EP0110735A2 - Torche à plasma monogaz - Google Patents

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EP0110735A2
EP0110735A2 EP83401896A EP83401896A EP0110735A2 EP 0110735 A2 EP0110735 A2 EP 0110735A2 EP 83401896 A EP83401896 A EP 83401896A EP 83401896 A EP83401896 A EP 83401896A EP 0110735 A2 EP0110735 A2 EP 0110735A2
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EP
European Patent Office
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gas
electrode holder
plasma torch
orifices
plasma
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EP83401896A
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German (de)
English (en)
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EP0110735A3 (en
EP0110735B1 (fr
Inventor
Gérard Marhic
Didier Schaff
Francis Remy
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication of EP0110735A3 publication Critical patent/EP0110735A3/fr
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • the present invention relates to a plasma torch of the type comprising a single gas supply conduit which opens into a metal electrode holder, and dividing means for dividing the gas stream into a first stream of plasma gas and into a second cooling gas flow.
  • a plasma torch of the type comprising a single gas supply conduit which opens into a metal electrode holder, and dividing means for dividing the gas stream into a first stream of plasma gas and into a second cooling gas flow.
  • torches will be designated by the expression "single gas plasma torches”.
  • the object of the invention is to provide a single gas plasma torch which is capable of operating satisfactorily under real conditions of use.
  • the invention relates to a plasma torch of the aforementioned type, characterized in that said dividing means comprise two series of orifices formed in the electrode holder or in a metal nozzle holder.
  • a tubular baffle which directs the gas entering first on the active part of the electrode and then towards the two sets of holes.
  • the latter can be guided between a nozzle support and an annular skirt provided with at least one suction hole. ration of ambient air, and / or an additional passage can connect the gas inlet to a point of the cooling circuit located downstream of said baffle.
  • the plasma cutting torch shown in the drawing comprises a handle 1 and, at the end thereof, a cutting head 2 which is in the assembly of revolution about an axis X-X.
  • a cutting head 2 which is in the assembly of revolution about an axis X-X.
  • the vertical axis XX and the head 2 directed downwards.
  • the handle 1 contains a single tube 3 for supplying gas and the cutting current surrounded by an insulating sheath 4, and an electric cable 5.
  • the head 2 contains a first metallic assembly 6 electrically connected to the tube 3, a second assembly metal 7 electrically connected to the cable 5, and an insulator 8 interposed between these assemblies 6 and 7.
  • the electrode holder 9 has an exterior stepped shape; its upper part, in the region of the gas inlet 11, ends in a horizontal shoulder 18 and is followed by an intermediate part of slightly smaller diameter; a second horizontal shoulder 19 connects the latter to a lower part of markedly smaller diameter, approximately equal to the outside diameter of the cup 13.
  • the second metal assembly 7 consists of two parts, namely a tubular nozzle holder 22 and a cup-shaped nozzle 23 whose upper edge is screwed to the lower end of the nozzle holder and whose bottom is pierced with an axial hole 24.
  • the insulator 8 made of an appropriate insulating material, has three parts: an upper part threaded onto the intermediate part of the electrode holder 9 and abutting against the shoulder 18, an intermediate part of greater thickness which delimits with the shoulder 19 an annular chamber 25 and is pierced with a series of longitudinal passages 26, and a lower part which surrounds with an annular clearance the electrode holder in the region of the orifices 21 :
  • the chamber 25 is also connected directly to the end upper part of the conduit 10 of the electrode holder by one or more additional passages 27.
  • the nozzle holder 22 has an upper part threaded on the intermediate and upper parts of the insulator 8, a thicker intermediate part threaded on the lower part of this insulator, and a lower part receiving the nozzle.
  • the intermediate part of the nozzle holder defines with that of the insulator an annular chamber 28 and is also pierced with a series of longitudinal passages 29. The latter open into a final annular chamber 30 delimited internally by the lower part of the nozzle holder 22 and by the nozzle and externally by an insulating skirt 31 screwed or fixed by another means on the upper part of the nozzle holder.
  • the skirt 31 is pierced with several suction holes 32 inclined inwards and downwards.
  • the torch is completed by an insulating coating 33 made of plastic which constitutes the external part of the handle 1 and of the head 2 up to the level of the upper edge of the skirt 31.
  • the assembly 6 is brought via the tube 3 to an appropriate potential with respect to the workpiece (not shown), the assembly 7 is brought to an intermediate potential by means of the cable 5, and a suitable gas, for example compressed air, is sent into tube 3.
  • a suitable gas for example compressed air
  • the gas enters through the inlet 11 in the conduit 10, descends through the baffle 17, passes over the projection 14 of the electrode and rises in the annular space 34 existing between the cup 13 and the baffle 17 , then between it and the wall of the duct 10.
  • a relatively small fraction (for example 10%) of the gas leaves the annular space 34 through the two holes 21 to form an injection of plasma gas in the annular gap provided at this level between the electrode holder 9 and the insulator 8, then in the annular chamber left free under the latter between the nozzle 23 and the cup 13.
  • This plasma gas leaves the head 2 through the central orifice 24.
  • the rest of the gas which has reached the annular space 34 is used to cool the head 2 and in particular the nozzle 23.
  • This gas leaves the electrode holder through the orifices 20 and passes successively in the annular chamber 25, in the passages 26, in the annular chamber 28, in the passages 29 and in the annular chamber 30, from where it is discharged down into the surrounding environment.
  • a certain flow of gas passes directly from the inlet 11 to the chamber 25 through the passages 27 of the electrode holder, and the flow of the cooling gas in the chamber 30 draws a significant quantity of ambient air through the holes 32 of the skirt 31.
  • the fraction of the outgoing flow through the orifices 21 can be adjusted precisely because all the orifices 20 and 21 are drilled in the same piece, which expands uniformly. This would also remain valid if the electrode holder consisted of several parts having similar expansion coefficients. In addition, these orifices, and in particular the orifices 21, can easily be produced with a very small diameter since they are drilled in a metal part. On the other hand, the passages 26 of the insulator 8, which only have a cooling gas guide role, may have a diameter much greater than that of the orifices 20, because their diameter is not critical.
  • Fresh gas entering the re circuit cooling downstream of the orifices 20 through the passages 27 and the fresh air sucked in through the holes 32 make it possible to obtain, at each level, a cooling gas at a temperature low enough to play its rBe effectively.
  • the gas leaving the passages 27 keeps the insulator 8 at a temperature below the softening temperature of certain plastics, which is very advantageous for mass production.
  • the fact of piercing passages 27 in the same metal part as the orifices 20 and 21 allows a good adjustment of the fraction of gas thus deflected.
  • the two series of orifices constituting the flow divider could be made in one or in two metal parts forming the nozzle holder.
  • the electrode holder would no longer have the orifices 21, and all the gas contained in the annular space 34 would come out through the orifices 20 to be partially reinjected into the plasma gas chamber.
  • This variant has been shown schematically, in principle, in FIG. 1, where there is indicated in phantom the conduits 21A connecting the chamber 28 to the plasma gas chamber and drilled in the nozzle holder 22, the lower part of the isolator 8 being removed to allow this connection.
  • the total gas flow is divided by the conduits 29 and 21 A, which are all formed in the same metal part 22.

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Abstract

Dans cette torche à plasma, le gaz admis dans le porte-électrode (9) est divisé en un flux de gaz plasmagène et en un flux de gaz de refroidissement par deux séries d'orifices (20, 21) percées dans une même pièce métallique formant le porte-électrode.
Application aux torches de coupage plasma.

Description

  • La présente invention est relative à une torche à plasma du type comprenant un conduit unique d'alimentation en gaz qui débouche dans un porte-électrode métallique, et des moyens diviseurs pour diviser le flux de gaz en un premier flux de gaz plasmagène et en un deuxième flux de gaz de refroidissement. Dans la suite, on désignera de telles torches par l'expression "torches à plasma monogaz".
  • On conçoit que l'utilisation d'un circuit unique pour fournir le gaz plasmagène et pour refroidir les principaux éléments de la torche : électrode, tuyère, isolateur, etc ... est séduisante du fait de la simplicité de construction qui en résulte.
  • Toutefois, la nécessité de contrôler de façon précise le rapport des deux flux malgré les variations importantes de température qui se produisent en service pose de sérieuses difficultés de conception. C'est probablement la raison pour laquelle, à la connaissance de la demanderesse, aucune torche à plasma monogaz n'a été fabriquée industriellement, bien que leur principe ait été énoncé depuis de nombreuses années (voir le brevet FR 2.275.270).
  • L'invention a pour but de fournir une torche à plasma monogaz qui soit capable de fonctionner de façon satisfaisante dans les conditions réelles d'utilisation.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une torche à plasma du type précité, caractérisée en ce que lesdits moyens diviseurs comprennent deux séries d'orifices ménagées dans le porte-électrode ou dans un porte-tuyère métallique.
  • Dans un mode de réalisation qui assure un refroidissement particulièrement efficace de l'électrode, à l'intérieur-du porte-électrode est prévue une chicane tubulaire qui dirige le gaz entrant tout d'abord sur la partie active de l'électrode puis vers les deux séries d'orifices. Dans ce cas, pour abaisser la température du gaz de refroidissement, ce dernier peut être guidé entre un support de tuyère et une jupe annulaire pourvue d'au moins un perçage d'aspiration d'air ambiant, et/ou un passage supplémentaire peut relier l'entrée de gaz à un point du circuit de refroidissement situé en aval de ladite chicane.
  • Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel :
    • - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une torche de coupage plasma manuelle conforme à l'invention ;
    • - les figures 2 et 3 sont des coupes transversales du porte électrode de cette torche prises respectivement suivant les lignes II-II et III-III de la figure 1.
  • La torche de coupage plasma représentée au dessin comprend une poignée 1 et, à l'extrémité de celle-ci, une tête de coupage 2 qui est dans l'ensemble de révolution autour d'un axe X-X. Pour la commodité de la description, on supposera l'axe XX vertical et la tête 2 dirigée vers le bas.
  • La poignée 1 contient un tube unique 3 d'amenée de gaz et du courant de coupage entouré d'une gaine isolante 4, et un câble électrique 5. La tête 2 contient un premier ensemble métallique 6 relié électriquement au tube 3, un deuxième ensemble métallique 7 relié électriquement au câble 5, et un isolateur 8 interposé entre ces ensembles 6 et 7.
  • L'ensemble 6 est constitué de trois pièces creuses :
    • - un porte-électrode 9 qui présente un conduit axial borgne 10 ouvert à son extrémité inférieure et dont l'autre extrémité communique avec le type 3 par une entrée de gaz radiale 11 ;
    • - une électrode 12 non consommable constituée d'une coupelle 13 dont le bord supérieur est vissé sur l'extrémité inférieure du porte-électrode 9 et dont le fond comporte une saillie 14 dirigée vers le haut. Cette saillie est pourvue d'un logement borgne 15 ouvert vers le bas qui reçoit un insert 16, par exemple en zirconium ; et
    • - une chicane tubulaire 17 dont l'extrémité supérieure est vissée dans le conduit 10 du porte-électrode 9, juste au-dessous de l'entrée de gaz 11, et dont l'extrémité inférieure est élargie pour venir coiffer la saillie 14 de l'électrode à une faible distance de celle-ci.
  • Le porte-électrode 9 présente une forme extérieure en gradins ; sa partie supérieure, dans la région de l'entrée de gaz 11, se termine par un épaulement horizontal 18 et est suivie par une partie intermédiaire de diamètre légèrement inférieur ; un second épaulement horizontal 19 relie cette dernière à une partie inférieure de diamètre nettement plus petit, à peu près égal au diamètre extérieur de la coupelle 13. Quatre orifices radiaux 20, situés à 90° les uns des autres, traversent le porte-électrode 9 juste au-dessous de l'épaulement 19, et deux orifices 21 de plus petit diamètre, également radiaux, traversent ce porte-électrode juste au-dessus du bord supérieur de la coupelle 13.
  • Le deuxième ensemble métallique 7 est constitué de deux pièces, à savoir d'un porte-tuyère tubulaire 22 et d'une tuyère 23 en forme de coupelle dont le bord supérieur est vissé à l'extrémité inférieure du porte-tuyère et dont le fond est percé d'un orifice axial 24.
  • L'isolateur 8, constitué d'une matière isolante appropriée, présente trois parties : une partie supérieure enfilée sur la partie intermédiaire du porte-électrode 9 et butant contre l'épaulement 18, une partie intermédiaire de plus forte épaisseur qui délimite avec l'épaulement 19 une chambre annulaire 25 et est percée d'une série de passages longitudinaux 26, et une partie inférieure qui entoure avec un jeu annulaire le porte-électrode dans la région des orifices 21: La chambre 25 est également reliée directement à l'extrémité supérieure du conduit 10 du porte-électrode par un ou plusieurs passages supplémentaires 27.
  • Le porte-tuyère 22 comporte une partie supérieure enfilée sur les parties intermédiaire et supérieure de l'isolateur 8, une partie intermédiaire plus épaisse enfilée sur la partie inférieure de cet isolateur, et une partie inférieure recevant la tuyère. La partie intermédiaire du porte-tuyère délimite avec celle de l'isolateur une chambre annulaire 28 et est également percée d'une série de passages longitudinaux 29. Ces derniers débouchent dans une chambre annulaire finale 30 délimitée intérieurement par la partie inférieure du porte-tuyère 22 et par la tuyère et extérieurement par une jupe isolante 31 vissée ou fixée par un autre moyen sur la partie supérieure du porte-tuyère. La jupe 31 est percée de plusieurs trous d'aspiration 32 inclinés vers l'intérieur et vers le bas.
  • La torche est complétée par un enrobage isolant 33 en matière plastique qui constitue la partie extérieure de la poignée 1 et de la tête 2 jusqu'au niveau du bord supérieur de la jupe 31.
  • En fonctionnement, l'ensemble 6 est porté par l'intermédiaire du tube 3 à un potentiel approprié par rapport à la pièce à couper (non représentée), l'ensemble 7 est porté à un potentiel intermédiaire au moyen du câble 5, et un gaz approprié, par exemple de l'air comprimé, est envoyé dans le tube 3.
  • Pour l'essentiel, le gaz pénètre par l'entrée 11 dans le conduit 10, descend par la chicane 17, passe sur la saillie 14 de l'électrode et remonte dans l'espace annulaire 34 existant entre la coupelle 13 et la chicane 17, puis entre celle-ci et la paroi du conduit 10.
  • Une fraction relativement faible (par exemple 10 %) du gaz sort de l'espace annulaire 34 par les deux trous 21 pour former une injection de gaz plasmagène dans l'intervalle annulaire prévu à ce niveau entre le porte-électrode 9 et l'isolateur 8, puis dans la chambre annulaire laissée libre sous ce dernier entre la tuyère 23 et la coupelle 13. Ce gaz plasmagène sort de la tête 2 par l'orifice central 24.
  • Le reste du gaz qui a atteint l'espace annulaire 34 est utilisé pour refroidir la tête 2 et notamment la tuyère 23. Ce gaz sort du porte-électrode par les orifices 20 et passe successivement dans la chambre annulaire 25, dans les passages 26, dans la chambre annulaire 28, dans les passages 29 et dans la chambre annulaire 30, d'où il est évacué vers le bas dans le milieu environnant. Un certain débit de gaz passe directement de l'entrée 11 à la chambre 25 par les passages 27 du porte-électrode, et l'écoulement du gaz de refroidissement dans la chambre 30 aspire une quantité importante d'air ambiant par les trous 32 de la jupe 31.
  • On voit ainsi que l'essentiel du gaz admis par le tube 3 sert tout d'abord à refroidir l'électrode 12. Une partie de ce gaz réchauffé par l'électrode, déterminée par le rapport des sections totales des orifices 20 d'une part, des orifices 21 d'autre part, est prélevée pour constituer le gaz plasmagène. Ce dernier possède ainsi, en service, une température élevée indépendante des éventuelles variations de la température du gaz entrant par le tube 3. Ceci est avantageux car on sait que la température du gaz plasmagène influe sur les performances de coupage de la torche, en les améliorant lorsqu'elle augmente.
  • La fraction du débit sortant par les orifices 21 peut être réglée de façon précise du fait que tous les orifices 20 et 21 sont percés dans une même pièce, qui se dilate de façon uniforme. Ceci resterait d'ailleurs valable si le porte-électrode était constitué de plusieurs pièces ayant des coefficients de dilatation voisins. De plus, ces orifices, et notamment les orifices 21, peuvent facilement être réalisés avec un très faible diamètre puisqu'ils sont percés dans une pièce métallique. Par contre, les passages 26 de l'isolateur 8,qui n'ont qu'un -rôle de guidage du gaz de refroidissement, peuvent posséder un diamètre nettement supérieur à celui des orifices 20, car leur diamètre n'est pas critique.
  • Le gaz frais qui pénètre dans le circuit de refroidissement en aval des orifices 20 par les passages 27 et l'air frais aspiré par les trous 32 permettent d'obtenir à chaque niveau un gaz de refroidissement à une température suffisamment basse pour jouer son rBe de façon efficace. En particulier, le gaz sortant des passages 27 permet de maintenir l'isolateur 8 à une température inférieure à la température de ramollissement de certaines matières plastiques, ce qui est très avantageux pour la fabrication en série. De nouveau, le fait de percer des passages 27 dans la même pièce métallique que les orifices 20 et 21 permet un bon réglage de la fraction de gaz ainsi déviée.
  • En variante, bien que ceci semble actuellement moins avantageux, les deux séries d'orifices constituant le diviseur de débit pourraient être ménagées dans une ou dans deux pièces métalliques formant le porte-tuyère. Dans ce cas, le porte-électrode ne comporterait plus les orifices 21, et tout le gaz contenu dans l'espace annulaire 34 sortirait par les orifices 20 pour être réinjecté en partie dans la chambre de gaz plasmagène. Cette variante a été schématisée, dans son principe, sur la figure 1, où on a indiqué en trait mixte des conduits 21A reliant la chambre 28 à la chambre de gaz plasmagène et percés dans le porte-tuyère 22, la partie inférieure de l'isolateur 8 étant supprimée pour permettre cette liaison. Dans cette variante, le débit total de gaz est divisé par les conduits 29 et 21 A, qui sont tous ménagés dans la même pièce métallique 22.
  • Il est à noter que la conception de la torche suivant l'invention permet de donner aux orifices 20 et 21 toute orientation désirée.

Claims (6)

1. - Torche à plasma, du type comprenant un conduit unique (3) d'alimentation en gaz qui débouche dans un porte-électrode métallique (9), et des moyens diviseurs pour diviser le flux de gaz en un premier flux de gaz plasmagène et en un deuxième flux de gaz de refroidissement, caractérisée en ce que lesdits moyens diviseurs comprennent deux séries d'orifices (20, 21 ; 29, 21A) ménagées dans le porte-électrode (9) ou dans un porte-tuyère métallique (22).
2. - Torche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les orifices (20) correspondant au gaz de refroidissement débouchent à l'entrée d'un passage de gui- dage (26) ménagé dans un isolateur (7) qui entoure le porte électrode (9).
3. - Torche à plasma suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le passage de guidage est constitué par une série de perçages axiaux (26) prévus dans l'isolateur (8).
4. - Torche à plasma suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'à l'intérieur du porte-électrode (9) est prévue une chicane tubulaire (17) qui dirige le gaz entrant tout d'abord sur la partie active de l'électrode (13) puis vers les deux séries d'orifices (20, 21).
5. - Torche à plasma suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le gaz de refroidissement est guidé entre un support de tuyère (22) et une jupe annulaire (31) pourvue d'au moins un perçage (32) d'aspiration d'air ambiant.
6. - Torche à plasma suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'un passage supplémentaire (27) relie l'entrée de gaz (11) à un point (25) du circuit de refroidissement situé en aval de ladite chicane (17).
EP83401896A 1982-10-01 1983-09-28 Torche à plasma monogaz Expired EP0110735B1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR8216512A FR2534106A1 (fr) 1982-10-01 1982-10-01 Torche a plasma monogaz
FR8216512 1982-10-01

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EP0110735A3 EP0110735A3 (en) 1984-10-24
EP0110735B1 EP0110735B1 (fr) 1987-11-19

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP83401896A Expired EP0110735B1 (fr) 1982-10-01 1983-09-28 Torche à plasma monogaz

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US (1) US4625094A (fr)
EP (1) EP0110735B1 (fr)
JP (1) JPS5983400A (fr)
AU (1) AU561117B2 (fr)
BR (1) BR8305417A (fr)
CA (1) CA1218118A (fr)
DE (2) DE110735T1 (fr)
ES (1) ES283176Y (fr)
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