La découpe Plasma

Qu’est-ce que le plasma ?

Le terme plasma désigne le quatrième état de la matière. Dans la nature, on l'observe dans les éclairs ou à la surface des étoiles. Concrètement, lorsqu'un gaz est soumis à une énergie thermique ou électrique extrême, sa structure atomique se disloque. Les atomes s'entrechoquent violemment, libérant des électrons. Le gaz, jusqu'alors électriquement neutre, se transforme en une matière extrêmement chaude composée d'ions chargés positivement et d'électrons libres négatifs. Ce milieu fortement ionisé devient un excellent conducteur d'électricité : c'est le plasma.

Qu’est-ce que la découpe plasma ?

Le jet plasma est généré par un arc électrique qui s’établit entre une électrode non fusible (cathode, généralement en Tungstène, Zirconium ou Hafnium) et la pièce à découper (anode). Cet arc traverse un flux gazeux à l'intérieur d'une tuyère de très faible section. Cette tuyère constricte l'arc, lui conférant des caractéristiques thermiques et dynamiques extrêmes : une température frôlant les 30 000 K, une densité d’énergie massive et une vitesse cinétique supersonique (supérieure à Mach 1). Le déplacement de la torche à distance constante de la tôle forme la saignée, chassant le métal en fusion sans utiliser le principe de combustion propre à l'oxycoupage. Ce procédé de découpe peut être automatisé ou manuel.

Quel est le rôle des gaz dans la découpe plasma ?

L'ingénierie de la découpe plasma repose fondamentalement sur la maîtrise de la dynamique des fluides et de la thermodynamique des gaz utilisés.
Le coupage plasma est un procédé qui utilise :

• des gaz plasmagènes afin de générer un arc plasma,
• ainsi que des gaz secondaires ou annulaires en fonction des configurations permettant des performances de vitesses et de qualités élevées.

Les fluides utilisés dans la découpe plasma se divisent en deux catégories distinctes et critiques pour la qualité de la coupe :

1. Le gaz plasmagène (gaz de coupage)

C'est le gaz qui est directement ionisé pour former l'arc. Le choix de ce gaz détermine l'énergie de l'arc et sa réaction métallurgique avec la pièce :

• L'oxygène (O₂) : c'est le gaz plasmagène de référence pour la découpe mécanisée des aciers au carbone (acier doux). L'oxygène crée une réaction chimique exothermique avec l'acier fondu, augmentant la vitesse de coupe tout en laissant des bords lisses et exempts de scories.
• L'azote (N₂) : très polyvalent, l'azote offre une coupe d'excellente qualité sur l'aluminium et l'acier inoxydable, tout en garantissant une longue durée de vie aux électrodes.
• Mélange Argon / Hydrogène (exemple H35) : réservé aux très fortes épaisseurs d'acier inoxydable (> 20 mm) et d'aluminium. L'hydrogène, grâce à sa conductivité thermique, génère l'arc plasma, permettant des pénétrations profondes avec une coupe droite et brillante.
• Mélange Azote / Hydrogène (exemple F5) : permet une coupe lisse et brillante. Évite la zone affectée thermiquement (ZAT) sombre (oxydée) qui apparaît généralement lors de la découpe plasma à l'air. Son usage est limité aux aciers inoxydables.
• L'air comprimé : très économique, il est le standard des petits postes manuels. Il coupe l'acier, l'inox et l'alu, mais l'azote et l'oxygène qu'il contient laissent souvent une face de coupe oxydée ou nitrurée, nécessitant un meulage avant soudage.

2. Le gaz annulaire (gaz secondaire ou de protection)

Injecté autour du jet plasma, il a trois fonctions :

• resserrer l'arc pour affiner la saignée,
• refroidir les consommables de la torche,
• protéger le bain de fusion de l'air ambiant.

Principalement utilisés, l’Azote (N₂) ou l’Air comprimé sont combinés avec divers gaz plasmagènes pour optimiser le refroidissement à moindre coût.

Air Liquide vous propose les gaz industriels adaptés à la découpe plasma :

• Oxygène
• Azote U
• NOXAL 7 (Argon-Hydrogène 35 %)
• N₂-H₂ (Azote-Hydrogène 5 %)

Les différences entre plasma, oxycoupage et laser

Le choix d'un procédé de découpe dépend des trois facteurs suivants : nature du matériau, épaisseur et tolérances dimensionnelles/précision.

• Le coupage plasma : il coupe tous les métaux conducteurs (aciers alliés ou non, inox, aluminium, cuivre). Il offre le meilleur rapport vitesse/coût pour des épaisseurs allant de 1 mm à 60 mm.
  Contrairement à l’oxycoupage, le coupage plasma ne fait pas appel à la combustion pour générer la chaleur qui va mettre en fusion la pièce à découper localement. La Zone Affectée Thermiquement (ZAT) en coupage plasma est plus restreinte qu’en oxycoupage.
  En comparaison à la découpe laser, le procédé plasma n'est pas perturbé par l'état de surface du métal et coupera sans problème des tôles rouillées, peintes ou grasses.
• L’oxycoupage : procédé exothermique réservé aux aciers au carbone . S’il est lent et génère une large Zone Affectée Thermiquement (ZAT), il reste le procédé de coupage incontesté pour les très fortes épaisseurs (de 40 mm à plus de 300 mm) grâce à des coûts d'investissement et d'exploitation imbattables.
• La découpe laser : elle est reconnue pour sa précision (tolérances < 0,05 mm) avec une largeur de saignée faible (1 à 2 mm). C'est le procédé le plus rapide du marché sur les tôles fines (jusqu'à 10-15 mm). Toutefois, il exige des tôles parfaitement propres, et son efficacité s'amoindrit sur les métaux réfléchissants ou les fortes épaisseurs.

Quels sont les domaines d’application du coupage plasma ?

Le plasma est utilisé dans la construction métallique, la chaudronnerie lourde, la tuyauterie etc. Les systèmes manuels ou automatiques coupent l'acier, l'inox, l'aluminium et le cuivre avec une grande tolérance aux défauts de géométrie et d'état de surface. Ce procédé est employé pour ses performances de vitesse à coût réduit.

Quelles sont les précautions à prendre dans le cadre de la découpe plasma ?

L'énergie générée par l'arc électrique présente des risques :

• Fumées et gaz toxiques : l'évaporation du métal exige de travailler dans un espace ventilé. Les machines de coupage sont équipées de systèmes d'aspiration des fumées ou de tables à eau.
• Rayonnements et projections : l'arc émet des ultraviolets (UV) intenses. Le port d'EPI (lunettes avec filtre adapté, gants ignifugés, tablier en cuir par exemple) est obligatoire pour éviter le "coup d'arc" et les brûlures par le métal en fusion.

Quels sont les avantages des méthodes de découpage plasma ?

Les principaux atouts de la technologie de découpe plasma sont :

• Flexibilité sur un large éventail de matériaux et d'états de surface.
• Polyvalence totale, du poste portatif de chantier à l'installation industrielle.
• Vitesse de coupe très supérieure à l'oxycoupage, augmentant la productivité.
• Un bon rapport qualité/prix des investissements face au laser, offrant des coupes nettes avec une ZAT bien plus restreinte que la flamme.

Air Liquide se tient à votre disposition pour vous aider dans la sélection de vos gaz, adaptée à vos procédés et équipements de découpe ou pour toute demande d'information.