WO2013114007A1 - Torche à plasma d'arc avec amélioration du centrage axial de l'électrode - Google Patents

Torche à plasma d'arc avec amélioration du centrage axial de l'électrode Download PDF

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electrode holder
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Thierry Renault
Krishen VITHELINGUM
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Air Liquide Welding France
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    • 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
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to an arc plasma torch assembly formed of an electrode and an electrode holder for increasing the life of the components of said torch and optimizing its operation by improving axial centering. of the electrode relative to the other components of the torch.
  • the invention relates to an electrode of such an assembly, as well as a method of cutting metal parts by arc plasma implementing a torch comprising said assembly.
  • an arc plasma torch in particular an arc plasma cutting torch, comprises a torch body fed with current and a torch head connected to said torch body, which serves as an interface between the torch body and the torch body.
  • the torch head includes the essential components for arcing performed in an arc plasma cutting process, namely an electrode and an upstream nozzle.
  • the first phase of the arc plasma cutting process is to ignite the electric arc.
  • an alternating potential of the order of 6 to 15 kV and a high frequency of the order of 10 kHz is applied between the electrode and the upstream nozzle, both connected to a current generator delivering a voltage unladen, that is to say before ignition of the electric arc, about 350 V.
  • a pilot arc of an intensity of the order of 15 to 40 A between the electrode, connected to the negative pole (-) of the generator and forming the cathode, and the upstream nozzle, connected to the positive pole (+) of the generator via a resistance of a few ohms and forming the anode.
  • the resulting voltage is of the order of 20 to 60 V.
  • a flow of plasma gas feeds the arc plasma torch head. This flow flows to the outlet channel of the upstream nozzle.
  • the plasma gas ionized by the electric arc thus becomes conductive and forms an arc plasma.
  • An increase in the flow of plasmagenous gas flowing in the arc chamber makes it possible to move the foot of the electric arc located at the electrode, also called the cathodic arc foot, and to center it at the level of an insert thermo-emissive positioned in the center of the lower end of the electrode and generally formed of tungsten, hafnium, zirconia or their alloys.
  • the electric arc foot located at the upstream nozzle is expelled outside the arc plasma torch towards the metal part to be cut by increasing the flow of plasmagenic gas delivered through the upstream nozzle.
  • the electrode remains directly connected to the negative pole of the generator and the sheet to be cut is connected to the positive pole.
  • the cutting phase begins and the voltage between the electrode and the sheet is of the order of 120 to 220 V.
  • An arc plasma jet is ejected through the channel. the upstream nozzle. This arc plasma jet results from the combination of the plasma gas jet propagating through the channel of the upstream nozzle and the electric arc established between the electrode and the piece to be cut. The heat provided by the arc plasma melts the material to be cut and thus generates a cutting groove.
  • FIG. 1 schematizes the essential components contained in an arc plasma torch head, namely the electrode 1, provided at its end with a thermo-emissive insert 2, and the upstream nozzle 23 provided with a channel 24.
  • the volume between the outer walls of the electrode 1 and the inner walls of the upstream nozzle 23 forms the arc chamber 25, through which flows the flow of plasma gas 22 towards the outlet channel 24. of the upstream nozzle 23, said channel being of cylindrical shape.
  • the arc plasma jet is ejected through channel 24 to the chopping piece positioned under the torch head (not shown).
  • the diameter of the channel of the upstream nozzle is relatively small, of the order of 0.5 to 4 mm, which allows to constrict the electric arc, that is to say to reduce the section. This makes it possible to reach the high current densities required to effect the melting of the material to be cut, typically of the order of 10 8 A / m 2 .
  • the flow of plasma gas surrounding the electric arc acts as a thermal and electrical insulator between the arc plasma and the inner walls of the upstream nozzle, usually made of copper.
  • the temperature in the center of the electric arc being very high, typically of the order of 25000 ° C
  • the least decentering or lack of coaxiality between the electric arc and the axis of symmetry of the upstream nozzle induces a heating of the nozzle channel.
  • the walls of the channel of the upstream nozzle can deform, typically for a temperature exceeding 800 ° C, or melt, if the temperature of said walls exceeds the melting temperature of the material constituting it, ie 1100 ° C for copper. This then generates premature and asymmetrical wear of the channel, which degrades the performance of the cutting process implemented. It is then necessary to replace the defective nozzle, which leads to a waste of time and reduces the productivity of the cutting plant.
  • any defect in centering or coaxiality between the electric arc and the channel of the upstream nozzle induces a degradation of the cutting performance, in terms of speed and cutting qualities.
  • the cutting performance is unequal in the cutting direction.
  • a good alignment of the electrode and the upstream nozzle makes it possible to center the cathodic foot of the electric arc on the insert of the electrode, and thus to avoid asymmetrical wear thereof.
  • the electrode of an arc plasma torch is a wear part that must be changed regularly.
  • the electrode must be mechanically assembled to the torch head, via an electrode holder, and be easily removable.
  • the electrode in order to avoid the aforementioned problems and to ensure the centering of the insert with respect to the nozzle channel, the electrode must be assembled coaxially with the electrode holder, i. e. their axes of symmetry must be superimposed. Indeed, the axis of symmetry of the electrode holder coincides with the axis of symmetry of the torch head itself and therefore of the upstream nozzle and its outlet channel.
  • One known method for assembling the electrode and the electrode holder of an arc plasma torch head is to screw them together.
  • a first thread is formed on at least a portion of one of the inner or outer surfaces of the body of the electrode, and a second thread is formed on at least a portion of the surface of the electrode holder located opposite the first thread, said second thread being fitted to the first thread, i.e. forming the complement thereof, so that the electrode can be screwed into or around the electrode holder.
  • Such sets formed of an electrode holder and an electrode screwed to each other are known in particular documents US-A-2004/0262270 and WO-A-2010/115397.
  • This screw connection associated with a sealing means such as an O-ring and / or a metal-metal contact between the assembled parts of the electrode and the electrode block, has the advantage of being simple and of ensuring good sealing between the electrode and the electrode holder.
  • an arc plasma torch head is generally traversed by one or more cooling fluid paths, generally water, preferably deionized, in order to evacuate the heat accumulated by the components of the torch. course of the cutting process.
  • the electrode of a plasma torch comprises a hollow body inside which circulates the cooling fluid.
  • the threads made on each of the components define between them a mechanical play, that is to say a space left between the assembled components.
  • a mechanical play that is to say a space left between the assembled components.
  • the clearance corresponds to the difference between these two diameters measured in a perpendicular plane to the axis of symmetry of said parts.
  • This game is generally between a minimum clearance value and a maximum play value that result from the mechanical tolerances defined for the diameters containing and contained during the design of the assembly.
  • the axis of symmetry (A) of the electrode 1 performs during its screwing to the electrode holder 3 a gyratory movement about the axis of symmetry of the electrode holder ( ⁇ '). This movement is symbolized by the circle 30 in Figure 2.
  • This gyratory movement results from two contributions: the play between the nets and the shape of the nets themselves. It follows that the electrode 1 is found fixed in a position where its axis of symmetry A forms an angle with the axis of symmetry A 'of the electrode holder. This misalignment is more difficult to control because of the difficulty of ensuring a constant manufacture of the nets and the difficulty of dimensionally controlling each net produced.
  • US-A-5,841,095 discloses the use of a spring leaf member arranged between the electrode and the housing arranged in the electrode holder.
  • the element consists of curved metal strips exerting a uniform pressure around the electrode.
  • the slat element disclosed in US-A-5,841,095 ensures the maintenance of consumables torch, ie the electrode and the upstream nozzle. It is therefore subjected to significant mechanical stresses leading to its deformation and thus the loss of centering.
  • EP-A-2339898 proposes to arrange a compressible element, in particular an O-ring, around the electrode of an arc plasma torch in order to maintain it and to make sure of its centering relative to to other components.
  • this solution requires significant machining precision, especially when the compressible element is on conical and non-cylindrical profile surfaces, which complicates the machining and centering control at the industrial level.
  • the centering is done using a member of elastomeric material.
  • this type of material has a manufacturing tolerance on these dimensions typically between 0.1 and 0.3 mm. This results in uncontrolled variations in the compression ratio of one seal to another, particularly in the presence of conical bearing surfaces, and therefore difficulties in controlling the axial centering of the electrode in the torch.
  • the problem to be solved is therefore to overcome all or some of the aforementioned drawbacks, in particular to improve the assembly of the electrode of an arc plasma torch to allow a better axial centering of said electrode relative to the other components. of the torch.
  • the object of the present invention is to propose a simple and effective solution for coaxially assembling the electrode and the electrode holder of an arc plasma torch, which also allows easy assembly and disassembly of the electrode. electrode, while being mechanically robust and ensuring a good seal to the cooling fluid flowing in the arc plasma torch.
  • the solution of the invention is then an assembly formed of an electrode holder and a removable electrode, the upper end of the electrode being assembled in or around the lower end of the electrode holder by means of assembly comprising:
  • a first net made on at least a part of one of the inner or outer surfaces of the peripheral wall of the electrode
  • the assembly of the invention may comprise one or more of the following characteristics:
  • the assembly means further comprise at least one sealing component arranged between the electrode and the electrode holder.
  • the sealing component is arranged in a peripheral groove formed in at least one of the peripheral walls of the electrode and / or the electrode holder,
  • the sealing component is an elastomeric seal.
  • the first thread is formed on the inner surface of the peripheral wall of the electrode and the second thread is formed on the outer surface of the peripheral wall of the electrode holder, the center outer diameter being the outer diameter of the lower end of the electrode holder and the inner diameter centering being the inside diameter of the upper end of the electrode,
  • the first thread is formed on the outer surface of the peripheral wall of the electrode and the second thread is formed on the inner surface of the peripheral wall of the electrode holder, the center outer diameter being the outer diameter of the upper end of the electrode; the electrode and the center inner diameter being the inside diameter of the lower end of the electrode holder,
  • the axis of symmetry of the electrode forms with the axis of symmetry of the electrode holder an angle less than 3 °, preferably less than 1 °.
  • the first and second threads define between them a first set whose minimum value is between 0.05 and 0.5 mm, preferably of the order of 0.1 mm.
  • the inner and outer diameters of the center define between them a second set whose maximum value is between 0.001 and 0.040 mm, preferably of the order of 0.010 mm.
  • the first and second threads have a length of between 3 and 10 mm and a pitch of between 0.5 and 2 mm, preferably of the order of 1 mm.
  • the electrode holder is formed of a metallic material selected from copper and its alloys, brass or silver and its alloys.
  • the invention also relates to an electrode of an assembly according to the invention comprising a hollow body comprising a peripheral wall, said wall being formed of pure copper or a copper or silver alloy, and a thermo-emetic insert made of tungsten, hafnium, zirconia or their alloys.
  • the invention relates to an arc plasma torch comprising a torch body fed with current and a torch head connected to said torch body comprising an electrode, an electrode holder and an upstream nozzle, characterized in that electrode and the electrode-holder form an assembly according to the invention or the electrode is according to the invention, as well as a method of plasma arc cutting of a metal part implementing a plasma torch d ' arc according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of an arc plasma torch head according to the prior art, that is to say without implementation of the solution of the invention, FIG. sectional view of an assembly formed of an electrode and an electrode holder for an arc plasma torch head according to one embodiment of the invention,
  • Figure 3a is a detail view of the assembly of Figure 3.
  • Figure 4 is a sectional view of an electrode and electrode holder assembly for an arc plasma torch head according to another embodiment of the invention.
  • an arc plasma torch comprises a torch body serving as an interface between the torch head, illustrated in FIG. 2, and a current generator, a high-voltage, high-frequency generator used to ignite the torch. electric arc as well as the fluid feeds of the arc plasma cutting plant (not shown schematically).
  • a conventional arc plasma torch head comprises an electrode 1, provided at its lower end with a thermo-emissive insert 2, an electrode holder 3 on which the electrode is assembled. 1.
  • an arc plasma torch head comprises an upstream nozzle and a nozzle holder (not shown) supporting the upstream nozzle.
  • An outer cap and a downstream nozzle (not schematized), generally formed of a material belonging to the cuprous family, are arranged around the torch head to protect it from shocks and splashes of molten metal that may occur during the cutting phase.
  • An arc plasma torch head also comprises at least one conduit 28 for supplying cooling fluid, generally water.
  • cooling fluid generally water.
  • the components of the head are subjected to very high temperatures, both during the arc initiation phase than during the cutting phase. It is therefore necessary to cool them.
  • the cooling means comprising at least one fluid path flowing through the torch head, in contact with one or more components of the torch head. The water is injected into the head and then pumped by a cooling unit to evacuate the heat accumulated by the components.
  • the conduit 28 supplies water inside the body of the electrode 1. It is therefore essential to ensure a good seal at the junction between the electrode 1 and the electrode holder 3 once assembled.
  • the arc plasma torch head shown in FIG. 2 is a so-called conventional arc plasma cutting head, it being understood that the invention may equally well be implemented in a plasma torch head of FIG. arc for water vortex cutting (not shown).
  • the arc plasma torch head is equipped with a downstream nozzle, arranged downstream of the upstream nozzle, and comprises a second group of water paths flowing through the head and supplying said downstream nozzle.
  • the arc plasma torch head then comprises vortex generating means adapted to and adapted to dispense through the downstream nozzle a jet of water propagating to the sheet and forming a vortex around the plasma column. arc established between the electrode and the cut sheet.
  • FIG. 2 illustrates a torch head in which the electrode 1 is assembled to the electrode holder 3 according to the prior art, that is to say simply by screwing into each other, without control of the gaps between the nets as proposed in the present invention.
  • This type of assembly leads to a bad centering and a lack of coaxiality between the electrode 1 and the electrode holder 3.
  • a assembly formed of an electrode 1 and an electrode holder 3 according to the invention In order to improve the assembly of the electrode 1, and thereby the centering of the insert 2 of the electrode 1 with respect to the center of the outlet channel 24 of the upstream nozzle 23, a assembly formed of an electrode 1 and an electrode holder 3 according to the invention.
  • thread is understood to mean a thread or a tapping, as it is machined respectively on an outer surface of the peripheral wall of a cylindrical part contained or on an inner surface of the wall. peripheral of a hollow cylindrical piece containing said contained piece.
  • Figure 3 shows a sectional view of the lower end of an arc plasma torch head comprising an assembly according to the invention.
  • the assembly is formed of a removable electrode 1 whose upper end is assembled in or around the lower end of the electrode holder 3 by means of assembly means 5.
  • the electrode 1 is a part of revolution comprising a hollow body formed of a peripheral wall 6 of cylindrical shape. Said body is open at its upper end and closed at its lower end, which lower end comprises the thermo-emissive insert 2.
  • the electrode holder 3 is a part of revolution open at both ends and comprising at its lower end a portion of cylindrical shape of restricted section and delimited by a peripheral wall 11. It is at this part that the assembly means 5 are located.
  • the assembly means 5 comprise a first thread 5a made on a part of one of the inner or outer surfaces of the peripheral wall 6 of the electrode 1. They also comprise a second thread 5b made on a part of the surface of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3 located opposite the first thread 5a.
  • the second thread 5b is adjusted, i. e. complementary, the first thread 5a so as to screw the electrode 1 and the electrode holder 3 to one another.
  • the diameter and pitch of the first thread 5b are adjusted to the diameter and pitch of the first thread 5a. Since all mechanical manufacturing can never guarantee diameters of strictly equal threads, there is always a mechanical game, here called first game, that is to say a space left between the two threads assembled.
  • Figure 3a is a longitudinal sectional view of the assembly of Figure 3 centered on the threads 5a and 5b.
  • the threads 5a and 5b each result from the machining of a helical structure around the axes of symmetry of the electrode and the electrode holder respectively.
  • the nets are formed of patterns, preferably of conical or frustoconical profile, periodically repeated along the length of said nets, the period constituting the pitch of said nets.
  • the thread 5b is a net made on the outer surface of the electrode holder, that is to say an external thread, also called threading.
  • Net 5a is a net made on the inner surface of the electrode, that is to say an inner thread, also called tapping.
  • the thread 5b made on the electrode 1 screwed around the electrode holder 3 defines an inside diameter containing and the thread 5a made on the electrode holder 3 defines a contained external diameter.
  • the first set corresponds to the difference between these two diameters measured in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the torch, that is to say a distance equal to twice the distance d shown in FIG. 3a.
  • This first game is generally between a minimum value of the first game and a maximum value of the first game. These minimum and maximum values result from the mechanical tolerances defined for the diameters of the threads 5a and 5b during the design of the assembly.
  • the assembly means 5 further comprise centering means 7 of the axis of symmetry A of the electrode 1 with the axis of symmetry A 'of the electrode holder 3.
  • These means 7 comprise an outer diameter 7a centering and an inner diameter 7b centering adjusted relative to each other.
  • the outside diameter 7a corresponds to the outside diameter of the unthreaded portion of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3.
  • the inside diameter 7b corresponds to the inside diameter of the unthreaded portion of the peripheral wall 6 of the electrode 1.
  • the essential characteristic of the assembly of the invention lies in the definition of the adjustment tolerances for the assembly means 5 and the centering means 7.
  • the diameters 7a and 7b and the threads 5a and 5b are adjusted so that the maximum value of the second clearance between the central diameters 7a and 7b is always less than the minimum value of the first clearance between the first and second threads 5a and 5b.
  • the tolerances on the inner and outer diameters 7a and 7b are such that they define between them a second set whose maximum value is between 0.001 and 0.040 mm, preferably of order of 0.010 mm.
  • the tolerances on the diameters of the first and second threads 5a and 5b are such that they define between them a first set whose minimum value is between 0.05 and 0.5 mm, preferably between 0.1 and 0.4 mm, more preferably between 0.1 and 0.4 mm. order of 0.1 mm.
  • the threads 5a and 5b are each formed of several threads. Their pitch is between 0.5 and 2 mm, preferably of the order of 1 mm.
  • the threads 5a and 5b have a length of between 3 and 10 mm, i.e. they are made along the surfaces of the walls of the electrode and the electrode holder facing each other along said length. This length is represented by the double arrow L in FIGS. 3 and 4.
  • the assembly of the invention makes it possible to improve the coaxiality of the electrode 1 and the electrode holder 3. More precisely, it the axis of symmetry (A) of the electrode (1) forms with the axis of symmetry ( ⁇ ') of the electrode holder (3) an angle (a) less than 3 °, preferably less than 1 °.
  • the invention makes it possible to keep an assembly of the electrode 1 by screwing in or around the electrode holder 3, which offers the advantage of being simple to implement and to ensure a good seal and a good electrical contact between the electrode 1 and the electrode holder 3, while avoiding the geometrical defects inherent in the tolerances on the threads 5a and 5b.
  • the assembly means 5 may comprise stop means 8 for clamping the electrode 1 against the electrode holder 3.
  • abutment means 8 may consist of a shoulder machined at the peripheral wall of the electrode 1 or electrode holder 3.
  • the assembly means 5 comprise at least one sealing component 4, for example an elastomer seal, arranged between the electrode 1 and the electrode holder 3.
  • a peripheral groove 9 can be arranged in at least one of the peripheral walls of the electrode 1 and / or the electrode holder 3 in order to accommodate the sealing component 4 therein.
  • FIG. 3 schematizes an embodiment of the invention in which the electrode 1 is screwed around the electrode holder 3, that is to say that the upper end of the peripheral wall 6 of the electrode 1 comes from at least partly covering the lower end of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3.
  • the electrode 1 forms a nut and the electrode holder 3 forms a screw.
  • first thread 5a is formed on the upper end of the inner surface of the peripheral wall 6 of the electrode 1 and the second thread 5b is formed on the outer surface of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3.
  • the centering outside diameter 7a is the outside diameter of the unthreaded portion of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3 and the centering inner diameter 7b is the inside diameter of the unthreaded portion of the peripheral wall 6 of the electrode 1.
  • the electrode 1 is screwed into the electrode holder 3.
  • the lower end of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3 partially covers the upper end. of the peripheral wall 6 of the electrode 1.
  • the electrode 1 forms a screw and the electrode holder 3 forms a nut.
  • the first thread 5a is formed on the upper end of the outer surface of the peripheral wall 6 of the electrode 1 and the second thread 5b is formed on the lower end of the inner surface of the peripheral wall 11 of the electrode holder 3.
  • the first thread 5a is an external thread, that is to say a thread
  • the second thread 5b is an internal thread, that is to say a tapping.
  • the centering outside diameter 7a is the outside diameter of the upper end of the electrode 1 and the centering inner diameter 7b is the inside diameter of the lower end of the electrode holder 3.
  • the electrode holder 3 is formed of a metallic material selected from copper and its alloys, brass or silver and its alloys.
  • the electrode 1 of the assembly according to the invention comprises a body 10 whose peripheral wall 6 is formed of pure copper or a copper or silver alloy and whose thermo-emissive pinsert 2 is formed of tungsten, d 'hafnium, zirconia or their alloys ..
  • the central outside diameter 7 a of the electrode holder 3 has a nominal value of 8 mm.
  • the diameter 7a is defined with a minimum tolerance of 7.986 mm and a maximum tolerance of 7.995. This corresponds to a type g6 adjustment according to the NF EN ISO 286 - ISO 8015 standard.
  • the electrode 1 has a centering internal diameter 7b of 8 mm defined with a minimum tolerance of 8 mm and a maximum tolerance of 8.015 mm. This corresponds to an H7 type adjustment according to the NF EN ISO 286 - ISO 8015 standard.
  • the tolerances defined on the diameters 7a and 7b lead to a second clearance between a minimum value of 0.005 mm and a maximum value of 0.029 mm.
  • the adjustment of the diameters 7a and 7b is of the H7 / g6 type.
  • the threads 5a and 5b are made to a diameter of 10 mm, that is to say type M10, with a pitch of between 0.5 and 2 mm, preferably of the order of 1 mm.
  • the adjustment between the threads is chosen so that they define between them a first set whose minimum value is greater than the maximum value of the second set, that is to say 0.029 mm. .
  • the adjustment of the threads 5a and 5b is then of the 6e / 6H type.
  • the first clearance between the threads 5a and 5b is between a minimum value of 0.06 mm and a maximum value of 0.39 mm.
  • the present invention relates to an electrode of an assembly according to the invention, as well as a conventional arc plasma or water vortex torch, comprising a torch body fed with current and a torch head. connected to said torch body.
  • the torch head comprises an electrode 1, an electrode holder 3 and an upstream nozzle 23, the electrode 1 and the electrode holder 3 forming an assembly according to the invention.
  • the assembly according to the invention can equip any type of arc plasma torch.
  • the main application of an arc plasma torch according to the invention is a method of cutting metal parts by arc plasma, with or without a water vortex. Indeed, the assembly of the invention makes it possible to improve the axial centering of the electrode with the axis of symmetry of the torch.

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Description

TORCHE À PLASMA D'ARC AVEC AMÉLIORATION DU CENTRAGE AXIAL DE L'ELECTRODE
L'invention concerne un ensemble pour torche à plasma d'arc formé d'une électrode et d'un porte-électrode permettant d'augmenter la durée de vie des composants de ladite torche et d'en optimiser le fonctionnement en améliorant le centrage axial de l'électrode par rapport aux autres composants de la torche. En outre, l'invention concerne une électrode d'un tel ensemble, ainsi qu'un procédé de coupage de pièce métallique par plasma d'arc mettant en œuvre une torche comprenant ledit ensemble.
Habituellement, une torche à plasma d'arc, en particulier une torche de coupage par plasma d'arc, comprend un corps de torche alimenté en courant et une tête de torche connectée audit corps de torche, celui-ci servant d'interface entre la tête de torche et le générateur de courant, le générateur haute tension / haute fréquence servant à l'amorçage de l'arc électrique ainsi que les alimentations en fluide équipant une installation de coupage par plasma d'arc.
La tête de torche comprend les composants essentiels à l'établissement de l'arc électrique mis en œuvre dans un procédé de coupage par plasma d'arc, à savoir une électrode et une tuyère amont.
Ainsi, la première phase du procédé de coupage par plasma d'arc consiste à amorcer l'arc électrique. Pour ce faire, un potentiel alternatif de l'ordre de 6 à 15 kV et d'une haute fréquence de l'ordre de 10 kHz est appliqué entre l'électrode et la tuyère amont, toutes deux reliées à un générateur de courant délivrant une tension à vide, c'est-à-dire avant amorçage de l'arc électrique, d'environ 350 V. Il s'ensuit l'établissement d'un arc pilote d'une intensité de l'ordre de 15 à 40 A entre l'électrode, reliée au pôle négatif (-) du générateur et formant la cathode, et la tuyère amont, reliée au pôle positif (+) du générateur via une résistance de quelques ohms et formant l'anode. La tension résultante est de l'ordre de 20 à 60 V.
En outre, un flux de gaz plasmagène alimente la tête de torche à plasma d'arc. Ce flux circule jusqu'au canal de sortie de la tuyère amont. Le gaz plasmagène ionisé par l'arc électrique devient donc conducteur et forme un plasma d'arc.
Une augmentation du débit de gaz plasmagène circulant dans la chambre d'arc permet de déplacer le pied de l'arc électrique situé au niveau de l'électrode, encore appelé pied d'arc cathodique, et de le centrer au niveau d'un insert thermo-émissif positionné au centre de l'extrémité inférieure de l'électrode et généralement formé de tungstène, d'hafnium, de zircone ou de leurs alliages.
Le pied d'arc électrique situé au niveau de la tuyère amont est expulsé en dehors de la torche à plasma d'arc vers la pièce métallique à découper en augmentant le flux de gaz plasmagène délivré à travers la tuyère amont. L'électrode reste directement reliée au pôle négatif du générateur et la tôle à découper est reliée au pôle positif.
Après transfert de l'arc électrique à la tôle, la phase de coupage débute et la tension entre l'électrode et la tôle est de l'ordre de 120 à 220 V. Un jet de plasma d'arc est éjecté par le canal de la tuyère amont. Ce jet de plasma d'arc résulte de la combinaison du jet de gaz plasmagène se propageant à travers le canal de la tuyère amont et de l'arc électrique établi entre l'électrode et la pièce à découper. La chaleur fournie par le plasma d'arc permet de fondre le matériau à découper et ainsi de générer une saignée de découpe.
La Figure 1 schématise les composants essentiels contenus dans une tête de torche à plasma d'arc, à savoir l'électrode 1, munie en son extrémité d'un insert thermo-émissif 2, et la tuyère amont 23 munie d'un canal de sortie 24. Le volume compris entre les parois externes de l'électrode 1 et les parois internes de la tuyère amont 23 forme la chambre d'arc 25, à travers laquelle circule le flux de gaz plasmagène 22, en direction du canal de sortie 24 de la tuyère amont 23, ledit canal étant de forme cylindrique. Le jet de plasma d'arc est éjecté par le canal 24 jusqu'à la pièce à découper positionnée sous la tête de torche (non représentés).
Généralement, le diamètre du canal de la tuyère amont est relativement faible, de l'ordre de 0.5 à 4 mm, ce qui permet de constricter l'arc électrique, c'est-à-dire d'en réduire la section. Ceci permet d'atteindre les fortes densités de courant nécessaires pour opérer la fusion du matériau à découper, typiquement de l'ordre de 108 A/m2. Plus cette densité de courant est élevée, plus la vitesse de coupe est grande et meilleure est la qualité de coupe.
Le flux de gaz plasmagène entourant l'arc électrique joue le rôle d'isolant thermique et électrique entre le plasma d'arc et les parois internes de la tuyère amont, généralement en cuivre.
Pour un fonctionnement optimal de la torche à plasma d'arc et du procédé de coupage mis en œuvre avec ladite torche, il est nécessaire de garantir un bon centrage de l'arc électrique le long du canal de la tuyère amont. En effet, la température au centre de l'arc électrique étant très élevée, typiquement de l'ordre de 25000 °C, le moindre décentrage ou défaut de coaxialité entre l'arc électrique et l'axe de symétrie de la tuyère amont induit un échauffement du canal de la tuyère. Il s'ensuit que les parois du canal de la tuyère amont peuvent se déformer, typiquement pour une température excédant 800 °C, voire fondre, si la température desdites parois dépasse la température de fusion du matériau constitutif de celle-ci, i. e. 1100 °C pour le cuivre. Ceci engendre alors une usure prématurée et asymétrique du canal, ce qui dégrade les performances du procédé de coupage mis en œuvre. Il est alors nécessaire de remplacer la tuyère défectueuse, ce qui conduit à une perte de temps et réduit la productivité de l'installation de coupage.
Par ailleurs, tout défaut de centrage ou de coaxialité entre l'arc électrique et le canal de la tuyère amont induit une dégradation des performances de coupe, en termes de vitesse et de qualités de coupe. En particulier, lorsque l'arc électrique n'est pas centré avec l'orifice de sortie du canal, i. e. avec le flux de gaz plasmagène servant à chasser le matériau fondu hors de la saignée de découpe, les performances de coupe sont inégales selon la direction de coupe.
En outre, un bon alignement de l'électrode et de la tuyère amont permet de centrer le pied cathodique de l'arc électrique sur l'insert de l'électrode, et ainsi d'éviter une usure asymétrique de celui-ci.
Par conséquent, il est impératif que l'arc électrique produit par une torche à plasma d'arc soit centré le long du canal de la tuyère amont, il est donc nécessaire de s'assurer du centrage dudit insert avec le centre du canal de la tuyère amont.
L'électrode d'une torche à plasma d'arc est une pièce d'usure qui doit être changée régulièrement. L'électrode doit donc être assemblée mécaniquement à la tête de torche, par l'intermédiaire d'un porte-électrode, et en être aisément amovible.
De plus, afin d'éviter les problèmes susmentionnés et de garantir le centrage de l'insert par rapport au canal de la tuyère, l'électrode doit être assemblée coaxialement au porte- électrode, i. e. leurs axes de symétrie doivent se superposer. En effet, l'axe de symétrie du porte-électrode est confondu avec l'axe de symétrie de la tête de torche elle-même et donc de la tuyère amont et de son canal de sortie.
Une méthode connue pour assembler l'électrode et le porte-électrode d'une tête de torche à plasma d'arc est de les visser l'un à l'autre. Pour ce faire, on réalise des pas de vis au niveau de l'extrémité supérieure de l'électrode et de l'extrémité inférieure du porte-électrode, lesdits pas de vis étant aptes à et conçus pour être vissés l'un avec l'autre. Plus précisément, les pas de vis sont obtenus par usinage de filets. Un premier filet est réalisé sur au moins une partie d'une des surfaces intérieure ou extérieure du corps de l'électrode, et un deuxième filet est réalisé sur au moins une partie de la surface du porte-électrode située en regard du premier filet, ledit deuxième filet étant ajusté au premier filet, c'est-à-dire formant le complémentaire de celui-ci, de manière à ce que l'électrode puisse être vissée dans ou autour du porte- électrode.
De tels ensembles formés d'un porte-électrode et d'une électrode vissés l'un à l'autre sont connus notamment des documents US-A-2004/0262270 et WO-A-2010/115397.
Cet assemblage par vissage, associé à un moyen d'étanchéité tel un joint torique et ou un contact métal-métal entre les parties assemblées de l'électrode et du bloc-électrode, présente l'avantage d'être simple et d'assurer une bonne étanchéité entre l'électrode et le porte-électrode.
En effet, une tête de torche à plasma d'arc est en général traversée par un ou plusieurs trajets de fluide de refroidissement, généralement de l'eau, de préférence désionisée, afin d'évacuer la chaleur accumulée par les composants de la torche au cours du procédé de coupage. En particulier, l'électrode d'une torche à plasma comprend un corps creux à l'intérieur duquel circule le fluide de refroidissement.
Toutefois, ce type d'assemblage entraîne un mauvais contrôle de la coaxialité de l'électrode et du porte-électrode une fois assemblés. Dit autrement, il est difficile de contrôler le centrage axial de l'électrode et du porte-électrode, c'est-à-dire la superposition de leurs axes de symétrie.
En effet, les filets réalisés sur chacun des composants définissent entre eux un jeu mécanique, c'est-à-dire un espace laissé entre les composants assemblés. Pour deux pièces vissées l'une dans Γ autres, la pièce vissée autour de l'autre définissant un diamètre intérieur contenant et l'autre pièce définissant un diamètre extérieur contenu, le jeu correspond à la différence entre ces deux diamètres mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie desdites pièces. Ce jeu est en général compris entre une valeur de jeu minimal et une valeur de jeu maximal qui résultent des tolérances mécaniques définies pour les diamètres contenant et contenu lors de la conception de l'assemblage. A cause du jeu présent entre les parties vissées de l'électrode et du porte-électrode, l'axe de symétrie (A) de l'électrode 1 effectue lors de son vissage au porte-électrode 3 un mouvement giratoire autour de l'axe de symétrie du porte-électrode (Α'). Ce mouvement est symbolisé par le cercle 30 sur la Figure 2. Ce mouvement giratoire résulte de deux contributions : le jeu entre les filets et la forme des filets eux-mêmes. Il s'ensuit que l'électrode 1 se retrouve fixée dans une position où son axe de symétrie A forme un angle avec l'axe de symétrie A' du porte-électrode. Ce désalignement est de plus difficilement contrôlable du fait de la difficulté de garantir une fabrication constante des filets et de la difficulté de contrôler dimensionnellement chaque filet fabriqué.
Différentes alternatives au vissage de l'électrode dans ou autour du porte-électrode ont déjà été proposées pour améliorer le centrage axial de l'électrode par rapport aux autres composants d'une torche à plasma d'arc. Toutefois, aucune de ces solutions n'est vraiment idéale pour assurer un assemblage fiable et étanche de l'électrode au porte-électrode.
Ainsi, le document US-A-5,841,095 divulgue l'utilisation d'un élément à lamelles ressorts agencé entre l'électrode et le logement aménagé dans le porte-électrode. L'élément est constitué de lamelles métalliques courbées exerçant une pression uniforme autour de l'électrode.
Cependant, le dispositif décrit dans US-A-5,841,095 engendre un risque accru de fuite d'eau en provenance du corps creux de l'électrode vers la chambre d'arc, ce qui n'est pas acceptable du fait de la mise en liaison électrique des composants de la torche qui peut en résulter. D'une part, cela peut conduire à l'apparition de potentiels électriques entre les composants de la tête de torche qui perturbent son utilisation dans une installation automatique de coupage. Il s'agit par exemple des courants de fuite qui peuvent provoquer des baisses de tensions et diminuer l'énergie disponible pour amorcer l'arc électrique ou de perturbations de la détection de la tôle par la torche. D'autre part, l'apparition d'eau entre les composants de la torche entraîne un risque d'usure par électrolyse desdits composants.
En outre, l'élément à lamelles divulgué dans US-A-5,841,095 assure le maintien des consommables de la torche, i. e. l'électrode et la tuyère amont. Il est donc soumis à des contraintes mécaniques importantes conduisant à sa déformation et donc à la perte du centrage. Quant au document EP-A-2339898, il propose d'agencer un élément compressible, en particulier un joint torique, autour de l'électrode d'une torche à plasma d'arc pour la maintenir et s'assurer de son centrage par rapport aux autres composants.
Toutefois, cette solution demande une précision d'usinage importante, surtout lorsque l'élément compressible porte sur des surfaces de profil conique et non cylindrique, ce qui complique l'usinage et le contrôle du centrage au plan industriel. De plus, le centrage ce fait à l'aide d'un élément en matériau élastomère. Or, ce type de matériaux présente une tolérance de fabrication sur ces dimensions typiquement comprise entre 0.1 et 0.3 mm. Il s'ensuit des variations non maîtrisées des taux de compression d'un joint à un autre, en particulier en présence de surfaces d'appui coniques, et donc des difficultés à contrôler le centrage axial de l'électrode dans la torche.
Le problème à résoudre est dès lors de pallier tout ou partie des inconvénients susmentionnés, notamment d'améliorer l'assemblage de l'électrode d'une torche à plasma d'arc pour permettre un meilleur centrage axial de ladite électrode par rapport aux autres composants de la torche.
Dit autrement, l'objet de la présente invention est de proposer un solution simple et efficace pour assembler coaxialement l'électrode et le porte électrode d'une torche à plasma d'arc, qui permette en outre un montage et un démontage aisés de l'électrode, tout en étant robuste mécaniquement et en assurant une bonne étanchéité au fluide de refroidissement circulant dans la torche à plasma d'arc.
La solution de l'invention est alors un ensemble formé d'un porte-électrode et d'une électrode amovible, l'extrémité supérieure de l'électrode étant assemblée dans ou autour de l'extrémité inférieure du porte-électrode grâce à des moyens d'assemblage comprenant :
- un premier filet réalisé sur au moins une partie d'une des surfaces intérieure ou extérieure de la paroi périphérique de l'électrode,
- un deuxième filet réalisé sur au moins une partie de la surface de la paroi périphérique du porte-électrode située en regard du premier filet, ledit deuxième filet étant ajusté au premier filet et définissant avec ledit premier filet un premier jeu, et
- des moyens de centrage de l'axe de symétrie de l'électrode avec l'axe de symétrie du porte-électrode comprenant un diamètre extérieur centrant et un diamètre intérieur centrant ajustés l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un deuxième jeu, caractérisé en ce que la valeur maximale du deuxième jeu entre les diamètres intérieur et extérieur centrants est inférieure à la valeur minimale du premier jeu entre lesdits premier et deuxième filets.
Par ailleurs, selon le mode de réalisation considéré, l'ensemble de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
il comprend en outre des moyens de butée de l'électrode contre le porte-électrode. les moyens d'assemblage comprennent en outre au moins un composant d'étanchéité agencé entre l'électrode et le porte-électrode.
le composant d'étanchéité est agencé dans une gorge périphérique aménagée dans au moins une des parois périphériques de l'électrode et/ou du porte-électrode,
le composant d'étanchéité est un joint élastomère.
le premier filet est réalisé sur la surface intérieure de la paroi périphérique de l'électrode et le deuxième filet est réalisé sur la surface extérieure de la paroi périphérique du porte-électrode, le diamètre extérieur centrant étant le diamètre extérieur de l'extrémité inférieure du porte-électrode et le diamètre intérieur centrant étant le diamètre intérieur de l'extrémité supérieure de l'électrode,
le premier filet est réalisé sur la surface extérieure de la paroi périphérique de l'électrode et le deuxième filet est réalisé sur la surface intérieure de la paroi périphérique du porte-électrode, le diamètre extérieur centrant étant le diamètre extérieur de l'extrémité supérieure de l'électrode et le diamètre intérieur centrant étant le diamètre intérieur de l'extrémité inférieure du porte-électrode,
l'axe de symétrie de l'électrode forme avec l'axe de symétrie du porte-électrode un angle inférieur à 3°, de préférence inférieur à 1°.
les premier et deuxième filets définissent entre eux un premier jeu dont la valeur minimale est comprise entre 0.05 et 0.5 mm, de préférence de l'ordre de 0.1 mm.
les diamètres extérieur et intérieur centrants définissent entre eux un deuxième jeu dont la valeur maximale est comprise entre 0.001 et 0.040 mm, de préférence de l'ordre de 0.010 mm.
les premier et deuxième filets ont une longueur comprise entre 3 et 10 mm et un pas compris entre 0.5 et 2 mm, de préférence de l'ordre de 1 mm. le porte-électrode est formé d'un matériau métallique choisi parmi le cuivre et ses alliages, le laiton ou l'argent et ses alliages.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également une électrode d'un ensemble selon l'invention comprenant un corps creux comprenant une paroi périphérique, ladite paroi étant formée de cuivre pur ou d'un alliage de cuivre ou d'argent, et un insert thermo-émissif formé de tungstène, d'hafnium, de zircone ou de leurs alliages.
En outre, l'invention concerne une torche à plasma d'arc comprenant un corps de torche alimenté en courant et une tête de torche connectée audit corps de torche comprenant une électrode, un porte-électrode et une tuyère amont, caractérisée en ce que l'électrode et le porte-électrode forment un ensemble selon l'invention ou l'électrode est selon l'invention, ainsi qu'un procédé de coupage par plasma d'arc d'une pièce métallique mettant en œuvre une torche à plasma d'arc selon l'invention.
L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite en références aux Figures annexées parmi lesquelles :
- la Figure 2 est une vue en coupe d'une tête de torche à plasma d'arc selon l'art antérieur, c'est-à-dire sans mise en œuvre de la solution de l'invention, la Figure 3 est une vue en coupe d'un ensemble formé d'une électrode et d'un porte-électrode pour tête de torche à plasma d'arc selon un mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 3a est une vue de détail de l'ensemble de la Figure 3, et
la Figure 4 est une vue en coupe d'un ensemble formé d'une électrode et d'un porte-électrode pour tête de torche à plasma d'arc selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Habituellement, une torche à plasma d'arc comprend un corps de torche servant d'interface entre la tête de torche, illustrée sur la Figure 2, et un générateur de courant, un générateur haute tension et haute fréquence servant à l'amorçage de l'arc électrique ainsi que les alimentations en fluide de l'installation de coupage par plasma d'arc (non schématisés).
Comme on le voit sur la Figure 2, une tête de torche à plasma d'arc conventionnelle comprend une électrode 1, munie en son extrémité inférieure d'un insert thermo-émissif 2, un porte-électrode 3 sur lequel est assemblée l'électrode 1. En outre, une tête de torche à plasma d'arc comprend une tuyère amont et un porte- tuyère (non schématisés) supportant la tuyère amont. Une coiffe externe et une tuyère aval (non schématisés), généralement formées d'un matériau appartenant à la famille des cuivreux, sont agencées autour de la tête de torche pour la protéger des chocs et des projections de métal fondu pouvant survenir au cours de la phase de coupage.
Une tête de torche à plasma d'arc comprend également au moins un conduit 28 d'amenée de fluide de refroidissement, en général de l'eau. En effet, les composants de la tête sont soumis à des températures très élevées, aussi bien pendant la phase d'amorçage de l'arc que pendant la phase de coupage. Il est donc nécessaire de les refroidir. En général, les moyens de refroidissement comprenant au moins un trajet de fluide circulant à travers la tête de torche, au contact d'un ou plusieurs composants de la tête de torche. L'eau est injectée dans la tête puis pompée par un groupe de refroidissement pour évacuer la chaleur accumulée par les composants.
En particulier, le conduit 28 alimente en eau l'intérieur du corps de l'électrode 1. Il est donc indispensable d'assurer une bonne étanchéité au niveau de la jonction entre l'électrode 1 et le porte-électrode 3 une fois assemblés.
La tête de torche à plasma d'arc représentée sur la Figure 2 est une tête de coupage par plasma d'arc dite conventionnelle, étant précisé que l'invention peut tout aussi bien être mise en œuvre dans une tête de torche à plasma d'arc destinée au coupage en vortex d'eau (non illustrée).
Dans ce cas, la tête de torche à plasma d'arc est équipée d'une tuyère aval, agencée en aval de la tuyère amont, et comprend un deuxième groupe de trajets d'eau circulant à travers la tête et alimentant ladite tuyère aval. La tête de torche à plasma d'arc comprend alors des moyens de génération de vortex aptes à et conçus pour distribuer par la tuyère aval un jet d'eau se propageant jusqu'à la tôle et formant un vortex autour de la colonne de plasma d'arc établie entre l'électrode et la tôle découpée.
La Figure 2 illustre une tête de torche dans laquelle l'électrode 1 est assemblée au porte-électrode 3 selon l'art antérieur, c'est-à-dire par simple vissage l'un dans Γ autre, sans contrôle des jeux entre les filets tel que proposé dans la présente invention. Ce type d'assemblage conduit à un mauvais centrage et à un défaut de coaxialité entre l'électrode 1 et le porte-électrode 3. Afin d'améliorer l'assemblage de l'électrode 1, et par là-même le centrage de l'insert 2 de l'électrode 1 par rapport au centre du canal de sortie 24 de la tuyère amont 23, on met en œuvre un ensemble formé d'une électrode 1 et d'un porte-électrode 3 selon l'invention.
Dans le cadre de le présente invention, on entend par filet un filetage ou un taraudage, selon qu'il est usiné respectivement sur une surface extérieure de la paroi périphérique d'une pièce de forme cylindrique contenue ou bien sur une surface intérieure de la paroi périphérique d'une pièce de forme cylindrique creuse contenant ladite pièce contenue.
Un mode de réalisation d'un tel ensemble est illustré sur la Figure 3, qui représente une vue en coupe de l'extrémité inférieure d'une tête de torche à plasma d'arc comprenant un ensemble selon l'invention.
L'ensemble est formé d'une électrode 1 amovible dont l'extrémité supérieure est assemblée dans ou autour de l'extrémité inférieure du porte-électrode 3 grâce à des moyens d'assemblage 5. L'électrode 1 est une pièce de révolution comprenant un corps creux formé d'une paroi périphérique 6 de forme cylindrique. Ledit corps est ouvert en son extrémité supérieure et fermé en son extrémité inférieure, laquelle extrémité inférieure comprend l'insert thermo-émissif 2. Comme montré sur la Figure 2, le porte-électrode 3 est une pièce de révolution ouverte en ses deux extrémités et comprenant en son extrémité inférieure une partie de forme cylindrique de section restreinte et délimitée par une paroi périphérique 11. C'est au niveau de cette partie que se situent les moyens d'assemblage 5.
Les moyens d'assemblage 5 comprennent un premier filet 5a réalisé sur une partie d'une des surfaces intérieure ou extérieure de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1. Ils comprennent également un deuxième filet 5b réalisé sur une partie de la surface de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3 située en regard du premier filet 5a. Le deuxième filet 5b est ajusté, i. e. complémentaire, au premier filet 5a de manière à pouvoir visser l'électrode 1 et le porte-électrode 3 l'un à l'autre.
Plus précisément, le diamètre et le pas du premier filet 5b sont ajustés au diamètre et au pas du premier filet 5 a. Toute fabrication mécanique ne pouvant jamais garantir des diamètres de filets strictement égaux, il existe toujours un jeu mécanique, appelé ici premier jeu, c'est-à-dire un espace laissé entre les deux filets assemblés.
La Figure 3a est une vue de coupe longitudinale de l'ensemble de la Figure 3 centrée sur les filets 5a et 5b. Comme on le voit, les filets 5a et 5b résultent chacun de l'usinage d'une structure hélicoïdale autour des axes de symétrie de l'électrode et du porte-électrode respectivement. Les filets sont formés de motifs, de préférence de profil conique ou tronconique, répétés périodiquement le long de la longueur desdits filets, la période constituant le pas desdits filets.
Sur les Figures 3 et 3a, le filet 5b est un filet réalisé sur la surface extérieure du porte- électrode, c'est-à-dire un filet extérieur, encore appelé filetage. Le filet 5a est un filet réalisé sur la surface intérieure de l'électrode, c'est-à-dire un filet intérieur, encore appelé taraudage.
Le filet 5b réalisé sur l'électrode 1 vissée autour du porte électrode 3 définit un diamètre intérieur contenant et le filet 5a réalisé sur le porte électrode 3 définit un diamètre extérieur contenu. Le premier jeu correspond à la différence entre ces deux diamètres mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie de la torche, c'est-à-dire une distance égale au double de la distance d représentée sur la Figure 3a. Ce premier jeu est en général compris entre une valeur minimale de premier jeu et une valeur maximale de premier jeu. Ces valeurs minimale et maximale résultent des tolérances mécaniques définies pour les diamètres des filets 5a et 5b lors de la conception de l'assemblage.
Selon l'invention, les moyens d'assemblage 5 comprennent en outre des moyens de centrage 7 de l'axe de symétrie A de l'électrode 1 avec l'axe de symétrie A' du porte-électrode 3.
Ces moyens 7 comprennent un diamètre extérieur 7a centrant et un diamètre intérieur 7b centrant ajustés l'un par rapport à l'autre. Le diamètre extérieur 7a correspond au diamètre extérieur de la partie non filetée de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3. Le diamètre intérieur 7b correspond au diamètre intérieur de la partie non filetée de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1.
De par les tolérances définies sur les diamètres 7a et 7b, ceux-ci définissent entre eux un deuxième jeu compris entre une valeur minimale de deuxième jeu et une valeur maximale de deuxième jeu.
La caractéristique essentielle de l'ensemble de l'invention réside dans la définition des tolérances d'ajustement pour les moyens d'assemblage 5 et les moyens de centrage 7. En effet, les diamètres 7a et 7b et les filets 5 a et 5b sont ajustés de manière à ce que la valeur maximale du deuxième jeu entre les diamètres 7a et 7b centrants soit toujours inférieure à la valeur minimale du premier jeu entre les premier et deuxième filets 5a et 5b. Typiquement, dans le cadre de la présente invention, les tolérances sur les diamètres extérieur et intérieur 7a et 7b centrants sont telles qu'ils définissent entre eux un deuxième jeu dont la valeur maximale est comprise entre 0.001 et 0.040 mm, de préférence de l'ordre de 0.010 mm.
Les tolérances sur les diamètres des premier et deuxième filets 5a et 5b sont telles qu'ils définissent entre eux un premier jeu dont la valeur minimale est comprise entre 0.05 et 0.5 mm, de préférence comprise entre 0.1 et 0.4 mm, de préférence encore de l'ordre de 0.1 mm.
Selon l'invention, les filets 5a et 5b sont chacun formés de plusieurs filets. Leur pas est compris entre 0.5 et 2 mm, de préférence de l'ordre de 1 mm. Les filets 5a et 5b ont une longueur comprise entre 3 et 10 mm, c'est-à-dire qu'ils sont réalisés le long des surfaces des parois de l'électrode et du porte-électrode se faisant face sur ladite longueur. Cette longueur est représentée par la double flèche L sur les Figures 3 et 4.
L'ensemble de l'invention permet d'améliorer la coaxialité de l'électrode 1 et du porte- électrode 3. Plus précisément, il l'axe de symétrie (A) de l'électrode (1) forme avec l'axe de symétrie (Α') du porte-électrode (3) un angle (a) inférieur à 3°, de préférence inférieur à 1°.
En fait, en imposant volontairement que le jeu entre les filets 5a et 5b soit supérieur au jeu entre les diamètres centrant 7a et 7b, on s'assure que le centrage et l'alignement de l'électrode 1 avec le porte-électrode est opéré grâce audits diamètres centrant, et non grâce aux filets 5a et 5b. Ce type de centrage axial est plus précis que le centrage par filets car un diamètre peut être usiné et contrôlé dimensionnellement avec beaucoup plus de précision qu'un filet. En d'autres termes, l'invention permet de conserver un assemblage de l'électrode 1 par vissage dans ou autour du porte-électrode 3, qui offre l'avantage d'être simple à mettre en œuvre et d'assurer une bonne étanchéité et un bon contact électrique entre l'électrode 1 et le porte-électrode 3, tout en s 'affranchissant des défauts géométriques inhérents aux tolérances sur les filets 5a et 5b.
En outre, les moyens d'assemblage 5 peuvent comprendre des moyens de butée 8 permettant de serrer l'électrode 1 contre le porte-électrode 3. Ces moyens de butée 8 peuvent consister en un épaulement usiné au niveau de la paroi périphérique de l'électrode 1 ou du porte-électrode 3. De préférence, les moyens d'assemblage 5 comprennent au moins un composant d'étanchéité 4, par exemple un joint élastomère, agencé entre l'électrode 1 et le porte- électrode 3. Une gorge périphérique 9 peut être aménagée dans au moins une des parois périphériques de l'électrode 1 et/ou du porte-électrode 3 afin d'y loger le composant d'étanchéité 4.
La Figure 3 schématise un mode de réalisation de l'invention dans lequel l'électrode 1 est vissée autour du porte-électrode 3, c'est-à-dire que l'extrémité supérieure de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1 vient couvrir au moins en partie l'extrémité inférieure de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3. Dit autrement, l'électrode 1 forme un écrou et le porte-électrode 3 forme une vis.
Plus précisément, le premier filet 5a est réalisé sur l'extrémité supérieure de la surface intérieure de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1 et le deuxième filet 5b est réalisé sur la surface extérieure de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3.
Le diamètre extérieur 7a centrant est le diamètre extérieur de la partie non filetée de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3 et le diamètre intérieur 7b centrant est le diamètre intérieur de la partie non filetée de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1.
Selon au autre mode de réalisation, illustré en Figure 4, l'électrode 1 est vissée dans le porte-électrode 3. Dans ce cas, l'extrémité inférieure de la paroi périphérique 11 du porte- électrode 3 recouvre en partie l'extrémité supérieure de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1. Dit autrement, l'électrode 1 forme une vis et le porte-électrode 3 forme un écrou.
Dans cette configuration, le premier filet 5a est réalisé sur l'extrémité supérieure de la surface extérieure de la paroi périphérique 6 de l'électrode 1 et le deuxième filet 5b est réalisé sur l'extrémité inférieure de la surface intérieure de la paroi périphérique 11 du porte-électrode 3.
Dit autrement, le premier filet 5a est un filet extérieur, c'est-à-dire un filetage, et le deuxième filet 5b est un filet intérieur, c'est-à-dire un taraudage.
Le diamètre extérieur 7a centrant est le diamètre extérieur de l'extrémité supérieure de l'électrode 1 et le diamètre intérieur 7b centrant est le diamètre intérieur de l'extrémité inférieure du porte-électrode 3.
Quelque soit le mode de réalisation de l'invention, le porte-électrode 3 est formé d'un matériau métallique choisi parmi le cuivre et ses alliages, le laiton ou l'argent et ses alliages. L'électrode 1 de l'ensemble selon l'invention comprend un corps 10 dont la paroi périphérique 6 est formée de cuivre pur ou d'un alliage de cuivre ou d'argent et dont Pinsert thermo-émissif 2 est formé de tungstène, d'hafnium, de zircone ou de leurs alliages..
Selon l'invention, différentes valeurs de diamètres centrants ou de diamètres de filets ainsi que différents couples d'ajustements entre les filets 5a et 5b et les diamètres centrants 7a et 7b peuvent être utilisés, à condition que la valeur maximale du deuxième jeu entre les diamètres 7a et 7b centrants reste inférieure à la valeur minimale du premier jeu entre les premier et deuxième filets 5 a et 5b.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, dans lequel l'électrode 1 est vissée autour du porte-électrode 3 (Figure 3), le diamètre extérieur centrant 7a du porte-électrode 3 a une valeur nominale de 8 mm. Le diamètre 7a est défini avec une tolérance minimale de 7.986 mm et une tolérance maximale de 7.995. Ceci correspond à un ajustement de type g6 selon la norme NF EN ISO 286 - ISO 8015. L'électrode 1 possède un diamètre intérieur centrant 7b de 8 mm défini avec une tolérance minimale de 8 mm et une tolérance maximale de 8.015 mm. Ceci correspond à un ajustement de type H7 selon la norme NF EN ISO 286 - ISO 8015.
Les tolérances définies sur les diamètres 7a et 7b conduisent à un deuxième jeu compris entre une valeur minimale de 0.005 mm et une valeur maximale de 0.029 mm. Selon la norme NF EN ISO 286 - ISO 8015, l'ajustement des diamètres 7a et 7b est du type H7/g6.
Les filets 5a et 5b sont réalisés sur un diamètre de 10 mm, c'est-à-dire de type M10, avec un pas compris entre 0.5 et 2 mm, de préférence de l'ordre de 1 mm.
Conformément à l'invention, l'ajustement entre les filets est choisi de manière à ce qu'ils définissent entre eux un premier jeu dont la valeur minimale est supérieure à la valeur maximale du deuxième jeu, c'est-à-dire 0.029 mm. Selon la norme NF ISO 965-1, l'ajustement des filets 5a et 5b est alors du type 6e/6H. Le premier jeu entre les filets 5a et 5b est compris entre une valeur minimale de 0.06 mm et une valeur maximale de 0.39 mm.
Par ailleurs, la présente invention concerne une électrode d'un ensemble selon l'invention, ainsi qu'une torche à plasma d'arc, conventionnelle ou à vortex d'eau, comprenant un corps de torche alimenté en courant et une tête de torche connectée audit corps de torche. La tête de torche comprend une électrode 1, un porte-électrode 3 et une tuyère amont 23, l'électrode 1 et le porte-électrode 3 formant un ensemble selon l'invention. L'ensemble selon l'invention peut équiper tout type de torche à plasma d'arc. L'application principale d'une torche à plasma d'arc selon l'invention est un procédé de coupage de pièce métallique par plasma d'arc, sans ou avec vortex d'eau. En effet, l'ensemble de l'invention permet d'améliorer le centrage axial de l'électrode avec l'axe de symétrie de la torche. Il s'ensuit un meilleur centrage de l'arc électrique le long du canal de la tuyère amont ainsi que sur l'insert thermo-émissif de l'électrode, ce qui améliore la durée de vie des composants de la torche. Par ailleurs, une meilleure coaxialité de l'électrode permet d'optimiser les performances de coupe du procédé de coupage par plasma d'arc mis en œuvre.

Claims

Revendications
1. Ensemble formé d'un porte-électrode (3) et d'une électrode (1) amovible, l'extrémité supérieure de l'électrode (1) étant assemblée dans ou autour de l'extrémité inférieure du porte-électrode (3) grâce à des moyens d'assemblage (5) comprenant :
- un premier filet (5a) réalisé sur au moins une partie d'une des surfaces intérieure ou extérieure de la paroi périphérique (6) de l'électrode (1),
- un deuxième filet (5b) réalisé sur au moins une partie de la surface de la paroi périphérique (11) du porte-électrode (3) située en regard du premier filet (5a), ledit deuxième filet (5b) étant ajusté au premier filet (5 a) et définissant avec ledit premier filet (5 a) un premier jeu, et
- des moyens de centrage (7) de l'axe de symétrie (A) de l'électrode (1) avec l'axe de symétrie (Α') du porte-électrode (3) comprenant un diamètre extérieur (7a) centrant et un diamètre intérieur (7b) centrant ajustés l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un deuxième j eu,
caractérisé en ce que la valeur maximale du deuxième jeu entre les diamètres intérieur et extérieur centrants (7a, 7b) est inférieure à la valeur minimale du premier jeu entre lesdits premier et deuxième filets (5a, 5b).
2. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de butée (8) de l'électrode (1) contre le porte-électrode (3).
3. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'assemblage comprennent en outre au moins un composant d'étanchéité (6) agencé entre l'électrode (1) et le porte-électrode (3).
4. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le composant d'étanchéité (4) est agencé dans une gorge périphérique (9) aménagée dans au moins une des parois périphériques de l'électrode (1) et/ou du porte-électrode (3).
5. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant d'étanchéité (4) est un joint élastomère.
6. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier filet (5a) est réalisé sur la surface intérieure de la paroi périphérique (6) de l'électrode (1) et le deuxième filet (5b) est réalisé sur la surface extérieure de la paroi périphérique (11) du porte-électrode (3), le diamètre extérieur (7a) centrant étant le diamètre extérieur de l'extrémité inférieure du porte-électrode (3) et le diamètre intérieur (7b) centrant étant le diamètre intérieur de l'extrémité supérieure de l'électrode (1).
7. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier filet (5a) est réalisé sur la surface extérieure de la paroi périphérique (6) de l'électrode (1) et le deuxième filet (5b) est réalisé sur la surface intérieure de la paroi périphérique (11) du porte- électrode (3), le diamètre extérieur (7a) centrant étant le diamètre extérieur de l'extrémité supérieure de l'électrode (1) et le diamètre intérieur (7b) centrant étant le diamètre intérieur de l'extrémité inférieure du porte-électrode (3).
8. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de symétrie (A) de l'électrode (1) forme avec l'axe de symétrie (Α') du porte-électrode (3) un angle (a) inférieur à 3°, de préférence inférieur à 1°.
9. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième filets (5a, 5b) définissent entre eux un premier jeu dont la valeur minimale est comprise entre 0.05 et 0.5 mm, de préférence de l'ordre de 0.1 mm.
10. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diamètres extérieur et intérieur (7a, 7b) centrants définissent entre eux un deuxième jeu dont la valeur maximale est comprise entre 0.001 et 0.040 mm, de préférence de l'ordre de 0.010 mm.
11. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et deuxième filets (5 a, 5b) ont une longueur comprise entre 3 et 10 mm et un pas compris entre 0.5 et 2 mm, de préférence de l'ordre de 1 mm.
12. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le porte-électrode (3) est formé d'un matériau métallique choisi parmi le cuivre et ses alliages, le laiton ou l'argent et ses alliages.
13. Electrode (1) d'un ensemble selon l'une des revendications 1 à 12 comprenant un corps creux comprenant une paroi périphérique (6), ladite paroi (6) étant formée de cuivre pur ou d'un alliage de cuivre ou d'argent, et un insert thermo-émissif (2) formé de tungstène, d'hafnium, de zircone ou de leurs alliages.
14. Torche à plasma d'arc comprenant un corps de torche alimenté en courant et une tête de torche connectée audit corps de torche comprenant une électrode (1), un porte- électrode (3) et une tuyère amont, caractérisée en ce que l'électrode (1) et le porte-électrode (3) forment un ensemble selon l'une des revendications 1 à 12 et/ou l'électrode (1) est selon la revendication 13.
15. Procédé de coupage par plasma d'arc d'une pièce métallique mettant en œuvre torche à plasma d'arc selon la revendication 14.
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