Dispositifs de création d’arcs électriques
4.1 Dispositif TIG
Les dispositifs TIG ont été développés dans les années 1940 pour souder les métaux de manière autogène. Ils sont constitués d’une cathode en tungstène refroidie à l’eau surmontée d’une buse en alumine et d’une anode plane qui correspond aux pièces à souder. Le gaz plasmagène utilisé est généralement un gaz neutre tel que l’argon, il est injecté dans le dispositif au niveau de la cathode. La buse d’alumine permet de diriger le flux de gaz de manière à gainer l’arc électrique et éviter l’inclusion d’oxygène dans la soudure. En laboratoire, on utilise une anode de cuivre refroidie par eau de manière à avoir un plasma suffisamment stable et exempt de vapeur métallique pour prendre des mesures (figure. 4.1).
L’arc alimenté en courant continu qui brûle entre les électrodes est stabilisé à l’aide de l’effet Maecker et, dans une très faible mesure, par l’injection du gaz plasmagène. Grâce à cela, il possède une forme caractéristique de cloche (figure 4.2).
À cause de sa stabilité et du marché potentiel que la soudure représente, la configuration TIG a été très largement étudiée numériquement et expérimentalement depuis les années 1940 [6, 28]. Il a notamment servi à valider les premiers modèles numériques fluides d’arc [?].
Le champ de température dans l’arc a été obtenu par de nombreuses méthodes. Olsen rapporte des températures de l’ordre de 2.104 K pour un arc alimenté par un courant d’une
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46 Chapitre 4. Dispositifs de création d’arcs électriques
Buse en alumine
Anode en cuivre refroidie par eau
Cathode en Tunsgtène refroidie par eau
+
-Alimentation en gaz plasmagène
Figure 4.1 – Schéma d’un dispositif TIG pour l’étude des arcs pointe-plan en laboratoire.
Figure 4.2 – Photographie d’un arc TIG brûlant dans l’argon. L’intensité du courant était fixée à 100 A.
intensité de 200 A (fig.4.3). Un effet mirage est présent au niveau de l’anode [29, 30] du fait de sa température. L’électrode, à une température élevée, échauffe le gaz qui l’entoure ; il en résulte un fort gradient d’indice orienté selon la normale à l’anode. En outre, on a rapporté de forts déséquilibres autour de la zone cathodique [31, 32].
Les phénomènes aux électrodes ont aussi été étudiés durant ces dernières années ; que ce soit par analyse dimensionnelle [33, 34] ou par simulation numérique [35].
Du fait de l’effet mirage et des très fortes températures du milieu, ce genre de dispositif n’est pas adapté pour les diagnostics utilisant l’indice de réfraction. Il a cependant été étudié au cours de cette thèse. Cela a permis de démontrer aisément l’intérêt des mesures macroscopiques sur les arcs.
4.2. Plasmatron 47
Figure4.3 –Champ de température obtenu par la méthode de Fowler-Milne sur un arc pointe-plan brûlant dans l’argon. L’intensité du courant est fixé à 200 A. Issu de [6].
4.2 Plasmatron
Les torches à plasma fonctionnant à pression atmosphérique ont été développées dans les années 1960 pour des applications de projection thermique et de découpe de matériaux. Ses champs d’application couvrent de nos jours la plasma-chimie, l’inertage des déchets, etc.
Injection de gaz plasmagène
Cathode refroidie par eau
Corps de la torche
Anode refroidie par eau Arc électrique soufflé
Figure 4.4 –Schéma d’une torche à plasma générique.
En fonction de la puissance désirée et du domaine d’application choisi, les torches ont de nombreuses géométries et configurations différentes. La configuration générique d’une torche à plasma est présentée sur le schéma 4.4. Un arc est établi entre une cathode en forme de pointe et une anode percée. Les deux électrodes sont montées sur un corps en matériau diélectrique de manière à ce que le gaz injecté dans la torche souffle le plasma à travers l’anode. Il en résulte un jet de plasma qui peut par exemple être utilisé pour fondre des poudres céramiques.
Il existe deux régimes de fonctionnement pour les torches à plasma. Le régime laminaire
48 Chapitre 4. Dispositifs de création d’arcs électriques est caractérisé par un jet comprenant un dard lumineux sortant de la torche et une plume de plasma en recombinaison, bien structurée et relativement stable, pouvant atteindre plusieurs dizaines de centimètres. L’émission de ce jet se fait de manière silencieuse.
Figure 4.5 – Quantité de chaleur enlevée aux électrodes en fonction du débit de gaz plasmagène et de la longueur de la tuyère. Le régime laminaire correspond aux zones où la quantité de chaleur enlevée aux électrode est maximum. Issus de [36].
La température du dard lumineux est généralement comprise entre 12000 et 20000 K tandis que la plume possède une température comprise entre 104 K et 103 K. Pour obtenir ce régime de fonctionnement, il est nécessaire d’utiliser une buse d’un petit diamètre, un débit de gaz plasmagène relativement faible et une forte intensité de courant. D’après les pertes thermiques aux électrodes et les paramètres de fonctionnement, il semble que le changement de régime de fonctionnement soit dû à l’apparition d’une couche de gaz "froid" entourant l’arc. Cette couche de gaz induirait des instabilités de type Kelvin-Helmoltz dans le jet. Le second mode de fonctionnement est le régime turbulent. Il est caractérisé par un jet court et très bruyant.
Le rendement de ce régime est élevé car une faible partie de l’énergie passe dans les électrodes (fig.4.5).
Les torches à plasma fonctionnant dans le régime laminaire sont des objets d’étude appro-priés pour la validation de nos méthodes de mesures. Tout d’abord, le jet de plasma est très stable, ce qui permet des mesures aisément reproductibles. En outre, il est assez long pour que l’on puisse prendre des mesures loin de l’anode et ainsi éviter les gradients d’indice de réfraction dû à l’échauffement de cette pièce. Finalement, la plage de température du jet de plasma est adapté pour le diagnostic par indice de réfraction ou par spectroscopie moléculaire.