FR2522916A1

FR2522916A1 - PLASMA WELDING TORCH ELECTRODE PROTECTION DEVICE

Info

Publication number: FR2522916A1
Application number: FR8303567A
Authority: FR
Inventors: Nicholas Adrian Barcza; John Francis Mooney
Original assignee: Council for Mineral Technology
Current assignee: Council for Mineral Technology
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1983-09-09
Also published as: JPS58223300A; DE3307308A1; AU1208283A; ZW5683A1

Abstract

A thermal plasma-generating electrode having a water-cooled inner electrode and a water-cooled jacket, which is kept at a distance from the inner electrode by an annular channel, is provided with a device for preventing stray arc formation and for preventing damage to the jacket. An electrically conductive, high-melting-point layer, preferably consisting of graphite or using graphite, is attached to at least selected regions of the outer surface of the jacket. This conductive layer is used to draw the stray arc onto itself and not onto the jacket and to distribute both the thermal energy as well as the electrical energy which is absorbed as a consequence of the formation of the stray arc. The contact surface between the layer and the jacket is preferably selected such that the heat which is to be dissipated can be carried away through the water-cooled jacket.

Description

La présente invention concerne la protection d'ensembles d'électrodes refroidies par eau pour des dispositifs de génération de plasma thermique, souvent appelés des " torches à plasma " ou des " pistolets " du type général comprenant une électrode refroidie par eau autour de laquelle un passage de gazde section annulaire est défini par une gaine extérieure refroidie par eau. The present invention relates to the protection of sets of water-cooled electrodes for thermal plasma generation devices, often called "plasma torches" or "pistols" of the general type comprising a water-cooled electrode around which a gas passage of annular section is defined by an outer water-cooled sheath.

Dans le type précité de dispositifs de génération de plasma (qui sont essentiellement du type à électrode non consommable ), le profil géométrique de la sortie de gaz définie entre l'extrémité libre de l'électrode ét la gaine extérieure refroidie par eau peut être déterminé en fonction des impératifs existants. Cette propriété résulte de la caractéristique non consommable de l'ensemble d'électrode par opposition à une électrode de type consommable pour laquelle le profil géométrique de sortie de gaz varie en concordance avec l'allure de consommation de l'électrode, par exemple une électrode creuse en graphite. In the aforementioned type of plasma generation devices (which are essentially of the non-consumable electrode type), the geometric profile of the gas outlet defined between the free end of the electrode and the water-cooled outer sheath can be determined according to existing requirements. This property results from the non-consumable characteristic of the electrode assembly as opposed to a consumable type electrode for which the geometric profile of the gas outlet varies in accordance with the consumption pattern of the electrode, for example an electrode hollow graphite.

Un inconvénient de l'ensemble d'électrode refroidie par eau et non consommable du type défini ci-dessus consiste en ce que, lorsqu'elle est utilisée pour engendrer des arcs transférés, elle est susceptible d'être endommagée par ce qu'on appelle souvent une " formation d'arc dispersé ". Une telle formation d'arc dispersé résulte du fait qu'un écoulement de courant électrique est engendré le long d'un trajet autre que la cathode refroidie par eau qui est conçue dans ce but. A disadvantage of the non-consumable water-cooled electrode assembly of the type defined above is that, when used to generate transferred arcs, it is liable to be damaged by what is called often a "scattered arc formation". Such dispersed arc formation results from the fact that an electric current flow is generated along a path other than the water-cooled cathode which is designed for this purpose.

En fait, des mesures ont montré que la tension entre la gaine et la cathode indique que le potentiel de la gaine est proche de celui de la cathode dans de nombreux cas.In fact, measurements have shown that the voltage between the sheath and the cathode indicates that the potential of the sheath is close to that of the cathode in many cases.

Différentes tentatives ont été faites pour supprimer cette " formation d'arc dispersé " et elles ont consisté à augmenter la résistance du trajet entre la cathode et l'anode par l'intermédiaire de la gaine. Ces tentatives ont consisté à prévoir des revetements réfractaires sur la gaine mais ces revêtements sont affectés par des chocs thermiques et ils ne donnent par conséquent pas complètement satisfaction. Various attempts have been made to suppress this "scattered arc formation" and have consisted in increasing the resistance of the path between the cathode and the anode through the sheath. These attempts have consisted in providing refractory coatings on the sheath, but these coatings are affected by thermal shocks and they are therefore not entirely satisfactory.

I1 en résulte que ce problème reste pratiquement non résolu, avec pour conséquence que de telles gaines extérieures sont sujettes à la formation de trous par brûlage sous l'action des arcs dispersés. La formation de tels trous rend l'ensemble d'électrode inopérant et vulnérable à l'échauffement environnant par suite de la diminution du refroidissement. Il en résulte que la totalité de l'ensemble d'électrode est usuellement endommagée sans possibilité de réparation ou bien en nécessitant des réparations substantielles. As a result, this problem remains practically unsolved, with the consequence that such external sheaths are subject to the formation of holes by burning under the action of the dispersed arcs. The formation of such holes makes the electrode assembly inoperative and vulnerable to surrounding heating due to the decrease in cooling. As a result, the entire electrode assembly is usually damaged without the possibility of repair or requiring substantial repairs.

L'invention a pour but de fournir une solution au problème précité sans nécessiter l'isolation électrique de la gaine électriquement conductrice et refroidie par 'eau, ce qui n'avait pas eu beaucoup de succès jusqu'à maintenant, comme indiqué ci-dessus. The invention aims to provide a solution to the above problem without requiring electrical insulation of the electrically conductive sheath and cooled by water, which had not been very successful until now, as indicated above .

Dans la présente description, l'expression " point de fusion élevé ", lorsqu'elle est appliquée-à un matériau, est destinée à désigner un matériau qui ne fond ou ne se, sublime pas en dessous de 2000-. I1 est à noter que cette expression s'étend à des matériaux qui peuvent donner lieu à une sublimation à la place d'une fusion. In the present description, the expression "high melting point", when applied to a material, is intended to designate a material which does not melt or sublime below 2000-. It should be noted that this expression extends to materials which can give rise to sublimation instead of a fusion.

Selon la présente invention, il est prévu un ensemble d'électrode de génération de plasma, comprenant une électrode refroidie par eau qui est logée dans, mais espacée d'une gaine métallique conductrice refroidie par eau, dans lequel un trajet d'écoulement d'eau est défini entre la gaine et l'électrode et est pourvu d'une sortie à son extrémité libre, le pistolet à plasma étant caractérisé en ce que la gaine comporte, au moins sur une partie substantielle de sa surface extérieure, une couche électriquement conductrice de point de fusion élevé qui est agencée pour attirer un arc dispersé au lieu que celui-ci arrive directement sur la gaine extérieure, l'épaisseur de matière conductrice de point defusion élevé assurant une-dispersion de l'énergie thermique-engen- drée dans celle-ci par I'arcdispersé. According to the present invention, there is provided a plasma generation electrode assembly, comprising a water-cooled electrode which is housed in, but spaced from, a water-cooled conductive metal sheath, in which a flow path of water is defined between the sheath and the electrode and is provided with an outlet at its free end, the plasma gun being characterized in that the sheath comprises, at least over a substantial part of its outer surface, an electrically conductive layer of high melting point which is arranged to attract a dispersed arc instead of the latter arriving directly on the outer sheath, the thickness of conductive material of high melting point ensuring a dispersion of the thermal energy generated in this by the arcdisperse.

Selon d'autres particularités de l'invention, la couche conductrice de point de fusion élevé est formée d'une matière graphitique appropriée et en particulier la couche est composée d'un manchon préfabriqué, éventuellement fendu longitudinalement et formé de graphite solide,- en étant maintenu en contact électrique- avec la surface -extérieure de' la gaine. According to other particularities of the invention, the conductive layer with a high melting point is formed of a suitable graphitic material and in particular the layer is composed of a prefabricated sleeve, possibly split longitudinally and formed of solid graphite, - in being maintained in electrical contact with the outer surface of the sheath.

I1 est évident que la zone de contact nécessaire entre la couche extérieure et la gaine conductrice dépend, dans une large mesure, des circonstances et peut varier d'une application à l'autre. Ainsi, dans de nombreux cas, il peut être suffisant qu'un bon contact électrique soit établi seulement à une extrémité, par exemple l'extrémité éloignée de l'extrémité libre de l'ensemble de cathode de manière à dissiper l'énergie électrique absorbée par la couche par suite de la formation d'arc dispersé. Dans un tel cas, on doit veiller à ce qu'un arc- intérieur établi entre la couche proprement dite et la surface extérieure de la gaine ne se produise pas dans des zones où il n'existe pas un contact direct entre la couche et la gaine. It is obvious that the necessary contact area between the outer layer and the conductive sheath depends to a large extent on the circumstances and can vary from one application to another. Thus, in many cases, it may be sufficient that a good electrical contact is established only at one end, for example the end remote from the free end of the cathode assembly so as to dissipate the electrical energy absorbed by the layer due to the formation of a dispersed arc. In such a case, care must be taken that an internal arc established between the layer itself and the outer surface of the sheath does not occur in areas where there is no direct contact between the layer and the sheath.

L'invention se rapporte également à l'utilisation d'un manchon d'un diamètre intérieur bien plus grand que le diamètre extérieur de la gaine avec lequel le manchon doit coopérer et la disposition d'une couche intermédiaire, compactée et éventuellement durcissable, de matière conductrice entre ladite gaine et ledit manchon. Cette matière pourrait également avoir une composition à base de graphite. The invention also relates to the use of a sleeve with an internal diameter much larger than the external diameter of the sheath with which the sleeve must cooperate and the provision of an intermediate layer, compacted and possibly curable, of conductive material between said sheath and said sleeve. This material could also have a composition based on graphite.

I1 peut s'avérer, en cours d'usage, que le manchon ou la couche ait tendance à se consommer et, dans un tel cas, il peut être possible de rendre le manchon ou la couche déplaçable par rapport à la surface extérieure de la gaine de façon qu'on puisse le faire descendre sur la gaine extérieure ou bien régler sa position axiale en faisant ainsi en sorte que l'extrémité de travail de l'ensemble d'électrode soit protégée de façon appropriée. I1 may prove, during use, that the sleeve or the layer tends to be consumed and, in such a case, it may be possible to make the sleeve or the layer movable relative to the external surface of the sheath so that it can be lowered onto the outer sheath or else adjust its axial position, thereby ensuring that the working end of the electrode assembly is adequately protected.

L'invention concerne également des éléments préfabriqués agencés pour définir, en combinaison avec un ensemble d'électrode de génération de plasma non consommable, une structure telle que définie ci-dessus. The invention also relates to prefabricated elements arranged to define, in combination with a non-consumable plasma generation electrode assembly, a structure as defined above.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la fig. 1 est une vue en élévation et en coupe longitudinale d'un ensemble d'électrode de génération de plasma protégé conformément à la présente invention, et la fig. 2 représente une forme d'un manchon en graphite fendu longitudinalement conformément à la présente invention. Other advantages and characteristics of the invention will be highlighted in the following description, given by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings in which FIG. 1 is an elevational view in longitudinal section of a plasma generation electrode assembly protected in accordance with the present invention, and FIG. 2 shows a form of a longitudinally split graphite sleeve in accordance with the present invention.

En considérant d'abord la fig. 1, on voit qu'un ensemble de cathode de génération de plasma du type refroidi par eau classique comprend une cathode 1 refroidie par eau, qui est logée concentriquement dans mais espacée d'une gaine extérieure 2 refroidie par eau. Le passage de section annulaire 3 qui est défini entre la cathode et la gaine établit le trajet nécessaire d'écoulement de gaz et les extrémités libres 4 et 5 de la cathode et de la gaine peuvent chacune être profilées pour donner la géométrie nécessaire au passage extérieur et permettre par conséquent l'établissement de l'écoulement nécessaire de gaz à partir du pistolet. First considering fig. 1, it can be seen that a plasma water cathode assembly of the conventional water-cooled type comprises a water-cooled cathode 1, which is concentrically housed in but spaced from an outer water-cooled sheath 2. The passage of annular section 3 which is defined between the cathode and the sheath establishes the necessary path for gas flow and the free ends 4 and 5 of the cathode and the sheath can each be profiled to give the geometry necessary for the external passage and therefore allow the necessary flow of gas from the gun to be established.

La cathode et la gaine refroidie par eau sont toutes deux formées d'une matière métallique électriquement conductrice, de préférence respectivement de tungstène thorié et de cuivre ( ou bien de combinaisons des deux matériaux ), comme cela est bien connu dans l'art antérieur. Both the cathode and the water-cooled sheath are formed from an electrically conductive metallic material, preferably thoriated tungsten and copper, respectively (or combinations of the two materials), as is well known in the prior art.

Pour éviter un risque d'endommagement de la gaine extérieure sous l'effet d'une formation d'arc dispersé, il est prévu un manchon 6 en graphite solide, qui a été usiné pour s'emboiter sur la gaine. Dans ce mcde particulier de réalisation de l'invention, le manchon est réalisé d'une seule pièce par usinage d'une pièce cylindrique massive en graphite. Il est évident que les tolérances doivent être telles qu'une zone suffisamment grande du graphite scit en contact avec la surface extérieure de la gaine de manière que l'énergie électrique et thermique abscrbée par le manchon en graphite soit dissipée dans la gaine dans une zone suffisamment grande pour éviter tout endommagement de ladite gaine. To avoid a risk of damage to the outer sheath under the effect of a dispersed arc formation, a sleeve 6 of solid graphite is provided, which has been machined to fit onto the sheath. In this particular embodiment of the invention, the sleeve is made in one piece by machining a massive cylindrical piece of graphite. It is obvious that the tolerances must be such that a sufficiently large area of the graphite scits in contact with the external surface of the sheath so that the electrical and thermal energy absorbed by the graphite sleeve is dissipated in the sheath in an area large enough to prevent damage to said sheath.

L'épaisseur du manchon en graphite est choisie en correspondance et, bien qu'aucune optimisation ou autres calculs n'aient été effectués pour déterminer l'épaisseur optimale ou minimale du manchon, il est envisagé qu'une épaisseur comprise de préférence entré cinq et vingt cinq millimètres ( ou plus ) permette d'obtenir les résultats désirés, des manchons encore plus épais étant utilisés avec des ensembles d'électrodes de génération de plasma de plus grandes dimensions. The thickness of the graphite sleeve is chosen in correspondence and, although no optimization or other calculations have been carried out to determine the optimum or minimum thickness of the sleeve, it is envisaged that a thickness preferably comprised between five and twenty five millimeters (or more) provides the desired results, even thicker sleeves being used with larger plasma generating electrode assemblies.

Le manchon peut se terminer à courte distance de l'extrémité de buse essentiellement massive de la gaine comme indiqué, mais il peut également s'étendre jusqu'à l'extrémité de la surface extérieure de la gaine, ou bien au-delà de cette extrémité, comme indiqué par des lignes en trait interrompu en 7. Il peut évidemment être nécessaire que la face extrême ou bien une partie de celle-ci soit recouverte par la matière de manchon et un tel agencement, qui est représenté en 8 par les lignes en trait interrompu, rentre également dans le cadre de cette invention. The sleeve may terminate a short distance from the substantially massive nozzle end of the sheath as shown, but it may also extend to or beyond the end of the outer surface of the sheath end, as indicated by dashed lines in 7. It may obviously be necessary for the end face or a part thereof to be covered by the sleeve material and such an arrangement, which is represented at 8 by the lines in broken lines, also falls within the scope of this invention.

Dans un essai pratique qui a été réalisé conformément à l'invention, on a pourvu d'un manchon en graphite, du type défini ci-dessus, un ensemble d'électrode de génération de plasma classique du type non consommable et refroidi par eau, comportant une gaine en cuivre refroidie par eau. In a practical test which was carried out in accordance with the invention, there was provided with a graphite sleeve, of the type defined above, a set of conventional plasma generation electrode of the non-consumable type and cooled by water, comprising a water-cooled copper sheath.

On a provoqué la formation d'arc dispersé au moyen d'une sonde conductrice reliée à l'anode au moyen d'un câble flexible, ce qui a permis de produire artificiellement un arc dispersé. I1 n'en est résulté absolument aucun dommage pour l'ensemble d'électrode, même lorsqu'on a établi un court-circuit sur le côté du manchon.A dispersed arc was caused by a conductive probe connected to the anode by means of a flexible cable, which made it possible to artificially produce a dispersed arc. This resulted in absolutely no damage to the electrode assembly, even when a short circuit was established on the side of the sleeve.

I1 est évident que de nombreuses variantes peuvent être envisagées pour l'ensemble d'électrode spécifique décrit ci-dessus en ce qui concerne le manchon en graphite et en particulier il est envisagé que le manchon puisse être fendu longitudinalement afin d'éliminer des difficultés qui pourraient autrement être rencontrées lors de l'usinage précis d'une pièce massive de graphite en vue de l'établissement du contact avec la surface extérieure d'une gaine conductrice refroidie par eau. Ainsi il est envisagé de réaliser un manchon fendu longitudinalement, du type indiqué sur la fig. 2 où deux moitiés 9 comportent des bords 10 s'étendant longitudinalement et qui sont dégagés de manière à coopérer l'un avec l'autre et à créer un joint étagé en section droite. It is obvious that many variants can be envisaged for the specific electrode assembly described above with regard to the graphite sleeve and in particular it is envisaged that the sleeve can be split longitudinally in order to eliminate difficulties which could otherwise be encountered during the precise machining of a solid piece of graphite for the purpose of establishing contact with the external surface of a conductive sheath cooled by water. Thus it is envisaged to produce a longitudinally split sleeve, of the type indicated in FIG. 2 where two halves 9 have edges 10 extending longitudinally and which are released so as to cooperate with each other and to create a stepped joint in cross section.

De nombreuses autres possibilités rentrent dans le cadre de l'invention, nctamment le dépôt de mélanges durcissables de matières conductrices appropriées, en particulier du graphite et d'autres matières carbonées, sur la surface de la gaine conductrice refroidie par eau d'un ensemble d'électrode. Egalement il peut être suffisant de fixer une série de bandes étroitement espacées, ayant une forme rectiligne, circulaire ou hélicoïdale, d'un matériau conducteur de point de fusion élevé sur la surface extérieure de la gaine. Dans ce cas, l'espacement a évidemment une influence critique sur l'efficacité des bandes. Many other possibilities fall within the scope of the invention, in particular the deposition of hardenable mixtures of suitable conductive materials, in particular graphite and other carbonaceous materials, on the surface of the water-cooled conductive sheath of a set of 'electrode. Also it may be sufficient to fix a series of closely spaced strips, having a rectilinear, circular or helical shape, of a conductive material of high melting point on the outer surface of the sheath. In this case, the spacing obviously has a critical influence on the efficiency of the bands.

L'invention concerne par conséquent un procédé et un moyen simples et peu coûteux pour empêcher un endommagement de la gaine extérieure d'ensembles d'électrodes-de génération de plasma refroidies par eau sous l'effet de la formation d'arcs dispersés. En outre l'invention prévoit la disposition d'une couche de faible conductivité thermique sur la surface de la gaine, ce qui signifie que moins de chaleur arrive en fait sur la surface de cuivre. I1 en résulte une diminution du degré de refroidissement de la gaine. The invention therefore relates to a simple and inexpensive method and means for preventing damage to the outer sheath of electrode assemblies for generating water-cooled plasma under the effect of the formation of dispersed arcs. In addition, the invention provides for the provision of a layer of low thermal conductivity on the surface of the sheath, which means that less heat actually arrives on the copper surface. This results in a reduction in the degree of cooling of the sheath.

Claims

1. A plasma generation electrode assembly, comprising a water-cooled electrode which is housed in, but spaced from, a water-cooled conductive metal sheath, in which a water flow path is defined between the sheath and the electrode and is provided with an outlet at its free end, the plasma gun being characterized in that the sheath (2) comprises, at least over a substantial part of its outer surface, an electrically conductive layer of melting point high which is arranged to attract a dispersed arc instead of that which arrives directly on the outer sheath, the thickness of conductive material of high melting point ensuring a dispersion of the thermal energy generated in it by the arc scattered.

Plasma generation electrode assembly according to claim 1, characterized in that the electrically conductive layer of high melting point is formed of a suitable graphite material.

3. Plasma generation electrode assembly according to claim 2, characterized in that the layer consists of a prefabricated sleeve (6) made of solid graphite which is maintained in substantial electrical contact with the outer surface of the sheath (2 ).

4. Plasma generation electrode assembly according to claim 3, characterized in that the sleeve (6) is split longitudinally (9, 10).

5. Plasma generation electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said electrically conductive layer extends only over the selected parts of the surface of the sheath (2).

6. Plasma generation electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said electrically conductive layer is composed, at least in part, of a hardenable material in contact with the sheath.

7. plasma generation electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said conductive layer is axially adjustable in position on the sheath (2).