Torche à plasma d'arc transféré

Description

[0001] La présente invention concerne une torche de soudage ou plus particulièrement de rechargement à plasma d'arc transféré, connue sous l'abréviation "PTA" (Plasma Transferred Arc).

[0002] La génération d'un plasma d'arc électrique est un phénomène bien connu, utilisé depuis plusieurs dizaines d'années dans les torches de soudure ou de rechargement dites à plasma transféré. De nombreux modes de réalisation ont été proposés pour ces torches. Tous font appel à l'effet de pointe d'une cathode affûtée, pour amorcer l'arc électrique et stabiliser son extrémité au potentiel négatif.

[0003] La plupart des réalisations existantes sont de structure parfaitement coaxiale. La pointe de la cathode est disposée sur l'axe principal (axe longitudinal) de la torche, et positionnée légèrement en arrière du convergent de la tuyère-anode qui l'entoure coaxialement. Le plasma se propage et sort donc, en principe, suivant l'axe principal de la torche.

[0004] On connaît aussi des réalisations de torches à plasma d'arc transféré, dans lesquelles le plasma sort de la torche selon une direction formant un angle notable par rapport à l'axe principal de la torche, et peut ainsi être dirigé vers un substrat à travailler selon une direction différente de l'axe principal de la torche.

[0005] Dans toutes les réalisations de ce genre, connues à ce jour, la structure géométrique du dispositif générateur de plasma reste une structure parallèle au plasma, du moins au voisinage de l'origine de celui-ci. Le plasma naît et commence à se propager dans l'axe de l'électrode négative, même si ce plasma est ensuite dévié dudit axe avant le point d'utilisation, notamment par l'orientation oblique d'un conduit de sortie et la position de l'électrode positive constituée par la pièce à recharger sur laquelle l'arc transféré vient se boucler. A titre d'exemples de ce genre de réalisations, on peut notamment citer la torche à plasma transféré selon la demande de brevet français FR-A-2672459 au nom du Demandeur (voir plus particulièrement la figure 3), ou encore le brevet FR-A-1338390.

[0006] Ce genre de réalisations, où la déviation de l'arc est obtenue uniquement par l'orientation du conduit et de l'orifice de sortie du plasma (d'éventuels canaux débouchant dans ce conduit, comme le montre le document précité FR-A-1338390, ne servant qu'à l'apport de poudre), ne donne pas entièrement satisfaction du point de vue de la rigidité de l'arc et du contrôle des paramètres de fonctionnement du plasma.

[0007] La présente invention a donc pour but d'améliorer une torche à plasma transféré du genre concerné.

[0008] A cet effet, elle a essentiellement pour objet une torche à plasma transféré comprenant une tuyère-anode entourant coaxialement une cathode disposée suivant l'axe longitudinal de la torche, et un canal de section annulaire ménagé entre la tuyère-anode et la cathode et apte à être parcouru par un débit de gaz plasmagène, la torche étant agencée pour émettre un jet de plasma selon une direction faisant un angle notable par rapport à l'axe longitudinal de la torche, celle-ci étant caractérisée en ce qu'il est prévu, en plus du circuit de gaz plasmagène d'initialisation cheminant le long de la cathode, un autre circuit distinct du précédent, et apte à être parcouru par un débit de gaz plasmagène directionnel, le circuit de gaz plasmagène directionnel débouchant, suivant une direction faisant un angle notable avec l'axe longitudinal de la torche, dans une chambre ou un conduit prolongeant le canal de section annulaire à l'avant de la torche et débouchant lui-même à l'extérieur par un orifice de sortie latéral de la tuyère-anode, de sorte que le plasma est créé et se propage dans une direction faisant un angle notable avec l'axe longitudinal de la torche, suivant lequel est disposée la cathode.

[0009] Ainsi, on utilise dans la torche objet de l'invention deux circuits distincts de gaz plasmagène, l'un d'initialisation cheminant le long de la cathode, et l'autre directionnel arrivant à l'avant de la torche selon une direction formant un angle notable, qui dans un cas typique atteint 90°, par rapport à l'axe principal de la torche (axe du couple anode-cathode). Un phénomène fluidique de déviation d'un jet de gaz à faible vitesse par un jet de débit moindre mais à vitesse élevée intervient alors, pour créer une veine de plasma qui dès l'origine se propage dans une direction qui n'est pas parallèle à l'axe du couple anode-cathode, mais forme un angle notable avec cet axe et est, en particulier, perpendiculaire audit axe. Le recours à un gaz plasmagène déviateur rigidifie l'arc et donne de bien meilleurs résultats que dans les précédentes réalisations, qui ne font pas appel à un gaz plasmagène déviateur et dans lesquelles le plasma est émis suivant l'axe de la cathode et dévié ensuite (comme expliqué plus haut).

[0010] Avantageusement, le circuit de gaz plasmagène d'initialisation et le circuit de gaz plasmagène directionnel sont munis, chacun, de leurs propres moyens de contrôle du débit de gaz, de sorte que le contrôle des paramètres de fonctionnement du plasma résulte directement des réglages absolus et relatifs des deux circuits de gaz plasmagène.

[0011] Selon un autre aspect de l'invention, la tuyère-anode est prévue pour être montée sur une embase d'une torche, comprenant un bloc-support de cathode dans lequel la cathode est tenue de manière à pouvoir être montée, réglée axialement et démontée par la zone arrière de la torche. Cette disposition facilite en particulier le réglage de positionnement axial de la cathode, qui détermine les caractéristiques du plasma obtenu.

[0012] Les opérations ici mentionnées s'effectuent donc commodément par l'arrière de l'embase de la torche, sans démontage d'éléments de faibles dimensions et sans contact direct avec le circuit d'eau de refroidissement.

[0013] En outre, la zone rendue disponible par le changement de direction du jet de plasma au voisinage de l'extrémité libre de la tuyère-anode est utilisable pour loger dans cette zone une partie du circuit de refroidissement par circulation d'eau.

[0014] La torche à plasma d'arc transféré, objet de l'invention, est particulièrement adaptée au rechargement de petits alésages, avec un bain de fusion à plat, la partie cylindrique intérieure à revêtir ayant son axe disposé horizontalement. La torche, qui pénètre dans l'alésage lors de l'opération de rechargement, se trouve alors avec son axe principal horizontal, et seul le jet de plasma est émis verticalement dans une direction radiale à la sortie de l'orifice latéral pratiqué vers l'extrémité libre de la tuyère-anode. Bien entendu, les dimensions hors tout de la tuyère-anode doivent être adaptées au diamètre intérieur de l'alésage de la pièce à recharger, ce qui signifie en pratique que la tuyère-anode est longue et de faible diamètre. L'intérêt d'une telle disposition est de permettre aussi l'utilisation d'une cathode de grande dimension longitudinale, que l'on peut venir monter ou démonter commodément par l'embase de la torche, par exemple pour procéder à son affûtage.

[0015] L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de cette torche à plasma d'arc transféré :

Figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la partie avant de la torche, plus particulièrement concernée par la présente invention ;

Figure 2 est une vue d'ensemble en coupe longitudinale, très schématique, de cette torche.

[0016] La figure 1 montre la partie avant d'une torche de soudage ou plus particulièrement de rechargement à plasma d'arc transféré, comportant une tuyère-anode 1 entourant une cathode 2 disposée suivant l'axe longitudinal 3 de la torche. Un canal de section annulaire 4 est ménagé entre la tuyère-anode 1 et la cathode 2. Le canal 4 est parcouru par un premier débit de gaz plasmagène cheminant le long de la cathode 2, comme indiqué par une flèche 5, ce canal 4 appartenant à un circuit de gaz plasmagène ayant pour rôle l'initialisation de l'ionisation du gaz et protection de la cathode 2. Le gaz plasmagène d'initialisation est réparti à l'entrée du convergent 6 de la tuyère-anode 1 au moyen d'une bague 7 ménageant des passages hélicoïdaux, qui donne au gaz un mouvement tourbillonnaire apte à stabiliser la décharge naissant entre l'extrémité en pointe 8 de la cathode 2 et l'anode 1. La bague 7 joue aussi le rôle de moyen de centrage de la cathode 2 relativement à la tuyère-anode 1.

[0017] A son extrémité avant, le canal 4 est prolongé par un court conduit 9 convergent orienté suivant un axe 10 formant un angle notable A par rapport à l'axe longitudinal 3 de la torche, et débouchant à l'extérieur par un orifice de sortie 11 situé sur la paroi latérale de la tuyère-anode 1. Dans l'exemple considéré, l'angle A est égal à 90°.

[0018] Dans la tuyère-anode 1 est ménagé, parallèlement au canal 4 balayé par le gaz plasmagène d'initialisation, un autre canal 12 qui présente, à sa partie antérieure, un coude à angle droit 13 avec convergent, débouchant à l'arrière du conduit 9, suivant l'axe transversal 10. Le canal 12 est parcouru, comme indiqué par une flèche 14, par un second débit de gaz plasmagène, dit gaz plasmagène directionnel, parcourant ainsi un circuit distinct de celui du gaz plasmagène d'initialisation.

[0019] Chacun de ces deux circuits indépendants est muni de ses propres moyens (non représentés) de contrôle du débit de gaz plasmagène. D'une façon générale, le jet de plasma émis à l'extrémité antérieure du canal 4 est dévié d'environ 90° par le jet de gaz plasmagène directionnel, de débit moindre mais de vitesse élevée, qui est éjecté par le coude convergent 13 et arrive ainsi dans le conduit 9 en imposant sa propre direction au flux de plasma. Le plasma créé se propage ainsi, dès l'origine, dans la direction de l'axe 10, donc sensiblement perpendiculairement à l'axe 3 de la torche, pour s'échapper par l'orifice de sortie latéral 11.

[0020] L'espace rendu libre par le changement de direction du jet de plasma, au voisinage de l'extrémité de la tuyère-anode, est mis à profit pour faire passer à cet endroit le circuit d'eau de refroidissement 15 de la torche, assurant ainsi dans cette zone un refroidissement énergique.

[0021] La figure 2 représente dans son ensemble la torche équipée du dispositif générateur de plasma précédemment décrit, dans une réalisation particulière s'inspirant de la demande de brevet français FR-A-2672459 au nom du Demandeur.

[0022] En particulier, la partie droite de la figure 2 montre l'embase 16 de la torche, qui comprend un bloc-support de cathode 17 séparé par un isolateur 18 d'une embase d'anode 19. Ces trois composants 17, 18 et 19, qui constituent l'embase 16 de la torche, sont dotés de tous les canaux nécessaires à l'acheminement des fluides permettant le fonctionnement de la torche :

• Le circuit d'eau de refroidissement 15 est collecté en 20 sur l'embase d'anode 19, puis il parcourt la tuyère-anode 1 jusqu'à son extrémité avant, avant de revenir à travers l'embase d'anode 19 ainsi que l'isolateur 18 jusqu'au bloc-support 17 de la cathode 2, où il est évacué en 21, ce circuit d'eau n'étant représenté que partiellement du fait qu'il s'étend dans un plan autre que le plan de coupe des figures 1 et 2.
• Un canal d'alimentation 22, ménagé dans le bloc-support 17 de la cathode 2, débouche à l'arrière du canal 4 de section annulaire et sert à l'amenée du gaz plasmagène d'initialisation.
• Un canal 23, traversant successivement les composants 17,18 et 19 de l'embase 16 de la torche, et se prolongeant dans la tuyère-anode 1 jusqu'à un débouché latéral 24 proche de l'orifice 11, assure l'amenée du mélange gaz-poudre d'apport d'alliage métallique constitutif du dépôt.
• Un autre canal 25, traversant successivement les composants 17,18 et 19 de l'embase 16 de la torche, se prolonge dans la tuyère-anode 1 par le canal 12 précité, et sert à l'acheminement du gaz plasmagène directionnel.
• Il est encore prévu un canal d'alimentation du gaz protecteur (non représenté), qui est dirigé vers un diffuseur approprié.

[0023] A l'arrière de l'embase de la torche, la cathode 2 est tenue sur son bloc-support 17 au moyen d'une pince 26. Un écrou borgne (non représenté), vissé sur un filetage 27 du bloc-support 17, donne un accès très direct à la cathode 2 que l'on peut ainsi immobiliser dans la position axiale souhaitée.

[0024] Cette position axiale de la cathode 2, ainsi que les réglages indépendants des débits du gaz plasmagène d'initialisation 5 et du gaz plasmagène directionnel 14, constituent les trois principaux éléments de réglage de la torche.

[0025] Bien entendu, en fonction de chaque cas d'application et comme cela est habituel dans les procédés de rechargement par torche à plasma d'arc transféré, les autres paramètres de fonctionnement, tels que par exemple l'intensité transférée, seront à ajuster en fonction des épaisseurs, taux de dépôts et autres données particulières rencontrées.

[0026] Il va de soi que l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette torche à plasma d'arc transféré qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application entrant dans le cadre des revendications annexées. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas de l'esprit de l'invention en modifiant l'angle A de la direction de propagation du plasma par rapport à l'axe longitudinal 3 de la torche, la valeur particulière de 90° de cet angle donnée par l'exemple illustré au dessin n'étant nullement limitative. Dans le même ordre d'idées, on peut substituer à l'embase de torche particulière, donnée ici en exemple, une structure différente des organes servant de supports pour l'anode et la cathode, ainsi que de collecteurs et distributeurs pour les divers fluides spécifiques au fonctionnement ou au refroidissement du genre de torche concerné. Enfin, les formes de détail de la torche peuvent être modifiées, par exemple l'orifice de sortie latéral peut être situé en retrait, par rapport au restant de la paroi latérale cylindrique de la tuyère-anode 1.

Revendications

1. Torche de soudage ou plus particulièrement de rechargement à plasma d'arc transféré, comprenant une tuyère-anode (1) entourant coaxialement une cathode (2), disposée suivant l'axe longitudinal (3) de la torche, et un canal (4) de section annulaire ménagé entre la tuyère-anode (1) et la cathode (2) et apte à être parcouru par un débit de gaz plasmagène (5), la torche étant agencée pour émettre un jet de plasma selon une direction (10) faisant un angle notable (A) par rapport à l'axe longitudinal (3) de la torche, caractérisée en ce qu'il est prévu, en plus du circuit de gaz plasmagène d'initialisation (4,22) cheminant le long de la cathode (1), un autre circuit (12,13,25) distinct du précédent, et apte à être parcouru par un débit de gaz plasmagène directionnel (14), le circuit de gaz plasmagène directionnel débouchant (en 13), suivant une direction (10) faisant un angle notable (A) avec l'axe longitudinal (3) de la torche, dans une chambre ou un conduit (9) prolongeant le canal (4) de section annulaire, à l'avant de la torche et débouchant lui-même à l'extérieur par un orifice de sortie latéral (11) de la tuyère-anode (1), de sorte que le plasma est créé et se propage dans une direction faisant un angle notable avec l'axe longitudinal (3) de la torche, suivant lequel est disposée la cathode (2).

2. Torche à plasma d'arc transféré selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de gaz plasmagène directionnel (12,13,25) présente, dans sa partie antérieure, un coude à angle droit (13), avec convergent, débouchant à l'arrière de la chambre ou du conduit (9) précité, de manière à dévier le jet de plasma, selon une direction (10) faisant un angle d'environ 90° par rapport à l'axe longitudinal (3) de la torche, suivant lequel est disposée la cathode (2).

3. Torche à plasma d'arc transféré selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de gaz plasmagène d'initialisation (4,22) et le circuit de gaz plasmagène directionnel (12,13,25) sont munis, chacun, de leurs propres moyens de contrôle du débit de gaz, de sorte que le contrôle des paramètres de fonctionnement du plasma résulte directement des réglages absolus et relatifs des deux circuits de gaz plasmagène.

4. Torche à plasma d'arc transféré selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tuyère-anode (1) est prévue pour être montée sur une embase (16) d'une torche, comprenant un bloc-support (17) de cathode dans lequel la cathode (2) est tenue (en 26) de manière à pouvoir être montée, réglée axialement et démontée par la zone arrière de la torche.

5. Torche à plasma d'arc transféré selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce q'une partie d'un circuit de refroidissement (15) par circulation d'eau est logée dans la zone de l'extrémité libre de la tuyère-anode (1), cette zone étant rendue disponible par le changement de direction du jet de plasma.

Ansprüche

1. Schweißbrenner oder spezieller Plasmaauftragsschweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen, der eine Düsenanode (1), welche koaxial eine entlang einer Längsachse (3) des Brenners angeordnete Kathode (2) umschließt, und einen Kanal (4) mit ringförmigem Querschnitt beinhaltet, welcher zwischen der Düsenanode (1) und der Kathode (2) angeordnet und von einer Plasmagasmenge (5) durchströmt werden kann, wobei der Brenner zum Ausströmen eines Plasmastrahles in eine solche Richtung (10) eingerichtet ist, die einen deutlichen Winkel (A) im Bezug auf die Längsachse (3) des Brenners bildet, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich zu dem Plasmagasinitialisierungskreis (4, 22) entlang der Kathode (81) einen weiteren, vom vorgehenden getrennten Kreis (12, 13, 25) aufweist, der von einer gerichteten Plasmagasmenge (14) durchströmt werden kann, wobei der Kreis des gerichteten Plasmagases in eine Richtung (10), die einen deutlichen Winkel (A) zur Längsachse (3) des Brenners bildet, in einer Kammer oder einer Leitung (9) mündet, die den Kanal (4) mit ringförmigen Querschnitt im vorderen Teil des Brenners verlängert und selbst nach außen durch eine seitliche Austrittsdüse (11) der Düsenanode (1) mündet, so daß das Plasma erzeugt wird und sich dann in einer Richtung ausdehnt, die einen deutlichen Winkel zur Längsachse (3) des Brenners bildet, entlang der die Kathode angeordnet ist.

2. Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis für das gerichtete Plasmagas (12, 13, 25) in seinem vorderen Teil eine rechtwinklige Krümmung (13) mit Verjüngung aufweist, der in den hinteren Teil der vorerwähnten Kammer oder der Leitung (9) mündet, so daß der Plasmastrahl in eine Richtung (10) abgelenkt wird, die einen Winkel von ungefähr 90° in bezug auf die Längsachse 3 des Brenners bildet, entlang der die Kathode angeordnet ist.

3. Plasmabrenner mit übertrgenem Lichtbogen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis für das Initialisierungsplasma (4, 22) und der Kreis für das gerichtete Plasma (12, 13, 25) jeder für sich mit eigenen Kontrollmitteln für die Gasmenge ausgestattet ist, so daß die Kontrolle der Funktionsparameter des Plasmas direkt zu absoluten und relativen Regelungen der beiden Plasmagaskreise führt.

4. Plasmagasbrenner mit übertragenem Lichtbogen gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanode (1) für die Montage auf einen Sockel (16) eines Brenners vorgesehen ist und eine Blockstütze für die Kathode (17) aufweist, in der die Kathode (2) gehalten ist (bei 26), so daß sie durch den hinteren Bereich des Brenners montiert, axial ausgerichtet und demontiert werden kann.

5. Plasmagasbrenner mit übertragenem Lichtbogen gemäß einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kühlwasserkreises sich in der freien Endzone der Düsenanode (1) befindet, wobei diese Zone durch Richtungsänderung des Plasmastrahls verfügbar wird.

Claims

1. Torch for welding or more particularly for transferred arc plasma build-up welding, comprising a nozzle/anode (1) coaxially surrounding a cathode (2), disposed along the longitudinal axis (3) of the torch, and a duct (4) with an annular cross section formed between the nozzle/anode (1) and the cathode (2) and suitable for having a flow of plasmagenic gas (5) pass through it, the torch being arranged so as to emit a jet of plasma in a direction (10) forming a significant angle (A) with respect to the longitudinal axis (3) of the torch, characterised in that there is provided, in addition to the initiating plasmagenic gas circuit (4, 22) running along the cathode (1), another circuit (12, 13, 25) distinct from the previous one, and suitable for having pass through it a directional flow of plasmagenic gas (14), the directional plasmagenic gas circuit opening out (at 13), along a direction (10) forming a significant angle (A) with the longitudinal axis (3) of the torch, into a chamber or a pipe (9) extending the duct (4) with an annular cross section, to the front of the torch and itself opening out on the outside through a lateral outlet orifice (11) of the nozzle/anode (1), so that the plasma is created and propagated in a direction which forms a significant angle with the longitudinal axis (3) of the torch, along which the cathode (2) is disposed.

2. Transferred arc plasma torch according to Claim 1, characterised in that the directional plasmagenic gas circuit (12, 13, 25) has, in its front part, a right-angled elbow (13), with a convergent part, opening out at the rear of the aforementioned chamber or pipe (9), so as to divert the plasma jet, in a direction (10) forming an angle of around 90° with respect to the longitudinal axis (3) of the torch, along which the cathode is disposed (2).

3. Transferred arc plasma torch according to Claim 1 or 2, characterised in that the initiating plasmagenic gas circuit (4, 22) and the directional plasmagenic gas circuit (12, 13, 25) are each provided with their own gas flow control means, so that the control of the operating parameters of the plasma depends directly on the absolute and relative settings of the two plasmagenic gas circuits.

4. Transferred arc plasma torch according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the nozzle/anode (1) is designed to be mounted on the holder (16) of a torch, comprising a cathode support block (17) in which the cathode (2) is held (at 26) so as to be able to be fitted, axially adjusted and removed from the rear part of the torch.

5. Transferred arc plasma torch according to any one of Claims 1 to 4, characterised in that part of a water-circulation cooling circuit (15) is housed in the area of the free end of the nozzle/anode (1), this area being made available by changing the direction of the plasma jet.

Dessins