FR2917314A1

FR2917314A1 - Electrode for arch-plasma torch, comprises a hollow electrode body with one-eyed disc-shaped bottom comprising a cylindrical central structure projecting towards an inner side of electrode body

Info

Publication number: FR2917314A1
Application number: FR0755764A
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
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2008-12-19

Abstract

The electrode (1) for arch-plasma torch, comprises a hollow electrode body with one-eyed disc-shaped bottom (3) comprising a cylindrical central structure (4) projecting towards an inner side of electrode body. The central structure forms a housing for receiving an emissive insert (2). Intersection between the electrode bottom and side wall of the central structure presents a first radius of curvature (0.1-1 mm) and/or intersection between the side wall and a top of the structure presents a second radius of curvature (0.1-1 mm). The electrode (1) for arch-plasma torch, comprises a hollow electrode body with one-eyed disc-shaped bottom (3) comprising a cylindrical central structure (4) projecting towards an inner side of electrode body. The central structure forms a housing for receiving an emissive insert (2). Intersection between the electrode bottom and side wall of the central structure presents a first radius of curvature (0.1-1 mm) and/or intersection between the side wall and a top of the structure presents a second radius of curvature (0.1-1 mm). The structure constitutes a surface of an internal part (5) of the electrode body. The insert is inserted in the housing of the central structure. The top of the structure has conical or tapered shape.

Description

La présente invention porte sur une électrode pour torche à plasma àThe present invention relates to an electrode for plasma torch

refroidissement amélioré et une torche à plasma munie d'une telle électrode. Une torche à plasma comporte habituellement une électrode munie d'un insert émissif entourée d'une tuyère munie d'un orifice de sortie de jet de plasma d'arc, l'électrode et la tuyère étant séparée l'une de l'autre par une chambre dite plasmagène au sein de laquelle est généré le plasma au moyen d'un gaz et d'un courant électrique. Le fonctionnement d'une telle torche est bien connu et décrit notamment par les documents suivants EP-A-1147692 et EP-A-599709. Pour assurer un bon fonctionnement d'une torche à plasma, on opère habituellement un refroidissement permanent de l'électrode. Ce refroidissement est assuré par une circulation d'eau ou d'un autre fluide de refroidissement à l'intérieur de l'électrode, et plus particulièrement autour de l'insert émissif porté par l'électrode. En effet, un refroidissement insuffisant ou inadéquat de l'insert de l'électrode engendre une usure et une détérioration rapide de l'insert par vaporisation du métal qui le constitue, typiquement du hafnium, zirconium ou tungstène, ce qui oblige à remplacer fréquemment l'électrode donc nuit à la productivité et au coût global du procédé de coupage. Ainsi, le document EP-A-641269 a proposé de tenter de réduire l'usure des inserts en adaptant la dimension de l'insert en fonction de l'intensité du courant servant à générer un spot électrique sur cet insert et en procédant à un refroidissement simultané de cet insert. Toutefois, malgré la mise en oeuvre systématique dans les torches à plasma d'un refroidissement des électrodes, il s'avère en pratique que la vitesse de détérioration des électrodes à plasma reste toujours importante au plan industriel puisque celles-ci sont souvent changées au bout d'à peine quelques heures d'utilisation, voire parfois moins que cela. Un problème à résoudre dans le cadre de la présente invention est dès lors d'améliorer la durée de vie de l'électrode d'une torche à plasma en améliorant l'efficacité du refroidissement de l'insert portée par cette électrode. Une solution selon l'invention est alors une électrode pour torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage à l'arc plasma, comprenant un corps d'électrode creux à fond borgne, ledit fond comportant une structure centrale faisant saillie, par rapport audit fond, vers l'intérieur du corps d'électrode, ladite structure centrale étant au moins partiellement évidée de manière à former un logement apte à recevoir un insert émissif, caractérisée en ce que : - l'intersection entre le fond de l'électrode et la paroi latérale de la structure centrale présente un premier rayon de courbure R1 et/ou - l'intersection entre la paroi latérale et le sommet de la structure centrale présente un second rayon de courbure R2. Selon le cas, l'électrode de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier rayon de courbure R1 et le second rayon de courbure R2 sont égaux ou différents. - le premier rayon de courbure Rl est compris entre 0,1 mm et 1 mm (rayon de courbure total = une demi-sphère) et le second rayon R2 de courbure est compris entre 0,1 et l mm. - la structure centrale est de forme générale cylindrique. - le fond de l'électrode a une forme de disque comprenant, en son centre, la structure centrale de forme cylindrique. - la structure centrale constitue une partie de la surface interne du corps d'électrode en étant formée d'une seule pièce avec ledit corps d'électrode. - un insert émissif est inséré dans le logement de la structure centrale. - l'insert émissif est en hafnium, zirconium, tungstène ou un alliage contenant l'un ou plusieurs de ces métaux, et le corps d'électrode est en cuivre ou en un alliage de cuivre, notamment en alliage cuivre-tellure, cuivre-chrome, cuivre-béryllium ou cuivre-zirconium. - le sommet de la structure centrale est de forme conique ou tronconique. Selon un autre aspect, l'invention porte aussi sur une torche à arc plasma, en particulier une torche de coupage à l'arc plasma, comprenant une électrode selon l'invention. L'invention va être mieux comprise grâce à la description suivante faite en relation aux figures illustratives annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une vue en coupe de la partie avant d'une électrode selon l'art antérieur, - la Figure 2 est une vue en coupe de la partie avant d'une électrode selon l'invention, - et la Figure 3 est une vue en coupe de la partie avant d'une torche à plasma incluant une électrode selon la Figure 2. improved cooling and a plasma torch provided with such an electrode. A plasma torch usually comprises an electrode provided with an emissive insert surrounded by a nozzle provided with an arc plasma jet outlet orifice, the electrode and the nozzle being separated from one another by a so-called plasmagene chamber in which the plasma is generated by means of a gas and an electric current. The operation of such a torch is well known and described in particular by the following documents EP-A-1147692 and EP-A-599709. To ensure proper operation of a plasma torch, the electrode is usually permanently cooled. This cooling is provided by a circulation of water or another cooling fluid inside the electrode, and more particularly around the emissive insert carried by the electrode. In fact, insufficient or inadequate cooling of the insert of the electrode causes wear and rapid deterioration of the insert by vaporization of the metal which constitutes it, typically hafnium, zirconium or tungsten, which makes it necessary to frequently replace the The electrode therefore impairs the productivity and the overall cost of the cutting process. Thus, the document EP-A-641269 proposed to try to reduce the wear of the inserts by adjusting the size of the insert as a function of the intensity of the current used to generate an electric spot on this insert and proceeding to a simultaneous cooling of this insert. However, despite the systematic implementation in the plasma torches of a cooling of the electrodes, it turns out in practice that the rate of deterioration of plasma electrodes is still important industrially since they are often changed after just a few hours of use, sometimes less than that. A problem to be solved in the context of the present invention is therefore to improve the life of the electrode of a plasma torch by improving the cooling efficiency of the insert carried by this electrode. A solution according to the invention is then a plasma arc torch electrode, in particular a plasma arc cutting torch, comprising a hollow-bottom hollow electrode body, said bottom having a projecting central structure, relative to said bottom, towards the inside of the electrode body, said central structure being at least partially hollowed out so as to form a housing adapted to receive an emissive insert, characterized in that: - the intersection between the bottom of the electrode and the side wall of the central structure has a first radius of curvature R1 and / or - the intersection between the side wall and the vertex of the central structure has a second radius of curvature R2. Depending on the case, the electrode of the invention may comprise one or more of the following characteristics: the first radius of curvature R1 and the second radius of curvature R2 are equal or different. the first radius of curvature R1 is between 0.1 mm and 1 mm (total radius of curvature = one half-sphere) and the second radius R2 of curvature is between 0.1 and 1 mm. - The central structure is generally cylindrical. the bottom of the electrode has a disk shape comprising, at its center, the cylindrical central structure. the central structure constitutes a part of the inner surface of the electrode body being formed in one piece with said electrode body. an emitting insert is inserted in the housing of the central structure. the emitting insert is made of hafnium, zirconium, tungsten or an alloy containing one or more of these metals, and the electrode body is made of copper or a copper alloy, especially copper-tellurium alloy, copper-copper alloy, chromium, copper-beryllium or copper-zirconium. - The top of the central structure is conical or frustoconical. According to another aspect, the invention also relates to a plasma arc torch, in particular a plasma arc cutting torch, comprising an electrode according to the invention. The invention will be better understood from the following description made with reference to the appended figures in which: FIG. 1 is a sectional view of the front part of an electrode according to the prior art, FIG. a sectional view of the front part of an electrode according to the invention, and FIG. 3 is a sectional view of the front part of a plasma torch including an electrode according to FIG. 2.

En s'intéressant au problème du refroidissement insuffisant de l'insert 2 d'une électrode 1 de torche à plasma, les inventeurs de la présente invention se sont aperçus que cette insuffisance de refroidissement était notamment liée à un pompage thermique inefficace au niveau de l'insert 2, c'est-à-dire que le transfert d'énergie de la zone la plus chaude vers la zone la plus froide est fortement ralenti par des résistances de contact, des coefficients de transfert thermiques défavorables, ou encore par la présence d'éléments isolants (bulles d'air, aspérités des surfaces, ...). En effet, la géométrie de la partie interne 5 des électrodes 2 creuses à fond borgne de l'état de la technique, telle celle schématisée en Figure 1, comprend des angles vifs. By focusing on the problem of insufficient cooling of the insert 2 of a plasma torch electrode 1, the inventors of the present invention have found that this insufficient cooling is notably related to an inefficient thermal pumping at the level of the insert 2, that is to say that the transfer of energy from the hottest zone to the coldest zone is greatly slowed down by contact resistances, unfavorable heat transfer coefficients, or by the presence insulating elements (air bubbles, roughness of surfaces, ...). Indeed, the geometry of the inner portion 5 of the hollow-bottomed hollow electrodes 2 of the state of the art, such as that shown schematically in FIG. 1, comprises sharp angles.

Ainsi, le fond 3 borgne de l'électrode 1 comporte habituellement une structure 4 centrale, de forme généralement cylindrique, faisant saillie axialement vers l'intérieur 5 du corps d'électrode 1 par rapport au fond 3, et évidée du côté externe du corps d'électrode pour former un logement 10 au sein duquel vient se loger et se fixer l'insert 2 émissif. Lors de l'utilisation d'une torche à plasma munie d'une telle électrode 1 (cf. figure 3), le fluide de refroidissement vient baigner cette structure 4 centrale pour la refroidir et donc aussi refroidir par échange thermique l'insert 2 émissif qu'elle contient, c'est-à-dire par transfert de calories successivement de l'insert 2 en hafnium, zirconium ou tungstène au corps d'électrode 1 qui est typiquement en cuivre ou en un alliage de cuivre, puis au fluide de refroidissement, tel que de l'eau distillée. Thus, the blind bottom of the electrode 1 usually comprises a central structure 4, of generally cylindrical shape, projecting axially inwardly from the electrode body 1 relative to the bottom 3, and recessed from the external side of the body electrode to form a housing 10 within which is housed and attach the emissive insert 2. When using a plasma torch provided with such an electrode 1 (see FIG. 3), the cooling fluid comes to bathe this central structure 4 to cool it and thus also to cool by heat exchange the emissive insert 2 it contains, that is to say by calorific transfer successively from the insert 2 in hafnium, zirconium or tungsten to the electrode body 1 which is typically made of copper or a copper alloy, then to the fluid of cooling, such as distilled water.

Comme on peut le voir sur la Figure 1, la géométrie interne d'une telle électrode comporte des angles vifs 6, 7, typiquement de l'ordre de 90 , à savoir un premier angle vif 6 au niveau de la base 4a de cette structure 4, c'est-à-dire au niveau de l'intersection de la paroi périphérique latérale de cette structure 4 avec le fond 3 d'électrode, et un second angle vif 7 au niveau du sommet 4b de la structure cylindrique 4, c'est-à-dire au niveau de l'intersection entre la paroi périphérique latérale de cette structure 4 et son sommet, c'est-à-dire sa surface supérieure. Or, comme susmentionné, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le problème d'efficacité de refroidissement de l'insert 2 était notamment lié à ce type de configuration à angles vifs. As can be seen in FIG. 1, the internal geometry of such an electrode comprises sharp angles 6, 7, typically of the order of 90, namely a first sharp angle 6 at the base 4a of this structure. 4, that is to say at the intersection of the lateral peripheral wall of this structure 4 with the electrode bottom 3, and a second sharp angle 7 at the top 4b of the cylindrical structure 4, c that is to say at the intersection of the lateral peripheral wall of this structure 4 and its top, that is to say, its upper surface. However, as mentioned above, the inventors of the present invention have shown that the problem of cooling efficiency of the insert 2 was particularly related to this type of sharp angle configuration.

En effet, lorsque le fluide de refroidissement circule dans la torche pendant une opération de coupage thermique, ces angles vifs 6, 7 engendrent des pertes de charge importantes du liquide de refroidissement et donc des perturbations de la vitesse et de la fluidité d'écoulement de celui-ci. Indeed, when the cooling fluid circulates in the torch during a thermal cutting operation, these sharp angles 6, 7 generate significant pressure drops of the coolant and therefore disturbances of the speed and fluidity of flow. this one.

Partant de ce constat, les inventeurs ont cherché à remédier à ces problèmes et à améliorer le pompage thermique au niveau de l'insert 2 pour accroître la durée de vie de l'insert 2, donc de l'électrode 1, en modifiant la géométrie du fond 3 de l'électrode 1. Pour ce faire, les angles vifs 6, 7 présents aux intersections 8, 9 entre le fond 3 d'électrode et la paroi périphérique de la structure 4 centrale, et entre ladite paroi périphérique et le sommet de ladite structure 4 centrale ont été supprimés et remplacés par des profils à congés ou rayons de courbure R1, R2, comme schématisé sur la Figure 2. Par exemple, les rayons de courbure 8, 9 sont de l'ordre de 0,3 mm, mais plus généralement de 0,1 à 0,5 mm, pour un fond compris entre 0,5 et 1 mm et une structure 4 comprise entre 1 et 3 mm. On the basis of this observation, the inventors have sought to remedy these problems and to improve the thermal pumping at the level of the insert 2 in order to increase the life of the insert 2, therefore of the electrode 1, by modifying the geometry of the bottom 3 of the electrode 1. To do this, the sharp corners 6, 7 present at the intersections 8, 9 between the bottom electrode 3 and the peripheral wall of the central structure 4, and between said peripheral wall and the top of said central structure 4 have been removed and replaced by profiles with fillets or radii of curvature R1, R2, as shown diagrammatically in FIG. 2. For example, the radii of curvature 8, 9 are of the order of 0.3 mm , but more generally from 0.1 to 0.5 mm, for a bottom of between 0.5 and 1 mm and a structure 4 of between 1 and 3 mm.

Des électrodes ainsi modifiées ont ensuite été testées dans une torche à plasma classique. Ces essais ont permis de montrer que la géométrie spécifique selon l'invention permet d'augmenter la vitesse de circulation du liquide de refroidissement au plus près de la source de chaleur, c'est-à-dire de l'insert 2 émissif. Le pompage thermique s'en trouve donc amélioré et l'usure de l'insert 2 réduite. De plus, cette nouvelle géométrie interne d'électrode 2 permet aussi de diminuer le décollement de la veine fluide au moment de ses changements de direction, lorsque le fluide circule dans le corps 5 d'électrode agencé dans une torche à plasma, comme illustré en Figure 3, ce qui permet par ailleurs de réduire les pertes de charge et de stabiliser la vitesse d'écoulement du fluide.25 Electrodes thus modified were then tested in a conventional plasma torch. These tests have made it possible to show that the specific geometry according to the invention makes it possible to increase the speed of circulation of the cooling liquid as close as possible to the heat source, that is to say of the emissive insert 2. The thermal pumping is thus improved and the wear of the insert 2 reduced. Moreover, this new internal electrode geometry 2 also makes it possible to reduce the detachment of the fluid vein at the time of its changes of direction, when the fluid flows in the electrode body 5 arranged in a plasma torch, as illustrated in FIG. Figure 3, which also allows to reduce the pressure drop and to stabilize the flow velocity of the fluid.

Claims

claims

An electrode (1) for a plasma arc torch comprising a hollow bottom electrode body (5) with a blind bottom (3), said bottom (3) having a central structure (4) projecting from said bottom (3). inwardly (5) of the electrode body, said central structure (4) being at least partially recessed so as to form a housing (10) adapted to receive an emissive insert (2), characterized in that: the intersection (8) between the bottom (3) of the electrode (1) and the side wall (4c) of the central structure (4) has a first radius of curvature (R1) and / or the intersection ( 9) between the side wall (4c) and the top of the central structure (4) has a second radius of curvature (R2).

2. Electrode according to claim 1, characterized in that the first radius of curvature (R1) and the second radius of curvature (R2) are equal or different.

3. Electrode according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first radius of curvature (Rl) is between 0.1 mm and 1 mm and the second radius (R2) of curvature is between 0.1 and 1 mm. 20

4. Electrode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the structure (4) central is generally cylindrical.

5. Electrode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bottom (3) of the electrode (1) has a disk shape comprising, in its center, the central structure (4) of cylindrical shape .

6. Electrode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the central structure (4) constitutes a part of the inner surface of the electrode body being formed integrally with said electrode body.

7. Electrode according to one of claims 1 to 6, characterized in that an insert (2) emissive is inserted into the housing (10) of the structure (4) central. 30

8. Electrode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the insert (2) emissive is hafnium, zirconium, tungsten or an alloy containing one or more of these metals, and the electrode body is made of copper or a copper alloy, especially copper-tellurium alloy, copper-chromium, copper-beryllium or copper-zirconium.

9. Electrode according to one of claims 1 to 8, characterized in that the top of the structure (4) central is conical or frustoconical.

10. A plasma arc torch, in particular a plasma arc cutting torch, comprising an electrode (1) according to one of claims 1 to 9.