FR3067559B1

FR3067559B1 - Procede de coupage plasma et torche pour la mise en oeuvre de ce procede

Info

Publication number: FR3067559B1
Application number: FR1755058A
Authority: FR
Inventors: Frederic Camy-Peyret
Original assignee: Akryvia
Current assignee: Akryvia
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: CN110870389A; US20200296818A1; US11632850B2; WO2018224323A1; JP2020523771A; JP7164219B2; FR3067559A1; EP3636049A1; CN110870389B

Abstract

Ce procédé comporte les étapes suivantes : - fourniture d'une torche plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d'une première tuyère (4) présentant une section de sortie (9), des premiers moyens d'alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) et des moyens d'alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5), - mise sous tension de l'électrode et alimentation en gaz des tuyères (4, 5) e de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère (4), - contrôle la pression environnante (P2) au jet plasma (1) dans la seconde tuyère (5) à la sortie de la première tuyère (4) de manière à être au moins supérieure à la pression atmosphérique et inférieure à la pression dans la section de sortie (9).

Description

La présente invention concerne un procédé de coupage plasma et une torche pour la mise en œuvre de ce procédé.

Le principe de coupage plasma est connu depuis environ soixante ans et a fait l’objet de nombreuses demandes de brevet. Ce principe est utilisé pour le coupage de tôles plus ou moins épaisses. Le passage d’un courant est établi entre une électrode et la tôle à découper de manière à former un plasma d’arc électrique. Une tuyère vient concentrer ce plasma qui est chauffé par effet Joule pour atteindre des températures très élevées. La tuyère présente un orifice de sortie qui oriente le jet plasma. Le jet plasma est en outre éjecté par l’orifice de la tuyère à grande vitesse. Du fait de la température élevée, la tôle fond localement et la pression d’alimentation en gaz de la tuyère créant la vitesse du jet plasma permet d’éjecter le métal fondu sous la tôle. On réalise de la sorte une saignée dans la pièce à découper.

Un dispositif pour mettre en œuvre ce principe de coupage s’appelle une torche, notamment une torche plasma. Une telle torche comporte notamment une électrode, une tuyère et un système d’alimentation en gaz de la tuyère.

Pour obtenir un jet plasma adapté à la découpe, des caractéristiques au niveau de l’arc électrique et de l’alimentation en gaz doivent bien entendu être respectées. Il convient de maintenir dans une plage donnée certains paramètres tels par exemple la distance séparant l’électrode de la tôle à découper, le courant passant entre l’électrode et la tôle à découper, la pression du gaz, etc...

La performance d’une torche plasma se mesure notamment à la finesse de la coupe réalisée, à sa droiture et à sa vitesse. L’homme du métier vise ainsi à obtenir un jet plasma plus fin et plus énergétique au niveau de la tôle à découper. Le champ électrique régnant dans la tuyère permet d’obtenir une bonne indication de l’intensité énergétique du plasma. Il est proportionnel à la densité de courant qui circule dans le plasma. Le champ électrique moyen peut être estimé facilement en divisant la tension de l’arc électrique par la distance entre l’extrémité de l’électrode et la tôle à découper.

Pour augmenter les performances d’une torche plasma, le document GB1025678 propose d’utiliser un passage de gaz, ou buse, d’un diamètre inférieur au millimètre permettant d’obtenir un jet plasma fin et supersonique et ainsi d’avoir une zone perturbée thermiquement limitée au niveau de la coupe réalisée dans la pièce coupée. Un faible volume de plasma est formé dans une chambre de décharge, à une pression comprise entre 30 et 100 atmosphères (soit environ de 3 à 10 106 Pa) entre une cathode et l’entrée du passage de gaz.

Toutefois, l’augmentation de la pression dans la tuyère, avec des vitesses du gaz supersoniques, est à l’origine de structures de chocs dans le jet plasma à la sortie de la tuyère. Pour résoudre ces problèmes, il convient alors d’éloigner la pièce à découper de la tuyère pour éviter des interactions des structures de choc avec le métal fondu. De ce fait, la densité de puissance disponible au niveau de la tôle diminue sensiblement par diffusion thermique entre la sortie de la tuyère et la tôle, zone où le jet plasma n’est plus concentré par la tuyère.

Actuellement, la plupart des installations de découpe plasma proposées sur le marché fonctionnent avec des pressions du gaz inférieures ou égales à 10 bars (soit environ 106 Pa) et des tensions d’arc maximales de l’ordre de 150 V avec des distances entre l’électrode et la pièce à découper supérieures à 10 mm, ce qui correspond à un champ électrique maximal de 15 kV/m. H est connu en outre de munir une torche plasma d’une seconde tuyère, disposée en aval (ou autour) de la première tuyère de manière à former autour du jet plasma une couche de gaz protectrice. La seconde tuyère est alors souvent alimentée avec un gaz inerte ou de l’air. Le document EP2384097 décrit une telle tuyère qui est ici optimisée pour le refroidissement amont de la tuyère plasma munie d’une ouverture formant une buse par laquelle passe le jet plasma. La torche plasma décrite dans ce document présente donc les avantages d'un flux gazeux de plasma ionisé ainsi qu'un refroidissement de la buse et sa protection renforcés contre les projections de métal fondu qui peuvent intervenir pendant l'utilisation de la torche, et en particulier durant les phases de perçage.

La présente invention a alors pour but de fournir une torche de coupage plasma permettant d’obtenir à la fois une intensification énergétique du plasma et une conservation de la densité de puissance créée au sein de la torche (tuyère) jusqu’à la pièce à découper. L’invention vise ainsi à obtenir un jet plasma fin tout en évitant une intensification des structures de choc lorsque la pression d’alimentation de la tuyère augmente. A cet effet, la présente invention propose tout d’abord un procédé de coupage plasma d’une pièce à couper comportant les étapes suivantes : - fourniture d’une torche plasma comportant une électrode disposée au sein d’une première tuyère présentant une première section de sortie face à une extrémité de l’électrode, des premiers moyens d’alimentation en gaz de ladite première tuyère, une seconde tuyère disposée concentriquement autour de la première tuyère avec une seconde section de sortie sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie et des moyens d’alimentation en gaz entre la première tuyère et la seconde tuyère, - mise sous tension de l’électrode et alimentation en gaz de la première tuyère et de la seconde tuyère de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère.

Selon la présente invention, la pression environnante au jet plasma dans la seconde tuyère à la sortie de la première tuyère est contrôlée de manière à être, d'une part, au moins supérieure à la pression atmosphérique et, d'autre part, inférieure à la pression dans la première section de sortie.

De cette manière, le flux de gaz secondaire est utilisé non seulement pour protéger le jet plasma mais aussi pour le contenir en limitant sa largeur et en agissant sur les structures de choc.

Dans un tel procédé de coupage plasma, le rapport entre la pression dans le jet plasma dans la première section de sortie et la pression environnante au jet plasma entre la première tuyère et la seconde tuyère est avantageusement compris entre 1 et 5, préférentiellement entre 2 et 4 et de manière encore préférée entre 2,4 et 2,6.

Une forme de réalisation prévoit que la pression dans la première section de sortie est obtenue à partir de la pression totale génératrice dans la première tuyère et d’un coefficient correspondant au rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constant du plasma.

Dans un tel procédé de coupage plasma, on peut aussi prévoir que la pression environnante au jet plasma soit également régulée en faisant varier la distance séparant la seconde section de sortie de la pièce à couper. Il apparaîtra à l’homme du métier que plus la distance entre la pièce à couper et la sortie de la seconde tuyère (ce qui correspond en d’autres termes à la seconde section de sortie) est faible, plus cette distance a une influence sur cette pression environnante. En effet, la pièce à couper crée une contrepression sur l’écoulement de gaz (appelé gaz aval) passant entre la première tuyère et la seconde tuyère puisqu’il gêne l’écoulement de ce gaz aval. Plus cette distance augmente, plus la contrepression diminue pour devenir rapidement négligeable. À titre illustratif et non limitatif, la pression d’alimentation en gaz dans la première tuyère peut être par exemple supérieure à 5000 hPa et de préférence comprise entre 8000 et 20000 hPa. De même, en ce qui concerne les valeurs électriques, on peut prévoir par exemple que le champ électrique moyen dans le jet plasma est supérieur à 15 kV/m.

Des tests ont montré que l’intensité de courant dans le jet plasma est avantageusement une fonction affine de la pression d’alimentation en gaz de la première tuyère. De la sorte, l’intensité de courant, et donc aussi la densité de courant apparente (en A/mm2) qui lui est directement proportionnelle, augmente avec la pression d’alimentation en gaz plasmagène, ce qui permet de conserver des densités de puissance importantes dans tout le jet plasma.

Dans un procédé de coupage plasma selon l’invention, on prévoit par exemple que la pression environnante au jet plasma à la section de sortie de la première tuyère est sensiblement égale à la pression atmosphérique (inférieure à 1500 hPa) durant une phase d’amorçage d’un jet plasma, une phase de transfert et une phase de perçage tandis que ladite pression augmente ensuite pour une phase de coupe.

Dans un procédé tel que décrit plus haut, la seconde tuyère peut venir au contact de la pièce à couper pendant au moins une phase d’un cycle de coupe. Comme expliqué plus haut, ceci permet d’agir sur la pression environnante du jet plasma entre les deux tuyères.

Ensuite, la présente invention concerne en outre une torche de coupage plasma comportant une électrode disposée au sein d’une première tuyère présentant une première section de sortie face à une extrémité de l’électrode, des premiers moyens d’alimentation en gaz de ladite première tuyère, une seconde tuyère disposée concentriquement autour de la première tuyère avec une seconde section de sortie sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie et des seconds moyens d’alimentation en gaz entre la première tuyère et la seconde tuyère.

Selon l’invention, une telle torche comporte en outre des moyens de régulation des seconds moyens d’alimentation à partir d’au moins un capteur lié aux premiers moyens d’alimentation.

Selon une forme de réalisation, une telle torche comporte un premier capteur d’une pression régnant dans la première tuyère, un second capteur déterminant une pression régnant dans la seconde tuyère et une ligne de contrôle de la pression dans la seconde tuyère. Cette torche de coupage plasma peut en outre comporter une ligne de contrôle de la pression dans la première tuyère.

Une variante de réalisation prévoit que la première tuyère comporte un canal se terminant par la section de sortie, et que ledit canal est muni d’un divergent.

Dans une torche de coupage plasma telle que décrite ici, la section critique pour le gaz aval (correspondant aux seconds moyens d’alimentation) est de préférence la seconde section de sortie, c’est-à-dire la section de sortie de la seconde tuyère. On conçoit alors avantageusement la torche de telle sorte que la section de passage entre la première tuyère et la seconde tuyère est toujours supérieure à la seconde section de sortie, de préférence toujours supérieure d’au moins 1,5 fois à cette seconde section de sortie.

Une autre variante d’une torche selon l’invention prévoit que la seconde tuyère est montée mobile par rapport à la première tuyère. Dans cette autre variante, le mouvement relatif de la seconde tuyère par rapport à la première peut correspondre à un mouvement de rotule autour de la section de sortie et/ou un mouvement axial selon un axe longitudinal défini par la première tuyère et/ou un mouvement dans un plan transversal par rapport à la première tuyère et dans la direction de la découpe réalisée autour du centre de la section de sortie de la première tuyère.

Enfin, dans une torche telle que décrite ci-dessus, la seconde tuyère présente de préférence une section de sortie dont le diamètre est compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie de la première tuyère.

Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :

La figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d’une torche de coupage plasma selon la présente invention, et

La figure 2 est un diagramme illustrant les performances pouvant être obtenues grâce à la présente invention par rapport à une torche de coupage plasma de l’art antérieur.

La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d’une torche de coupage plasma. La structure de cette torche ressemble à celle d’une torche connue de l’art antérieur. On retrouve au centre de la torche une électrode 3 qui s’étend selon une direction dite longitudinale. Autour de cette électrode 3 se trouve une première tuyère, ou tuyère plasma 4, et à l’extérieur de cette tuyère, montée concentriquement par rapport à l’électrode 3, se trouve une seconde tuyère, ou tuyère aval 5. Cet ensemble est monté en vis-à-vis d’une pièce à découper 2, par exemple une tôle métallique de grande épaisseur. L’électrode 3 est par exemple une électrode connue de l’art antérieur pour être utilisée dans une torche plasma. Comme illustré sur la figure 1 de manière schématique, elle présente un corps de forme globalement cylindrique circulaire réalisé dans un matériau conducteur de l’électricité et de la chaleur, par exemple en cuivre ou dans un alliage à base de cuivre. On remarque à l’extrémité de l’électrode 3 la présence d’un insert qui est le plus souvent réalisé dans un matériau thermo-émissif, comme par exemple le tungstène, qui présente une température de fusion très élevée, ou bien le hafnium (ou autre). Selon les matériaux à découper et la nature du plasma, un matériau sera préféré à un autre.

Les moyens pour alimenter électriquement l’électrode 3 ne sont pas représentés sur le dessin et ne seront pas décrits ici. Des moyens d’alimentation et de régulation connus de l’homme du métier et utilisés couramment sur des torches de coupage plasma de l’art antérieur peuvent être utilisés ici.

La première tuyère, ou tuyère plasma 4, présente sensiblement une forme de révolution autour de l’axe longitudinal de l’électrode 3 et présente ainsi une forme sensiblement conique. Un premier passage 6 est laissé libre entre l’électrode 3 et la paroi intérieure de la tuyère plasma 4. A son sommet, sur son axe de révolution, la tuyère plasma 4 présente un canal 8 qui présente au niveau de la surface extérieure de la tuyère plasma 4 une section de sortie 9. Le canal 8 est représenté ici dans sa forme de réalisation préférée correspondant à un canal cylindrique circulaire (donc de section circulaire constante) mais ce canal pourrait également présenter une portion divergente se terminant par la section de sortie 9. Dans le cas d’une tuyère plasma 4 avec un canal 8 muni d’un divergent permettant de diminuer la pression de sortie de la tuyère plasma 4 jusqu’à une valeur intermédiaire entre la pression au col et la pression atmosphérique, le divergent sera de préférence conçu de telle sorte que cette valeur intermédiaire n’atteigne toutefois pas la pression atmosphérique.

La seconde tuyère, ou tuyère aval 5, présente elle aussi une forme de révolution autour de l’axe longitudinal de l’électrode 3. Elle présente elle aussi une forme globalement conique, avec un angle au sommet un peu plus grand que celui de la tuyère plasma 4. Un second passage 7 est également prévu entre la tuyère plasma 4 et la tuyère aval 5. Sur l’axe de révolution, au sommet de la tuyère aval 5, se trouve également une ouverture traversante présentant une section de sortie 10 sur la surface extérieure de la tuyère aval 5. La section de sortie 10 est plus grande que la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.

Le matériau pour réaliser la tuyère plasma 4 et la tuyère aval 5 est de préférence un matériau bon conducteur de la chaleur. Il peut s’agir d’un alliage de cuivre (par exemple de type CuAl ou CuTe ou CuCrZr) ou d’un alliage d’aluminium ou bien d’un laiton (ou autre). Les tuyères sont en outre de préférence refroidies, par exemple au moyen des gaz en écoulement et/ou par un système dédié avec un fluide de refroidissement distinct. La figure 1 n’illustre pas de tels moyens de refroidissement qui peuvent être intégrés à la torche illustrée.

La pièce à découper 2 illustrée ici est une tôle disposée perpendiculairement par rapport à l’axe de révolution des tuyères, une autre disposition connue de l’homme du métier comme une découpe avec un angle non droit pour la découpe en chanfrein étant possible avec l’invention.

Des moyens d’alimentation en gaz du premier passage 6 sont prévus. Ils comportent tout d’abord une source de gaz plasmagène 11 et une ligne d’alimentation s’étendant de ladite source jusqu’au premier passage 6. La source de gaz plasmagène 11 peut être par exemple simplement une bouteille de gaz, par exemple de l’air comprimé, de l’oxygène ou tout autre gaz adapté au matériau à découper connu de l’homme du métier, munie de préférence d’un détendeur. H peut aussi s’agir d’un réseau de gaz industriel, d’un réservoir de gaz stocké à basse température sous phase liquide, d’un générateur de gaz, etc... La première ligne d’alimentation comporte un premier régulateur de pression 12 et une vanne de coupure 13. On trouve également sur cette première ligne d’alimentation, le plus en aval possible, un capteur de pression donnant une pression d’alimentation en gaz plasmagène. Cette pression d’alimentation est appelée Pi.

On trouve également des moyens d’alimentation en gaz du second passage 7. Ces moyens comportent une source de gaz aval 14 et une ligne d’alimentation s’étendant de ladite source jusqu’au second passage 7. Cette seconde ligne d’alimentation comporte un second régulateur de pression 15 et une vanne de coupure 16. La source de gaz aval peut être ici aussi une bouteille de gaz (avec de préférence un détendeur), un réseau industriel, un générateur, du gaz liquéfié, ... .Le gaz aval peut être un gaz inerte tel de l’azote mais il peut aussi s’agir par exemple d’air.

La torche comporte en outre un capteur de pression mesurant la pression P2 qui règne dans la tuyère aval 5, entre la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et l’ouverture réalisée dans la tuyère aval 5. Ce capteur de pression mesurant P2 est disposé au plus près possible de l’axe de révolution de la tuyère aval 5 de manière à donner une valeur représentative de la pression environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4. Si le capteur mesurant P2 est éloigné de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4, une correction peut être apportée à la mesure réalisée en fonction de la baisse de pression calculée entre le point de mesure et la zone environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4. Cette correction peut prendre en compte la perte de pression totale liée aux pertes de charge, ainsi que la baisse de pression dynamique liée à la vitesse du gaz. On prévoit alors dans ce cas un capteur de débit (non représenté) placé en amont dans la ligne d’alimentation en gaz aval.

Un dispositif de régulation est prévu pour agir sur le second régulateur de pression 15 du second passage 7 (gaz aval). On remarque sur la figure 1 la présence d’un multiplicateur (par un coefficient 1/K) de la pression mesurée dans le premier passage 6 (pression Pi). La valeur ainsi obtenue est comparée à la pression mesurée P2 et le second régulateur de pression 15 est piloté pour maintenir la valeur (Pi/K)-P2 à zéro. On maintient de la sorte un rapport PÎ/P2 à la valeur K. Comme expliqué plus loin, le coefficient K est de préférence choisi entre 1,65 et 9,5.

Les mesures et les régulations de pression sont de préférence réalisées électroniquement (de manière analogique ou digitale) mais il peut être envisagé d’utiliser une technologie purement mécanique (pneumatique) ou bien entendu une combinaison de technologie mécanique et électronique. A titre purement illustratif et non limitatif, on a ainsi représenté sur la figure 1 un premier régulateur de pression 12 qui est un régulateur mécanique et un second régulateur de pression 15 qui est une vanne proportionnelle de technologie électronique. Le plus souvent, l’homme du métier choisira une même technologie (électronique ou mécanique ou autre) pour tous ses composants mais tout « mélange » de technologies peut être envisagé.

Comme variante de réalisation, on peut prévoir que la pression environnante du jet plasma entre les tuyères (tuyère plasma 4 et tuyère aval 5) peut aussi être contrôlée par la hauteur entre la section de sortie 10 (qui peut être considérée comme l’extrémité) de la tuyère aval et la surface de la pièce à découper 2 (ou tôle), en complément du régulateur de pression.

Lorsque l’électrode 3 est mise sous tension, que la pièce à découper 2 supposée ici conductrice est relié à un potentiel de référence (masse), que la tuyère plasma 4 est alimentée en gaz plasmagène et que la tuyère aval 5 est alimentée en gaz aval, un jet plasma 1 d’arc électrique se crée. H prend naissance au niveau de l’insert de l’électrode 3, est canalisé par le canal 8 puis passe à travers l’ouverture de la tuyère aval 5 avant d’atteindre la pièce à découper 2.

Pour la découpe de la pièce à découper 2, il est proposé ici de garantir que la pression environnante du jet plasma dans le volume environnant de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et jusqu’à la pièce à découper 2 soit supérieure à la pression atmosphérique et contrôlée de manière à maintenir un jet plasma fin, éviter l’intensification des structures de chocs lorsque la pression d’alimentation en gaz plasmagène augmente et conserver une densité de puissance du jet plasma créé dans la tuyère plasma 4 jusqu’à la pièce à découper 2. A cet effet, il est prévu de régler la pression P2 (pression environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4, entre les deux tuyères) de telle sorte que le rapport entre la pression absolue moyenne d’éjection Pj du jet plasma au niveau de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et la pression P2 environnante dudit jet plasma entre les deux tuyères, rapport appelé rapport de pression de la tuyère plasma (en anglais Nozzle Pressure Ration ou NPR), soit maintenu entre 1 et 5.

Quand le rapport NPR vaut 1, la pression de sortie est égale à la pression environnante et la torche fonctionne alors dans un mode adapté. A l’inverse, quand ce rapport vaut 5, la torche fonctionne dans un régime limite (limite haute) de jet plasma sous-détendu avec une structure de chocs en tonneaux, le diamètre du premier choc droit atteignant une dimension proche du diamètre de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.

La régulation de la pression dans la tuyère aval n’est pas uniquement réalisée pendant une phase de découpe du procédé de coupage de la pièce à découper 2. On peut par exemple prévoir que la pression environnante P2 à la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 est contrôlée pour être sensiblement égale à la pression atmosphérique durant des phases d’amorçage, de transfert et de perçage et pour être ensuite supérieure à la pression atmosphérique durant une phase de découpe.

Il est considéré ici que la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 est sa section critique (cas correspondant à un canal 8 de section transversale circulaire constante). Une bonne estimation de la pression Pj dans la section de sortie 9 est alors donnée par la formule :

Pi est la pression évoquée plus haut. Il s’agit de la pression totale génératrice dans la tuyère plasma, c’est-à-dire la pression d’alimentation en gaz plasmagène diminuée des pertes de charge dans la tuyère plasma 4. yest une estimation du rapport de la chaleur spécifique à pression constante et de la chaleur spécifique à volume constant pour le plasma. γ est généralement compris entre 1,0 et 1,4. Ainsi, le rapport Pj/Pi est généralement compris entre 1,65 et 1,9. Avec le rapport Pj/P2 compris entre 1 et 5, on obtient alors un coefficient K=Pi/P2 compris entre 1,65 et 9,5.

Le coefficient K est en fait de préférence compris entre 3 et 6 et un bon compromis pour ce coefficient se trouve généralement autour de 5,5.

Dans le cas de figure non illustré, dans lequel le canal 8 présenterait un divergent, la pression moyenne dans la section de sortie 9 peut également être estimée mais avec une autre formule faisant intervenir le nombre de Mach dans la section de sortie 9. On a dans ce cas :

avec en outre :

où A correspond à la section de sortie 9 et A* correspond à la section critique (minimale) du canal.

En régulant la pression du gaz aval comme expliqué précédemment, la torche produit un jet plasma qui peut être intensifié, c’est-à-dire que l’on peut augmenter significativement la densité de courant moyenne ou le champ électrique moyen entre l’électrode 3 et la pièce à découper 2 en augmentant la pression d’alimentation du gaz plasmagène tout en garantissant de conserver cette densité de puissance du jet plasma jusqu’à la surface de la pièce à découper 2 puisque l’expansion du jet plasma et

l’intensité et la taille des structures de choc dans le jet sont contenues. Il devient aussi possible d’opérer à des hauteurs de coupe entre la pièce à découper 2 et la tuyère plasma 4 (ou l’électrode 3) plus faibles que pour les torches connues de l’art antérieur. Des tests ont montré qu’il était possible avec la technologie présentée ici d’avoir une hauteur de coupe inférieure à 4 fois le diamètre de la tuyère plasma 4, de sorte que la diffusion thermique des profils de température dans le jet plasma soit faible et que la précision de découpe (la largeur de saignée), soit significativement améliorée. Cette diminution de la largeur de saignée par rapport à l’état de l’art a pour effet bénéfique complémentaire d’améliorer l’efficacité énergétique de la découpe, puisque le volume spécifique de métal à fondre et à évacuer par mètre linéaire coupé est moins important. En conséquence, il est donc ainsi possible d’améliorer la productivité du procédé de découpe, c’est-à-dire de couper plus vite ou plus épais avec une même intensité de courant.

La hauteur de coupe peut aussi venir influencer la pression environnante P2. En effet, quand cette hauteur de coupe diminue, une contrepression vient s’opposer sur l’écoulement du gaz aval et modifie donc la pression environnante P2. Cette hauteur de coupe doit ainsi aussi être prise en compte si elle devient faible, c’est-à-dire que la contrepression exercée n’est plus négligeable. Le calcul de ladite contrepression dépend, outre la distance séparant la pièce à découper 2 de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5, aussi de la section de sortie 10 et éventuellement de sa forme (si divergent par exemple). A titre d’exemple numérique illustratif et non limitatif, on peut prévoir par exemple que la pression d’alimentation en gaz plasmagène est supérieure à 5 bar pendant au moins une phase d’un cycle de découpe, de préférence entre 6 et 100 bars, idéalement entre 8 et 20 bars. On peut aussi prévoir que le champ électrique moyen dans le jet plasma, défini comme le rapport de la tension d’arc sur la distance entre l’électrode 3 et la pièce à découper 2, soit supérieur à 15 kV/m durant tout ou partie d’une phase de découpe d’un cycle du procédé.

Le procédé de coupage plasma décrit ici peut aussi prévoir que le courant pour un diamètre de section de sortie 9 de tuyère plasma 4 donné soit fonction de la pression d’alimentation Pi de la tuyère plasma 4 pendant au moins une phase du procédé de découpe. L’intensité pourrait par exemple être une fonction affine de la pression d’alimentation et s’exprimer donc sous la forme : I = a + b.P avec a et b constantes à déterminer en fonction de la géométrie de la torche. Ce courant peut être dynamiquement asservi à la pression dans la tuyère plasma 4 pendant tout ou partie d’un cycle d’amorçage, de perçage et/ou de découpe.

La figure 2 illustre par un diagramme les performances obtenues en régulant la pression du gaz aval (trait plein) par rapport à des performances obtenues sans régulation (trait pointillé).

Dans un exemple de mise en œuvre, une torche de coupage plasma est opérée dans un premier temps à 60A. Cette torche est équipée d’une tuyère plasma 4 présentant un canal de 1 mm de diamètre, alimentée en air comme gaz plasmagène, et d’une tuyère aval 5 avec une section de sortie 10 de 4 mm de diamètre. La tuyère aval 5 est alimentée en air comprimé, utilisé ici comme gaz aval, de sorte que la pression P2 mesurée autour de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 puisse être contrôlée entre 0 bar (soit une pression absolue de 1 bar, soit environ 100.000 Pa), correspondant au fonctionnement de référence sans adaptation de pression, et 3 bars. Cette torche a été utilisée pour découper des pièces (tôles) d’acier doux de 5 mm d’épaisseur, en faisant varier les pressions d’alimentation de la tuyère plasma 4 et de la tuyère aval 5. La largeur de saignée supérieure des découpes a ensuite été mesurée dans les cas avec et sans régulation (adaptation) de la pression P2 et tracée sur la figure 2.

On observe que la mise en œuvre de l’invention (courbe continue), au cours de laquelle la pression P2 est progressivement augmentée de 0 à 0,9 puis à 1,25 bar (soit respectivement 0 puis 90.000 puis 125.000 Pa) a permis d’observer une diminution de la largeur de saignée (en ordonnée sur la figure 2) lorsqu’on augmentait la pression d’alimentation dans la tuyère plasma 4 (en abscisse sur la figure 2).

Par contre, le comportement de la torche en régime conventionnel (P2 nulle) implique une augmentation significative de la largeur de saignée avec la pression d’alimentation de la tuyère plasma 4 au-dessus la pression conventionnelle, ici 5 bar environ.

Dans l’exemple illustré sur la figure 2, le rapport entre la pression d’alimentation Pi de la tuyère plasma 4 et la pression P2 est constant et environ égal à 5,5.

Dans une autre mise en œuvre de la même torche en fonctionnement avec régulation de pression, il a été possible d’augmenter l’intensité du courant pour réaliser la coupe à haute pression d’alimentation de la tuyère plasma jusqu’à 130 A, soit une densité de courant apparente de 165 A/mm2, très supérieure aux valeurs de densité de courant apparentes conventionnelles de 60 A/mm2 (valeur citée par exemple dans le document US5123512) et d’augmenter proportionnellement la vitesse de coupe jusqu’à 5 m/min tout en maintenant de faibles largeurs de saignée telles qu’observées dans la première mise en œuvre.

Pour pouvoir réaliser une bonne régulation de pression du gaz dans la tuyère aval 5, sa conception géométrique et celle de son système d’alimentation doit permettre une augmentation de la pression P2 jusqu’à la valeur désirée P2 = Pi/K. A cet effet, la forme de la tuyère aval 5 est par exemple telle que les sections de passage des circuits d’alimentation en gaz aval depuis la source de gaz aval 14 jusqu’à la section se sortie 10 de la tuyère aval 5 sont en tout point supérieures à cette même section de sortie 10, de telle sorte que la section de sortie 10 soit la section critique pour l’écoulement de gaz dit gaz aval.

En outre, en ce qui concerne l’alimentation en gaz plasmagène et les éléments de régulation dynamique de la pression dans la ligne d’alimentation correspondante, tous les composants sont bien entendu dimensionnés pour permettre le passage du débit maximal correspondant à cette section critique.

Pour remplir ces conditions, on estime que le diamètre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5 est de préférence compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.

La « hauteur » de la tuyère aval 5, définie comme étant la distance entre la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et la section de sortie 10 de la tuyère aval 5, est choisie par exemple entre 0 et 10 mm, préférentiellement entre 0 et 5 mm.

En variante de réalisation, on peut prévoir que la tuyère aval 5 est mobile par rapport à la tuyère plasma et se déplacer relativement par rapport à celle-ci qui est considérée comme étant fixe dans le référentiel de la torche.

Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma peut être par exemple exclusivement linéaire le long de l’axe longitudinal. Pour le contrôle de ce mouvement, il peut être prévu (non illustré au dessin) d’une part un système de poussée élastique vers l’extérieur de la tuyère plasma 4, par exemple à ressort ou pneumatique (au moyen du gaz secondaire par exemple), et d’autre part en butée sur la première des surfaces formées par la pièce à découper 2, ou bien un épaulement d’arrêt en translation.

Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être exclusivement un mouvement de rotule autour du centre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5.

Selon une autre variante, le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être exclusivement un mouvement de glissement dans un plan perpendiculaire à la tuyère plasma 4 et dans la direction de la découpe autour du centre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5.

Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être une combinaison d’au moins deux des trois mouvements ci-dessus.

Dans le cas d’un mouvement de rotule, celui-ci peut être par exemple asservi à l’angle entre la tuyère plasma 4 et la tôle à couper de telle sorte que la section de sortie 10 de la tuyère aval 5 soit maintenue parallèle à la surface de la tôle pendant au moins une phase du cycle du procédé.

Dans une variante de réalisation d’un procédé de coupage, la tuyère aval peut avoir au moins un point de contact avec la tôle pendant au moins une phase du cycle de découpe.

En résumé, on a donc ici un procédé de coupage plasma et une torche de découpe à plasma d’arc électrique mettant en œuvre, entre autres, une électrode, une tuyère plasma ou tuyère amont en regard de cette électrode, l’espace entre ladite électrode étant alimenté par un gaz plasmagène, ladite tuyère plasma comportant un orifice (canal) à travers lequel passe un jet plasma, dans lequel la pression environnant le jet plasma entre la section de sortie de ladite tuyère plasma et une pièce à découper est supérieure à la pression atmosphérique pendant au moins une phase d’un cycle de découpe.

Ladite pression environnante supérieure à la pression atmosphérique est établie au moyen d’au moins une seconde tuyère située en aval de la tuyère plasma, et appelée tuyère aval, qui est alimentée par un gaz secondaire. L’alimentation en gaz de la tuyère aval est assurée par au moins un régulateur de pression, de préférence mécanique ou électronique, dont la consigne est une valeur qui dépend de la pression d’alimentation de la tuyère plasma. Ce régulateur de pression utilise par exemple un signal de mesure de pression dont la prise de pression est située dans un espace situé entre la tuyère plasma et la tuyère aval, préférentiellement à proximité immédiate de la section de sortie de la tuyère plasma.

Pour une bonne alimentation en gaz de la tuyère aval, le circuit d’alimentation de celle-ci est de préférence tel que les sections de passage de gaz en tout point du circuit d’alimentation entre une source de gaz secondaire sous pression et la tuyère aval soient supérieures au minimum des deux sections suivantes : section de sortie de la tuyère aval, ou bien section annulaire de la surface formée par la projection de l’arête de sortie de la tuyère aval sur la surface du matériau à découper pendant une phase de découpe du cycle.

Comme évoqué plus haut, le rapport NPR (sigle anglais pour Nozzle Pressure Ratio) entre la pression absolue moyenne dans le jet plasma dans la section de sortie de ladite tuyère plasma et la pression environnante est avantageusement compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 4, idéalement autour de 2.5. Ainsi, pour une tuyère plasma présentant un canal de sortie cylindrique, on a alors avantageusement un rapport entre la pression totale d’alimentation de la tuyère plasma et la pression d’alimentation dans la tuyère aval compris entre 1,65 et 9,5, idéalement entre 3 et 6, encore plus idéalement autour de 5,5.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus et aux variantes envisagées. Elle concerne également les variantes de réalisations (dispositif et procédé) à la portée de l’homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de coupage plasma d’une pièce à couper comportant les étapes suivantes : - fourniture d’une torche plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d’une première tuyère (4) présentant une première section de sortie (9) face à une extrémité de l’électrode (3), des premiers moyens d’alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) avec une seconde section de sortie (10) sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie (9) et des moyens d’alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5), - mise sous tension de l’électrode et alimentation en gaz de la première tuyère (4) et de la seconde tuyère (5) de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère (4), caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) dans la seconde tuyère (5) à la sortie de la première tuyère (4) est contrôlée de manière à être, d'une part, au moins supérieure à la pression atmosphérique et, d'autre part, inférieure à la pression (Pj) dans la première section de sortie (9).
2. Procédé de coupage plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la pression (Pj) dans le jet plasma (1) dans la première section de sortie (9) et la pression environnante (P2) au jet plasma (1) entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5) est comprise entre 1 et 5, préférentiellement entre 2 et 4 et de manière encore préférée entre 2,4 et 2,6.
3. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression (Pj) dans la première section de sortie (9) est obtenue à partir de la pression totale génératrice (Pi) dans la première tuyère (4) et d’un coefficient correspondant au rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constant du plasma.
4. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression d’alimentation (Pi) en gaz dans la première tuyère (4) est supérieure à 5000 hPa et de préférence comprise entre 8000 et 20000 hPa.
5. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) est également régulée en faisant varier la distance séparant la seconde section de sortie (10) de la pièce à couper (2).
6. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le champ électrique moyen dans le jet plasma est supérieur à 15 kV/m.
7. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’intensité de courant dans le jet plasma est une fonction affine de la pression d’alimentation (Pi) en gaz de la première tuyère (4).
8. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) à la section de sortie (9) de la première tuyère (4) est sensiblement égale à la pression atmosphérique (inférieure à 1500 hPa) durant une phase d’amorçage d’un jet plasma, une phase de transfert et une phase de perçage tandis que ladite pression augmente ensuite pour une phase de coupe.
9. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la seconde tuyère (5) vient au contact de la pièce à couper (2) pendant au moins une phase d’un cycle de coupe.
10. Torche de coupage plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d’une première tuyère (4) présentant une première section de sortie (9) face à une extrémité de l’électrode (3), des premiers moyens d’alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) avec une seconde section de sortie (10) sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie (9) et des seconds moyens d’alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5), caractérisée en ce qu’elle comporte en outre des moyens de régulation des seconds moyens d’alimentation à partir d’au moins un capteur lié aux premiers moyens d’alimentation.
11. Torche de coupage plasma selon la revendication 10, caractérisée en ce qu’elle comporte un premier capteur d’une pression (Pi) régnant dans la première tuyère (4), un second capteur déterminant une pression (P2) régnant dans la seconde tuyère (5) et une ligne de contrôle de la pression dans la seconde tuyère (5).
12. Torche de coupage plasma selon la revendication 11, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre une ligne de contrôle de la pression dans la première tuyère (4).
13. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la première tuyère (4) comporte un canal (8) se terminant par la section de sortie (9), et en ce que ledit canal (8) est muni d’un divergent.
14. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la section de passage entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5) est toujours supérieure à la seconde section de sortie (10), de préférence toujours supérieure d’au moins 1,5 fois à cette seconde section de sortie (10).
15. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la seconde tuyère (5) est montée mobile par rapport à la première tuyère (4).
16. Torche de coupage plasma selon la revendication 15, caractérisée en ce que le mouvement relatif de la seconde tuyère (5) par rapport à la première (4) correspond à un mouvement de rotule autour de la section de sortie et/ou un mouvement axial selon un axe longitudinal défini par la première tuyère (4) et/ou un mouvement dans un plan transversal par rapport à la première tuyère (4) et dans la direction de la découpe réalisée autour du centre de la section de sortie (9) de la première tuyère (4).
17. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 16, caractérisée en ce que la seconde tuyère (5) présente une section de sortie (10) dont le diamètre est compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie (9) de la première tuyère (4).