FR2696613A1 - Arc plasma torch and method of implementation. - Google Patents
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Abstract
La structure d'électrode (15, 16, 17) est normalement écartée de la tuyère (3) par un ressort (31), la partie arrière (15) de la structure d'électrode formant un moyen de piston à deux faces opposées (24, 25) exposées séquentiellement à la pression du gaz plasmagène lors de la mise en pression de la torche pour, dans un premier temps, amener l'électrode (17) en contact de court-circuit avec la tuyère (3), puis dans un deuxième temps et lors de la mise en uvre de la torche, maintenir l'électrode (17) écartée de la tuyère (3). Application notamment au coupage par plasma d'arc.The electrode structure (15, 16, 17) is normally spaced from the nozzle (3) by a spring (31), the rear part (15) of the electrode structure forming a piston means with two opposite faces ( 24, 25) exposed sequentially to the pressure of the plasma gas during the pressurization of the torch to, initially, bring the electrode (17) into short-circuit contact with the nozzle (3), then in a second time and during the implementation of the torch, maintain the electrode (17) spaced from the nozzle (3). Application in particular to arc plasma cutting.
Description
La présente invention concerne une torche à plasma d'arc du typeThe present invention relates to an arc plasma torch of the type
comportant un corps de torche supportant une tuyère munie d'un canal de sortie de plasma, une structure d'électrode, déplaçable dans le corps de torche et comportant une partie avant supportant une électrode s'étendant dans la tuyère, la structure d'électrode étant sollicitée élastiquement dans une première direction tendant à écarter l'électrode de la tuyère et comportant un moyen de piston à faces opposées, avant et arrière, des moyens à pression de fluide pour séquentiellement déplacer la structure d'électrode dans une direction opposée à la première direction puis dans la première direction, et un comprising a torch body supporting a nozzle provided with a plasma outlet channel, an electrode structure, movable in the torch body and comprising a front part supporting an electrode extending in the nozzle, the electrode structure being elastically biased in a first direction tending to separate the electrode from the nozzle and comprising a piston means with opposite faces, front and rear, fluid pressure means for sequentially moving the electrode structure in a direction opposite to the first direction then in the first direction, and a
circuit de gaz plasmagène.plasma gas circuit.
Une torche de ce type est décrite dans le document US-A-3 242 305 (Kane) Dans ce document, la structure d'électrode est déplacée dans la direction opposée à la première direction par un gaz d'actionnement et, dans la première direction, par l'eau de refroidissement, le circuit de gaz plasmagène étant formé essentiellement dans le corps de torche pour déboucher, en aval, dans A torch of this type is described in document US-A-3 242 305 (Kane) In this document, the electrode structure is moved in the direction opposite to the first direction by an actuating gas and, in the first direction, by the cooling water, the plasma gas circuit being formed essentially in the torch body to lead, downstream, into
la tuyère.the nozzle.
La présente invention a pour objet de proposer une torche du type cidessus de construction simple, robuste et fiable, de coûts de fabrication réduits, ne nécessitant pas de fluide additionnel de The object of the present invention is to propose a torch of the above type of simple, robust and reliable construction, of reduced manufacturing costs, requiring no additional fluid.
refroidissement ni de circuit séparé de fluide d'actionnement. cooling or separate actuating fluid circuit.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, les moyens à pression de fluide comprennent une portion du circuit de gaz plasmagène adressant sélectivement le gaz plasmagène aux deux faces, To do this, according to a characteristic of the invention, the fluid pressure means comprise a portion of the plasma gas circuit selectively addressing the plasma gas to the two faces,
avant et arrière, du moyen de piston. front and rear, of the piston means.
Selon d'autres caractéristiques plus particulières de l'invention: la portion de circuit de gaz plasmagène comprend une première partie de circuit exposant en permanence la face avant du moyen de piston au gaz plasmagène et une deuxième partie de circuit via laquelle la face arrière est exposée temporairement à une pression du gaz plasmagène; la première partie de circuit est une partie aval du circuit d'amenée de gaz plasmagène à la tuyère; la deuxième partie de circuit comporte un clapet, typiquement un clapet de décharge, actionnable par un piston, le clapet et le piston étant avantageusement disposés dans une partie According to other more specific characteristics of the invention: the portion of the plasma gas circuit comprises a first circuit part permanently exposing the front face of the piston means to the plasma gas and a second circuit part via which the rear face is temporarily exposed to plasma gas pressure; the first part of the circuit is a downstream part of the circuit for supplying plasma gas to the nozzle; the second part of the circuit comprises a valve, typically a relief valve, actuable by a piston, the valve and the piston advantageously being arranged in a part
arrière de la structure d'électrode. back of the electrode structure.
La présente invention a également pour objet de proposer un procédé simplifié et fiable de mise en oeuvre d'une torche à plasma comportant une électrode déplaçable par pression de fluide par rapport à une tuyère normalement sollicitée à l'écart de cette dernière, le procédé étant caractérisé par les étapes successives suivantes introduire le gaz plasmagène dans la torche; déplacer l'électrode vers la tuyère avec une partie du gaz plasmagène; puis déplacer l'électrode à l'écart de la tuyère avec une Another object of the present invention is to propose a simplified and reliable method for implementing a plasma torch comprising an electrode displaceable by fluid pressure with respect to a nozzle normally stressed away from the latter, the method being characterized by the following successive steps introducing the plasma gas into the torch; move the electrode to the nozzle with part of the plasma gas; then move the electrode away from the nozzle with a
deuxième partie du gaz plasmagène. second part of the plasma gas.
Outre les avantages sus-mentionnés de simplicité d'exécution et de mise en oeuvre, la torche et le procédé selon l'invention permettent d'établir un court-circuit franc entre l'électrode et la tuyère, garantissant une sécurité de fonctionnement et une fiabilité accrues. D'autres caractéristiques et avantages de la présente In addition to the above-mentioned advantages of simplicity of execution and implementation, the torch and the method according to the invention make it possible to establish a clear short circuit between the electrode and the nozzle, guaranteeing operational safety and a increased reliability. Other features and advantages of this
invention ressortiront de la description suivante d'un mode de invention will emerge from the following description of a mode of
réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 à 3 sont des vues en coupe longitudinale d'une torche selon l'invention, respectivement en position de repos, en position d'établissement de court-circuit et en position embodiment, given by way of illustration but in no way limiting, made in relation to the appended drawings, in which: FIGS. 1 to 3 are views in longitudinal section of a torch according to the invention, respectively in the rest position, in the position d establishment of short circuit and in position
opérationnelle de génération d'arc. operational arc generation.
Dans le mode de réalisation représenté, la torche comporte un corps de torche 1 comportant une partie tubulaire avant 2, dans l'extrémité de laquelle est vissée une tuyère 3 comportant un canal 4 de sortie de plasma, et une partie arrière dans laquelle est montée une chemise isolante 5 formant logement pour un boîtier-cylindre 6 comportant un alésage interne 7 fermé à l'extrémité supérieure (sur le dessin) par un fond 8 traversé par un alésage central 9 Les éléments 5 et 6 sont maintenus dans le corps de torche 1 par une bride de fond annulaire 10 en matériau isolant Une tubulure Il d'amenée de gaz plasmagène, typiquement de l'air, est fixée au corps 1 et débouche dans un passage traversant 12 formé dans la chemise 5 et débouchant lui-même dans une rainure périphérique 13 du boîtier 6 communiquant In the embodiment shown, the torch comprises a torch body 1 comprising a front tubular part 2, in the end of which is screwed a nozzle 3 comprising a plasma outlet channel 4, and a rear part in which is mounted an insulating jacket 5 forming a housing for a cylinder housing 6 having an internal bore 7 closed at the upper end (in the drawing) by a bottom 8 traversed by a central bore 9 The elements 5 and 6 are held in the torch body 1 by an annular bottom flange 10 made of insulating material A tube II for supplying plasma gas, typically air, is fixed to the body 1 and opens into a through passage 12 formed in the jacket 5 and opens itself into a peripheral groove 13 of the communicating housing 6
avec l'alésage interne 7 par une série de passages radiaux 14. with the internal bore 7 by a series of radial passages 14.
Dans l'alésage 7 du boîtier-cylindre 6 est montée à coulissement la partie arrière formant piston 15 d'une structure d'électrode comportant une partie avant tubulaire 16 sur l'extrémité de laquelle est montée de façon étanche une électrode creuse 17 partiellement reçue dans la tuyère 3 dont l'extrémité comporte un insert de formation d'arc 18, par exemple en hafnium La partie avant 16 et l'électrode 17 définissent, dans la partie avant 2 du corps de torche et la tuyère 3, une chambre annulaire 19 communiquant avec l'extrémité ouverte ou avant de l'alésage 7 Dans un alésage étagé central 20 formé dans la partie avant 16 de la structure d'électrode est disposé un élément tubulaire 21 se prolongeant jusque dans l'électrode 17 et définissant intérieurement, dans l'alésage étagé 20, une chambre annulaire 22 communiquant avec la chambre annulaire 19 par au moins un passage transversal 23 formé dans la partie avant de In the bore 7 of the cylinder housing 6 is slidably mounted the rear part forming a piston 15 of an electrode structure comprising a tubular front part 16 on the end of which is mounted in a sealed manner a hollow electrode 17 partially received in the nozzle 3, the end of which comprises an arc-forming insert 18, for example in hafnium The front part 16 and the electrode 17 define, in the front part 2 of the torch body and the nozzle 3, an annular chamber 19 communicating with the open or front end of the bore 7 In a central stepped bore 20 formed in the front part 16 of the electrode structure is arranged a tubular element 21 extending as far as the electrode 17 and defining internally, in the stepped bore 20, an annular chamber 22 communicating with the annular chamber 19 by at least one transverse passage 23 formed in the front part of
l'électrode 16.the electrode 16.
La partie arrière 15 de la structure d'électrode forme une face de piston arrière 24, en regard du fond 8, et une face de piston avant 25 exposée à la pression dans la chambre annulaire 19 La partie arrière 15 comporte une large rainure périphérique 26 séparant deux portées périphériques de coulissement dans l'alésage 7, la portée périphérique arrière ménageant un léger jeu 27 établissant une communication avec restriction entre la rainure 26, qui communique en permanence avec la tubulure d'amenée 11, et une chambre arrière 28 entre le fond 8 et la face de piston arrière 24 Dans la partie arrière de la structure d'électrode, au moins un passage intérieur 29 établit une communication entre la rainure 26 et l'extrémité arrière de l'élément tubulaire 21 La partie arrière 15 est prolongée, vers l'arrière, par une queue tubulaire 30 s'étendant à coulissement juste dans l'alésage 9 et formant une portée arrière d'appui pour un ressort écarteur 31 sollicitant la structure d'électrode 15-16 et l'électrode The rear part 15 of the electrode structure forms a rear piston face 24, facing the bottom 8, and a front piston face 25 exposed to the pressure in the annular chamber 19 The rear part 15 has a wide peripheral groove 26 separating two peripheral sliding surfaces in the bore 7, the rear peripheral bearing leaving a slight clearance 27 establishing a restricted communication between the groove 26, which permanently communicates with the supply pipe 11, and a rear chamber 28 between the bottom 8 and the rear piston face 24 In the rear part of the electrode structure, at least one internal passage 29 establishes communication between the groove 26 and the rear end of the tubular element 21 The rear part 15 is extended , towards the rear, by a tubular shank 30 extending to slide just in the bore 9 and forming a rear bearing surface for a spacer spring 31 showing the electrode structure 15-16 and the electrode
17 vers l'arrière, c'est-à-dire à l'écart du canal 4 de la tuyère 3. 17 towards the rear, that is to say away from the channel 4 of the nozzle 3.
La partie arrière 15 de la structure d'électrode comporte un alésage étagé 32 débouchant vers l'arrière et obturé par un bloc 33 formant la queue 30 et comportant un alésage central 34 dans lequel est monté à coulissement un tiroir 35 solidaire d'un piston 36 coulissant dans l'alésage 32 et sollicité vers l'arrière par un ressort 37 Des passages radiaux 38 établissent une communication permanente entre la rainure 26 et la portion de l'alésage 32 entre le piston 36 et le bloc 33 Ce dernier comporte, à son arrière, un passage transversal 39 établissant une communication sélective entre la chambre 28 et l'alésage 34 selon la position du tiroir 35 commandé The rear part 15 of the electrode structure comprises a stepped bore 32 opening out towards the rear and closed off by a block 33 forming the tail 30 and comprising a central bore 34 in which is slidably mounted a drawer 35 integral with a piston 36 sliding in the bore 32 and biased towards the rear by a spring 37 Radial passages 38 establish permanent communication between the groove 26 and the portion of the bore 32 between the piston 36 and the block 33 The latter comprises, at its rear, a transverse passage 39 establishing a selective communication between the chamber 28 and the bore 34 according to the position of the drawer 35 controlled
par le piston 36.by piston 36.
Sur le corps de torche est montée une jupe 40 entourant l'embase de la partie avant 2 du corps de torche et définissant avec cette dernière une chambre annulaire 41 débouchant vers l'avant et communiquant avec la chambre annulaire 19 par des passages radiaux 42 A skirt 40 is mounted on the torch body surrounding the base of the front part 2 of the torch body and defining with the latter an annular chamber 41 opening out towards the front and communicating with the annular chamber 19 by radial passages 42
formés dans la partie avant 2, à l'arrière de celle-ci. formed in the front part 2, at the rear thereof.
Le fonctionnement de la torche qui vient d'être décrite, est le suivant: Dans la position de repos représentée sur la figure 1 (sans introduction de gaz plasmagène), l'électrode 17 est maintenue écartée du canal 4 par l'action du ressort 31 Le passage 39 est obturé par le The operation of the torch which has just been described is as follows: In the rest position shown in FIG. 1 (without introduction of plasma gas), the electrode 17 is kept spaced from the channel 4 by the action of the spring 31 The passage 39 is closed by the
tiroir 35 en position arrière sous l'effet du ressort 37. drawer 35 in rear position under the effect of spring 37.
Lorsqu'on introduit du gaz plasmagène sous pression par le conduit 11, celui-ci pénètre dans la rainure 26 et, de là, dans la chambre 28 par le jeu 27 et, parallèlement, jusqu'au canal 4 et la chambre externe 41 par les passages 29, 21, 22, 23, dans la structure d'électrode, la chambre 19 et les passages 42 La pression monte rapidement dans la petite chambre fermée 28 alors que la pression exercée sur la face avant 25 monte plus lentement en raison des fuites par le canal 4 et les passages 42, 41 La structure d'électrode se trouve ainsi déplacée brusquement vers l'avant et amène l'électrode 17 à percuter la tuyère 3 en occasionnant, comme représenté sur la figure 2, un court-circuit franc entre cette dernière, reliée à un pôle positif d'un générateur électrique, et l'électrode 17 reliée, via la queue 30, au pôle négatif de ce générateur La pression de gaz plasmagène continue cependant d'augmenter dans la rainure 26 et les passages 38, et atteint un niveau tel qu'elle provoque le déplacement du piston 36 vers l'avant, à l'encontre de son ressort de rappel 37, déplaçant ainsi le tiroir 35 pour libérer la communication entre le passage 39 et l'alésage de mise à l'air libre 34, ce qui provoque une brusque diminution de la pression dans la chambre 28, qui, ne compensant plus la force de rappel du ressort 31 et la pression accrue, dans la chambre 19, en raison de la fermeture temporaire du canal 4, exercée sur la face avant 25, provoque un recul de la5 structure d'électrode 15-16 et de l'électrode 17, ouvrant ainsi le court-circuit et provoquant une étincelle allumant l'arc pilote et le jet de plasma du gaz plasmagène s'échappant par le canal 4 Cette configuration est représentée sur la figure 3 En fonctionnement, le flux de gaz plasmagène est pour l'essentiel adressé au canal de sortie1 O de plasma 4 via les passages 29, 21, 20, à l'intérieur de la structure d'électrode 15-16, et 19, à l'extérieur de cette dernière, qui se trouve ainsi convenablement refroidie Une partie du flux, ne participant pas à la formation de plasma, est évacuée autour de la partie avant 2 du corps de la torche et de la tuyère 3, typiquement15 dans une jupe périphérique isolante 40 (fig 2) reliée au boîtier de torche (non représenté), et refroidissant ainsi également les derniers éléments. On voit ainsi qu'en l'absence de fluide plasmagène, l'électrode 17 et la tuyère 3 sont normalement maintenues écartées l'une de l'autre Dans une phase intermédiaire de montée en pression du gaz plasmagène, elles sont mises temporairement en court-circuit et ce n'est qu'à partir d'une pression de gaz plasmagène précise, proche de la pression nominale du fonctionnement de la torche, que l'allumage est provoqué Lorsque l'amenée de gaz plasmagène est interrompue, la25 structure d'électrode 15-16 conserve sa position "reculée" précédente et le ressort 37 rappelle le tiroir 35 dans sa position arrière, la torche recouvrant alors sa configuration de la figure 1, prête à une nouvelle séquence de début de phase de mise en oeuvre. La plupart des pièces de la torche sont en alliage de cuivre, l'électrode 17 étant avantageusement en cuprochrome La chemise isolante 5, ainsi que la bride de sertissage 10, sont avantageusement en matériau plastique chargé de fibres de verre. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas When plasma gas under pressure is introduced via line 11, it enters groove 26 and, from there, into chamber 28 through clearance 27 and, in parallel, as far as channel 4 and external chamber 41 through the passages 29, 21, 22, 23, in the electrode structure, the chamber 19 and the passages 42 The pressure rises rapidly in the small closed chamber 28 while the pressure exerted on the front face 25 rises more slowly due to the leaks through the channel 4 and the passages 42, 41 The electrode structure is thus suddenly moved forward and causes the electrode 17 to strike the nozzle 3, causing, as shown in FIG. 2, a short circuit frank between the latter, connected to a positive pole of an electric generator, and the electrode 17 connected, via the tail 30, to the negative pole of this generator The pressure of plasma gas, however, continues to increase in the groove 26 and the passages 38, and reaches a level as it causes the piston 36 to move forward, against its return spring 37, thus moving the slide 35 to release the communication between the passage 39 and the vent hole 34, which causes a sudden decrease in the pressure in the chamber 28, which, no longer compensating for the return force of the spring 31 and the increased pressure, in the chamber 19, due to the temporary closure of the channel 4, exerted on the front face 25 causes the electrode structure 15-16 and the electrode 17 to retreat, thereby opening the short-circuit and causing a spark igniting the pilot arc and the plasma jet of the plasma gas escaping by channel 4 This configuration is represented in FIG. 3 In operation, the flow of plasma gas is essentially directed to the outlet channel 1 O of plasma 4 via passages 29, 21, 20, inside the structure electrode 15-16, and 19, outside of the latter, q which is thus suitably cooled Part of the flow, not participating in the formation of plasma, is discharged around the front part 2 of the body of the torch and of the nozzle 3, typically in an insulating peripheral skirt 40 (fig 2) connected to the torch housing (not shown), and thus also cooling the last elements. It can thus be seen that in the absence of plasma-generating fluid, the electrode 17 and the nozzle 3 are normally kept apart from one another. In an intermediate phase of rise in pressure of the plasma-producing gas, they are temporarily put into operation -circuit and it is only from a precise plasma gas pressure, close to the nominal operating pressure of the torch, that ignition is caused When the supply of plasma gas is interrupted, the structure d electrode 15-16 retains its previous "retracted" position and the spring 37 recalls the drawer 35 in its rear position, the torch then covering its configuration in FIG. 1, ready for a new sequence of start of implementation phase. Most parts of the torch are made of copper alloy, the electrode 17 advantageously being of cuprochrome The insulating jacket 5, as well as the crimping flange 10, are advantageously made of plastic material loaded with glass fibers. Although the present invention has been described in relation to a particular embodiment, it is not found
limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. limited, however, but is on the contrary subject to modifications and variants which will appear to those skilled in the art.
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