Découpage plasma

Le découpage plasma est un procédé de découpage. Il présente les caractéristiques suivantes

Une machine de découpe plasma SATO LS4000 CNC en action. La source du plasma est le Kjellberg High Focus 160i (4-160A).

Le PLASMA est un procédé de découpe par fusion localisée dans lequel le jet de gaz ou d’air comprimé chasse le métal porté à une température de fusion. La température générée par l’arc électrique est voisine de 18000°C. Le terme PLASMA est utilisé lorsque la matière gazeuse n’est plus composée d’atomes et de molécules, mais d’ions et d’électrons. Ces derniers apparaissent lors de la scission des molécules et des atomes. Cet état est atteint lorsque plusieurs conditions sont réunies (gaz, pression, température élevée). On nomme PLASMA, le quatrième état de matière.


Fonctionnement du PLASMA :

- Création d’un arc électrique: Entre une électrode en tungstène ou en zirconium et la pièce à couper, un arc électrique est créé. L’arc est très localisé.

- Ouverture du gaz ou du mélange plasmagène : Grace à une convection forcée au travers d’un orifice de faible diamètre, l’arc et le gaz sont dirigés sur une zone très précise. Le gaz devenu PLASMA dont le débit est suffisant, permet de chasser le métal en fusion.

- Découpe: Après l’amorçage et le début de la coupe, il suffira de garder une hauteur constante, manuellement ou automatiquement sur certaines installations (machines de découpes) et de se déplacer pour effectuer la découpe voulue Consultez ici les vidéos de découpage PLASMA


Gaz plasmagènes : – air comprimé – oxygène – azote – argon/hydrogène (mélange binaire) – argon/hydrogène/azote (mélange ternaire)

Les gaz plasmagènes ont pour role de faciliter l’amorçage de l’arc électrique et aussi de réduire l’usure des buses et des tuyères. Certaines torches PLASMA utilisent aussi en plus d’un vortex de gaz, un vortex d’eau pour concentrer davantage le jet de PLASMA

La découpe au plasma, un éclair domestiquéModifier

La découpe de métaux au plasma est une forme d’éclair domestiqué. Dans la nature, la gaine de l’éclair se déplace très rapidement sur une grande distance, cet arc électrique naturel ionise l’air qu’il traverse et libère jusqu’à 40 000 C et plus dans la gaine immédiate de l’éclair. Le principe de la découpe au plasma est semblable, où l’arc électrique géant de l’éclair se déplaçant sur de grandes distances, des kilomètres parfois, est cette fois fixe, de très petite taille (quelques millimètres) et ce sont les gaz qu’on y frotte qui se déplacent à une vitesse proche du son.

Le procédé physique libère de grandes quantités d’énergieModifier

Un atome de gaz neutre possède un nombre équivalent de protons et d’électrons en rotation autour d'un noyau. Ces derniers sont prisonniers dans un nuage restreint.  Le contact d'un gaz avec un arc électrique libère un ou plusieurs électrons du noyau.  La rupture du lien proton-électron va libérer une grande quantité d’énergie qui varie selon les gaz (azote, oxygène, hélium, argon, vapeur d’eau, mélange de gaz, etc.). Par exemple, l'oxygène libère plus d’énergie que l’azote.

Très faible coût énergétique, un cadeau de la natureModifier

Le procédé plasma libère beaucoup plus d’énergie que l’énergie électrique pour maintenir l’arc électrique.  Le maintien d'un arc électrique, pour couper de la plaque d’acier doux d’un pouce (env. 25 mm) pendant h, ne coûte guère plus que 3 $ d’électricité (au Québec).  Les procédés concurrents comme l’oxycoupage ou la découpe au laser sont énergivores.

En termes de coûts variables, en utilisant de l’air comprimé pour couper des aciers doux, l’électricité représente 5 % des coûts variables, les gaz 5 % et l’usure des consommables 90 %[1].  Ensuite il faut ajouter la main d’œuvre, le financement de l’investissement dans le système de coupe, le coût du bâtiment attribuable à la surface occupée par le système de coupe.

 
Découpage plasma réalisé par un robot industriel.

Présentation généraleModifier

Apparenté au soudage TIG (un arc électrique jaillit entre une électrode réfractaire et la pièce) par l’aspect de la torche, le découpage plasma diffère par les mélanges gazeux utilisés. Le jet de plasma est généré par l'arc électrique qui s’établit entre une électrode intérieure à la torche de coupage et la pièce. Le mélange gazeux ionisé à la sortie de la tuyère forme le plasma. Le pouvoir calorifique du jet (température d'environ 18 000 °C) provoque une fusion quasi instantanée du métal qui se propage dans toute l’épaisseur de la pièce.

Le découpage plasma est surtout utilisé par les entreprises du secteur de la métallerie selon la dénomination française, au Canada ce sont les ateliers de charpente métallique et de métaux ouvrés. Il permet la découpe de tôles en métal sur des épaisseurs de 0 à 160 mm avec une précision de plus ou moins 0,2 mm.

Sur une machine de découpe plasma, la température extrêmement élevée fait fondre instantanément le métal tandis que le gaz sous pression chasse au fur et à mesure les gouttelettes de métal en fusion. L'usage de la torche de découpage au plasma doit se faire impérativement dans des locaux spécialement ventilés ou en plein air à cause du dégagement de gaz toxiques générés par les très hautes températures de travail. Certaines découpes au plasma comprennent un apport d'eau sous forme d'un jet calibré qui, jaillissant de la torche plasma, permet de refroidir le métal sitôt après sa découpe plasma, évitant également le dégagement de ces gaz toxiques.

Une protection adaptée de l'opérateur est indispensable.

Notes et référencesModifier

  1. Source, d'après un grand nombre de simulations de coûts de projets de découpe avec le «cost calculator» de Hypertherm

Articles connexesModifier