CH420409A - Chalumeau à plasma et procédé pour sa mise en action - Google Patents

Description

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 Chalumeau à    plasma   et procédé pour sa    mise   en action La présente invention comprend un chalumeau à plasma et un procédé de mise en action de ce chalumeau. 



  Les flammes ou jets de plasma (qui sont par définition composées de gaz neutre, d'ions et d'électrons, à hautes températures) ont été considérées depuis de nombreuses années comme des phénomènes physiques, par exemple en relation avec les arcs électriques. Ces flammes ont été    utilisées   pour    obtenir   des températures très élevées. 



  Les chalumeaux connus exigeaient pour    obtenir   des    arcs   à paroi stabilisée ou resserrée dans laquelle une portion de l'arc était entourée à très faible distance par une tuyère solide, un bon    alignement   entre l'électrode    centrale   et la tuyère    afin   de prolonger la durée de la tuyère ainsi que celle de l'électrode. La tuyère et l'électrode centrale exigeant un refroidissement approprié pour éviter les dommages aux températures de l'arc. L'érosion de l'arc ajoutée au fait que le refroidissement de l'électrode centrale était    difficile   a conduit à une faible durée de ces éléments exigeant de fréquents changements d'électrode.

   Ces conditions étaient    particulièrement      importantes   dans le fonctionnement à arc non    transféré   où l'arc est maintenu entre une électrode centrale et une électrode tuyère. 



  Les défaillances d'un certain nombre de chalumeaux connus ont également été causées par la déformation de l'arc    dûe   à la    turbulence   du gaz ou par le passage asymétrique du courant provoquant une usure des axes de la tuyère. De plus, ces chalumeaux étaient    compliqués,   comportant de nombreuses pièces et des conduits de refroidissement, ainsi que des moyens d'amorçage complexes tels par exemple que des démarreurs à condensateur ce qui conduisait à un    prix   initial élevé    est   à un entretien ennuyeux et coûteux. Les chalumeaux connus rencontrent aussi un problème particulier dû au volume    important   et aux grandes dimensions du plasma qui rendent très difficile leur emploi avec des petites pièces.

   Par exemple, dans les applications de revêtement, les matières de revêtement étant introduites dans le plasma avant de passer à travers l'orifice de la tuyère provoquaient l'engorgement    partiel   de l'orifice en raison du refroidissement de la tuyère qui conduisait à un plasma variable et à une combustion rapide de l'électrode et de la tuyère. Pour éviter ce problème, les chalumeaux ont été réalisés avec des    orifices   relativement larges qui avaient pour résultat un jet de    plasma   large, ce qui ne convient pas pour les    applications   aux petites pièces. 



  Un objet de cette    invention   est un chalumeau à plasma convenant pour le revêtement de petits éléments et assurant une longue durée à l'électrode. 



  Le chalumeau que comprend l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un corps    creux   formant tuyère comportant une extrémité élargie et une extrémité resserrée avec un    alésage   conique intermédiaire, une électrode interne montée    coaxialement   dans la tuyère à l'extrémité d'un support pouvant se déplacer    axialement      afin   de    maintenir   l'électrode au voisinage ou l'éloigner de l'orifice formé dans l'extrémité    resserrée   de la tuyère, et des moyens pour faire    circuler   à l'intérieur du support un fluide de refroidissement et le diriger directement au contact de l'électrode. 



  Le chalumeau peut être    utilisé   pour obtenir un arc non transférable pouvant être adapté au démarrage automatique et réalisé d'une façon simple et économique. 



  Le    dessin      annexé   représenté à titre d'exemple, 

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 une forme d'exécution du chalumeau que comprend    l'invention.   



  La    fig.   1 est une coupe    axiale   de cette forme d'exécution. 



  La    fig.   2 est une vue en bout prise suivant la ligne 2-2 de la    fig..   1, et La    fig.   3 est une coupe suivant 3-3 de la    fig.   1. 



  Le chalumeau à plasma représenté à la    fig.   1 comprend une enveloppe extérieure 10 et une tuyère 12. La tuyère 12    comporte   une chambre à arc 14, un orifice 16    ainsi   que le corps principal du chalumeau. L'espace    annulaire   entre l'enveloppe 10 et la tuyère 12 forme un passage de refroidissement 18 pour la tuyère. Un fluide de refroidissement est fourni au passage 18 par une source non représentée en passant par un tube 20 et est évacué par le tube 22.

   Un support d'électrode est formé en montant l'électrode 24    dans   un cylindre creux 26 puis en plaçant un tube    d'admission   du fluide de refroidissement 28 à    l'inté-      rieur   du    cylindre   26 à une profondeur telle que le fluide de refroidissement vienne frapper sur    l'arrière   de l'électrode 24, puis s'écoule entre le tube 28 et le cylindre 26 vers un tube d'évacuation 30 monté rigidement sur le cylindre 26. Le cylindre 26 est fermé par- une plaque 32    qui   est soudée au cylindre 26 et à laquelle est soudée le tube 28. 



  Un    mouchon   34 d'une matière    isolante   de l'électricité est disposé à l'intérieur -de la partie    d'extrémité   de la tuyère 12. Ce    mouchon   34 peut pénétrer dans la tuyère 12 jusqu'à et le long de la    partie   conique de cette tuyère tant que la surface de la tuyère 12 entourant l'orifice 16 est en position permettant d'amorcer l'arc    comme   indiqué ci-après. Le cylindre 26 supportant l'électrode est disposé    axialement   à l'intérieur du    mouchon   34 dans lequel    il   peut coulisser.

   Le    cylindre   26 est disposé    axialement   à    l'intérieur   du    mouchon   au moyen d'un bloc isolant électrique 36 monté rigidement sur les tubes 20 et 22 et placé de telle sorte que la plaque 32 de cet assemblage vienne buter contre le bloc 36. 



  La    figure   2 montre que le bloc 36 est maintenu en place par des vis 38 et 40. La plaque 32 est maintenue contre le bloc 36 au moyen d'un    ressort   42 agissant sur un épaulement 44    rigidement      fixé      sur   le tube 28 au moyen d'une vis 46. 



  On voit à la figure 3 que le gaz fournissant le plasma pénètre dans le chalumeau par un tube 48 et pénètre tangentiellement dans la chambre à arc 14    comme   le montrent les    lingnes   pointillées 50. Le gaz pénétrant tangentiellement dans la chambre à arc suit un trajet    giratoire   jusqu'à    ce   qu'il    s'écoule      par   l'orifice 16. On a constaté que cette entrée    tangentielle      stabilise   le    flux   de    plasma   et    permet      qu'il   soit uniforme et pratiquement concentrique à    l'orifice   16. 



  Quand le chalumeau à plasma est    utilisé   pour    l'application   de matières de revêtement à des objets, ces matières peuvent être amenées par des tubes 52 et 54 sous forme de poudre et en suspension dans le gaz. En    principe,   le gaz dans lequel ces matières de revêtement peuvent être    mises   en suspension est le même que celui    utilisé   pour le    chalumeau;

     .toutefois, tout autre gaz approprié peut être    utilisé.   Les tubes 52 et 54 sont disposés sur les faces opposées de l'orifice 16, c'est-à-dire approximativement à 180  l'un de l'autre, pour introduire la substance en quantité égale    sur   les faces opposées de la flamme de plasma de sorte que    le   jet n'est pas déformé. En outre, la substance est    introduite      dans   la flamme de plasma au    point   où sa température est    élevée   a où il reste un temps    suffisant   pour sa fusion avant    d'atteindre   l'objet auquel    elle   doit être appliquée. 



  Le courant électrique est amené au chalumeau à plasma par des bornes 56 et 58. La borne 56 est branchée à la tuyères 12 qui forme une seconde électrode et la borne 58 est branchée à l'électrode 24. Le chalumeau à plasma décrit peut être amorcé    par   amenée de courant aux bornes 56 et 58 en introduisant le gaz du    chalumeau   dans la chambre à arc 14, puis ensuite en déplaçant l'électrode 24 à    l'intérieur   de la chambre 14 jusqu'à ce qu'un arc soit amorcé avec l'électrode tuyère. Une pression est    appliquée   à l'épaulement 44 pour pousser le ressort 42 contre le bloc 36 et provoquer le déplacement de l'ensemble d'électrode et du tube 28 en avant jusqu'à ce que l'électrode 24 vienne au contact de la tuyère 12.

   L'arc est amorcé en supprimant la pression agissant sur l'épaulement 44. Lorsque la pression appliquée sur l'épaulement 44 est supprimée, le ressort 42 ramènera l'ensemble de l'électrode à sa position    prédéter-      minée   avec la plaque 32 adjacente au bloc 36. Bien que le chalumeau décrit comporte un moyen manuel de- déplacement en avant de l'ensemble d'électrode,    il   est évident que ce mouvement peut être opéré par des moyens mécaniques tels qu'un    cylindre   à    air,   une commande    électrique   à solénoïde par exemple    ou   moyen    similaire   bien connu permettant ainsi le démarrage automatique ou à distance. 



  L'électrode 24 n'est pas consumable sauf par érosion par    l'arc   et peut être en carbone, en tungstène    thorié;   tungstène ou autre matière    ayant   des points de fusion élevés. Contrairement aux électrodes connues jusqu'à présent, l'électrode 24 a une faible    longueur   pour augmenter le transfert de chaleur. La longueur de l'électrode 24 n'a pas besoin d'être plus grande que celle qui est nécessaire pour la    fixer   rigidement au    cylindre   26 et assurera une    surface   convenable pour l'attaque de l'arc.

   On a constaté qu'en maintenant petite la longueur de l'électrode 24 et en faisant s'écouler le fluide de refroidissement directement    sur   la surface arrière de l'électrode, sa durée pouvait être substantiellement augmentée. 



  Ainsi qu'on l'a dit ci-dessus, le bloc 36 est monté rigidement sur les tubes 20 et 22 au moyen de vis 38 et 40. Le bloc 36 peut être réglé en le    remettant   à toute position désirée le long dudit tube. Sa position est déterminée par la longueur de l'arc que l'on désire    obtenir   entre l'électrode 24 et la tuyère 12, du fait qu'il maintient le support d'électrode et en conséquence l'électrode 24, à la position voulue. 

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 La composition du fluide de refroidissement utilisé pour le refroidissement de la tuyère et de l'électrode n'est pas impérative et peut être celle de tout fluide de    refroidissement   du commerce approprié tel que l'eau ou    similaire   et peut être rapidement déterminée par les techniciens. 



  La matière constituant le    mouchon   électriquement isolant 34 n'est pas impérative et peut être toute matière isolante du commerce telle que nitrure de bore, verre, céramique ou    similaire   et peut être déterminée par le    spécialiste.   



  Lorsque le chalumeau à plasma décrit est    utilisé   pour les revêtements et que la matière de revêtement est amenée    sous   forme d'une poudre en suspension, le gaz de suspension de la poudre peut    contribuer   au procédé de revêtement. Par exemple, quand on    utilise   de l'azote comme gaz de chalumeau, ce gaz ou    un   gaz    ionisable   similaire peut également être    utilisé   pour le gaz de suspension de la matière de revêtement; de ce fait, le gaz de    suspension   émis par les tubes 52 et 54 dans le jet de plasma peut être ionisé et combiné avec le jet de plasma.

   Quand on désire des gaz    consumab-      les   ou de combustion    comme      support,   il est possible    d'utiliser   de l'oxygène, de l'hydrogène ou    similaire   comme gaz de suspension. 



  Le gaz du chalumeau peut être un gaz quelconque directement    ionisable   par les    tensions   électriques utilisées. L'azote est le gaz préféré dans ce but. Toutefois, on peut    utiliser   de l'argon, de l'hélium, du néon, du krypton, du xénon ou similaires. 



  La plupart des matières    inorganiques   telles que le verre, les céramiques, les matières résineuses inorganiques, les métaux et similaires    conviennent   particulièrement bien pour    l'application   de revêtements avec le chalumeau à plasma décrit. 



  Un exemple typique    d'application   peut être illustré par ce qui suit: Un chalumeau à plasma tel que celui    décrit   ayant un diamètre d'orifice de 1,6    m/m   environ a été    utilisé.   Une    puissance   électrique d'environ 1,5 kilowatts (10 ampères) a été amenée aux bornes. De l'azote gazeux a été amené à la chambre à arc à une vitesse d'environ 0,14 m3 à l'heure. En outre, un corps de résistance électrique avec ses conducteurs constituait l'objet à revêtir. 



  Les tubes 52 et 54 du chalumeau ont été branchés à un distributeur de poudre qui a amené la poudre de verre en suspension dans l'azote gazeux à la vitesse d'un gramme par minute avec une pression de gaz d'environ 0,703 kg/cm' (10 psi). 



  Le    chalumeau   a été    mis   en marche en    amorçant   un arc entre l'électrode et la tuyère de la manière décrite précédemment. 



  La résistance a été supportée de façon à être soumise à la flamme de plasma. Un revêtement de verre d'une épaisseur d'environ 0,38    m/m   a été    appliqué   à la résistance en 6 secondes environ soudant hermétiquement cette résistance. 



  Le petit diamètre de    l'orifice   du chalumeau à plasma ainsi que le refroidissement de la tuyère et de l'électrode ont permis    d'obtenir   dans l'exemple    ci-dessus-un   flux de plasma dense mais pouvant être facilement dirigé sur des zones    choisies   de petites pièces telles que la résistance. L'introduction de la matière de revêtement à l'orifice de    sortie   a    permis   d'obtenir un flux    continu      uniforme   et    facilement   réglable de la matière de revêtement. 



  On a établi que des chalumeaux à plasma ayant un diamètre d'orifice de 0,5    m/m   environ et même    moins,   ont permis    d'obtenir   des flux de plasma minces, denses, mais dont les capacités sont naturellement proportionnellement plus faibles.

Claims (1)

1. REVENDICATION I Chalumeau à plasma, caractérisé en ce qu'il comprend un corps creux formant tuyère comportant une extrémité élargie et une extrémité resserrée avec un alésage conique intermédiaire, une électrode interne montée coaxialement dans la tuyère à l'extrémité d'un support pouvant se déplacer axialement afin de maintenir l'électrode au voisinage ou l'éloigner de l'orifice formé dans l'extrémité resserrée de la tuyère,

   et des moyens pour faire circuler à l'intérieur du support un fluide de refroidissement et le diriger directe- ment au contact de l'électrode. SOUS-REVENDICATIONS 1. Chalumeau selon la revendication I, caractérisé en ce que l'extrémité de l'électrode interne tournée vers l'orifice de l'extrémité resserrée de la tuyère est conique. 2.

   Chalumeau selon la revendication I, caractérisé en ce que le support de l'électrode interne comprend un cylindre creux dont une extrémité est fermée par l'électrode et l'autre extrémité par une plaque traversée par un tube d'amenée du fluide de refroidissement, l'extrémité ouverte du tube faisant face à l'électrode pour diriger sur elle le fluide de refroidissement, le cylindre présentant un orifice d7échappe- ment du fluide au voisinage de son extrémité fermée par ladite plaque. 3.

   Chalumeau selon la revendication I, caractérisé par une enveloppe soudée aux extrémités de la tuyère et séparée de celle-ci entre ses, extrémités. 4. Chalumeau selon la sous-revendication 3, caractérisé par des conduits placés au voisinage de l'extrémité élargie de la tuyère, communiquant avec l'espace formé entre la tuyère et l'enveloppe pour la circulation d'un fluide de refroidissement dans cet espace. 5.

   Chalumeau selon la revendication I et la sous- revendication 2, caractérisé en ce que le support de l'électrode interne comprend un manchon de matière diélectrique disposé dans la partie élargie de la tuyère et entourant étroitement ledit cylindre creux. 6. Chalumeau selon la revendication I, caractérisé par des moyens pour introduire un gaz de plasma tangentiellement dans l'alésage conique de la tuyère. 7. Chalumeau selon la revendication I, caractérisé par des tubes destinés à amener une matière à traiter <Desc/Clms Page number 4> et dont les extrémités se font face à l'orifice de l'extrémité resserrée de la- tuyère. 8.

   Chalumeau selon la sous-revendication 2, caractérisé en ce que le support de l'électrode interne comprend un bloc à travers lequel passe librement le tube d'amenée audit support du fluide de refroidissement. 9. Chalumeau selon les sous-revendications 4 et 8, caractérisé en ce que le bloc supporte des tubes d'amenée du fluide de refroidissement à l'espace compris entre la tuyère et son enveloppe. 10.

   Chalumeau selon la sous-revendication 8, caractérisé par des moyens maintenant l'électrode à une certaine distance de l'extrémité resserrée de la tuyère, ces moyens comprenant un épaulement solidaire du tube et s'étendant autour du tube et un ressort partiellement comprimé entre l'épaulement et 1e bloc. 11. Chalumeau selon la revendication I et la sous-revendication 2, caractérisé par une première arrivée de courant électrique reliée audit cylindre creux et par une seconde arrivée de courant électrique reliée à l'enveloppe. 12.

   Chalumeau selon la revendication I, caractérisé par des moyens agencés pour déplacer le support 2 de l'électrode interne vers l'extrémité resserrée du corps du tuyère formant seconde électrode afin de amener l'électrode dans la position d'amorçage de l'arc, puis de l'éloigner de cette position jusqu'à sa position de service normal.

   a REVENDICATION II Procédé de mise en action du chalumeau selon 1a revendication I, caractérisé en ce qu'on fait coulisser l'électrode interne à l'intérieur du corps de tuyère formant la seconde électrode pour l'amener à la posi- s tion d'amorçage de l'arc, puis pour l'éloigner de cette position d'amorçage et l'amener à la position de service normal.