Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02460635 2004-03-19 ,
La présente invention concerne un procédé de coupage par arc plasma d'une
pièce
métallique au moyen d'une torche de type double flux de gaz munie d'une
électrode avec
insert émissif, et installation comprenant une telle torche.
Le procédé de découpe des aciers de construction, c'est-à-dire les aciers au
carbone
non alliés ou faiblement ali'~és, voire des aciers inoxydables et des alliages
d'aluminium, par
arc plasma sous atmosphère d'oxygène est connu depuis de nombreuses années.
Un dispositif de coupage plasma apte à mettre en oeuvre un tel procëdé
comprend
généralement une torche de coupage plasma comprenant une tuyère d'éjection de
Parc
plasma vers la pièce de travail à couper, une électrode formant cathode,
placée à distance de
la tuyère et coaxialement à celle-ci, une alimentation en gaz ptasmagène, tel
que de Pair
comprimé, de l'oxygène ou tout autre mélange de gaz comportant au moins un gaz
oxydant,
et un moyen de distribution du gaz plasmagène dans le volume séparant
l'électrode de la
tuyère, encore appelé chambre plasmagène.
La pièce de travail forme, quant à elle, (anode, la cathode et (anode étant
reliées aux
homes d'un générateur de courant.
Plusieurs types de procédés et torches de découpe à Parc plasma sont
couramment
utilisés dansfindustrie.
Ainsi, il existe des torches à mono-injection de gaz plasmagène, encore
appelées
tanches mono-flux ou simple flux, lesquelles délivrent un flux unique de gaz,
par exemple
formé d'un gaz oxydant, tel que l'oxygène ou un mélange d'azote et d'oxygène
dans des
proportions identiques ou différentes de celles de fait.
2 5 Une torche mono-flux est schématisée en Figure 1. Cette torche 1 comprend
une
électrode 2 dotée d'un insert émissif 3, réalisé en zirconium ou en hafnium,
lequel est
enchâssé ou serti à (extrémité du corps de !électrode 2, une tuyère 4 et un ou
plusieurs
passages 5 d'entrée de gaz pour l'alimentation en gaz plasmagéne oxydant de ta
chambre
plasmagène délimitée par (électrode 2 et la paroi interne de la tuyère 4.
CA 02460635 2004-03-19 , . ,
Lors de (utilisation de la torche, Parc plasma 6 prenant naissance au niveau
de (insert
3 émissif s'étend de (électrode 2, 3 au travers de la tuyère 4, vers la pièce
de travail à couper
située en dessous de la torche (non représentée).
Par ailleurs, il existe aussi des torches à double injection de gaz
plasmagène, encore
appelées torches double flux.
Une torche double taux est schématisée en Figure 2. Cette torche 1 comprend,
comme celle de la figure 1, une électrode 8 munie d'un insert émissif 9, une
première tuyère
et un premier passage 12 d'entrée de gaz pour falimeniation de la chambre
plasmagène
en un premier gaz plasmagène.
Cependant, dans ce cas, la torche 7 comporte aussi une seconde tuyère 11 et un
deuxième passage 13 pour (alimentation en un second gaz plasmagène, qui peut
étre lui
aussi oxydant, par exempte de Pair comprimé, de (oxygène ou un mélange d'azote
et
d'oxygène dans des proportions autres que celles de Pair.
Dans ce cas, l'arc plasma 14 formé s'étend de (électrode 8, 9 au travers des
i5 première et deuxième tuyéres 10, 11 vers la pièce de travail (non
représentée).
La mise en oeuvre de ces différentes torches produit des résultats de coupe
susceptibles de satisfaire l'industrie mais ont tous en commun d'utiliser des
électrodes à
durée de vie très limitée.
En effet, du fait de (atmosphère gazeuse oxydante dans laquelle baigne
l'électrode,
2o celle-ci doit être dotée d'un élément émissif en zirconium ou en hafnium
qui n'a qu'une durée
de vie très limitée, typiquement de 1 à 4 heures environ, selon !e nombre
d'amorçages ou de
cycles de coupage réalisés.
II est à souligner que, dans le cas des procédés de coupage utilisant des gaz
oxydant, le tungstène, bien qu'ayant une température d'évaporation élevée, de
tordre de
25 5660°C ne peut pas ëtre utilisé comme élément émissif car en
présence d'oxygène, il forme
des oxydes à basse température de sublimation, par exemple d'environ
800°C pour un oxyde
de tungstène de type W~, conduisant à une deshucüon extremement rapide de
(électrode.
Pour tenter de résoudre ce problème, un procédé â double injection de gaz
plasmagène, fun non oxydant et (autre oxydant, a été proposé.
2
CA 02460635 2004-03-19 ' . ,
Selon ce procédé, on utilise une torche identique à celle de la figure 2, dans
laquelle
la chambre plasmagène est alimentée en un gaz plasmagène non oxydant, tel de
l'azote,
alors que la seconde tuyère est alimentée en gaz plasmagène oxydant, en
particulier de
(oxygène, comme exposé dans le document WO-A-99153734.
Si ce procëdé permet d'obtenir une durée de vie notablement supérieure à celle
obtenue classiquement avec des électrodes en hafnium sous atmosphëre oxydante,
il est
apparu en pratique que les qualités et les per6ormances de coupe obtenues du
fait de ta
création d'un arc plasma dans un mélange résultant d'azote et d'oxygène, sont
très voisines
de celles obtenues par un procédé à mono-injection d'air comprimé, c'est-à-
dire très
inférieures à celles procurées classiquement par les procédés à mono-injection
d'oxygène ou
par les procédés à double injection de deux gaz oxydants, par exemple de
(oxygène entre
(électrode et une première tuyère et un mëlange d'azote et d'oxygène, dont la
proportion
d'oxygène est supérieure à celle de l'air, entre la premiére et la deuxième
tuyères.
Le problème qui se pose alors est d'améliorer les procédés de coupage plasma
de
1 S manière à pouvoir obtenir une qualité et des performances de coupe au
moins égaies à celles
classiquement obtenues avec les procédés et torches mettant en oeuvre des gaz
plasmagènes oxydants, c'est-à-dire du type des procédés à mono-injection
d'oxygène ou
encore du type des procédés à double injection de gaz oxydant, mais en
garantissant une
durée de vie de l'électrode nettement supérieure, préférentiellement d'une
durée de vie au
2o moins double, à celle obtenue classiquement avec des électrodes en hafiium
sous
atmosphère oxydante.
La solution de (invention est alors un procédé de coupage par arc plasma d'une
pièce métallique, dans lequel on met en oeuvre une torche à double flux de gaz
munie d'une
électrode avec insert émissif, ladite torche délivrant un flux central de gaz
et un flux annulaire
25 de gaz, ledit flux annulaire étant délivré périphériquement au flux central
de gaz, caractérisé
en ce que le flux central de gaz contient un mélange d'hydr~ène et d'azote, et
le flux
périphérique de gaz contient du dioxyde de carbone.
Le mélange d'hydrogène et d'azote peut étre préparé à (avance dans tes
proport'rons
désirées, par exemple sous une forme conditionnée en bouteilles de gaz ou dans
des
3 o réservoirs de plus grande capacité, ou alors étre préparé sur site, en
fonction des besoins, à
3
CA 02460635 2004-03-19
partir de gaz "purs' qui sont mélangés dans des proportions désirées au moyen
d'un
mélangeur de gaz par exemple agencé en amont de la torche de coupage, relié
aux bouteilles
de gaz "purs" et contrvlé par un automate programmable.
Selon le cas, le procédé de (invention peut comprendre tune ou plusieurs des
caractéristiques techniques suivantes
- le flux périphérique de gaz contient au moins 50°lo en volume de
dioxyde de
carbone, de préférence de 80 % à 100 % de dioxyde de carbone.
- te flux central de gaz contient de 1,5 à 60% en volume d'hydrogène, de
préférence
de 4 à 10 9'° d'hydrogène.
i o - le flux central de gaz est constitué de 1.5 à 60% en volume d'hydrogène
et (azote
pour le reste.
- (insert émissif est formé de tungstène ou d'un alliage contenant
majoritairement du
tungstène.
- l'électrode est réalisée en cuivre ou en un alliage de cuivre, en
parficcutier en alliage
cuivre-tellure ou cuivre-chrome-zirconium.
- la puce à couper est en acier de construction, en acier inoxydable ou
alliage
d'aluminium, de préférence en acier de construction.
- ü comprend, en outre, les étapes de
(a) introduire un premier flux de gaz entre une premiëre tuyère de la tordre
2o et (électrode de manière à obtenir le flux central de gaz,
(b) générer un arc électrique sur (électrode à insert émissif,
(c) introduire un second flux de gaz entre une seconde tuyère de la torche et
la première tuyère de manière à obtenir le flux annulaire de gaz, (étape (c)
pouvant
étre préalable ou subséquente à (étape (b),
(d) délivrer le flux central de gaz et le flux annulaire de gaz en direction
d'une
pièce à couper sous fa forme d'un jet d'arc plasma contenant les flux central
et
annulaire de gaz, et Carc électdqus, et
(e) percer etlou couper la pièce au moyen du jet d'arc plasma de (étape (d).
- te débit et la pression du flux central de gaz et du flux annulaire
périphérique de gaz
sont choisis ou ajustés en fonction de (épaisseur à couper.
4
CA 02460635 2004-03-19 ' ~ ,
L'invention porte aussi sur une installation de coupage plasma comprenant
- une torche à double flux de gaz munie d'une électrode avec insert émissif,
une
première tuyère agencée autour de l'électrode en formant avec ladite électrode
une chambre
plasmagéne, une seconde tuyère agencée coaxialement à ta première tuyére en
formant
avec ladite première tuyère un espace inter-tuyères,
- une première source de gaz contenant un mélange d'hydrogène et d'azote en
communication fluidique avec la chambre plasmagène de manière à pouvoir
alimenter ladite
chambre plasmagène en ledit mélange gazeux â base d'hydrogène et d'azote, et
z o - une deuxiéme source de gaz contenant du dioxyde de carbone en
communication
fluidique avec (espace inter-tuyères de manière à pouvoir alimenter (espace
inter-tuyères en
ledit dioxyde de carbone gazeux.
Le procédé de Cinvention mettant en eeuvre une torche de coupage plasma du
type à
double injection de gaz plasmagéne est schématisé sur la figure 3.
Schématiquement, sur la Figure 3; on voit une torche 23 de coupage plasma
double
flux comprenant une électrode 24 en cuivre ou alliage de cuivre, dotée à son
extrémité aval
d'un insert émissif 25, réalisé en tungstène, une première tuyère 26 avec un
premier passage
28 d'entrée de gaz pour une alimentation en un premier gaz plasmagène non
oxydant, à
savoir un mélange d'azote et d'hydrogène (1,5 à 60% vol. d'hydrogène), une
seconde tuyère
27 et un second passage 29 d'entée de gaz pour une alimentation en un second
gaz
plasmagène oxydant, let que du dioxyde de carbone (C02) ou un mélange de gaz
contenant
au moins 50~ de dioxyde de carbone.
L'arc plasma 30 formé sur (insert émissif 25 s'étend, au travers des orifices
de sort
des tuyères 26 et 27, depuis (électrode 24 vers la pièce de travail située en
dessous (non
2 5 représentée),
L'insert est préférentiellement de fon~ne cylindrique à extrémité plate
afüeurant
(extrémité de (électrode en cuivre ou alliage de cuivre. II a une longueur de
3 mm à 10 mm et
un diamètre de 1 mm à 5 mm selon (intensité du courant de l'arc plasma. t-
'insert émissif peut
étre également formé d'un barreau affOté en pointe en saillie de l'extrémité
du corps
d'électrode en cuivre ou alliage de cuivre.
5
. . CA 02460635 2004-03-19
Le mélange hydrogène/azote est injecté, via le premier passage 28 d'entrée de
gaz,
dans l'espace situé entre félecirode 24 et la premiére tuyère 26, cet espace
étant
généralement appelé chambre plasmagène.
Ce mélange Hz/N2 a pour premier effet de constricter l'arc plasma dès la
racine
cathodique sur l'insert émissif 25 et de lui conférer un meilleure stabilité
que sous azote pur,
et a pour deuxième effet d'augmenter le transfert thermique vers la pièce de
travail et ainsi
d'accroltre les performances de l'arc plasma.
f-e mélange H~/N2 est délivré pat la torche sous ta corme d'un flux de gaz
central
plasmagène contenant non seulement le gaz mais aussi Parc électrique, ce flux
plasmagène
1 o central se présentant sous uns forme de colonne d'arc plasma.
Le flux de dioxyde de carbone, injecté via le passage 29, dans l'espace situé
entre la
première tuyère 26 et la deuxième tuyère 27, aussi appelé espace inter-
tuyères, de par ses
propriétés physiques, à pour premier effet de constricter l'arc plasma par
échange thermique
avec le flux central à base de H~INz contenant l'arc, et d'autoriser ainsi une
grande densité de
courant dans la deuxième tuyère en repoussant la limite de formation d'arc
double, et a pour
deuxième effet de libérer des atomes d'oxygène, lors de sa dissociation
partielle dans fart
plasma.
Une telle libërafron d'atomes d'oxygène est bénéfique car ces atomes, d'u ne
part,
fluidifient le métal fondu par réduction des tensions de surface et, d'autre
part, apportent dans
une certaine mesure une contribution thermique par oxy-combust'ron du fer
contenu dans la
pièce de travail.
Le deuxiéme flux de gaz contenant le dioxyde de carbone est délivré
périphériquement au premier flux centra! de gaz, c'est-à-dire de manière à
former une sorte
de gainage annulaire autour du flux central.
Au final, le procédé de I'invenfron procure des qualités et des vitesses de
coupe au
moins égales à celles obtenues par les procédés classiques à puissance
électrique
équivalente mais avec un avantage supplémentaire, à savoir de conduire à des
durées de vie
d'électrodes de plus du double de celles jusqu'alors connues avec les procédés
classiques
du type à électrode en hafnium sous atmosphère oxydante, ce qui conduit à une
so augmentation de la productivité des machines de coupage plasma, par
réduction importante
6
CA.02460635 2004-03-19
des temps d'arrët pour changement d'électrode, et à une diminution du coût
d'exploitation par
une importante réduction du nombre d'électrodes nécessaires à une production.
Exemple
Une torche de coupage plasma référencée OCP 150 commercialisée par LA
SOUDURE AUTOGENE FRANCHISE a été équipée de deux tuyéres coaxiale comme montré
sur la figure 3, d'une électrode en cuivre allié munie d'un insert en
tungstène et a été soumise
ensuite à une succession de séquences de coupe jusqu'à obtenir une usure
extréme de
)insert ef/ou de félecfrode.
Le gaz plasmagène de coupe mis en oeuvre, lors de ces essais, est formé d'un
flux
1o central contenant 10 % d'hydrogène et 90 % d'azote (% en volume) et d'un
flux annulaire de
dioxyde de carbone pur.
Le matériau à travailler est une plaque en acier de construction de 10 mm
d'épaisseur. L'intensité du courant de coupe est de 120 Ampéres.
Ces essais ont montré qu'une électrode selon (invention avait une durée de vie
de
(ordre de 10 heures avec 1250 amorçages, ce qui correspond à 2,5 fois la durée
de vie des
électrodes à insert en hafnium pur dans des conditions de travail analogues.
7
