EP2063689A1 - Electrode en alliage d'argent pour torche à plasma - Google Patents

Electrode en alliage d'argent pour torche à plasma Download PDF

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EP2063689A1
EP2063689A1 EP08169245A EP08169245A EP2063689A1 EP 2063689 A1 EP2063689 A1 EP 2063689A1 EP 08169245 A EP08169245 A EP 08169245A EP 08169245 A EP08169245 A EP 08169245A EP 2063689 A1 EP2063689 A1 EP 2063689A1
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EP
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electrode
weight
silver
insert
electrode body
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EP08169245A
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EP2063689B1 (fr
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Benoit Barthelemy
Corinne Chovet
Frédéric Richard
Peter Uhlig
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Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Air Liquide Welding France
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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 invention relates to a silver alloy electrode for plasma cutting torch, automatic or manual, preferably an automatic torch, a plasma torch provided with such an electrode and its use in a plasma cutting operation of a part metallic.
  • the arc plasma cutting torches all rely on a similar architecture including an electrode formed of a body within which is fixed an emissive insert, a gas diffuser and a nozzle for constricting the plasma jet.
  • the electrodes used in these plasma torches are formed of a body of copper and / or copper alloy in which is fixed an electron emitting insert or emissive insert Depending on the oxidizing nature or not the plasma gas used in the torch, the insert is either tungsten or hafnium or zirconium.
  • tungsten insert electrode is used, whereas if an inert or reducing gas, such as nitrogen, argon, hydrogen, CH 4 or mixtures thereof, is used, a tungsten insert electrode is used, whereas if the gas is oxidizing, that is ie containing or formed of oxygen or CO 2 , an insert made of hafnium or zirconium is used which will be less rapidly degraded than a tungsten insert by the oxidizing action of the gas.
  • an inert or reducing gas such as nitrogen, argon, hydrogen, CH 4 or mixtures thereof
  • EP-A-1147692 proposed an electrode formed of an alloy of copper and tellurium.
  • EP-A-980197 suggested the incorporation of the hafnium or tungsten insert into a silver alloy sleeve, itself attached to the copper electrode body.
  • a problem that arises is therefore to further improve, and if possible significantly, the lifetime of these electrodes and more particularly to reduce the wear rate of the inserts of the electrodes, when used in a plasma cutting torch. to perform a plasma cutting operation and without the need to change the architecture of current plasma torches.
  • One solution is a plasma torch electrode, that is to say designed and adapted to be mounted in a plasma arc torch, formed of an electrode body comprising a cavity in which is fixed an insert emissive, characterized in that said electrode body is formed of an alloy containing more than 90% by weight of silver.
  • the invention also relates to a plasma torch comprising a torch body provided with an emissive insert electrode according to the invention, as well as to a plasma arc cutting method, in which a torch or an electrode is used.
  • a plasma arc cutting method in which a torch or an electrode is used.
  • a metal part in particular a steel plate, stainless steel, aluminum or an aluminum alloy, copper, or galvanized steel or electro-galvanized (ie with surface coating of zinc) .
  • the electrode 1 according to the invention is of "bicorps" type, that is to say that it consists of an electrode body 2 serving as a support for an emitting tip 3 in hafnium or tungsten.
  • This insert 3 typically of cylindrical shape, is fixed by soldering, stamping, crimping or other within a cavity 4, such as a blind hole, arranged at the downstream end 2a of the electrode body 1.
  • the electrode body 2 is formed of a silver alloy.
  • the silver content of the alloy is preferably at least 92% by weight (relative to the weight of the alloy constituting the electrode body), and if possible higher.
  • the other alloying elements or secondary alloying elements can be copper, aluminum or nickel, in particular alloys containing up to about 93% silver and up to about 7% copper can be used.
  • the presence in the form of traces of other metallic elements is also possible or even inevitable with regard to impurities.
  • the electrode body 2 can be made of an alloy comprising about 7% copper, about 1% aluminum and / or nickel and silver for the rest, apart from the presence of unavoidable impurities.
  • the electrode body 2 has an elongate shape, preferably generally tubular or cylindrical, and comprises, at its upstream end 2b, a blind internal recess 5 sized to receive the plunger tube of the plasma torch in which the electrode 1 is inserted, as shown in Figure 3 .
  • the electrode 1 is usually cooled by a cooling fluid, such as deionized water or a mixture of water and glycol, circulating in the circuit. torch cooling.
  • a cooling fluid such as deionized water or a mixture of water and glycol
  • This cooling fluid is bathed inside the hollow electrode 1 to evacuate the heat released by the arc while being guided in particular by the dip tube of the torch.
  • Conventional fastening means 6 allow attachment of the electrode 1 in the body of the plasma torch, for example a thread or a tapping arranged in the electrode body 2 allowing a screwing of the electrode 1 in the body of the torch. Such attachment is conventional in plasma cutting torches.
  • the electrode body 2 in which is fixed the emissive insert 3 is formed of an alloy containing predominantly silver, preferably at least 92% by weight of silver. Indeed, the use of such a silver alloy significantly improves the heat transfer, that is to say the energy transfer of molten metal bath of the insert 3 to the circuit of torch cooling.
  • the thermal conductivity of silver being stronger than that of copper or its alloys, the heat transfer from the hot zones to the cooling circuit operates more easily.
  • the evaporation of hafnium and / or tungsten during the arc phases is decreased and / or slowed down.
  • This better heat transfer also limits the volume of the hafnium bath and / or molten tungsten that can be ejected during the extinction of the plasma.
  • the electric transfer is also improved by the use of this silver-based alloy due to its higher electrical conductivity.
  • the star represented in Figure 3 corresponds, in turn, the wear of a standard copper alloy electrode, namely a cupro-tellurium alloy, supporting a hafnium insert.
  • a standard copper alloy electrode namely a cupro-tellurium alloy, supporting a hafnium insert.
  • such an electrode manufactured according to the prior art has a service life of between 150 and 200 cutting cycles of 20 seconds each, which corresponds to a maximum permissible wear of approximately 2 mm.
  • the intensity of the cutting current is 120 A and the plasma gas used is oxygen.
  • an electrode according to the invention makes it possible to obtain a significantly longer lifetime since the curve obtained (right on Fig. 3 ) shows that the silver electrode according to the invention undergoes regular wear until reaching a crater depth close to 2.5 mm after about 300 to 325 cutting cycles.
  • An electrode according to the invention therefore has improved performance in terms of lifetime compared to a conventional copper alloy electrode.
  • an electrode according to the invention undergoes regular wear until reaching a crater depth close to 2.7 mm after about 600 cutting cycles, or about 44 minutes. However, the electrode was not destroyed at the end of the test and about 200 additional cycles could be performed for a total cutting time of the order of 53 minutes.
  • a plasma torch provided with an electrode according to the invention can be used to operate a plasma arc cut of a metal part, such as a plate or a sheet, in particular of carbon steel, with or without a surface coating, made of steel stainless steel, copper, aluminum, titanium or light alloy.

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Abstract

L'invention concerne une électrode (1) pour torche à plasma formée d'un corps d'électrode (2) comprenant une cavité (4) au sein de laquelle est fixé un insert (3) émissif, caractérisée en ce que ledit corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant plus de 90% en poids d'argent. Torche de coupage plasma munie d'une telle électrode et procédé de coupage à l'arc plasma d'une pièce métallique, dans lequel on utilise une torche ou une électrode selon l'invention.

Description

  • L'invention concerne une électrode en alliage d'argent pour torche de coupage plasma, automatique ou manuelle, de préférence une torche automatique, une torche à plasma munie d'une telle électrode et son utilisation dans une opération de coupage plasma d'une pièce métallique.
  • Les torches de coupage à plasma d'arc reposent toutes sur une architecture similaire incluant une électrode formée d'un corps au sein duquel est fixé un insert émissif, un diffuseur de gaz et une tuyère de constriction du jet plasma.
  • De telles torches sont notamment décrites dans les documents EP-A-599709 , EP-A-1578177 , EP-A-1126750 , EP-A-1139701 , WO-A-9413424 , EP-A-794697 , EP-A-641269 et EP-A-1298966 .
  • En général, les électrodes utilisées dans ces torches à plasma sont formées d'un corps en cuivre et/ou alliage de cuivre au sein duquel est fixé un insert émetteur d'électrons ou insert émissif Suivant la nature oxydante ou non du gaz plasma utilisé dans la torche, l'insert est soit en tungstène, soit en hafnium ou zirconium.
  • Plus précisément, si on met en oeuvre un gaz inerte ou réducteur, tel que azote, argon, hydrogène, CH4 ou leurs mélanges, on utilise une électrode à insert en tungstène, alors que si le gaz est oxydant, c'est-à-dire contenant ou formé d'oxygène ou de CO2, on utilise plutôt un insert en hafnium ou zirconium qui sera moins rapidement dégradé qu'un insert en tungstène par l'action oxydante du gaz.
  • En effet, il est bien connu que, durant une opération de coupage plasma, un insert émissif est soumis notamment à des températures très élevées et à des forces de succion engendrées par le jet de plasma d'arc qui vient prendre racine sur ledit insert, qui engendrent une vaporisation plus ou moins importante du métal ou alliage métallique constituant l'insert, son expulsion dans le jet de plasma et donc inévitablement une usure dudit insert avec formation d'un cratère dans celui-ci.
  • Cette dégradation plus ou moins rapide des inserts des électrodes des torches à plasma est quasi inévitable et pose un réel problème au plan industriel car elle oblige à remplacer fréquemment les électrodes des torches, ce qui nuit à la productivité du procédé de coupage car oblige à stopper le procédé pour opérer le remplacement de l'électrode et engendre inévitablement des coûts supplémentaires car lorsqu'un insert émissif est usé, il n'est pas possible de remplacer uniquement l'insert et c'est l'ensemble de l'électrode qui doit être changé.
  • Pour tenter de résoudre ou de minimiser ces problèmes d'usure des inserts et/ou électrodes des torches à plasma, plusieurs solutions ont déjà été proposées.
  • Ainsi, EP-A-1147692 a proposé une électrode formée en un alliage de cuivre et de tellure.
  • Par ailleurs, EP-A-980197 a suggéré l'incorporation de l'insert en hafnium ou tungstène dans un manchon en alliage d'argent, lui même fixé au corps d'électrode en cuivre.
  • En outre, il a aussi été préconisé de réaliser une brasure à l'argent ou en un alliage d'argent, de l'insert en hafnium dans le corps d'électrode en cuivre ou alliage de cuivre.
  • Enfin, le document US-A-5,857,888 décrit des électrodes en argent, en alliage d'argent, en or ou en alliage d'or. D'après ce document, une électrode contenant 85% d'argent a permis de réaliser seulement 803 coupes, alors qu'une électrode contenant 60% d'argent permet d'opérer 1143 coupes avant usure trop importante de l'insert.
  • Toutefois, ces solutions ne sont pas totalement satisfaisantes car elles n'ont pas permis d'aboutir à une amélioration significative de la durée de vie des électrodes des torches et/ou ont engendré une complexification des torches et aussi une forte augmentation des coûts de production.
  • Un problème qui se pose est dès lors d'améliorer encore, et si possible significativement, la durée de vie de ces électrodes et plus particulièrement de diminuer le taux d'usure des inserts des électrodes, lors de son utilisation dans une torche de coupage plasma pour réaliser une opération de coupage plasma et ce, sans nécessité de devoir modifier l'architecture des torches à plasma actuelles.
  • Une solution est une électrode pour torche à plasma, c'est-à-dire conçue pour et adaptée à être montée dans une torche à arc plasma, formée d'un corps d'électrode comprenant une cavité au sein de laquelle est fixé un insert émissif, caractérisée en ce que ledit corps d'électrode est formé d'un alliage contenant plus de 90% en poids d'argent.
  • Selon le cas, l'électrode de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • le corps d'électrode est formé d'un alliage contenant au moins 92% en poids d'argent.
    • le corps d'électrode est formé d'un alliage contenant de l'argent et un ou plusieurs éléments d'alliage secondaires choisis parmi le cuivre, l'aluminium et le nickel.
    • le corps d'électrode est formé d'un alliage contenant au moins 90% en poids d'argent, moins de 10% en poids de cuivre, moins de 2% en poids d'aluminium et moins de 2% en poids de nickel, de préférence d'un alliage contenant au moins de l'argent et du cuivre.
    • le corps d'électrode est formé d'un alliage contenant au plus 96% en poids d'argent, de préférence au plus 95% en poids d'argent, de préférence encore au plus 94% en poids d'argent.
    • le corps d'électrode est formé d'un alliage contenant entre 91 et 92,95% en poids d'argent, de 2 à 7% en poids de cuivre, moins de 1% en poids d'aluminium et moins de 1% en poids de nickel.
    • le corps d'électrode a une forme allongée et comporte un évidement interne borgne.
    • le corps d'électrode comprend une extrémité aval portant l'insert émissif, une extrémité amont au niveau de laquelle débouche l'évidement interne borgne, et des moyens de fixation conçus et adaptés pour permettre une fixation de l'électrode dans le corps d'une torche à plasma. Les moyens de fixation comprennent par exemple un filetage ou un taraudage aménagé dans le corps d'électrode ; toutefois, tout autre dispositif de fixation adapté peut être utilisé.
    • l'insert émissif est en tungstène, en hafnium ou en zirconium.
  • L'invention porte aussi sur une torche à plasma comprenant un corps de torche muni d'une électrode à insert émissif selon l'invention, ainsi que sur un procédé de coupage à l'arc plasma, dans lequel on utilise une torche ou une électrode selon l'invention pour découper une pièce métallique, en particulier une plaque en acier, en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium, en cuivre, ou en acier galvanisé ou électro-zingué (i.e. avec revêtement surfacique de zinc).
  • L'invention va être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite en références aux figures annexées parmi lesquelles :
    • la Figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'une électrode selon l'invention,
    • la Figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'une électrode selon l'invention, et
    • les Figures 3 et 4 sont des courbes d'usure obtenues avec une électrode selon l'invention.
  • Comme illustré sur les Figures 1 et 2, l'électrode 1 selon l'invention est de type « bicorps », c'est-à-dire qu'elle se compose d'un corps 2 d'électrode faisant office de support pour un insert 3 émissif en hafnium ou tungstène.
  • Cet insert 3, typiquement de forme cylindrique, est fixé par brasage, emboutissage, sertissage ou autre au sein d'une cavité 4, tel un perçage borgne, aménagée à l'extrémité aval 2a du corps d'électrode 1.
  • Selon l'invention, le corps 2 d'électrode est formé d'un alliage d'argent. La teneur en argent de l'alliage est préférentiellement d'au moins 92% en poids (par rapport au poids de l'alliage constituant le corps d'électrode), et si possible supérieure.
  • Les autres éléments d'alliage ou éléments d'alliage secondaires (jusqu'à 100% en poids) peuvent être le cuivre, l'aluminium ou le nickel, en particulier des alliages contenant jusqu'à 93% d'argent environ et jusqu'à 7% environ de cuivre peut être utilisés. La présence sous forme de traces d'autres éléments métalliques est également envisageable, voire inévitable pour ce qui concerne les impuretés.
  • A titre d'exemple, le corps 2 d'électrode peut être réalisé en un alliage comprenant de l'ordre de 7% de cuivre, d'environ 1% d'aluminium et/ou de nickel et d'argent pour le reste, mis à part la présence d'impuretés inévitables.
  • Comme on le voit sur les Figures 1 et 2, le corps d'électrode 2 a une forme allongée, de préférence globalement tubulaire ou cylindrique, et comporte, au niveau de son extrémité amont 2b, un évidement 5 interne borgne dimensionné pour recevoir le tube plongeur de la torche à plasma dans laquelle l'électrode 1 est insérée, comme montré en Figure 3.
  • En effet, durant le fonctionnement de la torche à plasma, on opère habituellement un refroidissement de l'électrode 1 grâce à un fluide de refroidissement, tel que de l'eau déminéralisée ou un mélange d'eau et de glycol, circulant dans le circuit de refroidissement de la torche. Ce fluide de refroidissement vient baigner l'intérieur de l'électrode 1 creuse pour en évacuer la chaleur dégagée par l'arc tout en étant guidé notamment par le tube plongeur de la torche.
  • Des moyens de fixation 6 classiques permettent une fixation de l'électrode 1 dans le corps de la torche à plasma, par exemple un filetage ou un taraudage aménagé dans le corps 2 d'électrode permettant un vissage de l'électrode 1 dans le corps de torche. Une telle fixation est classique dans les torches de coupage plasma.
  • Selon l'invention, le corps d'électrode 2 au sein duquel est fixé l'insert 3 émissif est formé d'un alliage contenant majoritairement de l'argent, préférentiellement au moins 92% en poids d'argent. En effet, l'utilisation d'un tel alliage d'argent permet d'améliorer notablement le transfert thermique, c'est-à-dire le transfert d'énergie du bain de métal en fusion de l'insert 3 vers le circuit de refroidissement de la torche.
  • En effet, la conductivité thermique de l'argent étant plus forte que celle du cuivre ou de ses alliages, le transfert thermique des zones chaudes vers le circuit de refroidissement s'opère plus facilement. Ainsi, l'évaporation de hafnium et/ou tungstène durant les phases d'arc est diminué et/ou ralenti. Ce meilleur transfert thermique permet également de limiter le volume du bain de hafnium et/ou de tungstène fondu pouvant être éjecté lors de l'extinction du plasma.
  • Le transfert électrique est également amélioré de par l'utilisation de cet alliage à base d'argent de par sa plus forte conductivité électrique.
  • Tous ces phénomènes conduisent donc à une meilleure durée de vie des électrodes de coupage plasma. De plus, il a été remarqué expérimentalement que l'utilisation d'argent permet d'user plus en profondeur les électrodes de coupage plasma par rapport aux mêmes électrodes en cuivre et/ou ses alliages.
  • Les résultats d'essais obtenus sont consignés sur la Figure 3 qui présente une courbe d'usure (en mm) d'une électrode à 92% environ d'argent selon la présente invention au fil du temps, c'est-à-dire après 325 cycles (Nb cyles) d'utilisation.
  • L'étoile représentée en Figure 3 correspond, quant à elle, à l'usure d'une électrode standard en alliage de cuivre, à savoir un alliage cupro-tellure, supportant un insert en hafnium. Comme on le voit, une telle électrode fabriquée selon l'art antérieur présente une durée de vie comprise entre 150 et 200 cycles de coupe de 20 secondes chacun, ce qui correspond à une usure maximale admissible d'environ 2 mm. L'intensité du courant de coupe est de 120 A et le gaz plasmagène utilisé est de l'oxygène.
  • Dans les mêmes conditions, une électrode selon l'invention permet d'obtenir une durée de vie significativement plus élevée puisque la courbe obtenue (droite sur Fig. 3) montre que l'électrode en argent selon l'invention subit une usure régulière jusqu'à atteindre une profondeur de cratère proche de 2.5 mm au bout d'environ 300 à 325 cycles de coupe.
  • A l'issue de ces essais, une observation visuelle de la forme du cratère d'usure s'étant formé à l'extrémité de l'électrode et des parois du trou borgne a été réalisée. Cette observation a mis en évidence que le support de l'insert en alliage d'argent n'est pas impacté par la présence de l'arc électrique. Les parois sont toujours bien verticales. On note seulement une légère oxydation de la face avant de l'électrode due à une ambiance fortement chargée en oxygène radicalaire (atome d'oxygène fortement oxydant) présent en forte quantité dans la chambre plasmagène.
  • Une électrode selon l'invention présente donc des performances améliorées en termes de durée de vie par rapport à une électrode classique en alliage de cuivre.
  • Une seconde série d'essai a été faite dans les mêmes conditions que précédemment (même électrode) en utilisant de l'oxygène comme gaz de coupe et l'intensité du courant de coupe est de 120 A. Toutefois, dans ce cas, la durée de chaque coupe est de 4 secondes.
  • Comme on le voit sur la Figure 4, une électrode selon l'invention subit une usure régulière jusqu'à atteindre une profondeur de cratère proche de 2.7 mm au bout d'environ 600 cycles de coupe, soit environ 44 minutes. Toutefois, l'électrode n'était pas détruite à la fin de l'essai et environ 200 cycles supplémentaires ont pu être réalisés pour une durée totale de coupe de l'ordre de 53 minutes.
  • Une torche à plasma munie d'une électrode selon l'invention est utilisable pour opérer une découpe par arc plasma d'une pièce en métal, telle une plaque ou une tôle, notamment en acier au carbone, avec ou sans revêtement surfacique, en acier inoxydable, en cuivre, en aluminium, en titane ou en alliage léger.

Claims (10)

  1. Electrode (1) pour torche à plasma formée d'un corps d'électrode (2) comprenant une cavité (4) au sein de laquelle est fixé un insert (3) émissif, caractérisée en ce que ledit corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant plus de 90% en poids d'argent.
  2. Electrode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant de l'argent et un ou plusieurs éléments d'alliage secondaires choisis parmi le cuivre, l'aluminium et le nickel.
  3. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant au moins 90% en poids d'argent, moins de 10% en poids de cuivre, moins de 2% en poids d'aluminium et moins de 2% en poids de nickel.
  4. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant entre 91 et 92,95% en poids d'argent, de 2 à 7% en poids de cuivre, moins de 1% en poids d'aluminium et moins de 1% en poids de nickel.
  5. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) est formé d'un alliage contenant au moins 92% en poids d'argent et/ou au plus 96% en poids d'argent.
  6. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) a une forme allongée et comporte un évidement (5) interne borgne.
  7. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps d'électrode (2) comprend une extrémité aval (2a) portant l'insert (3) émissif, une extrémité amont (2b) au niveau de laquelle débouche l'évidement (5) interne borgne, et des moyens de fixation (6) conçus et adaptés pour permettre une fixation de l'électrode (1) dans le corps d'une torche à plasma.
  8. Electrode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'insert (3) émissif est en tungstène, hafnium ou zirconium.
  9. Torche à plasma comprenant un corps de torche muni d'une électrode (1) à insert émissif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  10. Procédé de coupage à l'arc plasma d'une pièce métallique, dans lequel on utilise une torche selon la revendication 9 ou une électrode selon l'une des revendications 1 à 8 pour découper une pièce métallique, en particulier une plaque en acier, acier inoxydable, aluminium ou en un alliage d'aluminium.
EP08169245A 2007-11-20 2008-11-17 Electrode en alliage d'argent pour torche à plasma Revoked EP2063689B1 (fr)

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