EP1147692B1 - Wear part for arc welding torch produced in alloyed copper - Google Patents
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- EP1147692B1 EP1147692B1 EP99958238A EP99958238A EP1147692B1 EP 1147692 B1 EP1147692 B1 EP 1147692B1 EP 99958238 A EP99958238 A EP 99958238A EP 99958238 A EP99958238 A EP 99958238A EP 1147692 B1 EP1147692 B1 EP 1147692B1
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- torch
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- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
Definitions
- the present invention relates to the field of wearing parts or consumables for electric arc torches, especially for torches with plasma, comprising an electrode, typically the cathode, one of which end is centered opposite an ejection orifice of a jet formed of gas and an electric arc, such as a plasma jet, said orifice forming a diaphragm constriction and being carried by a wearing part called a nozzle.
- a flow suitable pressurized gas called plasma gas
- plasma gas is introduced into the plasma torch, is then distributed between the electrode and the nozzle, and flows through the orifice of said nozzle towards the workpiece, by example a structural steel sheet to be cut or parts to be welded together.
- plasma cutting systems or installations include at least one plasma torch, a power source, a arc ignition system and means for supplying fluids, such as a plasma gas, possibly a shielding gas or a post-injected fluid, and a torch coolant.
- fluids such as a plasma gas, possibly a shielding gas or a post-injected fluid, and a torch coolant.
- the plasma torch can be hand-held or can be mounted on an automatic 2D cutting machine, of portal (X, Y) or 3D type robot type (X, Y, Z).
- the plasma cutting process exploits the effects thermal and kinetic of a plasma jet to melt the material to be cut and expel the molten material out of the formed cutting groove following a relative movement of the torch relative to the workpiece of work, that is to say the part to be cut.
- an arc ignition system of the high type frequency or short-circuiting of the electrode and the nozzle, is used for establish a pilot arc, generally of low current intensity, between the electrode carried by the torch and forming a cathode, and the nozzle also carried by the torch and forming an anode.
- the intensity of the pilot arc current is brought to a generally higher value to reach the desired cutting current intensity value and, eventually, the plasma gas from the pilot arc is replaced by another gas or gas mixture then forming cutting plasma gas (blown arc system or not transferred).
- a movement is subsequently communicated, usually with a torch, to start the cutting operation properly called.
- the pilot arc is transferred to the work piece, forming an anode, the electric circuit of the nozzle is open, the current intensity of the arc is brought to a value corresponding to the intensity of the cutting current, the plasma gas of the pilot arc is possibly replaced by another gas or gas mixture then forming cutting plasma gas (transferred arc system).
- a movement is then communicated, usually by torch, to begin the operation of actual cutting.
- the constituent materials of the wearing parts that are the electrode and the nozzle are carefully chosen so that these wearing parts can resist physicochemical constraints for as long as possible, in particular thermal, to which they are subjected during the operation of cutting and therefore decrease their replacement frequency when they are worn and unsuitable for ensuring correct and efficient operation of the plasma cutting torch.
- the wear parts of the plasma torch must meet not only severe technical requirements, but also economic requirements because their cost must not be too high given their high replacement frequency.
- copper is not an ideal material for making parts of wear, such as nozzles and electrodes, in particular for torches with plasma, due to the low workability of copper and its too high malleability and its too great deformability to the annealed state, which annealed state can be achieved by the combined effects of a significant heating during intensive torch operations at plasma and a temperature holding time, from which it may result from problems during disassembly by unscrewing wearing parts, in particular electrodes and nozzles for replacement.
- the machinability index of copper is only 20 compared to a free cutting brass taken as base 100.
- document JP-A-09035892 teaches a torch electrode plasma formed from a ternary alloy of copper, zirconium and chromium can be used for 350 hours.
- document EP-A-634886 describes a torch nozzle with plasma formed from a binary alloy of more than 99.5% copper and from 0.10 to 0.20% zirconium.
- document JP-A-03011599 discloses a plasma torch electrode formed from a binary alloy, in this case of copper and 0.01 to 0.15% zirconium.
- JP-A-760047397 relates to an electrode for plasma torch formed from an alloy of 0.05 to 2% tellurium, 25 to 40% silver or copper and the rest being tungsten.
- the constituent materials of the wearing parts preferred i.e. those best suited to the requirements imposed during the operation of the electric arc torch, in particular the electrode and the nozzle in the case of a plasma torch, are particular alloys of copper or alloyed copper with a content of certain additives individuals is non-zero but generally less than 2.5% or even less than 2%, or even less than 1%.
- the percentages (%) are percentages by weight.
- the present invention also intends to provide materials alloys that can be used to make other elements consumables or wearing parts for electric arc torches, in particular for TIG, MIG or MAG welding torches, such as pliers in particular electrode holders or the electrode holder clips, since the prior art does not describe any satisafiant alloy which can be used for make this type of wear part.
- a wear part for an electric arc work torch according to the The present invention is defined by claims 1 and 2.
- Special embodiments of wearing parts according to the The present invention is defined in claims 3 to 8, 13 and 14.
- the terms “wearing part” are equivalent to the terms “consumable part” and correspond to elements or parts constituting the parts of the arc work torch likely to undergo significant alteration during torch operation requiring frequent replacement, especially electrodes and nozzles for plasma torches, or clamps electrode holders and electrode holder clips for TIG torches, MIG or MAG.
- the electrodes for torch or torch can take forms varied but, in general, an electrode is generally shaped elongated, in particular of general cylindrical or cylindrical-cylindrical shape or shape, and carries an emissive insert, in particular in hafnium, in tungsten or in zirconium, fixed at its active end or lower or downstream end.
- nozzles for torches or torches can be coated with various forms but, in general, a nozzle is generally in the form of cup or sleeve, and is pierced with a gas passage orifice.
- EP-A-750449 EP-A-278797, EP-A-573330 and EP-A-817547, which describe plasma torches.
- the choice of the material or materials alloy can be done according to several parameters or conditions.
- Wear parts made of such copper alloys can be used in any plasma arc work application generating a temperature near surfaces around the plasma arc, during torch operation, which does not exceed the melting temperature addition elements constituting the alloy, namely: 330 ° C for lead and 450 ° C for tellurium.
- structural hardening is a phenomenon that allows improve the mechanical and electrical characteristics of an alloy, by particular by heat treatment for dissolving the elements addition, by quenching and by tempering.
- a work hardening (E) is applied, either between the hardening (T) and income (R), that is, after income (R), which makes it possible to obtain even higher mechanical characteristics.
- Such alloys in the states cited above, have machinability lower than cupro-tellurium, but higher than that of copper unalloyed.
- the invention also relates to a work torch with the electric arc, in particular a plasma torch or a torch TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) or MAG (Metal Active Gas) comprising at least one wearing part according to the invention, in particular a electrode holder clamp and / or an electrode holder clamp seat.
- a work torch with the electric arc in particular a plasma torch or a torch TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) or MAG (Metal Active Gas) comprising at least one wearing part according to the invention, in particular a electrode holder clamp and / or an electrode holder clamp seat.
- a coating 95 made of an electrically insulating material, binds mechanically the assembly formed by the upper body 92, the body lower 93 and the intermediate body 94, so as to form a single block unique.
- An electrode 96 in the form of a cup with a blind bottom and constituting a wear part of the torch, is screwed tightly on the electrode holder formed by the upper body 92.
- a nozzle 97 in the form of a cup with a bottom pierced with a calibrated orifice 97a for the outlet of the plasma jet, constituting a torch wear part, is screwed tightly to the formed nozzle holder by the lower body 93.
- a flow of gas G under pressure is distributed through an orifice 98, via a dip tube 99, towards the interior bottom of the electrode 96, then rises in opposite direction in a circular section chamber 910 fitted between the outer surface of dip tube 99 and inner surface of the electrode holder formed by the upper body 92.
- a first portion G1 of said flow of gas G under pressure is derived by a first series of calibrated orifices 921 made in the wall of the electrode holder formed by the upper body 92, then by pipeline between the outer walls of the electrode holder, of electrode 96 and the walls internal of the insulating intermediate 94 and the nozzle 97, before being evacuated outside said nozzle 97 through the ejection orifice 97a.
- the second portion G2 of the flow of gas G under pressure is distributed successively by the rings of calibrated orifices 922, 941 and 931, towards an annular section 981 delimited by the external walls of the electrode holder, nozzle 97 and the internal wall of a nozzle 98 made generally made of an electrically insulating material.
- the gas flow G1 forms the plasma gas and therefore contributes to the high temperature arc and plasma jet formation when the system plasma cutting is in progress.
- the initial gas flow G1 and the residual gas flow G2 form the means of cooling by forced convection of the torch body 91, the electrode 96 and the nozzle 97.
- Figures 1 to 8 show, for their part, examples of diagrams of embodiments of nozzles and electrodes, that is to say of parts wear within the scope of the present invention, for different types torches.
- the wearing part that is to say the electrode 1
- the wearing part is consisting of an alloyed copper of the cupro-tellurium type having tellurium content about 0.3 to 0.7%, the remainder being mainly copper and possibly unavoidable impurities.
- This electrode 1 is made from a cupro-tellurium bar of hexagonal section, which is subjected to machining by bar turning high rate, which makes it possible to obtain electrodes at low cost of returns, and with high operating efficiency and long service life.
- FIG. 2 represents, for its part, a resistance electrode 1 elevated mechanics of general shape analogous to that of FIG. 1; the Similar or identical parts have the same references.
- the electrode 1 comprises, in its middle part 5, an external prismatic or semi-prismatic shape allowing the taking of a form key suitable for screwing and blocking electrode 1 on its support in the torch body.
- the wear part i.e. the electrode body 2 of electrode 1
- the wear part is made of copper alloy of the cupro-chrome type having a chromium content of approximately 0.5% to 1%, which allows, despite the weakening of section generated by the groove 7, an electrode of sufficient mechanical strength to withstand tightening and loosening with high torque by means of a wrench, without risk of torsional breakage, shear and / or elongation in the section weakening zone.
- Such an electrode has a high thermal resistance because the use of a copper alloy of the cupro-chrome type for the production of the electrode 1 allows its geometric integrity to be preserved, in particular at neighborhood of the emissive insert 3, that is to say without local fusion, despite a high temperature of the active end carrying the insert 3, for example, when a first electric arc is ignited without recourse to a system high frequency (HF) ignition, i.e. after short-circuiting the tip of electrode 1 and the bottom of the torch nozzle.
- HF system high frequency
- Figure 3 shows schematically, a nozzle at low cost for plasma torch within the scope of the present invention.
- the nozzle 7, of general shape in a bottom cup drilled has an internal recess 17, a gas passage channel 7a plasmagen and electric arc, and a thread 18 at its upper part external to allow assembly by screwing onto a torch body, as shown in figure 9.
- the use of a copper alloy of the cupro-tellurium type having a tellurium content of 0.3% to 0.7%, as a constituent material of the wearing part, that is to say of the nozzle 7, makes it possible to produce a high-speed machining by machining and therefore leads to obtaining low cost nozzles.
- Figure 4 shows schematically, a nozzle with thermal resistance high for plasma torch, generally similar in shape to that of Figure 3; identical or similar parts have the same references.
- the nozzle 7 of FIG. 4 of general shape also in a cup with pierced bottom, again includes an internal recess 17 and a channel 7a passage of plasma gas and electric arc.
- channel 7a The dimensions of channel 7a are such that the plasma jet is strongly constricted and a very significant heat exchange ensues between said plasma jet and the nozzle 7, in the region of the walls of said channel 7a, then leading to a heating of said walls to a temperature sometimes reaching more than 500 ° C.
- a constituent material of the nozzle 7 namely a copper alloy of the cupro-chrome type containing 0.5 to 1% chromium, to maintain the geometric integrity of the nozzle 7, in particular of the walls of the channel 7a, that is to say substantially without local fusion, despite a significant temperature of said walls.
- Figure 5 shows schematically, another embodiment of a nozzle 7 with high thermal resistance and moderate cost price entering in the context of the present invention.
- FIG. 6 represents a complex electrode 61 at low cost of returns, according to the invention, composed of a main body 62, produced by example in free-cutting brass (CuZn39Pb2 or CuZn40Pb3), in shape general of revolution and comprising at its lower part or active part, a first bore 65 and a second bore 60 of smaller diameter.
- a dip tube 63 cylindrical, made of free-cutting brass of a shade similar to that of the main body 62, is force-fitted in the bore 60 of the main body 62.
- a bore 67 for the passage of gas is made in the main body 62 to be in communication with a hole 68 of identical and coaxial diameter made in the dip tube 63.
- a series of calibrated orifices 62a is drilled in the upper part of the bore 65 so as to connect the demarcated section 69, on the one hand, by the external wall of the dip tube 63 and, on the other hand, by the inner wall of bore 65, with the environment of electrode 61.
- the calibrated orifices of the series of calibrated orifices 62a are drilled so as to tangentially open into bore 65.
- a set 64 consisting of a cylindrical hafnium 64b emissive insert set in a cylindrical tubular casing 64a made of cupro-chrome with a content in chromium between 0.5 and 1%, is force-fitted into the bore 65, so as to completely close off the end of the electrode 61.
- the electrode 61 has an internal circuit allowing circulation of a gas flow 66, forming plasma gas, via the holes 67, 68 towards the rear surface of the assembly 64 to cool it, when an electric arc is formed on the underside of the emissive insert 64b, then channeling said flow through section 69 to calibrated orifices 62a to form the currents of gas 66a necessary for the formation of the plasma arc.
- Facilities additional are practiced on the external periphery of the part upper part of the electrode body 62, namely: a first groove 62b intended to receive a system comprising at least one ball coming from the torch body and allowing the locking of the electrode 61 in said torch body; a second groove 62c intended to receive a seal sealing ring.
- Such a complex electrode 61 is used as an element constituting a set of wearing parts, otherwise called cartridge as shown in figure 8.
- a cartridge 80 according to FIG. 8 comprises a electrode 61, as described above, a nozzle 82 pierced with a calibrated orifice 82a for ejecting the plasma jet and produced in cupro-tellurium (tellurium content from 0.3 to 0.7%), an insulating shim 83 made of material thermosetting plastic, a first O-ring seal 85, a second seal 84. All of these elements 61, 82, 83, 85 is made inseparable by constriction of a thin lip 82b, coming from the body of the nozzle 82, up to the backlash free contact of the insulating shim 83 located then pressed and locked in position on a seat 82c machined in the nozzle 82.
- the wearing parts have been described in relation to a plasma cutting torch, it is understood that the wear parts according to the present invention, in particular the electrodes, the nozzles, cartridges formed of an electrode / nozzle assembly, the electrode holders and the electrode holder pliers, are not limited to torches only cutting plasma and that they can also be intended for other types torches or torches, in particular marking torches, TIG, MIG or MAG welding, plasma spraying and, in general, any heat treatment torch for metallic materials or not metal.
Abstract
Description
La présente invention concerne le domaine des pièces d'usure ou consommables pour torches à arc électrique, notamment pour torches à plasma, comportant une électrode, typiquement la cathode, dont une extrémité est centrée en regard d'un orifice d'éjection d'un jet formé de gaz et d'un arc électrique, tel un jet de plasma, ledit orifice formant diaphragme de constriction et étant porté par une pièce d'usure appelée tuyère.The present invention relates to the field of wearing parts or consumables for electric arc torches, especially for torches with plasma, comprising an electrode, typically the cathode, one of which end is centered opposite an ejection orifice of a jet formed of gas and an electric arc, such as a plasma jet, said orifice forming a diaphragm constriction and being carried by a wearing part called a nozzle.
Habituellement, dans le cas d'une torche à plasma, un débit convenable de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, est introduit dans la torche à plasma, est ensuite distribué entre l'électrode et la tuyère, et s'écoule par l'orifice de ladite tuyère en direction de la pièce de travail, par exemple une tôle d'acier de construction à couper ou des pièces à souder ensemble.Usually, in the case of a plasma torch, a flow suitable pressurized gas, called plasma gas, is introduced into the plasma torch, is then distributed between the electrode and the nozzle, and flows through the orifice of said nozzle towards the workpiece, by example a structural steel sheet to be cut or parts to be welded together.
En général, les systèmes ou installations de coupage plasma comprennent au moins une torche à plasma, une source de courant, un système d'allumage d'arc et des moyens d'alimentation en fluides, tels que un gaz plasmagène, éventuellement un gaz de protection ou un fluide post-injecté, et un fluide de refroidissement de la torche.In general, plasma cutting systems or installations include at least one plasma torch, a power source, a arc ignition system and means for supplying fluids, such as a plasma gas, possibly a shielding gas or a post-injected fluid, and a torch coolant.
La torche à plasma peut être tenue à la main ou peut être montée sur une machine automatique de découpe 2D, de type portique (X, Y) ou 3D de type robot (X, Y, Z).The plasma torch can be hand-held or can be mounted on an automatic 2D cutting machine, of portal (X, Y) or 3D type robot type (X, Y, Z).
Habituellement, le procédé de coupage plasma exploite les effets thermique et cinétique d'un jet plasma pour fondre le matériau à découper et expulser le matériau fondu hors de la saignée de coupe formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche par rapport à la pièce de travail, c'est-à-dire la pièce à couper.Usually the plasma cutting process exploits the effects thermal and kinetic of a plasma jet to melt the material to be cut and expel the molten material out of the formed cutting groove following a relative movement of the torch relative to the workpiece of work, that is to say the part to be cut.
De façon connue en soi, un système d'allumage d'arc, du type à haute fréquence ou à mise en court-circuit de l'électrode et de la tuyère, est utilisé pour établir un arc pilote, généralement de faible intensité de courant, entre l'électrode portée par la torche et formant cathode, et la tuyère également portée par la torche et formant anode.In a manner known per se, an arc ignition system, of the high type frequency or short-circuiting of the electrode and the nozzle, is used for establish a pilot arc, generally of low current intensity, between the electrode carried by the torch and forming a cathode, and the nozzle also carried by the torch and forming an anode.
Ensuite, dans le cas d'une découpe de matériaux non-métalliques, l'intensité du courant d'arc pilote est portée à une valeur généralement supérieure pour atteindre la valeur d'intensité du courant de coupe souhaitée et, éventuellement, le gaz plasmagène de l'arc pilote est remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe (système à arc soufflé ou non-transféré). Un mouvement est subséquemment communiqué, généralement à la torche, pour commencer l'opération de découpe proprement dite.Then, in the case of cutting non-metallic materials, the intensity of the pilot arc current is brought to a generally higher value to reach the desired cutting current intensity value and, eventually, the plasma gas from the pilot arc is replaced by another gas or gas mixture then forming cutting plasma gas (blown arc system or not transferred). A movement is subsequently communicated, usually with a torch, to start the cutting operation properly called.
De manière alternative, dans le cas d'une découpe de matériaux métalliques, l'arc pilote est transféré à la pièce de travail formant alors anode, le circuit électrique de la tuyère est ouvert, l'intensité de courant de l'arc est portée à une valeur correspondant à l'intensité de courant de coupe, le gaz plasmagène de l'arc pilote est éventuellement remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe (système à arc transféré). Un mouvement est ensuite communiqué, généralement à la torche, pour commencer l'opération de découpe proprement dite.Alternatively, in the case of cutting materials metal, the pilot arc is transferred to the work piece, forming an anode, the electric circuit of the nozzle is open, the current intensity of the arc is brought to a value corresponding to the intensity of the cutting current, the plasma gas of the pilot arc is possibly replaced by another gas or gas mixture then forming cutting plasma gas (transferred arc system). A movement is then communicated, usually by torch, to begin the operation of actual cutting.
Cependant, dans tous les cas, il est nécessaire que le ou les matériaux constitutifs des pièces d'usure que sont l'électrode et la tuyère soient choisis avec soin, de manière à ce que ces pièces d'usure puissent résister le plus longtemps possible aux contraintes physico-chimiques, notamment thermiques, auxquelles elles sont soumises durant l'opération de coupage et donc ainsi diminuer leur fréquence de remplacement lorsqu'elles sont usées et impropres à assurer un fonctionnement correct et efficace de la torche de coupage plasma. However, in all cases, it is necessary that the constituent materials of the wearing parts that are the electrode and the nozzle are carefully chosen so that these wearing parts can resist physicochemical constraints for as long as possible, in particular thermal, to which they are subjected during the operation of cutting and therefore decrease their replacement frequency when they are worn and unsuitable for ensuring correct and efficient operation of the plasma cutting torch.
En d'autres termes, les pièces d'usure de la torche à plasma doivent répondre non seulement à des exigences techniques sévères, mais aussi à des exigences économiques car leur coût ne doit pas être trop élevé compte-tenu de leur fréquence de remplacement élevée.In other words, the wear parts of the plasma torch must meet not only severe technical requirements, but also economic requirements because their cost must not be too high given their high replacement frequency.
Plus précisément, les exigences techniques à respecter sont notamment :
- une conductivité électrique élevée pour permettre le passage du courant électrique utile sans échauffement excessif du matériau par effet Joule ou, autrement dit, avoir la possibilité de réduire les sections métalliques utiles ou d'allonger les éléments conducteurs sans risque de concentration excessive de chaleur.
- une conductivité thermique et une diffusivité thermique élevées pour permettre la propagation rapide d'un flux de chaleur au sein du matériau, dans lequel est réalisé la tuyère ou l'électrode, depuis une zone de voisinage avec un arc électrique à haute température vers une zone d'échange avec un fluide de refroidissement sans que, localement, la température de fusion du matériau ou de l'un de ses constituants soit atteinte.
- une résistance mécanique suffisante pour supporter les contraintes imposées par le mode d'assemblage des électrodes et des tuyères sur le corps de torche et éventuellement par le frottement de l'extrémité de la tuyère sur la surface à découper.
- une utilisation de matériaux d'usage courant pour un approvisionnement aisé et une bonne usinabilité pour un coût de fabrication, par grande quantité, acceptable et compatible au plan industriel.
- a high electrical conductivity to allow the passage of useful electrical current without excessive heating of the material by the Joule effect or, in other words, having the possibility of reducing the useful metallic sections or of lengthening the conductive elements without risk of excessive concentration of heat.
- high thermal conductivity and thermal diffusivity to allow the rapid propagation of a heat flow within the material, in which the nozzle or the electrode is made, from a neighboring area with a high temperature electric arc to an area exchange with a cooling fluid without locally, the melting temperature of the material or one of its constituents is reached.
- sufficient mechanical strength to withstand the stresses imposed by the method of assembling the electrodes and the nozzles on the torch body and possibly by the friction of the end of the nozzle on the surface to be cut.
- use of commonly used materials for easy supply and good machinability at a manufacturing cost, in large quantities, acceptable and compatible on an industrial scale.
Actuellement, l'art antérieur enseigne que les pièces d'usure, c'est-à-dire les électrodes et les tuyères de torches à plasma, doivent être réalisées en cuivre. A ce titre, on peut citer les documents US-A-3.575.568 et EP-A-444344 qui décrivent l'utilisation d'électrodes en cuivre. Currently, the prior art teaches that wearing parts, that is to say plasma torch electrodes and nozzles must be made in copper. As such, we can cite the documents US-A-3,575,568 and EP-A-444,344 which describe the use of copper electrodes.
Or, le cuivre n'est pas un matériau idéal pour réaliser des pièces d'usure, telles que tuyères et électrodes, en particulier pour torches à plasma, du fait de la faible aptitude du cuivre à l'usinage et de sa malléabilité trop élevée et son aptitude à la déformation trop importante à l'état recuit, lequel état recuit peut être atteint par les effets combinés d'un échauffement important lors de fonctionnements intensifs de la torche à plasma et d'un temps de maintien en température, d'où il peut résulter des problèmes lors du démontage par dévissage des pièces d'usure, notamment des électrodes et des tuyères, en vue de leur remplacement. A titre comparatif, l'indice d'usinabilité du cuivre n'est que de 20 par rapport à un laiton de décolletage pris comme base 100.However, copper is not an ideal material for making parts of wear, such as nozzles and electrodes, in particular for torches with plasma, due to the low workability of copper and its too high malleability and its too great deformability to the annealed state, which annealed state can be achieved by the combined effects of a significant heating during intensive torch operations at plasma and a temperature holding time, from which it may result from problems during disassembly by unscrewing wearing parts, in particular electrodes and nozzles for replacement. As comparison, the machinability index of copper is only 20 compared to a free cutting brass taken as base 100.
De là, certains documents préconisent de réaliser certains des pièces d'usure de torche en un alliage de cuivre avec un ou plusieurs autres matériaux de manière à augmenter la durée de vie de ces pièces d'usure ou faciliter leur fabrication.From there, some documents recommend making some of the pieces torch wear of a copper alloy with one or more others materials so as to increase the life of these wearing parts or facilitate their manufacture.
Ainsi, le document JP-A-09035892 enseigne une électrode de torche à plasma formée d'un alliage ternaire de cuivre, de zirconium et de chrome pouvant être utilisée pendant 350 heures.Thus, document JP-A-09035892 teaches a torch electrode plasma formed from a ternary alloy of copper, zirconium and chromium can be used for 350 hours.
En outre, le document EP-A-634886 décrit une tuyère de torche à plasma formée d'un alliage binaire de plus de 99.5% de cuivre et de 0.10 à 0.20 % de zirconium.In addition, document EP-A-634886 describes a torch nozzle with plasma formed from a binary alloy of more than 99.5% copper and from 0.10 to 0.20% zirconium.
De façon analogue, le document JP-A-03011599 divulgue une électrode de torche à plasma formée d'un alliage binaire, dans ce cas, de cuivre et de 0.01 à 0.15 % de zirconium.Similarly, document JP-A-03011599 discloses a plasma torch electrode formed from a binary alloy, in this case of copper and 0.01 to 0.15% zirconium.
Par ailleurs, le document JP-A-760047397 a trait à une électrode de torche à plasma formée d'un alliage de 0.05 à 2% de tellure, de 25 à 40% d'argent ou de cuivre et les reste étant du tungstène.Furthermore, the document JP-A-760047397 relates to an electrode for plasma torch formed from an alloy of 0.05 to 2% tellurium, 25 to 40% silver or copper and the rest being tungsten.
On peut aussi citer le document DE-A-19626941 qui décrit un alliage contenant majoritairement de l'aluminium additionné de 3% de cuivre, de 0.5% de magnésium et de 5% d'antimoine, ainsi que le document WO-A-92/14576 ayant trait à des carbures de céramiques ultra-fins obtenus par plasma.We can also cite the document DE-A-19626941 which describes an alloy mainly containing aluminum with 3% copper added, 0.5% magnesium and 5% antimony, as well as document WO-A-92/14576 relating to ultra-fine ceramic carbides obtained by plasma.
Le problème qui se pose alors est de concevoir des pièces d'usure pour torches améliorées, en particulier pour torches à plasma, qui soient capables de répondre favorablement aux exigences et contraintes susmentionnées, c'est-à-dire des pièces d'usure ayant des durées de vie au moins aussi bonnes, voire plus élevées, que celles existant actuellement, c'est-à-dire des pièces d'usure en cuivre ou les alliages susmentionnés, telles qu'habituellement préconisées dans l'art antérieur, sans toutefois présenter les problèmes d'usinage et de malléabilité rencontrés avec le cuivre.The problem then is to design wear parts for improved torches, in particular for plasma torches, which are able to respond favorably to requirements and constraints mentioned above, that is to say wearing parts having lifetimes at less as good, or even higher, than those currently in existence, that is to say wearing parts made of copper or the aforementioned alloys, as usually recommended in the prior art, without however present the machining and malleability problems encountered with the copper.
De là, il a été mis en évidence, dans le cadre de la présente invention, que certains alliages particuliers de cuivre, non connus de l'art antérieur, présentaient des propriétés intéressantes et assez inattendues, et permettaient d'aboutir à des pièces d'usure de durée de vie au moins équivalente, voire augmentée, par rapport aux pièces d'usure en cuivre connues de l'art antérieur.From there it was highlighted, as part of this invention, that certain particular copper alloys not known in the art previous, had interesting and quite unexpected properties, and allowed to achieve wear parts with a lifespan at least equivalent, or even increased, compared to copper wear parts known from the prior art.
En d'autres termes, il apparaít que l'addition de petites quantités de certains éléments chimiques particuliers au cuivre, en particulier le tellure, le chrome ou le plomb, confèrent à l'alliage de cuivre ainsi obtenu des caractéristiques mécaniques et/ou d'usinage intéressantes, c'est-à-dire considérablement améliorées et ce, sans altérer les propriétés fondamentales de conductivités électriques et thermique, de durée de vie et de résistance à la corrosion des pièces d'usure réalisées en un tel alliage.In other words, it appears that the addition of small amounts of certain chemical elements specific to copper, in particular tellurium, chromium or lead, confer on the copper alloy thus obtained interesting mechanical and / or machining characteristics, i.e. considerably improved without altering the properties fundamentals of electrical and thermal conductivities, lifetime and corrosion resistance of wear parts made of such an alloy.
Ainsi, il a été montré que les matériaux constitutifs des pièces d'usure préférés, c'est-à-dire les mieux adaptés aux exigences imposées lors du fonctionnement de la torche à arc électrique, en particulier l'électrode et la tuyère dans le cas d'une torche à plasma, sont des alliages particuliers de cuivre ou cuivres alliés dont la teneur en certains éléments d'addition particuliers est non-nulle mais généralement inférieure à 2.5 %, voire inférieure à 2%, voire même inférieure à 1%. Dans le cadre de la présente invention, les pourcentages (%) sont des pourcentages en poids.Thus, it has been shown that the constituent materials of the wearing parts preferred, i.e. those best suited to the requirements imposed during the operation of the electric arc torch, in particular the electrode and the nozzle in the case of a plasma torch, are particular alloys of copper or alloyed copper with a content of certain additives individuals is non-zero but generally less than 2.5% or even less than 2%, or even less than 1%. In the context of this invention, the percentages (%) are percentages by weight.
De plus, la présente invention entend aussi proposer des matériaux d'alliages pouvant être utilisés pour réaliser d'autres éléments consommables ou pièces d'usure pour torche à arc électrique, en particulier pour torches de soudage TIG, MIG ou MAG, tels notamment les pinces porte-électrodes ou les sièges de pinces porte-électrodes, étant donné que l'art antérieur ne décrit aucun alliage satisafisant pouvant être utilisé pour réaliser ce type de pièces d'usure.In addition, the present invention also intends to provide materials alloys that can be used to make other elements consumables or wearing parts for electric arc torches, in particular for TIG, MIG or MAG welding torches, such as pliers in particular electrode holders or the electrode holder clips, since the prior art does not describe any satisafiant alloy which can be used for make this type of wear part.
Une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique selon la
présente invention est définie par les revendications 1 et 2.
Des modes particuliers de réalisation de pièces d'usure selon la
présente invention sont définis dans les revendications 3 à 8, 13 et 14. A wear part for an electric arc work torch according to the
The present invention is defined by
Dans le cadre de la présente invention, les termes "pièce d'usure" sont équivalents aux termes "pièce consommable" et correspondent aux éléments ou pièces constituant les parties de la torche de travail à l'arc électrique susceptibles de subir une altération importante lors du fonctionnement de la torche nécessitant leur remplacement fréquemment, en particulier les électrodes et les tuyères pour torche à plasma, ou les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes pour torches TIG, MIG ou MAG. In the context of the present invention, the terms "wearing part" are equivalent to the terms "consumable part" and correspond to elements or parts constituting the parts of the arc work torch likely to undergo significant alteration during torch operation requiring frequent replacement, especially electrodes and nozzles for plasma torches, or clamps electrode holders and electrode holder clips for TIG torches, MIG or MAG.
Les électrodes pour torche ou chalumeau peuvent revêtir des formes variées mais, en général, une électrode est généralement de forme allongée, notamment de forme ou d'allure générale cylindrique ou cylindrotronconique, et porte un insert émissif, notamment en hafnium, en tungstène ou en zirconium, fixé à son extrémité active ou extrémité inférieure ou aval.The electrodes for torch or torch can take forms varied but, in general, an electrode is generally shaped elongated, in particular of general cylindrical or cylindrical-cylindrical shape or shape, and carries an emissive insert, in particular in hafnium, in tungsten or in zirconium, fixed at its active end or lower or downstream end.
De même, les tuyères pour torche ou chalumeau peuvent revêtir des formes variées mais, en général, une tuyère est généralement de forme de coupelle ou de manchon, et est percée d'un orifice de passage de gaz.Likewise, the nozzles for torches or torches can be coated with various forms but, in general, a nozzle is generally in the form of cup or sleeve, and is pierced with a gas passage orifice.
De telles électrodes et tuyères sont décrites dans de nombreux documents de l'art antérieur et, dès lors, leur agencement dans la torche, leur structure générale et leur mode de fonctionnement ne seront pas détaillés ci-après.Such electrodes and nozzles are described in numerous documents of the prior art and, therefore, their arrangement in the torch, their general structure and mode of operation will not be detailed below.
Toutefois, à titre d'exemples, on peut se reporter aux documents suivants : EP-A-750449, EP-A-278797, EP-A-573330 et EP-A-817547, qui décrivent les torches à plasma.However, as examples, reference may be made to the documents following: EP-A-750449, EP-A-278797, EP-A-573330 and EP-A-817547, which describe plasma torches.
Par ailleurs, selon la présente invention, le choix du ou des matériaux d'alliage peut se faire en fonction de plusieurs paramètres ou conditions.Furthermore, according to the present invention, the choice of the material or materials alloy can be done according to several parameters or conditions.
Ainsi, lorsque une usinabilité aisée et un faible prix de revient de fabrication par usinage sont primordiaux et qu'il est nécessaire de conserver une conductivité thermique et électrique correcte, on utilise préférentiellement, en tant que matériau constitutif des pièces d'usure, des cuivres alliés contenant des éléments favorisant l'usinage, tels que :
- des alliages de cuivre et de tellure (Cu-Te) contenant, par exemple, d'environ 0,3% à 0,7% de tellure, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-tellure ; ou
- des alliages de cuivre et de plomb (Cu-Pb) qui présentent des propriétés très voisines de celles du cupro- tellure.
- copper and tellurium alloys (Cu-Te) containing, for example, about 0.3% to 0.7% tellurium, such alloys are called cupro-tellurium type alloys; or
- copper and lead alloys (Cu-Pb) which have properties very close to those of cuprotellide.
En effet, il a été mis en évidence que l'addition de ces éléments insolubles, tels Te et Pb, dispersés en fins globules améliore notablement l'aptitude du cuivre à l'usinage car ces éléments rendent les copeaux courts et cassants en facilitant leur fractionnement, et il s'ensuit que l'aptitude à l'usinage de ces alliages de cuivre est tout-à-fait comparable à celle des laitons de décolletage.Indeed, it was highlighted that the addition of these elements insoluble, such as Te and Pb, dispersed into fine globules significantly improves the suitability of copper for machining because these elements make the chips short and brittle by facilitating their fractionation, and it follows that the ability to the machining of these copper alloys is quite comparable to that of free cutting brasses.
Les pièces d'usure constituées de tels alliages de cuivre peuvent être utilisées dans toute application de travail à l'arc plasma engendrant une température à proximité des surfaces avoisinant l'arc plasma, durant le fonctionnement de la torche, qui ne dépasse pas la température de fusion des éléments d'addition constituant l'alliage, à savoir : 330°C pour le plomb et 450°C pour le tellure.Wear parts made of such copper alloys can be used in any plasma arc work application generating a temperature near surfaces around the plasma arc, during torch operation, which does not exceed the melting temperature addition elements constituting the alloy, namely: 330 ° C for lead and 450 ° C for tellurium.
Par contre, lorsqu'une résistance mécanique élevée est recherchée, ainsi qu'une bonne conductivité thermique et électrique, on préfère utiliser des cuivres alliés à durcissement structural susceptibles de procurer une haute résistance aux déformations, particulièrement à chaud, tels que :
- des alliages de cuivre et de chrome (Cu-Cr) contenant, par exemple, d'environ 0,5% à 1% de chrome, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-chrome ;
- des alliages de cuivre et de zirconium (Cu-Zr) contenant, par exemple, d'environ 0,1% à 0,2% de zirconium, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-zirconium ; ou
- des alliages de cuivre, de chrome et de zirconium (Cu-Cr-Zr) contenant, par exemple, environ 0,8% de chrome et 0,15% de zirconium, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-chrome-zirconium.
- copper and chromium alloys (Cu-Cr) containing, for example, from about 0.5% to 1% of chromium, such alloys are called cupro-chromium type alloys;
- copper and zirconium alloys (Cu-Zr) containing, for example, from about 0.1% to 0.2% of zirconium, such alloys are called cupro-zirconium type alloys; or
- copper, chromium and zirconium alloys (Cu-Cr-Zr) containing, for example, about 0.8% chromium and 0.15% zirconium, such alloys are called cupro-chromium-zirconium alloys .
En effet, le durcissement structural est un phénomène qui permet d'améliorer les caractéristiques mécaniques et électriques d'un alliage, en particulier par traitement thermique de mise en solution des éléments d'addition, par trempe et par revenu.Indeed, structural hardening is a phenomenon that allows improve the mechanical and electrical characteristics of an alloy, by particular by heat treatment for dissolving the elements addition, by quenching and by tempering.
En pratique, un écrouissage (E) est appliqué, soit entre la trempe (T) et le revenu (R), soit après le revenu (R), ce qui permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques plus élevées encore.In practice, a work hardening (E) is applied, either between the hardening (T) and income (R), that is, after income (R), which makes it possible to obtain even higher mechanical characteristics.
Il s'agit des états TER et TRE pour lesquels le durcissement structural et l'écrouissage cumulent leurs effets.These are TER and TRE states for which structural hardening and hardening cumulate their effects.
De tels alliages, dans les états cités précédemment, présentent une usinabilité inférieure au cupro-tellure, mais supérieure à celle du cuivre non-allié.Such alloys, in the states cited above, have machinability lower than cupro-tellurium, but higher than that of copper unalloyed.
Le procédé de fabrication d'une pièce d'usure selon la présente invention est défini par la revendication 9. Des pièces d'usure obtenues par un tel procédé sont définies dans les revendications 10 et 11. The method of manufacturing a wearing part according to the present invention is defined by claim 9. Wear parts obtained by a such a process are defined in claims 10 and 11.
Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une torche de travail à l'arc électrique, en particulier un torche à plasma ou une torche TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) ou MAG (Metal Active Gas) comprenant au moins une pièce d'usure selon l'invention, en particulier une pince porte-électrode et/ou un siège de pince porte-électrode.According to another aspect, the invention also relates to a work torch with the electric arc, in particular a plasma torch or a torch TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) or MAG (Metal Active Gas) comprising at least one wearing part according to the invention, in particular a electrode holder clamp and / or an electrode holder clamp seat.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'exemples de modes de réalisation schématisés sur les figures annexées, lesquels sont donnés à titre illustratif mais non limitatif.The invention will now be described in more detail using examples of embodiments shown diagrammatically in the appended figures, which are given by way of illustration but not limitation.
La figure 9 schématise l'extrémité inférieure ou extrémité active, vue en coupe longitudinale, d'une torche de coupage plasma comprenant un corps de torche 91 comportant :
- un corps supérieur 92 réalisé en un matériau conducteur de l'électricité et formant porte-électrode ;
- un corps inférieur 93 réalisé en un matériau conducteur de l'électricité et formant porte-tuyère ; et
- un corps intermédiaire 94 réalisé en un matériau non-conducteur de l'électricité et intercalé entre le corps supérieur 92 et le corps inférieur 93, de sorte d'isoler électriquement le corps supérieur 92 et le corps inférieur 93, l'un de l'autre, et à les maintenir de manière concentrique, l'un à l'autre.
- an
upper body 92 made of an electrically conductive material and forming an electrode holder; - a
lower body 93 made of an electrically conductive material and forming a nozzle holder; and - an
intermediate body 94 made of an electrically non-conductive material and interposed between theupper body 92 and thelower body 93, so as to electrically isolate theupper body 92 and thelower body 93, one of the other, and to hold them concentrically, to each other.
Un enrobage 95, réalisé en un matériau électriquement isolant, lie
mécaniquement l'ensemble formé par le corps supérieur 92, le corps
inférieur 93 et le corps intermédiaire 94, de façon à ne former qu'un bloc
unique.A
Une électrode 96, en forme de coupelle à fond borgne et constituant
une pièce d'usure de la torche, est vissée à étanchéité sur le porte-électrode
formé par le corps supérieur 92. An
De manière analogue, une tuyère 97, en forme de coupelle à fond
percé d'un orifice calibré 97a de sortie du jet de plasma, constituant une
pièce d'usure de la torche, est vissée à étanchéité sur le porte-tuyère formé
par le corps inférieur 93.Similarly, a
Un débit de gaz G sous pression est distribué par un orifice 98, via un
tube plongeur 99, vers le fond intérieur de l'électrode 96, puis remonte en
sens inverse dans une chambre à section circulaire 910 aménagée entre la
surface extérieure du tube plongeur 99 et la surface intérieure du porte-électrode
formé par le corps supérieur 92.A flow of gas G under pressure is distributed through an
Une première portion G1 dudit débit de gaz G sous pression est
dérivée par une première série d'orifices calibrés 921 pratiqués dans la paroi
du porte-électrode formé par le corps supérieur 92, puis par canalisation
entre les parois externes du porte-électrode, de l'électrode 96 et les parois
internes de l'intermédiaire isolant 94 et de la tuyère 97, avant d'être évacué
à l'extérieur de ladite tuyère 97 par l'orifice d'éjection 97a.A first portion G1 of said flow of gas G under pressure is
derived by a first series of calibrated
La seconde portion G2 du débit de gaz G sous pression est
distribuée successivement par les couronnes d'orifices calibrés 922, 941 et
931, vers une section annulaire 981 délimitée par les parois externes du
porte-électrode, de la tuyère 97 et la paroi interne d'une buse 98 réalisée
généralement en un matériau électriquement isolant.The second portion G2 of the flow of gas G under pressure is
distributed successively by the rings of calibrated
Le débit de gaz G1 forme le gaz plasmagène et concoure donc à la formation de l'arc et du jet plasma à haute température lorsque le système de découpe plasma est en cours d'opération.The gas flow G1 forms the plasma gas and therefore contributes to the high temperature arc and plasma jet formation when the system plasma cutting is in progress.
Le débit initial de gaz G1 et le débit de gaz résiduel G2 forment le
moyen de refroidissement par convection forcée du corps de torche 91, de
l'électrode 96 et de la tuyère 97.The initial gas flow G1 and the residual gas flow G2 form the
means of cooling by forced convection of the
Les figures 1 à 8 représentent, quant à elles, des exemples de schémas de réalisation de tuyères et d'électrodes, c'est-à-dire de pièces d'usure entrant dans le cadre de la présente invention, pour différents types de torches. Figures 1 to 8 show, for their part, examples of diagrams of embodiments of nozzles and electrodes, that is to say of parts wear within the scope of the present invention, for different types torches.
Ainsi, la figure 1 montre, selon une vue en coupe longitudinale, une électrode 1 à corps massif constituée d'un corps d'électrode 2, de forme générale axisymétrique en coupelle à fond borgne, comportant,
- à sa partie supérieure ou amont,
un taraudage 4 pour permettre un assemblage par vissage de l'électrode 1 sur un corps de torche, comme montré sur la figure 9, - à sa partie inférieure ou partie active, un alésage 6' pour recevoir,
par emmanchement à force, par sertissage et/ou par brasage,
un insert émissif 3 constitué de zirconium, de hafnium ou de tungstène, sous une forme pure ou alliée, - dans
sa partie médiane 5, une forme externe polygonale, notamment hexagonale, pour permettre la prise d'une clé de forme adaptée pour effectuer le vissage et le serrage de l'électrode 1 sur son support dans le corps de torche, comme montré sur la figure 9.
- at its upper or upstream part, a
thread 4 to allow assembly by screwing of the electrode 1 on a torch body, as shown in FIG. 9, - at its lower part or active part, a bore 6 ′ for receiving, by force fitting, by crimping and / or by brazing, an
emissive insert 3 made of zirconium, hafnium or tungsten, in pure or alloyed form, - in its
middle part 5, a polygonal external shape, in particular hexagonal, to allow the taking of a key of shape adapted to carry out the screwing and tightening of the electrode 1 on its support in the torch body, as shown on the figure 9.
Dans cet exemple, la pièce d'usure, c'est-à-dire l'électrode 1, est constituée d'un cuivre allié de type cupro-tellure ayant teneur en tellure d'environ 0,3 à 0,7%, le reste étant essentiellement du cuivre et éventuellement des impuretés inévitables.In this example, the wearing part, that is to say the electrode 1, is consisting of an alloyed copper of the cupro-tellurium type having tellurium content about 0.3 to 0.7%, the remainder being mainly copper and possibly unavoidable impurities.
Cette électrode 1 est fabriquée à partir d'une barre de cupro-tellure de section hexagonale, qui est soumise à un usinage par décolletage à grande cadence, ce qui permet d'obtenir des électrodes à faible prix de revient, et à efficacité d'utilisation et durée de vie élevées.This electrode 1 is made from a cupro-tellurium bar of hexagonal section, which is subjected to machining by bar turning high rate, which makes it possible to obtain electrodes at low cost of returns, and with high operating efficiency and long service life.
La figure 2 représente, quant à elle, une électrode 1 à résistance mécanique élevée de forme générale analogue à celle de la figure 1 ; les parties similaires ou identiques portent les mêmes références.FIG. 2 represents, for its part, a resistance electrode 1 elevated mechanics of general shape analogous to that of FIG. 1; the Similar or identical parts have the same references.
Selon la figure 2, l'électrode 1 comporte, dans sa partie médiane 5,
une forme externe prismatique ou semi-prismatique permettant la prise d'une
clé de forme adaptée pour le vissage et le blocage de l'électrode 1 sur son
support dans le corps de torche. According to FIG. 2, the electrode 1 comprises, in its
En outre, une gorge 7, destinée à recevoir un joint torique
d'étanchéité, est pratiquée entre le filetage 4 et une portée 8 formant butée
d'assemblage.In addition, a
Dans cet exemple, la pièce d'usure, c'est-à-dire le corps d'électrode 2
de l'électrode 1, est réalisée en cuivre allié de type cupro-chrome ayant une
teneur en chrome d'environ 0,5% à 1%, ce qui permet d'obtenir, malgré
l'affaiblissement de section engendré par la gorge 7, une électrode de
résistance mécanique suffisante pour supporter des serrages et desserrages
à couple important au moyen d'une clé, sans risque de rupture par torsion,
cisaillement et/ou allongement dans la zone d'affaiblissement de section.In this example, the wear part, i.e. the
Une telle électrode présente une tenue thermique élevée car
l'utilisation d'un cuivre allié de type cupro-chrome pour la réalisation de
l'électrode 1 permet d'en conserver l'intégrité géométrique, notamment au
voisinage de l'insert émissif 3, c'est-à-dire sans fusion locale, malgré une
température importante de l'extrémité active portant l'insert 3, par exemple,
lorsqu'un premier arc électrique est allumé sans recours à un système
d'allumage par haute fréquence (HF), c'est-à-dire après mise en court-circuit
temporaire de l'extrémité de l'électrode 1 et le fond de la tuyère de la torche.Such an electrode has a high thermal resistance because
the use of a copper alloy of the cupro-chrome type for the production of
the electrode 1 allows its geometric integrity to be preserved, in particular at
neighborhood of the
Pour une telle application, c'est-à-dire un amorçage par court-circuit, le cupro-tellure est peu recommandé car, lors du parcours de l'arc entre le point de rupture de court-circuit et le point final de sa fixation sur l'insert émissif 3, les globules de tellure, insolubles dans le cuivre mais entrant en fusion à environ 450°C, ont tendance à se vaporiser ou à ruisseler sur les surfaces correspondantes en altérant ainsi la géométrie de ces surfaces, à perturber l'écoulement du débit de gaz plasmagène et, par conséquent, à conduire à une dégradation rapide des performances de coupe de la colonne de plasma d'arc.For such an application, i.e. a short-circuit ignition, cupro-tellurium is hardly recommended because, during the course of the arc between the short-circuit breaking point and the end point of its attachment to the insert emissive 3, tellurium globules, insoluble in copper but entering melts at around 450 ° C, tend to vaporize or run off on corresponding surfaces thereby altering the geometry of these surfaces, disrupt the flow of plasma gas flow and, therefore, to lead to rapid degradation of the cutting performance of the arc plasma column.
La figure 3 schématise, quant à elle, une tuyère à bas prix de revient pour torche à plasma entrant dans le cadre de la présente invention. Figure 3 shows schematically, a nozzle at low cost for plasma torch within the scope of the present invention.
Plus précisément, la tuyère 7, de forme générale en coupelle à fond
percé, comporte un évidement interne 17, un canal 7a de passage du gaz
plasmagène et de l'arc électrique, et un filetage 18 à sa partie supérieure
externe pour permettre un assemblage par vissage sur un corps de torche,
comme montré sur la figure 9.More precisely, the
Dans cet exemple, l'utilisation d'un cuivre allié de type cupro-tellure
ayant une teneur en tellure de 0,3% à 0,7%, en tant que matériau constitutif
de la pièce d'usure, c'est-à-dire de la tuyère 7, permet de réaliser un
usinage par décolletage à grande cadence et conduit donc à obtenir des
tuyères à faible prix de revient.In this example, the use of a copper alloy of the cupro-tellurium type
having a tellurium content of 0.3% to 0.7%, as a constituent material
of the wearing part, that is to say of the
La figure 4 schématise, quant à elle, une tuyère à tenue thermique élevée pour torche à plasma, de forme générale analogue à celle de la figure 3 ; les parties identiques ou similaires portent les mêmes références.Figure 4 shows schematically, a nozzle with thermal resistance high for plasma torch, generally similar in shape to that of Figure 3; identical or similar parts have the same references.
La tuyère 7 de la figure 4, de forme générale également en coupelle à
fond percé, comporte, là aussi, un évidement interne 17 et un canal 7a de
passage du gaz plasmagène et de l'arc électrique.The
Les dimensions du canal 7a sont telles que le jet plasma est
fortement constricté et qu'il s'ensuit un échange thermique très important
entre ledit jet plasma et la tuyère 7, dans la région des parois dudit canal
7a, conduisant alors à un échauffement desdites parois à une température
pouvant atteindre parfois plus de 500°C.The dimensions of
De là, il est préférable d'utiliser, dans ce cas, un matériau constitutif
de la tuyère 7, à savoir un cuivre allié de type cupro-chrome contenant de
0,5 à 1% de chrome, pour permettre de conserver l'intégrité géométrique de
la tuyère 7, notamment des parois du canal 7a, c'est-à-dire sensiblement
sans fusion locale et ce, malgré une température importante desdites parois.From there, it is better to use, in this case, a constituent material
of the
Là encore, le cupro-tellure est beaucoup moins recommandé pour les raisons précitées (cf. figure 3). Again, cupro-tellurium is much less recommended for above reasons (see Figure 3).
La figure 5 schématise, quant à elle, un autre mode de réalisation
d'une tuyère 7 à tenue thermique élevée et prix de revient modéré entrant
dans le cadre de la présente invention.Figure 5 shows schematically, another embodiment
of a
La tuyère 7de la figure 5 est une pièce d'usure composite, c'est-à-dire une tuyère réalisée en deux parties, à savoir :
- une partie supérieure 19 réalisée en cupro-tellure contenant une
teneur en tellure
comprise entre 0,3et 0,7%, comme expliqué ci-avant, permettant un usinage aisé par décolletage à grande cadence et permettant d'obtenir. dès lors, un gain substantiel de prix de revient sur une partie de volume important, et - une partie inférieure 20, comportant le
canal 7a d'éjection du jet plasma, réalisée en cupro-chrome contenant une teneur enchrome de 0,5 à 1%, garantissant une bonne tenue thermique au voisinage d'un jet plasma fortement constricté. La partie inférieure 20 est assemblée par emmanchement à force ou par brasage dans la partie supérieure 19.
- an
upper part 19 made of cupro-tellurium containing a tellurium content of between 0.3 and 0.7%, as explained above, allowing easy machining by cutting at high speed and making it possible to obtain. consequently, a substantial gain in cost price over a large part of the volume, and - a
lower part 20, comprising thechannel 7a for ejecting the plasma jet, produced in cupro-chrome containing a chromium content of 0.5 to 1%, guaranteeing good thermal resistance in the vicinity of a highly constricted plasma jet. Thelower part 20 is assembled by force fitting or by brazing in theupper part 19.
La figure 6 représente une électrode 61 complexe à faible prix de
revient, selon l'invention, composée d'un corps principal 62, réalisé par
exemple en laiton de décolletage (CuZn39Pb2 ou CuZn40Pb3), de forme
générale de révolution et comportant à sa partie inférieure ou partie active,
un premier alésage 65 et un second alésage 60 de diamètre plus faible. Un
tube plongeur 63, de forme cylindrique, réalisé en laiton de décolletage
d'une nuance analogue à celle du corps principal 62, est emmanché à force
dans l'alésage 60 du corps principal 62. Un perçage 67 de passage de gaz
est réalisé dans le corps principal 62 pour être en communication avec un
perçage 68 de diamètre identique et coaxial réalisé dans le tube plongeur
63. Une série d'orifices calibrés 62a est percée à la partie supérieure de
l'alésage 65 de façon à mettre en communication la section 69 délimitée,
d'une part, par la paroi extérieure du tube plongeur 63 et, d'autre part, par la
paroi intérieure de l'alésage 65, avec l'environnement de l'électrode 61. Les
orifices calibrés de la série d'orifices calibrés 62a sont percés de manière à
déboucher tangentiellement dans l'alésage 65. D'autre part, un ensemble 64
constitué d'un insert émissif en hafnium 64b de forme cylindrique serti dans
une enveloppe tubulaire cylindrique 64a réalisée en cupro-chrome à teneur
en chrome comprise entre 0,5 et 1%, est emmanché à force dans l'alésage
65, de façon à obturer complètement l'extrémité de l'électrode 61. Ainsi
agencée, l'électrode 61 comporte un circuit interne permettant la circulation
d'un débit de gaz 66, formant gaz plasmagène, via les perçages 67, 68 vers
la surface arrière de l'ensemble 64 pour le refroidir, lorsqu'un arc électrique
est formé sur la face inférieure de l'insert émissif 64b, puis de canaliser ledit
débit par la section 69 vers les orifices calibrés 62a pour former les courants
de gaz 66a nécessaires à la formation de l'arc plasma. Des aménagements
supplémentaires sont pratiqués sur la périphérie externe de la partie
supérieure du corps d'électrode 62, à savoir : une première gorge 62b
destinée à recevoir un système comportant au moins une bille venant du
corps de torche et permettant le verrouillage de l'électrode 61 dans ledit
corps de torche ; une deuxième gorge 62c destinée à recevoir un joint
torique d'étanchéité.FIG. 6 represents a
Une telle électrode 61 complexe est utilisée comme élément
constitutif d'un ensemble de pièces d'usure, autrement appelé cartouche
comme représenté sur la figure 8.Such a
Plus précisément, une cartouche 80 selon la figure 8 comprend une
électrode 61, telle que décrite précédemment, une tuyère 82 percée d'un
orifice calibré 82a d'éjection du jet de plasma et réalisée en cupro-tellure
(teneur en tellure de 0,3 à 0,7%), une cale isolante 83 réalisée en matériau
plastique thermodurcissable, un premier joint torique d'étanchéité 85, un
deuxième joint d'étanchéité 84. L'ensemble de ces éléments 61, 82, 83, 85
est rendu indissociable par rétreint d'une lèvre mince 82b, venant du corps
de la tuyère 82, jusqu'au contact sans jeu de la cale isolante 83 se trouvant
alors plaquée et bloquée en position sur un siège 82c usiné dans la tuyère
82.More specifically, a cartridge 80 according to FIG. 8 comprises a
L'utilisation et le fonctionnement d'un tel ensemble ou cartouche 80 sont notamment décrits dans les documents EP-A-0326445, US-A-4914271, JP-A-2714421, CA-A-1303684 et DE-A-68903645.0The use and operation of such an assembly or cartridge 80 are notably described in documents EP-A-0326445, US-A-4914271, JP-A-2714421, CA-A-1303684 and DE-A-68903645.0
Par ailleurs, la figure 7 schématise une électrode 71 à tenue thermique élevée et à prix de revient modéré, laquelle électrode 71 est réalisée en deux parties, à savoir :
un corps principal 72 réalisé en un alliage de type cupro-tellure (cuivre + 0,3 à 0,7% de tellure) pour permettre un usinage par décolletage à grande cadence et pour obtenir ainsi un gain substantiel de prix de revient sur une partie de volume important, etun pion cylindrique 73 constitué d'un insert émissif enhafnium 73b, de forme cylindrique, serti dans une enveloppe tubulaire cylindrique 73a, réalisée en un alliage de type cupro-chrome (cuivre + 0,5 à 1% de chrome), garantissant une bonne tenue thermique au voisinage de l'arc.Le pion 73 est emmanché à force dans l'alésage 74 pratiqué à l'extrémité du corpsprincipal 72.
- a
main body 72 made of an alloy of cupro-tellurium type (copper + 0.3 to 0.7% tellurium) to allow machining by high-speed turning and thus to obtain a substantial gain in cost price over a part large volume, and - a
cylindrical pin 73 consisting of an emissive insert ofhafnium 73b, of cylindrical shape, set in a cylindricaltubular casing 73a, made of an alloy of cupro-chrome type (copper + 0.5 to 1% chromium), guaranteeing a good thermal resistance in the vicinity of the arc. Thepin 73 is force fitted into thebore 74 made at the end of themain body 72.
Bien que les pièces d'usure aient été décrites en relation avec une torche de coupage plasma, il est bien entendu que les pièces d'usure selon la présente invention, en particulier les électrodes, les tuyères, cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes, ne sont pas limitées aux seules torches de coupage plasma et qu'elles peuvent aussi être destinées à d'autres types de torches ou de chalumeaux, notamment les torches de marquage, de soudage TIG, MIG ou MAG, de projection plasma et, d'une façon générale, toute torche de traitement thermique des matériaux métalliques ou non métalliques.Although the wearing parts have been described in relation to a plasma cutting torch, it is understood that the wear parts according to the present invention, in particular the electrodes, the nozzles, cartridges formed of an electrode / nozzle assembly, the electrode holders and the electrode holder pliers, are not limited to torches only cutting plasma and that they can also be intended for other types torches or torches, in particular marking torches, TIG, MIG or MAG welding, plasma spraying and, in general, any heat treatment torch for metallic materials or not metal.
Claims (14)
- Wear part for an electric-arc work torch, in particular for a TIG, MIG or MAG torch, the said wear part being chosen from the group formed by electrode holders and seats for electrode holders, characterized in that at least a portion of the said wear part is made of a copper alloy containing:at least 90% copper; andat least one alloying material chosen from the group formed by tellurium, lead, zirconium and chromium.
- Wear part (1, 61, 71, 7, 80) for an electric-arc work torch, in particular for a plasma torch, the said wear part being chosen from the group formed by the electrodes (1, 61, 71), the nozzles (7) and the cartridges (80) formed from an electrode/nozzle combination, at least a portion of the said wear part being made of a copper alloy, characterized in that the said copper alloy contains:at least 90% copper; andfrom 0.01% to 5% of an alloying material chosen from the group formed by tellurium and lead.
- Wear part according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the content of alloying material in the copper the copper alloy is from 0.05% to 3%.
- Wear part according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the copper content in the copper alloy is at least 95%.
- Wear part according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the alloying material is tellurium and in that the tellurium content in the copper alloy is between 0.1% and 1.5%.
- Wear part according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the alloying material is tellurium and in that the tellurium content in the copper alloy is between 0.3% and 0.7%.
- Wear part according to Claim 1, characterized in that the alloying material is chromium and in that the chromium content in the copper alloy is between 0.05% and 3%, preferably between 0.5 and 1%.
- Wear part according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the alloying material is lead and in that the lead content in the copper alloy is between 0.1% and 1.5%, preferably between 0.3% and 0.7%.
- Process for manufacturing a wear part for an electric-arc torch, made of a copper alloy containing at least 80% copper and at least one alloying material chosen from the group formed by chromium and zirconium, in which process:- (a) the said wear part is mechanically machined to the desired shape from an alloy material that has undergone at least one quench-hardening step (Q) or at least one quench-hardening step (Q) and one work-hardening step (W); and(b) at least one structural hardening operation is carried out on at least a portion of the alloy material constituting the wear part obtained in step (a) by at least one tempering step (T).
- Wear part (1, 61, 71, 7, 80) for an electric-arc work torch obtained by the manufacturing process according to Claim 9, in particular for a plasma torch, the said wear part being chosen from the group formed by the electrodes (1, 61), the nozzles (7) and the cartridges (80) formed from an electrode/nozzle combination, at least a portion of the said wear part being made of a copper alloy containing at least 95% copper and from 0.1% to 1% of at least one alloying material chosen from the group formed by chromium and zirconium.
- Wear part according to Claim 10, characterized in that the alloy is chosen from the group formed by copper-chromium alloys containing about 0.5% to 1% chromium, copper-zirconium alloys containing about 0.1% to 0.2% zirconium and copper-chromium-zirconium alloys containing about 0.70 to 0.90% chromium and 0.12 to 0.18% zirconium.
- Electric-arc work torch, in particular a plasma torch or a TIG, MIG or MAG torch, which includes at least one wear part according to one of Claims 1 to 8, 10 and 11.
- Electrode (1, 61, 71) for a plasma torch according to Claim 2, made of a copper alloy containing at least 95% copper and from 0.01% to 5% tellurium.
- Nozzle (7) for a plasma torch according to Claim 2, made of a copper alloy containing at least 95% copper and from 0.01% to 5% tellurium.
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RAP2 | Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred) |
Owner name: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'E Owner name: LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE |
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27W | Patent revoked |
Effective date: 20070125 |
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REG | Reference to a national code |
Ref country code: PT Ref legal event code: MP4A Effective date: 20070507 |