La découpe au plasma, un éclair domestiqué

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’énergie

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 nature

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 8 heures, 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.

Présentation générale

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.