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EP3636049A1 - Procédé de coupage plasma et torche pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé de coupage plasma et torche pour la mise en oeuvre de ce procédé

Info

Publication number
EP3636049A1
EP3636049A1 EP18724917.2A EP18724917A EP3636049A1 EP 3636049 A1 EP3636049 A1 EP 3636049A1 EP 18724917 A EP18724917 A EP 18724917A EP 3636049 A1 EP3636049 A1 EP 3636049A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
plasma
pressure
outlet section
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18724917.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fr d ric CAMY-PEYRET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Akryvia
Original Assignee
Akryvia
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akryvia filed Critical Akryvia
Publication of EP3636049A1 publication Critical patent/EP3636049A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/341—Arrangements for providing coaxial protecting fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/006—Control circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3405—Arrangements for stabilising or constricting the arc, e.g. by an additional gas flow
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/36—Circuit arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a plasma cutting method and a torch for the implementation of this method.
  • the principle of plasma cutting has been known for about sixty years and has been the subject of many patent applications. This principle is used for cutting more or less thick sheets.
  • the passage of a current is established between an electrode and the sheet to be cut so as to form an electric arc plasma.
  • a nozzle concentrates this plasma which is heated by the Joule effect to reach very high temperatures.
  • the nozzle has an outlet orifice that directs the plasma jet.
  • the plasma jet is further ejected through the orifice of the nozzle at high speed. Because of the high temperature, the sheet melts locally and the gas supply pressure of the nozzle creating the speed of the plasma jet makes it possible to eject the molten metal under the sheet. In this way, a kerf is made in the piece to be cut.
  • a torch in particular a plasma torch.
  • a torch includes an electrode, a nozzle and a gas supply system of the nozzle.
  • characteristics of the electric arc and the gas supply must of course be respected. It is advisable to maintain in a given range certain parameters such for example the distance separating the electrode from the sheet to be cut, the current passing between the electrode and the sheet to be cut, the pressure of the gas, etc.
  • the performance of a plasma torch is measured in particular by the fineness of the cut made, its righteousness and speed.
  • the skilled person aims to obtain a plasma jet finer and more energy at the cutting sheet.
  • the electric field prevailing in the nozzle makes it possible to obtain a good indication of the energy intensity of the plasma. It is proportional to the current density flowing in the plasma.
  • the average electric field can be easily estimated by dividing the voltage of the electric arc by the distance between the end of the electrode and the sheet to be cut.
  • the document GB 1025678 proposes to use a gas passage, or nozzle, of a diameter less than one millimeter to obtain a fine plasma jet and supersonic and thus to have a zone thermally disturbed limited at the level of the cut made in the cut piece.
  • a small volume of plasma is formed in a discharge chamber at a pressure between 30 and 100 atmospheres (ie about 3 to 10 10 6 Pa) between a
  • a plasma torch with a second nozzle disposed downstream (or around) of the first nozzle so as to form a layer of protective gas around the plasma jet.
  • the second nozzle is then often fed with an inert gas or air.
  • the document EP2384097 describes such a nozzle which is here optimized for the upstream cooling of the plasma nozzle provided with an opening forming a nozzle through which the plasma jet passes.
  • the plasma torch described in this document therefore has the advantages of an ionized plasma gas flow and a cooling of the nozzle and its protection against molten metal projections that can occur during the use of the torch, and especially during the drilling phases.
  • the purpose of the present invention is therefore to provide a plasma cutting torch making it possible to obtain both an energetic intensification of the plasma and a conservation of the power density created within the torch (nozzle) up to the piece to be cut. .
  • the invention thus aims to obtain a fine plasma jet while avoiding an intensification of the shock structures when the supply pressure of the nozzle increases.
  • the present invention firstly proposes a method of plasma cutting a workpiece comprising the following steps:
  • a plasma torch having an electrode disposed within a first nozzle having a first exit section facing an end of the electrode, first gas supply means of said first nozzle, a second nozzle concentrically disposed around the first nozzle with a second exit section substantially vis-à-vis the first outlet section and means for supplying gas between the first nozzle and the second nozzle,
  • the surrounding pressure at the plasma jet in the second nozzle at the outlet of the first nozzle is controlled so as to be, on the one hand, at least greater than the atmospheric pressure and, on the other hand, less than the pressure in the first exit section.
  • the secondary gas flow is used not only to protect the plasma jet but also to contain it by limiting its width and by acting on the shock structures.
  • the ratio between the pressure in the plasma jet in the first outlet section and the plasma jet surrounding pressure between the first nozzle and the second nozzle is advantageously between 1 and 5, preferably between 2 and 4 and more preferably between 2.4 and 2.6.
  • One embodiment provides that the pressure in the first exit section is obtained from the total generating pressure in the first nozzle and a coefficient corresponding to the ratio of specific heats to pressure and constant volume of the plasma.
  • the surrounding pressure plasma jet is also regulated by varying the distance separating the second outlet section of the workpiece.
  • the distance between the work piece and the outlet of the second nozzle which in other words corresponds to the second output section
  • the workpiece creates a counterpressure on the gas flow (called downstream gas) passing between the first nozzle and the second nozzle because it impedes the flow of the downstream gas. As this distance increases, the counterpressure decreases to become rapidly negligible.
  • the gas supply pressure in the first nozzle may for example be greater than 5000 hPa and preferably between 8000 and 20000 hPa.
  • the electrical values it can be provided for example that the average electric field in the plasma jet is greater than 15 kV / m.
  • the intensity of current in the plasma jet is advantageously an affine function of the gas supply pressure of the first nozzle.
  • the intensity of current and thus also the apparent current density (in A / mm 2 ) which is directly proportional to it, increases with the plasma gas supply pressure, which makes it possible to conserve significant power throughout the plasma jet.
  • the plasma jet surrounding pressure at the outlet section of the first nozzle is substantially equal to the atmospheric pressure (less than 1500 hPa) during a priming phase.
  • a plasma jet, a transfer phase and a piercing phase while said pressure then increases for a cutting phase.
  • the second nozzle can come into contact with the workpiece during at least one phase of a cutting cycle. As explained above, this makes it possible to act on the surrounding pressure of the plasma jet between the two nozzles.
  • the present invention further relates to a plasma cutting torch comprising an electrode disposed within a first nozzle having a first outlet section facing an end of the electrode, first gas supply means of said first nozzle, a second nozzle concentrically disposed around the first nozzle with a second exit section substantially facing the first exit section and second gas supply means between the first nozzle and the second nozzle.
  • such a torch also comprises means for regulating the second supply means from at least one sensor linked to the first supply means.
  • such a torch comprises a first sensor of a pressure in the first nozzle, a second sensor determining a pressure in the second nozzle and a pressure control line in the second nozzle.
  • This plasma cutting torch may further comprise a pressure control line in the first nozzle.
  • An alternative embodiment provides that the first nozzle comprises a channel terminating in the exit section, and that said channel is provided with a diverging portion.
  • the critical section for the downstream gas is preferably the second outlet section, that is to say the exit section of the second nozzle.
  • the torch is then advantageously designed in such a way that the section of passage between the first nozzle and the second nozzle is always greater than the second output section, preferably always greater than at least 1.5 times at this second output section. .
  • a torch according to the invention provides that the second nozzle is mounted to move relative to the first nozzle.
  • the relative movement of the second nozzle relative to the first may correspond to a movement of the ball around the outlet section and / or axial movement along a longitudinal axis defined by the first nozzle and / or a movement in a plane transverse to the first nozzle and in the direction of the cut around the center of the outlet section of the first nozzle.
  • the second nozzle preferably has an outlet section whose diameter is between 2 and 30 times the diameter of the outlet section of the first nozzle.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a plasma cutting torch according to the present invention.
  • Figure 2 is a diagram illustrating the performance achievable by the present invention with respect to a prior art plasma cutting torch.
  • FIG. 1 schematically illustrates a longitudinal sectional view of a plasma cutting torch.
  • the structure of this torch resembles that of a torch known from the prior art.
  • an electrode 3 At the center of the torch is an electrode 3 which extends in a so-called longitudinal direction.
  • a first nozzle, or plasma nozzle 4 Around this electrode 3 is a first nozzle, or plasma nozzle 4, and outside this nozzle, mounted concentrically with respect to the electrode 3, there is a second nozzle, or downstream nozzle 5.
  • This assembly is mounted vis-à-vis a workpiece 2, for example a metal sheet of great thickness.
  • the electrode 3 is for example an electrode known from the prior art for use in a plasma torch. As schematically illustrated in Figure 1, it has a generally circular cylindrical shaped body made of a conductive material of electricity and heat, for example copper or a copper-based alloy. Note at the end of the electrode 3 the presence of an insert which is most often made of a thermo-emissive material, such as for example tungsten, which has a very high melting temperature, or hafnium ( Or other). Depending on the materials to be cut and the nature of the plasma, one material will be preferred over another.
  • the means for electrically feeding the electrode 3 are not shown in the drawing and will not be described here. Feed and control means known to those skilled in the art and commonly used on plasma cutting torches of the prior art can be used here.
  • the first nozzle or plasma nozzle 4
  • the first nozzle has substantially a shape of revolution around the longitudinal axis of the electrode 3 and thus has a substantially conical shape.
  • a first passage 6 is left free between the electrode 3 and the inner wall of the plasma nozzle 4.
  • the plasma nozzle 4 has a channel 8 which has at the outer surface of the The channel 8 is represented here in its preferred embodiment corresponding to a circular cylindrical channel (thus of constant circular section) but this channel could also have a divergent portion ending in the exit section. 9.
  • the diverging It will preferably be designed so that this intermediate value does not reach the atmospheric pressure.
  • the second nozzle also has a shape of revolution around the longitudinal axis of the electrode 3. It also has a generally conical shape, with a slightly larger apex angle than that of the plasma nozzle 4.
  • a second passage 7 is also provided between the plasma nozzle 4 and the downstream nozzle 5.
  • the outlet section 10 is larger than the outlet section 9 of the plasma nozzle 4.
  • the material for producing the plasma nozzle 4 and the downstream nozzle 5 is preferably a good heat-conducting material. It may be a copper alloy (for example of CuAl or CuTe or CuCrZr type) or an aluminum alloy or a brass (or other).
  • the nozzles are furthermore preferably cooled, for example by means of the flowing gases and / or by a dedicated system with a separate cooling fluid. Figure 1 does not illustrate such cooling means that can be integrated with the illustrated torch.
  • the piece to be cut 2 illustrated here is a sheet disposed perpendicular to the axis of revolution of the nozzles, another arrangement known to those skilled in the art as a cut with a non-right angle for the chamfer cut being possible with the 'invention.
  • Gas supply means of the first passage 6 are provided. They comprise firstly a source of plasma gas 11 and a feed line extending from said source to the first passage 6.
  • the source of plasma gas 11 may be for example simply a bottle of gas, for example compressed air, oxygen or any other gas adapted to the material to be cut known to those skilled in the art, preferably provided with a pressure reducer. It can also be an industrial gas network, a gas tank stored at low temperature in a liquid phase, a gas generator, etc.
  • the first supply line comprises a first pressure regulator 12 and a shut-off valve 13. There is also on this first supply line, as downstream as possible, a pressure sensor giving a plasma gas supply pressure. This supply pressure is called Pi.
  • gas supply means of the second passage 7. These means comprise a downstream gas source 14 and a feed line extending from said source to the second passage 7.
  • This second feed line comprises a second pressure regulator 15 and a shut-off valve 16.
  • the downstream gas source may here also be a gas cylinder (preferably with an expansion valve), an industrial network, a generator, liquefied gas, etc.
  • the downstream gas can be an inert gas such as nitrogen but it can also be for example air.
  • the torch further comprises a pressure sensor measuring the pressure P2 which prevails in the downstream nozzle 5, between the outlet section 9 of the plasma nozzle 4 and the opening made in the downstream nozzle 5.
  • This pressure sensor measuring P2 is disposed as close as possible to the axis of revolution of the downstream nozzle 5 so as to give a value representative of the surrounding pressure of the outlet section 9 of the plasma nozzle 4. If the sensor measuring P2 is moved away from the 9 outlet of the plasma nozzle 4, a correction can be made to the measurement made according to the pressure drop calculated between the measuring point and the surrounding area of the outlet section 9 of the plasma nozzle 4. This correction can take the total loss of pressure related to the pressure losses, as well as the decrease in dynamic pressure related to the speed of the gas.
  • a flow sensor (not shown) is provided upstream in the downstream gas supply line.
  • a regulating device is provided for acting on the second pressure regulator 15 of the second passage 7 (downstream gas).
  • a multiplier by a coefficient 1 / K of the pressure measured in the first passage 6 (pressure Pi).
  • the value thus obtained is compared with the measured pressure P2 and the second pressure regulator 15 is controlled to maintain the value (Pi / K) -P2 at zero. In this way, a ratio Pi / P2 is maintained at the value K.
  • the coefficient K is preferably chosen between 1.65 and 9.5.
  • FIG. 1 shows a first pressure regulator 12 which is a mechanical regulator and a second pressure regulator 15 which is a proportional valve of electronic technology. Most often, the skilled person will choose the same technology (electronic or mechanical or otherwise) for all its components but any "mix" of technologies can be considered.
  • the surrounding pressure of the plasma jet between the nozzles can also be controlled by the height between the outlet section 10 (which can be considered as the end). of the downstream nozzle and the surface of the workpiece 2 (or sheet), in complement of the pressure regulator.
  • the plasma nozzle 4 When the electrode 3 is energized, that the workpiece 2 supposedly conductive here is connected to a reference potential (mass), the plasma nozzle 4 is supplied with plasma gas and the downstream nozzle 5 is supplied with gas downstream, a plasma jet 1 of electric arc is created. It originates at the level of the insert of the electrode 3, is channeled through the channel 8 and then passes through the opening of the downstream nozzle 5 before reaching the part to be cut 2.
  • the surrounding pressure of the plasma jet in the surrounding volume of the outlet section 9 of the plasma nozzle 4 and up to the piece to be cut 2 is greater than the atmospheric pressure and controlled so as to maintain a fine plasma jet, avoid the intensification of shock structures when the plasma gas supply pressure increases and maintain a power density of the plasma jet created in the plasma nozzle 4 to
  • the outlet pressure is equal to the surrounding pressure and the torch then operates in a suitable mode.
  • this ratio is 5
  • the torch operates in a limit regime (upper limit) of under-expanded plasma jet with a barrel impact structure, the diameter of the first right shock reaching a dimension close to the diameter of the outlet section 9 of the plasma nozzle 4.
  • the regulation of the pressure in the downstream nozzle is not only performed during a cutting phase of the cutting process of the workpiece 2.
  • the surrounding pressure P2 may be provided at the outlet section 9 of the nozzle plasma 4 is controlled to be substantially equal to the atmospheric pressure during priming, transfer and drilling phases and then to be greater than the atmospheric pressure during a cutting phase.
  • outlet section 9 of the plasma nozzle 4 is its critical section (case corresponding to a channel 8 of constant circular cross section).
  • a good estimate of the pressure Pj in the output section 9 is then given by the formula:
  • Pi is the pressure mentioned above. This is the total generating pressure in the plasma nozzle, that is to say the plasma gas supply pressure reduced losses in the plasma nozzle 4.
  • ⁇ is an estimate of the ratio of specific heat at constant pressure and constant volume specific heat for plasma.
  • ⁇ is generally between 1.0 and 1.4.
  • the ratio Pi / Pi is generally between 1.65 and 1.9.
  • Pj / P2 of between 1 and 5
  • a coefficient K P1 / P2 of between 1.65 and 9.5 is obtained.
  • the coefficient K is in fact preferably between 3 and 6 and a good compromise for this coefficient is generally around 5.5.
  • the mean pressure in the outlet section 9 can also be estimated but with another formula involving the Mach number in the outlet section 9. in that case :
  • A corresponds to the output section 9 and A * corresponds to the critical (minimum) section of the channel.
  • the torch By regulating the downstream gas pressure as explained above, the torch produces a plasma jet which can be intensified, ie the average current density or the average electric field between the electrode can be significantly increased. 3 and the workpiece 2 by increasing the supply pressure of the plasma gas while ensuring that the power density of the plasma jet is maintained at the surface of the workpiece 2, since the expansion of the plasma jet and the intensity and size of the shock structures in the jet are contained. It also becomes possible to operate at cutting heights between the workpiece 2 and the plasma nozzle 4 (or the electrode 3) lower than torches known from the prior art.
  • the cutting height can also influence the surrounding pressure P2. Indeed, when this cutting height decreases, a counter pressure comes to oppose the flow of the downstream gas and thus modifies the surrounding pressure P2. This cutting height must also be taken into account if it becomes weak, that is to say that the pressure exerted is no longer negligible.
  • the calculation of said back pressure depends, in addition to the distance between the workpiece 2 of the outlet section 10 of the downstream nozzle 5, also of the outlet section 10 and possibly its shape (if divergent for example).
  • the plasma gas supply pressure is greater than 5 bar during at least one phase of a cutting cycle, preferably between 6 and 100 bar, ideally between 8 and 20 bars. It can also be provided that the average electric field in the plasma jet, defined as the ratio of the arc voltage to the distance between the electrode 3 and the workpiece 2, is greater than 15 kV / m during all or part of a cutting phase of a cycle of the process.
  • the plasma cutting method described herein can also provide that the current for a given plasma nozzle outlet section diameter 9 is a function of the supply pressure Pi of the plasma nozzle 4 during at least one phase of the cutting process.
  • This current can be dynamically controlled by the pressure in the plasma nozzle 4 during all or part of a priming cycle, drilling and / or cutting.
  • FIG. 2 illustrates in a diagram the performances obtained by regulating the downstream gas pressure (solid line) compared to the performances obtained without regulation (dashed line).
  • a plasma cutting torch is first operated at 60A.
  • This torch is equipped with a plasma nozzle 4 having a channel 1 mm in diameter, supplied with air as a plasma gas, and a downstream nozzle 5 with an outlet section 10 of 4 mm in diameter.
  • the downstream nozzle 5 is supplied with compressed air, used here as a downstream gas, so that the pressure P2 measured around the outlet section 9 of the plasma nozzle 4 can be controlled between 0 bar (ie an absolute pressure of 1 bar, about 100,000 Pa), corresponding to the reference operation without pressure adaptation, and 3 bars.
  • This torch was used to cut pieces (sheets) of mild steel 5 mm thick, by varying the feed pressures of the plasma nozzle 4 and the downstream nozzle 5. The width of the upper groove cuts was then measured in the cases with and without regulation (adaptation) of the pressure P2 and plotted in Figure 2.
  • the behavior of the torch in the conventional regime implies a significant increase in the kerf width with the supply pressure of the plasma nozzle 4 above the conventional pressure, here about 5 bar.
  • the ratio between the supply pressure Pi of the plasma nozzle 4 and the pressure P2 is constant and approximately equal to 5.5.
  • the shape of the downstream nozzle 5 is for example such that the passage sections of the downstream gas supply circuits from the downstream gas source 14 to the outlet section 10 of the downstream nozzle 5 are in any point greater than this same outlet section 10, so that the outlet section 10 is the critical section for the gas flow said downstream gas.
  • the diameter of the outlet section 10 of the downstream nozzle 5 is preferably between 2 and 30 times the diameter of the outlet section 9 of the plasma nozzle 4.
  • the "height" of the downstream nozzle 5, defined as being the distance between the outlet section 9 of the plasma nozzle 4 and the outlet section 10 of the downstream nozzle 5, is chosen for example between 0 and 10 mm, preferably between 0 and 5 mm.
  • downstream nozzle 5 it is possible for the downstream nozzle 5 to be movable with respect to the plasma nozzle and to move relatively relative thereto which is considered to be fixed in the reference frame of the torch.
  • the relative movement of the downstream nozzle 5 with respect to the plasma nozzle may for example be exclusively linear along the longitudinal axis.
  • it can be provided (not illustrated in the drawing) on the one hand a system of elastic thrust outwardly of the plasma nozzle 4, for example spring or pneumatic (by means of the secondary gas for example ), and secondly abuts on the first of the surfaces formed by the piece to be cut 2, or a stop shoulder in translation.
  • the relative movement of the downstream nozzle 5 with respect to the plasma nozzle could also be exclusively a swivel movement around the center of the outlet section 10 of the downstream nozzle 5.
  • the relative movement of the downstream nozzle 5 with respect to the plasma nozzle could also be exclusively a sliding movement in a plane perpendicular to the plasma nozzle 4 and in the direction of the cut around the center of the section of the nozzle. outlet 10 of the downstream nozzle 5.
  • the relative movement of the downstream nozzle 5 with respect to the plasma nozzle could also be a combination of at least two of the three motions above.
  • the outlet section 10 of the downstream nozzle 5 is kept parallel to the surface of the sheet during at least one phase of the process cycle.
  • the downstream nozzle may have at least one point of contact with the sheet during at least one phase of the cutting cycle.
  • a plasma cutting method and an electric arc plasma cutting torch implementing, inter alia, an electrode, a plasma nozzle or upstream nozzle facing this electrode, the space between said an electrode being fed with a plasmagene gas, said plasma nozzle comprising an orifice (channel) through which a plasma jet passes, in which the pressure surrounding the plasma jet between the outlet section of said plasma nozzle and a piece to be cut is greater than the atmospheric pressure during at least one phase of a cutting cycle.
  • Said ambient pressure greater than the atmospheric pressure is established by means of at least one second nozzle located downstream of the plasma nozzle, and called downstream nozzle, which is supplied by a secondary gas.
  • the gas supply to the downstream nozzle is provided by at least one pressure regulator, preferably mechanical or electronic, whose setpoint is a value which depends on the supply pressure of the plasma nozzle.
  • This pressure regulator uses for example a pressure measurement signal whose pressure tap is located in a space between the plasma nozzle and the downstream nozzle, preferably in the immediate vicinity of the outlet section of the plasma nozzle.
  • the supply circuit thereof is preferably such that the gas passage sections at any point of the supply circuit between a source of secondary gas under pressure and the nozzle downstream are greater than the minimum of the following two sections: outlet section of the downstream nozzle, or annular section of the surface formed by the projection of the output edge of the downstream nozzle on the surface of the material to be cut during a phase of cutting of the cycle.
  • the NPR (Nozzle Pressure Ratio) ratio between the mean absolute pressure in the plasma jet in the outlet section of said plasma nozzle and the surrounding pressure is advantageously between 1 and 5, preferably between 2 and 5. and 4, ideally around 2.5.
  • a ratio between the total feed pressure of the plasma nozzle and the feed pressure in the downstream nozzle of between 1.65 and 9.5, ideally between 3 and 6, even more ideally around 5.5.
  • the plasma gas may be different from the downstream gas, but it may also be identical to the downstream gas.
  • the plasma gas source 11 and the downstream gas source 14 may be a single source of gas, for example a gas cylinder or an industrial gas network as explained above. This common gas is for example air, oxygen or any other gas.
  • the first supply line and the second supply line are then connected together to this gas source.
  • the present invention is not limited to the preferred embodiment described above and the variants envisaged. It also relates to the embodiments (device and method) within the scope of those skilled in the art within the scope of the claims below.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Abstract

Ce procédé comporte les étapes suivantes : - fourniture d'une torche plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d'une première tuyère (4) présentant une section de sortie (9), des premiers moyens d'alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) et des moyens d'alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5), - mise sous tension de l'électrode et alimentation en gaz des tuyères (4, 5) e de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère (4), - contrôle la pression environnante (P2) au jet plasma (1) dans la seconde tuyère (5) à la sortie de la première tuyère (4) de manière à être au moins supérieure à la pression atmosphérique et inférieure à la pression dans la section de sortie (9).

Description

Procédé de coupage plasma et torche pour la mise en œuvre de ce procédé
La présente invention concerne un procédé de coupage plasma et une torche pour la mise en œuvre de ce procédé.
Le principe de coupage plasma est connu depuis environ soixante ans et a fait l'objet de nombreuses demandes de brevet. Ce principe est utilisé pour le coupage de tôles plus ou moins épaisses. Le passage d'un courant est établi entre une électrode et la tôle à découper de manière à former un plasma d'arc électrique. Une tuyère vient concentrer ce plasma qui est chauffé par effet Joule pour atteindre des températures très élevées. La tuyère présente un orifice de sortie qui oriente le jet plasma. Le jet plasma est en outre éjecté par l'orifice de la tuyère à grande vitesse. Du fait de la température élevée, la tôle fond localement et la pression d'alimentation en gaz de la tuyère créant la vitesse du jet plasma permet d'éjecter le métal fondu sous la tôle. On réalise de la sorte une saignée dans la pièce à découper.
Un dispositif pour mettre en œuvre ce principe de coupage s'appelle une torche, notamment une torche plasma. Une telle torche comporte notamment une électrode, une tuyère et un système d'alimentation en gaz de la tuyère.
Pour obtenir un jet plasma adapté à la découpe, des caractéristiques au niveau de l'arc électrique et de l'alimentation en gaz doivent bien entendu être respectées. Il convient de maintenir dans une plage donnée certains paramètres tels par exemple la distance séparant l'électrode de la tôle à découper, le courant passant entre l'électrode et la tôle à découper, la pression du gaz, etc..
La performance d'une torche plasma se mesure notamment à la finesse de la coupe réalisée, à sa droiture et à sa vitesse. L'homme du métier vise ainsi à obtenir un jet plasma plus fin et plus énergétique au niveau de la tôle à découper. Le champ électrique régnant dans la tuyère permet d'obtenir une bonne indication de l'intensité énergétique du plasma. Il est proportionnel à la densité de courant qui circule dans le plasma. Le champ électrique moyen peut être estimé facilement en divisant la tension de l'arc électrique par la distance entre l'extrémité de l'électrode et la tôle à découper.
Pour augmenter les performances d'une torche plasma, le document GB 1025678 propose d'utiliser un passage de gaz, ou buse, d'un diamètre inférieur au millimètre permettant d'obtenir un jet plasma fin et supersonique et ainsi d'avoir une zone perturbée thermiquement limitée au niveau de la coupe réalisée dans la pièce coupée. Un faible volume de plasma est formé dans une chambre de décharge, à une pression comprise entre 30 et 100 atmosphères (soit environ de 3 à 10 106 Pa) entre une
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) cathode et l'entrée du passage de gaz.
Toutefois, l'augmentation de la pression dans la tuyère, avec des vitesses du gaz supersoniques, est à l'origine de structures de chocs dans le jet plasma à la sortie de la tuyère. Pour résoudre ces problèmes, il convient alors d'éloigner la pièce à découper de la tuyère pour éviter des interactions des structures de choc avec le métal fondu. De ce fait, la densité de puissance disponible au niveau de la tôle diminue sensiblement par diffusion thermique entre la sortie de la tuyère et la tôle, zone où le jet plasma n'est plus concentré par la tuyère.
Actuellement, la plupart des installations de découpe plasma proposées sur le marché fonctionnent avec des pressions du gaz inférieures ou égales à 10 bars (soit environ 106 Pa) et des tensions d'arc maximales de l'ordre de 150 V avec des distances entre l'électrode et la pièce à découper supérieures à 10 mm, ce qui correspond à un champ électrique maximal de 15 kV/m.
Il est connu en outre de munir une torche plasma d'une seconde tuyère, disposée en aval (ou autour) de la première tuyère de manière à former autour du jet plasma une couche de gaz protectrice. La seconde tuyère est alors souvent alimentée avec un gaz inerte ou de l'air. Le document EP2384097 décrit une telle tuyère qui est ici optimisée pour le refroidissement amont de la tuyère plasma munie d'une ouverture formant une buse par laquelle passe le jet plasma. La torche plasma décrite dans ce document présente donc les avantages d'un flux gazeux de plasma ionisé ainsi qu'un refroidissement de la buse et sa protection renforcés contre les projections de métal fondu qui peuvent intervenir pendant l'utilisation de la torche, et en particulier durant les phases de perçage.
La présente invention a alors pour but de fournir une torche de coupage plasma permettant d'obtenir à la fois une intensification énergétique du plasma et une conservation de la densité de puissance créée au sein de la torche (tuyère) jusqu'à la pièce à découper.
L'invention vise ainsi à obtenir un jet plasma fin tout en évitant une intensification des structures de choc lorsque la pression d'alimentation de la tuyère augmente.
À cet effet, la présente invention propose tout d'abord un procédé de coupage plasma d'une pièce à couper comportant les étapes suivantes :
- fourniture d'une torche plasma comportant une électrode disposée au sein d'une première tuyère présentant une première section de sortie face à une extrémité de l'électrode, des premiers moyens d'alimentation en gaz de ladite première tuyère, une seconde tuyère disposée concentriquement autour de la première tuyère avec une seconde section de sortie sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie et des moyens d'alimentation en gaz entre la première tuyère et la seconde tuyère,
- mise sous tension de l'électrode et alimentation en gaz de la première tuyère et de la seconde tuyère de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère.
Selon la présente invention, la pression environnante au jet plasma dans la seconde tuyère à la sortie de la première tuyère est contrôlée de manière à être, d'une part, au moins supérieure à la pression atmosphérique et, d'autre part, inférieure à la pression dans la première section de sortie.
De cette manière, le flux de gaz secondaire est utilisé non seulement pour protéger le jet plasma mais aussi pour le contenir en limitant sa largeur et en agissant sur les structures de choc.
Dans un tel procédé de coupage plasma, le rapport entre la pression dans le jet plasma dans la première section de sortie et la pression environnante au jet plasma entre la première tuyère et la seconde tuyère est avantageusement compris entre 1 et 5, préférentiellement entre 2 et 4 et de manière encore préférée entre 2,4 et 2,6.
Une forme de réalisation prévoit que la pression dans la première section de sortie est obtenue à partir de la pression totale génératrice dans la première tuyère et d'un coefficient correspondant au rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constant du plasma.
Dans un tel procédé de coupage plasma, on peut aussi prévoir que la pression environnante au jet plasma soit également régulée en faisant varier la distance séparant la seconde section de sortie de la pièce à couper. Il apparaîtra à l'homme du métier que plus la distance entre la pièce à couper et la sortie de la seconde tuyère (ce qui correspond en d'autres termes à la seconde section de sortie) est faible, plus cette distance a une influence sur cette pression environnante. En effet, la pièce à couper crée une contrepression sur l'écoulement de gaz (appelé gaz aval) passant entre la première tuyère et la seconde tuyère puisqu'il gêne l'écoulement de ce gaz aval. Plus cette distance augmente, plus la contrepression diminue pour devenir rapidement négligeable. A titre illustratif et non limitatif, la pression d'alimentation en gaz dans la première tuyère peut être par exemple supérieure à 5000 hPa et de préférence comprise entre 8000 et 20000 hPa. De même, en ce qui concerne les valeurs électriques, on peut prévoir par exemple que le champ électrique moyen dans le jet plasma est supérieur à 15 kV/m.
Des tests ont montré que l'intensité de courant dans le jet plasma est avantageusement une fonction affine de la pression d'alimentation en gaz de la première tuyère. De la sorte, l'intensité de courant, et donc aussi la densité de courant apparente (en A/mm2) qui lui est directement proportionnelle, augmente avec la pression d'alimentation en gaz plasmagène, ce qui permet de conserver des densités de puissance importantes dans tout le jet plasma.
Dans un procédé de coupage plasma selon l'invention, on prévoit par exemple que la pression environnante au jet plasma à la section de sortie de la première tuyère est sensiblement égale à la pression atmosphérique (inférieure à 1500 hPa) durant une phase d'amorçage d'un jet plasma, une phase de transfert et une phase de perçage tandis que ladite pression augmente ensuite pour une phase de coupe.
Dans un procédé tel que décrit plus haut, la seconde tuyère peut venir au contact de la pièce à couper pendant au moins une phase d'un cycle de coupe. Comme expliqué plus haut, ceci permet d'agir sur la pression environnante du jet plasma entre les deux tuyères.
Ensuite, la présente invention concerne en outre une torche de coupage plasma comportant une électrode disposée au sein d'une première tuyère présentant une première section de sortie face à une extrémité de l'électrode, des premiers moyens d'alimentation en gaz de ladite première tuyère, une seconde tuyère disposée concentriquement autour de la première tuyère avec une seconde section de sortie sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie et des seconds moyens d'alimentation en gaz entre la première tuyère et la seconde tuyère.
Selon l'invention, une telle torche comporte en outre des moyens de régulation des seconds moyens d'alimentation à partir d'au moins un capteur lié aux premiers moyens d'alimentation.
Selon une forme de réalisation, une telle torche comporte un premier capteur d'une pression régnant dans la première tuyère, un second capteur déterminant une pression régnant dans la seconde tuyère et une ligne de contrôle de la pression dans la seconde tuyère. Cette torche de coupage plasma peut en outre comporter une ligne de contrôle de la pression dans la première tuyère.
Une variante de réalisation prévoit que la première tuyère comporte un canal se terminant par la section de sortie, et que ledit canal est muni d'un divergent.
Dans une torche de coupage plasma telle que décrite ici, la section critique pour le gaz aval (correspondant aux seconds moyens d'alimentation) est de préférence la seconde section de sortie, c'est-à-dire la section de sortie de la seconde tuyère. On conçoit alors avantageusement la torche de telle sorte que la section de passage entre la première tuyère et la seconde tuyère est toujours supérieure à la seconde section de sortie, de préférence toujours supérieure d'au moins 1,5 fois à cette seconde section de sortie.
Une autre variante d'une torche selon l'invention prévoit que la seconde tuyère est montée mobile par rapport à la première tuyère. Dans cette autre variante, le mouvement relatif de la seconde tuyère par rapport à la première peut correspondre à un mouvement de rotule autour de la section de sortie et/ou un mouvement axial selon un axe longitudinal défini par la première tuyère et/ou un mouvement dans un plan transversal par rapport à la première tuyère et dans la direction de la découpe réalisée autour du centre de la section de sortie de la première tuyère.
Enfin, dans une torche telle que décrite ci-dessus, la seconde tuyère présente de préférence une section de sortie dont le diamètre est compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie de la première tuyère.
Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une torche de coupage plasma selon la présente invention, et
La figure 2 est un diagramme illustrant les performances pouvant être obtenues grâce à la présente invention par rapport à une torche de coupage plasma de l'art antérieur.
La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une torche de coupage plasma. La structure de cette torche ressemble à celle d'une torche connue de l'art antérieur. On retrouve au centre de la torche une électrode 3 qui s'étend selon une direction dite longitudinale. Autour de cette électrode 3 se trouve une première tuyère, ou tuyère plasma 4, et à l'extérieur de cette tuyère, montée concentriquement par rapport à l'électrode 3, se trouve une seconde tuyère, ou tuyère aval 5. Cet ensemble est monté en vis-à-vis d'une pièce à découper 2, par exemple une tôle métallique de grande épaisseur.
L'électrode 3 est par exemple une électrode connue de l'art antérieur pour être utilisée dans une torche plasma. Comme illustré sur la figure 1 de manière schématique, elle présente un corps de forme globalement cylindrique circulaire réalisé dans un matériau conducteur de l'électricité et de la chaleur, par exemple en cuivre ou dans un alliage à base de cuivre. On remarque à l'extrémité de l'électrode 3 la présence d'un insert qui est le plus souvent réalisé dans un matériau thermo-émissif, comme par exemple le tungstène, qui présente une température de fusion très élevée, ou bien le hafnium (ou autre). Selon les matériaux à découper et la nature du plasma, un matériau sera préféré à un autre.
Les moyens pour alimenter électriquement l'électrode 3 ne sont pas représentés sur le dessin et ne seront pas décrits ici. Des moyens d'alimentation et de régulation connus de l'homme du métier et utilisés couramment sur des torches de coupage plasma de l'art antérieur peuvent être utilisés ici.
La première tuyère, ou tuyère plasma 4, présente sensiblement une forme de révolution autour de l'axe longitudinal de l'électrode 3 et présente ainsi une forme sensiblement conique. Un premier passage 6 est laissé libre entre l'électrode 3 et la paroi intérieure de la tuyère plasma 4. A son sommet, sur son axe de révolution, la tuyère plasma 4 présente un canal 8 qui présente au niveau de la surface extérieure de la tuyère plasma 4 une section de sortie 9. Le canal 8 est représenté ici dans sa forme de réalisation préférée correspondant à un canal cylindrique circulaire (donc de section circulaire constante) mais ce canal pourrait également présenter une portion divergente se terminant par la section de sortie 9. Dans le cas d'une tuyère plasma 4 avec un canal 8 muni d'un divergent permettant de diminuer la pression de sortie de la tuyère plasma 4 jusqu'à une valeur intermédiaire entre la pression au col et la pression atmosphérique, le divergent sera de préférence conçu de telle sorte que cette valeur intermédiaire n'atteigne toutefois pas la pression atmosphérique.
La seconde tuyère, ou tuyère aval 5, présente elle aussi une forme de révolution autour de l'axe longitudinal de l'électrode 3. Elle présente elle aussi une forme globalement conique, avec un angle au sommet un peu plus grand que celui de la tuyère plasma 4. Un second passage 7 est également prévu entre la tuyère plasma 4 et la tuyère aval 5. Sur l'axe de révolution, au sommet de la tuyère aval 5, se trouve également une ouverture traversante présentant une section de sortie 10 sur la surface extérieure de la tuyère aval 5. La section de sortie 10 est plus grande que la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.
Le matériau pour réaliser la tuyère plasma 4 et la tuyère aval 5 est de préférence un matériau bon conducteur de la chaleur. Il peut s'agir d'un alliage de cuivre (par exemple de type CuAl ou CuTe ou CuCrZr) ou d'un alliage d'aluminium ou bien d'un laiton (ou autre). Les tuyères sont en outre de préférence refroidies, par exemple au moyen des gaz en écoulement et/ou par un système dédié avec un fluide de refroidissement distinct. La figure 1 n'illustre pas de tels moyens de refroidissement qui peuvent être intégrés à la torche illustrée.
La pièce à découper 2 illustrée ici est une tôle disposée perpendiculairement par rapport à l'axe de révolution des tuyères, une autre disposition connue de l'homme du métier comme une découpe avec un angle non droit pour la découpe en chanfrein étant possible avec l'invention.
Des moyens d'alimentation en gaz du premier passage 6 sont prévus. Ils comportent tout d'abord une source de gaz plasmagène 11 et une ligne d'alimentation s'étendant de ladite source jusqu'au premier passage 6. La source de gaz plasmagène 11 peut être par exemple simplement une bouteille de gaz, par exemple de l'air comprimé, de l'oxygène ou tout autre gaz adapté au matériau à découper connu de l'homme du métier, munie de préférence d'un détendeur. Il peut aussi s'agir d'un réseau de gaz industriel, d'un réservoir de gaz stocké à basse température sous phase liquide, d'un générateur de gaz, etc.. La première ligne d'alimentation comporte un premier régulateur de pression 12 et une vanne de coupure 13. On trouve également sur cette première ligne d'alimentation, le plus en aval possible, un capteur de pression donnant une pression d'alimentation en gaz plasmagène. Cette pression d'alimentation est appelée Pi.
On trouve également des moyens d'alimentation en gaz du second passage 7. Ces moyens comportent une source de gaz aval 14 et une ligne d'alimentation s'étendant de ladite source jusqu'au second passage 7. Cette seconde ligne d'alimentation comporte un second régulateur de pression 15 et une vanne de coupure 16. La source de gaz aval peut être ici aussi une bouteille de gaz (avec de préférence un détendeur), un réseau industriel, un générateur, du gaz liquéfié, ... . Le gaz aval peut être un gaz inerte tel de l'azote mais il peut aussi s'agir par exemple d'air.
La torche comporte en outre un capteur de pression mesurant la pression P2 qui règne dans la tuyère aval 5, entre la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et l'ouverture réalisée dans la tuyère aval 5. Ce capteur de pression mesurant P2 est disposé au plus près possible de l'axe de révolution de la tuyère aval 5 de manière à donner une valeur représentative de la pression environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4. Si le capteur mesurant P2 est éloigné de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4, une correction peut être apportée à la mesure réalisée en fonction de la baisse de pression calculée entre le point de mesure et la zone environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4. Cette correction peut prendre en compte la perte de pression totale liée aux pertes de charge, ainsi que la baisse de pression dynamique liée à la vitesse du gaz. On prévoit alors dans ce cas un capteur de débit (non représenté) placé en amont dans la ligne d'alimentation en gaz aval.
Un dispositif de régulation est prévu pour agir sur le second régulateur de pression 15 du second passage 7 (gaz aval). On remarque sur la figure 1 la présence d'un multiplicateur (par un coefficient 1/K) de la pression mesurée dans le premier passage 6 (pression Pi). La valeur ainsi obtenue est comparée à la pression mesurée P2 et le second régulateur de pression 15 est piloté pour maintenir la valeur (Pi/K)-P2 à zéro. On maintient de la sorte un rapport Pi/P2 à la valeur K. Comme expliqué plus loin, le coefficient K est de préférence choisi entre 1,65 et 9,5.
Les mesures et les régulations de pression sont de préférence réalisées électroniquement (de manière analogique ou digitale) mais il peut être envisagé d'utiliser une technologie purement mécanique (pneumatique) ou bien entendu une combinaison de technologie mécanique et électronique. A titre purement illustratif et non limitatif, on a ainsi représenté sur la figure 1 un premier régulateur de pression 12 qui est un régulateur mécanique et un second régulateur de pression 15 qui est une vanne proportionnelle de technologie électronique. Le plus souvent, l'homme du métier choisira une même technologie (électronique ou mécanique ou autre) pour tous ses composants mais tout « mélange » de technologies peut être envisagé.
Comme variante de réalisation, on peut prévoir que la pression environnante du jet plasma entre les tuyères (tuyère plasma 4 et tuyère aval 5) peut aussi être contrôlée par la hauteur entre la section de sortie 10 (qui peut être considérée comme l'extrémité) de la tuyère aval et la surface de la pièce à découper 2 (ou tôle), en complément du régulateur de pression.
Lorsque l'électrode 3 est mise sous tension, que la pièce à découper 2 supposée ici conductrice est relié à un potentiel de référence (masse), que la tuyère plasma 4 est alimentée en gaz plasmagène et que la tuyère aval 5 est alimentée en gaz aval, un jet plasma 1 d'arc électrique se crée. Il prend naissance au niveau de l'insert de l'électrode 3, est canalisé par le canal 8 puis passe à travers l'ouverture de la tuyère aval 5 avant d'atteindre la pièce à découper 2.
Pour la découpe de la pièce à découper 2, il est proposé ici de garantir que la pression environnante du jet plasma dans le volume environnant de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et jusqu'à la pièce à découper 2 soit supérieure à la pression atmosphérique et contrôlée de manière à maintenir un jet plasma fin, éviter l'intensification des structures de chocs lorsque la pression d'alimentation en gaz plasmagène augmente et conserver une densité de puissance du jet plasma créé dans la tuyère plasma 4 jusqu'à la pièce à découper 2. À cet effet, il est prévu de régler la pression P2 (pression environnante de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4, entre les deux tuyères) de telle sorte que le rapport entre la pression absolue moyenne d'éjection Pj du jet plasma au niveau de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et la pression P2 environnante dudit jet plasma entre les deux tuyères, rapport appelé rapport de pression de la tuyère plasma (en anglais Nozzle Pressure Ration ou NPR), soit maintenu entre 1 et 5.
Quand le rapport NPR vaut 1, la pression de sortie est égale à la pression environnante et la torche fonctionne alors dans un mode adapté. A l'inverse, quand ce rapport vaut 5, la torche fonctionne dans un régime limite (limite haute) de jet plasma sous-détendu avec une structure de chocs en tonneaux, le diamètre du premier choc droit atteignant une dimension proche du diamètre de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.
La régulation de la pression dans la tuyère aval n'est pas uniquement réalisée pendant une phase de découpe du procédé de coupage de la pièce à découper 2. On peut par exemple prévoir que la pression environnante P2 à la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 est contrôlée pour être sensiblement égale à la pression atmosphérique durant des phases d'amorçage, de transfert et de perçage et pour être ensuite supérieure à la pression atmosphérique durant une phase de découpe.
Il est considéré ici que la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 est sa section critique (cas correspondant à un canal 8 de section transversale circulaire constante). Une bonne estimation de la pression Pj dans la section de sortie 9 est alors donnée par la formule :
Pi est la pression évoquée plus haut. Il s'agit de la pression totale génératrice dans la tuyère plasma, c'est-à-dire la pression d'alimentation en gaz plasmagène diminuée des pertes de charge dans la tuyère plasma 4.
γ est une estimation du rapport de la chaleur spécifique à pression constante et de la chaleur spécifique à volume constant pour le plasma.
γ est généralement compris entre 1,0 et 1,4. Ainsi, le rapport Pj/Pi est généralement compris entre 1,65 et 1,9. Avec le rapport Pj/P2 compris entre 1 et 5, on obtient alors un coefficient K=Pi/P2 compris entre 1,65 et 9,5.
Le coefficient K est en fait de préférence compris entre 3 et 6 et un bon compromis pour ce coefficient se trouve généralement autour de 5,5.
Dans le cas de figure non illustré, dans lequel le canal 8 présenterait un divergent, la pression moyenne dans la section de sortie 9 peut également être estimée mais avec une autre formule faisant intervenir le nombre de Mach dans la section de sortie 9. On a dans ce cas :
2\
p \ 2
avec en outre :
où A correspond à la section de sortie 9 et A* correspond à la section critique (minimale) du canal.
En régulant la pression du gaz aval comme expliqué précédemment, la torche produit un jet plasma qui peut être intensifié, c'est-à-dire que l'on peut augmenter significativement la densité de courant moyenne ou le champ électrique moyen entre l'électrode 3 et la pièce à découper 2 en augmentant la pression d'alimentation du gaz plasmagène tout en garantissant de conserver cette densité de puissance du jet plasma jusqu'à la surface de la pièce à découper 2 puisque l'expansion du jet plasma et l'intensité et la taille des structures de choc dans le jet sont contenues. Il devient aussi possible d'opérer à des hauteurs de coupe entre la pièce à découper 2 et la tuyère plasma 4 (ou l'électrode 3) plus faibles que pour les torches connues de l'art antérieur. Des tests ont montré qu'il était possible avec la technologie présentée ici d'avoir une hauteur de coupe inférieure à 4 fois le diamètre de la tuyère plasma 4, de sorte que la diffusion thermique des profils de température dans le jet plasma soit faible et que la précision de découpe (la largeur de saignée), soit signifïcativement améliorée. Cette diminution de la largeur de saignée par rapport à l'état de l'art a pour effet bénéfique complémentaire d'améliorer l'efficacité énergétique de la découpe, puisque le volume spécifique de métal à fondre et à évacuer par mètre linéaire coupé est moins important. En conséquence, il est donc ainsi possible d'améliorer la productivité du procédé de découpe, c'est-à-dire de couper plus vite ou plus épais avec une même intensité de courant.
La hauteur de coupe peut aussi venir influencer la pression environnante P2. En effet, quand cette hauteur de coupe diminue, une contrepression vient s'opposer sur l'écoulement du gaz aval et modifie donc la pression environnante P2. Cette hauteur de coupe doit ainsi aussi être prise en compte si elle devient faible, c'est-à-dire que la contrepression exercée n'est plus négligeable. Le calcul de ladite contrepression dépend, outre la distance séparant la pièce à découper 2 de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5, aussi de la section de sortie 10 et éventuellement de sa forme (si divergent par exemple).
A titre d'exemple numérique illustratif et non limitatif, on peut prévoir par exemple que la pression d'alimentation en gaz plasmagène est supérieure à 5 bar pendant au moins une phase d'un cycle de découpe, de préférence entre 6 et 100 bars, idéalement entre 8 et 20 bars. On peut aussi prévoir que le champ électrique moyen dans le jet plasma, défini comme le rapport de la tension d'arc sur la distance entre l'électrode 3 et la pièce à découper 2, soit supérieur à 15 kV/m durant tout ou partie d'une phase de découpe d'un cycle du procédé.
Le procédé de coupage plasma décrit ici peut aussi prévoir que le courant pour un diamètre de section de sortie 9 de tuyère plasma 4 donné soit fonction de la pression d'alimentation Pi de la tuyère plasma 4 pendant au moins une phase du procédé de découpe. L'intensité pourrait par exemple être une fonction affine de la pression d'alimentation et s'exprimer donc sous la forme : I = a + b.P avec a et b constantes à déterminer en fonction de la géométrie de la torche. Ce courant peut être dynamiquement asservi à la pression dans la tuyère plasma 4 pendant tout ou partie d'un cycle d'amorçage, de perçage et/ou de découpe.
La figure 2 illustre par un diagramme les performances obtenues en régulant la pression du gaz aval (trait plein) par rapport à des performances obtenues sans régulation (trait pointillé).
Dans un exemple de mise en œuvre, une torche de coupage plasma est opérée dans un premier temps à 60A. Cette torche est équipée d'une tuyère plasma 4 présentant un canal de 1 mm de diamètre, alimentée en air comme gaz plasmagène, et d'une tuyère aval 5 avec une section de sortie 10 de 4 mm de diamètre. La tuyère aval 5 est alimentée en air comprimé, utilisé ici comme gaz aval, de sorte que la pression P2 mesurée autour de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 puisse être contrôlée entre 0 bar (soit une pression absolue de 1 bar, soit environ 100.000 Pa), correspondant au fonctionnement de référence sans adaptation de pression, et 3 bars. Cette torche a été utilisée pour découper des pièces (tôles) d'acier doux de 5 mm d'épaisseur, en faisant varier les pressions d'alimentation de la tuyère plasma 4 et de la tuyère aval 5. La largeur de saignée supérieure des découpes a ensuite été mesurée dans les cas avec et sans régulation (adaptation) de la pression P2 et tracée sur la figure 2.
On observe que la mise en œuvre de l'invention (courbe continue), au cours de laquelle la pression P2 est progressivement augmentée de 0 à 0,9 puis à 1,25 bar (soit respectivement 0 puis 90.000 puis 125.000 Pa) a permis d'observer une diminution de la largeur de saignée (en ordonnée sur la figure 2) lorsqu'on augmentait la pression d'alimentation dans la tuyère plasma 4 (en abscisse sur la figure 2).
Par contre, le comportement de la torche en régime conventionnel (P2 nulle) implique une augmentation significative de la largeur de saignée avec la pression d'alimentation de la tuyère plasma 4 au-dessus la pression conventionnelle, ici 5 bar environ.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le rapport entre la pression d'alimentation Pi de la tuyère plasma 4 et la pression P2 est constant et environ égal à 5,5.
Dans une autre mise en œuvre de la même torche en fonctionnement avec régulation de pression, il a été possible d'augmenter l'intensité du courant pour réaliser la coupe à haute pression d'alimentation de la tuyère plasma jusqu'à 130 A, soit une densité de courant apparente de 165 A/mm2, très supérieure aux valeurs de densité de courant apparentes conventionnelles de 60 A/mm2 (valeur citée par exemple dans le document US5123512) et d'augmenter proportionnellement la vitesse de coupe jusqu'à 5 m/min tout en maintenant de faibles largeurs de saignée telles qu'observées dans la première mise en œuvre.
Pour pouvoir réaliser une bonne régulation de pression du gaz dans la tuyère aval 5, sa conception géométrique et celle de son système d'alimentation doit permettre une augmentation de la pression P2 jusqu'à la valeur désirée P2 = Pi/K. À cet effet, la forme de la tuyère aval 5 est par exemple telle que les sections de passage des circuits d'alimentation en gaz aval depuis la source de gaz aval 14 jusqu'à la section se sortie 10 de la tuyère aval 5 sont en tout point supérieures à cette même section de sortie 10, de telle sorte que la section de sortie 10 soit la section critique pour l'écoulement de gaz dit gaz aval.
En outre, en ce qui concerne l'alimentation en gaz plasmagène et les éléments de régulation dynamique de la pression dans la ligne d'alimentation correspondante, tous les composants sont bien entendu dimensionnés pour permettre le passage du débit maximal correspondant à cette section critique.
Pour remplir ces conditions, on estime que le diamètre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5 est de préférence compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4.
La « hauteur » de la tuyère aval 5, définie comme étant la distance entre la section de sortie 9 de la tuyère plasma 4 et la section de sortie 10 de la tuyère aval 5, est choisie par exemple entre 0 et 10 mm, préférentiellement entre 0 et 5 mm.
En variante de réalisation, on peut prévoir que la tuyère aval 5 est mobile par rapport à la tuyère plasma et se déplacer relativement par rapport à celle-ci qui est considérée comme étant fixe dans le référentiel de la torche.
Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma peut être par exemple exclusivement linéaire le long de l'axe longitudinal. Pour le contrôle de ce mouvement, il peut être prévu (non illustré au dessin) d'une part un système de poussée élastique vers l'extérieur de la tuyère plasma 4, par exemple à ressort ou pneumatique (au moyen du gaz secondaire par exemple), et d'autre part en butée sur la première des surfaces formées par la pièce à découper 2, ou bien un épaulement d'arrêt en translation. Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être exclusivement un mouvement de rotule autour du centre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5.
Selon une autre variante, le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être exclusivement un mouvement de glissement dans un plan perpendiculaire à la tuyère plasma 4 et dans la direction de la découpe autour du centre de la section de sortie 10 de la tuyère aval 5.
Le mouvement relatif de la tuyère aval 5 par rapport à la tuyère plasma pourrait aussi être une combinaison d'au moins deux des trois mouvements ci-dessus.
Dans le cas d'un mouvement de rotule, celui-ci peut être par exemple asservi à l'angle entre la tuyère plasma 4 et la tôle à couper de telle sorte que la section de sortie 10 de la tuyère aval 5 soit maintenue parallèle à la surface de la tôle pendant au moins une phase du cycle du procédé.
Dans une variante de réalisation d'un procédé de coupage, la tuyère aval peut avoir au moins un point de contact avec la tôle pendant au moins une phase du cycle de découpe.
En résumé, on a donc ici un procédé de coupage plasma et une torche de découpe à plasma d'arc électrique mettant en œuvre, entre autres, une électrode, une tuyère plasma ou tuyère amont en regard de cette électrode, l'espace entre ladite électrode étant alimenté par un gaz plasmagène, ladite tuyère plasma comportant un orifice (canal) à travers lequel passe un jet plasma, dans lequel la pression environnant le jet plasma entre la section de sortie de ladite tuyère plasma et une pièce à découper est supérieure à la pression atmosphérique pendant au moins une phase d'un cycle de découpe.
Ladite pression environnante supérieure à la pression atmosphérique est établie au moyen d'au moins une seconde tuyère située en aval de la tuyère plasma, et appelée tuyère aval, qui est alimentée par un gaz secondaire.
L'alimentation en gaz de la tuyère aval est assurée par au moins un régulateur de pression, de préférence mécanique ou électronique, dont la consigne est une valeur qui dépend de la pression d'alimentation de la tuyère plasma. Ce régulateur de pression utilise par exemple un signal de mesure de pression dont la prise de pression est située dans un espace situé entre la tuyère plasma et la tuyère aval, préférentiellement à proximité immédiate de la section de sortie de la tuyère plasma. Pour une bonne alimentation en gaz de la tuyère aval, le circuit d'alimentation de celle-ci est de préférence tel que les sections de passage de gaz en tout point du circuit d'alimentation entre une source de gaz secondaire sous pression et la tuyère aval soient supérieures au minimum des deux sections suivantes : section de sortie de la tuyère aval, ou bien section annulaire de la surface formée par la projection de l'arête de sortie de la tuyère aval sur la surface du matériau à découper pendant une phase de découpe du cycle.
Comme évoqué plus haut, le rapport NPR (sigle anglais pour Nozzle Pressure Ratio) entre la pression absolue moyenne dans le jet plasma dans la section de sortie de ladite tuyère plasma et la pression environnante est avantageusement compris entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 4, idéalement autour de 2.5. Ainsi, pour une tuyère plasma présentant un canal de sortie cylindrique, on a alors avantageusement un rapport entre la pression totale d'alimentation de la tuyère plasma et la pression d'alimentation dans la tuyère aval compris entre 1,65 et 9,5, idéalement entre 3 et 6, encore plus idéalement autour de 5,5.
Enfin, le gaz plasmagène peut être différent du gaz aval, mais il peut également être identique au gaz aval. Dans ce cas la source de gaz plasmagène 11 et la source de gaz aval 14 peuvent être une seule source de gaz, par exemple une bouteille de gaz ou un réseau de gaz industriel comme explicité précédemment. Ce gaz commun est par exemple de l'air, de l'oxygène ou tout autre gaz. La première ligne d'alimentation et la seconde ligne d'alimentation sont alors reliées ensemble à cette source de gaz.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus et aux variantes envisagées. Elle concerne également les variantes de réalisations (dispositif et procédé) à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de coupage plasma d'une pièce à couper comportant les étapes suivantes :
- fourniture d'une torche plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d'une première tuyère (4) présentant une première section de sortie (9) face à une extrémité de l'électrode (3), des premiers moyens d'alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) avec une seconde section de sortie (10) sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie (9) et des moyens d'alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5),
- mise sous tension de l'électrode et alimentation en gaz de la première tuyère (4) et de la seconde tuyère (5) de manière à former un plasma avec le gaz alimenté dans la première tuyère (4),
caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) dans la seconde tuyère (5) à la sortie de la première tuyère (4) est contrôlée de manière à être, d'une part, au moins supérieure à la pression atmosphérique et, d'autre part, inférieure à la pression (Pj) dans la première section de sortie (9).
2. Procédé de coupage plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la pression (Pj) dans le jet plasma (1) dans la première section de sortie
(9) et la pression environnante (P2) au jet plasma (1) entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5) est comprise entre 1 et 5, préférentiellement entre 2 et 4 et de manière encore préférée entre 2,4 et 2,6.
3. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression (Pj) dans la première section de sortie (9) est obtenue à partir de la pression totale génératrice (Pi) dans la première tuyère (4) et d'un coefficient correspondant au rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constant du plasma.
4. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression d'alimentation (Pi) en gaz dans la première tuyère (4) est supérieure à 5000 hPa et de préférence comprise entre 8000 et 20000 hPa.
5. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) est également régulée en faisant varier la distance séparant la seconde section de sortie (10) de la pièce à couper (2)·
6. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le champ électrique moyen dans le jet plasma est supérieur à 15 kV/m.
7. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intensité de courant dans le jet plasma est une fonction affine de la pression d'alimentation (Pi) en gaz de la première tuyère (4).
8. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pression environnante (P2) au jet plasma (1) à la section de sortie (9) de la première tuyère (4) est sensiblement égale à la pression atmosphérique (inférieure à 1500 hPa) durant une phase d'amorçage d'un jet plasma, une phase de transfert et une phase de perçage tandis que ladite pression augmente ensuite pour une phase de coupe.
9. Procédé de coupage plasma selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la seconde tuyère (5) vient au contact de la pièce à couper (2) pendant au moins une phase d'un cycle de coupe.
10. Torche de coupage plasma comportant une électrode (3) disposée au sein d'une première tuyère (4) présentant une première section de sortie (9) face à une extrémité de l'électrode (3), des premiers moyens d'alimentation (11, 12, 13) en gaz de ladite première tuyère (4), une seconde tuyère (5) disposée concentriquement autour de la première tuyère (4) avec une seconde section de sortie (10) sensiblement en vis-à-vis de la première section de sortie (9) et des seconds moyens d'alimentation (14, 15, 16) en gaz entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5),
caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de régulation des seconds moyens d'alimentation à partir d'au moins un capteur lié aux premiers moyens d'alimentation.
11. Torche de coupage plasma selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier capteur d'une pression (Pi) régnant dans la première tuyère (4), un second capteur déterminant une pression (P2) régnant dans la seconde tuyère (5) et une ligne de contrôle de la pression dans la seconde tuyère (5).
12. Torche de coupage plasma selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une ligne de contrôle de la pression dans la première tuyère (4)·
13. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la première tuyère (4) comporte un canal (8) se terminant par la section de sortie (9), et en ce que ledit canal (8) est muni d'un divergent.
14. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la section de passage entre la première tuyère (4) et la seconde tuyère (5) est toujours supérieure à la seconde section de sortie (10), de préférence toujours supérieure d'au moins 1,5 fois à cette seconde section de sortie (10).
15. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la seconde tuyère (5) est montée mobile par rapport à la première tuyère (4).
16. Torche de coupage plasma selon la revendication 15, caractérisée en ce que le mouvement relatif de la seconde tuyère (5) par rapport à la première (4) correspond à un mouvement de rotule autour de la section de sortie et/ou un mouvement axial selon un axe longitudinal défini par la première tuyère (4) et/ou un mouvement dans un plan transversal par rapport à la première tuyère (4) et dans la direction de la découpe réalisée autour du centre de la section de sortie (9) de la première tuyère (4).
17. Torche de coupage plasma selon l'une des revendications 10 à 16, caractérisée en ce que la seconde tuyère (5) présente une section de sortie (10) dont le diamètre est compris entre 2 et 30 fois le diamètre de la section de sortie (9) de la première tuyère (4).
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