WO1999053734A1 - Torch and method for electric arc welding and cutting - Google Patents

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WO1999053734A1
WO1999053734A1 PCT/FR1999/000791 FR9900791W WO9953734A1 WO 1999053734 A1 WO1999053734 A1 WO 1999053734A1 FR 9900791 W FR9900791 W FR 9900791W WO 9953734 A1 WO9953734 A1 WO 9953734A1
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oxidizing gas
gas
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plasma
torch
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PCT/FR1999/000791
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Inventor
Michel Delzenne
Régis Augeraud
Eric Salassa
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/34Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/341Arrangements for providing coaxial protecting fluids
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00Welding or cutting by means of a plasma

Definitions

  • the quality of the cut obtained is mainly a function of the choice of the plasma gas used taking into account the nature of the material to be cut, the mode of distribution of said gas in the plasma chamber, as well as other parameters conditioning the geometry of the plasma gas jet, such as its flow speed and the distribution of temperature zones.
  • a single-gas torch is described in particular in document US-A-4977305.
  • the addition of an additional gas peripherally to the plasma jet generates a thermal action to stabilize the central vein of said plasma jet by cooling the outer peripheral layer of the latter and concentrating the energy in it. soul of the plasma jet.
  • Similar plasma torches are described in particular in documents US-A-3575568 and US-A-5558786.
  • Plasma torches using a non-oxidizing gas flow are conventionally used to cut stainless steels and light alloys.
  • the second gas can be of the same family as the gas 4
  • At least one main jet of non-oxidizing gas is formed containing at least part of said non-oxidizing gas in the ionized state and the electric arc, said main jet of non-oxidizing gas leaving in the form of a plasma jet by l main opening of said main nozzle, - one feeds, downstream of the outlet orifice of said main nozzle, said main jet of non-oxidizing gas with at least one stream of at least one oxidizing gas, so as to obtain a total jet of gas containing a mixture at least partially of said non-oxidizing gas and said oxidizing gas.
  • the method of the invention comprises one or more of the following characteristics:
  • a gas 3 is introduced into the plasma chamber 9 separating the electrode 2 from the nozzle 10 from the torch 1; the introduction of gas which may be laminar or vortex.
  • the electrode 2 is then made of zirconium or hafnium.
  • FIG. 5 is similar to FIG. 4, but this time represents an embodiment according to which, the intra-nozzle space 25 conveying and channeling the oxidizing gas 4 is delimited, on the one hand, by a first wall 23 carried by the electrode 2 and, on the other hand, a second external wall 24 constituted by the main nozzle 10.
  • the injection sites for the non-oxidizing gas 3 and the oxidizing gas 4 and the cross-sections of the passages for the said gases in the plasma chamber 9 and the intra-nozzle space 25, respectively, are chosen and dimensioned. the flow of non-oxidizing gas 3 and to favor the flow of said oxidizing gas 4.
  • the non-oxidizing gas contains less than 20 ppm of oxygen and less than 80 ppm of water vapor, as impurities. Maintaining a low impurity content of said non-oxidizing gas can be carried out through the use of non-oxidizing gas of sufficient purity to guarantee said contents and / or through the implementation of sufficient sealing of the materials. (supply lines, torch, etc.) and / or the arrangement on the means for supplying non-oxidizing gas with purification means making it possible to remove said impurities H 2 O and / or 0 2 .

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Abstract

The invention concerns a method for electric arc processing using a torch comprising a tungsten electrode and a main nozzle equipped with a main gas outlet orifice, which consists in: supplying said torch with at least a non-oxidizing gas, said non-oxidizing gas coming into direct contact with at least part of the tungsten electrode; forming at least one main non-oxidizing gas jet containing at least part of said non-oxidizing gas in ionized state and the electric arc, said main non-oxidizing gas jet coming out through said main nozzle main orifice; supplying, downstream of said main nozzle main outlet, said main non-oxidising gas jet with at least an oxidizing gas flux, so as to obtain a total gas jet containing an at least partial mixture of said non-oxidizing gas and said oxidizing gas.

Description

TORCHE ET PROCEDE DE COUPAGE OU SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUETORCH AND METHOD OF ELECTRIC ARC CUTTING OR WELDING
La présente invention concerne une torche et un procédé de travail à l'arc électrique, en particulier un procédé de coupage plasma, mettant en oeuvre, d'une part, une électrode en tungstène et, d'autre part, un gaz plasmagene non-oxydant et un gaz plasmagene oxydant. Le coupage à l'arc plasma des tôles et autres structures métalliques est une technique largement répandue dans l'industrie.The present invention relates to a torch and a method of working with an electric arc, in particular a plasma cutting method, using, on the one hand, a tungsten electrode and, on the other hand, a non-plasma-producing gas. oxidant and an oxidizing plasma gas. Plasma cutting of sheet metal and other metallic structures is a technique widely used in the industry.
En général, un dispositif de coupage à l'arc plasma comprend une source électrique à courant continu, laquelle est connectée, d'une part, à une torche de coupage plasma et, d'autre part, à la pièce à découper; le pôle négatif de la source de courant étant relié à l'électrode de la torche à plasma, encore appelée cathode, et le pôle positif de ladite source de courant étant relié à la pièce à découper, laquelle fait office d ' anode.In general, a plasma arc cutting device comprises a direct current electrical source, which is connected, on the one hand, to a plasma cutting torch and, on the other hand, to the workpiece; the negative pole of the current source being connected to the electrode of the plasma torch, also called cathode, and the positive pole of said current source being connected to the part to be cut, which acts as anode.
L'établissement d'un arc électrique entre l'électrode de la torche à plasma et la pièce à découper se fait notamment par le biais d'un gaz plasmagene qui subit une ionisation au moins à l'intérieur de la torche à plasma et, plus précisément, au moins dans l'espace séparant la tuyère de l'électrode équipant ladite torche.The establishment of an electric arc between the electrode of the plasma torch and the workpiece is done in particular by means of a plasma gas which undergoes ionization at least inside the plasma torch and, more precisely, at least in the space separating the nozzle from the electrode equipping said torch.
L'ionisation du gaz plasmagene étant ensuite poursuivie dans le jet ou colonne de gaz plasmagene sortant par l'orifice de la tuyère de la torche à plasma; ledit jet de gaz assurant aussi le transfert de l'arc 2The ionization of the plasma gas then being continued in the jet or column of plasma gas exiting through the orifice of the nozzle of the plasma torch; said gas jet also ensuring the transfer of the arc 2
électrique à la pièce en métal à découper. On parle alors de procédé à arc plasma transféré.electric to the metal piece to be cut. This is known as a transferred plasma arc process.
En général, pour former la saignée et obtenir le profil de coupe désiré, il est d'usage de maintenir la torche à plasma, lors de son fonctionnement à une distance sensiblement constante de la pièce à découper et de déplacer ladite torche par rapport à ladite pièce à découper à une vitesse également sensiblement constante. Actuellement, il existe deux types principaux de torches à plasma à arc transféré susceptibles d'être utilisés dans un procédé de coupage plasma, à savoir les torches mono-gaz ou mono-flux, et les torches bi-gaz ou double-flux.In general, to form the groove and obtain the desired cutting profile, it is customary to maintain the plasma torch, during its operation at a substantially constant distance from the workpiece and to move said torch relative to said workpiece also at a substantially constant speed. Currently, there are two main types of plasma torches with transferred arc capable of being used in a plasma cutting process, namely single-gas or single-flow torches, and bi-gas or double-flow torches.
Plus précisément, une torche mono-gaz met en oeuvre un flux unique de gaz plasmagene, destiné à permettre l'établissement d'un arc électrique entre l'électrode et la pièce à découper, à assurer la stabilisation de la racine d'arc sur l'électrode et à engendrer le processus de découpe de la pièce à découper par effets thermique, cinétique et/ou chimique conjugués au jet plasmagene proprement dit.More precisely, a single-gas torch implements a single stream of plasma gas, intended to allow the establishment of an electric arc between the electrode and the piece to be cut, to ensure the stabilization of the arc root on the electrode and to generate the process of cutting the part to be cut by thermal, kinetic and / or chemical effects combined with the plasma jet proper.
Dans ce cas, la qualité de la découpe obtenue est principalement fonction du choix du gaz plasmagene utilisé compte tenu de la nature du matériau à découper, du mode de distribution dudit gaz dans la chambre plasmagene, ainsi que d'autres paramètres conditionnant la géométrie du jet de gaz plasma, telle sa vitesse d'écoulement et la répartition des zones de température.In this case, the quality of the cut obtained is mainly a function of the choice of the plasma gas used taking into account the nature of the material to be cut, the mode of distribution of said gas in the plasma chamber, as well as other parameters conditioning the geometry of the plasma gas jet, such as its flow speed and the distribution of temperature zones.
Une torche mono-gaz est notamment décrite dans le document US-A-4977305.A single-gas torch is described in particular in document US-A-4977305.
Par ailleurs, le principe de fonctionnement d'une torche bi-gaz ou double-flux est identique à celui d'une torche mono-gaz, mais comprend habituellement, en outre, un ou plusieurs circuits de gaz supplémentaires permettant de distribuer au moins un second gaz, en général, periphériquement au jet de plasma sortant de la tuyère.Furthermore, the operating principle of a bi-gas or double-flow torch is identical to that of a single-gas torch, but usually also includes one or more additional gas circuits making it possible to distribute at least one second gas, in general, peripherally with the plasma jet coming out of the nozzle.
Bien que ce gaz supplémentaire produise des effets cinétiques et chimiques additionnels permettant, dans certaines applications, d'améliorer la qualité des découpes, ce gaz supplémentaire ne participe pas ou peu à la formation du jet de plasma, de par une ionisation très faible, voire quasi nulle.Although this additional gas produces additional kinetic and chemical effects making it possible, in certain applications, to improve the quality of the cuts, this additional gas participates little or not at all in the formation of the plasma jet, due to very weak ionization, or even almost zero.
Dans certains cas, l'addition d'un gaz supplémentaire periphériquement au jet de plasma engendre une action thermique de stabilisation de la veine centrale dudit jet de plasma par refroidissement de la couche périphérique externe de celui-ci et concentration de l'énergie dans l'âme du jet de plasma. Des torches à plasma semblables sont notamment décrites par les documents US-A-3575568 et US-A-5558786.In some cases, the addition of an additional gas peripherally to the plasma jet generates a thermal action to stabilize the central vein of said plasma jet by cooling the outer peripheral layer of the latter and concentrating the energy in it. soul of the plasma jet. Similar plasma torches are described in particular in documents US-A-3575568 and US-A-5558786.
De manière générale, ces deux types de torches à plasma, à savoir mono ou bi-gaz, sont utilisés avec des gaz plasmagene aussi bien de type oxydant que de type non-oxydant.In general, these two types of plasma torches, namely mono or bi-gas, are used with plasma gases both of the oxidizing type and of the non-oxidizing type.
Cependant, dans tous les cas, il convient de veiller à une compatibilité correcte du gaz plasmagene avec la nature du métal constituant l'électrode de la torche.However, in all cases, care should be taken to ensure correct compatibility of the plasma gas with the nature of the metal constituting the electrode of the torch.
Ainsi, lorsque la torche est utilisée pour mettre en oeuvre un gaz non-oxydant, tel de l'azote ou un mélange argon/hydrogène, azote/hydrogène ou azote/argon/ hydrogène, on utilise habituellement une électrode en tungstène.Thus, when the torch is used to use a non-oxidizing gas, such as nitrogen or an argon / hydrogen, nitrogen / hydrogen or nitrogen / argon / hydrogen mixture, a tungsten electrode is usually used.
Une telle association électrode en tungstène/gaz non-oxydant permet d'obtenir une durée de vie accrue de ladite électrode.Such a combination of tungsten electrode / non-oxidizing gas makes it possible to obtain an increased service life of said electrode.
Les torches à plasma mettant en oeuvre un flux gazeux non-oxydant sont classiquement utilisées pour découper les aciers inoxydables et les alliages légers. En outre, lorsque la torche est une torche bi-gaz, le deuxième gaz peut être de la même famille que le gaz 4Plasma torches using a non-oxidizing gas flow are conventionally used to cut stainless steels and light alloys. In addition, when the torch is a bi-gas torch, the second gas can be of the same family as the gas 4
plasmagene ou un gaz différent, tel notamment le dioxyde de carbone ou un hydrocarbure, gaz neutre ou mélange gaz neutre, un gaz actif.plasma or a different gas, such as carbon dioxide or a hydrocarbon, neutral gas or neutral gas mixture, an active gas.
A l'inverse, pour les torches à gaz oxydant, des électrodes en tungstène sont à proscrire à cause de leur détérioration rapide en présence du gaz oxydant.Conversely, for oxidizing gas torches, tungsten electrodes are to be avoided because of their rapid deterioration in the presence of the oxidizing gas.
En effet, la présence d'oxygène dans le gaz entraîne la formation d'un oxyde à bas point de sublimation sur 1 ' électrode en tungstène et engendre une destruction accélérée deWelle-ci.In fact, the presence of oxygen in the gas results in the formation of an oxide with a low sublimation point on the tungsten electrode and generates accelerated destruction of it.
De là, il est d'usage d'utiliser avec ce type de torche une électrode en zirconium ou en hafnium, qui présente un comportement nettement plus satisfaisant en présence d'oxygène que les électrodes en tungstène. Cependant, il n'en demeure pas moins que la durée de vie d'une électrode en zirconium ou hafnium en présence de gaz oxydant est nettement plus faible que celle d'une électrode en tungstène en présence de gaz non-oxydant, et ce, d'autant plus faible que l'intensité du courant de coupe est élevée.Hence, it is customary to use with this type of torch a zirconium or hafnium electrode, which exhibits a clearly more satisfactory behavior in the presence of oxygen than the tungsten electrodes. However, the fact remains that the lifetime of a zirconium or hafnium electrode in the presence of oxidizing gas is significantly shorter than that of a tungsten electrode in the presence of non-oxidizing gas, and this, the lower the intensity of the cutting current.
Ainsi, pour des intensités supérieures à 150 A, la durée de vie d'une électrode en zirconium ou en hafnium peut être d'environ 4 à 10 fois inférieure à celle d'une électrode en tungstène. Or, il est connu que les gaz oxydants, plus particulièrement l'oxygène, présentent un grand intérêt pour la découpe notamment des aciers de construction car procurant des qualités et des performances de coupe sans équivalent. Mais, compte tenu du problème d'usure des électrodes en zirconium et en hafnium susmentionné, les applications industrielles sont généralement limitées à des intensités inférieures ou égales à 300 A.Thus, for intensities greater than 150 A, the lifetime of a zirconium or hafnium electrode can be approximately 4 to 10 times less than that of a tungsten electrode. However, it is known that oxidizing gases, more particularly oxygen, are of great interest for cutting, in particular structural steels because they provide unparalleled cutting qualities and performance. However, given the wear problem of the aforementioned zirconium and hafnium electrodes, industrial applications are generally limited to intensities less than or equal to 300 A.
Dans certaines applications, un deuxième gaz, tel un mélange d'azote et d'oxygène, peut être distribué à la périphérie du jet de gaz oxydant pour éviter l'aspiration 5In certain applications, a second gas, such as a mixture of nitrogen and oxygen, can be distributed around the periphery of the jet of oxidizing gas to avoid aspiration. 5
de l'air ambiant, améliorer la stabilité du pied anodique de l'arc dans la saignée en cours de formation et ainsi la qualité de coupe résultante.of ambient air, improving the stability of the anode foot of the arch in the groove being formed and thus the resulting quality of cut.
En d'autres termes, il est actuellement très difficile d'assurer, avec un gaz oxydant et une électrode en hafnium, un fonctionnement d'une torche et d'un procédé de coupage plasma d'une durée supérieure ou égale à celle obtenue avec un gaz non-oxydant et une électrode en tungstène; ceci étant d'autant plus vrai que l'intensité dû courant mis en oeuvre est forte.In other words, it is currently very difficult to ensure, with an oxidizing gas and a hafnium electrode, an operation of a torch and of a plasma cutting process of a duration greater than or equal to that obtained with a non-oxidizing gas and a tungsten electrode; this being all the more true as the intensity of current implemented is strong.
Le but de la présente invention est donc de pallier les problèmes susmentionnés, c'est-à-dire d'obtenir, quelle que soit l'intensité du courant mis en oeuvre, une durée de fonctionnement d'une torche de travail à l'arc électrique, telle une torche de coupage plasma ou de soudage TIG, mettant en oeuvre un gaz oxydant sensiblement comparable à celle obtenue avec une torche équipée d'une électrode en tungstène et utilisant un gaz non-oxydant, et ce, en conservant ou en améliorant les performances en termes de qualité et/ou de vitesse de coupe, notamment des aciers de construction, et/ou de qualité de la soudure obtenue.The object of the present invention is therefore to alleviate the above-mentioned problems, that is to say to obtain, whatever the intensity of the current used, an operating time of a working torch at electric arc, such as a plasma cutting torch or TIG welding torch, using an oxidizing gas substantially comparable to that obtained with a torch equipped with a tungsten electrode and using a non-oxidizing gas, and this, by conserving or improving performance in terms of quality and / or cutting speed, in particular of structural steels, and / or quality of the weld obtained.
La présente invention concerne alors un procédé de travail à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche comprenant une électrode en tungstène et une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie de gaz, dans lequel:The present invention therefore relates to a method of working with an electric arc using a torch comprising a tungsten electrode and a main nozzle provided with a main gas outlet orifice, in which:
- on alimente ladite torche avec au moins un gaz non-oxydant, ledit gaz non-oxydant venant au contact direct d'au moins une partie de l'électrode en tungstène,said torch is supplied with at least one non-oxidizing gas, said non-oxidizing gas coming into direct contact with at least part of the tungsten electrode,
- on forme au moins un jet principal de gaz non- oxydant contenant au moins une partie dudit gaz non- oxydant à l'état ionisé et l'arc électrique, ledit jet principal de gaz non-oxydant sortant sous forme de jet plasmagene par l'orifice principal de ladite tuyère principale, - on alimente, en aval de l'orifice de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non- oxydant avec au moins un flux d'au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant et dudit gaz oxydant.- At least one main jet of non-oxidizing gas is formed containing at least part of said non-oxidizing gas in the ionized state and the electric arc, said main jet of non-oxidizing gas leaving in the form of a plasma jet by l main opening of said main nozzle, - one feeds, downstream of the outlet orifice of said main nozzle, said main jet of non-oxidizing gas with at least one stream of at least one oxidizing gas, so as to obtain a total jet of gas containing a mixture at least partially of said non-oxidizing gas and said oxidizing gas.
Selon le cas, le procédé de l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:Depending on the case, the method of the invention comprises one or more of the following characteristics:
- on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant de manière à empêcher toute entrée de gaz oxydant dans ladite tuyère principale et/ou tout contact dudit mélange avec l'électrode en tungstène;the proportions of said oxidizing gas and of said non-oxidizing gas are adjusted so as to prevent any entry of oxidizing gas into said main nozzle and / or any contact of said mixture with the tungsten electrode;
- on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant, de manière à obtenir des bords de coupe de la pièce à découper sensiblement exempts de bavure;- The proportions of said oxidizing gas and of said non-oxidizing gas are adjusted, so as to obtain cutting edges of the part to be cut substantially free of burrs;
- on ajuste les proportions de gaz oxydant et de gaz non-oxydant en agissant sur au moins un paramètre choisi parmi le site d'injection du gaz non-oxydant, le site d'injection du gaz oxydant, la pression du gaz oxydant, la pression du gaz non-oxydant, le débit du gaz oxydant et le débit du gaz non-oxydant;the proportions of oxidizing gas and of non-oxidizing gas are adjusted by acting on at least one parameter chosen from the site of injection of the non-oxidizing gas, the site of injection of the oxidizing gas, the pressure of the oxidizing gas, the non-oxidizing gas pressure, oxidizing gas flow and non-oxidizing gas flow;
- le gaz non-oxydant est choisi parmi l'azote, l'argon, l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges; - le gaz oxydant est choisi parmi l'oxygène, l'air, le dioxyde de carbone, l'ozone et leurs mélanges;the non-oxidizing gas is chosen from nitrogen, argon, helium, hydrogen and their mixtures; the oxidizing gas is chosen from oxygen, air, carbon dioxide, ozone and their mixtures;
- il est choisi parmi les procédés de coupage plasma, soudage plasma, marquage plasma, rechargement plasma et de projection plasma ou les procédés de soudage TIG.- it is chosen from plasma cutting, plasma welding, plasma marking, plasma reloading and plasma spraying processes or TIG welding processes.
L'invention concerne également une torche de travail à l'arc électrique, telle une torche de coupage plasma ou une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) , comprenant: - une électrode en tungstène, 7The invention also relates to an electric arc work torch, such as a plasma cutting torch or a TIG (Tungsten Inert Gas) welding torch, comprising: - a tungsten electrode, 7
- des moyens d'alimentation en gaz non-oxydant,means for supplying non-oxidizing gas,
- des moyens d'alimentation en gaz oxydant,means for supplying oxidizing gas,
- des moyens permettant de former un jet principal de gaz contenant au moins le gaz non-oxydant et 1 ' arc électrique,means for forming a main jet of gas containing at least the non-oxidizing gas and the electric arc,
- une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie du jet principal de gaz,- a main nozzle fitted with a main outlet for the main gas jet,
- des moyens de distribution permettant d'alimenter, en aval de l'orifice de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non-oxydant avec au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant et dudit gaz oxydant.distribution means making it possible to supply, downstream of the outlet orifice of said main nozzle, said main jet of non-oxidizing gas with at least one oxidizing gas, so as to obtain a total jet of gas containing a mixture at least partially of said non-oxidizing gas and said oxidizing gas.
De préférence, la torche selon l'invention comporte une seconde tuyère munie, elle aussi, d'un orifice de sortie de gaz, les orifices de sortie de gaz desdites deux tuyères étant coaxiaux.Preferably, the torch according to the invention comprises a second nozzle also provided with a gas outlet orifice, the gas outlet orifices of said two nozzles being coaxial.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également l'utilisation d'une torche à plasma selon l'invention pour le coupage de l'acier ou d'un matériau contenant du fer, tels notamment les aciers de construction non-alliés ou faiblement alliés.According to another aspect, the invention also relates to the use of a plasma torch according to the invention for cutting steel or an iron-containing material, such as in particular non-alloyed or low-strength structural steels allies.
La présente invention va maintenant être décrite plus en détail en référence aux figures annexées, données à titre illustratif, mais non limitatif.The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures, given by way of illustration, but not limitation.
La figure 1 représente un schéma de la technique du coupage plasma à l'arc transféré.FIG. 1 represents a diagram of the plasma cutting technique with transferred arc.
Plus précisément, sur cette figure 1 est représentée, en coupe longitudinale partielle, l'extrémité active d'une torche 1 de coupage plasma comportant une électrode 2 et une tuyère 10 munie d'un orifice principal 13 d'éjection du jet plasmagene 7.More specifically, in this FIG. 1 is shown, in partial longitudinal section, the active end of a plasma cutting torch 1 comprising an electrode 2 and a nozzle 10 provided with a main orifice 13 for ejecting the plasma jet 7.
Une source électrique 5 à courant continu et connectée, par son pôle négatif, à l'électrode 2 ou cathode de la torche 1 à plasma et, par son pôle positif, 8A direct current electric source 5 and connected, by its negative pole, to the electrode 2 or cathode of the plasma torch 1 and, by its positive pole, 8
à la pièce à couper 12 faisant office d'anode, par exemple une tôle en acier.to the workpiece 12 serving as an anode, for example a steel sheet.
Un gaz 3 est introduit dans la chambre à plasma 9 séparant l'électrode 2 de la tuyère 10 de la torche 1; l'introduction du gaz pouvant être laminaire ou tourbillonnaire.A gas 3 is introduced into the plasma chamber 9 separating the electrode 2 from the nozzle 10 from the torch 1; the introduction of gas which may be laminar or vortex.
Après ionisation du gaz 3 dans la chambre à plasmaAfter ionization of gas 3 in the plasma chamber
9, l'arc électrique 6 est transféré par le biais du jet de gaz plasmagene 7 ionisé entre l'électrode 2 et la pièce à couper 12, et il se forme alors une saignée 8 de découpe au sein de la pièce 12 à couper.9, the electric arc 6 is transferred by means of the jet of ionized plasma gas 7 between the electrode 2 and the piece to be cut 12, and a cutting groove 8 is then formed within the piece 12 to be cut.
Les figures 2 et 3 représentent, quant à elles, des schémas analogues à celui de la figure 1, d'une torche à plasma mono-gaz et d'une torche à plasma bi-gaz, respectivement.Figures 2 and 3 show, for their part, diagrams similar to that of Figure 1, of a single-gas plasma torch and a bi-gas plasma torch, respectively.
Ainsi, la figure 2 schématise le mode de fonctionnement d'une torche mono-gaz selon l'art antérieur, selon lequel un gaz 3 de type non-oxydant, par exemple de l'azote ou de l'argon, est utilisé en association avec une électrode 2 en tungstène.Thus, FIG. 2 schematizes the operating mode of a single-gas torch according to the prior art, according to which a gas 3 of non-oxidizing type, for example nitrogen or argon, is used in combination with a tungsten electrode 2.
Comme susmentionné, l'association d'une électrode 2 en tungstène et d'un gaz non-oxydant permet d'accroître la résistance de l'électrode aux sollicitations de l'arc plasma 6, c'est-à-dire d'augmenter la durée de vie de l'électrode 2, grâce à une faible usure de celle-ci.As mentioned above, the combination of a tungsten electrode 2 and a non-oxidizing gas makes it possible to increase the resistance of the electrode to the stresses of the plasma arc 6, that is to say to increase the lifetime of the electrode 2, due to low wear thereof.
Cependant, la qualité de la coupe obtenue et/ou la vitesse de coupe ne peuvent être considérées comme réellement satisfaisantes, en particulier lors de la découpe d'un acier de construction non-allié ou faiblement allié.However, the quality of the cut obtained and / or the cutting speed cannot be considered to be really satisfactory, in particular when cutting non-alloyed or low-alloyed structural steel.
Par ailleurs, la figure 3 représente une torche à plasma bi-gaz, encore appelée torche double-flux, comprenant comme précédemment une électrode 2, une tuyèreFurthermore, FIG. 3 represents a bi-gas plasma torch, also called a double-flow torch, comprising as above an electrode 2, a nozzle
10 munie d'un orifice 13 principal de sortie du jet de gaz principal 7 et séparée de l'électrode 2 par une chambre à plasma 9 dans laquelle est introduite le gaz non-oxydant 3.10 provided with a main outlet 13 for the outlet of the main gas jet 7 and separated from the electrode 2 by a plasma chamber 9 into which the non-oxidizing gas 3 is introduced.
Selon la figure 3, la torche 1.comporte également une seconde tuyère ou buse formant manchon autour d'au moins une partie de la tuyère principale 10, au sein de laquelle une seconde tuyère 14 est pratiquée un orifice 19 coaxial de l'orifice 13 porté par la tuyère 10, de manière à permettre le passage du jet principal de gaz plasmagene 7, de l'arc électrique 6 et d ' un gaz secondaire 4 introduit dans l'espace 15 séparant la tuyère principale 10 de la seconde tuyère 14.According to FIG. 3, the torch 1. also carries a second nozzle or nozzle forming a sleeve around at least part of the main nozzle 10, within which a second nozzle 14 is formed an orifice 19 coaxial with the orifice 13 carried by the nozzle 10, so as to allow the main jet of plasma gas 7, the electric arc 6 and a secondary gas 4 introduced into the space 15 separating the main nozzle 10 from the second nozzle 14 to pass.
Lorsque le gaz 3 et le gaz secondaire 4 sont de type non-oxydant, l'électrode 2 est en tungstène; la torche bi-gaz présente alors les inconvénients de la torche mono-gaz de la figure 2.When the gas 3 and the secondary gas 4 are of the non-oxidizing type, the electrode 2 is made of tungsten; the bi-gas torch then has the drawbacks of the mono-gas torch of FIG. 2.
A l'inverse, lorsque le gaz plasmagene 3 et le gaz secondaire 4 sont de type oxydant, l'électrode 2 est alors en zirconium ou en hafnium.Conversely, when the plasma gas 3 and the secondary gas 4 are of the oxidizing type, the electrode 2 is then made of zirconium or hafnium.
Or, ainsi que susmentionné, la durée de vie d'une électrode 2 à insert émiεsif en hafnium ou zirconium peut être d'environ 4 à 10 fois inférieure à celle d'une électrode 2 en tungstène associée à un gaz non-oxydant, mais tend à présenter de meilleures performances en terme de qualité de coupe, en particulier lors d'une découpe d'acier de construction.However, as mentioned above, the lifetime of an electrode 2 with a hafnium or zirconium insert may be approximately 4 to 10 times less than that of a tungsten electrode 2 associated with a non-oxidizing gas, but tends to have better performance in terms of quality of cut, in particular when cutting structural steel.
Les figures 4 et 5 représentent des schémas, en coupe longitudinale partielle, de l'extrémité active d'une torche à plasma 1 selon la présente invention dotée d'une électrode 2 en tungstène portée par un porte- électrode 17 en cuivre par exemple, ladite électrode étant refroidie par échange thermique avec un fluide de refroidissement amené par un tube plongeur 21.FIGS. 4 and 5 represent diagrams, in partial longitudinal section, of the active end of a plasma torch 1 according to the present invention provided with a tungsten electrode 2 carried by an electrode holder 17 in copper for example, said electrode being cooled by heat exchange with a cooling fluid supplied by a dip tube 21.
Un gaz plasmagene 3 non-oxydant, tel de l'azote ou de l'argon, est introduit dans la chambre plasmagene 9 séparant l'électrode 2 de la tuyère principale 10, puis 10A non-oxidizing plasma gas 3, such as nitrogen or argon, is introduced into the plasma chamber 9 separating the electrode 2 from the main nozzle 10, then 10
eεt éjecté par l'orifice principal 13 de sortie du jet principal plasmagene 7 et de l'arc électrique 6.ejected from the main outlet 13 of the main plasma jet 7 and the electric arc 6.
Selon le mode de réalisation de la figure 4, la tuyère principale 10 comprend une première paroi 23 interne et une deuxième paroi 24 externe délimitant un espace intra-tuyère 25 dans lequel chemine un gaz oxydantAccording to the embodiment of FIG. 4, the main nozzle 10 comprises a first internal wall 23 and a second external wall 24 delimiting an intra-nozzle space 25 in which an oxidizing gas travels
4, tel de l'oxygène ou de l'air.4, such as oxygen or air.
Cet espace intra-tuyère 25 débouche en aval de l'orifice 13 de la tuyère principale 10, de manière à permettre un- mélange au moins partiel du jet 7 de gaz plasmagene non-oxydant ionisé avec le gaz oxydant 4.This intra-nozzle space 25 opens downstream of the orifice 13 of the main nozzle 10, so as to allow at least partial mixing of the jet 7 of ionized non-oxidizing plasma gas with the oxidizing gas 4.
En d'autres termes, cet espace intra-tuyère 25 canalise le gaz oxydant 4 vers la colonne formée par le gaz plasmagene ionisé 7 et l'arc électrique 6. En procédant ainsi, on obtient un jet plasmagene formé d'un mélange de gaz oxydant et de gaz non-oxydant présentant de bonnes performances de coupe et on évite, en outre, toute entrée néfaste de gaz oxydant, tel l'oxygène, au sein de la chambre plasmagene 9, c ' est-à- dire tout contact entre le gaz oxydant 4 et l'électrode 2 en tungstène.In other words, this intra-nozzle space 25 channels the oxidizing gas 4 towards the column formed by the ionized plasma gas 7 and the electric arc 6. By doing this, a plasma jet formed of a mixture of gases is obtained. oxidant and non-oxidizing gas having good cutting performance and, in addition, any harmful entry of oxidizing gas, such as oxygen, within the plasma chamber 9, that is to say any contact between the oxidizing gas 4 and the tungsten electrode 2.
La figure 5 est analogue à la figure 4, mais représente cette fois un mode de réalisation selon lequel, l'espace intra-tuyère 25 véhiculant et canalisant le gaz oxydant 4 est délimité, d'une part, par une première paroi 23 portée par l'électrode 2 et, d'autre part, une deuxième paroi 24 externe constituée par la tuyère principale 10.FIG. 5 is similar to FIG. 4, but this time represents an embodiment according to which, the intra-nozzle space 25 conveying and channeling the oxidizing gas 4 is delimited, on the one hand, by a first wall 23 carried by the electrode 2 and, on the other hand, a second external wall 24 constituted by the main nozzle 10.
Comme précédemment, la distribution de gaz oxydant est réalisée en aval de l'orifice principal 13 de la tuyère principale et vers la colonne 6, 7 de jet plasmagene composé du gaz plasmagene non-oxydant 7 ionisé au sein de la chambre à plasma 9 et de l'arc électrique 6 prenant racine sur ou à proximité de l'électrode 2 en tunσstène. 11As before, the distribution of oxidizing gas is carried out downstream of the main orifice 13 of the main nozzle and towards the column 6, 7 of a plasma jet composed of the non-oxidizing plasma gas 7 ionized within the plasma chamber 9 and of the electric arc 6 taking root on or near the electrode 2 in tunσstene. 11
De manière générale, les modes de réalisation représentés sur les figures 4 et 5 exploitent les avantages des torches à gaz plasma non-oxydant, à savoir une durée de vie élevée de l'électrode 2 en tungstène, et des torches à gaz oxydant, à savoir l'obtention de performances notamment de qualité et de vitesse de coupe élevée, en particulier lors du coupage des aciers de construction non-alliés ou faiblement alliés.In general, the embodiments shown in FIGS. 4 and 5 exploit the advantages of non-oxidizing plasma gas torches, namely a high lifetime of the tungsten electrode 2, and oxidizing gas torches, know how to obtain performance, particularly in terms of quality and high cutting speed, in particular when cutting non-alloyed or low-alloyed structural steels.
En d'autres termes, la présente invention permet de séparer, d'une part, les fonctions de génération de l'arc et de stabilisation de la racine cathodique dudit arc électrique et, d'autre part, de génération du processus de coupage du matériau.In other words, the present invention makes it possible to separate, on the one hand, the functions of arc generation and stabilization of the cathode root of said electric arc and, on the other hand, generation of the cutting process of the material.
Toutefois, afin de garantir la longévité ou durée de vie de l'électrode 2 en tungstène, il convient d'éviter tout contact direct entre le flux de gaz oxydant 4 et ladite électrode 2.However, in order to guarantee the longevity or lifetime of the tungsten electrode 2, any direct contact between the flow of oxidizing gas 4 and said electrode 2 should be avoided.
Pour ce faire, on veille à ce que le rapport des débits de gaz plasmagene non-oxydant 3 et de gaz oxydant 4 soient tels que la quantité de gaz non-oxydant soit suffisamment faible par rapport à la quantité de gaz oxydant pour ne pas pénaliser les performances de coupe, étant donné que le gaz utile permettant de garantir lesdites performances de découpe est principalement le gaz oxydant.To do this, care is taken that the ratio of the flow rates of non-oxidizing plasma gas 3 and oxidizing gas 4 is such that the quantity of non-oxidizing gas is sufficiently low compared to the quantity of oxidizing gas so as not to penalize cutting performance, since the useful gas used to guarantee said cutting performance is mainly oxidizing gas.
On choisit et on di ensionne alors les sites d'injection du gaz non-oxydant 3 et du gaz oxydant 4 et les sections des passages desdits gaz dans la chambre plasmagene 9 et l'espace intra-tuyère 25, respectivement, de manière à limiter le débit de gaz non-oxydant 3 et à favoriser le débit dudit gaz oxydant 4.The injection sites for the non-oxidizing gas 3 and the oxidizing gas 4 and the cross-sections of the passages for the said gases in the plasma chamber 9 and the intra-nozzle space 25, respectively, are chosen and dimensioned. the flow of non-oxidizing gas 3 and to favor the flow of said oxidizing gas 4.
Pour un mode de réalisation de tuyère 10 à deux étages, tel que représenté sur la figure 4, il convient alors de limiter, pour le premier étage, la section de passage et la longueur du canal d'éjection de l'orifice principal 13 au maximum admissible mais en prenant garde 12For an embodiment of two-stage nozzle 10, as shown in FIG. 4, it is then necessary to limit, for the first stage, the passage section and the length of the ejection channel from the main orifice 13 to maximum admissible but taking care 12
d'éviter une destruction dudit canal d'éjection de l'orifice principal 13 par des arcs électriques parasites, alors que, pour le deuxième étage, on choisit une grande section de passage de la colonne de gaz plasmagene et du flux de gaz oxydant, de manière à obtenir un débit suffisant pour évacuer le métal fondu et éviter les bavures sur la pièce à découper; le premier étage étant délimité par la première paroi 23 et le second étage étant délimité par la seconde paroi 24. La constriction de l'arc électrique est alors assurée par une proportion choisie entre la section et la longueur du canal d'éjection, d'où il résulte une bonne qualité de coupe et une absence ou une quasi-absence d'arc électrique parasite. En outre, la torche à plasma selon l'invention permet d'obtenir un jet de gaz plasmagene formé par un mélange gazeux en proportion choisie mais en s ' affranchissant de l'utilisation de tout mélangeur de gaz . En outre, une torche à plasma selon l'invention permet de pratiquer une découpe sous gaz oxydant, tel l'oxygène, sans limitation de l'intensité du courant de l'arc électrique mis en oeuvre, c'est-à-dire en permettant de travailler sous des intensités de courant de coupe plus élevées que dans des conditions classiques, par exemple pour des intensités de courant supérieures à 300 A, voire même supérieures à 450 A, et ce, sans pénaliser la productivité du procédé ce qui permet de découper des tôles d'acier ayant une épaisseur pouvant atteindre de 25 à 100 mm par exemple.to avoid destruction of said ejection channel from the main orifice 13 by parasitic electric arcs, whereas, for the second stage, a large passage section of the column of plasma gas and of the oxidizing gas flow is chosen, so as to obtain a sufficient flow rate to evacuate the molten metal and avoid burrs on the workpiece; the first stage being delimited by the first wall 23 and the second stage being delimited by the second wall 24. The constriction of the electric arc is then ensured by a proportion chosen between the section and the length of the ejection channel, where it results in a good quality of cut and an absence or almost absence of parasitic electric arc. In addition, the plasma torch according to the invention makes it possible to obtain a jet of plasma gas formed by a gaseous mixture in a chosen proportion but by dispensing with the use of any gas mixer. In addition, a plasma torch according to the invention makes it possible to practice cutting under an oxidizing gas, such as oxygen, without limiting the intensity of the current of the electric arc used, that is to say in making it possible to work under higher cutting current intensities than under conventional conditions, for example for current intensities greater than 300 A, or even greater than 450 A, without penalizing the productivity of the process which allows cut steel sheets with a thickness of up to 25 to 100 mm, for example.
La torche à plasma à arc électrique transférée selon la présente invention peut être de type manuel ou automatique, et être appliquée à toute opération de coupage, soudage, marquage ou projection plasma. En outre, on utilise, de préférence, un gaz non- oxydant contenant une faible proportion d'impuretés de 13The transferred electric arc plasma torch according to the present invention can be of the manual or automatic type, and can be applied to any cutting, welding, marking or plasma projection operation. In addition, use is preferably made of a non-oxidizing gas containing a small proportion of impurities of 13
type oxygène et/ou vapeur d'eau, de manière à éviter une usure ou une détérioration de l'électrode en tungstène par lesdites impuretés. Avantageusement, le gaz non- oxydant contient moins de 20 ppm d'oxygène et moins de 80 ppm de vapeur d'eau, tant qu'impuretés. Le maintien d'une faible teneur en impuretés dudit gaz non-oxydant peut être effectué grâce à l'emploi de gaz non-oxydant de pureté suffisante pour garantir lesdites teneurs et/ou grâce à la mise en oeuvre d'une étanchéité suffisante des matériels (conduites d'alimentation, torche..) et/ou à l'agencement sur les moyens d'alimentation en gaz non- oxydant de moyens de purification permettant d'éliminer lesdites impuretés H2O et/ou 02. oxygen and / or water vapor type, so as to avoid wear or deterioration of the tungsten electrode by said impurities. Advantageously, the non-oxidizing gas contains less than 20 ppm of oxygen and less than 80 ppm of water vapor, as impurities. Maintaining a low impurity content of said non-oxidizing gas can be carried out through the use of non-oxidizing gas of sufficient purity to guarantee said contents and / or through the implementation of sufficient sealing of the materials. (supply lines, torch, etc.) and / or the arrangement on the means for supplying non-oxidizing gas with purification means making it possible to remove said impurities H 2 O and / or 0 2 .

Claims

14Revendications 14 Claims
1. Procédé de travail à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche comprenant une électrode en tungstène et une tuyère principale munie d'un orifice principal de sortie du gaz , dans lequel :1. A method of working with an electric arc using a torch comprising a tungsten electrode and a main nozzle provided with a main gas outlet orifice, in which:
- on alimente ladite torche avec au moins un gaz non-oxydant, ledit gaz non-oxydant venant au contact direct d'au moins une partie de l'électrode en tungstène,said torch is supplied with at least one non-oxidizing gas, said non-oxidizing gas coming into direct contact with at least part of the tungsten electrode,
- on forme au moins un jet principal de gaz non- oxydant contenant au moins une partie dudit gaz non- oxydant à l'état ionisé et l'arc électrique, ledit jet principal de gaz non-oxydant sortant par ledit orifice principal de ladite tuyère principale,- At least one main jet of non-oxidizing gas is formed containing at least a portion of said non-oxidizing gas in the ionized state and the electric arc, said main jet of non-oxidizing gas exiting through said main orifice of said nozzle main,
- on alimente, en aval de l'orifice principal de sortie de ladite tuyère principale, ledit jet principal de gaz non-oxydant avec au moins un flux d'au moins un gaz oxydant, de manière à obtenir un jet total de gaz contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non- oxydant et dudit gaz oxydant. - is fed, downstream of the main outlet of said main nozzle, said main jet of non-oxidizing gas with at least one stream of at least one oxidizing gas, so as to obtain a total jet of gas containing a at least partial mixing of said non-oxidizing gas and said oxidizing gas.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant de manière à empêcher toute entrée de gaz oxydant ou d'air ambiant dans ladite tuyère principale. 2. Method according to claim 1, characterized in that the proportions of said oxidizing gas and of said non-oxidizing gas are adjusted so as to prevent any entry of oxidizing gas or ambient air into said main nozzle.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions dudit gaz oxydant et dudit gaz non-oxydant, de manière à obtenir des bords de coupe de la pièce à découper sensiblement exempts de bavure. 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the proportions of said oxidizing gas and said non-oxidizing gas are adjusted, so as to obtain cutting edges of the workpiece substantially free of burrs.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions de gaz oxydant et de gaz non-oxydant en agissant sur au moins un paramètre choisi parmi le site d'injection du gaz oxydant, le site d'injection du gaz non-oxydant, la pression du gaz oxydant, la pression du gaz non-oxydant, le débit du gaz oxydant et le débit du gaz non-oxydant. 154. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the proportions of oxidizing gas and non-oxidizing gas are adjusted by acting on at least one parameter chosen from the site of injection of the oxidizing gas, the non-oxidizing gas injection site, oxidizing gas pressure, non-oxidizing gas pressure, oxidizing gas flow and non-oxidizing gas flow. 15
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz non-oxydant est choisi parmi l'azote, l'argon, l'hélium, l'hydrogène et leurs mélanges . 5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the non-oxidizing gas is chosen from nitrogen, argon, helium, hydrogen and their mixtures.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz oxydant est choisi parmi l'oxygène, l'air, l'ozone, le dioxyde de carbone et leurs mélanges .6. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oxidizing gas is chosen from oxygen, air, ozone, carbon dioxide and their mixtures.
7. Procédé selon l'une des revendications l à 6, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de coupage plasma, soudage plasma, marquage plasma, rechargement plasma et de projection plasma ou les procédés de soudage TIG.7. Method according to one of claims l to 6, characterized in that it is chosen from the plasma cutting processes, plasma welding, plasma marking, plasma reloading and plasma spraying or the TIG welding processes.
8. Torche (1) comprenant: - une électrode (2) en tungstène,8. Torch (1) comprising: - a tungsten electrode (2),
- des moyens d'alimentation en gaz non-oxydant (3),- means for supplying non-oxidizing gas (3),
- des moyens d'alimentation en gaz oxydant (4),- means for supplying oxidizing gas (4),
- des moyens (9, 23) permettant de former un jet (7) principal de gaz contenant au moins une partie dudit gaz plasmagene non-oxydant (3) et ledit arc électrique (6),means (9, 23) making it possible to form a main jet (7) of gas containing at least part of said non-oxidizing plasma gas (3) and said electric arc (6),
- une tuyère principale (10) munie d'un orifice (13) principal de sortie dudit jet principal (7) de gaz plasmagene,a main nozzle (10) provided with a main outlet (13) for exit from said main jet (7) of plasma gas,
- des moyens de distribution (24, 25) permettant d'alimenter, en aval de l'orifice (13) principal de sortie de ladite tuyère principale (10) , ledit jet principal (7) de gaz non-oxydant avec au moins un gaz oxydant (4), de manière à obtenir un jet total (4') de gaz plasmagene contenant un mélange au moins partiel dudit gaz non-oxydant (3) et dudit gaz oxydant (4) .- distribution means (24, 25) making it possible to supply, downstream of the main outlet (13) of said main nozzle (10), said main jet (7) of non-oxidizing gas with at least one oxidizing gas (4), so as to obtain a total jet (4 ′) of plasma gas containing an at least partial mixture of said non-oxidizing gas (3) and said oxidizing gas (4).
9. Torche selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde tuyère (14) comprenant un second orifice (19) de sortie de gaz, lesdits orifice principal (13) et second orifice (19) étant coaxiaux. 9. Torch according to claim 8, characterized in that it comprises a second nozzle (14) comprising a second orifice (19) for the gas outlet, said main orifice (13) and second orifice (19) being coaxial.
10. Utilisation d'une torche à plasma (1) selon l'une des revendications 8 ou 9 pour le coupage d'une 1610. Use of a plasma torch (1) according to one of claims 8 or 9 for cutting a 16
pièce en acier, telle une pièce en acier de construction non-allié ou faiblement allié. steel part, such as a non-alloyed or low-alloyed structural steel part.
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