WO2000038485A1 - Piece d'usure pour torche de travail a l'arc realisee en cuivre allie - Google Patents

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WO2000038485A1
WO2000038485A1 PCT/FR1999/003001 FR9903001W WO0038485A1 WO 2000038485 A1 WO2000038485 A1 WO 2000038485A1 FR 9903001 W FR9903001 W FR 9903001W WO 0038485 A1 WO0038485 A1 WO 0038485A1
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copper
alloy
wear part
zirconium
chromium
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PCT/FR1999/003001
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English (en)
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Michel Delzenne
Gérard Marhic
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles

Definitions

  • Wear part for arc work torch made of alloyed copper
  • the present invention relates to the field of wearing parts or consumables for electric arc torches, in particular for plasma torches, comprising an electrode, typically the cathode, one end of which is centered opposite an ejection orifice of a jet formed of gas and an electric arc, such as a plasma jet, said orifice forming a constriction diaphragm and being carried by a wearing part called a nozzle.
  • a suitable flow of pressurized gas called plasma gas
  • plasma gas a suitable flow of pressurized gas, called plasma gas
  • plasma cutting systems or installations comprise at least one plasma torch, a current source, an arc ignition system and means for supplying fluids, such as a plasma gas, possibly a plasma gas. protection or a post-injected fluid, and a torch cooling fluid.
  • fluids such as a plasma gas, possibly a plasma gas. protection or a post-injected fluid, and a torch cooling fluid.
  • the plasma torch can be held by hand or can be mounted on an automatic 2D cutting machine, of the gantry type (X, Y) or 3D of the robot type (X, Y, Z).
  • the plasma cutting process exploits the thermal and kinetic effects of a plasma jet to melt the material to be cut and J
  • an arc ignition system of the high frequency or short circuit type of the electrode and of the nozzle, is used to establish a pilot arc, generally of low current intensity , between the electrode carried by the torch and forming a cathode, and the nozzle also carried by the torch and forming an anode.
  • the intensity of the pilot arc current is brought to a generally higher value in order to reach the value of intensity of the cutting current desired and, possibly, the plasma gas.
  • the pilot arc is replaced by another gas or gaseous mixture then forming cutting plasma gas (blown or non-transferred arc system).
  • a movement is subsequently communicated, generally with a torch, to start the actual cutting operation.
  • the pilot arc is transferred to the workpiece then forming an anode, the electric circuit of the nozzle is open, the current intensity of the arc is increased at a value corresponding to the cutting current intensity, the plasma gas of the pilot arc is optionally replaced by another gas or gas mixture then forming plasma cutting gas (transferred arc system).
  • a movement is then communicated, generally with a torch, to begin the actual cutting operation.
  • the material or materials constituting the wearing parts that are the electrode and the nozzle are chosen with care, so that these wearing parts can resist as long as possible to the physico-chemical constraints, in particular thermal, to which they are subjected during the cutting operation and therefore reduce their replacement frequency when they are worn and unsuitable for ensuring correct and efficient operation of the plasma cutting torch.
  • the wear parts of the plasma torch must meet not only severe technical requirements, but also economic requirements because their cost must not be too high given their high replacement frequency. . More specifically, the technical requirements to be met include:
  • copper is not an ideal material for producing wearing parts, such as nozzles and electrodes, in particular for plasma torches, due to the low aptitude of copper for machining and its too high malleability. and its ability to deform too much in the annealed state, which annealed state can be achieved by the combined effects of significant heating during intensive operations of the plasma torch and a temperature holding time, where it can result in problems during disassembly by unscrewing the wearing parts, in particular the electrodes and the nozzles, with a view to their replacement.
  • the machinability index of copper is only 20 compared to a free-cutting brass taken as base 100.
  • document JP-A-09035892 teaches a plasma torch electrode formed from a ternary alloy of copper, zirconium and chromium which can be used for 350 hours.
  • document EP-A-634886 describes a plasma torch nozzle formed from a binary alloy of more than 99.5% copper and from 0.10 to 0.20% zirconium.
  • document JP-A-03011599 discloses a plasma torch electrode formed of a binary alloy, in this case, of copper and from 0.01 to 0.15% zirconium.
  • document JP-A-760047397 relates to a plasma torch electrode formed from an alloy of 0.05 to 2% tellurium, 25 to 40% silver or copper and the remainder being tungsten.
  • the problem which then arises is to design wear parts for improved torches, in particular for plasma torches, which are capable of satisfying the above-mentioned requirements and constraints, that is to say wear parts having lifetimes at least as good, or even higher, than those currently existing, that is to say wear parts made of copper or the aforementioned alloys, as usually recommended in the prior art, without however present the machining and malleability problems encountered with copper.
  • the constituent materials of the preferred wearing parts that is to say those best suited to the requirements imposed during the operation of the electric arc torch, in particular the electrode and the nozzle in the case of a plasma torch, are particular alloys of copper or alloyed copper whose content in certain particular addition elements is non-zero but generally less than 2.5%, or even th
  • the percentages (%) are percentages by weight.
  • the present invention also intends to propose alloying materials which can be used to produce other consumable elements or wearing parts for an electric arc torch, in particular for TIG, MIG or MAG welding torches, such as in particular the electrode holder clips or electrode holder clips, since the prior art does not describe any satisafing alloy that can be used to make this type of wear part. It follows that the present invention then relates to a wear part for an electric arc work torch, in particular for a TIG, MIG or MAG torch, said wear part being chosen from the group formed by the grippers. -electrodes and the seats of electrode-holder clamps, at least part of said wearing part being made or made of a copper alloy containing:
  • At least one alloy material chosen from the group formed by tellurium, sulfur, lead, chromium and zirconium.
  • the invention also relates to a wear part for an electric arc work torch, in particular for a plasma torch, said wear part being chosen from the group formed by electrodes, nozzles and cartridges formed by '' an electrode / nozzle assembly, at least part of said wearing part being made of a copper alloy containing:
  • the alloy may optionally contain zirconium, preferably the zirconium content in the copper alloy is then between 0.05% and 0.25%, preferably between 0.1% and 0.20%.
  • the terms “wearing part” are equivalent to the terms “consumable part” and correspond to the elements or parts constituting the parts of the work torch with an electric arc likely to undergo significant alteration during torch operation requiring their frequent replacement, in particular the electrodes and the nozzles for plasma torch, or the electrode holder clamps and the electrode holder clamp seats for TIG, MIG or MAG torches.
  • the wearing part according to the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the copper alloy contains, in addition to copper, several of the alloy materials chosen from the group above.
  • the content of alloy material in the copper alloy is from 0.01% to 5% > , preferably the content of alloy material is from 0.05% to 3%.
  • the copper content in the copper alloy is at least 90% but less than 100%, preferably from 95% to 99.9%, more preferably from 97% to 99% approximately.
  • the alloy material is tellurium and in that the tellurium content in the copper alloy is between 0.1% and 1.5%, preferably between 0.3% and 0.7%.
  • the alloy material is chromium and in that the chromium content in the copper alloy is between 0.05% and 3%, preferably between 0.5 and 1%).
  • the alloy material is zirconium and in that the zirconium content in the copper alloy is between 0.05% and 2%, preferably between 0.1% and 0.2%.
  • the alloy material is a mixture of zirconium and chromium, preferably the zirconium content in the copper alloy is between 0.05%) and 0.25% and the chromium content in the copper alloy is between 0.4% and 1.2%.
  • the alloy material is sulfur and in that the sulfur content in the copper alloy is between 0.1% and 1.5%, preferably between 0.3% and 0.7%.
  • the alloy material is lead and in that the lead content in the copper alloy is between 0.1% and 1.5%, preferably between 0.3% and 0.7%.
  • the alloy material contains at least two compounds chosen from the group formed by tellurium, sulfur and lead.
  • the alloy material is tellurium.
  • the alloy material also contains unavoidable impurities.
  • the wearing part is an electrode carrying an insert, preferably made of hafnium, tungsten or zirconium.
  • the alloy material has undergone at least one structural hardening by at least one quenching step (T) or by at least one quenching step (T) and one work hardening step (E), and possibly at least one step of income (R) applied after the quenching step (T) or after the work hardening step (E).
  • the invention also relates to a wear part for an electric arc work torch, in particular for a plasma torch, said wear part being chosen from the group formed by the electrodes, the nozzles and ies cartridges formed by an electrode / nozzle assembly, at least part of said wearing part being made of a copper alloy containing at least 80% copper and from 0.1%) to 1% o of at least one material of alloy chosen from the group formed by chromium and zirconium, said alloy material having undergone at least one structural hardening by at least one quenching step (T) or by at least one quenching step (T) and one work hardening step (E), and possibly at least one tempering step (R) applied after the quenching step (T) or after the work hardening step (E).
  • said wearing part may include one or more i
  • the alloy is chosen from the group formed by copper and chromium alloys containing approximately 0.5%) to 1% chromium, copper and zirconium alloys containing approximately 0.1%) to 0.2% zirconium, and copper, chromium and zirconium alloys containing about 0.70 to
  • the electrodes for torch or torch can take various forms but, in general, an electrode is generally of elongated shape, in particular of shape or generally cylindrical or cylindro-frustoconical shape, and carries an emissive insert, in particular in hafnium, in tungsten or in zirconium, fixed at its active end or lower or downstream end.
  • nozzles for torch or torch can take various forms but, in general, a nozzle is generally in the form of a cup or sleeve, and is pierced with a gas passage orifice.
  • a nozzle is generally in the form of a cup or sleeve, and is pierced with a gas passage orifice.
  • EP-A-750449 EP-A-278797, EP-A-573330 and EP-A-817547, which describe plasma torches.
  • the choice of the alloy material or materials can be made according to several parameters or conditions.
  • Cu-Te copper and tellurium alloys containing, for example, about 0.3% to 0.7% tellurium, such alloys are called cupro-tellurium type alloys; or
  • Cu-S copper and sulfur alloys
  • Cu-Pb copper and lead alloys
  • the wearing parts made of such copper alloys can be used in any plasma arc work application generating a temperature close to the surfaces surrounding the plasma arc, during the operation of the torch, which does not exceed the temperature. melting of the addition elements constituting the alloy, namely: 115 ° C for sulfur, 330 ° C for lead and 450 ° C for tellurium.
  • alloyed brass with structural hardening capable of providing high resistance to deformation, particularly when hot such as:
  • Cu-Cr copper and chromium alloys
  • Cu-Cr copper and chromium alloys
  • cupro-chromium type alloys such alloys are called cupro-chromium type alloys
  • Cu-Zr copper and zirconium alloys containing, for example, from about 0.1% to 0.2%) of zirconium, such alloys are called alloys of the cupro-zirconium type; or J
  • Cu-Cr-Zr copper, chromium and zirconium alloys containing, for example, about 0.8% chromium and 0.15% zirconium, such alloys are called cupro-chromium alloys- zirconium.
  • structural hardening is a phenomenon which makes it possible to improve the mechanical and electrical characteristics of an alloy, in particular by heat treatment of dissolving the addition elements, by quenching and by tempering.
  • Such alloys in the states mentioned above, have a machinability lower than cupro-tellurium, but higher than that of unalloyed copper.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a wearing part according to the invention, in which:
  • said wearing part is mechanically machined into a desired form from an alloy material having undergone at least one quenching step (T) or at least one quenching step (T) and one step work hardening (E); and
  • the invention also relates to a plasma torch comprising at least one wearing part, in particular an electrode and / or a nozzle or an electrode / nozzle cartridge, according to the invention, as well as the use of such a plasma torch in a working operation of a piece of steel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy J
  • plasma jet in particular a plasma jet cutting or marking operation.
  • the invention also relates to a TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Metal Inert Gas) or MAG (Metal Active Gas) welding torch comprising at least one wearing part, in particular an electrode holder clamp. and / or an electrode holder seat, according to the invention and its use in an arc welding operation of at least one metal part, preferably welding of several metal parts with each other.
  • TIG Transmission Inert Gas
  • MIG Metal Inert Gas
  • MAG Metal Active Gas
  • FIG. 9 shows diagrammatically the lower end or active end, seen in longitudinal section, of a plasma cutting torch comprising a torch body 91 comprising:
  • An upper body 92 made of an electrically conductive material and forming an electrode holder
  • a lower body 93 made of an electrically conductive material and forming a nozzle holder; and - an intermediate body 94 made of an electrically non-conductive material and interposed between the upper body 92 and the lower body 93, so as to electrically isolate the upper body 92 and the lower body 93, one of the other, and to keep them concentrically, to each other.
  • a coating 95 made of an electrically insulating material, mechanically links the assembly formed by the upper body 92, the lower body 93 and the intermediate body 94, so as to form a single block.
  • An electrode 96 in the form of a cup with a blind bottom and constituting a wear part of the torch, is screwed to seal on the electrode holder formed by the upper body 92.
  • a nozzle 97 in the form of a cup with a bottom pierced with a calibrated orifice 97a for the outlet of the plasma jet, constituting a wear part of the torch, is screwed tightly onto the nozzle holder formed by the lower body 93.
  • a flow of gas G under pressure is distributed by an orifice 98, via a dip tube 99, towards the interior bottom of the electrode 96, then rises in the opposite direction in a chamber with circular section 910 arranged between the surface outer of the dip tube 99 and the inner surface of the electrode holder formed by the upper body 92.
  • a first portion G1 of said gas flow G under pressure is derived by a first series of calibrated orifices 921 formed in the wall of the electrode holder formed by the upper body 92, then by pipeline between the external walls of the electrode holder, of the electrode 96 and the internal walls of the insulating intermediate 94 and of the nozzle 97, before being evacuated the outside of said nozzle 97 by the ejection port 97a.
  • the second portion G2 of the flow of gas G under pressure is successively distributed by the rings of calibrated orifices 922, 941 and
  • the gas flow G1 forms the plasma gas and therefore contributes to the formation of the arc and the plasma jet at high temperature when the plasma cutting system is in operation.
  • the initial flow of gas G1 and the flow of residual gas G2 form the means of cooling by forced convection of the torch body 91, of the electrode 96 and of the nozzle 97.
  • FIG. 1 shows, in a longitudinal section view, an electrode 1 with a solid body made up of an electrode body 2, of generally axisymmetric shape in a cup with a blind bottom, comprising,
  • a bore 6 ′ to receive, by force fitting, by crimping and / or by brazing, an emissive insert 3 made of zirconium, hafnium or tungsten, in pure or alloyed form,
  • the wearing part that is to say the electrode 1 consists of an alloyed copper of the cupro-tellurium type having tellurium content of about 0.3 to 0 , 7%, the remainder being essentially copper and possibly unavoidable impurities.
  • This electrode 1 is made from a cupro-tellurium bar of hexagonal section, which is subjected to machining by high-speed turning, which makes it possible to obtain electrodes at low cost price, and with efficiency of high use and long service life.
  • FIG. 2 represents, for its part, an electrode 1 with high mechanical resistance of general shape similar to that of FIG. 1; similar or identical parts have the same references.
  • the electrode 1 comprises, in its middle part 5, an external prismatic or semi-prismatic shape allowing the taking of a key of shape suitable for the screwing and blocking of the electrode 1 on its support in the torch body.
  • the wearing part that is to say the electrode body 2 of the electrode 1
  • the wearing part is made of copper alloy of the cupro-chromium type having a chromium content of approximately 0.5 % to 1%, which makes it possible to obtain, despite the weakening of section generated by the groove 7, an electrode of sufficient mechanical strength to withstand tightening and loosening with high torque by means of a key, without risk of breakage by torsion, shear and / or elongation in the section weakened zone.
  • Such an electrode has a high thermal resistance because the use of a copper alloy of the cupro-chrome type for the production of the electrode 1 makes it possible to maintain its geometric integrity, in particular in the vicinity of the emissive insert 3, that is to say without local fusion, despite a high temperature of the active end carrying the insert 3, for example, when a first electric arc is ignited without recourse to a high frequency ignition system (HF ), that is to say after temporary short-circuiting of the end of the electrode 1 and the bottom of the torch nozzle.
  • HF high frequency ignition system
  • Figure 3 shows schematically, for its part, a low cost nozzle for plasma torch within the scope of the present invention.
  • the nozzle 7 generally in the form of a cup with a pierced bottom, comprises an internal recess 17, a channel 7a for the passage of the plasma gas and the electric arc, and a thread 18 at its upper external part to allow assembly. by screwing onto a torch body, as shown in Figure 9.
  • the use of a copper alloy of the cupro-tellurium type having a tellurium content of 0.3% to 0.7%, as material constituting the wearing part, that is to say -to say the nozzle 7, allows for machining by turning at high speed and therefore leads to obtain nozzles at low cost.
  • Figure 4 shows schematically, for its part, a high thermal resistance nozzle for plasma torch, of general shape similar to that of Figure 3; identical or similar parts have the same references.
  • the nozzle 7 of FIG. 4 also generally in the form of a cup with a pierced bottom, again includes an internal recess 17 and a channel 7a for the passage of the plasma gas and the electric arc.
  • the dimensions of the channel 7a are such that the plasma jet is highly constricted and that there follows a very significant heat exchange between said plasma jet and the nozzle 7, in the region of the walls of said channel 7a, then leading to heating of said channels. walls at a temperature which can sometimes reach more than 500 ° C.
  • a material constituting the nozzle 7 namely an alloyed copper of cupro-chromium type containing
  • Figure 5 shows schematically, another embodiment of a nozzle 7 with high thermal resistance and moderate cost price within the scope of the present invention.
  • the nozzle 7 in FIG. 5 is a composite wearing part, that is to say a nozzle produced in two parts, namely:
  • a lower part 20 comprising the channel 7a for ejecting the plasma jet, made of cupro-chrome containing a chromium content of 0.5 to
  • the lower part 20 is assembled by force fitting or by brazing in the upper part 19.
  • FIG. 6 represents a complex electrode 61 at low cost, according to the invention, composed of a main body 62, made for example of free-cutting brass (CuZn39Pb2 or CuZn40Pb3),. of general shape of revolution and comprising at its lower part or active part, a first bore 65 and a second bore 60 of smaller diameter.
  • a dip tube 63 of cylindrical shape, made of free-cutting brass of a shade similar to that of the main body 62, is force fitted into the bore 60 of the main body 62.
  • a gas passage 67 is made in the main body 62 to be in communication with a bore 68 of identical and coaxial diameter produced in the dip tube 63.
  • a series of calibrated orifices 62a is drilled in the upper part of the bore 65 so as to put the section into communication 69 delimited, on the one hand, by the external wall of the dip tube 63 and, on the other hand, by the internal wall of the bore 65, with the environment of the electrode 61.
  • the calibrated orifices of the series of calibrated orifices 62a are drilled so as to open tangentially into the bore 65.
  • an assembly 64 consisting of a hafnium emissive insert 64b of cylindrical shape crimped in a cylindrical iubular envelope 64a made of cupro-chromium with a chromium content of between 0.5 and 1%, is force-fitted into the bore 65, so as to completely seal the end of the electrode 61.
  • the electrode 61 comprises an internal circuit allowing the circulation of a gas flow 66, forming plasma gas, via the holes 67, 68 towards the rear surface of the assembly 64 to cool it, when an electric arc is formed on the underside of the emissive insert 64b, then channel said flow through section 69 to the calibrated orifices 62a to form the gas streams 66a necessary for the formation of the plasma arc.
  • Additional arrangements are made on the external periphery of the upper part of the electrode body 62, namely: a first groove 62b intended to receive a system comprising at least one ball coming from the torch body and allowing the locking of the electrode 61 in said torch body; a second groove 62c intended to receive an O-ring seal.
  • Such a complex electrode 61 is used as a constituent element of a set of wearing parts, otherwise called a cartridge as shown in FIG. 8.
  • a cartridge 80 according to FIG. 8 comprises an electrode 61, as described above, a nozzle 82 pierced with a calibrated orifice 82a for ejecting the plasma jet and produced in cupro-tellurium (tellurium content of 0, 3 to 0.7%), an insulating shim 83 made of thermosetting plastic, a first O-ring seal 85, a second seal 84. All of these elements 61, 82, 83, 85 are returned inseparable by constriction of a thin lip 82b, coming from the body of the nozzle 82, until the contact without play of the insulating shim 83 being J
  • FIG. 7 shows schematically an electrode 71 with high thermal resistance and at moderate cost price, which electrode 71 is produced in two parts, namely:
  • main body 72 made of an alloy of cupro-tellurium type (copper + 0.3 to 0.7% of tellurium) to allow machining by high-speed turning and thus to obtain a substantial gain in cost price over a large volume part, and
  • a cylindrical pin 73 consisting of an i ⁇ sert emitting in hafnium 73b, of cylindrical shape, crimped in a cylindrical tubular casing 73a, made of an alloy of cupro-chrome type (copper + 0.5 to 1% chromium), guaranteeing good thermal resistance in the vicinity of the arc.
  • the pin 73 is force fitted into the bore 74 made at the end of the main body 72.
  • the wearing parts have been described in relation to a plasma cutting torch, it is understood that the wearing parts according to the present invention, in particular the electrodes, the nozzles, cartridges formed from an electrode assembly / nozzle, the electrode holder clamps and the electrode holder clamp seats, are not limited to plasma cutting torches only and may also be intended for other types of torches or torches, in particular marking torches , TIG, MIG or MAG welding, plasma spraying and, in general, any heat treatment torch for metallic or non-metallic materials.

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Abstract

L'invention concerne une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, réalisée en un alliage de cuivre contenant principalement du cuivre et, en outre, un ou plusieurs matériaux d'alliage choisis parmi le tellure, le soufre, le plomb, le chrome et le zirconium. Préférentiellement, la teneur en matériau d'alliage est de 0.01 % à 5 % et la teneur en cuivre est d'au moins 90 % à 95 %. La pièce d'usure selon l'invention peut être toute ou partie d'une électrode, d'une tuyère, d'une cartouche formée d'un ensemble électrode/tuyère, d'une pince porte-électrode et d'un siège de pince porte-électrode. L'invention concerne aussi une torche à plasma munie d'une ou plusieurs pièces d'usure selon l'invention et son utilisation dans une opération de coupage plasma, ainsi qu'une torche TIG, MIG ou MAG munie d'une ou plusieurs pièces d'usure selon l'invention et son utilisation dans une opération de soudage.

Description

Pièce d'usure pour torche de travail à l'arc réalisée en cuivre allié
La présente invention concerne le domaine des pièces d'usure ou consommables pour torches à arc électrique, notamment pour torches à plasma, comportant une électrode, typiquement la cathode, dont une extrémité est centrée en regard d'un orifice d'éjection d'un jet formé de gaz et d'un arc électrique, tel un jet de plasma, ledit orifice formant diaphragme de constriction et étant porté par une pièce d'usure appelée tuyère.
Habituellement, dans le cas d'une torche à plasma, un débit convenable de gaz sous pression, dit gaz plasmagène, est introduit dans la torche à plasma, est ensuite distribué entre l'électrode et la tuyère, et s'écoule par l'orifice de ladite tuyère en direction de la pièce de travail, par exemple une tôle d'acier de construction à couper ou des pièces à souder ensemble.
En général, les systèmes ou installations de coupage plasma comprennent au moins une torche à plasma, une source de courant, un système d'allumage d'arc et des moyens d'alimentation en fluides, tels que un gaz plasmagène, éventuellement un gaz de protection ou un fluide postinjecté, et un fluide de refroidissement de la torche.
La torche à plasma peut être tenue à la main ou peut être montée sur une machine automatique de découpe 2D, de type portique (X, Y) ou 3D de type robot (X, Y, Z). Habituellement, le procédé de coupage plasma exploite les effets thermique et cinétique d'un jet plasma pour fondre le matériau à découper et J
expulser le matériau fondu hors de la saignée de coupe formée consécutivement à un déplacement relatif de la torche par rapport à la pièce de travail, c'est-à-dire la pièce à couper.
De façon connue en soi, un système d'allumage d'arc, du type à haute fréquence ou à mise en court-circuit de l'électrode et de la tuyère, est utilisé pour établir un arc pilote, généralement de faible intensité de courant, entre l'électrode portée par la torche et formant cathode, et la tuyère également portée par la torche et formant anode.
Ensuite, dans le cas d'une découpe de matériaux non-métalliques, l'intensité du courant d'arc pilote est portée à une valeur généralement supérieure pour atteindre la valeur d'intensité du courant de coupe souhaitée et, éventuellement, le gaz plasmagène de l'arc pilote est remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe (système à arc soufflé ou non-transféré). Un mouvement est subséquemment communiqué, généralement à la torche, pour commencer l'opération de découpe proprement dite.
De manière alternative, dans le cas d'une découpe de matériaux métalliques, l'arc pilote est transféré à la pièce de travail formant alors anode, le circuit électrique de la tuyère est ouvert, l'intensité de courant de l'arc est portée à une valeur correspondant à l'intensité de courant de coupe, le gaz plasmagène de l'arc pilote est éventuellement remplacé par un autre gaz ou mélange gazeux formant alors gaz plasmagène de coupe (système à arc transféré). Un mouvement est ensuite communiqué, généralement à la torche, pour commencer l'opération de découpe proprement dite. Cependant, dans tous les cas, il est nécessaire que le ou les matériaux constitutifs des pièces d'usure que sont l'électrode et la tuyère soient choisis avec soin, de manière à ce que ces pièces d'usure puissent résister le plus longtemps possible aux contraintes physico-chimiques, notamment thermiques, auxquelles elles sont soumises durant l'opération de coupage et donc ainsi diminuer leur fréquence de remplacement lorsqu'elles sont usées et impropres à assurer un fonctionnement correct et efficace de la torche de coupage plasma. En d'autres termes, les pièces d'usure de la torche à plasma doivent répondre non seulement à des exigences techniques sévères, mais aussi à des exigences économiques car leur coût ne doit pas être trop élevé compte-tenu de leur fréquence de remplacement élevée. Plus précisément, les exigences techniques à respecter sont notamment :
- une conductivité électrique élevée pour permettre le passage du courant électrique utile sans échauffement excessif du matériau par effet Joule ou, autrement dit, avoir la possibilité de réduire les sections métalliques utiles ou d'allonger les éléments conducteurs sans risque de concentration excessive de chaleur.
- une conductivité thermique et une diffusivité thermique élevées pour permettre la propagation rapide d'un flux de chaleur au sein du matériau, dans lequel est réalisé la tuyère ou l'électrode, depuis une zone de voisinage avec un arc électrique à haute température vers une zone d'échange avec un fluide de refroidissement sans que, localement, la température de fusion du matériau ou de l'un de ses constituants soit atteinte.
- une résistance mécanique suffisante pour supporter les contraintes imposées par le mode d'assemblage des électrodes et des tuyères sur le corps de torche et éventuellement par le frottement de l'extrémité de la tuyère sur la surface à découper.
- une utilisation de matériaux d'usage courant pour un approvisionnement aisé et une bonne usinabilité pour un coût de fabrication, par grande quantité, acceptable et compatible au plan industriel.
Actuellement, l'art antérieur enseigne que les pièces d'usure, c'est-à- dire les électrodes et les tuyères de torches à plasma, doivent être réalisées en cuivre. A ce titre, on peut citer les documents US-A-3.575.568 et EP-A- 444344 qui décrivent l'utilisation d'électrodes en cuivre. i
Or. le cuivre n'est pas un matériau idéal pour réaliser des pièces d'usure, telles que tuyères et électrodes, en particulier pour torches à plasma, du fait de la faible aptitude du cuivre à l'usinage et de sa malléabilité trop élevée et son aptitude à la déformation trop importante à l'état recuit, lequel état recuit peut être atteint par les effets combinés d'un échauffement important lors de fonctionnements intensifs de la torche à plasma et d'un temps de maintien en température, d'où il peut résulter des problèmes lors du démontage par dévissage des pièces d'usure, notamment des électrodes et des tuyères, en vue de leur remplacement. A titre comparatif, l'indice d'usinabilité du cuivre n'est que de 20 par rapport à un laiton de décolletage pris comme base 100.
De là, certains documents préconisent de réaliser certains des pièces d'usure de torche en un alliage de cuivre avec un ou plusieurs autres matériaux de manière à augmenter la durée de vie de ces pièces d'usure ou faciliter leur fabrication.
Ainsi, le document JP-A-09035892 enseigne une électrode de torche à plasma formée d'un alliage ternaire de cuivre, de zirconium et de chrome pouvant être utilisée pendant 350 heures.
En outre, le document EP-A-634886 décrit une tuyère de torche à plasma formée d'un alliage binaire de plus de 99.5% de cuivre et de 0.10 à 0.20 % de zirconium.
De façon analogue, le document JP-A-03011599 divulgue une électrode de torche à plasma formée d'un alliage binaire, dans ce cas, de cuivre et de 0.01 à 0.15 % de zirconium. Par ailleurs, le document JP-A-760047397 a trait à une électrode de torche à plasma formée d'un alliage de 0.05 à 2% de tellure, de 25 à 40% d'argent ou de cuivre et les reste étant du tungstène.
On peut aussi citer le document DE-A-19626941 qui décrit un alliage contenant majoritairement de l'aluminium additionné de 3% de cuivre, de 0.5%) de magnésium et de 5% d'antimoine, ainsi que le document WO-A- i
92/14576 ayant trait à des carbures de céramiques ultra-fins obtenus par plasma.
Le problème qui se pose alors est de concevoir des pièces d'usure pour torches améliorées, en particulier pour torches à plasma, qui soient capables de répondre favorablement aux exigences et contraintes susmentionnées, c'est-à-dire des pièces d'usure ayant des durées de vie au moins aussi bonnes, voire plus élevées, que celles existant actuellement, c'est-à-dire des pièces d'usure en cuivre ou les alliages susmentionnés, telles qu'habituellement préconisées dans l'art antérieur, sans toutefois présenter les problèmes d'usinage et de malléabilité rencontrés avec le cuivre.
De là, il a été mis en évidence, dans le cadre de la présente invention, que certains alliages particuliers de cuivre, non connus de l'art antérieur, présentaient des propriétés intéressantes et assez inattendues, et permettaient d'aboutir à des pièces d'usure de durée de vie au moins équivalente, voire augmentée, par rapport aux pièces d'usure en cuivre connues de l'art antérieur.
En d'autres termes, il apparaît que l'addition de petites quantités de certains éléments chimiques particuliers au cuivre, en particulier le tellure, le chrome, le soufre ou le plomb, confèrent à l'alliage de cuivre ainsi obtenu des caractéristiques mécaniques et/ou d'usinage intéressantes, c'est-à-dire considérablement améliorées et ce, sans altérer les propriétés fondamentales de conductivités électriques et thermique, de durée de vie et de résistance à la corrosion des pièces d'usure réalisées en un tel alliage. Ainsi, il a été montré que les matériaux constitutifs des pièces d'usure préférés, c'est-à-dire les mieux adaptés aux exigences imposées lors du fonctionnement de la torche à arc électrique, en particulier l'électrode et la tuyère dans le cas d'une torche à plasma, sont des alliages particuliers de cuivre ou cuivres alliés dont la teneur en certains éléments d'addition particuliers est non-nulle mais généralement inférieure à 2.5 %, voire è
inférieure à 2%, voire même inférieure à 1 %. Dans le cadre de la présente invention, les pourcentages (%) sont des pourcentages en poids.
De plus, la présente invention entend aussi proposer des matériaux d'alliages pouvant être utilisés pour réaliser d'autres éléments consommables ou pièces d'usure pour torche à arc électrique, en particulier pour torches de soudage TIG, MIG ou MAG, tels notamment les pinces porte-électrodes ou les sièges de pinces porte-électrodes, étant donné que l'art antérieur ne décrit aucun alliage satisafisant pouvant être utilisé pour réaliser ce type de pièces d'usure. II s'ensuit que la présente invention concerne alors une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche TIG, MIG ou MAG, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant constituée ou réalisée en un alliage de cuivre contenant :
- au moins 80% de cuivre ; et
- au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb, le chrome et le zirconium.
L'invention porte aussi sur une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères et les cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant réalisée en un alliage de cuivre contenant :
- au moins 80% de cuivre ; et - au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb et le chrome.
Selon ce deuxième aspect, l'alliage peut contenir, éventuellement, du zirconium, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est alors comprise entre 0.05% et 0.25%, preferentiellement entre 0.1 % et 0.20%. Dans le cadre de la présente invention, les termes "pièce d'usure" sont équivalents aux termes "pièce consommable" et correspondent aux éléments ou pièces constituant les parties de la torche de travail à l'arc électrique susceptibles de subir une altération importante lors du fonctionnement de la torche nécessitant leur remplacement fréquemment, en particulier les électrodes et les tuyères pour torche à plasma, ou les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes pour torches TIG, MIG ou MAG.
Selon le cas, la pièce d'usure selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l'alliage de cuivre contient, outre le cuivre, plusieurs des matériaux d'alliage choisis dans le groupe ci-avant.
- la teneur en matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre est de 0.01 % à 5%>, de préférence la teneur en matériau d'alliage est de 0.05% à 3%. - la teneur en cuivre dans l'alliage de cuivre est d'au moins 90% mais inférieure à 100%, de préférence de 95% à 99.9%, preferentiellement encore de 97% à 99% environ.
- le matériau d'alliage est le tellure et en ce que la teneur en tellure dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1 % et 1.5%, de préférence entre 0.3% et 0.7%.
- le matériau d'alliage est le chrome et en ce que la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 3%, de préférence entre 0.5 et 1 %).
- le matériau d'alliage est le zirconium et en ce que la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 2%, de préférence entre 0.1% et 0.2%.
- le matériau d'alliage est un mélange de zirconium et de chrome, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05%) et 0.25% et la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.4% et 1.2%. à
- le matériau d'alliage est le soufre et en ce que la teneur en soufre dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1 % et 1.5%, de préférence entre 0,3% et 0,7%.
- le matériau d'alliage est le plomb et en ce que la teneur en plomb dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1 % et 1.5%, de préférence entre 0,3% et 0,7%.
- le matériau d'alliage contient au moins deux composés choisis dans le groupe formé par le tellure, le soufre et le plomb.
- le matériau d'alliage est le tellure. - le matériau d'alliage contient, en outre, des impuretés inévitables.
- la pièce d'usure est une électrode portant un insert, de préférence en hafnium, en tungstène ou en zirconium.
- le matériau d'alliage a subi au moins un durcissement structural par au moins une étape de trempe (T) ou par au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E), et éventuellement au moins une étape de revenu (R) appliquée après l'étape de trempe (T) ou après l'étape d'écrouissage (E).
Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères et ies cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant réalisée en un alliage de cuivre contenant au moins 80% de cuivre et de 0.1 %) à 1 %o d'au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le chrome et le zirconium, ledit matériau d'alliage ayant subi au moins un durcissement structural par au moins une étape de trempe (T) ou par au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E), et éventuellement au moins une étape de revenu (R) appliquée après l'étape de trempe (T) ou après l'étape d'écrouissage (E). Selon le cas, ladite pièce d'usure peut comprendre l'une ou plusieurs i
des caractéristiques suivantes :
- l'alliage est choisi dans le groupe formé par les alliages de cuivre et de chrome contenant d'environ 0,5%) à 1% de chrome, les alliages de cuivre et de zirconium contenant d'environ 0,1 %) à 0,2% de zirconium, et les alliages de cuivre, de chrome et de zirconium contenant environ 0,70 à
0,90%) de chrome et 0,12 à 0.18 % de zirconium.
Les électrodes pour torche ou chalumeau peuvent revêtir des formes variées mais, en général, une électrode est généralement de forme allongée, notamment de forme ou d'allure générale cylindrique ou cylindro- tronconique, et porte un insert émissif, notamment en hafnium, en tungstène ou en zirconium, fixé à son extrémité active ou extrémité inférieure ou aval.
De même, les tuyères pour torche ou chalumeau peuvent revêtir des formes variées mais, en général, une tuyère est généralement de forme de coupelle ou de manchon, et est percée d'un orifice de passage de gaz. De telles électrodes et tuyères sont décrites dans de nombreux documents de l'art antérieur et, dès lors, leur agencement dans la torche, leur structure générale et leur mode de fonctionnement ne seront pas détaillés ci-après.
Toutefois, à titre d'exemples, on peut se reporter aux documents suivants : EP-A-750449, EP-A-278797, EP-A-573330 et EP-A-817547, qui décrivent les torches à plasma.
Par ailleurs, selon la présente invention, le choix du ou des matériaux d'alliage peut se faire en fonction de plusieurs paramètres ou conditions.
Ainsi, lorsque une usinabilité aisée et un faible prix de revient de fabrication par usinage sont primordiaux et qu'il est nécessaire de conserver une conductivité thermique et électrique correcte, on utilise preferentiellement, en tant que matériau constitutif des pièces d'usure, des cuivres alliés contenant des éléments favorisant l'usinage, tels que : i
- des alliages de cuivre et de tellure (Cu-Te) contenant, par exemple, d'environ 0,3% à 0,7% de tellure, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-tellure ; ou
- des alliages de cuivre et de soufre (Cu-S) ou alliages de cuivre et de plomb (Cu-Pb) qui présentent des propriétés très voisines de celles du cupro- tellure.
En effet, il a été mis en évidence que l'addition de ces éléments insolubles, tels Te, S et Pb, dispersés en fins globules améliore notablement l'aptitude du cuivre à l'usinage car ces éléments rendent les copeaux courts et cassants en facilitant leur fractionnement, et il s'ensuit que l'aptitude à l'usinage de ces alliages de cuivre est tout-à-fait comparable à celle des laitons de décolletage.
Les pièces d'usure constituées de tels alliages de cuivre peuvent être utilisées dans toute application de travail à l'arc plasma engendrant une température à proximité des surfaces avoisinant l'arc plasma, durant le fonctionnement de la torche, qui ne dépasse pas la température de fusion des éléments d'addition constituant l'alliage, à savoir : 115°C pour le soufre, 330°C pour le plomb et 450°C pour le tellure.
Par contre, lorsqu'une résistance mécanique élevée est recherchée, ainsi qu'une bonne conductivité thermique et électrique, on préfère utiliser des cuivres alliés à durcissement structural susceptibles de procurer une haute résistance aux déformations, particulièrement à chaud, tels que :
- des alliages de cuivre et de chrome (Cu-Cr) contenant, par exemple, d'environ 0,5%o à 1 % de chrome, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-chrome ;
- des alliages de cuivre et de zirconium (Cu-Zr) contenant, par exemple, d'environ 0,1 % à 0,2%) de zirconium, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-zirconium ; ou J
- des alliages de cuivre, de chrome et de zirconium (Cu-Cr-Zr) contenant, par exemple, environ 0,8% de chrome et 0,15% de zirconium, de tels alliages sont appelés alliages de type cupro-chrome-zirconium.
En effet, le durcissement structural est un phénomène qui permet d'améliorer les caractéristiques mécaniques et électriques d'un alliage, en particulier par traitement thermique de mise en solution des éléments d'addition, par trempe et par revenu.
En pratique, un écrouissage (E) est appliqué, soit entre la trempe (T) et le revenu (R), soit après le revenu (R), ce qui permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques plus élevées encore.
il s'agit des états TER et TRE pour lesquels le durcissement structural et i'écrouissage cumulent leurs effets.
De tels alliages, dans les états cités précédemment, présentent une usinabilité inférieure au cupro-tellure, mais supérieure à celle du cuivre non-allié.
De là, l'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une une pièce d'usure selon l'invention, dans lequel :
(a) on usine mécaniquement ladite pièce d'usure sous une forme souhaitée à partir d'un matériau d'alliage ayant subi au moins une étape de trempe (T) ou au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E) ; et
(b) on opère au moins un durcissement structural d'au moins une partie du matériau d'alliage constituant la pièce d'usure obtenue à l'étape (a) par au moins une étape de revenu (R). Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi une torche à plasma comprenant au moins une pièce d'usure, en particulier une électrode et/ou une tuyère ou une cartouche électrode/tuyère, selon l'invention, ainsi que l'utilisation d'une telle torche à plasma dans une opération de travail d'une pièce d'acier, d'acier inoxydable, d'aluminium, d'un alliage d'aluminium J
ou de tout autre matériau métallique par jet de plasma, en particulier une opération de coupage ou de marquage par jet de plasma.
Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) ou MAG (Métal Active Gas) comprenant au moins une pièce d'usure, en particulier une pince porte-électrode et/ou un siège de pince porte-électrode, selon l'invention et son utilisation dans une opération de soudage à l'arc d'au moins une pièce métallique, de préférence de soudage de plusieurs pièces métalliques les unes avec les autres. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'exemples de modes de réalisation schématisés sur les figures annexées, lesquels sont donnés à titre illustratif mais non limitatif.
La figure 9 schématise l'extrémité inférieure ou extrémité active, vue en coupe longitudinale, d'une torche de coupage plasma comprenant un corps de torche 91 comportant :
- un corps supérieur 92 réalisé en un matériau conducteur de l'électricité et formant porte-électrode ;
- un corps inférieur 93 réalisé en un matériau conducteur de l'électricité et formant porte-tuyère ; et - un corps intermédiaire 94 réalisé en un matériau non-conducteur de l'électricité et intercalé entre le corps supérieur 92 et le corps inférieur 93, de sorte d'isoler électriquement le corps supérieur 92 et le corps inférieur 93, l'un de l'autre, et à les maintenir de manière concentrique, l'un à l'autre.
Un enrobage 95, réalisé en un matériau électriquement isolant, lie mécaniquement l'ensemble formé par le corps supérieur 92, le corps inférieur 93 et le corps intermédiaire 94, de façon à ne former qu'un bloc unique.
Une électrode 96, en forme de coupelle à fond borgne et constituant une pièce d'usure de la torche, est vissée à étanchéité sur le porte-électrode formé par le corps supérieur 92. J
De manière analogue, une tuyère 97, en forme de coupelle à fond percé d'un orifice calibré 97a de sortie du jet de plasma, constituant une pièce d'usure de la torche, est vissée à étanchéité sur le porte-tuyère formé par le corps inférieur 93. Un débit de gaz G sous pression est distribué par un orifice 98, via un tube plongeur 99, vers le fond intérieur de l'électrode 96, puis remonte en sens inverse dans une chambre à section circulaire 910 aménagée entre la surface extérieure du tube plongeur 99 et la surface intérieure du porte- électrode formé par le corps supérieur 92. Une première portion G1 dudit débit de gaz G sous pression est dérivée par une première série d'orifices calibrés 921 pratiqués dans la paroi du porte-électrode formé par le corps supérieur 92, puis par canalisation entre les parois externes du porte-électrode, de l'électrode 96 et les parois internes de l'intermédiaire isolant 94 et de la tuyère 97, avant d'être évacué à l'extérieur de ladite tuyère 97 par l'orifice d'éjection 97a.
La seconde portion G2 du débit de gaz G sous pression est distribuée successivement par les couronnes d'orifices calibrés 922, 941 et
931 , vers une section annulaire 981 délimitée par les parois externes du porte-électrode, de la tuyère 97 et la paroi interne d'une buse 98 réalisée généralement en un matériau électriquement isolant.
Le débit de gaz G1 forme le gaz plasmagène et concoure donc à la formation de l'arc et du jet plasma à haute température lorsque le système de découpe plasma est en cours d'opération.
Le débit initial de gaz G1 et le débit de gaz résiduel G2 forment le moyen de refroidissement par convection forcée du corps de torche 91 , de l'électrode 96 et de la tuyère 97.
Les figures 1 à 8 représentent, quant à elles, des exemples de schémas de réalisation de tuyères et d'électrodes, c'est-à-dire de pièces d'usure entrant dans le cadre de la présente invention, pour différents types de torches. Ainsi, la figure 1 montre, selon une vue en coupe longitudinale, une électrode 1 à corps massif constituée d'un corps d'électrode 2, de forme générale axisymétrique en coupelle à fond borgne, comportant,
- à sa partie supérieure ou amont, un taraudage 4 pour permettre un assemblage par vissage de l'électrode 1 sur un corps de torche, comme montré sur la figure 9,
- à sa partie inférieure ou partie active, un alésage 6' pour recevoir, par emmanchement à force, par sertissage et/ou par brasage, un insert émissif 3 constitué de zirconium, de hafnium ou de tungstène, sous une forme pure ou alliée,
- dans sa partie médiane 5, une forme externe polygonale, notamment hexagonale, pour permettre la prise d'une clé de forme adaptée pour effectuer le vissage et le serrage de l'électrode 1 sur son support dans le corps de torche, comme montré sur la figure 9. Dans cet exemple, la pièce d'usure, c'est-à-dire l'électrode 1 , est constituée d'un cuivre allié de type cupro-tellure ayant teneur en tellure d'environ 0,3 à 0,7%, le reste étant essentiellement du cuivre et éventuellement des impuretés inévitables.
Cette électrode 1 est fabriquée à partir d'une barre de cupro-tellure de section hexagonale, qui est soumise à un usinage par decolletage à grande cadence, ce qui permet d'obtenir des électrodes à faible prix de revient, et à efficacité d'utilisation et durée de vie élevées.
La figure 2 représente, quant à elle, une électrode 1 à résistance mécanique élevée de forme générale analogue à celle de la figure 1 ; les parties similaires ou identiques portent les mêmes références.
Selon la figure 2, l'électrode 1 comporte, dans sa partie médiane 5, une forme externe prismatique ou semi-prismatique permettant la prise d'une clé de forme adaptée pour le vissage et le blocage de l'électrode 1 sur son support dans le corps de torche. J
En outre, une gorge 7, destinée à recevoir un joint torique d'étanchéité, est pratiquée entre le filetage 4 et une portée 8 formant butée d'assemblage.
Dans cet exemple, la pièce d'usure, c'est-à-dire le corps d'électrode 2 de l'électrode 1 , est réalisée en cuivre allié de type cupro-chrome ayant une teneur en chrome d'environ 0,5% à 1 %, ce qui permet d'obtenir, malgré l'affaiblissement de section engendré par la gorge 7, une électrode de résistance mécanique suffisante pour supporter des serrages et desserrages à couple important au moyen d'une clé, sans risque de rupture par torsion, cisaillement et/ou allongement dans la zone d'affaiblissement de section.
Une telle électrode présente une tenue thermique élevée car l'utilisation d'un cuivre allié de type cupro-chrome pour la réalisation de l'électrode 1 permet d'en conserver l'intégrité géométrique, notamment au voisinage de l'insert émissif 3, c'est-à-dire sans fusion locale, malgré une température importante de l'extrémité active portant l'insert 3, par exemple, lorsqu'un premier arc électrique est allumé sans recours à un système d'allumage par haute fréquence (HF), c'est-à-dire après mise en court-circuit temporaire de l'extrémité de l'électrode 1 et le fond de la tuyère de la torche.
Pour une telle application, c'est-à-dire un amorçage par court-circuit, le cupro-tellure est peu recommandé car, lors du parcours de l'arc entre le point de rupture de court-circuit et le point final de sa fixation sur l'insert émissif 3, les globules de tellure, insolubles dans le cuivre mais entrant en fusion à environ 450°C, ont tendance à se vaporiser ou à ruisseler sur les surfaces correspondantes en altérant ainsi la géométrie de ces surfaces, à perturber l'écoulement du débit de gaz plasmagène et, par conséquent, à conduire à une dégradation rapide des performances de coupe de la colonne de plasma d'arc.
La figure 3 schématise, quant à elle, une tuyère à bas prix de revient pour torche à plasma entrant dans le cadre de la présente invention. J
Plus précisément, la tuyère 7, de forme générale en coupelle à fond percé, comporte un evidement interne 17, un canal 7a de passage du gaz plasmagène et de l'arc électrique, et un filetage 18 à sa partie supérieure externe pour permettre un assemblage par vissage sur un corps de torche, comme montré sur la figure 9.
Dans cet exemple, l'utilisation d'un cuivre allié de type cupro-tellure ayant une teneur en tellure de 0,3% à 0,7%, en tant que matériau constitutif de la pièce d'usure, c'est-à-dire de la tuyère 7, permet de réaliser un usinage par decolletage à grande cadence et conduit donc à obtenir des tuyères à faible prix de revient.
La figure 4 schématise, quant à elle, une tuyère à tenue thermique élevée pour torche à plasma, de forme générale analogue à celle de la figure 3 ; les parties identiques ou similaires portent les mêmes références.
La tuyère 7 de la figure 4, de forme générale également en coupelle à fond percé, comporte, là aussi, un evidement interne 17 et un canal 7a de passage du gaz plasmagène et de l'arc électrique.
Les dimensions du canal 7a sont telles que le jet plasma est fortement constricté et qu'il s'ensuit un échange thermique très important entre ledit jet plasma et la tuyère 7, dans la région des parois dudit canal 7a, conduisant alors à un echauffement desdites parois à une température pouvant atteindre parfois plus de 500°C.
De là, il est préférable d'utiliser, dans ce cas, un matériau constitutif de la tuyère 7, à savoir un cuivre allié de type cupro-chrome contenant de
0,5 à 1 % de chrome, pour permettre de conserver l'intégrité géométrique de la tuyère 7, notamment des parois du canal 7a, c'est-à-dire sensiblement sans fusion locale et ce, malgré une température importante desdites parois.
Là encore, le cupro-tellure est beaucoup moins recommandé pour les raisons précitées (cf. figure 3). La figure 5 schématise, quant à elle, un autre mode de réalisation d'une tuyère 7 à tenue thermique élevée et prix de revient modéré entrant dans le cadre de la présente invention.
La tuyère 7de la figure 5 est une pièce d'usure composite, c'est-à-dire une tuyère réalisée en deux parties, à savoir :
- une partie supérieure 19 réalisée en cupro-tellure contenant une teneur en tellure comprise entre 0,3 et 0,7%, comme expliqué ci-avant, permettant un usinage aisé par decolletage à grande cadence et permettant d'obtenir, dès lors, un gain substantiel de prix de revient sur une partie de volume important, et
- une partie inférieure 20, comportant le canal 7a d'éjection du jet plasma, réalisée en cupro-chrome contenant une teneur en chrome de 0,5 à
1 %), garantissant une bonne tenue thermique au voisinage d'un jet plasma fortement constricte. La partie inférieure 20 est assemblée par emmanchement à force ou par brasage dans la partie supérieure 19.
La figure 6 représente une électrode 61 complexe à faible prix de revient, selon l'invention, composée d'un corps principal 62, réalisé par exemple en laiton de decolletage (CuZn39Pb2 ou CuZn40Pb3),. de forme générale de révolution et comportant à sa partie inférieure ou partie active, un premier alésage 65 et un second alésage 60 de diamètre plus faible. Un tube plongeur 63, de forme cylindrique, réalisé en laiton de decolletage d'une nuance analogue à celle du corps principal 62, est emmanché à force dans l'alésage 60 du corps principal 62. Un perçage 67 de passage de gaz est réalisé dans le corps principal 62 pour être en communication avec un perçage 68 de diamètre identique et coaxial réalisé dans le tube plongeur 63. Une série d'orifices calibrés 62a est percée à la partie supérieure de l'alésage 65 de façon à mettre en communication la section 69 délimitée, d'une part, par la paroi extérieure du tube plongeur 63 et, d'autre part, par la paroi intérieure de l'alésage 65, avec l'environnement de l'électrode 61. Les orifices calibrés de la série d'orifices calibrés 62a sont percés de manière à déboucher tangentiellement dans l'alésage 65. D'autre part, un ensemble 64 constitué d'un insert émissif en hafnium 64b de forme cylindrique serti dans une enveloppe iubulaire cylindrique 64a réalisée en cupro-chrome à teneur en chrome comprise entre 0,5 et 1 %, est emmanché à force dans l'alésage 65, de façon à obturer complètement l'extrémité de l'électrode 61. Ainsi agencée, l'électrode 61 comporte un circuit interne permettant la circulation d'un débit de gaz 66, formant gaz plasmagène, via les perçages 67, 68 vers la surface arrière de l'ensemble 64 pour le refroidir, lorsqu'un arc électrique est formé sur la face inférieure de l'insert émissif 64b, puis de canaliser ledit débit par la section 69 vers les orifices calibrés 62a pour former les courants de gaz 66a nécessaires à la formation de l'arc plasma. Des aménagements supplémentaires sont pratiqués sur la périphérie externe de la partie supérieure du corps d'électrode 62, à savoir : une première gorge 62b destinée à recevoir un système comportant au moins une bille venant du corps de torche et permettant le verrouillage de l'électrode 61 dans ledit corps de torche ; une deuxième gorge 62c destinée à recevoir un joint torique d'étanchéité.
Une telle électrode 61 complexe est utilisée comme , élément constitutif d'un ensemble de pièces d'usure, autrement appelé cartouche comme représenté sur la figure 8.
Plus précisément, une cartouche 80 selon la figure 8 comprend une électrode 61 , telle que décrite précédemment, une tuyère 82 percée d'un orifice calibré 82a d'éjection du jet de plasma et réalisée en cupro-tellure (teneur en tellure de 0,3 à 0,7%), une cale isolante 83 réalisée en matériau plastique thermodurcissable, un premier joint torique d'étanchéité 85, un deuxième joint d'étanchéité 84. L'ensemble de ces éléments 61 , 82, 83, 85 est rendu indissociable par rétreint d'une lèvre mince 82b, venant du corps de la tuyère 82, jusqu'au contact sans jeu de la cale isolante 83 se trouvant J
alors plaquée et bloquée en position sur un siège 82c usiné dans la tuyère 82.
L'utilisation et le fonctionnement d'un tel ensemble ou cartouche 80 sont notamment décrits dans les documents EP-A-0326445, US-A-4914271 , JP-A-2714421 , CA-A-1303684 et DE-A-68903645.0
Par ailleurs, la figure 7 schématise une électrode 71 à tenue thermique élevée et à prix de revient modéré, laquelle électrode 71 est réalisée en deux parties, à savoir :
- un corps principal 72 réalisé en un alliage de type cupro-tellure (cuivre + 0,3 à 0,7%) de tellure) pour permettre un usinage par decolletage à grande cadence et pour obtenir ainsi un gain substantiel de prix de revient sur une partie de volume important, et
- un pion cylindrique 73 constitué d'un iπsert émissif en hafnium 73b, de forme cylindrique, serti dans une enveloppe tubulaire cylindrique 73a, réalisée en un alliage de type cupro-chrome (cuivre + 0,5 à 1 % de chrome), garantissant une bonne tenue thermique au voisinage de l'arc. Le pion 73 est emmanché à force dans l'alésage 74 pratiqué à l'extrémité du corps principal 72.
Bien que les pièces d'usure aient été décrites en relation avec une torche de coupage plasma, il est bien entendu que les pièces d'usure selon la présente invention, en particulier les électrodes, les tuyères, cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte-électrodes, ne sont pas limitées aux seules torches de coupage plasma et qu'elles peuvent aussi être destinées à d'autres types de torches ou de chalumeaux, notamment les torches de marquage, de soudage TIG, MIG ou MAG, de projection plasma et, d'une façon générale, toute torche de traitement thermique des matériaux métalliques ou non métalliques.

Claims

JRevendications
1. Pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche TIG, MIG ou MAG, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les pinces porte-électrodes et les sièges de pinces porte- électrodes, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant réalisée en un alliage de cuivre contenant :
- au moins 80%> de cuivre ; et - au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb, le chrome et le zirconium.
2. Pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères et les cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant réalisée en un alliage de cuivre contenant :
- au moins 80% de cuivre ; et
- au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le tellure, le soufre, le plomb et le chrome.
3. Pièce d'usure selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'alliage contient, en outre, du zirconium, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 0.25%), preferentiellement entre 0.1 % et 0.20%.
4. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en matériau d'alliage dans l'alliage de cuivre est de 0.01 %) à 5%, de préférence la teneur en matériau d'alliage est de 0.05% à 3% et/ou en ce que la teneur en cuivre dans l'alliage de cuivre est d'au moins 90%, de préférence d'au moins 95%.
5. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau d'alliage est le tellure et en ce que la teneur en tellure dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1% et 1.5%, de préférence entre 0.3% et 0.7%.
6. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau d'alliage est le chrome et en ce que la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 3%, de préférence entre 0.5 et 1 %).
7. Pièce d'usure selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le matériau d'alliage est le zirconium et en ce que la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05% et 2%, de préférence entre 0.1 % et 0.2%.
8. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisée en ce que le matériau d'alliage est un mélange de zirconium et de chrome, de préférence la teneur en zirconium dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.05%) et 0.25% et la teneur en chrome dans l'alliage de cuivre est compπse entre 0.4% et 1.2%.
9. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau d'alliage est le soufre et en ce que la teneur en soufre dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1 % et 1.5%, de préférence entre 0,3% et 0,7%.
10. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau d'alliage est le plomb et en ce que la teneur en plomb J
dans l'alliage de cuivre est comprise entre 0.1% et 1.5%, de préférence entre 0,3% et 0,7%.
11. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 5, 9 ou 10, caractérisée en ce que le matériau d'alliage contient au moins deux composés choisis dans le groupe formé par le tellure, le soufre et le plomb.
12. Pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 11 , caractérisée en ce que le matériau d'alliage a subi au moins un durcissement structural par au moins une étape de trempe (T) ou par au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E), et éventuellement au moins une étape de revenu (R) appliquée après l'étape de trempe (T) ou après l'étape d'écrouissage (E).
13. Pièce d'usure pour torche de travail à l'arc électrique, en particulier pour torche à plasma, ladite pièce d'usure étant choisie dans le groupe formé par les électrodes, les tuyères et les cartouches formées d'un ensemble électrode/tuyère, au moins une partie de ladite pièce d'usure étant réalisée en un alliage de cuivre contenant au moins 80% de cuivre et de 0.1 % à 1 %> d'au moins un matériau d'alliage choisi dans le groupe formé par le chrome et le zirconium, ledit matériau d'alliage ayant subi au moins un durcissement structural par au moins une étape de trempe (T) ou par au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E), et éventuellement au moins une étape de revenu (R) appliquée après l'étape de trempe (T) ou après l'étape d'écrouissage (E).
14. Pièce d'usure selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'alliage est choisi dans le groupe formé par les alliages de cuivre et de chrome contenant d'environ 0,5% à 1 % de chrome, les alliages de cuivre et de zirconium contenant d'environ 0,1 % à 0,2% de zirconium, et les alliages J
de cuivre, de chrome et de zirconium contenant environ 0,70 à 0,90%o de chrome et 0,12 à 0.18 % de zirconium.
15. Torche de travail à l'arc électrique, en particulier une torche à plasma ou une torche TIG, MIG ou MAG, comportant au moins une pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 14.
16. Procédé de fabrication d'une une pièce d'usure selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel : (a) on usine mécaniquement ladite pièce d'usure sous une forme souhaitée à partir d'un matériau d'alliage ayant subi au moins une étape de trempe (T) ou au moins une étape de trempe (T) et une étape d'écrouissage (E) ; et
(b) on opère au moins un durcissement structural d'au moins une partie du matériau d'alliage constituant la pièce d'usure obtenue à l'étape (a) par au moins une étape de revenu (R).
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