Usinage par arc plasma expliqué : composants, processus 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 surtout associé aux étoiles, dont notre Soleil, et s'étend au milieu intracellulaire 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, la dynamique des particules individuelles et le mouvement macroscopique du plasma étant gouvernés par des champs électromagnétiques collectifs et très sensibles aux champs appliqués externement.

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

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

L'usinage par arc plasma sert à enlever de la matière de la pièce. Dans ce processus, un jet à haute vélocité de gaz à haute température fond et enlève la matière. Ce jet de gaz chaud à haute vélocité est aussi appelé jet plasma.

Quand 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 et ce gaz ionisé s'appelle plasma.

Le gaz est chauffé par arc et le plasma produit sert à enlever la matière de la pièce. C'est tout le processus qu'on appelle usinage par arc plasma.

Dans ce processus, un jet d'air à haute vélocité et haute température enlève la matière en la fondant.

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

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

Fonctionnement de l'usinage par arc plasma

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

La température du plasma dépasse 20 000 °C et la vélocité peut approcher la vitesse du son. Pour la coupe, le débit de gaz plasma est augmenté pour que le jet pénètre profondément et coupe le matériau, la matière fondue étant éliminée dans le flux de plasma d'échappement.

L'usinage par arc plasma comprend un pistolet plasma. Le pistolet a une électrode en tungstène dans la chambre. Cette électrode est connectée au terminal négatif de l'alimentation CC. Ainsi, le tungstène agit comme cathode.

Le terminal positif de l'alimentation CC est connecté à la buse. Ainsi, la buse agit comme anode.

Quand on alimente le système, un arc électrique se développe entre l'électrode cathodique en tungstène et la buse anodique. Au contact du plasma, il y a collision entre atomes de gaz et électrons de l'arc, produisant un gaz ionisé.

Cela crée l'état plasma souhaité. Ce plasma est dirigé vers la pièce à haute vélocité et l'usinage commence. Une différence de potentiel élevée 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 buse, il y a risque de surchauffe. Pour l'éviter, une chemise d'eau est utilisée.

Composants de l'usinage par arc plasma

1. Pistolet plasma

Différents gaz comme l'azote, l'hydrogène, l'argon ou leurs mélanges créent le plasma. Ce pistolet a une chambre avec une électrode en tungstène connectée au terminal négatif, et la buse au terminal positif de l'alimentation CC. Le mélange de gaz requis est fourni au pistolet. Un arc intense se produit entre anode et cathode.

Ensuite, collision entre électrons de l'arc et molécules de gaz, ionisant le gaz et générant de la chaleur.

2. Alimentation électrique

Une alimentation CC développe les deux bornes dans le pistolet plasma. Une forte différence de potentiel est appliquée entre cathode et anode pour que l'arc soit assez fort pour ioniser le mélange gazeux et le convertir en plasma.

3. Mécanisme de refroidissement

Un mécanisme de refroidissement est ajouté au pistolet plasma car de la chaleur y est produite par les gaz chauds sortant en continu de la buse.

Une chemise d'eau refroidit la buse, qui est entourée par un jet d'eau.

4. Pièce

Différents matériaux peuvent être travaillés. Différents métaux comme aluminium, magnésium, carbone, acier inoxydable et aciers alliés peuvent être usinés par ce procédé.

Applications de l'usinage par arc plasma

• Coupe d'aciers alliés, inoxydable, fonte, cuivre, nickel, titane, aluminium, alliages cuivre-nickel, etc.
• Coupe de profils.
• Tournage et fraisage de matériaux difficiles à usiner.
• Coupe de piles, coupe de formes, perçage, coupe sous-marine.
• Pulvérisation de films minces uniformes de matériaux réfractaires sur métaux, plastiques, céramiques.

Avantages de l'usinage par arc plasma

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

Inconvénients de l'usinage par arc plasma

• Produit une surface conique.
• Protection contre le bruit nécessaire.
• Coût d'équipement élevé.
• Protection des yeux nécessaire pour l'opérateur et personnes à proximité.
• Oxydation et formation de calamine. Nécessite un blindage.
• La surface de travail peut subir des changements métallurgiques.