Aspect électrique de l’arc

L’arc électrique s’établit entre deux électrodes. Une cathode chargée négativement émet des électrons et une anode chargée positivement récolte des électrons. Sous l’action de la répartition des charges, un potentiel électrique s’établit entre la cathode et l’anode. Son évolution peut être séparée en trois grandes zones [Vac00] illustrées sur la gauche de la figure I.2.2 : la gaine cathodique, la colonne du plasma et la gaine anodique. Cette figure montre également la répartition des densités de courant des électrons et des particules lourdes ainsi que l’évolution du potentiel électrique selon l’axe AA’. Pour la tension, le point de référence est généralement pris au niveau de la colonne du plasma. La chute cathodique correspondant à la variation non linéaire du potentiel dans la gaine cathodique est le plus souvent positive. Par contre, la chute anodique peut être négative ou positive [Yan07]. Le courant électrique est majoritairement dû au déplacement des électrons dans la colonne et la gaine anodique. A l’inverse, dans la gaine cathodique, ce sont les particules lourdes chargées positivement qui sont principalement à l’origine du courant électrique.

Chaque gaine peut être décomposée en plusieurs parties. F. Cayla [Cay08] résume dans ses travaux de thèse le découpage pour la zone cathodique. On y définit classiquement la gaine (ou la zone de charge d’espace) où les électrons émis à la cathode sont fortement accélérés sur quelques dizaines de nanomètres, et la prégaine (ou zone d’ionisation) qui s’étend sur plusieurs dizaines de micromètres. C’est dans cette dernière que les électrons effectuent de nombreuses collisions et ionisent le gaz. Ces collisions ne sont cependant pas assez nombreuses pour assurer une équipartition de l’énergie. Cette zone n’est donc pas à l’équilibre thermodynamique local ce qui influe sur de nombreuses propriétés comme le montrent les travaux de M. Benilov et al [Ben12] où les résultats d’un modèle considérant l’ETL et un modèle hors-ETL prenant en compte la différence d’énergie entre les électrons et les particules lourdes ont été comparés pour des arcs d’argon à la pression atmosphérique (d’une longueur d de 10 mm). Par exemple, pour un arc d’une intensité I de 160 A, la valeur maximale de la densité de courant en sortie de cathode vaut environ 2 107

A.m-2 lorsque l’ETL est supposé alors qu’elle vaut 4 107

I.2. Aspect physique de l’interaction arc-matériau

J. Heberlein et al [Heb10] ont résumé les travaux existants consacrés à l’anode. La gaine anodique est généralement divisée en trois zones hors équilibre. Au plus proche de la surface, se trouve la zone de charge d’espace dite de Langmuir (d’environ 50 µm) et une région de déséquilibre liée à la diffusion de flux de particules vers l’anode. Les deux zones sont englobées par une troisième qui est le siège d’une forte perte d’énergie par conduction. Cette zone peut s’étendre de 0,1 mm à 2 mm (à pression atmosphérique). Les distributions de la température et des flux de particules dans cette zone influencent le champ électrique et donc l’accrochage de l’arc sur l’anode.

Ce dernier point est illustré par les travaux de G. Yang et J. Heberlein [Yan07] qui distinguent ainsi quatre modes d’attache de l’arc pour un arc transféré (entouré d’un anneau en céramique permettant sa constriction comme illustré en haut de la figure I.2.3). Pour isoler ces quatre modes, les auteurs ont mesuré les champs de température électronique en faisant varier le débit de gaz d’argon (entre 0,7 et 15 l.min-1

) pour un arc avec I=100 A. Les résultats sont représentés sur la figure I.2.3. On a ainsi :

 Le mode diffus (ou diffuse mode) illustré sur la figure I.2.3 (a). Dans la région anodique proche du centre de l’arc, la densité et la température électronique sont plutôt uniformes. Des gradients sont présents proche de l’anode et dans la périphérie

de l’arc. Avec un flux de gaz d’argon de 15 litres par minute, le pic de densité de courant est environ 106 A.m-2.

 Le mode surélevé (ou lift-up mode) illustré sur la figure I.2.3 (b). La surface de l’attache de l’arc est plus petite que dans le cas du mode diffus. Du centre à la périphérie, on peut distinguer une diminution brusque des grandeurs thermiques qui donne un effet de surélévation. Avec un flux de 5 litres par minute, le pic de densité de courant est d’environ 1,6×106

A.m-2.

 Le mode multi-attachement (ou multiple-attachement mode) illustré sur la figure 2.3 (c). L’arc s’accroche par plusieurs spots où une plus grande densité de courant est mesurée. Ce mode est retrouvé avec un flux de 2,5 litres par minute.

 Le mode resserré (ou constricted mode) illustré sur la figure 2.3 (d). La densité de courant est localisée dans une zone réduite à la surface de l’anode. L’attache peut être dissymétrique. Ce mode est mis en évidence avec un flux de 0,7 litre par minute.

Figure I.2.3 Illustration des champs de température électronique pour différents modes d’accroche de

I.2. Aspect physique de l’interaction arc-matériau

Au final, dans leur configuration, les auteurs décrivent les modes d’attache de l’arc comme la résultante d’une compétition entre le jet à la cathode et à l’anode. Les auteurs évaluent également la valeur de la chute de tension dans la zone anodique :

 Pour le mode diffus et le mode surélevé, ils trouvent une valeur négative de la chute. Dans ces cas, la tension au-dessus de l’anode est supérieure à celle en surface.

 A l’inverse pour les modes multi-attachement et resserré, la chute évaluée est positive. Dans ces cas, la tension au-dessus de l’anode est inférieure à celle en surface. Le mode d’attache et la valeur de la chute à l’anode sont donc liés.

Pour des arcs transférés utilisés dans le soudage (fortes intensités et faibles distance inter- électrodes), le mode d’accrochage diffus est le plus rencontré [Yan07]. Les chutes à l’anode sont généralement négatives. Par exemple, M. Tanaka et M. Ushio [Tan99] ont mesuré expérimentalement une chute de tension négative pour un plasma d’argon avec I=150 A et d=5 mm. Dans leur modèle à deux températures, I. Krivtsun et al [Kri10] ont prédit quant à eux une chute négative de -3 V pour un plasma d’argon en interaction avec du fer pour une intensité de 200 A.