Procédé pour le découpage au chalumeau à l'arc, et appareil pour la mise en ouvre du procédé La présente invention comprend un procédé pour le découpage au chalumeau à l'arc, et un appa reil pour la mise en ouvre de ce procédé.
On a récemment mis au point des flammes à arc dont, du fait de leur haut degré de stabilité, de leur rigidité et de l'intensité de leur chauffe, on a proposé l'utilisation pour le découpage de corps, métalliques ou non, par fusion. Pour obtenir de telles flammes à arc, on établit un arc à basse fréquence ou à cou rant continu entre une baguette d'électrode placée à l'intérieur d'un ajutage et une partie conductrice adjacente de l'ajutage ou la pièce à découper,
et l'on fait passer cet arc par un passage restreint destiné à stabiliser et à régler la forme et la direction du jet conducteur sortant de l'ajutage lorsqu'un courant gazeux passe le long et au-delà de l'électrode par le passage restreint en direction de la pièce à découper.
Les gaz utilisés étaient sensiblement inertes. pour l'électrode, qui est habituellement en tungstène. Ce pendant, on trouve actuellement avantageux d'utili ser des gaz réactifs. dans la flamme de l'arc pour le découpage de certains, matériaux. Ainsi, lorsqu'on applique le procédé de découpage au chalumeau à arc à certains métaux, en particulier à l'aluminium, on trouve avantageux de fournir de l'oxygène à la flamme de l'arc. Dans de telles conditions, l'exi gence spéciale à laquelle on doit satisfaire consiste à protéger l'électrode des gaz de réaction, pour en empêcher la destruction.
Le procédé de découpage de corps fusibles objet de l'invention consiste à établir un arc entre une baguette d'électrode pratiquement non consomma ble et placée coaxialement dans un ajutage, et une deuxième électrode consistant en une partie conduc trice adjacente de cet ajutage ou en une pièce à découper métallique, à faire passer un courant d'un gaz sensiblement inerte vis-à-vis de la baguette d'électrode le long de cette dernière et ensemble avec les vapeurs d'arc par un passage restreint de décharge dans ledit ajutage pour établir une flamme à arc, et à diriger cette flamme contre le corps à découper.
Selon l'invention, on introduit un courant d'un gaz qui est chimiquement actif pour la pièce à découper et que l'on empêche de venir en contact avec la baguette-électrode au moyen du gaz inerte entourant celle-ci, dans la zone périphérique du cou rant de gaz inerte, avant sa décharge ensemble avec les vapeurs de l'arc, hors du passage restreint à l'in térieur de l'ajutage.
L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé précité, cet appa reil comprenant une paire d'électrodes reliées à une source de courant électrique, une de ces électrodes consistant en une baguette pratiquement non con sommable placée coaxialement à l'intérieur d'un ajutage comportant un passage restreint de décharge, la pointe de l'électrode se trouvant au voisinage de l'étranglement,
et la deuxième électrode consistant en une partie adjacente conductrice de cet ajutage ou en une pièce métallique à découper. Cet appa reil est caractérisé en ce que l'ajutage comporte un dispositif d'alimentation en gaz, destiné à diriger un courant d'un gaz chimiquement actif dans les zones périphériques d'un courant d'un gaz inerte amené dans l'ajutage, en amont de la sortie du passage restreint à l'intérieur de l'ajutage.
Dans une forme d'exécution particulière de l'ap pareil, l'électrode-baguette est, de préférence, en un métal réfractaire, par exemple en tungstène, et le gaz de protection destiné à empêcher son oxydation est, de préférence de l'azote, de l'argon, de l'hélium ou un mélange de ceux-ci. Le gaz réactif convena ble peut consister en un gaz contenant de l'oxygène, par exemple l'oxygène lui-même, l'air, le gaz carbo nique ou la vapeur d'eau.
On peut effectuer l'intro duction de ce dernier gaz dans la flamme de l'arc au moyen d'une pièce rapportée métallique poreuse placée à l'intérieur de l'ajutage, que peut traverser une partie de l'eau de refroidissement de l'ajutage. On peut également introduire d'autres liquides ré actifs au moyen d'une pièce rapportée poreuse simi laire.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution de l'appareil que com prend l'invention.
La fig. 1 est un schéma d'un appareil à chalu meau à arc dans lequel l'introduction du courant gazeux réactif dans l'ajutage est effectuée par des passages percés dans la paroi intérieure de la partie restreinte de l'ajutage, la pièce à travailler étant éga lement dans le circuit de l'arc; la fig. 2 est un schéma d'un appareil dans lequel le gaz réactif est introduit dans l'ajutage par des passages percés dans la paroi intérieure de l'ajutage entre l'électrode-baguette et la partie restreinte de l'ajutage ;
la fig. 3 est un schéma d'un appareil dans lequel le gaz réactif pénètre dans l'ajutage par un conduit séparé débouchant au-dessus de la pointe de l'élec trode-baguette ; la fig. 4 est un schéma d'un appareil dans lequel le gaz réactif consiste en de l'air, introduit entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'ajutage, cette dernière faisant partie du circuit de l'arc ; la fig. 5 est un schéma d'un appareil dans lequel un liquide à évaporer est introduit par une pièce rapportée poreuse dans la partie restreinte de l'aju- tage ;
la fig. 6 est une vue en élévation, partiellement en coupe longitudinale, d'une forme d'exécution pré férée du chalumeau à arc; la fig. 7 est un schéma du circuit des commandes utilisées, de préférence, pour faire fonctionner le chalumeau de la fig. 6.
Chacun des appareils montrés sur les fig. 1 à 5 comprend un ajutage 10 ayant un manchon central 12 dans lequel est fixée une électrode pratiquement non consommable 14, de préférence en tungstène thorié. L'électrode 14 est espacée de la paroi inté rieure et du fond du manchon, en présentant avec celui-ci un passage pour le gaz de protection, tel que l'argon, l'hélium, l'hydrogène, l'azote ou un mélange de ceux-ci, qui s'écoule axialement sous forme d'un courant annulaire autour de l'électrode primaire 14.
Au-delà de l'électrode, le gaz s'écoule par un pas sage ou orifice 15 de stabilisation de l'arc.
L'autre électrode primaire peut être formée par l'ajutage 10 ou par la pièce métallique à découper 16. Un arc est établi dans le passage 15 et entre l'électrode 14 et la pièce à découper 16 lorsqu'on relie les électrodes à une source de courant S au moyen des conducteurs 18 et 20 respectivement. Un courant d'évacuation extrêmement chaud et conduc teur d'électricité s'écoule de la sortie du passage 15. On refroidit l'ajutage 10 par circulation d'eau dans le passage annulaire 22 entourant le passage 15.
Dans la forme d'exécution représentée en fig. 1, on effectue l'injection du gaz réactif, par exemple du gaz contenant de l'oxygène, dans les zones périphé riques du courant du gaz de protection, par des trous 24 percés dans la paroi de l'ajutage et débouchant dans le passage 15.
Dans la forme d'exécution représentée en fig. 2, on injecte le gaz contenant de l'oxygène dans les zones périphériques du courant de l'arc par des trous 25 percés dans la paroi de l'ajutage et débouchant dans le manchon. central 12 juste au-dessous de l'électrode 14 et au-dessus de l'orifice 15 de stabili sation de l'arc. Cette forme d'exécution donne de plus un exemple d'un montage suivant lequel l'arc passe entre l'électrode 14 et l'électrode 10 contenant le passage restreint 15. Dans ce cas, le courant d'évacuation consiste en gaz chauds et il est inutile que la pièce. à découper soit conductrice de l'élec tricité.
Suivant la fig. 3, un conduit 27 pour un gaz inerte entoure l'électrode 14 à l'intérieur du man chon central 12, concentriquement par rapport à ce dernier, et il constitue une barrière entre le courant annulaire du gaz de protection à l'intérieur du con duit 27 et en contact avec l'électrode 14, et le cou rant annulaire du gaz contenant de l'oxygène, qui pénètre dans le manchon central 12 et circule autour du conduit 27.
Selon la forme d'exécution représentée en fig. 4, un organe annulaire 30 constitue une deuxième élec trode située au-dessous et espacée de l'ajutage 10 et présentant un orifice 32 coaxialement disposé au passage 15 et refroidi au moyen d'une chemise d'eau 34. La source de courant S est reliée à l'ajutage 10 par une impédance 36 et à l'organe annulaire 30 par une impédance 38. On introduit le gaz contenant de l'oxygène dans l'espace 40 entre les ajutages. Selon une variante, l'impédance 38 peut être nulle et la pièce à découper peut être mise hors circuit.
Selon la fig. 5, une pièce rapportée annulaire 42 en un métal poreux ou en céramique poreuse, ayant un passage central du même diamètre que le pas sage restreint 15, forme une paroi intérieure de la chemise d'eau 22. L'eau traversant les pores de la pièce rapportée refroidit les parois de l'orifice et ensuite s'incorpore à la colonne de l'arc sous forme de vapeur.
Dans toutes les formes d'exécution décrites, on introduit le courant du gaz réactif à l'extérieur du courant de gaz de protection de l'électrode, et ce courant fait partie du courant d'évacuation déchargé par l'orifice de stabilisation de l'arc.
On donnera à présent les résultats de deux mises en ouvre du procédé que comprend l'invention. Pour le découpage au chalumeau à l'arc de l'acier doux en utilisant un gaz contenant de l'oxygène, on a utilisé un appareil du type représenté à la fig. 1. On a fait passer de l'argon avec un débit de 425 litres/heure autour d'une électrode en tungstène ayant un diamètre de 3,2 mm, et on la fait sortir par l'orifice d'un ajutage ayant un alésage de 3,2 mm, tandis qu'un arc était amorcé entre l'élec trode en tungstène et une plaque métallique en acier doux d'une épaisseur de 6,4 mm.
On a alors intro duit de l'oxygène gazeux avec un débit horaire com pris entre 1415 et 2123 litres dans l'ajutage au- dessous de l'électrode en tungstène. On a effectué le découpage de la plaque en acier au moyen d'un courant d'arc de 175 à 200 ampères et d'une ten sion de la flamme de l'arc de 45 volts, un courant continu ayant été utilisé et la baguette-électrode constituant le pôle négatif. La coupe en résultant a paru être légèrement plus large que celle obtenue lorsqu'on n'utilise pas d'oxygène.
Dans une seconde mise en ouvre du procédé pour le découpage au chalumeau à l'arc de l'alumi nium en utilisant un gaz contenant de l'oxygène, on a utilisé l'appareil représenté à la fig. 4. On a reculé l'électrode en tungstène thorié, d'un diamètre de 3,2 mm, de 3,2 mm par rapport à un ajutage for mant électrode en cuivre refroidie à eau et ayant 3,2 mm de diamètre et 2,4 mm de longueur. L'aju- tage inférieur avait un diamètre de 3,2 mm et 6,4 mm de longueur et se trouvait à 4,8 mm au-dessous du premier ajutage. Chaque résistance de stabilisation consistait en deux ampoules lumineuses de 1000 W montées en série.
On a fait passer de l'argon gazeux à un débit horaire de 425 litres dans le chalumeau et un arc a été amorcé entre l'électrode en tungstène et la plaque en aluminium d'une épaisseur de 6,4 mm. On a introduit alors de l'air entre les ajuta- ges à un débit horaire de 849 litres. On a ensuite découpé la plaque en aluminium à une vitesse de 127 ems/minute à l'aide d'un courant de 225 ampè res et à une tension de la flamme de l'arc de 51 V, le courant étant continu et l'électrode-baguette étant négative.
On a répété la même expérience dans les condi tions suivantes : argon à 736 litres/heure, air à 1528 litres/heure, courant 195 ampères, et courant continu de 59 V, l'électrode-baguette étant négative ; l'épaisseur d'aluminium à découper était de 6,14 mm et la vitesse réalisée était de 127 cms/minute.
Afin d'obtenir des coupes de bonne qualité sur certains types de métaux, il est essentiel d'ajouter de l'hydrogène au gaz de protection. Par exemple, une addition d'hydrogène de 1 à 100 % améliore les parois de la coupe dans l'aluminium et dans le man ganèse par rapport à celles obtenues en utilisant de l'azote, de l'hélium ou de l'argon séparément, les meilleures qualités étant réalisées avec environ 50 0/o d'hydrogène.
Pour découper des métaux tels que l'acier au carbone, l'acier inoxydable, le nickel et le cuivre, on préfère se servir d'azote ou d'argon ou d'un mélange des deux, à titre de gaz de protection.
Il est essentiel de donner à la surface transver sale de l'espace annulaire compris entre l'électrode et le tube d'alimentation du gaz de protection une dimension suffisamment faible pour obtenir un cou rant gazeux très rapide malgré une faible alimenta tion en gaz de protection, ceci afin de déplacer le gaz de coupe et de protéger en conséquence efficace ment la pointe de l'électrode contre les effets nocifs de ce dernier.
La même observation s'applique à la distance de laquelle l'électrode projette hors du tube du gaz de protection (de préférence 3,4 mm). Une autre dis tance ayant de l'importance est le recul de l'élec trode par rapport à l'orifice canalisant l'arc, cette distance étant, de préférence, d'environ 3,2 mm. Si cette distance était sensiblement plus grande, il en résulterait un transfert de l'arc au métal formant l'orifice avant l'attaque de la pièce à découper ; ce phénomène est connu comme dédoublement d'arc .
Il est important de conserver la concentricité entre l'électrode et le tube du gaz de protection, et entre ce tube et l'orifice de canalisation de l'arc. Toute -excentration substantielle provoquerait une oxydation da l'électrode et donnerait à un côté de l'entaille une conformation rugueuse et encrassée.
Sur la fig. 6, on a représenté une forme d'exé cution préférée du chalumeau à arc. Le chalumeau comprend un corps B, ayant une base dont l'extré mité inférieure reçoit un porte-électrode ou man chon H. Une douille de serrage C à l'intérieur du porte-électrode H porte contre une butée dans la partie supérieure du corps du chalumeau B, et le porte-électrode H présente un fond intérieur conique pour forcer la douille à saisir l'électrode E lorsqu'on force la douille C dans le corps B, en exerçant une pression sur la calotte du chalumeau.
Une rondelle isolante I est vissée dans la surface intérieure du fond du corps du chalumeau B, et une chemise d'eau W est vissée sur l'extérieur da la rondelle isolante I.
Le corps du chalumeau B a un tuyau d'entrée 110 pour le gaz de protection, qui débouche dans une chambre annulaire formée entre la tête de la douille de serrage et le haut du porte-électrode H, d'où le gaz de protection descend à l'intérieur du porte-chalumeau et en dehors de la douille, et ensuite passe par les fentes dans la douille et par le fond du porte-chalumeau.
Le .corps B a également un tuyau d'entrée 112 pour l'eau de refroidissement, d'où des passages (non représentés) conduisent à une gorge annulaire 114 usinée dans le corps du chalumeau. Un conducteur d'entrée 115 pour le courant de coupe passe par le tuyau 117 de sortie d'eau.
Le porte-électrode ou manchon H comprend une partie supérieure tubulaire 116, ayant sensiblement la même longueur que la douille de serrage, une par tie intermédiaire bridée 118 au-dessous du fond du corps du chalumeau B et ayant une longueur plus importante que l'alésage de celui-ci et un organe saillant 120 s'étendant au-dessous de la partie bridée 118. Des gorges longitudinales 122, formées, dans la partie tubulaire <B>116</B> et dans la partie bridée 118, relient la gorge 114 dans le corps du chalumeau avec l'espace situé au-dessous du corps B.
La che mise d'eau présente un épaulement intérieur 124 qui comprime une rondelle d'étanchéité contre le fond de la bride<B>118</B> pour définir une chambre à eau.
Le passage pour le gaz de protection à travers la partie saillante 120 se prolonge par un tube 126 pour gaz de protection, en matériau réfractaire, par exemple en diamonite, qui est fixé à la partie sail lante 120 par un raccord fileté 128, qui est, de pré- férence, en matériau réfractaire, tel .que la lave.
Le rapport entre le diamètre intérieur du tube 126 et le diamètre de l'électrode est tel qu'un passage annu laire de faible section est formé entre eux pour la colonne annulaire du gaz de protection, la largeur de ce passage étant calculée de façon à permettre un écoulement à grande vitesse malgré un. faible débit du gaz et étant, de préférence, inférieure au diamètre de l'électrode. Autour du raccord 128, on a prévu un raccord isolant 130 qui est vissé dans le fond de la chemise d'eau W.
Un organe 132 pour la fixation de la pièce rapportée est fixé à la partie inférieure du raccord 130 au moyen d'un écrou 133. L'organe 132 comporte un collecteur annulaire 134 recevant le gaz chimiquement actif par le tuyau d'en trée 136. Une pièce rapportée 138 s'ajuste à l'inté rieur du fond de l'organe 132, en présentant un certain jeu avec celui-ci, de sorte que l'on peut centrer l'orifice restreint 140 de la pièce rapportée par rapport à l'électrode E et au tube 126 pour gaz de protection au moyen de quatre vis de réglage 142 ayant entre elles le même espacement angulaire.
Le fond de la pièce rapportée au voisinage de l'ori fice 140 est de préférence muni d'une chemise d'eau 144, constituée soit par une bague circulaire, soit par un montage soudé à l'argent.
Le raccord extérieur 130 porte contre la bague d'étanchéité située au-dessous de la partie bridée 118 et forme avec les organes annulaires situés. plus bas un récipient contenant le gaz actif, qui s'écoule vers l'intérieur à partir du collecteur 134 par deux ou plusieurs orifices également répartis sur son pourtour et qui débouchent à l'extérieur du tube mais. à l'in térieur de l'ajutage<B>138,</B> d'où le gaz est dirigé dans l'orifice de canalisation 140.
Selon la fig. 7, lorsque le bouton déclencheur 150 est abaissé, un circuit est complété à travers la bobine du contacteur principal 152,à condition tou tefois que le commutateur de circulation 170 soit fermé. Le circuit du courant continu est ainsi com plété entre la borne négative de la source d'énergie 154 et l'électrode, et la tension en circuit ouvert de la source d'énergie est appliquée entre l'électrode E et la pièce à découper W.
Lorsque les commutateurs 155,<B>156</B> et 157 sont en position automatique, le commutateur<B>150</B> com plète également un circuit menant aux bobines de l'électro-aimant de la soupape 158 commandant le gaz contenant de l'oxygène, de la soupape 159 pour le gaz de protection et de la soupape 160 pour l'eau de refroidissement. L'ouverture des soupapes 158 et 159 a pour effet de permettre un écoulement de valeur déterminée du gaz actif et du gaz de protec tion respectivement, par l'orifice 140 du chalumeau coupeur.
Le commutateur 150 complète également un, cir cuit passant par les contacts normalement fermés du relais auxiliaire 164 pour exciter un générateur à haute fréquence 166. L'alimentation en énergie à haute fréquence a pour effet d'ioniser un passage pour le courant de l'arc pilote entre l'électrode E et la calotte du chalumeau et d'établir l'arc pilote. Le gaz ionisé de l'arc pilote forme un passage à faible résistance pour le courant de coupe entre l'électrode et la pièce à découper, et l'arc de coupe principal est ainsi amorcé.
Le passage du courant de coupe a pour effet d'exciter la bobine du relais de courant 162 qui, à son tour, complète le circuit vers la bobine du relais auxiliaire 164 qui interrompt l'arrivée du courant alternatif au générateur de haute fréquence 166. Le contact normalement ouvert du relais auxiliaire 164 ferme et by-passe le bouton déclencheur 150. A ce moment, on peut relâcher ce bouton déclencheur.
On peut arrêter le découpage au moyen du bou ton d'arrêt de secours<B>168,</B> en éloignant le bord de la pièce découpée, en remontant le chalumeau, ou en arrêtant l'arrivée d'eau ou en la diminuant pour la faire tomber au-dessous de la valeur requise pour le fonctionnement, au moyen de l'interrupteur 170.
Method for Arc Torch Cutting, and Apparatus for Carrying Out the Method The present invention comprises a method for arc torch cutting, and an apparatus for carrying out this method.
Arc flames have recently been developed for which, because of their high degree of stability, their rigidity and the intensity of their heating, it has been proposed to use them for cutting bodies, metallic or not, by fusion. To obtain such arc flames, a low frequency or direct current arc is established between an electrode rod placed inside a nozzle and an adjacent conductive part of the nozzle or the part to be cut,
and this arc is passed through a restricted passage intended to stabilize and regulate the shape and direction of the conductive jet exiting from the nozzle when a gas current passes along and beyond the electrode by the passage restricted in the direction of the workpiece.
The gases used were substantially inert. for the electrode, which is usually tungsten. However, it is presently found advantageous to use reactive gases. in the flame of the arc for cutting some, materials. Thus, when the arc torch cutting process is applied to certain metals, particularly aluminum, it is found advantageous to provide oxygen to the flame of the arc. Under such conditions, the special requirement to be satisfied is to protect the electrode from reaction gases, to prevent destruction.
The method of cutting fuse bodies which is the subject of the invention consists in establishing an arc between a bar of electrode which is practically non-consumable and placed coaxially in a nozzle, and a second electrode consisting of an adjacent conductive part of this nozzle or of a second electrode. a metal cutting piece, for passing a current of a gas substantially inert to the electrode rod along the latter and together with the arc vapors through a restricted discharge passage in said nozzle to establish an arc flame, and to direct this flame against the body to be cut.
According to the invention, a stream of a gas which is chemically active for the piece to be cut and which is prevented from coming into contact with the rod electrode by means of the inert gas surrounding the latter, is introduced into the zone peripheral of the inert gas stream, before its discharge together with the arc vapors, out of the restricted passage inside the nozzle.
The subject of the invention is also an apparatus for implementing the aforementioned method, this apparatus comprising a pair of electrodes connected to a source of electric current, one of these electrodes consisting of a practically non-consumable rod placed coaxially with one another. the interior of a nozzle comprising a restricted discharge passage, the tip of the electrode being in the vicinity of the constriction,
and the second electrode consisting of an adjacent conductive part of this nozzle or of a metal part to be cut. This apparatus is characterized in that the nozzle comprises a gas supply device, intended to direct a stream of a chemically active gas in the peripheral zones of a stream of an inert gas supplied into the nozzle, upstream of the outlet of the restricted passage inside the nozzle.
In a particular embodiment of the apparatus, the rod electrode is preferably made of a refractory metal, for example tungsten, and the shielding gas intended to prevent its oxidation is preferably nitrogen, argon, helium or a mixture of these. The suitable reactive gas may consist of a gas containing oxygen, for example oxygen itself, air, carbon dioxide or water vapor.
The latter gas can be introduced into the arc flame by means of a porous metal insert placed inside the nozzle, through which part of the cooling water of the arc can pass. 'nozzle. Other reactive liquids can also be introduced by means of a similar porous insert.
The accompanying drawing represents, by way of example, various embodiments of the apparatus which the invention comprises.
Fig. 1 is a diagram of an arc heater apparatus in which the introduction of the reactive gas stream into the nozzle is effected through passages pierced in the inner wall of the restricted part of the nozzle, the workpiece being also in the arc circuit; fig. 2 is a diagram of an apparatus in which the reactive gas is introduced into the nozzle through passages pierced in the inner wall of the nozzle between the rod electrode and the restricted part of the nozzle;
fig. 3 is a diagram of an apparatus in which the reactive gas enters the nozzle through a separate conduit opening above the tip of the electrode-rod; fig. 4 is a diagram of an apparatus in which the reactive gas consists of air, introduced between the upper part and the lower part of the nozzle, the latter forming part of the arc circuit; fig. 5 is a diagram of an apparatus in which a liquid to be evaporated is introduced through a porous insert into the restricted part of the nozzle;
fig. 6 is an elevational view, partially in longitudinal section, of a preferred embodiment of the arc torch; fig. 7 is a circuit diagram of the controls preferably used to operate the torch of FIG. 6.
Each of the devices shown in Figs. 1-5 comprises a nozzle 10 having a central sleeve 12 in which is secured a substantially non-consumable electrode 14, preferably of thoriated tungsten. The electrode 14 is spaced from the inner wall and the bottom of the sleeve, providing therewith a passage for the shielding gas, such as argon, helium, hydrogen, nitrogen or a gas. mixture of these, which flows axially in the form of an annular current around the primary electrode 14.
Beyond the electrode, the gas flows through a wise pitch or orifice 15 for stabilizing the arc.
The other primary electrode may be formed by the nozzle 10 or by the metal piece to be cut 16. An arc is established in the passage 15 and between the electrode 14 and the piece to be cut 16 when the electrodes are connected to a. current source S by means of conductors 18 and 20 respectively. An extremely hot and electrically conductive discharge stream flows from the outlet of passage 15. Nozzle 10 is cooled by circulating water through annular passage 22 surrounding passage 15.
In the embodiment shown in FIG. 1, the reactive gas, for example gas containing oxygen, is injected into the peripheral areas of the shielding gas stream, through holes 24 drilled in the wall of the nozzle and opening into the passage 15.
In the embodiment shown in FIG. 2, the oxygen-containing gas is injected into the peripheral zones of the arc current through holes 25 drilled in the wall of the nozzle and opening into the sleeve. central 12 just below electrode 14 and above arc stabilization hole 15. This embodiment also gives an example of an assembly according to which the arc passes between the electrode 14 and the electrode 10 containing the restricted passage 15. In this case, the discharge current consists of hot gases and it is useless as the part. to be cut is electrically conductive.
According to fig. 3, a conduit 27 for an inert gas surrounds the electrode 14 inside the central sleeve 12, concentrically with the latter, and it constitutes a barrier between the annular flow of the shielding gas inside the con pipe 27 and in contact with the electrode 14, and the annular flow of the gas containing oxygen, which enters the central sleeve 12 and circulates around the pipe 27.
According to the embodiment shown in FIG. 4, an annular member 30 constitutes a second electrode located below and spaced from the nozzle 10 and having an orifice 32 arranged coaxially with the passage 15 and cooled by means of a water jacket 34. The current source S is connected to the nozzle 10 by an impedance 36 and to the annular member 30 by an impedance 38. The gas containing oxygen is introduced into the space 40 between the nozzles. According to a variant, the impedance 38 can be zero and the part to be cut can be switched off.
According to fig. 5, an annular insert 42 of a porous metal or porous ceramic, having a central passage of the same diameter as the restricted pitch 15, forms an interior wall of the water jacket 22. The water passing through the pores of the water jacket. insert cools the walls of the orifice and then incorporates into the arc column as vapor.
In all the embodiments described, the stream of reactive gas is introduced outside the stream of shielding gas of the electrode, and this stream forms part of the discharge stream discharged through the stabilization orifice of the 'bow.
The results of two implementations of the process comprising the invention will now be given. For the arc torch cutting of mild steel using an oxygen-containing gas, an apparatus of the type shown in FIG. 1. Argon was passed at a flow rate of 425 liters / hour around a tungsten electrode having a diameter of 3.2 mm, and discharged through the orifice of a nozzle having a bore. 3.2 mm, while an arc was struck between the tungsten electrode and a mild steel metal plate 6.4 mm thick.
Gaseous oxygen was then introduced at an hourly flow rate of between 1415 and 2123 liters in the nozzle below the tungsten electrode. The steel plate was cut using an arc current of 175 to 200 amps and an arc flame voltage of 45 volts, with direct current being used and the rod. -electrode constituting the negative pole. The resulting cut appeared to be slightly wider than that obtained when no oxygen was used.
In a second implementation of the process for the arc torch cutting of aluminum using a gas containing oxygen, the apparatus shown in FIG. 4. The thoriated tungsten electrode, 3.2 mm in diameter, 3.2 mm was moved back from a nozzle for a water-cooled copper electrode 3.2 mm in diameter and 2. , 4 mm long. The lower fit was 3.2mm in diameter and 6.4mm in length and was 4.8mm below the first nozzle. Each stabilization resistor consisted of two 1000 W light bulbs connected in series.
Argon gas was passed at an hourly rate of 425 liters through the torch and an arc was initiated between the tungsten electrode and the 6.4 mm thick aluminum plate. Air was then introduced between the nozzles at an hourly rate of 849 liters. The aluminum plate was then cut at a speed of 127 ems / minute using a current of 225 amps and an arc flame voltage of 51 V, the current being continuous and the rod electrode being negative.
The same experiment was repeated under the following conditions: argon at 736 liters / hour, air at 1528 liters / hour, current 195 amperes, and direct current of 59 V, the rod electrode being negative; the thickness of aluminum to be cut was 6.14 mm and the speed achieved was 127 cms / minute.
In order to obtain good quality cuts on certain types of metals, it is essential to add hydrogen to the shielding gas. For example, adding 1 to 100% hydrogen improves the cut walls in aluminum and man ganese compared to those obtained using nitrogen, helium or argon separately. , the best qualities being produced with approximately 50 0 / o of hydrogen.
For cutting metals such as carbon steel, stainless steel, nickel and copper, it is preferred to use nitrogen or argon or a mixture of the two as the shielding gas.
It is essential to give the transverse surface of the annular space between the electrode and the shielding gas supply tube a dimension small enough to obtain a very rapid gas flow despite a low supply of gas. protection, in order to displace the cutting gas and consequently effectively protect the tip of the electrode against the harmful effects thereof.
The same observation applies to the distance at which the electrode projects shielding gas from the tube (preferably 3.4 mm). Another important distance is the retreat of the electrode with respect to the orifice channeling the arc, this distance preferably being about 3.2 mm. If this distance were appreciably greater, the result would be a transfer of the arc to the metal forming the orifice before the attack of the piece to be cut; this phenomenon is known as arc doubling.
It is important to maintain the concentricity between the electrode and the shielding gas tube, and between this tube and the arc pipe port. Any substantial eccentricity would cause oxidation of the electrode and give one side of the notch a rough and dirty conformation.
In fig. 6, a preferred embodiment of the arc torch is shown. The torch comprises a body B, having a base, the lower end of which receives an electrode holder or sleeve H. A clamping sleeve C inside the electrode holder H bears against a stop in the upper part of the body of the torch B, and the electrode holder H has a conical inner bottom to force the socket to grip the electrode E when the socket C is forced into the body B, by exerting pressure on the cap of the torch.
An insulating washer I is screwed into the inner surface of the bottom of the torch body B, and a water jacket W is screwed onto the outside of the insulating washer I.
The torch body B has an inlet pipe 110 for the shielding gas, which opens into an annular chamber formed between the head of the clamping sleeve and the top of the electrode holder H, from which the shielding gas descends. inside the torch holder and out of the socket, and then goes through the slots in the socket and the bottom of the torch holder.
Body B also has an inlet pipe 112 for cooling water, from which passages (not shown) lead to an annular groove 114 machined into the body of the torch. An input conductor 115 for the cutting current passes through the water outlet pipe 117.
The electrode holder or sleeve H comprises a tubular upper part 116, having substantially the same length as the clamping sleeve, an intermediate flanged part 118 below the bottom of the torch body B and having a length greater than the bore thereof and a protruding member 120 extending below the flanged portion 118. Longitudinal grooves 122, formed, in the tubular portion <B> 116 </B> and in the flanged portion 118, connect the groove 114 in the body of the torch with the space located below the body B.
The water jacket has an interior shoulder 124 which compresses a sealing washer against the bottom of the flange <B> 118 </B> to define a water chamber.
The passage for the shielding gas through the protruding part 120 is extended by a tube 126 for the shielding gas, made of refractory material, for example diamonite, which is fixed to the protruding part 120 by a threaded connection 128, which is , preferably, of refractory material, such as lava.
The ratio between the internal diameter of the tube 126 and the diameter of the electrode is such that an annular passage of small section is formed between them for the annular column of the shielding gas, the width of this passage being calculated so as to allow high speed flow despite one. low gas flow rate and preferably being less than the diameter of the electrode. Around the connection 128, there is provided an insulating connection 130 which is screwed into the bottom of the water jacket W.
A member 132 for fixing the insert is fixed to the lower part of the connector 130 by means of a nut 133. The member 132 comprises an annular manifold 134 receiving the chemically active gas through the inlet pipe 136. An insert 138 fits inside the bottom of the member 132, with a certain clearance therewith, so that the restricted orifice 140 of the insert can be centered relative to the electrode E and the shielding gas tube 126 by means of four adjusting screws 142 having the same angular spacing between them.
The bottom of the piece attached to the vicinity of the orifice 140 is preferably provided with a water jacket 144, consisting either of a circular ring or of a silver-welded assembly.
The outer fitting 130 bears against the sealing ring located below the flanged portion 118 and forms with the annular members located. lower down a container containing the active gas, which flows inwardly from the manifold 134 through two or more orifices equally distributed around its periphery and which open to the outside of the tube but. inside the nozzle <B> 138, </B> from which gas is directed into the line port 140.
According to fig. 7, when the trigger button 150 is depressed, a circuit is completed through the coil of the main contactor 152, provided however that the circulation switch 170 is closed. The direct current circuit is thus completed between the negative terminal of the energy source 154 and the electrode, and the open circuit voltage of the energy source is applied between the electrode E and the workpiece W .
When switches 155, <B> 156 </B> and 157 are in the automatic position, switch <B> 150 </B> also completes a circuit leading to the solenoid coils of valve 158 controlling the valve. gas containing oxygen, valve 159 for shielding gas and valve 160 for cooling water. The opening of the valves 158 and 159 has the effect of allowing a flow of a determined value of the active gas and of the shielding gas respectively, through the orifice 140 of the cutting torch.
The switch 150 also completes a circuit passing through the normally closed contacts of the auxiliary relay 164 to energize a high frequency generator 166. The high frequency power supply has the effect of ionizing a passage for the current of the generator. pilot arc between electrode E and the torch cap and establish the pilot arc. The ionized pilot arc gas forms a low resistance passage for the cutting current between the electrode and the workpiece, and the main cutting arc is thus initiated.
The passage of the cutting current has the effect of energizing the coil of the current relay 162 which, in turn, completes the circuit to the coil of the auxiliary relay 164 which interrupts the arrival of the alternating current to the high frequency generator 166. The normally open contact of the auxiliary relay 164 closes and by-passes the trigger button 150. At this time, this trigger button can be released.
Cutting can be stopped by means of the emergency stop button <B> 168, </B> by moving the edge of the cut piece away, by raising the torch, or by stopping the water supply or by decreasing to make it fall below the value required for operation, by means of switch 170.