Soudage à l'arc plasma (PAW) : aperçu du procédé, composants et fonctionnement

Qu'est-ce que le soudage plasma ?

Le soudage à l'arc plasma (PAW) est un procédé de soudage à l'arc très proche du TIG (GTAW) : l'arc se forme entre une électrode tungstène pointue et la pièce. Cependant, en positionnant l'électrode à l'intérieur du corps de la torche, l'arc plasma est séparé de l'enveloppe de gaz de protection. Le plasma est ensuite forcé à travers une buse en cuivre à orifice fin qui le constrict.

La différence clé avec le GTAW : dans le PAW, l'électrode est dans le corps de la torche, séparant l'arc plasma du gaz de protection. Le plasma traverse alors une buse en cuivre à orifice fin qui le constrict et le fait sortir à grande vitesse (proche de la vitesse du son) et à une température approchant 28 000 °C (50 000 °F) ou plus.

Le plasma d'arc est un état temporaire d'un gaz. Le gaz s'ionise sous l'effet du courant électrique et devient conducteur. À l'état ionisé, les atomes se scindent en électrons (−) et cations (+) : le système contient un mélange d'ions, d'électrons et d'atomes hautement excités.

Le degré d'ionisation varie entre 1 % et plus de 100 % (possible avec ionisations doubles/triples). De tels états existent quand plus d'électrons sont arrachés de leurs orbites.

L'énergie du jet plasma et donc sa température dépendent de la puissance électrique créant le plasma d'arc. Une valeur typique dans une torche plasma est de l'ordre de 28 000 °C (50 000 °F), contre ~5 500 °C (10 000 °F) pour un arc de soudage ordinaire. Tous les arcs de soudage sont des plasmas (partiellement ionisés), mais celui du PAW est un plasma d'arc constricté.

Diamètre de l'orifice (Bore Diameter)

Trois modes de fonctionnement sont produits en variant le diamètre de l'orifice et le débit de gaz plasma :

Micro-plasma : 0,1 à 15 A

L'arc microplasma fonctionne à très faibles courants de soudage. L'arc columnaire reste stable même avec une longueur d'arc variable jusqu'à 20 mm.

Courant moyen : 15 à 200 A

À courants plus élevés (15–200 A), les caractéristiques de l'arc plasma ressemblent à l'arc TIG, mais l'arc est plus rigide car le plasma est constricté. Augmenter le débit de gaz plasma améliore la pénétration du bain de fusion, mais risque d'entraîner air et gaz de protection par turbulence excessive dans le bouclier gazeux.

Plasma trou de serrure (Keyhole) : > 100 A

En augmentant courant et débit de gaz plasma, un faisceau plasma très puissant est créé, capable de pénétration totale dans le matériau, comme en soudage laser ou faisceau d'électrons.

Pendant le soudage, le trou progresse à travers le métal, le bain de fusion s'écoulant derrière pour former le cordon sous l'effet de la tension superficielle. Ce procédé soude des épaisseurs importantes (jusqu'à 10 mm d'inox) en un seul passe.

Construction de la machine de soudage plasma :

L'installation PAW comprend :

• Alimentation électrique
• Torche de soudage plasma
• Recirculateur d'eau
• Électrode tungstène
• Gaz de protection
• Gaz plasma
• Kit accessoires torche (buses, céramiques, pinces, électrodes, jauges)
• Métal d'apport

Voici un aperçu de chaque composant.

1. Alimentation électrique :

Le PAW nécessite une alimentation DC haute puissance pour générer l'étincelle entre électrode tungstène et pièces. Soudage possible dès 2 A, max ~300 A. Tension requise ~80 V. La source comprend transformateur, redresseur, console de commande.

2. Torche de soudage plasma :

Pièce maîtresse du procédé. Similaire à la torche TIG. Refroidie par eau car l'arc contenu dans la torche génère beaucoup de chaleur : une chemise d'eau entoure la torche.

3. Recirculateur d'eau :

Refroidit la torche par circulation continue d'eau à l'extérieur de celle-ci.

4. Électrode tungstène :

Électrode non fusible en tungstène, supportant des températures extrêmes.

5. Gaz de protection :

Deux gaz inertes sont utilisés. Faible pression pour éviter la turbulence, mais le bouclier gazeux devient instable ; un second gaz inerte est injecté à haut débit par l'anneau externe pour stabiliser la protection. Gaz utilisés : hélium, argon, hydrogène selon besoins et température.

6. Gaz plasma :

Gaz ionisé chaud composé d'environ autant d'électrons que d'ions. Énergie suffisante pour libérer des électrons des molécules/atomes. Source d'énergie principale du soudage.

7. Kit accessoires torche :

Kits pour étendre les performances de la torche.

8. Métal d'apport :

En soudage plasma, aucun métal d'apport n'est utilisé standard. Si nécessaire, il est amené directement dans la zone de soudure.

Comment fonctionne le soudage plasma ?

Un plasma est un gaz chauffé à température extrême et ionisé, devenant électriquement conducteur. Similaire au GTAW (TIG), le PAW utilise ce plasma pour transférer un arc électrique à la pièce. Le métal est fondu par la chaleur intense de l'arc et fusionne.

Dans la torche, une électrode tungstène est logée dans une buse en cuivre à petite ouverture à l'extrémité. Un arc pilote s'amorce entre l'électrode et l'extrémité de la buse. Cet arc est ensuite transféré au métal à souder.

En forçant le gaz plasma et l'arc à travers un orifice constricté, la torche concentre une chaleur intense sur une petite zone. Avec des équipements haute performance, le procédé plasma produit des soudures d'une qualité exceptionnelle.

Le gaz plasma est généralement l'argon. La torche utilise aussi un gaz secondaire (argon, argon/hydrogène, hélium) qui protège le bain de fusion fondu, minimisant l'oxydation du cordon.

Avantages du soudage à l'arc plasma

• Conception de la torche permettant meilleur contrôle de l'arc.
• Plus de liberté pour observer et contrôler la soudure.
• Haute concentration de chaleur et jet plasma → vitesses de translation plus rapides.
• Haute température et concentration → effet trou de serrure (keyhole).
• Pénétration complète en un seul passe pour de nombreux joints.
• Zone affectée thermiquement (ZAT) plus petite qu'en GTAW.
• Consommation de courant inférieure à d'autres procédés.

Inconvénients du soudage à l'arc plasma :

• Cordons et ZAT plus larges qu'en soudage laser (LBW) ou faisceau d'électrons (EBW).
• Équipement très coûteux → coût de démarrage élevé.
• Nécessite formation et spécialisation.
• Produit rayonnements UV et IR.
• Bruit élevé (~100 dB).
• Torche encombrante → soudage manuel difficile, formation requise.

Applications du soudage à l'arc plasma :

• Industries marine et aérospatiale.
• Soudage de tubes et tuyaux inox ou titane.
• Industries électroniques.
• Réparation d'outils, matrices, moules.
• Soudage ou revêtement sur aubes de turbine.

Voilà tout sur le soudage à l'arc plasma. J'espère que cet article vous a plu. J'ai aussi écrit sur d'autres procédés de soudage — n'hésitez pas à les consulter. Et partagez l'article sur vos réseaux sociaux préférés.

Vidéo sur le soudage plasma

FAQ

Qu'est-ce que le soudage plasma ?

Le soudage à l'arc plasma (PAW) est un procédé de soudage à l'arc similaire au soudage à l'arc tungstène sous gaz inerte (GTAW). L'arc électrique se forme entre une électrode (généralement en tungstène fritté) et la pièce. La différence clé avec le GTAW : dans le PAW, l'électrode est positionnée dans le corps de la torche, séparant l'arc plasma de l'enveloppe de gaz de protection. Le plasma est forcé à travers une buse en cuivre à orifice fin qui constrict l'arc ; le plasma sort à grande vitesse (proche de la vitesse du son) et à ~28 000 °C (50 000 °F) ou plus.

À quoi sert le soudage à l'arc plasma ?

Le soudage plasma réalise des soudures de type trou de serrure (keyhole) et non-trou de serrure. Soudure non-keyhole : pièces d'épaisseur ≤ 2,4 mm.

Quel est le procédé de soudage à l'arc plasma ?

Le PAW est un procédé de soudage à l'arc très proche du TIG : arc entre électrode tungstène pointue et pièce. En positionnant l'électrode dans le corps de la torche, l'arc plasma est séparé de l'enveloppe de gaz de protection.

Quels sont les deux types de soudage à l'arc plasma ?

Deux types de systèmes PAM (Plasma Arc Machining) : arc transféré et arc non-transféré. En arc transféré, l'arc plasma passe entre électrode et pièce.

Quelle est la seule différence entre le soudage plasma et le TIG ?

La construction de la torche est la seule différence. Les deux utilisent une électrode tungstène.

Peut-on souder avec un coupeur plasma ?

Avec la bonne torche, une injection azote-eau (moins chère que d'autres gaz) fonctionne bien pour couper aluminium et inox avant soudage. Le procédé implique une électrode entourée d'azote, chauffée par arc électrique pour former le plasma.

Quelle est la différence entre soudage plasma et TIG ?

En TIG, l'arc est formé par une électrode (tungstène) maintenue sous gaz de protection. Pour travaux délicats sur matériaux fins. En PAW, l'électrode est dans la torche et l'arc est infusé de gaz.

Quels sont les trois types de soudage plasma ?

Trois types principaux :

• Micro-plasma : courant 0,02–15 A.
• Plasma « technique de fusion » : comme TIG, 15–100 A.
• Plasma « technique trou de serrure » (keyhole).

Quelles industries utilisent le soudage à l'arc plasma ?

5 applications parfaites :

• Fabrication de tubes acier (industrie auto, systèmes d'échappement)
• Soudage de petits composants métalliques
• Idéal pour joints bout à bout
• Soudage de puces électroniques fines
• Fabrication de dispositifs médicaux

Quelle électrode est utilisée en soudage plasma ?

Électrode tungstène-2%thoria ; buse plasma en cuivre.

Qui a inventé le soudage à l'arc plasma ?

Robert M. Gage, breveté en 1953 au laboratoire Linde/Union Carbide à Buffalo (NY). ~10 ans de développement et brevets ultérieurs avant commercialisation en 1964.

Comment le plasma coupe-t-il ?

La découpe plasma (coupage à l'arc plasma) est un procédé de fusion où un jet de gaz ionisé > 20 000 °C fond et expulse le matériau. Un arc électrique est frappé entre électrode (cathode) et pièce (anode).

Le soudage MIG est-il un soudage à l'arc ?

Oui, le MIG (Metal Inert Gas) est un soudage à l'arc utilisant un fil-électrode continu solide, chauffé et amené dans le bain de fusion par une torche. Les deux métaux de base fondent ensemble formant une jonction.

Quels sont les avantages du PAW sur le TIG ?

• Meilleur contrôle de l'arc par la torche.
• Plus de liberté pour observer/contrôler la soudure.
• Haute concentration de chaleur et jet plasma → vitesses plus rapides.
• Haute température → effet keyhole.

Qu'est-ce que la vitesse de soudage ?

Vitesse de translation : vitesse de déplacement de la torche/pistolet sur la pièce (mm/min). Avec tension et ampérage, c'est l'une des trois variables déterminant l'apport thermique en soudage à l'arc.

Peut-on souder l'aluminium au plasma ?

La découpe plasma de l'aluminium permet des soudures parfaites. La zone hors soudure reste modérément froide. Évite la distorsion et les dégâts de peinture des chalumeaux oxyacétyléniques. Coupeurs plasma : précis et rapides pour assembler l'aluminium.

Un coupeur plasma est-il meilleur qu'un chalumeau ?

Le plasma ne nécessite pas de préchauffage → gain de temps. Surpasse l'oxycoupage sur métaux empilés. Vitesses plus rapides sur métaux fins, distorsion minimale ou nulle.

Peut-on couper le carbure de tungstène au plasma ?

C'est du carbure de tungstène fritté, non fondu/forgé. Plaques disponibles pour certains roulements mais incompatibles avec la découpe plasma. Outils carbure : carbure massif ou brasé, inserts dans outils en acier haute résistance.

Quel gaz pour souder inox/alliages nickel au PAW ?

Argon ou mélanges argon-hydrogène pour inox et alliages nickel : augmentent vitesse et réduisent films d'oxydes. En keyhole plasma (épaisseurs 2,5–6,5 mm), un trou se forme dans les joints bout-à-bout à bord droit au bord avant du bain de fusion.

Quel est le rôle du flux en soudage à l'arc submergé ?

Fonctions du flux : assister l'amorçage et la stabilité de l'arc ; former un laitier protégeant et façonnant le cordon ; former un bouclier gazeux protégeant le métal d'apport fondu projeté à travers l'arc.

Qu'est-ce que le soudage plasma keyhole ?

Procédé unique à pénétration profonde. La présence du trou de serrure est critique pour la qualité. Le comprendre améliore le procédé et la qualité.

Qu'est-ce que le gougeage à l'arc plasma ?

Variante du procédé plasma. Arc entre électrode réfractaire (généralement tungstène) et pièce. Plasma intense par constriction de l'arc via buse cuivre à orifice fin.