WO2023143813A1 - Torche de coupage plasma munie d'un empilement de consommables - Google Patents

Torche de coupage plasma munie d'un empilement de consommables Download PDF

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WO2023143813A1
WO2023143813A1 PCT/EP2022/086679 EP2022086679W WO2023143813A1 WO 2023143813 A1 WO2023143813 A1 WO 2023143813A1 EP 2022086679 W EP2022086679 W EP 2022086679W WO 2023143813 A1 WO2023143813 A1 WO 2023143813A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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face
torch
nozzle
upstream
downstream
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/086679
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English (en)
Inventor
Frédéric Camy-Peyret
Emmanuel BON
Marc CHANTREL
Original Assignee
Akryvia
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akryvia filed Critical Akryvia
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3447—Rod-like cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/38—Guiding or centering of electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a plasma cutting torch fitted with a stack of consumables.
  • the principle of plasma cutting is used for cutting more or less thick sheets.
  • the passage of a current is established between an electrode and the sheet to be cut so as to form an electric arc plasma.
  • a nozzle concentrates this plasma which is heated by the Joule effect to reach very high temperatures.
  • the nozzle has an outlet orifice which directs the plasma jet.
  • the plasma jet is further ejected through the nozzle orifice at high velocity. Due to the high temperature, the sheet melts locally and the gas supply pressure of the nozzle creating the speed of the plasma jet makes it possible to eject the molten metal under the sheet. In this way, a kerf is made in the piece to be cut.
  • a device for implementing this cutting principle is called a torch, in particular a plasma torch.
  • a torch comprises in particular an electrode, a nozzle, and a system for supplying gas to the nozzle.
  • the torch comprises a succession of wear parts "electrode - upstream gas diffuser-upstream nozzle-downstream gas diffuser -downstream nozzle” which must be centered with respect to the axis of the torch so as not to generate a asymmetrical flow of the plasma jet.
  • the existing devices are generally based on centerings carried out via cylindrical surfaces which induce a lack of precision in the chain of ribs, because they must have a clearance necessary for assembly.
  • a cap comprising a portion of frustoconical shape having an internal face of frustoconical shape and a portion in the form of an annular sleeve provided with a threaded portion on its internal periphery
  • downstream nozzle having an outer face of frustoconical shape resting against the inner face of frustoconical shape of the cap
  • downstream gas diffuser having an external face of frustoconical shape resting against an internal face of frustoconical shape of the downstream nozzle
  • said electrode having an outer face of frustoconical shape resting against an inner face of frustoconical shape of the upstream gas diffuser
  • the invention thus makes it possible, thanks to this stack of components bearing respectively on frustoconical surfaces, to improve their centering with respect to an axis of the torch by guaranteeing zero clearance between the parts once in place. Contrary to the state of the art, the chain of dimensions is minimal and the invention ensures both axial positioning and centering. The invention also facilitates the regular replacement of wear parts by allowing several components to be replaced simultaneously during the same operation. Finally, the compressive force applied to the conical seats ensures correct sealing of the gas passing through the diffusers, without the need to add sealing O-rings.
  • the torch comprises a keying device to ensure that the cap is completely screwed onto the body of the torch.
  • the keying device comprises a colored annular band arranged on the body of the torch which becomes invisible only if the screwing of the cap on the torch is complete.
  • the upstream nozzle is mechanically connected in a removable manner, in particular by screwing, to the upstream heat sink.
  • the upstream heat sink has a degree of freedom in axial translation relative to the body of the torch, so as to allow the centering of the various components when screwing the threaded portion of The hairdo.
  • open grooves are made in the internal face and/or in the external face of the upstream gas dissipator to allow the passage of a gas.
  • open grooves are made in the internal face and/or in the external face of the downstream gas dissipator to allow the passage of gas.
  • the open grooves have a straight shape.
  • the open grooves have a curved shape.
  • the electrode comprises a sleeve provided with an internal thread intended to cooperate with a thread made on the outer periphery of the electrode holder.
  • the upstream nozzle and the downstream nozzle are made of an electrically insulating material.
  • Another subject of the invention is an assembly comprising a base and a plasma cutting torch as defined above provided with a central bar integral with the electrode holder, said assembly being configured in such a way that an axial force is exerted on the central bar, for example by means of the compression of an elastic member such as a wave spring, when mounting the torch on the base, so that a compressive force of the stack of parts of wear is guaranteed even if the cap is not sufficiently tightened by the operator during assembly.
  • an elastic member such as a wave spring
  • Figure 1 is a perspective view of a plasma cutting torch according to the present invention mounted on a base;
  • Figure 2 is a perspective view of the base intended to receive the plasma torch according to the present invention
  • FIG. 3 [Fig. 4] Figures 3 and 4 are perspective views from two different angles of the plasma torch according to the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view of a plasma torch according to the invention without the cap or the consumables;
  • Figure 6 is a longitudinal sectional view of the plasma cutting torch according to the present invention.
  • Figure 7 is a longitudinal sectional view of the end portion of a plasma cutting torch according to the present invention.
  • Figure 8a is a longitudinal sectional view of the stack of wear parts inside the plasma cutting torch according to the present invention.
  • FIGS. 8b and 8c are views in longitudinal section illustrating an embodiment in which the electrode according to the invention is screwed onto the electrode holder of the plasma torch according to the invention;
  • FIG. 9a [Fig. 9b] Figures 9a and 9b are longitudinal sectional views of the base along two different sectional planes;
  • FIGS. 10a and 10b are views in longitudinal section of the plasma cutting torch and of the base respectively before and after their assembly;
  • FIGS. 11a to 11h are views illustrating different states of a locking system according to the invention during installation of the plasma cutting torch on a base; [0031] [Fig. 12a] [Fig. 12c] Figures 12a to 12c are respectively front, rear and sectional perspective views of an electrode according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention;
  • FIG. 12d is a perspective view of an alternative embodiment of an electrode according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention.
  • FIGS. 12e to 12j are perspective views illustrating other variant embodiments of an electrode according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention.
  • FIG. 13a [Fig. 13d] Figures 13a to 13d are respectively front perspective views, with hidden edge, rear, and in section of an upstream nozzle according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention;
  • FIG. 14a [Fig. 14d] Figures 14a to 14d are respectively front perspective views from two different angles, rear, and in section of a downstream nozzle according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention;
  • FIG. 15a [Fig. 15c] Figures 15a to 15c are respectively front, rear and top perspective views of a first embodiment of a gas diffuser according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention;
  • FIG. 15d [Fig. 15e] Figures 15d to 15e are respectively perspective and top views of a second embodiment of a gas diffuser according to the invention used with the plasma cutting torch according to the invention;
  • Figure 16 shows sectional views of different shapes of cross sections of a gas passage channel of a gas diffuser according to the invention.
  • the relative terms of the upstream and downstream type are understood to refer to the direction of circulation of a cutting gas inside the plasma torch. Furthermore, a so-called “internal” face of a part faces the inside of the part while a so-called “external” face faces the outside of the part.
  • FIG 1 shows a plasma cutting torch 10 of axis X1 assembled with a base 1 1 of generally cylindrical shape of axis X2.
  • the base 1 1 shown alone in Figure 2 is intended to be fixed on a cutting machine (not shown).
  • the plasma cutting torch 10 shown alone in FIGS. 3, 4 and 5 is a torch of the double nozzle type, that is to say it comprises an upstream nozzle 12 and a downstream nozzle 13 visible in particular in the cross-sectional view of FIG. 7 arranged around an electrode 15.
  • This electrode 15 makes it possible, when it is energized, and the upstream 12 and downstream 13 nozzles are respectively supplied with plasma gas and downstream gas, to generate an electric arc plasma jet capable of cutting a part.
  • the downstream gas is intended to concentrate the plasma jet generated at the level of the upstream nozzle 12.
  • the torch 10 is intended to be removably fixed with the base 11. It is thus possible to separate the plasma cutting torch 10 in order to be able to easily replace the wear parts of the torch 10, such as this is explained in more detail below.
  • the base 1 1 comprises a first gas supply conduit 17 intended to be in communication with a plasma gas supply circuit to supply the upstream nozzle 12.
  • the source of plasma gas can be a bottle of gas, for example compressed air, oxygen or any other gas suitable for the material to be cut known to those skilled in the art, preferably equipped with a regulator . It can also be an industrial gas network, a reservoir of gas stored at low temperature in the liquid phase, a gas generator, etc.
  • the supply circuit located between the source(s) of plasma gas and the conduit 17 can include elements for gas mixing, filtering, measuring, mechanical or electromechanical pressure or flow regulation, etc.
  • the base 11 also includes a second gas supply conduit 18 intended to be in communication with a downstream gas supply circuit to supply the downstream nozzle 13.
  • the downstream gas can be an inert gas such as nitrogen but it can also be, for example, air.
  • the downstream gas may be the same gas as the plasma gas or a different gas.
  • the base 11 further comprises an inlet duct 20 for the coolant in the torch 10 and an outlet duct 21 for the coolant from the torch 10.
  • Each duct 20, 21 can be provided with an automatic shut-off device 24 visible in Figures 9a, 9b, 10a, and 10b preventing a coolant leak when the torch 10 is disconnected from the base 1 1 .
  • Each automatic shutter device 24 comprises a ball 25 and a spring 26 urging the ball 25 towards its seat 27 when the torch 10 is disconnected from the base 11.
  • the coolant inlet duct 20 also performs the function of an electric current transmitter to the plasma cutting torch 10. To this end, the coolant inlet duct 20 is made of an electrically driver.
  • the plasma cutting torch 10 comprises a body 30 made in several parts, namely a tubular casing 31 made of a metallic material containing the various components of the torch 10 and internal insulating elements 32, 33, 34 nested in each other.
  • the insulating elements 32, 33, 34 are made of an electrically insulating material, in particular a plastic or ceramic material.
  • the various insulating elements 32, 33, 34 could be integral with each other so as to form a single and same insulating element.
  • the electrode 15 is pressed against an electrode holder 36 arranged inside a housing 37 formed in a central bar 40.
  • the electrode 15 and the electrode holder 36 are arranged coaxially with respect to the axis X1 of the torch 10.
  • the upstream nozzle 12 is arranged coaxially around this electrode 15.
  • the upstream nozzle 12 is mechanically removably connected to a heat sink, called upstream heat sink 43.
  • the upstream nozzle 12 is screwed onto the upstream heat sink 43.
  • the upstream heat sink 43 extends circumferentially around the central bar 40.
  • downstream nozzle 13 is arranged coaxially with respect to the axis X1 of the torch 10.
  • the downstream nozzle 13 is associated with a downstream heat sink 44.
  • the heat sink downstream 44 is arranged circumferentially around the upstream heat sink 43.
  • a first gas passage 46 arranged in the torch 10 makes it possible to supply the upstream nozzle 12 with plasma gas via an upstream gas diffuser 47.
  • the upstream gas diffuser 47 is arranged coaxially by relative to the X2 axis.
  • the upstream gas diffuser 47 is interposed axially between the electrode 15 and the upstream nozzle 12.
  • a second gas passage 50 provided in the torch 10 makes it possible to supply downstream gas to the downstream nozzle 13 via a downstream gas diffuser 51 .
  • the downstream gas diffuser 51 is arranged coaxially with respect to the axis X2.
  • the downstream gas diffuser 51 is interposed axially between the upstream nozzle 12 and the downstream nozzle 13.
  • the downstream nozzle 13 is carried by a cap 52 intended to be fixed on the body 30 of the torch 10 by means of a connection helical 53 screw-nut type.
  • the plasma cutting torch 10 thus comprises an axial stack of wear parts "electrode 15-upstream gas diffuser 47-upstream nozzle 12-downstream gas diffuser 51-downstream nozzle 13" whose configuration is described further below. details below.
  • the central bar 40 generally has a tubular shape with a round section.
  • the central bar 40 is made of an electrically conductive material.
  • the central bar 40 is capable of conveying an electric current to the electrode holder 36.
  • the central bar 40 is capable of establishing electrical contact with the inlet conduit 20 of the cooling liquid of the base 11 also having a current transmitter function.
  • the contact between the central bar 40 and the inlet duct 20 is preferably a contact of frustoconical shape.
  • the central bar 40 includes a central channel 55 for passing coolant.
  • the central coolant passage channel 55 is intended to face the coolant inlet conduit 20, also called the central bar of the base 11 .
  • the central bar 40 is provided at its end with a tubular pin 57 having a through opening 58 of transverse orientation opening inside the central channel 55.
  • the pin 57 which penetrates at least partly inside the coolant inlet duct 20 pushes the ball 25 so as to away from its seat 27. This allows circulation of coolant between the coolant circulation conduit of the base 11 and the central bar 40 of the torch 10.
  • a coolant outlet conduit 59 of the torch 10 is provided with a similar pin 57.
  • the electrode holder 36 is arranged inside the receiving housing 37 of the central bar 40 located in an extension of the central channel 55.
  • the electrode holder 36 is fixed to the central bar 40 by internal screwing.
  • the electrode holder 36 has one end 36.1 screwed onto a thread formed in an internal face of the housing 37.
  • the electrode 15 is pressed against a solid end face 62 of the electrode holder 36 so as to be cooled by conduction by the electrode holder 36.
  • solid end face is meant a face devoid of an opening putting the electrode holder 36 in fluid communication and the electrode 15.
  • the latter described in more detail below is a “solid” electrode as opposed to the conventional "hollow” electrodes provided with an opening intended to receive coolant circulation.
  • the electrode holder 36 comprises a central supply conduit 60 of axial orientation bringing the cooling liquid close to the end face of the electrode holder 36 against which the electrode 15 is pressed.
  • supply 60 opens on one side facing the central channel 55 of the central bar 40 so as to receive the coolant from the central bar 40.
  • the conduit 60 feeds at its other end through holes 75 of coolant made in the electrode holder 36 and opening into an annular space 65 extending radially between the electrode holder 36 and the central bar 40, more precisely between the external face of the electrode holder 36 and an internal face of the housing 37 of the central bar 40 hollow.
  • These coolant passage holes 75 preferably have a radial orientation but could have any other orientation allowing the liquid to be routed from the central supply conduit 60 to the annular space 65.
  • the electrode holder 36 has cooling fins 66 on its outer face.
  • the cooling fins 66 extend radially projecting between the outer face of the electrode holder 36 and the inner face of the housing 37 of the hollow central bar 40.
  • the cooling fins 66 preferably have a helical shape. Inside the annular space 65, the fins 66 form at least one helical cooling channel 74, in which the cooling fluid circulates from the passage holes 75 towards a conduit 71 for collecting coolant.
  • the cooling fins 66 may have a rectilinear shape with an axial orientation relative to the axis X1, and the fluid flows axially between the fins 66.
  • the electrode holder 36 is assembled in a sealed manner with the central bar 40 by means of a cone-cone bearing surface and internal screwing. More specifically, the electrode holder 36 has a flared end 61 provided with a end face 62 oriented generally perpendicular to the axis of the electrode holder 36. This end face 62 is in contact with the electrode 15 in order to increase the contact surface between the electrode 15 and the holder -electrode 36.
  • the cone-cone bearing surface is constituted by an internal face 63 of the flared end 61 bearing tightly against a face 64 of complementary shape to the central bar 40.
  • the faces 63, 64 in contact may have a frustoconical shape.
  • the faces in contact are preferably glued together by means of a waterproof adhesive, or brazed.
  • the electrode holder 36 is made of a current-conducting and heat-conducting material, in particular a metallic material, such as aluminum, copper, silver, gold, or any alloy or composite, including surface coatings, based on one of these metals.
  • a metallic material such as aluminum, copper, silver, gold, or any alloy or composite, including surface coatings, based on one of these metals.
  • a cooling circuit 70 in which a cooling fluid circulates, preferably in liquid form such as water, or water containing antifreeze, as well as possibly maintenance additives such as anti-corrosion, anti-limescale or biocide products.
  • the cooling liquid may be oil or any other liquid with high heat-carrying power.
  • the cooling circuit 70 comprises a first cooling chamber of the electrode holder 36.
  • the first cooling chamber comprises the conduit 60 cooling the inner surface of the electrode holder 36 , the passage holes 75, and the helical channel(s) 74.
  • the electrode 15 is thus capable of being cooled by conduction by the electrode holder 36 forming a heat sink, which being capable of being cooled internally by a circulation of fluid inside the conduit 60, on the surface of the passage holes 75, and externally by a circulation of fluid inside the helical channel(s) 74. Furthermore, the upstream nozzle 12 is mechanically removably connected to the upstream heat sink 43. The upstream nozzle 12 is cooled by contact by the upstream heat sink 43.
  • a second cooling chamber 76 is in fluid communication with the outlet 71 of the first cooling chamber.
  • the second cooling chamber 76 extends radially between an external annular external face of the upstream heat sink 43 and an internal annular face of the insulating element 33 of the body 30 of said torch 10.
  • the upstream heat sink 43 has on its outer face cooling fins 78 extending radially projecting inside the second cooling chamber 76.
  • the cooling fins 78 preferably have a helical shape. Inside the cooling chamber 76, the cooling fins 78 define at least one helical cooling channel. Alternatively, the cooling fins 78 may have a rectilinear shape of axial orientation with respect to the axis X1.
  • a third cooling chamber 80 is in fluid communication on the one hand with the second cooling chamber 76 and on the other hand with the outlet duct 21 coolant.
  • the third cooling chamber 80 extends between an internal annular face of the downstream heat sink 44 and an external annular face of the insulating element 33 of the body of said torch 10.
  • the downstream heat sink 44 has on its outer face cooling fins 81 extending radially projecting inside the third cooling chamber 80.
  • the cooling fins 81 preferably have a helical shape. Inside the cooling chamber 80, the cooling fins 81 define at least one helical cooling channel. Alternatively, the cooling fins 81 may have a rectilinear shape of axial orientation with respect to the axis X1.
  • the coolant penetrating inside the electrode holder 36 via the coolant inlet duct 20 and the central channel 55 then passes inside the first cooling chamber formed by the ducts 60 , 202 and 74 to extract the calories from the electrode holder 36 via its internal face and its external face.
  • the coolant then passes into the collector 71, communicating with the interior of the second cooling chamber 76 to extract, via the helical cooling channel(s), the calories from the upstream heat sink 43 then inside the third cooling chamber 80 to extract, via the helical cooling channel(s), the calories from the downstream heat sink 44.
  • the coolant is then evacuated through the outlet duct 21 of the coolant.
  • the first cooling chamber is thus dedicated to the indirect cooling of the electrode 15, by contact via the electrode holder 36, the second cooling chamber 76 to the cooling of the upstream nozzle 12, by contact with the upstream heat sink 43, the third cooling chamber 80 to the cooling of the downstream nozzle 13, by contact with the downstream heat sink 44, without any of the three aforementioned wearing parts (electrode 15, upstream nozzle 12, downstream nozzle 13) being in direct contact with the coolant, and can thus be changed without opening the cooling circuit, and without causing loss or contamination.
  • the torch 10 comprises an axial stack of wearing parts of the torch 10 formed by the downstream nozzle 13, the downstream gas diffuser 51, the upstream nozzle 12 , the upstream gas diffuser 47, and the electrode 15 intended to be pressed against an end face of the electrode holder 36.
  • the cap 52 comprises a portion 84 of frustoconical shape having an internal face 85 and a portion in the form of an annular sleeve 88 provided with a threaded portion 89 on its internal periphery.
  • the cap 52 has a central opening for the passage of a downstream end of the downstream nozzle 13, the upstream end of the downstream nozzle 13 resting against an internal face of the cap 52. More specifically, according to this stack, the downstream nozzle 13 has an outer face 94 of frustoconical shape bearing against the inner face of frustoconical shape of the cap 52.
  • the downstream gas diffuser 51 has an outer face 98 bearing against an internal face 95 of frustoconical shape of the downstream nozzle 13.
  • the upstream nozzle 12 has an external face 102 of frustoconical shape resting against an internal face 99 of frustoconical shape of the downstream gas diffuser 51 .
  • the upstream gas diffuser 47 has an outer face 106 bearing against an inner face 103 of the upstream nozzle 12.
  • the electrode 15 has an outer face 110 of frustoconical shape bearing against an inner face 107 of frustoconical shape of the diffuser. upstream gas 47.
  • the frustoconical faces of the various elements may be slightly curved or concave but in all cases the shape of these faces is generally frustoconical when the part is observed with the naked eye.
  • the upstream heat sink 43 has a degree of freedom in axial translation relative to the body of the torch 10, so as to allow the centering of the various components when screwing the threaded portion 89 of the cap 52.
  • a keying device 114 is provided to ensure complete screwing of the cap 52 on the body of the torch 10.
  • the keying device 114 comprises a colored annular band arranged on the body 30 of the torch 10 which becomes invisible only if the screwing of the cap 52 on the torch 10 is complete.
  • the frustoconical shape 94 of the external face of the external downstream nozzle 13 may have a slight sphericity, so that the line of contact between the sphere 94 and the truncated cone of the cap 52 provides sealing between the nozzle 13 and the cap when tightening the latter.
  • the cone-on-cone bearing surface of the upstream 47 and downstream 51 diffusers ensure relative tightness during tightening allowing the passage of the gas upstream and downstream very mainly through the channels of the diffusers 47, 51, without having to resort to to elastomer seals between the diffusers and the other wearing parts, which simplifies their machining, saves a fragile elastomer seal that is not very resistant to temperature.
  • the torch-base assembly is configured in such a way that an axial force is exerted on the central bar 40, for example by means of the compression of an elastic member such as a wave spring, when mounting the torch 10 on the base 1 1, so that a compression force of the stack of wear parts is guaranteed even if the cap 52 is not sufficiently tightened by the operator during assembly.
  • an elastic member such as a wave spring
  • the electrode 15 comprises a sleeve 157 provided with an internal thread intended to cooperate with a thread made on the outer periphery of the electrode holder 36.
  • the screwing of the electrode 15 on the electrode holder 36 thus makes it possible to guarantee that the end face of the electrode 15 is correctly pressed against the corresponding end face of the electrode holder 36 in order to guarantee good transmission of the current between the electrode holder 36 and electrode 15.
  • This electrode 15 is described in more detail below with reference to FIGS. 12e to 12j.
  • a locking device 120 is able to provide a removable mechanical connection between the torch 10 and the base 1 1.
  • the base 11 comprises a base body 121 receiving the torch 10 and a base tube 122 intended to be fixed on the axis carrying the torch of the cutting machine.
  • the base body 121 is axially movable inside the base tube 122.
  • An elastic member 123 such as a spring in particular of the wavy type, rests on the base body 121 exerting an axial force when said elastic member 123 is compressed by the positioning of the torch 10.
  • the axial support of the torch 10 on the base body 121 takes place at the level of the cone-on-cone support between the central bar 40 of the torch 10 and the central bar 20 of the base 11.
  • the bearing force ensures good electrical contact (low contact resistance), and the cone-cone geometry centers the torch 11 on the base body 121, which ensures that all the fluid and electrical connections are arranged precisely face to face.
  • the locking device 120 comprises a locking ring 127 fixed axially but movable in rotation relative to the base tube 122.
  • the locking ring 127 comprising at least one base lobe 128 having on its upper face a slope guide 130 and a locking slope 131 .
  • the locking slope 131 forms a non-zero angle with respect to the guide slope 130.
  • the torch 10 comprises at least one torch lobe 133 coming from the body 30 of the torch 10.
  • the torch lobe 133 comprises on its underside a guide slope 134 and a locking slope 135.
  • the locking slope 135 forms a non-zero angle with respect to the guide slope 134.
  • the locking slopes 131, 135 and the guide slopes 130, 134 are inclined in opposite directions so that the guide slopes 130, 134 act in compression of the elastic member 123 and the locking slopes 131 , 135 act in decompression of the elastic member 123 during the tightening of the locking ring 127.
  • the guide slope 130 of the lobe base 128 cooperates with the guide slope 134 of the torch lobe 133 so as to cause the base body 121 to rise by compressing the elastic member 123 via the support on the bearing surface of the base body 121 until the locking slope 131 of the base lobe 128 cooperates with the locking slope 135 of the torch lobe 133 to ensure, in a locking position, a locking of the torch 10 by relative to the base 11 when the torch 10 is connected to the base 11.
  • the locking position is maintained by the force of the elastic member 123.
  • said locking ring 127 comprises three base lobes 128 angularly spaced from each other in a regular manner.
  • the torch 10 comprises three corresponding torch lobes 133 spaced apart angularly from one another in a regular manner.
  • the number of base lobes 128 and torch lobes 133 may vary from one application to another.
  • the base 1 1 includes a keying device 139 for identifying a locking position and an unlocking position of the torch 10 relative to the base 1 1.
  • the keying device 139 includes a mark 141 made on the locking ring 127 intended to come by rotation selectively opposite a symbol 142 corresponding to a locked position or an unlocked position of the torch 10 with respect to the base 11 .
  • the elastic member 123 is also able to apply a contact force between one end of the coolant inlet duct 20 also having a current inlet function of the base 11 and one end of the central bar 40 for transmitting current from the torch 10.
  • the contact resistance between the base 11 and the torch 10 is minimized, and controlled in a repeatable manner by the bearing force of the elastic member 123.
  • the end of the coolant inlet conduit 20 of the base 11 and the end of the central bar 40 of the torch 10 preferably have complementary tapered shapes to ensure good centering of the torch 10 on the base body.
  • the electrode 15 electrically supplied by the electrode holder 36 is made of a material that conducts electricity and heat, for example copper, silver or an alloy or a composite based on copper and copper. silver, for example copper coated with silver.
  • the electrode 15 of axis X3 comprises a first portion 150 and a second portion 151.
  • the first portion 150 has a first free end face 152 provided with a housing 153 for receiving an emissive insert 155, as can be seen in FIGS. 12a and 12c.
  • the first portion 150 may have a simple cylindrical shape as shown in Figures 12a, 12b, and 12c.
  • the first portion 150 may have a more complex shape constituted by a cylindrical section, and may comprise one or more frustoconical sections, and where appropriate one or more fillets, one or more chamfers or tiers, as shown in the figure.
  • Figure 12d may be any shape constituted by a cylindrical section, and may comprise one or more frustoconical sections, and where appropriate one or more fillets, one or more chamfers or tiers, as shown in the figure.
  • Figure 12d is a simple cylindrical shape as shown in Figures 12a, 12b, and 12c.
  • emissive insert 155 is fitted, brazed, crimped, welded, or any other means of assembly ensuring thermal and electrical continuity between the materials, inside the housing 153 for receiving said emissive insert 155.
  • emissive insert 155 is preferably made of a refractory and thermo-emissive material, such as for example tungsten or its alloys, which has a very high melting temperature, or else hafnium, zirconium or their alloys (or other), optionally doped with rare earth oxides and lanthanides such as thorium, lanthanum, cerium oxides, etc...
  • one material will be preferred to another, in particular alloys based tungsten for neutral gases such as nitrogen, argon, hydrogen or their mixtures, and alloys based on hafnium or zirconium for oxidizing gases such as air or oxygen.
  • the second portion 151 of frustoconical shape has a cross section whose diameter increases when moving from a center of the electrode 15 towards a second free end face 156 axially opposite with respect to the first face of free end 152.
  • the second free end face 156 called the contact end face, is intended to come into contact with the electrode holder 36.
  • the second portion 151 has its terminal diameter, that is to say its largest diameter, greater than a maximum dimension of the first portion 150 measured radially relative to the X axis, in particular a maximum diameter of the first portion 150.
  • the second tapered portion 151 may end with said contact end face 156, as shown in Figures 12a, 12b, 12c.
  • the second tapered portion 151 and the contact end face may be separated by a portion having a cylindrical or other shape.
  • the contact end face 156 is a solid face over at least 90% of its surface, that is to say it has no protuberance or cavity over at least 90% of its surface.
  • the contact end face 156 may however include a cavity in its center, preferably with a diameter of less than 0.5 mm. Such a cavity facilitates the machining of the electrode 15.
  • the contact end face 156 may have a flat shape or a slightly curved shape, that is to say convex.
  • the contact end face 156 may for example have a crown between its center and its edge of 0.01 mm, ideally 0.005 mm.
  • the contact end face 156 preferably has a surface condition of controlled Ra roughness: Ra ⁇ 1.6 ⁇ m, preferably Ra ⁇ 0.8 ⁇ m, ideally between Ra 0.4 ⁇ m and Ra 0.2 ⁇ m, produced raw from turning, grinding, or polishing.
  • the contact end face 156 may be covered with a layer made of a silver material.
  • the second portion of frustoconical shape 151 has a surface condition of controlled Ra roughness: Ra ⁇ 1.6 ⁇ m, preferably Ra ⁇ 0.8 ⁇ m, ideally between Ra 0.4 ⁇ m and Ra 0.2 ⁇ m, produced raw from turning, grinding , or polishing.
  • At least the tapered-shaped portion 151 is preferably made of a solid material.
  • the whole of the electrode 15 is made of a solid material.
  • the electrode 15 comprises only the housing 153 for receiving the emissive insert 155, that is to say that it has no other housing in order to improve its cooling by conduction.
  • the electrode 15 may comprise other shapes.
  • the electrode 15 has a length preferably between 5 mm and 20 mm and preferably of the order of 10 mm.
  • a maximum diameter of the frustoconical shaped portion 151 is of the order of 13mm.
  • around is meant a possible variation of around 30% around the indicated value.
  • the external shape of the electrode between the conical portion 151 and the face 152 can be adapted to the configuration of the upstream nozzle, for example by comprising frustoconical sections, fillets , chamfers or sharp edges between the cone 151 and the face 152.
  • the electrode 15 may include a tubular sleeve 157 of axis X3 provided with a thread formed on its internal face.
  • the tubular sleeve 157 is located in an extension of the second portion 151. From one end to the other of the electrode 15, there is therefore successively the first portion 150, the second portion 151, and the tubular sleeve 157.
  • the electrode 15 comprises a gripping device 205 to allow said electrode 15 to be driven in rotation when it is screwed onto the electrode holder 36 by means of a tool (not shown) manipulated by an operator.
  • the gripping device 205 comprises gripping cavities 206 intended to cooperate with gripping studs of corresponding shape provided on the tool.
  • the gripping cavities 206 could be made on an external face of the second portion 151 .
  • the gripping device 205 comprises a plurality of screw flats 207 constituted by flats made in the outer face of the first portion 150.
  • the gripping device 205 can in particular comprise 2 sides 207 diametrically opposed (see figure 12g), 5 sides 207 (see figure 12h), 6 sides 207 (see figure 12i), or 7 sides 207 (see figure 12j).
  • the gripping device 205 may include a different number of screw flats 207 adapted to the application.
  • the upstream nozzle 12 of general axis of revolution X4 comprises a frustoconical annular portion 159 having the internal face 103 of frustoconical shape and the outer face 102 of frustoconical shape.
  • the tapered annular portion 159 includes a through central channel 160.
  • the central channel 160 has at least one neck of circular shape defining a minimum section.
  • the central channel 160 could also have a cylindrical portion, a convergent portion, a divergent portion, stages, etc. in order to shape the plasma jet formed by the nozzle.
  • the upstream nozzle 12 further comprises a mounting portion 163 having an annular shape of axial orientation.
  • the mounting portion 163 is located in an extension of the tapered portion 159.
  • the mounting portion 163 is provided with at least one thread 164 cooperating with at least one correspondingly shaped thread of the upstream heat sink 43, as can be seen in Figure 7.
  • the tapered portion 159 is integral with the mounting portion 163.
  • the heat sink 43 is mounted free axially relative to the body 30 of the torch 10 so as not to constrain a geometric positioning of the nozzle 12 during a bearing on its frustoconical faces 102, 103.
  • the outer face 102 of the tapered annular portion 159 comprises a gripping device 168 to allow the nozzle 12 to be driven in rotation by means of a tool (not shown) manipulated by an operator.
  • the gripping device 168 comprises gripping holes 170 intended to cooperate with gripping studs of corresponding shape provided on the tool.
  • the gripping holes 170 are blind holes. These gripping holes may be regularly spaced angularly along a circumference of the upstream nozzle 12. [00116] In the example shown, the upstream nozzle 12 has four gripping holes 170. Of course, the number of gripping holes 170 can be adapted depending on the application.
  • the upstream nozzle 12 may include gripping studs 171 formed in the outer face 102. These gripping studs 171 extend projecting from the face external 102. These gripping studs 171 are intended to cooperate with holes of corresponding shape made in a tool manipulated by the operator.
  • the material for making the upstream nozzle 12 is preferably a material that is a good heat conductor. It may be a copper alloy (for example of the Cu or CuTe or CuCrZr type), an aluminum alloy, silver or gold (or other).
  • the downstream nozzle 13 of axis X5 comprises a first tapered annular portion 175 and a second tapered annular portion 176 provided with a central through channel 178
  • the central channel 178 has at least one neck of circular shape defining a minimum passage section.
  • the central hole 178 could also have a cylindrical portion, divergent, convergent, staggered, or other in order to shape the flow of plasma in the downstream nozzle.
  • the first tapered annular portion 175 has the internal face 95 and the external face 94.
  • the first tapered annular portion 175 has a first thickness E1 extending between the internal face 95 and the external face 94, as shown in Figure 14d.
  • the second tapered annular portion 176 has an internal face 180 and an external face 181 .
  • the second tapered annular portion 176 has a second thickness E2 extending between the inner face 180 and the outer face 181, as shown in Figure 14d.
  • the first thickness E1 of the first tapered annular portion 175 is less than the second thickness E2 of the second tapered annular portion 176.
  • the configuration of the downstream nozzle 13 is such that the outer face 94 of the first portion 175 bears against an inner face of a portion of the cap 52 thick reduced in such a way that the outer face 181 of the second portion 176 of the nozzle 13 is in the extension of the outer face of the cap 52.
  • the sum of the thickness E1 of the first portion 175 of the nozzle 13 and of the thickness E3 of the portion of reduced thickness of the cap is equal to the thickness E2 of the second portion 176 of the nozzle 13.
  • the outer face 94 of the generally frustoconical first annular portion 175 preferably has a slightly curved frustoconical shape, that is to say convex. According to this configuration, the outer face 94 of the first portion 175 of the nozzle 13 bears against an inner face 85 of the frustoconical annular portion 175 of the cap 52 so as to ensure relative tightness without joints.
  • the outer face 94 of the first tapered annular portion 175 and the outer face of the second tapered annular portion 176 are interconnected by a curved connecting portion 184 defined by a connecting radius.
  • the connecting portion 184 makes it possible to create the difference in thickness between the two portions 175 and 176.
  • a free end 186 of the first tapered annular portion 175 may be bevelled.
  • a free end 187 of the second tapered annular portion 176 extends perpendicular to the axis X5 of the nozzle 13, defining the face of the downstream nozzle.
  • the material for making the downstream nozzle 13 is preferably a material that is a good heat conductor. It can be a copper alloy (for example type Cu or CuTe or CuCrZr), an aluminum alloy, silver or any other material suitable for the application.
  • Figures 15a, 15b, 15c, 15d, and 15e show the upstream gas diffuser 47 of axis X6 comprising at least one gas diffusion portion 190 comprising an outer face 191 of frustoconical shape, an inner face 192 of frustoconical shape, as well as several gas passage channels 193.
  • a gas passage channel 193 is formed by an open groove 195 made in the outer face 191.
  • the open groove 195 opens out at each end of the outer face 191.
  • the open groove 195 comprises a bottom 198, two side faces 199 and an opening 200 opposite the bottom 198.
  • the opening 200 opposite the bottom 198 opens towards the outside of the gas diffuser 47.
  • the open groove 195 thus has a cross section having a shape chosen from: a rectangular shape, a shape U-shaped, or a half-0 shape as shown in Figure 16.
  • the gas inlet end of the open groove 195 may have a convergent shape.
  • the open groove 195 may have a variable cross-section from upstream to downstream of a gas flow over at least part of the groove, preferably of decreasing cross-section from upstream to downstream of gas flow.
  • an open groove 195 has a rectilinear shape.
  • an open groove 195 has a curved shape so as to create a vortex flow of gas.
  • a level of vortex effect determined by an exit angle of a plurality of channels 193 with respect to an axis X6 of the diffuser 47, may be variable depending on a plasma intensity and is paired with other parts of 'wear.
  • the gas diffusion portion 190 is extended by a portion 202 constituting an electrical insulation screen between the electrode 13 and the upstream nozzle 12, and a thermal cooling fin.
  • Portion 202 has a tubular shape of axial orientation with respect to the axis X6.
  • the gas diffusion portion 190 and the portion 202 constituting the electrical insulation screen form a single piece.
  • the gas diffuser 47 has no portion forming an electrical insulation screen, as is the case for the downstream gas diffuser 51 .
  • the gas diffusers 47, 51 are made of an electrically insulating and heat-resistant material, such as for example a ceramic material such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, zirconia, boron nitride, etc., or a plastic with high temperature resistance such as polyethylene terephthalate (known as PETP), polyetheretherketone (known as PEEK), or a polyimide-based plastic such as VESPEL (registered trademark), etc. ...
  • PETP polyethylene terephthalate
  • PEEK polyetheretherketone
  • VESPEL registered trademark
  • each open groove 195 opens out at each end of the internal face 192.
  • the open groove 195 has an opening emerging towards the inside of the gas diffuser 47.
  • the gas diffuser 47, 51 may be produced by machining, in particular turning and/or milling, by hot molding, by powder sintering, with or without annealing, or by three-dimensional printing.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and provided solely by way of example. It encompasses various modifications, alternative forms and other variants that a person skilled in the art may consider in the context of the present invention and in particular all combinations of the various modes of operation described previously, which may be taken separately or in combination.

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Abstract

La présente invention porte sur une torche de coupage plasma (10) comportant un empilement axial de pièces d'usure de la torche (10) formé par une tuyère aval (13), un diffuseur de gaz aval (51) apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère aval (13), une tuyère amont (12), un diffuseur de gaz amont (47) apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère amont (12), et une électrode (15) destinée à être plaquée contre une face d'extrémité du porte-électrode (36), de sorte qu'un vissage de la portion filetée de la coiffe (52) engendre la création d'un effort de compression sur l'empilement de pièces d'usure enserré entre la coiffe (52) et le porte-électrode (36), de façon à assurer un centrage des différents composants de l'empilement d'éléments ayant chacun au moins une face de forme tronconique en appui contre une face tronconique d'un élément adjacent correspondant de l'empilement.

Description

DESCRIPTION
TITRE : TORCHE DE COUPAGE PLASMA MUNIE D'UN EMPILEMENT DE CONSOMMABLES
[0001] La présente invention porte sur une torche de coupage plasma munie d'un empilement de consommables.
[0002] Le principe de coupage plasma est utilisé pour la découpe de tôles plus ou moins épaisses. Le passage d’un courant est établi entre une électrode et la tôle à découper de manière à former un plasma d’arc électrique. Une tuyère vient concentrer ce plasma qui est chauffé par effet Joule pour atteindre des températures très élevées. La tuyère présente un orifice de sortie qui oriente le jet plasma. Le jet plasma est en outre éjecté par l’orifice de la tuyère à grande vitesse. Du fait de la température élevée, la tôle fond localement et la pression d’alimentation en gaz de la tuyère créant la vitesse du jet plasma permet d’éjecter le métal fondu sous la tôle. On réalise de la sorte une saignée dans la pièce à découper.
[0003] Un dispositif pour mettre en oeuvre ce principe de coupage s’appelle une torche, notamment une torche plasma. Une telle torche comporte notamment une électrode, une tuyère, et un système d’alimentation en gaz de la tuyère.
[0004] Il est connu en outre de munir une torche plasma d’une seconde tuyère, disposée en aval (ou autour) de la première tuyère de manière à former autour du jet plasma une couche de gaz protectrice. La seconde tuyère est alors souvent alimentée avec un gaz inerte ou de l’air. Le document EP2384097 décrit une telle tuyère qui est optimisée pour le refroidissement amont de la tuyère plasma munie d’une ouverture formant une buse par laquelle passe le jet plasma. La torche plasma décrite dans ce document présente donc les avantages d'un flux gazeux de plasma ionisé ainsi qu'un refroidissement de la buse et sa protection renforcés contre les projections de métal fondu qui peuvent intervenir pendant l'utilisation de la torche, et en particulier durant les phases de perçage. [0005] La torche comporte une succession de pièces d'usure "électrode - diffuseur de gaz amont-tuyère amont-diffuseur de gaz aval -tuyère aval" qui doivent être centrés par rapport à l’axe de la torche pour ne pas générer un écoulement dissymétrique du jet plasma. Or, les dispositifs existants se basent généralement sur des centrages réalisés via des surfaces cylindriques qui induisent un manque de précision dans la chaîne de côtes, car ils doivent présenter un jeu nécessaire permettant le montage.
[0006] La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une torche de coupage plasma comportant:
- un corps comportant une portion filetée,
- un porte-électrode,
- une coiffe comportant une portion de forme tronconique ayant une face interne de forme tronconique et une portion en forme de manchon annulaire munie d'une portion filetée sur sa périphérie interne,
- un empilement axial de pièces d'usure de la torche formé par une tuyère aval, un diffuseur de gaz aval apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère aval, une tuyère amont, un diffuseur de gaz amont apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère amont, et une électrode destinée à être plaquée contre une face d'extrémité du porte-électrode,
- ladite tuyère aval ayant une face externe de forme tronconique en appui contre la face interne de forme tronconique de la coiffe,
- le diffuseur de gaz aval ayant une face externe de forme tronconique en appui contre une face interne de forme tronconique de la tuyère aval,
- ladite tuyère amont ayant une face externe de forme tronconique en appui contre une face interne de forme tronconique du diffuseur de gaz aval,
- ledit diffuseur de gaz amont ayant une face externe en appui contre une face interne de la tuyère amont,
- ladite électrode ayant une face externe de forme tronconique en appui contre une face interne de forme tronconique du diffuseur de gaz amont,
- de sorte qu'un vissage de la portion filetée de la coiffe sur la portion filetée correspondante du corps de la torche engendre la création d'un effort de compression sur l'empilement de pièces d'usure enserré entre la coiffe et le porte- électrode, lui-même en appui sur le corps, de façon à assurer un centrage des différents composants de l'empilement d'éléments ayant chacun au moins une face de forme tronconique en appui contre une face tronconique d'un élément adjacent correspondant de l'empilement.
[0007] L’invention permet ainsi grâce à cet empilement de composants venant en appui respectif sur des surfaces tronconiques d’améliorer leur centrage par rapport à un axe de la torche en garantissant un jeu nul entre les pièces une fois en place. Contrairement à l’état de l’art, la chaîne de cotes est minimale et l’invention assure à la fois le positionnement axial et le centrage. L’invention permet également de faciliter le remplacement régulier des pièces d'usure en permettant de remplacer simultanément plusieurs composants au cours d’une même opération. Enfin, l’effort de compression appliqué sur les portées coniques permet d’assurer une étanchéité correcte au gaz passant à travers les diffuseurs, sans avoir besoin d’ajouter des joints toriques d’étanchéité.
[0008] Selon une réalisation de l'invention, la torche comporte un dispositif de détrompage pour s'assurer d'un vissage complet de la coiffe sur le corps de la torche.
[0009] Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de détrompage comporte un bandeau annulaire coloré disposé sur le corps de la torche qui devient invisible uniquement si le vissage de la coiffe sur la torche est complet.
[0010] Selon une réalisation de l'invention, la tuyère amont est reliée mécaniquement de façon amovible, notamment par vissage, au dissipateur thermique amont.
[0011] Selon une réalisation de l'invention, le dissipateur thermique amont présente un degré de liberté en translation axiale par rapport au corps de la torche, de façon à permettre le centrage des différents composants lors d'un vissage de la portion filetée de la coiffe. [0012] Selon une réalisation de l'invention, des rainures ouvertes sont réalisées dans la face interne et/ou dans la face externe du dissipateur de gaz amont pour permettre le passage d'un gaz.
[0013] Selon une réalisation de l'invention, des rainures ouvertes sont réalisées dans la face interne et/ou dans la face externe du dissipateur de gaz aval pour permettre le passage du gaz.
[0014] Selon une réalisation de l'invention, les rainures ouvertes présentent une forme droite.
[0015] Selon une réalisation de l'invention, les rainures ouvertes présentent une forme incurvée.
[0016] Selon une réalisation de l'invention, l'électrode comporte un manchon muni d'un taraudage interne destiné à coopérer avec un filetage réalisé en périphérie externe du porte-électrode.
[0017] Selon une réalisation de l'invention, la tuyère amont et la tuyère aval sont réalisées dans un matériau électriquement isolant.
[0018] L'invention a également pour objet un ensemble comportant une embase et une torche de coupage plasma telle que précédemment définie munie d'un barreau central solidaire du porte-électrode, ledit ensemble étant configuré de telle façon qu'un effort axial soit exercé sur le barreau central, par exemple au moyen de la compression d’un organe élastique comme un ressort ondulé, lors du montage de la torche sur l’embase, de sorte qu’un effort de compression de l’empilement des pièces d'usure soit garanti même si la coiffe n’est pas suffisamment serrée par l’opérateur au montage.
[0019] La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles: [0020] [Fig.1 ] La figure 1 est une vue en perspective d’une torche de coupage plasma selon la présente invention montée sur une embase;
[0021] [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective de l'embase destinée à recevoir la torche plasma selon la présente invention;
[0022] [Fig. 3] [Fig. 4] Les figures 3 et 4 sont des vues en perspective selon deux angles différents de la torche plasma selon la présente invention;
[0023] [Fig. 5] La figure 5 est une vue en perspective d'une torche plasma selon l'invention sans la coiffe ni les consommables;
[0024] [Fig. 6] La figure 6 est une vue en coupe longitudinale de la torche de coupage plasma selon la présente invention;
[0025] [Fig. 7] La figure 7 est une vue en coupe longitudinale de la partie terminale d’une torche de coupage plasma selon la présente invention;
[0026] [Fig. 8a] La figure 8a est une vue en coupe longitudinale de l'empilement des pièces d'usure à l'intérieur de la torche de coupage plasma selon la présente invention;
[0027] [Fig. 8b] [Fig. 8c] Les figures 8b et 8c sont des vues en coupe longitudinale illustrant un mode de réalisation dans lequel l'électrode selon l'invention est vissée sur le porte-électrode de la torche plasma selon l'invention;
[0028] [Fig. 9a] [Fig. 9b] Les figures 9a et 9b sont des vues en coupe longitudinale de l'embase suivant deux plans de coupe différents;
[0029] [Fig. 10a] [Fig. 10b] Les figures 10a et 10b sont des vues en coupe longitudinale de la torche de coupage plasma et de l'embase respectivement avant et après leur assemblage;
[0030] [Fig. 11 a] [Fig. 11 h] Les figures 11 a à 11 h sont des vues illustrant différents états d'un système de verrouillage selon l'invention lors d'une installation de la torche de coupage plasma sur une embase; [0031] [Fig. 12a] [Fig. 12c] Les figures 12a à 12c sont respectivement des vues en perspective avant, arrière, et en coupe d'une électrode selon l'invention utilisée avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0032] [Fig. 12d] La figure 12d est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'une électrode selon l'invention utilisée avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0033] [Fig. 12e] [Fig. 12j] Les figures 12e à 12j sont des vues en perspective illustrant d'autres variantes de réalisation d'une électrode selon l'invention utilisée avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0034] [Fig. 13a] [Fig. 13d] Les figures 13a à 13d sont respectivement des vues en perspective avant, avec arête cachée, arrière, et en coupe d'une tuyère amont selon l'invention utilisée avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0035] [Fig. 14a] [Fig. 14d] Les figures 14a à 14d sont respectivement des vues en perspective avant selon deux angles différents, arrière, et en coupe d'une tuyère aval selon l'invention utilisée avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0036] [Fig. 15a] [Fig. 15c] Les figures 15a à 15c sont respectivement des vues en perspective avant, arrière, et de dessus d'un premier mode de réalisation d'un diffuseur de gaz selon l'invention utilisé avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0037] [Fig. 15d] [Fig. 15e] Les figures 15d à 15e sont respectivement des vues en perspective et de dessus d'un deuxième mode de réalisation d'un diffuseur de gaz selon l'invention utilisé avec la torche de coupage plasma selon l'invention;
[0038] [Fig. 16] La figure 16 montre des vues en coupe de différentes formes de sections transversales d'un canal de passage de gaz d'un diffuseur de gaz selon l'invention.
[0039] Il est à noter que les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation présentent les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0040] Dans la suite de la description les termes relatifs du type amont et aval sont entendus par référence au sens de circulation d'un gaz de coupe à l'intérieur de la torche plasma. Par ailleurs, une face dite "interne" d'une pièce est tournée vers l'intérieur de la pièce tandis qu'une face dite "externe" est tournée vers l'extérieur de la pièce.
[0041] La figure 1 montre une torche de coupage plasma 10 d'axe X1 assemblée avec une embase 1 1 de forme générale cylindrique d'axe X2. L'embase 1 1 montrée seule sur la figure 2 est destinée à être fixée sur une machine de découpe (non représenté). La torche de coupage plasma 10 montrée seule sur les figures 3, 4, et 5 est une torche du type à double tuyères, c’est-à-dire qu'elle comporte une tuyère amont 12 et une tuyère aval 13 visibles notamment dans la vue en coupe de la figure 7 disposées autour d'une électrode 15. Cette électrode 15 permet, lorsqu'elle est mise sous tension, et que les tuyères amont 12 et aval 13 sont respectivement alimentées en gaz plasmagène et en gaz aval, de générer un jet plasma d'arc électrique apte à découper une pièce. Le gaz aval est destiné à concentrer le jet plasma généré au niveau de la tuyère amont 12.
[0042] La torche 10 est destinée à être fixée de façon amovible avec l'embase 1 1. Il est ainsi possible de désolidariser la torche de coupage plasma 10 pour pouvoir aisément remplacer les pièces d'usure de la torche 10, tel que cela est expliqué plus en détails ci-après.
[0043] Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 2, l'embase 1 1 comporte un premier conduit d'alimentation en gaz 17 destiné à être en communication avec un circuit d’alimentation de gaz plasmagène pour alimenter la tuyère amont 12. La source de gaz plasmagène peut être une bouteille de gaz, par exemple de l’air comprimé, de l’oxygène ou tout autre gaz adapté au matériau à découper connu de l’homme du métier, munie de préférence d’un détendeur. Il peut aussi s’agir d’un réseau de gaz industriel, d’un réservoir de gaz stocké à basse température sous phase liquide, d’un générateur de gaz, etc...Le circuit d’alimentation situé entre la ou les sources de gaz plasmagène et le conduit 17 peut comporter des éléments de mélange de gaz, de filtrage, de mesure, de régulation de pression ou de débit mécanique ou électromécaniques, etc...
[0044] L'embase 1 1 comporte également un deuxième conduit d'alimentation en gaz 18 destiné à être en communication avec un circuit d’alimentation de gaz aval pour alimenter la tuyère aval 13. Le gaz aval peut être un gaz inerte tel de l’azote mais il peut aussi s’agir par exemple d’air. Le gaz aval pourra être le même gaz que le gaz plasmagène ou un gaz différent.
[0045] Afin d'assurer le refroidissement de la torche de coupage plasma 10, l'embase 11 comporte en outre un conduit d'entrée 20 du liquide de refroidissement dans la torche 10 et un conduit de sortie 21 du liquide de refroidissement de la torche 10. Chaque conduit 20, 21 peut être muni d'un dispositif d’obturation automatique 24 visible sur les figures 9a, 9b, 10a, et 10b évitant une fuite de liquide de refroidissement lorsque la torche 10 est déconnectée de l'embase 1 1 . Chaque dispositif d’obturation automatique 24 comporte une bille 25 et un ressort 26 sollicitant la bille 25 vers son siège 27 lorsque la torche 10 est déconnectée de l'embase 1 1 .
[0046] Le conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement remplit également une fonction de transmetteur de courant électrique vers la torche de coupage plasma 10. A cette fin, le conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement est réalisé dans un matériau électriquement conducteur.
[0047] Par ailleurs, la torche de coupage plasma 10 comporte un corps 30 réalisé en plusieurs parties, à savoir un carter tubulaire 31 réalisé dans un matériau métallique contenant les différents composants de la torche 10 et des éléments isolants internes 32, 33, 34 imbriqués les uns dans les autres. Les éléments isolants 32, 33, 34 sont réalisés dans un matériau électriquement isolant, notamment un matériau plastique ou en céramique. En variante, les différents éléments isolants 32, 33, 34 pourraient être monoblocs les uns avec les autres de façon à former un seul et même élément isolant.
[0048] L'électrode 15 est plaquée contre un porte-électrode 36 disposé à l'intérieur d'un logement 37 ménagé dans un barreau central 40. L'électrode 15 et le porte-électrode 36 sont disposées de façon coaxiale par rapport à l’axe X1 de la torche 10.
[0049] La tuyère amont 12 est disposée de façon coaxiale autour de cette électrode 15. La tuyère amont 12 est reliée mécaniquement de façon amovible à un dissipateur thermique, dit dissipateur thermique amont 43. A cet effet, la tuyère amont 12 est vissée sur le dissipateur thermique amont 43. Le dissipateur thermique amont 43 s'étend circonférentiellement autour du barreau central 40.
[0050] A l’extérieur de la tuyère amont 12, la tuyère aval 13 est disposée de façon coaxiale par rapport à l’axe X1 de la torche 10. La tuyère aval 13 est associé à un dissipateur thermique aval 44. Le dissipateur thermique aval 44 est disposé circonférentiellement autour du dissipateur thermique amont 43.
[0051] Un premier passage de gaz 46 ménagé dans la torche 10 permet d'alimenter en gaz plasmagène la tuyère amont 12 par l'intermédiaire d'un diffuseur de gaz amont 47. Le diffuseur de gaz amont 47 est disposé de façon coaxiale par rapport à l'axe X2. Le diffuseur de gaz amont 47 est intercalé axialement entre l'électrode 15 et la tuyère amont 12.
[0052] Un deuxième passage de gaz 50 ménagé dans la torche 10 permet d'alimenter en gaz aval la tuyère aval 13 par l'intermédiaire d'un diffuseur de gaz aval 51 . Le diffuseur de gaz aval 51 est disposé de façon coaxiale par rapport à l'axe X2. Le diffuseur de gaz aval 51 est intercalé axialement entre la tuyère amont 12 et la tuyère aval 13. La tuyère aval 13 est portée par une coiffe 52 destinée à être fixée sur le corps 30 de la torche 10 par l'intermédiaire d'une liaison hélicoïdale 53 de type vis-écrou.
[0053] La torche de coupage plasma 10 comporte ainsi un empilement axial de pièces d'usure "électrode 15-diffuseur de gaz amont 47-tuyère amont 12-diffuseur de gaz aval 51 -tuyère aval 13" dont la configuration est décrite plus en détails ci- après.
[0054] Plus précisément, l'électrode 15 est plaquée contre une face d'extrémité du porte-électrode 36 disposé à l'intérieur du logement 37 du barreau central 40 creux. Le barreau central 40 présente globalement une forme tubulaire de section ronde. Le barreau central 40 est réalisé dans un matériau électriquement conducteur.
[0055] Le barreau central 40 est apte à acheminer un courant électrique vers le porte-électrode 36. A cet effet, le barreau central 40 est apte à établir un contact électrique avec le conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement de l'embase 11 ayant également une fonction de transmetteur de courant. Le contact entre le barreau central 40 et le conduit d'entrée 20 est de préférence un contact de forme tronconique.
[0056] En outre, le barreau central 40 comporte un canal central 55 de passage de liquide de refroidissement. Le canal central 55 de passage de liquide de refroidissement est destiné à être en regard du conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement, dit également barreau central de l'embase 11 . Le barreau central 40 est muni à son extrémité d'une broche tubulaire 57 ayant une ouverture traversante 58 d'orientation transversale débouchant à l'intérieur du canal central 55.
[0057] Lorsque la torche de coupage plasma 10 est connecté sur l'embase 1 1 , la broche 57 qui pénètre au moins en partie à l'intérieur du conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement pousse la bille 25 de façon à l'écarter de son siège 27. Cela permet une circulation de liquide de refroidissement entre le conduit de circulation de liquide de refroidissement de l'embase 11 et le barreau central 40 de la torche 10. Un conduit 59 de sortie de liquide de refroidissement de la torche 10 est muni d'une broche 57 analogue.
[0058] Par ailleurs, le porte-électrode 36 est disposé à l'intérieur du logement de réception 37 du barreau central 40 situé dans un prolongement du canal central 55. Le porte-électrode 36 est fixé au barreau central 40 par vissage interne. A cet effet, le porte-électrode 36 présente une extrémité vissée 36.1 sur un filetage ménagé dans une face interne du logement 37. L'électrode 15 est plaquée contre une face d'extrémité 62 pleine du porte-électrode 36 de façon à être refroidie par conduction par le porte-électrode 36. Par "face d'extrémité pleine", on entend une face dépourvue d'ouverture mettant en communication fluidique le porte-électrode 36 et l'électrode 15. Afin d'optimiser le refroidissement par conduction de l'électrode 15, cette dernière décrite plus en détails ci-après est une électrode "pleine" par opposition aux électrodes "creuses" classiques munies d'une ouverture destinée à recevoir la circulation du liquide de refroidissement.
[0059] Le porte-électrode 36 comporte un conduit d’alimentation central 60 d'orientation axiale amenant le liquide de refroidissement à proximité de la face d'extrémité du porte-électrode 36 contre laquelle est plaquée l'électrode 15. Le conduit d'alimentation 60 débouche par un côté en regard du canal central 55 du barreau central 40 de façon à recevoir du liquide de refroidissement provenant du barreau central 40. Le conduit 60 alimente à son autre extrémité des trous de passage 75 de liquide de refroidissement réalisés dans le porte-électrode 36 et débouchant dans un espace annulaire 65 s'étendant radialement entre le porte- électrode 36 et le barreau central 40, plus précisément entre la face externe du porte-électrode 36 et une face interne du logement 37 du barreau central 40 creux. Ces trous de passage 75 de liquide de refroidissement présentent de préférence une orientation radiale mais pourrait présenter toute autre orientation permettant d'acheminer le liquide depuis le conduit d'alimentation central 60 vers l'espace annulaire 65.
[0060] Le porte-électrode 36 comporte des ailettes de refroidissement 66 sur sa face externe. Les ailettes de refroidissement 66 s'étendent radialement en saillie entre la face externe du porte-électrode 36 et la face interne du logement 37 du barreau central 40 creux. Les ailettes de refroidissement 66 présentent de préférence une forme hélicoïdale. A l'intérieur de l’espace annulaire 65, les ailettes 66 forment au moins un canal de refroidissement hélicoïdal 74, dans lequel le fluide de refroidissement circule depuis les trous de passage 75 vers un conduit 71 de collecte de liquide de refroidissement. En variante, les ailettes de refroidissement 66 pourront présenter une forme rectiligne d'orientation axiale par rapport à l'axe X1 , et le fluide s’écoule axialement entre les ailettes 66.
[0061] Le porte-électrode 36 est assemblé de façon étanche avec le barreau central 40 par l'intermédiaire d'une portée cône-cône et le vissage interne. Plus précisément, le porte-électrode 36 présente une extrémité évasée 61 munie d'une face d'extrémité 62 d'orientation généralement perpendiculaire à l’axe du porte- électrode 36. Cette face d'extrémité 62 est en contact avec l'électrode 15 afin d'augmenter la surface de contact entre l'électrode 15 et le porte-électrode 36.
[0062] La portée cône-cône est constituée par une face interne 63 de l'extrémité évasée 61 en appui étanche contre une face 64 de forme complémentaire du barreau central 40. Les faces 63, 64 en contact pourront présenter une forme tronconique. Les faces en contact sont de préférence collées entre elles au moyen d'une colle étanche, ou brasées.
[0063] Le porte-électrode 36 est réalisé dans un matériau conducteur de courant et conducteur de chaleur, notamment un matériau métallique, tel que de l’aluminium, du cuivre, de l’argent, de l’or, ou tout alliage ou composite, incluant les revêtements de surface, à base de l’un de ces métaux.
[0064] Afin d'assurer un refroidissement optimal de la torche de coupage plasma 10, on utilise un circuit de refroidissement 70 dans lequel circule un fluide de refroidissement, de préférence sous forme liquide tel que de l'eau, ou de l’eau contenant de l'antigel, ainsi éventuellement que des additifs d’entretien comme des produits anti-corrosion, anticalcaire, ou biocides. En variante, le liquide de refroidissement pourra être de l'huile ou tout autre liquide à fort pouvoir caloporteur.
[0065] Comme on peut le voir sur les figures 6 et 7, le circuit de refroidissement 70 comporte une première chambre de refroidissement du porte-électrode 36. La première chambre de refroidissement comprend le conduit 60 refroidissant la surface intérieure du porte-électrode 36, les trous de passage 75, et le ou les canaux hélicoïdaux 74.
[0066] L'électrode 15 est ainsi apte à être refroidie par conduction par le porte- électrode 36 formant un radiateur thermique, lequel étant apte à être refroidi intérieurement par une circulation de fluide à l'intérieur du conduit 60, à la surface des trous de passage 75, et extérieurement par une circulation de fluide à l'intérieur du ou des canaux hélicoïdaux 74. [0067] Par ailleurs, la tuyère amont 12 est reliée mécaniquement de façon amovible au dissipateur thermique amont 43. La tuyère amont 12 est refroidie par contact par le dissipateur thermique amont 43.
[0068] Une deuxième chambre de refroidissement 76 est en communication fluidique avec la sortie 71 de la première chambre de refroidissement. La deuxième chambre de refroidissement 76 s'étend radialement entre une face externe annulaire externe du dissipateur thermique amont 43 et une face annulaire interne de l'élément isolant 33 du corps 30 de ladite torche 10.
[0069] Le dissipateur thermique amont 43 comporte sur sa face externe des ailettes de refroidissement 78 s'étendant radialement en saillie à l'intérieur de la deuxième chambre de refroidissement 76. Les ailettes de refroidissement 78 présentent de préférence une forme hélicoïdale. A l'intérieur de la chambre de refroidissement 76, les ailettes de refroidissement 78 délimitent au moins un canal de refroidissement hélicoïdal. En variante, les ailettes de refroidissement 78 pourront présenter une forme rectiligne d'orientation axiale par rapport à l'axe X1 .
[0070] La tuyère aval 13 est refroidie par contact par le dissipateur thermique aval 44. Une troisième chambre de refroidissement 80 est en communication fluidique d'une part avec la deuxième chambre de refroidissement 76 et d'autre part avec le conduit de sortie 21 de liquide de refroidissement. La troisième chambre de refroidissement 80 s'étend entre une face annulaire interne du dissipateur thermique aval 44 et une face annulaire externe de l'élément isolant 33 du corps de ladite torche 10.
[0071] Le dissipateur thermique aval 44 comporte sur sa face externe des ailettes de refroidissement 81 s'étendant radialement en saillie à l'intérieur de la troisième chambre de refroidissement 80. Les ailettes de refroidissement 81 présentent de préférence une forme hélicoïdale. A l'intérieur de la chambre de refroidissement 80, les ailettes de refroidissement 81 délimitent au moins un canal de refroidissement hélicoïdal. En variante, les ailettes de refroidissement 81 pourront présenter une forme rectiligne d'orientation axiale par rapport à l'axe X1 . [0072] Ainsi le liquide de refroidissement pénétrant à l'intérieur du porte- électrode 36 via le conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement et le canal central 55 passe ensuite à l'intérieur de la première chambre de refroidissement formée des conduits 60, 202 et 74 pour extraire les calories du porte-électrode 36 via sa face interne et sa face externe. Le liquide de refroidissement passe ensuite dans le collecteur 71 , communiquant avec l'intérieur de la deuxième chambre de refroidissement 76 pour extraire, via le ou les canaux de refroidissement hélicoïdaux, les calories du dissipateur thermique amont 43 puis à l'intérieur de la troisième chambre de refroidissement 80 pour extraire, via le ou les canaux de refroidissement hélicoïdaux, les calories du dissipateur thermique aval 44. Le liquide de refroidissement est ensuite évacué par le conduit de sortie 21 de liquide de refroidissement.
[0073] La première chambre de refroidissement est ainsi consacrée au refroidissement indirect de l’électrode 15, par contact via le porte-électrode 36, la deuxième chambre de refroidissement 76 au refroidissement de la tuyère amont 12, par contact avec le dissipateur thermique amont 43, la troisième chambre de refroidissement 80 au refroidissement de la tuyère aval 13, par contact avec le dissipateur thermique aval 44, sans qu’aucune des trois pièces d’usure précitées (électrode 15, tuyère amont 12, tuyère aval 13) ne soit en contact direct avec le fluide de refroidissement, et puisse ainsi être changée sans ouverture du circuit de refroidissement, et sans engendrer de pertes ou de salissures.
[0074] Par ailleurs, comme cela est bien visible sur la figure 8a, la torche 10 comporte un empilement axial de pièces d'usure de la torche 10 formé par la tuyère aval 13, le diffuseur de gaz aval 51 , la tuyère amont 12, le diffuseur de gaz amont 47, et l'électrode 15 destinée à être plaquée contre une face d'extrémité du porte- électrode 36.
[0075] La coiffe 52 comporte une portion de forme tronconique 84 ayant une face interne 85 et une portion en forme de manchon annulaire 88 munie d'une portion filetée 89 sur sa périphérie interne. La coiffe 52 présente une ouverture central pour le passage d'une extrémité aval de la tuyère aval 13, l'extrémité amont de la tuyère aval 13 étant en appui contre une face interne de la coiffe 52. [0076] Plus précisément, suivant cet empilement, la tuyère aval 13 a une face externe 94 de forme tronconique en appui contre la face interne de forme tronconique de la coiffe 52. Le diffuseur de gaz aval 51 a une face externe 98 en appui contre une face interne 95 de forme tronconique de la tuyère aval 13. La tuyère amont 12 a une face externe 102 de forme tronconique en appui contre une face interne 99 de forme tronconique du diffuseur de gaz aval 51 . Le diffuseur de gaz amont 47 a une face externe 106 en appui contre une face interne 103 de la tuyère amont 12. L'électrode 15 a une face externe 1 10 de forme tronconique en appui contre une face interne 107 de forme tronconique du diffuseur de gaz amont 47. Les faces tronconiques des différents éléments pourront être légèrement bombée ou concave mais dans tous les cas la forme de ces faces est globalement tronconique lorsque la pièce est observée à l'œil nu.
[0077] Ainsi, un vissage de la portion filetée 89 de la coiffe 52 sur une portion filetée 113 du corps 30 de la torche 10 engendre la création d'un effort de compression sur l'empilement enserré entre la coiffe 52 et le porte-électrode 36, lui- même en appui sur le corps 30, qui applique une force en réaction à la force de serrage appliquée par la coiffe 52 sur l'empilement des pièces d'usure 13-51 -12-47- 15. Cela permet d'assurer un centrage des différents composants de l'empilement des pièces d'usure 13-51 -12-47-15 ayant chacun au moins une face de forme généralement conique en appui contre une face conique d'un élément adjacent correspondant de l'empilement.
[0078] Le dissipateur thermique amont 43 présente un degré de liberté en translation axiale par rapport au corps de la torche 10, de façon à permettre le centrage des différents composants lors d'un vissage de la portion filetée 89 de la coiffe 52.
[0079] Avantageusement, on prévoit un dispositif de détrompage 1 14 pour s'assurer d'un vissage complet de la coiffe 52 sur le corps de la torche 10. Le dispositif de détrompage 1 14 comporte un bandeau annulaire coloré disposé sur le corps 30 de la torche 10 qui devient invisible uniquement si le vissage de la coiffe 52 sur la torche 10 est complet. [0080] Avantageusement, la forme tronconique 94 de la face externe de la tuyère aval 13 externe peut avoir une légère sphéricité, de sorte que la ligne de contact entre la sphère 94 et le tronc de cône de la coiffe 52 assure l’étanchéité entre la tuyère 13 et la coiffe lors du serrage de celle-ci.
[0081] Avantageusement, les surface d’appui cône sur cône des diffuseurs amont 47 et aval 51 assurent lors du serrage une étanchéité relative permettant un passage du gaz amont et aval très majoritairement par les canaux des diffuseurs 47, 51 , sans avoir à recourir à des joints élastomère entre les diffuseurs et les autres pièces d’usure, ce qui simplifie leur usinage, économise un joint élastomère fragile et peu résistant à la température.
[0082] L'ensemble torche-embase est configuré de telle façon qu'un effort axial soit exercé sur le barreau central 40, par exemple au moyen de la compression d’un organe élastique comme un ressort ondulé, lors du montage de la torche 10 sur l’embase 1 1 , de sorte qu’un effort de compression de l’empilement des pièces d'usure soit garanti même si la coiffe 52 n’est pas suffisamment serrée par l’opérateur au montage.
[0083] Dans le mode de réalisation des figures 8b et 8c, l'électrode 15 comporte un manchon 157 muni d'un taraudage interne destiné à coopérer avec un filetage réalisé en périphérie externe du porte-électrode 36. Le vissage de l'électrode 15 sur le porte-électrode 36 permet ainsi de garantir que la face d'extrémité de l'électrode 15 soit correctement plaquée contre la face d'extrémité correspondante du porte- électrode 36 afin de garantir une bonne transmission du courant entre le porte- électrode 36 et l'électrode 15. Cette électrode 15 est décrite plus en détails ci-après en référence aux figures 12e à 12j.
[0084] Par ailleurs, comme on peut le voir sur les figures 10a et 10b, un dispositif de verrouillage 120 est apte à assurer une liaison mécanique amovible entre la torche 10 et l'embase 1 1. Plus précisément, l'embase 11 comporte un corps d'embase 121 venant recevoir la torche 10 et un tube d'embase 122 destiné à être fixé sur l’axe embarquant la torche de la machine de découpe. Le corps d'embase 121 est mobile axialement à l'intérieur du tube d'embase 122. [0085] Un organe élastique 123, tel qu'un ressort notamment de type ondulé, est en appui sur le corps d'embase 121 exerçant un effort axial lorsque ledit organe élastique 123 est comprimé par la mise en place de la torche 10. L’appui axial de la torche 10 sur le corps d’embase 121 se fait au niveau de l'appui cône sur cône entre le barreau central 40 de la torche 10 et le barreau central 20 de l'embase 1 1 . L’effort d’appui permet d’assurer un bon contact électrique (résistance de contact faible), et la géométrie cône-cône centre la torche 1 1 sur le corps d’embase 121 , ce qui assure que toutes les connexions fluides et électriques soient disposées précisément face- à-face.
[0086] Le dispositif de verrouillage 120 comporte une bague de verrouillage 127 fixe axialement mais mobile en rotation par rapport au tube d'embase 122. La bague de verrouillage 127 comportant au moins un lobe d'embase 128 ayant sur sa face supérieure une pente de guidage 130 et une pente de verrouillage 131 . La pente de verrouillage 131 forme un angle non nul par rapport à la pente de guidage 130.
[0087] La torche 10 comporte au moins un lobe de torche 133 issu du corps 30 de la torche 10. Le lobe de torche 133 comporte sur sa face inférieure une pente de guidage 134 et une pente de verrouillage 135. La pente de verrouillage 135 forme un angle non nul par rapport à la pente de guidage 134.
[0088] Les pentes de verrouillage 131 , 135 et les pentes de guidage 130, 134 sont inclinées suivant des directions opposées de telle façon que les pentes de guidage 130, 134 agissent en compression de l'organe élastique 123 et les pentes de verrouillage 131 , 135 agissent en décompression de l'organe élastique 123 lors du serrage de la bague de verrouillage 127.
[0089] Comme cela est illustré par les figures 11 a à 1 1 h, lors d'une rotation de la bague de verrouillage 127 suivant une fraction de tour, notamment un quart ou un tiers de tour, la pente de guidage 130 du lobe d'embase 128 coopère avec la pente de guidage 134 du lobe de torche 133 de façon à faire remonter le corps d'embase 121 en comprimant l'organe élastique 123 via l’appui sur la portée d'appui du corps d'embase 121 jusqu'à ce que la pente de verrouillage 131 du lobe d'embase 128 coopère avec la pente de verrouillage 135 du lobe de torche 133 pour assurer, dans une position de verrouillage, un verrouillage de la torche 10 par rapport à l'embase 1 1 lorsque la torche 10 est connectée sur l'embase 1 1. La position de verrouillage est maintenue par l’effort de l'organe élastique 123.
[0090] En l'occurrence, pour un verrouillage par une rotation d'un tiers de tour (120 degrés) de la bague de verrouillage 127, ladite bague de verrouillage 127 comporte trois lobes d'embase 128 espacés angulairement entre eux de façon régulière et la torche 10 comporte trois lobes de torche 133 correspondant espacés angulairement entre eux de façon régulière. Bien entendu, le nombre de lobes d'embase 128 et de lobes de torche 133 pourra varier d'une application à une autre.
[0091] Avantageusement, l'embase 1 1 comporte un dispositif de détrompage 139 permettant d'identifier une position de verrouillage et une position de déverrouillage de la torche 10 par rapport à l'embase 1 1. Le dispositif de détrompage 139 comporte un repère 141 réalisé sur la bague de verrouillage 127 destiné à venir par rotation sélectivement en regard d'un symbole 142 correspondant à une position verrouillée ou à une position déverrouillée de la torche 10 par rapport à l'embase 11 .
[0092] L'organe élastique 123 est également apte à appliquer un effort de contact entre une extrémité du conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement ayant une également une fonction d'arrivée de courant de l'embase 1 1 et une extrémité du barreau central 40 de transmission de courant de la torche 10. Ainsi, la résistance de contact entre l’embase 1 1 et la torche 10 est minimisée, et contrôlée de manière répétable par l’effort d’appui de l’organe élastique 123.
[0093] L'extrémité du conduit d'entrée 20 de liquide de refroidissement de l'embase 1 1 et l'extrémité du barreau central 40 de la torche 10 présentent de préférence des formes tronconiques complémentaires pour assurer un bon centrage de la torche 10 sur le corps d’embase.
[0094] L'électrode 15 alimentée électriquement par le porte-électrode 36 est réalisée dans un matériau conducteur de l’électricité et de la chaleur, par exemple en cuivre, en argent ou dans un alliage ou un composite à base de cuivre et d’argent, par exemple du cuivre revêtu d’argent. [0095] Comme on peut le voir sur les figures 12a, 12b, et 12c, l'électrode 15 d'axe X3 comporte une première portion 150 et une deuxième portion 151. La première portion 150 a une première face d'extrémité libre 152 munie d'un logement 153 de réception d'un insert émissif 155, tel que cela est visible sur les figures 12a et 12c.
[0096] La première portion 150 pourra présenter une forme cylindrique simple comme cela est illustré par les figures 12a, 12b, et 12c. Alternativement, la première portion 150 pourra présenter une forme plus complexe constituée par un tronçon cylindrique, et pourra comporter un ou plusieurs tronçons tronconiques, et le cas échéant un ou plusieurs congés, un ou plusieurs chanfreins ou des étagements, comme cela est représenté sur la figure 12d.
[0097] L'insert émissif 155 est emmanché, brasé, serti, soudé, ou tout autre moyen d’assemblage assurant la continuité thermique et électrique entre les matériaux, à l'intérieur du logement 153 de réception dudit insert émissif 155. L'insert émissif 155 est réalisé de préférence dans un matériau réfractaire et thermo- émissif, comme par exemple le tungstène ou ses alliages, qui présente une température de fusion très élevée, ou bien le hafnium, le zirconium ou leurs alliages (ou autre), éventuellement dopés aux oxydes de terres rares et de lanthanides comme les oxydes de thorium, de lanthane, de cérium, etc... Selon les matériaux à découper et la nature du gaz plasmagène, un matériau sera préféré à un autre, notamment des alliages à base de tungstène pour les gaz neutres comme l’azote, l’argon , l’hydrogène ou leurs mélanges, et les alliages à base de hafnium ou de zirconium pour les gaz oxydants comme l’air ou l’oxygène.
[0098] La deuxième portion 151 de forme tronconique a une section transversale dont un diamètre augmente lorsqu'on se déplace d'un centre de l'électrode 15 vers une deuxième face d'extrémité libre 156 opposée axialement par rapport à la première face d'extrémité libre 152. La deuxième face d'extrémité libre 156, dite face d'extrémité de contact est destinée à venir en contact avec le porte- électrode 36. La deuxième portion 151 a son diamètre terminal, c’est-à-dire son plus grand diamètre, supérieur à une dimension maximale de la première portion 150 mesurée radialement par rapport à l'axe X, notamment un diamètre maximal de la première portion 150.
[0099] La deuxième portion tronconique 151 pourra se terminer par ladite face d'extrémité de contact 156, comme cela est représenté sur les figures 12a, 12b, 12c. En variante, la deuxième portion tronconique 151 et la face d'extrémité de contact pourront être séparés par une portion ayant une forme cylindrique ou autre.
[00100] La face d'extrémité de contact 156 est une face pleine sur au moins 90% de sa surface, c’est-à-dire qu'elle est dépourvue de protubérance ou de cavité sur au moins 90% de sa surface. La face d'extrémité de contact 156 pourra toutefois comporter une cavité en son centre, de préférence de diamètre inférieur à 0.5mm. Une telle cavité permet de faciliter l'usinage de l'électrode 15. La face d'extrémité de contact 156 pourra présenter une forme plane ou une forme légèrement bombée, c’est-à-dire convexe. La face d'extrémité de contact 156 pourra par exemple présenter un bombé entre son centre et son bord de 0.01 mm, idéalement de 0.005mm.
[00101 ] La face d'extrémité de contact 156 a de préférence un état de surface de rugosité Ra contrôlée: Ra < 1 .6 pm, de préférence Ra < 0.8 pm, idéalement entre Ra 0.4 pm et Ra 0.2 pm, réalisé brut de tournage, rectification, ou polissage. La face d'extrémité de contact 156 pourra être recouverte d'une couche réalisée dans un matériau en argent.
[00102] La deuxième portion de forme tronconique 151 a un état de surface de rugosité Ra contrôlée : Ra < 1 .6 pm, de préférence Ra < 0.8 pm, idéalement entre Ra 0.4 pm et Ra 0.2 pm , réalisé brut de tournage, rectification, ou polissage.
[00103] Au moins la portion de forme tronconique 151 est réalisée de préférence dans un matériau plein. De préférence, l'ensemble de l'électrode 15 est réalisée dans un matériau plein.
[00104] Dans l'exemple représenté non limitatif, l'électrode 15 comporte uniquement le logement 153 de réception de l'insert émissif 155, c’est-à-dire qu'elle est dépourvue d'autre logement afin d'améliorer son refroidissement par conduction. En variante, le l'électrode 15 pourra comporter d'autre formes.
[00105] L'électrode 15 présente une longueur comprise de préférence entre 5mm et 20 mm et de préférence de l'ordre de 10 mm. Un diamètre maximal de la portion de forme tronconique 151 est de l'ordre de 13mm. Par "de l'ordre de", on entend une variation possible de l'ordre de 30% autour de la valeur indiquée.
[00106] La forme extérieure de l’électrode entre la portion conique 151 et la face 152, représentée dans les figures par un cylindre 150, peut être adaptée à la configuration de la tuyère amont, par exemple en comportant des sections tronconiques , des congés, des chanfreins ou des arêtes vives entre le cône 151 et la face 152.
[00107] Comme cela est illustré par les figures 12e à 12j, l'électrode 15 pourra comporter un manchon tubulaire 157 d'axe X3 muni d'un taraudage ménagé sur sa face interne. Le manchon tubulaire 157 est situé dans un prolongement de la deuxième portion 151. D'une extrémité à l'autre de l'électrode 15, on trouve donc successivement la première portion 150, la deuxième portion 151 , et le manchon tubulaire 157.
[00108] L'électrode 15 comporte un dispositif de préhension 205 pour permettre un entraînement en rotation de ladite électrode 15 lors de son vissage sur le porte- électrode 36 au moyen d’un outil (non représenté) manipulé par un opérateur.
[00109] Dans le mode de réalisation des figures 12e et 12f, le dispositif de préhension 205 comporte des cavités de préhension 206 destinées à coopérer avec des plots de préhension de forme correspondante ménagés sur l’outil. Les cavités de préhension 206 pourront être réalisées sur une face externe de la deuxième portion 151 .
[00110] Dans les modes de réalisation des figures 12g à 12i, le dispositif de préhension 205 comporte une pluralité de pans de vissage 207 constitués par des méplats réalisés dans la face externe de la première portion 150. Ainsi, le dispositif de préhension 205 pourra notamment comporter 2 pans 207 diamétralement opposés (cf. figure 12g), 5 pans 207 (cf. figure 12h), 6 pans 207 (cf. figure 12i), ou 7 pans 207 (cf. figure 12j). Bien entendu, le dispositif de préhension 205 pourra comporter un nombre différent de pans de vissage 207 adapté à l'application.
[00111 ] Par ailleurs, comme on peut le voir sur les figures 13a, 13b, 13c, et 13d, la tuyère amont 12 d’axe général de révolution X4 comporte une portion annulaire tronconique 159 ayant la face interne 103 de forme tronconique et la face externe 102 de forme tronconique. La portion annulaire tronconique 159 comporte un canal central traversant 160. Le canal central 160 présente au moins un col de forme circulaire définissant une section minimale. En variante, le canal central 160 pourrait également présenter une portion cylindrique, une portion convergente, une portion divergente, des étagements, etc... afin de mettre en forme le jet plasma formé par la tuyère.
[00112] La tuyère amont 12 comporte en outre une portion de montage 163 ayant une forme annulaire d'orientation axiale. La portion de montage 163 est située dans un prolongement de la portion tronconique 159. La portion de montage 163 est munie d'au moins un filetage 164 coopérant avec au moins un filetage de forme correspondante du dissipateur thermique amont 43, tel que cela est visible sur la figure 7. La portion tronconique 159 est monobloc avec la portion de montage 163.
[00113] Le dissipateur thermique 43 est monté libre axialement par rapport au corps 30 de la torche 10 pour ne pas contraindre un positionnement géométrique de la tuyère 12 lors d'une mise en appui sur ses faces tronconiques 102, 103.
[00114] La face externe 102 de la portion annulaire tronconique 159 comporte un dispositif de préhension 168 pour permettre un entraînement en rotation de la tuyère 12 au moyen d’un outil (non représenté) manipulé par un opérateur. En l’occurrence, le dispositif de préhension 168 comporte des trous de préhension 170 destinés à coopérer avec des plots de préhension de forme correspondante ménagés sur l’outil.
[00115] Les trous de préhension 170 sont des trous borgnes. Ces trous de préhension pourront être espacés angulairement de façon régulière suivant une circonférence de la tuyère amont 12. [00116] Dans l’exemple représenté, la tuyère amont 12 comporte quatre trous de préhension 170. Bien entendu, le nombre de trous de préhension 170 pourra être adapté en fonction de l’application.
[00117] Alternativement, la configuration pourra être inversée, c’est-à-dire que la tuyère amont 12 pourra comporter des plots de préhension 171 ménagés dans la face externe 102. Ces plots de préhension 171 s’étendent en saillie depuis la face externe 102. Ces plots de préhension 171 sont destinés à coopérer avec des trous de forme correspondante réalisés dans un outil manipulé par l'opérateur.
[00118] Le matériau pour réaliser la tuyère amont 12 est de préférence un matériau bon conducteur de la chaleur. Il peut s’agir d’un alliage de cuivre (par exemple de type Cu ou CuTe ou CuCrZr),d’un alliage d’aluminium, d’argent ou d’or (ou autre).
[00119] Comme on peut le voir sur les figures 14a, 14b, 14c, et 14d, la tuyère aval 13 d'axe X5 comporte une première portion annulaire tronconique 175 et une deuxième portion annulaire tronconique 176 munie d'un canal central traversant 178. Le canal central 178 présente au moins un col de forme circulaire définissant une section de passage minimale. En variante, le trou central 178 pourrait également présenter une portion cylindrique, divergente, convergente, des étagements, ou autre afin de mettre en forme l’écoulement de plasma dans la tuyère aval.
[00120] La première portion annulaire tronconique 175 présente la face interne 95 et la face externe 94. La première portion annulaire tronconique 175 a une première épaisseur E1 s'étendant entre la face interne 95 et la face externe 94, tel que cela est montré sur la figure 14d.
[00121] La deuxième portion annulaire tronconique 176 présente une face interne 180 et une face externe 181 . La deuxième portion annulaire tronconique 176 a une deuxième épaisseur E2 s'étendant entre la face interne 180 et la face externe 181 , tel que cela est montré sur la figure 14d. [00122] La première épaisseur E1 de la première portion annulaire tronconique 175 est inférieure à la deuxième épaisseur E2 de la deuxième portion annulaire tronconique 176.
[00123] Comme on peut le voir sur la figure 8a, la configuration de la tuyère aval 13 est telle que la face externe 94 de la première portion 175 vient en appui contre une face interne d'une portion de la coiffe 52 d'épaisseur réduite de telle façon que la face externe 181 de la deuxième portion 176 de la tuyère 13 se trouve dans le prolongement de la face externe de la coiffe 52. La somme de l'épaisseur E1 de la première portion 175 de la tuyère 13 et de l'épaisseur E3 de la portion d'épaisseur réduite de la coiffe est égale à l'épaisseur E2 de la deuxième portion 176 de la tuyère 13.
[00124] La face externe 94 de la première portion annulaire généralement tronconique 175 présente de préférence une forme tronconique légèrement bombée, c’est-à-dire convexe. Suivant cette configuration, la face externe 94 de la première portion 175 de la tuyère 13 est en appui contre une face interne 85 de la portion annulaire tronconique 175 de la coiffe 52 de façon à assurer une étanchéité relative sans joint.
[00125] La face externe 94 de la première portion annulaire tronconique 175 et la face externe de la deuxième portion annulaire tronconique 176 sont reliées entre elles par une portion de liaison incurvée 184 définie par un rayon de raccordement. La portion de liaison 184 permet de créer la différence d'épaisseur entre les deux portions 175 et 176.
[00126] Une extrémité libre 186 de la première portion annulaire tronconique 175 pourra être biseautée.
[00127] Par ailleurs, une extrémité libre 187 de la deuxième portion annulaire tronconique 176 s'étend perpendiculairement à l'axe X5 de la tuyère 13, définissant la face de la tuyère aval.
[00128] Le matériau pour réaliser la tuyère aval 13 est de préférence un matériau bon conducteur de la chaleur. Il peut s’agir d’un alliage de cuivre (par exemple de type Cu ou CuTe ou CuCrZr), d’un alliage d’aluminium, d’argent ou de tout autre matériau adapté à l'application.
[00129] Les figures 15a, 15b, 15c, 15d, et 15e montrent le diffuseur de gaz amont 47 d'axe X6 comportant au moins une portion de diffusion de gaz 190 comprenant une face externe 191 de forme tronconique, une face interne 192 de forme tronconique, ainsi que plusieurs canaux de passage de gaz 193.
[00130] Un canal de passage de gaz 193 est constitué par une rainure ouverte 195 réalisée dans la face externe 191. La rainure ouverte 195 débouche à chaque extrémité de la face externe 191. La rainure ouverte 195 comporte un fond 198, deux faces latérales 199 et une ouverture 200 opposée au fond 198. L'ouverture 200 opposée au fond 198 débouche vers l'extérieur du diffuseur de gaz 47. La rainure ouverte 195 présente ainsi une section transversale ayant une forme choisie parmi: une forme rectangulaire, une forme en U, ou une forme de demi-0 comme présenté en figure 16. L'extrémité d'entrée des gaz de la rainure ouverte 195 pourra présenter une forme de convergent.
[00131] La rainure ouverte 195 pourra présenter une section transversale variable de l’amont vers l’aval d’un écoulement de gaz sur au moins une partie de la rainure, de préférence de section décroissante de l’amont vers l’aval de l'écoulement de gaz.
[00132] Dans le mode de réalisation des figures 15a, 15b, et 15c, une rainure ouverte 195 présente une forme rectiligne.
[00133] Dans le mode de réalisation des figures 15d et 15e, une rainure ouverte 195 présente une forme incurvée de façon à créer un écoulement tourbillonnaire de gaz. Un niveau d'effet tourbillonnaire, déterminé par un angle de sortie d'une pluralité de canaux 193 par rapport à un axe X6 du diffuseur 47, pourra être variable en fonction d'une intensité de plasma et est appairé avec d'autres pièces d'usure.
[00134] De préférence, la portion de diffusion de gaz 190 est prolongée par une portion 202 constituant un écran d’isolation électrique entre l’électrode 13 et la tuyère amont 12, et une ailette de refroidissement thermique. La portion 202 présente une forme tubulaire d'orientation axiale par rapport à l'axe X6. La portion de diffusion de gaz 190 et la portion 202 constituant l'écran d'isolation électrique forment une pièce monobloc.
[00135] En variante, le diffuseur de gaz 47 est dépourvu de portion formant écran d’isolation électrique, comme cela est le cas pour le diffuseur de gaz aval 51 .
[00136] Avantageusement, les diffuseurs de gaz 47, 51 sont réalisés dans un matériau isolant électriquement et résistant à la chaleur, comme par exemple un matériau céramique comme l’alumine, le nitrure d’aluminium, le nitrure de silicium, la zircone, le nitrure de bore, etc.., ou un plastique à haute tenue en température comme le polyéthylène téréphtalate (dit PETP), le polyetheretherketone (dit PEEK), ou un plastique à base de polyimide tel que le VESPEL (marque déposée), etc...
[00137] En variante, une pluralité de rainures ouvertes 195 pourra être réalisée dans la face interne 192. Dans ce cas, chaque rainure ouverte 195 débouche à chaque extrémité de la face interne 192. En outre, la rainure ouverte 195 présente une ouverture débouchant vers l'intérieur du diffuseur de gaz 47.
[00138] Le diffuseur de gaz 47, 51 pourra être réalisé par usinage, notamment tournage et/ou fraisage, par moulage à chaud, par frittage de poudres, avec ou sans recuit, ou par impression tridimensionnelle.
[00139] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
[00140] En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims

REVENDICATIONS Torche de coupage plasma (10) caractérisée en ce qu'elle comporte :
- un corps (30) comportant une portion filetée (1 13),
- un porte-électrode (36),
- une coiffe (52) comportant une portion de forme tronconique (84) ayant une face interne (85) de forme tronconique et une portion en forme de manchon annulaire (88) munie d'une portion filetée (89) sur sa périphérie interne,
- un empilement axial de pièces d'usure de la torche (10) formé par une tuyère aval (13), un diffuseur de gaz aval (51 ) apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère aval (13), une tuyère amont (12), un diffuseur de gaz amont (47) apte à assurer une diffusion de gaz vers ladite tuyère amont (12), et une électrode (15) destinée à être plaquée contre une face d'extrémité du porte- électrode (36),
- ladite tuyère aval (13) ayant une face externe (94) de forme tronconique en appui contre la face interne (85) de forme tronconique de la coiffe (52),
- le diffuseur de gaz aval (51 ) ayant une face externe (98) de forme tronconique en appui contre une face interne (95) de forme tronconique de la tuyère aval (13),
- ladite tuyère amont (12) ayant une face externe (102) de forme tronconique en appui contre une face interne (99) de forme tronconique du diffuseur de gaz aval (51 ),
- ledit diffuseur de gaz amont (47) ayant une face externe (106) en appui contre une face interne (103) de la tuyère amont (12),
- ladite électrode (15) ayant une face externe (1 10) de forme tronconique en appui contre une face interne (107) de forme tronconique du diffuseur de gaz amont (47),
- de sorte qu'un vissage de la portion filetée (89) de la coiffe (52) sur la portion filetée (113) correspondante du corps (30) de la torche (10) engendre la création d'un effort de compression sur l'empilement de pièces d'usure enserré entre la coiffe (52) et le porte-électrode (36), lui-même en appui sur le corps (30), de façon à assurer un centrage des différents composants de l'empilement d'éléments ayant chacun au moins une face de forme tronconique en appui contre une face tronconique d'un élément adjacent correspondant de l'empilement. Torche de coupage plasma selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la torche (10) comporte un dispositif de détrompage (1 14) pour s'assurer d'un vissage complet de la coiffe (52) sur le corps de la torche (10). Torche de coupage plasma selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de détrompage (1 14) comporte un bandeau annulaire coloré disposé sur le corps (30) de la torche (10) qui devient invisible uniquement si le vissage de la coiffe (52) sur la torche (10) est complet. Torche de coupage plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la tuyère amont (12) est reliée mécaniquement de façon amovible, notamment par vissage, à un dissipateur thermique amont (43). Torche de coupage plasma selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dissipateur thermique amont (43) présente un degré de liberté en translation axiale par rapport au corps de la torche (10), de façon à permettre le centrage des différents composants lors d'un vissage de la portion filetée (89) de la coiffe (52). Torche de coupage plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que des rainures ouvertes (195) sont réalisées dans la face interne (192) et/ou dans la face externe (191 ) du diffuseur de gaz amont pour permettre le passage d'un gaz. Torche de coupage plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que des rainures ouvertes (195) sont réalisées dans la face interne et/ou dans la face externe du diffuseur de gaz aval pour permettre le passage du gaz. Torche de coupage plasma selon la revendication 7, caractérisée en ce que les rainures ouvertes (195) présentent une forme droite. Torche de coupage plasma selon la revendication 7, caractérisée en ce que les rainures ouvertes (195) présentent une forme incurvée. Torche de coupage plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'électrode (15) comporte un manchon (157) muni d'un taraudage interne destiné à coopérer avec un filetage réalisé en périphérie externe du porte-électrode (36). Torche de coupage plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la tuyère amont (12) et la tuyère aval (13) sont réalisées dans un matériau électriquement isolant. Ensemble comportant une embase (1 1 ) et une torche de coupage plasma (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes munie d'un barreau central (40) solidaire du porte-électrode (36), caractérisé en ce que ledit ensemble est configuré de telle façon qu'un effort axial soit exercé sur le barreau central (40) au moyen de la compression d’un organe élastique comme un ressort ondulé lors du montage de la torche (10) sur l’embase (1 1 ), de sorte qu’un effort de compression de l’empilement des pièces d'usure soit garanti même si la coiffe (52) n’est pas suffisamment serrée par l’opérateur au montage.
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