[0001] L'invention concerne une torche de rechargement à plasma et notamment une torche
du type à plasma transféré.
[0002] On connaît déjà une torche correspondant au préambule de la revendication 1 (US-A
4 127 760).
[0003] Les figures 1 a et 1 représentent respectivement en coupe longitudinale et en bout
l'extrémité d'une torche de rechargement à plasma transféré illustrant l'état de la
technique.
[0004] Cette torche, qui présente généralement une symétrie de révolution autour d'un axe
XX', comprend une cathode centrale 10 et une anode annulaire 12 entourant cette cathode.
[0005] De façon plus précise, la cathode 10, généralement en tungstène, a la forme d'une
tige cylindrique terminée par une extrémité effilée 10a, de forme conique. L'anode
12, généralement en cuivre, présente un évidement cylindrique 13 dans lequel est reçue
la cathode 10. Un espace annulaire 14 ménagé entre la cathode et l'anode permet d'injecter
un gaz plasmagène, comme l'indiquent les flèches F
1 sur la figure 1a.
[0006] L'évidement cylindrique 13 formé dans l'anode 12 se prolonge au-delà de la pointe
de l'extrémité effilée 10a de la cathode par une partie de diamètre réduit délimitant
un orifice de sortie 15 pour le gaz plasmagène. Cet orifice de sortie 15 débouche
sur la face d'extrémité plane 16 de l'anode 12. Cette face est perpendiculaire à l'axe
XX' de la torche et constitue également l'extrémité de celle-ci.
[0007] Lors de l'établissement d'une tension électrique entre la cathode 10 et l'anode 12,
le gaz plasmagène introduit selon les flèches F
i est ionisé pour former un plasma P. Compte tenu de la forme de l'extrémité effilée
10a de la cathode et du diamètre réduit de l'orifice de sortie 15, ce plasma P est
confiné dans l'orifice 15 et ne peut s'échapper que par l'extrémité ouverte de celui-ci.
Le transfert du plasma entre la torche et le substrat à recharger (non représenté
sur la figure 1) est obtenu en créant une différence de potentiel entre la torche
et le substrat.
[0008] Par ailleurs, deux canaux 20 formés dans l'anode 12 de façon symétrique par rapport
à l'axe XX' permettent d'introduire dans le plasma P sortant de la torche une poudre
de rechargement. Les canaux 20 s'étendent généralement selon une direction parallèle
à l'axe XX' et présentent au niveau de l'orifice de sortie 15 des extrémités 20a inclinées
vers cet axe XX', afin de diriger la poudre de rechargement vers le plasma P, comme
l'illustrent les flèches F
2 sur la figure 1a. Le transfert de la poudre jusqu'à la face d'extrémité plane 16
de la cathode est réalisé au moyen d'un gaz porteur.
[0009] On connaît également des torches à plasma transféré présentant une structure légèrement
différente de celle qui vient d'être décrite en se référant aux figures 1 a et 1 b.
[0010] Ainsi, dans certaines torches connues, les canaux 20 sont remplacés par une chambre
annulaire formée dans l'anode et dont la partie débouchant sur la face d'extrémité
de l'anode est dirigée vers l'axe de la torche, pour présenter approximativement la
forme d'un entonnoir. Le mélange pou- dre/gaz porteur est alors injecté tangentiellement
à la paroi de la chambre annulaire, de sorte qu'il chemine dans cette chambre selon
une trajectoire approximativement en hélice, jusqu'au plasma sortant de la torche.
[0011] Dans ces torches à plasma connues, l'injection de la poudre dans le plasma s'effectue
toujours au-delà de l'extrémité de la torche, c'est-à-dire dans une zone ouverte.
Les échanges thermiques entre la poudre et le plasma ne s'effectuent donc pas dans
les meilleures conditions possibles. Il en résulte une détérioration rapide des électrodes
ainsi qu'une consommation importante de puissance et, par conséquent, un coût d'exploitation
élevé.
[0012] Pour la même raison, une partie de la poudre de rechargement n'est pas transférée
par le plasma jusqu'au substrat pour assurer le rechargement. Il en résulte qu'une
partie de la poudre est perdue et surtout que cette poudre tend à empoussiérer la
machine, ce qui conduit à des risques de grippage de celle-ci et complique les opérations
d'entretien.
[0013] On connaît aussi de documents US-A 4 127 760 et US-A 3 148 263 des torches à plasma
dans lesquelles la poudre de rechargement est injectée directement dans l'orifice
de sortie du gaz. Dans le deuxième document des canaux parallèles à l'axe de cet orifice
mettent en communication la chambre intérieure d'arrivée de gaz avec la face avant
de la torche.
[0014] La présente invention a précisément pour objet une torche à plasma fonctionnant généralement
d'une manière analogue aux torches existantes, tout en ne présentant pas les inconvénients
précités. En particulier, l'invention concerne une torche à plasma permettant une
amélioration des échanges thermiques entre la poudre et le plasma et créant un rideau
gazeux autour du plasma assurant le transfert de la poudre, de façon à diminuer la
détérioration des électrodes, à réduire la puissance consommée, à protéger la poudre
fondue véhiculée par le plasma et le bain liquide formé sur le substrat contre l'oxydation,
et à éviter la propagation de grains de poudre hors de la zone de rechargement.
[0015] A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé une torche de rechargement
à plasma comprenant, selon un axe commun, une cathode centrale présentant une extrémité
effilée, et une anode annulaire entourant la cathode et délimitant avec celle-ci un
espace se prolongeant au-delà de l'extrémité effilée de la cathode par un orifice
de sortie formé dans l'anode, au moins un passage d'arrivée de poudre de rechargement
étant formé dans l'anode et présentant au niveau dudit orifice de sortie une extrémité
de sortie inclinée vers ledit axe, caractérisée en ce que l'orifice de sortie présente
une partie arrière adjacente à l'espace annulaire et une partie avant débouchant à
l'extérieur et de diamètre supérieur au diamètre de la partie arrière, l'extrémité
inclinée du passage d'arrivée de poudre de rechargement débouchant dans la partie
avant de l'orifice de sortie, des canaux sensiblement parallèles audit axe étant formés
dans l'anode autour de la partie arrière de l'orifice de sortie, pour mettre en communication
la partie avant de cet orifice avec ledit espace annulaire.
[0016] Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, cette torche comprend au moins
six canaux répartis autour de son axe.
[0017] De préférence, la torche comprend également deux passages d'arrivée de poudre disposés
symétriquement par rapport à son axe.
[0018] On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré
de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1a, déjà décrite, est une vue en coupe longitudinale représentant de façon
schématique l'extrémité d'une torche de rechargement à plasma selon la technique antérieure
;
- la figure 1 b, déjà décrite, est une vue en bout de la torche de la figure 1 a ;
- la figure 2a est une vue en coupe longitudinale schématique de l'extrémité d'une
torche de rechargement à plasma conforme à l'invention ; et
- la figure 2b est une vue en bout de la torche de la figure 2a.
[0019] D'une manière générale, la torche de rechargement à plasma transféré représentée
sur les figures 2a et 2b présente une structure voisine de la structure de la torche
selon la technique antérieure décrite précédemment en se référant aux figures 1a et
1 b. Pour cette raison, les mêmes numéros de référence augmentés de cent sont utilisés
pour désigner des éléments analogues.
[0020] Ainsi, la torche selon l'invention comprend une cathode centrale 110 et une anode
annulaire 112 disposées toutes deux selon un axe commun XX'.
[0021] La cathode 110, par exemple en tungstène, a la forme d'une tige cylindrique terminée
par une extrémité effilée 110a de forme conique.
[0022] L'anode 112 présente un alésage cylindrique 113 dans lequel est logée la cathode
110 et délimitant avec cette dernière un espace annulaire 114. Cet espace 114 est
utilisé pour injecter le gaz plasmagène, constitué de façon connue soit par de l'argon,
soit par un mélange argon-hydrogène, hélium-hydrogène, azote- hydrogène, azote-hélium,
etc...
[0023] L'alésage cylindrique 113 formé dans l'anode 112 se prolonge au-delà de la pointe
de l'extrémité effilée 110a de la cathode, sous la forme d'un orifice de sortie 115
débouchant sur la face plane d'extrémité 116 de l'anode. Cette face 116, perpendiculaire
à l'axe XX', forme également l'extrémité de la torche.
[0024] De façon plus précise et conformément à l'invention, l'orifice de sortie 115 comprend
une partie arrière 115a raccordée à l'alésage 113 par une partie présentant une section
en arc de cercle et une partie avant 115b débouchant sur la face d'extrémité 116.
Comme l'illustre la figure 2a, le diamètre de la partie avant 115b est légèrement
supérieur au diamètre de la partie arrière 115a, ces deux parties étant séparées par
un épaulement droit. De plus, des canaux 122 s'étendant parallèlement à l'axe XX'
sont formés dans l'anode 112, autour de la partie arrière 115a de l'orifice de sortie,
de façon à faire communiquer directement l'espace annulaire 114 avec la partie avant
115b de l'orifice de sortie. Comme l'illustre la figure 2b, ces canaux 122 sont au
nombre de six, répartis autour de l'axe XX'.
[0025] La poudre de rechargement mélangée au gaz porteur parvient jusqu'à l'extrémité de
la torche par deux passages 120 disposés de façon symétrique par rapport à l'axe XX'.
Ces passages 120, qui s'étendent sensiblement parallèlement à cet axe XX', présentent
au niveau de l'orifice de sortie 115 des extrémités 120a inclinées vers l'axe XX'
et débouchant conformément à l'invention dans la partie avant 115b de cet orifice.
[0026] Grâce à la configuration particulière qui vient d'être décrite, la torche de rechargement
à plasma selon l'invention fonctionne de la façon suivante.
[0027] Sous l'effet de la tension électrique établie entre la cathode 110 et l'anode 112,
le gaz plasmagène admis par l'espace annulaire 114 (flèches Fi) est ionisé pour former
un plasma P dans l'orifice de sortie 115, au-delà de la pointe de l'extrémité effilée
110a de la cathode.
[0028] Sous l'effet de la différence de potentiel établie entre la torche et le substrat
(non représenté), le plasma P est transféré jusqu'au substrat en s'échappant par l'orifice
115.
[0029] Dans la partie avant 115b de l'orifice de sortie 115, la poudre de rechargement véhiculée
par le gaz porteur dans les passages 120 (flèches F
2) est injecté directement dans le plasma P. Cette injection s'effectuant dans une
zone confinée et non au-delà de l'extrémité de la torche comme dans la technique antérieure,
les échanges thermiques entre la poudre et le plasma sont améliorés. Il en résulte
une moindre détérioration des électrodes, une réduction de la puissançe à mettre en
oeuvre et, par conséquent, une économie notable.
[0030] Simultanément à la formation du plasma P et à l'injection de la poudre de rechargement
dans ce plasma, du gaz plasmagène frais et non ionisé est injecté autour du plasma
dans la partie avant 115b de l'orifice de sortie, par les canaux 122. On forme ainsi
autour du plasma transféré véhiculant la poudre de rechargement un rideau gazeux dynamique
schématisé par les flèches F
3 sur la figure 2a.
[0031] Ce rideau gazeux limite la propagation de grains de poudre hors de la zone de rechargement.
Il en résulte une augmentation du rendement de la poudre ainsi qu'un moindre empoussièrement
des machines. Les risques de grippage de celles-ci s'en trouvent réduits, de même
que le travail d'entretien.
[0032] Le rideau annulaire gazeux obtenu grâce aux canaux 122 permet de mieux protéger de
l'oxydation la poudre fondue entraînée par le plasma P, de même que le bain liquide
formé sur le substrat.
[0033] Enfin, ce même rideau gazeux assure la protection thermique de la paroi de la partie
avant 115b de l'orifice de sortie et réduit également les risques d'accrochage de
poudre fondue sur cette même paroi à proximité de la face d'extrémité 116. Par conséquent,
la tenue dans le temps de l'anode 112 n'est pas pénalisée par l'allongement de son
extrémité nécessitée par l'injection de la poudre de rechargement dans une zone confinée.
[0034] Bien entendu, la torche qui vient d'être décrite peut subir différentes modifications
sans sortir du cadre de l'invention.
[0035] Ainsi, l'injection de la poudre de rechargement peut se faire par un passage annulaire
dans lequel la poudre circule selon une trajectoire hélicoïdale.
[0036] En outre, il est clair que le nombre et la forme des canaux 122 peuvent être modifiés,
ces canaux pouvant par exemple présenter en section la forme d'arcs de cercle.
[0037] De plus, les aménagements équipant habituellement les torches de rechargement à plasma
et qui n'ont pas été décrits pour simplifier peuvent bien entendu être prévus sur
la torche conforme à l'invention. En particulier, des moyens de refroidissement des
électrodes, et notamment de l'anode, constitués généralement par une circulation d'un
fluide tel que de l'eau peuvent être prévus.
[0038] Enfin, bien que l'invention soit particulièrement adaptée à une torche de rechargement
à plasma transféré, elle peut aussi s'appliquer à une torche à plasma soufflé.
1. Plasma torch for resurfacing comprising, along a common axis (XX'), a central cathode
(110) having a tapered end (110a) and an annular anode (112) surrounding the cathode
and delimiting therewith an annular space (114) for the supply of plasma-producing
gas, this space being extended beyond the tapered end of the cathode by an outlet
orifice (115) formed in the anode, at least one passage (120) for the supply of resurfacing
powder being formed in the anode and having, at the level of the said outlet orifice,
an outlet end (120a) tilted towards the said axis, characterized in that the outlet
orifice (115) has a rear part (115a) adjacent to the annular space (114) and a front
part (115b) emerging outside and having a diameter greater than the diameter of the
rear part, the tilted end (120a) of the passage for the supply of resurfacing powder
emerging in the front part (115b) of the outlet orifice, channels (122), substantially
parallel to the said axis (XX'), being formed in the anode (112), around the rear
part (115a) of the outlet orifice, in order to place the front part (115b) of this
orifice in communication with the said annular space (114).
2. Torch according to Claim 1, characterized in that it comprises at least six channels
(122) distributed around the said axis (XX').
3. Torch according to either one of Claims 1 and 2, characterized in that it comprises
two passages (120) for the supply of powder which are disposed symmetrically relative
to the said axis (XX').
1. Wiederaufladbarer Plasmabrenner, der entlang einer gemeinsamen Achse (XX') aufweist
eine zentrale Kathode (110), die ein zugespitztes Ende (110a) aufweist, und eine ringförmige
Anode (112), welche die Kathode umgibt und zusammen mit dieser einen ringförmigen
Raum (114) für die Aufnahme des Plasma bildenden Gases begrenzt, wobei dieser Raum
sich über das angespitzte Ende der Kathode hinaus durch eine Austrittsöffnung (115)
in der Anode verlängert, wobei mindestens ein Durchgang (120) zur Zuführung des Wiederaufladungspulvers
in der Anode gebildet ist und in Höhe der Austrittsöffnung ein Austrittsende (120a)
aufweist, das gegenüber der Achse geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung
(115) einen hinteren Abschnitt (115a) benachbart zum ringförmigen Raum (114) und einen
vorderen Abschnitt (115b), der ins Freie mündet, aufweist und dessen Durchmesser größer
ist als der Durchmesser des hinteren Abschnittes, wobei das geneigte Ende (120a) des
Durchgangs für die Zuführung des Wiederaufladungspulvers in den vorderen Abschnitt
(115b) der Austrittsöffnung mündet und in der Anode (112) um den hinteren Abschnitt
(115a) der Austrittsöffnung herum Kanäle (122), die praktisch parallel zur Achse (XX')
verlaufen, gebildet sind, um den vorderen Abschnitt (115b) dieser Öffnung mit dem
ringförmigen Raum (114) zu verbinden.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens 6 Kanäle (122)
aufweist, die um die Achse (XX') herum verteilt sind.
3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Durchgänge
(120) für die Zuführung des Pulvers aufweist, die symmetrisch zu der Achse (XX') angeordnet
sind.