Soutenance de thèse de CAMY-PEYRET FREDERIC
Titre de thèse
Energétique, aérodynamique et intensification des jets d'arcs de coupage plasma
Energetics, aerodynamics, and intensification of plasma arc cutting jets
Résumé de la thèse
Le procédé de découpe plasma des matériaux conducteurs d'électricité, en particulier des métaux, est l'un des trois grands procédés de découpe thermique des tôles, avec le laser et l'oxycoupage. Ce procédé s'est progressivement répandu dans l'industrie depuis les années 70, et est aujourd'hui incontournable dans les activités de construction et de fabrication métallique. Les améliorations de cette technologie ont historiquement été apportées par les équipementiers industriels en utilisant une approche très empirique et technologique, probablement en raison de la faible intensité en R&D fondamentale du secteur, et surtout de la complexité multi-physique de la phénoménologie des jets plasmas utilisés en découpe des métaux. Ceux-ci peuvent en effet être décrits par un écoulement trans-sonique sous-détendu dans une tuyère sonique de taille millimétrique, au col de laquelle une colonne plasma fortement ionisée est chauffée au-delà de 20000 K par le passage d'un courant électrique.
La complexité de l'objet d'étude réside dans les nombreux effets physiques, souvent eux-mêmes difficiles à appréhender isolément, qui peuvent a priori contribuer à déterminer la structure du jet plasma : propriétés thermodynamiques et coefficients de transport du plasma, géométrie de la tuyère et son aérodynamique, pression, intensité du vortex, turbulence, transferts radiatifs à haute température, couplage électrostatique et électromagnétique entre le passage du courant et le plasma, phénomènes aux électrodes…
Depuis les années 2000, et en collaboration avec le monde académique, certains acteurs industriels, ont engagé des approches plus fondamentales et scientifiques permettant de mieux comprendre et décrire ces objets technologiques, démarche à laquelle l'auteur a contribué depuis 25 ans.
Après un résumé de la carrière et des travaux de recherche menés ou supervisés par l'auteur dans les domaines connexes de la mécanique des fluides, de la combustion, des matériaux, et des procédés, la problématique abordée dans ce manuscrit de thèse portera donc sur l'étude de l'énergétique et de la phénoménologie des jets de plasmas d'arc transféré utilisés pour la découpe. Ce choix est d'abord celui du fil rouge scientifique et technologique le plus dense de mon expérience de chercheur industriel, et aussi un sujet dont la nature multi-physique a beaucoup bénéficié de l'expérience acquise dans d'autres spécialités.
Nous introduirons les technologies et les procédés, nous couvrirons les méthodes expérimentales et de simulation numérique utilisées, nous étudierons les échelles énergétiques à l'oeuvre en découpe plasma en comparaison au procédé laser concurrent, et détaillerons les mécanismes d'apport et de distribution de l'énergie à la tôle. Nous présenterons les avancées dans la compréhension de la constriction de la colonne plasma à travers la description du fonctionnement de la tuyère jusqu'à son col sonique, avant de poursuivre vers l'aval en analysant la structure du jet plasma sous-détendu entre la tuyère et la tôle. Enfin, nous conclurons par l'étude de l'influence de la cohérence spatiale de la densité de puissance du plasma sur la précision de coupe et les mécanismes d'amélioration de celle-ci.
Thesis resume
The plasma cutting process of electrically conductive materials is one of the three main thermal cutting processes for sheet metal, along with laser and oxy-cutting. This process has gradually spread in industry since the 70s, and is now essential in construction and metal fabrication activities. Improvements in this technology have historically been made by industrial equipment manufacturers using a highly empirical and technological approach, probably due to the lack of fundamental R&D of the sector, and more likely the complexity of the multi-physical phenomenology of the plasma jets in consideration. These can be described as an under-expanded jet at the outlet of a millimetre-sized sonic nozzle, at one's throat a strongly ionized plasma column is heated above 20000 K by the passage of electrical current.
The complexity of the object of study lies in the numerous physical effects, often themselves difficult to apprehend separately, which may a priori contribute to determining the structure of the plasma jet: thermodynamic properties and transport coefficients of the plasma, geometry of the nozzle and its aerodynamics, pressure, swirl intensity, turbulence, radiative transfers at high temperatures, electrostatic and electromagnetic coupling between the current passage and the plasma, electrodes behaviour... Since the 2000s, largely in collaboration with the public research scholar community, some industrial players have engaged in more fundamental and scientific approaches to better understand and describe these technological objects, an approach to which the author has contributed for 25 years.
After a summary of the career and research work carried out or supervised by the author in the close by disciplines of fluid mechanics, combustion, materials, and processes, the issue addressed in this thesis manuscript will therefore focus on the energetics and the phenomenology of transferred arc plasma jets applied for cutting. This topic is the most populated cluster of my experience as an industrial researcher, and also a subject whose multi-physics nature has greatly benefited from the experience acquired in studying other problems.
We will introduce to the reader the technologies and processes, we will cover the experimental and numerical simulation tools and methods we have utilized and contributed to develop, we will study the energy scales at work in plasma cutting compared to the competing laser process, and detail the mechanisms of energy supply and distribution to the sheet. We will then showcase the advances in the understanding of the constriction of the plasma column through the description of nozzle physics down to the sonic throat, before going farther downstream by analysing the structure of the under-expanded plasma jet developing between the nozzle outlet and the sheet metal workpiece. We finally draw conclusions on how to control the plasma jet power density to favour cutting accuracy.