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.