Champs de température de la colonne du plasma

Dans cette section, quatre champs de température expérimentaux obtenus à pression atmosphérique sont utilisés pour les comparaisons. Leurs conditions expérimentales sont détaillées dans le tableau III.1.1.

N° Auteurs Nature du

gaz

Longueur de

l’arc Intensité Cathode 1 K. Hsu et al [Hsu83a] Argon 10 mm 200 A Pointe 2 G. Haddad et al [Had85] Argon 5 mm 200 A Pointe tronquée 3 Argon 5 mm 100 A Pointe tronquée 4 M. Stadler [Sta12] Arcal 37 5.5 mm 180 A Pointe

Tableau III.1.1 Conditions expérimentales des résultats confrontés avec notre modèle.

Dans le cas n°1, la nature de l’anode n’est pas précisée. Pour les autres cas, l’anode est en cuivre. Aucune présence de vapeurs métalliques n’a été reportée par les auteurs. Dans ces cas, la forte conductivité thermique du cuivre permet en effet d’avoir des températures à la surface du métal suffisamment basses pour éviter son évaporation.

Ces résultats expérimentaux sont confrontés avec les résultats de notre modèle obtenus après 20 ms d’interaction. En effet, après cette durée, le plasma est stable et aucune vapeur métallique n’est présente. D’après F. Lago [Lag04a] le champ de température obtenu au niveau de la décharge est sensiblement le même quel que soit le matériau métallique à l’anode tant qu’il n’y a pas de vapeurs métalliques. Ainsi dans le cas n°1, la confrontation est réalisée avec les résultats du modèle où l’anode utilisée est de l’acier AISI 304. Les cas n°2 à 4 sont par contre calculés avec une anode en cuivre.

III.1. Confrontations des résultats et validations du modèle

Figure III.1.2 Isothermes pour un arc d’argon avec I=200 A et d=5 mm. À gauche, expérience de

G. Haddad et al [Had85]. À droite, résultat de notre modèle.

Figure III.1.1 Confrontation des isothermes pour un plasma d’argon avec I=200 A et d=10 mm. À

La figure III.1.1 illustre les isothermes obtenues avec notre modèle (à droite) et les résultats expérimentaux de K. Hsu et al [Hsu83a] (à gauche). La zone la plus chaude est située proche de la cathode. On remarque que les isothermes supérieures à 14 kK coupent l’axe de la décharge plus proche de la cathode dans le modèle par rapport à l’expérience. Le cœur de l’arc est globalement plus chaud dans l’expérience. Par contre, les isothermes de 11 kK à 14 kK arrivent jusqu’au niveau de l’anode dans les deux cas et les étalements radiaux sont semblables. La description de la température proche de l’anode est similaire entre le modèle et l’expérience.

La figure III.1.2 représente les isothermes obtenues avec notre modèle (à droite) et les résultats expérimentaux (à gauche) de G. Haddad et al [Had85] pour un arc de 200A dans l’argon. Les isothermes proches des électrodes sont plus resserrées que dans l’expérience. Par exemple, dans le modèle, les isothermes de 10 kK à 14 kK sont proches de la partie tronquée de la cathode tandis que dans l’expérience ces isothermes semblent loin de l’électrode. Par ailleurs, l’isotherme 10 kK est plus étalée dans l’expérience (rayon maximal de 6,2 mm) que dans le modèle (rayon maximal de 5,4 mm). Pour les isothermes de 11 kK à 15 kK, la largeur maximale est similaire dans les deux cas. L’isotherme 16 kK coupe l’axe vers 1,2 mm au- dessus de l’anode dans l’expérience tandis que celle du modèle le coupe 1,7 mm au-dessus de l’anode. Proche de la cathode, le plasma est plus chaud dans l’expérience que dans le modèle. Cette différence peut être liée aux incertitudes de mesures expérimentales et au choix du profil de densité de courant à la sortie de la cathode pour le modèle. Globalement, les différences entre les deux résultats sont acceptables.

La figure III.1.3 montre les isothermes pour le cas n°3 correspondant à un plasma d’argon avec I=100 A et d=5 mm. Par rapport à l’arc de 200 A, l’arc de 100 A est moins chaud et moins étendu dans l’expérience et dans le modèle. La forme en poire du plasma est moins marquée dans le modèle que dans l’expérience. Le plasma est globalement plus froid dans le modèle que dans l’expérience mais les étalements des isothermes proches de l’anode sont similaires.

Les trois premiers cas présentés concernaient des plasmas d’argon. Dans ce dernier cas, nous présentons les résultats pour un plasma d’Arcal 37. Nous n’avons pas trouvé de travaux de la littérature donnant les isothermes d’un plasma d’Arcal 37 pour un arc de soudage. Nous basons donc notre confrontation sur des résultats obtenus au sein de l’équipe AEPPT. La figure III.1.4 illustre les isothermes pour un plasma d’Arcal 37 (avec I=180 A et d=5,5 mm) obtenues par l’expérience de M. Stadler [Sta12] (à droite). Les mesures expérimentales sont basées sur l’analyse de la raie d’argon à 696,5 nm. Le profil d’émissivité est calculé par une inversion d’Abel. La température est déduite par la méthode de Fowler-Milne et de l’intensité absolue selon l’allure du profil d’émissivité obtenu. Les isothermes sont présentées après un lissage par moyenne mobile. Les résultats de notre modèle sont représentés à gauche de la figure III.1.4. On constate une bonne correspondance à l’endroit où les isothermes coupent

III.1. Confrontations des résultats et validations du modèle

Figure III.1.3 Isothermes pour un arc d’argon avec I=100 A et d=5 mm. À gauche, expérience de

G. Haddad et al [Had85]. À droite, résultat de notre modèle.

Figure III.1.4 Isothermes pour un arc d’Arcal 37 avec une intensité de 180 A. À gauche, les résultats

du modèle (pointe tronqué d=5.5 mm). À droite, les résultats expérimentaux [Sta12]. Températures en kK.

l’axe de la décharge. L’étalement radial est similaire dans les deux cas à l’exception de l'isotherme 10 kK (qui est plus étalée dans les résultats expérimentaux). De plus, la température maximale reportée expérimentalement est 22109 K contre 22887 K dans le modèle. Les deux résultats sont donc semblables.

Pour conclure, concernant les profils de température de la colonne du plasma, les résultats de notre modèle sont en accord avec les résultats expérimentaux. La confrontation a été réalisée pour un plasma d’argon d’une longueur d’arc de 5 mm (avec I=100 et 200 A) et de 10 mm (avec I=200 A) et pour un plasma d’Arcal 37 (avec d=5 mm et I=200 A).