EP1465467A1 - Electrode à insert en Hf-Zr pour torche de coupage plasma - Google Patents

Electrode à insert en Hf-Zr pour torche de coupage plasma Download PDF

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EP1465467A1
EP1465467A1 EP04300136A EP04300136A EP1465467A1 EP 1465467 A1 EP1465467 A1 EP 1465467A1 EP 04300136 A EP04300136 A EP 04300136A EP 04300136 A EP04300136 A EP 04300136A EP 1465467 A1 EP1465467 A1 EP 1465467A1
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EP
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electrode
hafnium
zirconium
insert
weight
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EP04300136A
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Michel Delzenne
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • the present invention relates to an electrode for a plasma torch formed by a electrode body comprising a recess within which is fixed an emissive insert hafnium and zirconium, and plasma torch comprising it.
  • a plasma cutting device capable of implementing such a method comprises generally a plasma cutting torch comprising an arc ejection nozzle plasma to the workpiece to be cut, a cathode electrode placed at a distance from the nozzle and coaxially thereto, a supply of plasma gas, such as air compressed, oxygen or any other mixture of gases comprising at least one oxidizing gas, and a means of distributing the plasma gas in the volume separating the electrode from the nozzle, also called plasma chamber.
  • plasma gas such as air compressed, oxygen or any other mixture of gases comprising at least one oxidizing gas
  • the work piece forms the anode, the cathode and the anode being connected to the terminals of a current generator.
  • the electrode which is typically made of copper or a alloy of copper
  • Zirconium is less expensive than hafnium but less good resistance to erosion of the plasma arc at high temperature.
  • pure hafnium has the best resistance to erosion of the plasma arc but is very expensive, in particular because in order to obtain pure hafnium, it is necessary to proceed to its "refining" during its manufacture, so as to remove the impurities which contaminate this material.
  • electrodes with an insert emissive in pure hafnium wear out in a few hours, typically between 2 and 4 hours, when used in a plasma cutting torch.
  • Electrodes with an emissive insert of hafnium or zirconium therefore constitute a consumable element of the torch which must be replaced often, which increases the cost overall process and poses problems at the industrial level because, to carry out the replacement of the electrode, it is necessary to stop the installation and disassemble the part front of the torch.
  • the problem to be solved is then to propose an emissive insert for an electrode having a lifespan close to that of electrodes with pure hafnium insert but at a price of comes back lower.
  • the solution of the invention is then an emissive insert for an electrode formed of an alloy containing hafnium and zirconium.
  • the invention also relates to an electrode for plasma torch formed of an electrode body comprising a recess in which an insert is fixed emissive according to the invention, preferably a copper or copper alloy electrode, as well as a plasma torch comprising such an electrode, preferably a torch for plasma cutting of a steel part, in particular of structural steel.
  • Figure 1 is a diagram, a longitudinal sectional view, of a body electrode 1 solid mass consisting of an electrode body 2, of generally axisymmetric shape in a cup with blind bottom, comprising, at its upper or upstream part, a thread 4 to allow a assembly by screwing of the electrode 1 on a torch body; at its bottom or active part, a 6 'bore to receive, by force fitting, by crimping and / or by brazing, an emissive insert 3 made of a hafnium-zirconium alloy according to the invention; and in its middle part 5, a polygonal external shape, in particular hexagonal, for allow the taking of a suitable wrench to perform the screwing and tightening of the electrode 1 on its support in the torch body.
  • the electrode 1 consists of an alloyed copper of cupro-tellurium type having a content of tellurium of about 0.3 to 0.7%, or cupro-chromium-zirconium, the rest being essentially copper and possibly unavoidable impurities.
  • FIG. 2 represents, for its part, an electrode 1 with high mechanical resistance of general shape similar to that of FIG. 1 (the similar or identical parts bear the same references) comprising, in its middle part 5, an external prismatic shape or semi-prismatic allowing the taking of a key shaped suitable for screwing and blocking of electrode 1 on its support in the torch body.
  • a groove 7, intended to receive an O-ring seal, is made between the thread 4 and a surface 8 forming the assembly stop.
  • Such an electrode has a high thermal resistance because the use of copper Cupro-chrome type ally for the production of electrode 1 allows its integrity to be preserved geometric, in particular in the vicinity of the emissive insert 3, that is to say without local fusion, despite a high temperature of the active end carrying the insert 3.
  • the insert 3 fixed in the electrodes 1 is made of an alloy hafnium zirconium.
  • the emissive insert 3 according to the invention must be made of an alloy of hafnium and zirconium.
  • hafnium to which a proportion by weight is added.
  • desired zirconium so as to obtain an Hf-Zr alloy in the proportions of the invention, that is to say preferably from 96 to 99% by weight of hafnium, from 0.5 to 3.5% of zirconium and inevitable impurities for the rest (about 0.5%), advantageously from 98.08 to 98.2% by weight of hafnium, from 1.7 to 1.82% of zirconium and impurities inevitable for the rest (0.027 to 0.1%).
  • the insert 3 preferably has a generally cylindrical shape and is fixed to the body electrode by crimping or the like.
  • An OCP 150 plasma cutting torch marketed by LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE has been fitted with an alloyed copper electrode, such as a electrode according to FIG. 1 or 2, provided with a hafnium / zirconium alloy insert according to the invention (approx. 98.1% by weight of Hf + 1.82% by weight Zr + impurities the rest) and was then subjected to a succession of cutting sequences using oxygen as as cutting gas until extreme wear of the insert and / or the electrode.
  • the material to be worked is a 10 mm structural steel plate thick.
  • the intensity of the cutting current is 120 amperes.

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Abstract

L'invention porte sur un insert émissif pour électrode formé d'un alliage contenant du hafnium et du zirconium. L'insert contient typiquement au moins 80% en poids de hafnium, de préférence au moins 90% en poids de hafnium, et de 0.1 % à 8% en poids de zirconium, de préférence de 0.5 à 5% en poids de zirconium. L'invention porte aussi sur une électrode pour torche à plasma formé d'un corps d'électrode comprenant un évidement au sein duquel est fixé un tel insert émissif ; sur une torche à plasma comprenant une telle électrode ; et sur un procédé de coupage plasma d'une pièce en acier, dans lequel on met en oeuvre une telle torche à plasma. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une électrode pour torche à plasma formée d'un corps d'électrode comprenant un évidement au sein duquel est fixé un insert émissif en hafnium et zirconium, et torche à plasma la comprenant.
Le procédé de découpe des aciers de construction, c'est-à-dire les aciers au carbone non alliés ou faiblement alliés, voire des aciers inoxydables et des alliages d'aluminium, par arc plasma sous atmosphère d'oxygène est connu depuis de nombreuses années.
Un dispositif de coupage plasma apte à mettre en oeuvre un tel procédé comprend généralement une torche de coupage plasma comprenant une tuyère d'éjection de l'arc plasma vers la pièce de travail à couper, une électrode formant cathode, placée à distance de la tuyère et coaxialement à celle-ci, une alimentation en gaz plasmagène, tel que de l'air comprimé, de l'oxygène ou tout autre mélange de gaz comportant au moins un gaz oxydant, et un moyen de distribution du gaz plasmagène dans le volume séparant l'électrode de la tuyère, encore appelé chambre plasmagène.
La pièce de travail forme, quant à elle, l'anode, la cathode et l'anode étant reliées aux bornes d'un générateur de courant.
Pour favoriser l'amorçage de l'arc et limiter l'érosion à haute température sous atmosphère oxydante de l'électrode, laquelle est typiquement en cuivre ou en alliage de cuivre, il est d'usage de doter l'électrode d'un insert émissif en zirconium ou, selon le cas, en hafnium enchâssé, à axe confondu, dans l'extrémité en regard de l'orifice d'éjection de la tuyère.
Le zirconium est un matériau moins coûteux que l'hafnium mais de moins bonne tenue à l'érosion de l'arc plasma à haute température.
A l'inverse, le hafnium pur a la meilleure tenue à l'érosion de l'arc plasma mais est très coûteux, notamment du fait que, pour parvenir à obtenir du hafnium pur, il est nécessaire de procéder à son "affinage" lors de sa fabrication, de manière à éliminer les impuretés qui contaminent ce matériau.
Bien que d'une durée de vie réputée plus élevée, les électrodes dotées d'un insert émissif en hafnium pur s'usent en quelques heures, typiquement entre 2 et 4 heures, lorsqu'elles sont utilisées dans une torche de coupage plasma.
Ces électrodes avec insert émissif en hafnium ou zirconium constituent donc un élément consommable de la torche qu'il faut remplacer souvent, ce qui augmente le coût global du procédé et pose des problèmes au plan industriel car, pour procéder au remplacement de l'électrode, il est nécessaire d'arrêter l'installation et de démonter la partie avant de la torche.
Le problème à résoudre est alors de proposer un insert émissif pour électrode ayant une durée de vie proche de celle des électrodes avec insert en hafnium pur mais de prix de revient moins élevé.
La solution de l'invention est alors un insert émissif pour électrode formé d'un alliage contenant du hafnium et du zirconium.
Selon le cas, l'insert émissif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
  • il contient au moins 80% en poids de hafnium, de préférence au moins 90% en poids de hafnium.
  • il contient de 0.1 % à 8% en poids de zirconium, de préférence de 0.5 à 5% en poids de zirconium.
  • il contient de 96 à 99% en poids de hafnium, de 0.5 à 3.5% de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste.
  • il contient de 98.08 à 98.20% en poids de hafnium, de 1.70 à 1.82% de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste.
  • il est de forme cylindrique.
  • il a une longueur de 3 mm à 8 mm et un diamètre de 1 mm à 4 mm.
Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une électrode pour torche à plasma formé d'un corps d'électrode comprenant un évidement au sein duquel est fixé un insert émissif selon l'invention, de préférence une électrode en cuivre ou en un alliage de cuivre, ainsi qu'une torche à plasma comprenant une telle électrode, de préférence une torche de coupage plasma d'une pièce en acier, en particulier en acier de construction.
La présente invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après faite en références aux figures illustratives annexées.
La figure 1 est un schéma, une vue en coupe longitudinale, d'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 ; 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 d'un alliage hafnium-zirconium selon l'invention ; et 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.
L'électrode 1 est constituée d'un cuivre allié de type cupro-tellure ayant teneur en tellure d'environ 0,3 à 0,7%, ou cupro-chrome-zirconium, le reste étant essentiellement du cuivre et éventuellement des impuretés inévitables.
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) comportant, 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.
Par ailleurs, 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.
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.
Dans le cadre de l'invention, l'insert 3 fixé dans les électrodes 1 est en un alliage hafnium-zirconium.
En effet, pour garantir une durée de vie des électrodes 1 à insert 3 acceptable sans que cela ne soit au détriment du coût du procédé, l'insert 3 émissif selon l'invention doit être constitué d'un alliage de hafnium et de zirconium.
Pour ce faire, on peut utiliser du hafnium incomplètement affiné dans lequel on laisse subsister volontairement une proportion contrôlée de zirconium et éventuellement d'autres impuretés résiduelles, par exemple Fe, Al, N, Cr, W, Mn, Ta, Si, Mn, O, U, Ti, Nb, Cu, Sn, V, Co, Mg, Ni, Pb, Mo..., la teneur en chacune de ces impuretés inévitables ne dépassant en général jamais 0.01 % en poids, voire même seulement quelques ppm.
On peut aussi utiliser du hafnium pur auquel on ajoute une proportion en poids souhaitée de zirconium de manière à obtenir un alliage Hf-Zr dans les proportions de l'invention, c'est-à-dire préférentiellement de 96 à 99 % en poids de hafnium, de 0.5 à 3.5% de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste (environ 0.5 %), avantageusement de 98.08 à 98.2 % en poids de hafnium, de 1.7 à 1.82 % de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste (0.027 à 0.1 %).
L'insert 3 a préférentiellement une forme générale cylindrique et est fixé au corps d'électrode par sertissage ou analogue.
Une torche de coupage plasma référencée OCP 150 commercialisée par LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE a été équipée d'une électrode en cuivre allié, telle une électrode selon la figure 1 ou 2, munie d'un insert en alliage hafnium/zirconium selon l'invention (env. 98.1 % en poids de Hf + 1.82% en poids Zr + impuretés le reste) et a été soumise ensuite à une succession de séquences de coupe en utilisant de l'oxygène en tant que gaz de coupage jusqu'à obtenir une usure extrême de l'insert et/ou de l'électrode.
Le matériau à travailler est une plaque en acier de construction de 10 mm d'épaisseur. L'intensité du courant de coupe est de 120 Ampères.
Ces essais ont montré qu'une électrode selon l'invention avait une durée de vie de l'ordre de 4 heures avec 500 amorçages, ce qui équivaut à la durée de vie des électrodes à insert en hafnium pur.

Claims (10)

  1. Insert émissif pour électrode formé d'un alliage contenant du hafnium et du zirconium.
  2. Insert selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins 80% en poids de hafnium, de préférence au moins 90% en poids de hafnium.
  3. Insert selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient de 0.1% à 8% en poids de zirconium, de préférence de 0.5 à 5% en poids de zirconium.
  4. Insert selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 96 à 99% en poids de hafnium, de 0.5 à 3.5% de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste.
  5. Insert selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient de 98.08 à 98.20% en poids de hafnium, de 1.70 à 1.82% de zirconium et des impuretés inévitables pour le reste.
  6. Insert selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est de forme cylindrique.
  7. Insert selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il a une longueur de 3 mm à 8 mm et un diamètre de 1 mm à 4 mm.
  8. Electrode pour torche à plasma formé d'un corps d'électrode comprenant un évidement au sein duquel est fixé un insert émissif selon l'une des revendications 1 à 7, de préférence une électrode en cuivre ou en un alliage de cuivre.
  9. Torche à plasma comprenant une électrode selon la revendication 8, de préférence une torche de coupage plasma.
  10. Procédé de coupage plasma d'une pièce en acier, dans lequel on met en oeuvre une torche à plasma selon la revendication 9.
EP04300136A 2003-03-14 2004-03-12 Electrode à insert en Hf-Zr pour torche de coupage plasma Withdrawn EP1465467A1 (fr)

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