Procédé pour découper un objet métallique et appareil pour sa mise en ouvre La présente invention a pour objet un procédé pour découper un objet métallique. Il permet de découper, par exemple, des pièces formées de métaux tels que l'aluminium, le cuivre et l'acier inoxydable, au moyen d'un arc électrique protégé avec un courant de gaz, par exemple d'argon, d'azote on d'un mélange d'argon et d'hydrogène.
Un procédé de découpage des, métaux proposé récemment utilise un arc resserré, stabilisé par une paroi, jaillissant entre une électrode de tungstène et l'ouvrage, en association avec un courant de gaz à grande vitesse.
Le courant gazeux, durant son écou- lement à travers un passage resserré, est dilaté par la chaleur de l'arc également contenu dans le pas sage. Lorsqu'il est appliqué sur l'ouvrage et pro gressivement déplacé le long de celui-ci, le jet sor tant fond continuellement 1e métal et l'enlève en formant une saignée.
Le gaz, ordinairement composé de 65 0/o d'argon et 35 % d'hydrogène pour le découpage à la machine, et de 801% d'argon et 20% d'hydrogène pour le découpage à la main, empêche les parois de la saignée de s'oxyder. On peut ainsi. produire une coupe exempte de scories et de haute qualité sur n'importe quel métal non ferreux.
On rencontre cependant des difficultés d'ap pareillage, par exemple des difficultés dues à un dédoublement de l'arc (de l'électrode à la buse et de la buse à l'ouvrage) et à la nécessité de prévoir une isolation suffisante dans l'appareil. En outre, la vitesse de coupe minimum réalisable est trop élevée pour un travail à la main aisé.
Le but ;principal de l'invention est de surmonter ces difficultés et inconvénients de ce procédé connu, tout en retenant ses avantages. A cet effet, le pro cédé selon l'invention, selon lequel on fait passer un courant de gaz à travers une buse entourant une électrode, on forme un arc extérieurement à ladite buse, entre ladite électrode et l'objet à découper, de manière à faire fondre une partie localisée dudit objet et à expulser le métal fondu par son côté opposé,
et on fait avancer progressivement ledit arc le long d'un chemin choisi sur ledit objet pour y former une saignée, est caractérisé en ce que l'on maintient la vitesse dudit courant de gaz à une valeur comprise entre 7,6 et 19,8 m/sec, de façon à maintenir la tension par unité de longueur de l'arc égale ou supérieure à 5,1 volts/cm.
L'invention se rapporte également à un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend un chalumeau de découpage à l'arc comportant une électrode infu- sible disposée axialement dans une buse à gaz,
l'ex trémité de ladite électrode s'étendant 8u moins aussi loin que l'orifice de la buse, dont le diamètre n'est pas sensiblement plus grand que la saignée à d6cou- per, et en ce qu'il comprend des moyens de four niture de gaz agencés de manière à produire un courant de gaz par l'orifice de ladite buse à une vitesse comprise entre 7,6 et 19,8 in/sec.
Le chalumeau de découpage peut être constitué par un chalumeau de soudage ordinaire sur lequel on a monté une buse à gaz permettant d'obtenir la vitesse du courant de gaz requise.
La buse force le gaz sortant à grande vitesse de la buse à resserrer l'arc, ce qui a pour résultat de renforcer la stabilité axiale de l'arc au point d'en faire un moyen de découpage efficace. Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, quelques mises en aeuvre du procédé selon l'in vention.
La fig. 1 est une coupe partielle verticale d'un chalumeau de découpage à l'arc sous protection de gaz inerte comprenant une électrode infusible et agencé de manière à produire un arc resserré par le gaz.
La fig. 2 est une vue partielle latérale d'un arc non sifflant produit dans une mise en ouvre du procédé selon l'invention.
Les fig. 3A, 3B, 3C et 3D sont des vues sem blables d'un arc sifflant.
La fig. 4 est un graphique des caractéristiques tension-longueur d'arc pour des arcs avec électrode en tungstène sifflant et non sifflant.
La fig. 5 est un graphique de l'a caractéristique fréquence-débit de gaz pour trois différentes intensi tés de courant d'arc, et la fig. 6 est un graphique de la caractéristique fréquence-intensité pour plusieurs débits de gaz de protection.
L'arc de découpage employé dans, le procédé qui va être décrit diffère d'un arc sous gaz protecteur classique en ce qu'un courant annulaire de petit dia mètre et de vitesse relativement grande de gaz pro tecteur entoure l'arc, et non pas, une atmosphère essentiellement stagnante. L'écoulement gazeux an nulaire, qui forme une enveloppe relativement rigide autour de l'arc, stabilise axialement celui-ci.
Le sifflement qui peut se produire semble être provoqué par une interaction entre le courant pro- tecteur annulaire et Je plasma<B>de</B> l'arc. Le fait qu'avec un tel courant gazeux, un pouvoir de décou page supérieur puisse être obtenu avec le même appareillage, qu'il y ait sifflement ou pas, démontre que le sifflement, ou sa source, n'est pas un élément essentiel du procédé. Cependant, le sifflement est utile en ce qu'il indique que la conformation de l'écoulement gazeux et la position de l'arc annulaire dans l'écran gazeux sont optima.
La fig. 1 montre l'arrangement géométrique d'une buse pour le décou page sous atmosphère protégée avec une électrode infusible, par exemple en tungstène. On distingue sur cette figure l'électrode de tungstène 1, la buse 2, le gaz protecteur 3 et l'arc 4. Les débits gazeux supé rieurs à 0,85 m3/h avec des intensités supérieures à 200 A produisent un sifflement d'une fréquence d'environ 1000 cycles/sec.
Les fig. 2 et 3 montrent la forme du plasma d'arc dans des conditions sans sifflement et avec sifflement, respectivement, observées en cinémato graphie à 6000 images/sec. Dans le cas du non- sifflement, le plasma est très stable.
Dans le cas du sifflement, le plasma est très stable en direction, mais un mouvement ondulatoire s'établit sur la périphérie du plasma, très analogue à une onde for mée sur la surface d'un liquide sous l'influence du vent. L'onde part près de la cathode avec une faible amplitude et augmente d'amplitude jusqu'à ce qu'elle atteigne l'extrémité du plasma, sur l'ouvrage.
L'onde se déplace à une vitesse approximativement égale à celle du gaz protecteur, par exemple 7,9 m/sec pour un débit de gaz de<B>1,13</B> m3/h. Dans bien des cas, on peut voir également une onde de deuxième harmo nique, et même une onde de troisième harmonique. Ces ondes se déplacent à une vitesse légèrement supérieure à celle de l'onde fondamentale.
On a constaté dans le cas de l'arc sifflant que la tension ,par unité de longueur de la colonne d'arc était de 7,1 V/cm dans l'argon, alors que pour un arc sous protection d'argon normal, la tension par unité de longueur de la colonne était de 5,1 V/em. Cette tension par unité de longueur de colonne plus forte est avantageuse lorsqu'un arc rigide et à péné tration profonde est désirable.
La fig. 5 donne la fréquence fondamentale du sifflement relevée avec un analyseur de son en fonc tion du débit gazeux pour différentes intensités et longueurs d'arc. La fréquence n'augmente pas liné airement avec le débit. On observe dans tous, les cas des ondes de second et de troisième harmonique. L'intensité de l'harmonique décroit en général avec l'ordre de l'harmonique. Dans certains cas, le deuxième harmonique n'est pas clairement défini, mais, il y a une bande de fréquences dans le voisi nage du deuxième harmonique.
Lorsque le deuxième harmonique est très intense, on observe une onde additionnelle sur la périphérie de l'arc, de fréquence correspondant à celle du deuxième harmonique.
La fig. 6 donne la fréquence du sifflement en fonction de l'intensité du courant d'arc pour diffé- rents débits de gaz. La fréquence augmente presque linéairement avec l'intensité du courant d'arc. La fréquence de sifflement est indépendante de la lon gueur d'arc pour une buse de 9,5 mm de diamètre. On a observé une certaine influence de la longueur d'arc en utilisant un embout de 12,7 mm de diamè tre avec une électrode de 6,4 mm de diamètre.
L'intensité du sifflement est une fonction du débit de gaz, de l'intensité et de la longueur de l'arc. Le sifflement le plus intense a été observé à 350 A, 17,5 volts, 1,41 m3/h, sous argon, et avec une lon gueur d'arc de 12,7 mm. La fréquence fondamentale était de 1300 cycles/sec, avec des harmoniques à 2600, 3900, 5200 et 6500 cycles/sec. Des harmoni ques supérieurs étaient probablement ,présents mais la limite de fréquence de l'appareillage de mesure était de 7200 cycles/sec. Il est probable qu'en aug mentant le courant et la longueur d'arc, on pourrait mesurer un son de plus en plus intense avec davan tage d'harmoniques.
L'arc cesse de siffler aux faibles débits gazeux et aux intensités élevées. Par exemple, à 350A et 0,57 m3/h, l'arc ne siffle pas à n'importe quelle lon gueur d'arc. Le sifflement commence à environ 0,65 m3/h et augmente d'intensité jusqu'à 1,41 m3/h puis diminue à nouveau d'intensité. Pour les débits de gaz supérieurs à 1,98 m3/h, le son de fréquence bien définie dégénère et l'arc devient bruyant.
La fig. 4 donne les caractéristiques tension- longueur d'arc pour un arc sifflant avec une élec trode en tungstène de 6,4 mm et une buse de 9,5 mm (courbe A) et pour un arc non sifflant avec une électrode en tungstène de 6,4 mm. et une buse de 19 mm (courbe B), l'anode étant refroidie à l'eau. L'intensité des arcs est de 300 ampères et le débit de gaz (argon) varie de 0,85 à 1,7 m3/h. Dans ces limites, le débit de gaz a une influence négli geable sur la tension de l'arc, bien que la tension décroisse en général légèrement avec l'augmentation du débit de gaz, pour une longueur d'arc donnée.
Par exemple, pour un arc de 6,4 mm à 300 A et 0,85 m3/h, la tension est de 14,8 volts (courbe A), alors que ,pour 1,70 m3/h, la tension serait de 14,0 volts. La variation de tension en fonction du débit de gaz est encore moins accusée pour les lon gueurs d'arc supérieures.
La tension par unité de longueur de l'arc non sifflant est, d'après la pente de la courbe, de 5,1 V/ cm alors que cette tension par- unité de longueur de l'arc sifflant est de 7,1 V/cm. Cependant, la chaleur transférée à l'anode par l'arc sifflant est seulement d'environ 5 % supérieure à celle transférée par l'arc non sifflant.
Avec une petite buse de 9,5 mm de diamètre et une électrode de 6,4 mm de diamètre, l'écran de gaz conserve un écoulement linéaire régulier jus qu'au niveau de l'ouvrage. L'arc contribue à con former l'écoulement du gaz, de sorte que la surface protégée est beaucoup plus grande que le diamètre de la buse à gaz. Des mesures de la contamination par l'air ont montré que la surface protégée par une buse à gaz de 9,5 mm de diamètre interne est au moins aussi grande que celle protégée par une buse à gaz de 10 mm avec la même quantité de gaz pas sant ;par les buses.
On a obtenu des coupes de bonne qualité avec un chalumeau pourvu d'une buse de 6,4 mm de dia mètre interne avec un courant de 500 A, une lon gueur d'arc de 0,8 mm, un diamètre d'électrode de 4,0 mm et une vitesse de coupe de 20,3 à 81,3 cm/ min. Le débit moyen d'argon a été de 0,85 m3/h avec une vitesse de gaz de 8,5 m/sec. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec un débit d'environ 1,13 m3/h avec une vitesse de gaz de 10,5 m/sec.
On a réalisé, au moyen d'un chalumeau porté par une machine, des coupes dans de l'aluminium de 3,2, 6,4 et 12,7 mm d'épaisseur, dans de l'acier inoxydable de 6,4 et 12,7 mm d'épaisseur et dans du cuivre de 6,4 et 12,7 mm d'épaisseur. On a éga lement utilisé un chalumeau à main pour découper des épaisseurs choisies de divers métaux. On a em ployé des débits. de gaz différents durant ces essais. La majorité des coupes ont été effectuées avec une buse de 6,4 mm de diamètre.
L'association de cette buse et d'une électrode de 3,2 mm de diamètre a produit les meilleures coupes. L'emploi de buses, de plus grand diamètre a produit des coupes de qualité médiocre avec des saignées larges. Pour un débit de 1,7 m3/h, la vitesse du gaz est de 19,8 m/sec avec une buse die 6,4 mm de diamètre et une électrode de 3,2 mm.
Les scories ne se sont généralement formées que sur un côté de la coupe. Il semble que le déplace ment de ces scories sur ce côté est déterminé par deux facteurs: 1) la position de la connexion de mise à la terre - les scories se forment sur le côté opposé à la terre - et 2) la différence de température des deux côtés de la coupe - les scories se forment sur le côté de plus faible masse. La formation de scories suir le côté de déchet, ou côté chaud> n'a pas pu être réduite en faisant pénétrer l'électrode dans la saignée.
Comme cette pénétration de l'élec trode accroît les chances de contamination de l'électrode, toutes les coupes ont été effectuées avec l'électrode dépassant de 6,4 mm en dessous. de la buse et distante d'environ 1,6 mm au-dessus de la plaque.
Comme il apparaît que les scories ne sont nulle- ment éliminées, mais sont déplacées d'un côté à l'au tre, le découpage doit se faire à une vitesse raison nablement lente et avec une intensité élevée pour maintenir les scories fondues pendant un temps suf- fisant pour leur permettré de couler jusqu'au côté opposé à la terre.
Les scories se forment sur les deux côtés si la vitesse de coupe est trop élevée.
On a employé des débits différents avec diffé- rents diamètres de buses. On n'a constaté aucun avantage avec les débits extrêmement élevés, comme 2,83 m3/h. On n'a pu noter que de très petites diffé- rences, ou aucune différence, dans la qualité de la coupe et dans le rendement en employant un gaz contenant un mélange de 35 0/o d'hydrogène et 65 0/o d'argon, sur n'importe lequel des métaux découpés.
On a également employé l'azote avec des résultats assez bons sur l'acier inoxydable et le cuivre, et avec des résultats médiocres sur Valuminium. Avec l'azote, l'arc a été bruyant et très instable.
On a coupé des épaisseurs d'aluminium de 3,2 à 12,7 mm à différentes vitesses de coupe. Une coupe exempte de scories sur l'épaisseur de 3,2 mm n'a pas pu être obtenue avant qu'une vitesse de coupe d'inviron 152 cm/min ait été atteinte. Il apparaît que des vitesses maximum et minimum sont liées à ce procédé de découpage.
Une vitesse minimum était nécessaire pour découper de l'aluminium de 3,2 mm d'épaisseur et une vitesse maximum pour de l'alu minium de 6,4 mm d'épaisseur. On a également réalisé une coupe circulaire à la main avec un cha lumeau et, dans ce cas, pratiquement toutes les sco ries sont restées fixées à la partie enlevée, ce qui indique que le facteur de différence de température a influencé l'emplacement des scories, plutôt que l'emplacement de la mise à terre.
On a obtenu des coupes de qualités semblables sur du cuivre de 6,4 et 12,7 mm d'épaisseur et sur de l'acier inoxydable de 6,4 et 17,7 mm d'épaisseur. Dans chaque cas, le côté principal a été exempt<B>de</B> scorie et le côté chute a retenu toutes les scories.
On peut réaliser des coupes de qualité accep table sur un côté avec des chalumeaux normaux de soudure à l'arc sous atmosphère inerte de protection avec électrode non consumable, équipés, de petites buses à gaz,<B>de</B> préférence de 6,4 mm de diamètre, sur pratiquement tous les métaux, avec un débit d'environ 1,41 m3/h d'argon ou de mélange de 35 % d'hydrogène et 65 % d'argon.
Comme la formation de scories dépend de plusieurs facteurs, il n'est pas toujours possible de prévoir avec précision quel côté de la coupe sera exempt de scories. On peut réaliser des coupes de bonne qualité avec ce procédé, avec ou sans sifflement de l'arc.
Il apparaît que les limites de débit de gaz protecteur, mises en évidence par la qualité des coupes obtenues au cours d'essais de laboratoire, sont de 0,85 m3/h et 1,7 m3/h, ce qui correspond à des vitesses de gaz de 7,9 m/sec et environ 19,8 m/sec, selon la dimension de la buse à gaz et de l'électrode utilisées. Comme mentionné ci-dessus, les débits de gaz extrêmement élevés, tels que 2,83 m3/h ne semblent apporter aucun avantage.
Par ailleurs, on a sectionné du métal à l'aide du pro cédé décrit avec des débits de gaz de 0,05 à 0,08 m3/h, les dimensions de la buse et de l'électrode étant telles que la vitesse du courant de gaz soit comprise entre 7,6 et 19,8 m/sec, ce qui maintient la tension par unité de longueur de l'arc égale ou supérieure à 5,1 V/cm.