L'usinage par arc plasma expliqué : composants, fonctionnement et applications

Qu'est-ce que le plasma ?

Le plasma est l'un des quatre états fondamentaux de la matière, étudié systématiquement pour la première fois par Irving Langmuir dans les années 1920. Il consiste en un gaz d'ions atomes ou molécules qui ont perdu un ou plusieurs électrons orbitaux (ou, rarement, gagné un électron supplémentaire), et d'électrons libres.

Excluant la matière noire et l'énergie noire encore plus insaisissable, le plasma est la forme la plus abondante de matière ordinaire dans l'univers. Il est principalement associé aux étoiles, dont notre Soleil, et s'étend au milieu intraculturel raréfié et possiblement aux régions intergalactiques.

Le plasma peut être généré artificiellement en chauffant un gaz neutre ou en le soumettant à un fort champ électromagnétique. La présence de particules chargées libres rend le plasma électriquement conducteur, avec une dynamique des particules individuelles et du mouvement macroscopique régie par des champs électromagnétiques collectifs et très sensible aux champs appliqués externement.

La réponse du plasma aux champs électromagnétiques est utilisée dans de nombreux dispositifs technologiques modernes, comme les téléviseurs plasma ou la gravure plasma.

Qu'est-ce que l'usinage par arc plasma ?

L'usinage par arc plasma (Plasma Arc Machining - PAM) sert à enlever de la matière de la pièce. Dans ce procédé, un jet à haute vitesse de gaz à haute température fond et enlève la matière. Ce jet de gaz chaud à haute vitesse est aussi appelé jet plasma.

Lorsqu'un gaz ou de l'air est chauffé à plus de 5 000 °C, il commence à s'ioniser en ions positifs, négatifs et neutres. Quand le gaz est ionisé, sa température atteint 11 000 °C à 28 000 °C ; ce gaz ionisé s'appelle plasma.

Le gaz est chauffé par arc et le plasma produit sert à enlever la matière de la pièce. L'ensemble du processus s'appelle usinage par arc plasma.

Dans ce procédé, un jet de gaz à haute vitesse et haute température fond la matière de la pièce pour l'enlever.

Le gaz utilisé est choisi selon le métal de la pièce.

L'usinage par arc plasma est utilisé pour couper aciers alliés, inox, aluminium, nickel, cuivre, fonte.

Fonctionnement de l'usinage par arc plasma

Le principe de base : l'arc formé entre l'électrode et la pièce est constricté par une fine tuyère en cuivre. Cela augmente la température et la vitesse du plasma émanant de la tuyère.

La température du plasma dépasse 20 000 °C et la vitesse peut approcher la vitesse du son. Pour la coupe, le débit de gaz plasma est augmenté pour que le jet plasma profondément pénétrant traverse le matériau et que le matériau fondu soit évacué dans le flux plasma.

L'usinage par arc plasma comprend un pistolet plasma. Le pistolet a une électrode en tungstène dans la chambre. Cette électrode est connectée à la borne négative de l'alimentation CC. Le tungstène agit donc comme cathode.

La borne positive de l'alimentation CC est connectée à la tuyère. La tuyère du pistolet plasma agit donc comme anode.

En alimentant le système, un arc électrique se développe entre l'électrode cathodique en tungstène et la tuyère anodique. Au contact du gaz avec le plasma, collision entre atomes de gaz et électrons de l'arc → gaz ionisé.

On obtient l'état plasma souhaité. Ce plasma est dirigé vers la pièce à haute vitesse et l'usinage commence. Notez qu'une haute différence de potentiel est appliquée pour obtenir l'état plasma.

Dans tout le processus, des conditions de haute température sont requises. Comme les gaz chauds sortent de la tuyère, il y a risque de surchauffe. Pour l'éviter, une chemise d'eau (water jacket) est utilisée.

Composants de l'usinage par arc plasma

1. Pistolet plasma (Plasma Gun)

Différents gaz comme azote, hydrogène, argon ou mélange sont utilisés pour créer le plasma. Ce pistolet a une chambre avec électrode en tungstène. L'électrode est connectée au négatif, la tuyère au positif de l'alimentation CC. Le mélange gazeux requis est fourni au pistolet. Un arc intense se produit entre anode et cathode.

Puis, collision entre électrons de l'arc et molécules de gaz → ionisation des molécules + génération de chaleur.

2. Alimentation électrique (Power Supply)

Alimentation CC pour développer les deux bornes dans le pistolet. Forte différence de potentiel appliquée entre cathode et anode pour arc fort capable d'ioniser le mélange gazeux et le convertir en plasma.

3. Mécanisme de refroidissement (Cooling Mechanism)

Mécanisme ajouté au pistolet car chaleur produite par gaz chauds sortant en continu de la tuyère.

Une chemise d'eau refroidit la tuyère. La tuyère est entourée d'un jet d'eau.

4. Pièce (Workpiece)

Différents matériaux usinables par arc plasma. Métaux : aluminium, magnésium, carbone, inox, aciers alliés.

Applications de l'usinage par arc plasma

• Coupe d'aciers alliés, inox, fonte, cuivre, nickel, titane, aluminium, alliages cuivre-nickel, etc.
• Coupe de profil (profile cutting).
• Tournage et fraisage de matériaux difficiles à usiner.
• Coupe de paquets (stack cutting), coupe de forme (shape cutting), perçage (piercing), coupe sous-marine.
• Pulvérisation de film mince uniforme de matériaux réfractaires sur métaux, plastiques, céramiques.

Avantages de l'usinage par arc plasma

• Peut couper tout métal.
• Vitesse de coupe élevée.
• Par rapport à la coupe flamme ordinaire, coupe l'acier au carbone 4 fois plus vite.
• Utilisé pour ébauche de tournage de matériaux très difficiles.
• Grâce à la haute vitesse, déformation de la tôle réduite, largeur de coupe minimale, qualité de surface élevée.

Inconvénients de l'usinage par arc plasma

• Produit une surface conique (tapered surface).
• Protection contre le bruit nécessaire.
• Coût d'équipement élevé.
• Protection oculaire nécessaire pour l'opérateur et personnes à proximité.
• Oxydation et formation de calamine → nécessite protection (shielding).
• La surface de travail peut subir des changements métallurgiques.