FR2787676A1 - Piece d'usure pour torche de travail a l'arc realisee en cuivre allie - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma ou torche TIG, MIG ou MAG, réalisée en un alliage de cuivre contenant principalement du cuivre et, en outre, un ou plusieurs matériaux d'alliage choisis parmi le tellure, le soufre, le plomb, le chrome et le zirconium Préférentiellement, la teneur en matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre est de 0. 01% à 5%, et la teneur en cuivre est d'au moins 90% à 95%.La pièce d'usure selon l'invention peut être toute ou partie d'une électrode, d'une tuyère, d'une cartouche formée d'un ensemble électrode/ tuyère, d'une pince porte-électrode et d'un siège de pince porte-électrode. L'invention concerne aussi une torche à plasma munie d'une ou plusieurs pièces d'usure selon l'invention et son utilisation dans une opération de coupage plasma, ainsi qu'une torche TIG, MIG ou MAG munie d'une ou plusieurs pièces d'usure selon l'invention et son utilisation dans une opération de soudage.
Description
La présente invention concerne le domaine des torches à plasma d'arc
comportant une électrode, typiquement la cathode, dont une extrémité o10 est centrée en regard d'un orifice d'éjection d'un jet de plasma d'arc, ledit orifice formant diaphragme de constriction et étant porté par une pièce
d'usure appelée tuyère.
Habituellement, un débit convenable de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, est introduit dans une 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.
En effet, les systèmes ou installations de coupage plasma comprennent, en général, 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.
Une telle torche de coupage 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).
En outre, un 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.
De façon connue en soi, un système d'allumage d'arc, du type à haute
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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.
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 o10 ou non-transféré). Un mouvement est subséquemment communiqué, généralement à la torche, pour commencer l'opération de découpe proprement dite. De manière alternative, dans le cas d'une découpe de matériaux métalliques, I'arc pilote est transféré à la pièce de travail formant alors anode, le circuit électrique de la tuyere 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.
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 soit choisi 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.
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.
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 2 o approvisionnement aisé et une bonne usinabilité pour un coût de fabrication,
par grande quantité, acceptable et compatible au plan industriel.
Actuellement, I'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.
Ainsi, on peut citer les documents US-A-3.575.568 et EP-A-444344
qui décrivent l'utilisation d'électrodes en cuivre.
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
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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'o 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, I'indice d'usinabilité du cuivre n'est que de 20 par rapport à un
laiton de décolletage pris comme base 100.
Le problème qui se pose alors est de concevoir des pièces d'usure lo pour torches, 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 telles qu'habituellement préconisées dans l'art antérieur, sans toutefois présenter les problèmes d'usinage et de malléabilité
rencontrés avec le cuivre.
De là, il a été mis en évidence, dans le cadre de la présente invention, que certains alliages particuliers de cuivre 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.
En d'autres termes, il apparaît que l'addition de petites quantités de certains éléments chimiques particuliers au cuivre 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.
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
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fonctionnement de la torche à plasma, sont des alliages particuliers de cuivre ou cuivres alliés dont la teneur en certains éléments d'addition 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. Il s'ensuit que la présente invention concerne alors une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma, au moins partiellement constituée ou réalisée en un alliage de cuivre contenant principalement du cuivre et au moins un matériau d'alliage choisi 1o dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb, le chrome et le zirconium. Dans le cadre de la présente invention, les termes "pièce d'usure" sont équivalents aux termes "pièces consommables" et correspondent aux éléments ou pièces constituant les parties de la torche de travail à l'arc électrique, notamment une torche à plasma ou une torche TIG, MIG ou MAG, 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.
De préférence, le matériau d'alliage est choisi dans le groupe formé
par le tellure, le chrome et le zirconium, et leurs combinaisons.
Selon le cas, la pièce d'usure selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - I'alliage de cuivre contient, outre le cuivre, plusieurs des matériaux
d'alliage choisis dans le groupe ci-avant.
- la teneur en cuivre dans l'alliage de cuivre est d'au moins 90%, de
préférence de 95% à 99%, préférentiellement encore d'au moins 97%.
- la teneur en matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre est de 0.01%
à 5%, de préférence la teneur en matériau d'alliage est de 0.05% à 3%.
- le matériau d'alliage est le tellure et en ce que la teneur en tellure dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1% et 1.5%, de préférence
entre 0.3% et 0.7%.
- le matériau d'alliage est le chrome et en ce que la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 3%, de préférence entre
0.5 et 1%.
- le matériau d'alliage est le zirconium et en ce que la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 2%, de
préférence entre 0.1% et 0.2%.
- le matériau d'alliage est un mélange de zirconium et de chrome, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre lo 0.05% et 0.25% et la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise
entre 0.4% et 1.2%.
- elle est choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères,
les cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, les pinces porte-
électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes.
- la pièce d'usure est une électrode portant un insert en hafnium, en
tungstène ou en zirconium.
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 cylindro-
tronconique, et porte un insert émissif, notamment en hafnium, en tungstène
ou en zirconium, fixé à son extrémité active ou extrémité inférieure ou aval.
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.
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.
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
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décrivent les torches à plasma.
Par ailleurs, selon la présente invention, le choix du ou des matériaux
d'alliage peut se faire en fonction de plusieurs paramètres ou 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, lo 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 soufre (Cu-S) ou alliages de cuivre et de plomb (Cu-Pb) qui présentent des propriétés très voisines de celles du
cupro- tellure.
En effet, il a été mis en évidence que l'addition de ces éléments insolubles, tels Te, S 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-àfait comparable à celle des
laitons de décolletage.
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: 115 C pour le soufre,
330 C pour le plob et 450 C pour le tellure.
Par contre, lorsqu'une résistance mécanique élevée est recherchée, ainsi qu'une bonne conductivité thermique et électrique, on préfère utiliser
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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.
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.
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.
Il s'agit des états TER et TRE pour lesquels le durcissement structural
et l'écrouissage cumulent leurs effets.
De tels alliages, dans les états cités précédemment, présentent une
usinabilité inférieure au cupro-tellure, mais supérieure à celle du cuivre non-
allié. Selon un autre aspect, I'invention concerne aussi une torche à plasma comprenant au moins une pièce d'usure, en particulier une électrode et/ou une tuyère, selon l'invention, ainsi que l'utilisation d'une telle torche à plasma dans une opération de travail d'une pièce d'acier, d'acier inoxydable, d'aluminium, d'un alliage d'aluminium ou de tout autre matériau métallique
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par jet de plasma, en particulier une opération de coupage ou de marquage
par jet de plasma.
Selon un autre aspect, I'invention concerne aussi une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Metal Inert Gas) ou MAG (Metal Active Gas) comprenant au moins une pièce d'usure, en particulier une pince porte-électrode ou un siège de pince porte-électrode, selon l'invention et son utilisation dans une opération de soudage à l'arc d'au moins une
pièce métallique.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide 1o d'exemples de modes de réalisation schématisés sur les figures annexées,
lesquels sont donnés à titre illustratif mais non limitatif.
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 I'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, I'un à l'autre.
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. 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.
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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.
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.
o10 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.
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
2 o généralement en un matériau électriquement isolant.
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.
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.
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.
il 2787676 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 io 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.
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.
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.
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.
Selon la figure 2, I'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.
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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. 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.
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.
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.
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.
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. Dans cet exemple, I'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
io tuyères à faible prix de revient.
La figure 4 schématise, quant à elle, une tuyère à ternue 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.
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.
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.
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.
Là encore, le cupro-tellure est beaucoup moins recommandé pour les
raisons précitées (cf. figure 3).
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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.
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 0,3 et 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 io volume important, et une partie inférieure 20, comportant le canal 7a d'éjection du jet plasma, réalisée en cupro-chrome contenant une teneur en chrome 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.
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 , de façon à obturer complètement l'extrémité de l'électrode 61. Ainsi agencée, I'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 1o 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.
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.
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 cuprotellure (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. 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-68903645.0 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 lo (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, et - un pion cylindrique 73 constitué d'un insert émissif en hafnium 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 corps
principal 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.
17 2787676
Claims (10)
1. Pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma ou pour torche TIG, MIG ou MAG, dont au moins une partie est réalisée en un alliage de cuivre contenant du cuivre et au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le
plomb, le chrome et le zirconium.
2. Pièce d'usure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre est de 0.01% à 5%, de préférence la teneur en matériau d'alliage est de 0.05% à 3% et/ou en ce
que la teneur en cuivre dans l'alliage de cuivre est d'au moins 90%.
3. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée
en ce que le matériau d'alliage est le tellure et en ce que la teneur en tellure dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1% et 1.5%, de préférence
entre 0.3% et 0.7%.
4. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée
en ce que le matériau d'alliage est le chrome et en ce que la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 3%, de
préférence entre 0.5 et 1%.
5. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée
en ce que le matériau d'alliage est le zirconium et en ce que la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 2%, de
préférence entre 0.1% et 0.2%.
6. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1, 2, 4 ou 5,
18 2787676
caractérisée en ce que le matériau d'alliage est un mélange de zirconium et de chrome, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 0.25% et la teneur en chrome dans l'alliage de
cuivre est comprise entre 0.4% et 1.2%.
7. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en
ce qu'elle est choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères,
les cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, les pinces porte-
électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes.
o10
8. Torche de travail à l'arc électrique, en particulier une torche à plasma ou une torche TIG, MIG ou MAG, comportant au moins une pièce
d'usure selon l'une des revendications 1 à 7.
9. Utilisation d'une torche de travail à l'arc électrique selon la revendication 8 dans une opération de travail à l'arc d'une pièce d'acier, d'acier inoxydable, d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium par jet de plasma, en particulier une opération de coupage ou de marquage par jet de plasma.
10. Utilisation d'une torche TIG, MIG ou MAG selon la revendication 8
dans une opération de soudage à l'arc d'au moins une pièce métallique.
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