FR2910224A1

FR2910224A1 - PLASMA CUTTING TORCH WITH ADAPTIVE PLUNGER TUBE COOLING CIRCUIT

Info

Publication number: FR2910224A1
Application number: FR0655488A
Authority: FR
Inventors: Michael Desclides; Benoit Barthelemy; Frederic Richard
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Air Liquide Welding France
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-20
Also published as: EP1933607A1

Abstract

L'invention porte sur une torche de coupage plasma comprenant un corps (1) de torche avec une tuyère (4) , une électrode (2) creuse présentant un fond borgne (2a) et un insert émissif (3), et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur (5) agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse (2), caractérisée en ce que le tube plongeur (5) a une extrémité aval (5a) qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne (2a) de l'électrode (2) au moyen de moyens d'appui (6) venant exercer sur le tube plongeur (5), une force tendant à repousser le tube plongeur (5) en direction du fond (2a) de l'électrode (2). Une telle configuration permet d'améliorer le refroidissement des pièces d'usure et d'augmenter leur durée de vie.The invention relates to a plasma cutting torch comprising a torch body (1) with a nozzle (4), a hollow electrode (2) having a blind bottom (2a) and an emitting insert (3), and a cooling circuit (2). internal cooling comprising a dip tube (5) arranged, at least in part, in the hollow electrode (2), characterized in that the dip tube (5) has a downstream end (5a) which is maintained at a substantially constant distance of the blind bottom (2a) of the electrode (2) by means of support means (6) coming to exert on the plunger tube (5), a force tending to push the plunger tube (5) towards the bottom (2a ) of the electrode (2). Such a configuration makes it possible to improve the cooling of the wear parts and to increase their service life.

Description

1 La présente invention concerne une torche de coupage plasma avec circuitThe present invention relates to a plasma cutting torch with circuit

de refroidissement comprenant un tube plongeur maintenu en permanence au contact du fond d'électrode, quelle que soit la longueur de l'électrode utilisée. cooling device comprising a dip tube permanently maintained in contact with the electrode bottom, regardless of the length of the electrode used.

Pour assurer le refroidissement des électrodes des torches de coupage plasma, on utilise classiquement un tube plongeur venant s'insérer à l'intérieur de l'électrode et permettant le passage de l'eau de refroidissement. A ce titre, on peut se reporter aux brevets US-A-2001/30007320, WO-A-2004/093502, WO-A-90/10366. Plus précisément, le tube plongeur permet d'assurer la circulation et la mise en contact du fluide de refroidissement, par exemple de l'eau distillée, avec le fond de l'électrode portant l'insert émissif de manière à assurer un refroidissement le plus efficace possible dudit fond d'électrode et surtout de l'insert émissif porté à très haute température durant l'utilisation de la torche. En effet, c'est sur l'insert émissif de l'électrode que vient s'accrocher le pied d'arc plasma et il est dès lors indispensable de le refroidir efficacement pour minimiser et/ou ralentir son érosion due à la vaporisation du matériau qui le constitue, tel que du hafnium, du zirconium, du tungstène ou un alliage métallique contenant un ou plusieurs de ces métaux. Un tube plongeur a généralement une forme tubulaire, c'est-à-dire la forme d'un 2 0 tube allongé de section cylindrique, et comprend une extrémité aval débouchant au niveau du fond d'électrode, lorsque le tube plongeur est positionné dans une torche. Le tube plongeur permet d'assurer l'arrivée du fluide de refroidissement au contact dudit fond de l'électrode pour y assurer un échange thermique permettant le refroidissement de l'insert, puis ensuite le retour, c'est-à-dire l'évacuation, du fluide de refroidissement 2 5 réchauffé au contact du fond d'électrode. Le fluide de refroidissement est typiquement convoyé à l'intérieur du tube plongeur et en direction du fond d' électrode. Ensuite, l'évacuation du fluide réchauffé au contact du fond d'électrode se fait entre la paroi externe du tube plongeur et notamment la paroi interne de l'électrode dans laquelle il est positionné au sein du corps de torche. C'est le sens 2910224 2 de circulation communément employé, mais on pourrait envisager de faire circuler le liquide de refroidissement dans l'autre sens. Or, il s'avère que la taille, c'est-à-dire la longueur, des électrodes utilisées dans les différents procédés de coupage plasma est variable car la structure des électrodes varie en 5 fonction des conditions de coupage, de l'intensité de coupe, du procédé à mettre en oeuvre... De là, afin de conserver un refroidissement efficace de l'électrode et, en particulier, de l'insert émissif de l'électrode, lorsqu'on change de procédé ou de conditions de coupage, il faut actuellement changer de tube plongeur afin de remplacer celui utilisé dans un procédé 10 donné par un autre tube plongeur dont la longueur est plus adaptée à celle de l'électrode utilisée pour le procédé suivant. On comprend immédiatement que cette opération n' est pas pratique car elle rend obligatoire un nombre de pièces élevé, c'est-à-dire qu'il est nécessaire de disposer d'autant de tubes plongeurs différents qu'existent d'électrodes différentes. In order to ensure the cooling of the electrodes of the plasma cutting torches, use is conventionally made of a dip tube that is inserted inside the electrode and allows the cooling water to pass through. As such, reference may be made to US-A-2001/30007320, WO-A-2004/093502, WO-A-90/10366. More precisely, the plunger tube makes it possible to ensure the circulation and the contact of the cooling fluid, for example distilled water, with the bottom of the electrode carrying the emitting insert so as to ensure the most efficient cooling. possible effective said electrode bottom and especially the emissive insert heated to very high temperature during use of the torch. Indeed, it is on the emissive insert of the electrode that clings the plasma arc foot and it is therefore essential to cool it effectively to minimize and / or slow down its erosion due to the vaporization of the material. which constitutes it, such as hafnium, zirconium, tungsten or a metal alloy containing one or more of these metals. A dip tube generally has a tubular shape, i.e. the shape of an elongated tube of cylindrical section, and comprises a downstream end opening at the electrode bottom, when the dip tube is positioned in a torch. The plunger tube makes it possible to ensure the arrival of the cooling fluid in contact with the said bottom of the electrode in order to ensure a thermal exchange allowing the cooling of the insert, and then the return, that is to say the evacuation of the cooling fluid heated in contact with the electrode bottom. The cooling fluid is typically conveyed inside the dip tube and towards the electrode bottom. Then, the evacuation of the heated fluid in contact with the electrode bottom is between the outer wall of the dip tube and in particular the inner wall of the electrode in which it is positioned within the torch body. This is the commonly used circulation direction 2910224 2, but one could consider circulating the coolant in the other direction. However, it turns out that the size, that is to say the length, of the electrodes used in the various plasma cutting processes is variable because the structure of the electrodes varies according to the cutting conditions, the intensity In order to maintain effective cooling of the electrode and, in particular, of the emitting insert of the electrode, when changing the process or the conditions of At the present time, it is necessary to change the dip tube in order to replace the one used in a method given by another dip tube whose length is more adapted to that of the electrode used for the following method. It is immediately understood that this operation is not practical because it requires a high number of parts, that is to say that it is necessary to have as many different dip tubes that exist of different electrodes.

15 Un problème à résoudre est dès lors de pouvoir changer l'électrode d'une torche à plasma, notamment lors d'un changement de procédé ou des conditions d'un procédé donné, sans avoir à remplacer également le tube plongeur de la torche et de manière telle que le tube plongeur soit maintenu à une distance approximativement constante du fond de l'électrode quelle que soit l'électrode utilisée.A problem to be solved is therefore to be able to change the electrode of a plasma torch, especially during a process change or the conditions of a given process, without having to also replace the torch tube and in such a way that the dip tube is kept at a distance approximately constant from the bottom of the electrode regardless of the electrode used.

2 0 Une solution à ce problème est une torche de coupage plasma comprenant un corps de torche avec une tuyère, une électrode creuse présentant un fond borgne et un insert émissif, et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse, caractérisée en ce que le tube plongeur a une extrémité aval qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne de 2 5 l'électrode au moyen de moyens d'appui venant exercer sur le tube plongeur une force tendant à repousser le tube plongeur en direction du fond de l'électrode. Selon le cas, la torche de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens d'appui viennent exercer une force axiale sur le tube plongeur dirigée 3 0 selon l'axe dudit tube plongeur en direction du fond de l'électrode. 2910224 3 -les moyens d'appui viennent exercer une force élastique sur le tube plongeur. - les moyens d'appui viennent exercer une force de contact permanent et de centrage du tube plongeur dans l'électrode. - les moyens d'appui viennent appuyer sur la moitié supérieure du tube plongeur, 5 ladite moitié supérieure du tube plongeur portant l'extrémité amont dudit tube plongeur. - la moitié supérieure du tube plongeur comporte au moins un épaulement sur sa paroi externe sur lequel viennent appuyer les moyens d'appui. - les moyens d'appui sont un ou plusieurs ressorts. - le tube plongeur est creux et de forme cylindrique, de préférence il a une forme 10 globalement tubulaire. L'invention concerne aussi une machine automatique de coupage plasma comportant une torche selon l'invention, ainsi qu'un procédé de coupage plasma d'une pièce métallique, en particulier d'une pièce en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en un alliage d'aluminium, dans lequel on met en oeuvre une torche et/ou une machine selon 15 l'invention. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre faite en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 représente une vue générale en coupe longitudinale du corps d'une torche à plasma selon l'invention, 2 0 - la Figure 2 représente une vue grossie de la partie amont du tube plongeur de la torche de la Figure 1, et - la Figure 3 représente une vue grossie de la partie aval du tube plongeur de la torche de la Figure 1. Comme schématisé sur les Figures 1 à 3, le corps 1 de la torche à plasma de 2 5 l'invention comporte une tuyère 4, une électrode creuse 2 présentant un fond borgne 2a et portant un insert émissif 3, et un circuit de refroidissement interne comprenant un tube plongeur 5 agencé, au moins en partie, dans l'électrode creuse 2. D'une manière générale, par torche de coupage plasma selon l'invention, on entend une torche conçue pour concentrer l'énergie sous forme d'un jet de plasma d'arc à 3 0 très haute température, typiquement entre 15000 à 20000 C.One solution to this problem is a plasma cutting torch comprising a torch body with a nozzle, a hollow electrode having a blind bottom and an emissive insert, and an internal cooling circuit comprising a dip tube arranged, at least in part. in the hollow electrode, characterized in that the dip tube has a downstream end which is maintained at a substantially constant distance from the blind bottom of the electrode by means of support means which exert on the dip tube a force tending to push the dip tube towards the bottom of the electrode. Depending on the case, the torch of the invention may comprise one or more of the following characteristics: the support means come to exert an axial force on the dip tube directed along the axis of said dip tube towards the bottom of the electrode. The support means come to exert an elastic force on the plunger tube. - The support means come to exert a permanent contact force and centering of the plunger tube in the electrode. the support means come to press on the upper half of the plunger tube, said upper half of the plunger tube carrying the upstream end of said plunger tube. - The upper half of the plunger tube has at least one shoulder on its outer wall on which support the support means. the support means are one or more springs. the plunger tube is hollow and of cylindrical shape, preferably it has a generally tubular shape. The invention also relates to an automatic plasma cutting machine comprising a torch according to the invention, as well as a method of plasma cutting a metal part, in particular a carbon steel part, stainless steel, aluminum or in an aluminum alloy, in which a torch and / or a machine according to the invention is used. The invention will now be better understood from the following description given in reference to the appended figures in which: FIG. 1 represents a general view in longitudinal section of the body of a plasma torch according to the invention, 2 represents a magnified view of the upstream portion of the plunger tube of the torch of FIG. 1, and FIG. 3 represents an enlarged view of the downstream portion of the plunger tube of the torch of FIG. 1. As schematized on FIG. 1 to 3, the body 1 of the plasma torch of the invention comprises a nozzle 4, a hollow electrode 2 having a blind bottom 2a and carrying an emitting insert 3, and an internal cooling circuit comprising a tube plunger 5 arranged, at least in part, in the hollow electrode 2. In general, a plasma cutting torch according to the invention means a torch designed to concentrate the energy in the form of a plasma jet from arc to 3 0 very high temperature, typically between 15000 to 20000 C.

2910224 4 Le jet de plasma sous pression fond le métal à son point d'impact avec la pièce à couper et éjecte le métal fondu hors de la saignée en dessous de la pièce. Le jet plasma est généré par un arc électrique qui s'établit entre l'électrode 2 de la torche et la pièce.2910224 4 The pressurized plasma jet melts the metal at its point of impact with the workpiece and ejects the molten metal out of the groove below the workpiece. The plasma jet is generated by an electric arc that is established between the electrode 2 of the torch and the workpiece.

5 L'arc se combine, dans la chambre plasmagène située entre la tuyère 4 et l'électrode 2 à insert émissif 3, en hafnium, zirconium ou tungstène, à un flux de gaz dit gaz plasmagène pour assurer la génération du jet de plasma proprement dit. Le jet de plasma est constricté par l'orifice de sortie 8 de la tuyère 4 de la torche, ce qui lui confère finesse et rigidité.The arc combines, in the plasmagene chamber located between the nozzle 4 and the electrode 2 with an emitting insert 3, in hafnium, zirconium or tungsten, with a gas flow called plasma gas to ensure the generation of the plasma jet neatly. said. The plasma jet is constricted by the outlet orifice 8 of the nozzle 4 of the torch, which gives it fineness and rigidity.

10 Le principe du coupage plasma et le fonctionnement d'une telle torche sont bien connus de l'homme du métier et ne seront donc pas détaillés davantage ici. Pendant la découpe plasma d'une pièce, par exemple d'une plaque ou d'une tôle en acier au carbone, en acier inoxydable ou en tout autre métal ou alliage métallique, un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau distillée, circulant dans la torchel est utilisé pour 15 refroidir l'électrode 2 et surtout l'insert 3 par échange thermique avec ces pièces d'usure. Ce fluide de refroidissement est convoyé dans le corps de torche 1 par des passages de fluide aménagés dans ledit corps 1 et par ailleurs par le tube plongeur 5, qui pénètre partiellement dans l'électrode 2 à fond borgne pour y convoyer l'eau de refroidissement jusqu'à proximité de l'insert 3.The principle of plasma cutting and the operation of such a torch are well known to those skilled in the art and will therefore not be detailed further here. During the plasma cutting of a workpiece, for example a plate or a sheet of carbon steel, stainless steel or any other metal or metal alloy, a cooling fluid, for example distilled water, circulating in the torchel is used to cool the electrode 2 and especially the insert 3 by heat exchange with these wear parts. This cooling fluid is conveyed in the torch body 1 by fluid passages arranged in said body 1 and also by the plunger tube 5, which partially enters the blind-bottom electrode 2 to convey the cooling water therein to near the insert 3.

2 0 Selon l'invention, le tube plongeur 5 a une extrémité aval 5a qui est maintenue à une distance sensiblement constante du fond borgne 2a de l'électrode 2 par l'intermédiaire de moyens d'appui 6 venant exercer sur le tube plongeur 5 une force tendant à repousser le tube 5 en direction du fond 2a. Autrement dit, l'extrémité aval 5a du tube plongeur 5 pénètre dans l'électrode 2 et 2 5 est maintenue à une distance sensiblement constante du fond 2a de l'électrode 2 (cf. Figure 3) grâce à un contact permanent et, de préférence, centré du tube plongeur 5 sur la surface intérieure de l'électrode 2 par un dispositif ou des moyens d'appui 6, tel un moyen élastique comme un ressort par exemple, venant appuyer de préférence axialement sur le tube plongeur 2, comme montré en Figure 2.According to the invention, the plunger tube 5 has a downstream end 5a which is kept at a substantially constant distance from the blind bottom 2a of the electrode 2 by means of support means 6 coming to exert on the plunger tube 5 a force tending to push the tube 5 towards the bottom 2a. In other words, the downstream end 5a of the plunger tube 5 penetrates into the electrode 2 and is held at a substantially constant distance from the bottom 2a of the electrode 2 (see FIG. 3) thanks to a permanent contact and, Preferably, the plunger tube 5 is centered on the inner surface of the electrode 2 by a device or support means 6, such as an elastic means such as a spring for example, preferably pressing axially on the plunger tube 2, as shown in Figure 2.

2910224 5 Comme illustré en Figure 3, les moyens à ressort peuvent venir appuyer axialement sur un épaulement latéral 7 aménagé sur la paroi externe du tube plongeur 5 de manière à repousser le tube plongeur 5 en direction de l'électrode 2. On peut également prévoir plusieurs épaulements 7 sur la paroi externe du tube 5 plongeur 5 sur lesquels viendraient appuyer un ou plusieurs ressorts 6 ou tout autre système apte à remplir la même fonction. Selon un autre mode de réalisation, un ressort 6 pourrait venir appuyer axialement sur le rebord périphérique de l'extrémité amont 5b du tube plongeur 5, voire même à l'intérieur de celui-ci.As illustrated in FIG. 3, the spring means can bear axially on a lateral shoulder 7 arranged on the outer wall of the plunger tube 5 so as to push the plunger tube 5 towards the electrode 2. several shoulders 7 on the outer wall of the plunger tube 5 on which one or more springs 6 or any other system adapted to fulfill the same function would be supported. According to another embodiment, a spring 6 could bear axially on the peripheral rim of the upstream end 5b of the dip tube 5, or even inside thereof.

10 De préférence, les moyens à ressort 6 viennent appuyer sur la partie haute du tube plongeur 5, c'est-à-dire sa portion amont 5b portant l'orifice aval du tube plongeur. L'orifice amont correspond à l'orifice d'entrée du fluide de refroidissement dans le tube plongeur 5, alors que l'orifice aval correspond à l'orifice de sortie du fluide de refroidissement dans le tube plongeur 5.Preferably, the spring means 6 press on the upper part of the plunger tube 5, that is to say its upstream portion 5b carrying the downstream orifice of the plunger tube. The upstream orifice corresponds to the inlet for the cooling fluid in the plunger tube 5, while the downstream orifice corresponds to the outlet orifice of the cooling fluid in the plunger tube 5.

15 La force axiale est donc appliquée par les moyens d'appui 6 sur le tube plongeur 5 en direction de l'électrode 2 de manière à maintenir le tube plongeur 5 à une distance approximativement constante du fond de l'électrode 2 quelle que soit l'électrode utilisée. En effet, une telle configuration permet de changer l'électrode 2 de la torche à plasma, notamment lors d'un changement de procédé ou d'une variation des conditions de 2 0 procédé, sans avoir à remplacer le tube plongeur 5 de la torche puisque les moyens d'appui 6 repousseront le tube 6 plongeur vers l'électrode de manière à obtenir un bon refroidissement de l'insert 3 de l'électrode 2 puisque la circulation de l'eau de refroidissement se fera toujours au plus près de l'insert. Le tube plongeur 5 vient en appui direct du fond de l'électrode. Toutefois, des 2 5 créneaux ou autres découpes similaires sont prévus au niveau de l'extrémité ou bordure aval 5a du tube plongeur 5 afin de permettre une circulation du liquide de refroidissement entre l'intérieur et l'extérieur du tube 5 (ou inversement) et au plus près de l'insert émissif 3, c'est-à-dire de la zone la plus chaude de l'électrode. Selon l'invention, la torche à plasma est de type mono flux ou double flux, c'est-à- 3 0 dire qu'elle peut être équipée d'une seule tuyère 4 ou alors de deux tuyères coaxiales de 2910224 6 manière à délivrer deux flux de gaz, à savoir un flux de gaz plasma provenant de la tuyère interne 2 et un flux périphérique provenant de la tuyère externe et permettant d'opérer un gainage gazeux du flux de gaz plasma. 5The axial force is therefore applied by the support means 6 to the dip tube 5 in the direction of the electrode 2 so as to maintain the dip tube 5 at an approximately constant distance from the bottom of the electrode 2, whatever the temperature. electrode used. Indeed, such a configuration makes it possible to change the electrode 2 of the plasma torch, in particular during a process change or a variation of the process conditions, without having to replace the dip tube 5 of the torch. since the support means 6 will push the plunger tube 6 towards the electrode so as to obtain a good cooling of the insert 3 of the electrode 2 since the flow of the cooling water will always be closer to the insert. The plunger tube 5 bears directly against the bottom of the electrode. However, crenellations or other similar cuts are provided at the downstream end or edge 5a of the dip tube 5 to allow circulation of coolant between the inside and the outside of the tube 5 (or vice versa). and as close as possible to the emitting insert 3, that is to say of the hottest zone of the electrode. According to the invention, the plasma torch is of the single-flow or dual-flow type, that is to say that it can be equipped with a single nozzle 4 or else two coaxial nozzles 2910224 6 delivering two gas flows, namely a plasma gas flow from the inner nozzle 2 and a peripheral flow from the outer nozzle and for effecting a gas cladding of the plasma gas flow. 5

Claims

claims

Plasma cutting torch comprising a torch body (1) with a nozzle (4), a hollow electrode (2) having a blind bottom (2a) and an emitting insert (3), and an internal cooling circuit comprising a plunger tube (5) arranged, at least in part, in the hollow electrode (2), characterized in that the plunger tube (5) has a downstream end (5a) which is maintained at a substantially constant distance from the blind bottom ( 2a) of the electrode (2) by means of support means (6) coming to exert on the plunger tube (5), a force tending to push the plunger tube (5) towards the bottom (2a) of the electrode (2).

2. Torch according to claim 1, characterized in that the support means (6) come to exert an axial force on the dip tube (5) directed along the axis of said dip tube (5) towards the bottom (2a) of the electrode.

3. Torch according to one of claims 1 or 2, characterized in that the support means (6) come to exert an elastic force on the dip tube (5).

4. Torch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the 20 support means (6) come to exert a permanent contact force and centering of the plunger tube (5) in the electrode (2) .

5. Torch according to one of claims 1 to 4, characterized in that the support means (6) are supported on the upper half of the plunger tube (5), said upper half of the plunger tube (5) bearing the upstream end (5b) of said plunger tube (5).

6. Torch according to one of claims 1 to 5, characterized in that the upper half of the plunger tube (5) comprises at least one shoulder (7) on its outer wall 30 on which support the support means ( 6). 2910224 8

7. Torch according to one of claims 1 to 6, characterized in that the support means (6) are one or more springs. 5

8. Torch according to one of claims 1 to 7, characterized in that the dip tube (5) is hollow and of cylindrical shape, preferably it has a generally tubular shape.

9. An automatic plasma cutting machine comprising a torch according to one of claims 1 to 8.

10. Process for plasma cutting a workpiece, in particular a metal workpiece, in which a torch according to one of Claims 1 to 8 or a machine according to Claim 9 is used.