les alumines et les zircones, les céramiques naturelles, telle que la stumatite, certaines d'entre elles présentaient des propriétés particulières inattendues, c'est-à-dire qu'elles présentaient une forte résilience pour résister aux chocs mécaniques, un faible coefficient de dilatation pour résister aux chocs thermiques et pouvaient être rendues relativement lisses par usinage simple.
Ces céramiques particulières sont le nitrure de silicium (KERSIT™ ou KERNIT™) et le silicate d'alumine, lesquelles céramiques permettent d'allier l'ensemble des contraintes susmentionnées.
Une coiffe protectrice pour torche à plasma composée de l'une ou l'autre des céramiques particulières selon la présente invention est préférentiellement dimensionnée de façon à recouvrir au maximum la tuyère de la torche tout en ne pénalisant pas le fonctionnement de cette dernière, c'est-à-dire en ne perturbant pas le passage du flux de gas plasma.
Ainsi la distance entre la tôle et la tuyère étant très faible, l'épaisseur de la coiffe doit être la plus faible possible et doit permettre l'évacuation des scories au-dessus de la tôle.
Par ailleurs, des protubérances sur la coiffe permettent de maintenir éloignée la coiffe et la tôle sans pénaliser l'évacuation des scories ou du gaz.
De plus, avantageusement, un revêtement externe de la coiffe constitué de nitrure de bore permet, de par ses propriétés physicochimiques, d'éviter que des scories ou du métal fondu jaillissant de la tôle lors du perçage de celle-ci, par exemple, ne viennent se coller sur la coiffe de protection revêtue de ce revêtement externe.
L'invention va maintenant être mieux comprise au vu des figures annexées et des exemples, donnés à titre illustratif mais non limitatif de l'invention.
La figure 1 schématise une torche de coupage plasma alimentée par une source de courant 5 électrique reliée à un système d'allumage 6 d'arc électrique permettant de générer un arc pilote entre la tuyère 2 et l'électrode 1, et par divers fluides, tel que le gaz plasmagène 3. Une coiffe de protection 7 isolante en céramique selon l'invention protège la tuyère 2 de la torche. Selon un mode de réalisation particulier, la coiffe 7 isolante en céramique peut être assemblée par collage, sertissage ou tout autre moyen d'assemblage à un support métallique en cuivre, en laiton ou tout autre matériau métallique. Pendant, le coupage un jet plasma fait fondre le matériau 11 à découper et expulse le matériau 10 fondu hors de la saignée formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche et de la pièce de travail 11. La torche à plasma comprend aussi une électrode 1 où vient prendre racine l'arc électrique servant à ioniser le gaz alimentant la torche, c'est-à-dire le débit déterminé de gaz plasmagène sous pression, qui est distribué et s'écoule dans la chambre plasmagène située entre l'électrode 1 et la tuyère 2. Le jet de plasma est alors expulsé hors de la chambre plasmagène par un orifice aménagé dans la tuyère 2 et en direction de la tôle 11 à couper. Pour ce faire, l'électrode 1 est classiquement centrée au-dessus de l'orifice d'éjection du jet plasma aménagé axialement dans la tuyère 2.
Une coiffe selon l'invention peut équiper tout type de torche à plasma, quelle soit en une partie ou en deux parties dissociables l'une de l'autre (schématisée sur la figure 2), à savoir une tête 13 de torche et un corps 12 de torche, telle la torche démontable décrite dans le document EP-A-599709, ainsi que schématisé sur les figures 3 ou 4 qui représentent la tête 13 de torche après dissociation du corps 12 de torche.
Comme on peut le voir, sur les figures 3 ou 4, la coiffe 7 protectrice selon l'invention peut être formée de deux parties, à savoir :
  • une partie aval 7a en céramique comprenant l'orifice de passage du gaz et destinée à englober la majeure partie de la tuyère 2, et
  • une partie amont 7b en métal, tel le laiton, faisant office de support et d'armature métalliques, et servant au raccordement et à la fixation de la coiffe sur la torche 1.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la partie amont en céramique est sertie sur le support métallique, alors que dans le mode de réalisation de la figure 4, la partie amont en céramique est collée sur ledit support métallique.
La figure 5 représente une coiffe 7 protectrice selon l'invention en vue de profil où l'on voit apparaítre des protubérances 15 sur la partie aval 7a du corps 7 de coiffe qui permettent d'éviter tout contact mécanique direct avec la tôle sans pénaliser l'évacuation des scories ou du gaz entre la torche équipé de la coiffe et la tôle à travailler.
La figure 6 représente une vue de dessous de la coiffe de la figure 5 faisant mieux apparaítre la disposition des protubérances 15, qui sont au nombre de trois et réparties autour de l'orifice de sortie 17.
Comme on peut le voir sur la figure 7, qui est une vue en coupe longitudinale selon A-A de la coiffe des figures 5 et 6, la coiffe protectrice pour torche à plasma selon l'invention est de forme cylindro-tronconique et se compose, dans ce mode de réalisation, d'une céramique 11 particulière selon la présente invention fixée, par exemple par collage, à une structure ou armature métallique 10 interne.
Le corps de coiffe 7 comprend aussi des moyens de fixation 18, tel un filetage ou analogue, permettant de fixer ou d'agencer solidairement la coiffe sur une torche à plasma autour d'au moins une partie de la tuyère équipant ladite torche, de manière à entourer et protéger ladite tuyère.
Avantageusement, une couche d'un revêtement de nitrure de bore est déposée sur la partie en céramique et est renouvelée après un temps déterminé d'utilisation de la torche ou après usure de celle-ci.
La coiffe 7 protectrice selon l'invention peut être utilisée pour protéger la tuyère et les autres pièces fragiles de la tête de torche de n'importe quel type d'installation de découpe plasma, qu'elle soit manuelle ou automatique.
Préférentiellement, la torche selon l'invention est de type monoflux, le flux de gaz pouvant être un flux tourbillonnaire ou axial.
L'invention a été décrite ci-dessus en relation avec une torche de coupage plasma, mais il est bien entendu que l'application de cette invention n'est pas limitée aux seules torches de coupage et qu'elle concerne en tout ou partie les torches de marquage, de soudage, de projection et d'une façon générale toute torche de traitement thermique des matériaux métalliques ou non métalliques.
Exemple d'une coiffe en silicate d'alumine selon l'invention
Le tableau I ci-après donne la composition chimique d'un silicate d'alumine utilisable pour réaliser toute ou partie d'une coiffe de protection pour torche à plasma selon la présente invention.
Eléments constituants le silicate d'alumine Proportion de chaque élément ( en % en poids)
Perte au feu (séchage à 110°C) 0.61
SiO2 63.58
Al2O3 31.44
TiO2 1.79
Fe2O3 1.02
CaO 0.11
MgO < 0.08
K2O 0.81
Na2O 0.23
P2O5 0.18
TOTAL environ 99.77
Les valeurs (%) sont déterminées en faisant le rapport pondéral en grammes de chaque constituant pour 100 grammes de matière (silicate d'alumine) séchée à 110°C et sont déterminées par spectrométrie de fluorescence X.
Exemple d'une coiffe en nitrure de silicium selon l'invention
Le tableau II ci-après donne les caractéristiques de plusieurs nitrures de silicium (NS1, NS2, NS3) utilisables pour réaliser toute ou partie d'une coiffe de protection pour torche à plasma selon la présente invention.
Propriétés NS1 NS2 NS3
Densité (en kg/dm3) 2.5 3.3 3.2
Résistance aux chocs thermiques (variation de température en °C) 200 850 650
Résistivité volumique (en Ω.cm) >1010 >1012 >1012
Coefficient de dilatation thermique (10-6/°C) 3.1 3.3 3.3
Résistance à la flexion à 20°C (en MPa) >600 >600 >600
Résistance à la compression (en MPa) 650 >3000 >3000
Les nitrures de silicium (NS1, NS2, NS3) répondant aux spécifications ci-dessus sont disponibles commercialement notamment auprès de la société MORGAN-MATROC sous les références RBSN, HPSN et SSN, respectivement, ou encore auprès de la société NORTON-DEMARQUEST sous les références KERSIT™ ou KERNIT™.
Les nitrures de silicium NS2 et NS3 sont préférés car ils présentent des propriétés de résistance thermique et mécanique, et isolantes meilleures que celles de NS1.

Claims (11)

  1. Coiffe protectrice pour torche de travail à l'arc plasma comprenant un corps de coiffe (7) comportant un orifice (17) de passage de gaz plasma, au moins une partie dudit corps de coiffe (7) étant composé d'au moins un matériau de type céramique, caractérisée en ce que ladite céramique est du nitrure de silicium ou du silicate d'alumine.
  2. Coiffe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit corps de coiffe (7) présente au moins une section cylindrique et un axe de révolution coaxial avec ledit orifice (17), de préférence ledit corps de coiffe (7) a une forme générale de manchon ou de coupelle.
  3. Coiffe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit corps de coiffe (7) en céramique est au moins partiellement revêtu de nitrure de bore déposé sur la surface externe du corps de coiffe en céramique, de préférence l'épaisseur du revêtement de nitrure de bore est inférieure à 3 mm.
  4. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la céramique est du silicate d'alumine formé de SiO2, Al2O3 et d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5, dans les proportions suivantes : au moins 60%-en poids de SiO2, au moins 25 % en poids de Al2O3 et le reste étant essentiellement un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5, de préférence la céramique est du silicate d'alumine formé de 60 à 80% en poids de SiO2, de 25 à 35% en poids de Al2O3 et pour le reste (jusqu'à environ 100% en poids) d'un ou plusieurs constituants annexes choisis parmi TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O et P2O5.
  5. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la céramique est un nitrure de silicium présentant une ou plusieurs des propriétés suivantes :
    une densité de 2 à 4 en kg/dm3,
    une résistance aux chocs thermiques supérieure ou égale à 600°C,
    une résistivité volumique d'au moins 1010 Ω.cm,
    un coefficient de dilatation thermique inférieur à 6.10-6/°C,
    une résistance à la flexion à 20°C d'au moins 200 MPa,
    une résistance à la compression d'au moins 650 MPa.
  6. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit corps de coiffe (7) est formé d'une partie aval (7a) au moins partiellement en céramique portant l'orifice (17) fixée à une partie amont (7b) faisant office de support permettant de fixer ledit corps de coiffe (7) sur une torche à plasma, de préférence la partie aval (7a) en céramique fixée à la partie amont (7b) par sertissage ou collage et ladite partie amont (7b) est en métal ou en alliage métallique.
  7. Coiffe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la paroi externe du corps de coiffe (7) comprend une ou plusieurs protubérances (15) externes, de préférence lesdites protubérances (15) ont une dimension comprise entre 0.5 et 2 mm par rapport à la surface de la coiffe (7).
  8. Torche à plasma comprenant un corps (12) de torche et une tête (13) de torche munie d'une électrode et d'au moins une tuyère (2), caractérisée en ce qu'elle comprend une coiffe protectrice (7, 7a, 7b, 17) selon l'une des revendications 1 à 7 entourant au moins une partie de ladite tuyère (2) de manière à former une barrière mécanique, électrique et thermique autour de ladite tuyère (2).
  9. Torche selon la revendication 8, caractérisée en ce que le corps (12) de torche et la tête (13) de torche sont dissociables l'un de l'autre.
  10. Machine automatique, en particulier de coupage plasma, comportant une torche selon la revendication 8 ou 9.
  11. Utilisation d'une torche selon l'une des revendications 8 ou 9 ou d'une machine selon la revendication 10 pour couper au moins une plaque métallique par mise en oeuvre d'un jet de plasma, de préférence une plaque en acier.
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