La visualisation par imagerie est une excellente source d’information sur la forme du plasma, sa composition ou encore les phénomènes en surface du bain métallique. La figure I.3.2 illustre les catégories des techniques et quelques applications détaillées dans cette section.
Photographie
La plus immédiate des techniques est la photographie. G. Dunn et al [Dun86] ont ainsi déterminé la distribution de vapeurs métalliques dans un arc de soudage. La longueur d’onde d’intérêt des différents composés recherchés (Fe, Mn, Cr, Al, Ca, etc.) est isolée à l’aide d’un monochromateur. Plusieurs plasmas d’argon, d’hélium et de mélange argon-hélium ont été étudiés pour des intensités de 25 et 125 A en interaction avec un acier inoxydable. Cette méthode permet de détecter la présence des espèces métalliques et leur distribution spatiale mais ne fournit pas de valeurs de concentration.
Imagerie rapide
À l’inverse des photographies, les vidéos permettent d’identifier la dynamique des phénomènes étudiés. Dans des articles de synthèse, Y. Ogawa [Oga11] et S. Tsukamoto
[Tsu11] décrivent les techniques d’imagerie rapide utilisées dans un contexte de soudage. Quelques-unes de ces techniques sont détaillées ci-dessous.
Y. Yamamoto et al [Yam07] utilisent une caméra rapide pour visualiser le comportement de la colonne d’un arc transféré d’argon sur du cuivre avec I=50 A et d=40 mm. Le plasma est soumis à une force magnétique générée par un courant alternatif circulant dans une bobine entourant la pièce de cuivre. La vidéo permet de caractériser les oscillations du pied d’arc en fonction de la fréquence du courant électrique de la bobine.
En complément, plusieurs auteurs s’intéressent à la surface du bain lors du soudage. La caméra rapide est alors pointée vers la surface du métal qui est parfois éclairée par une source lumineuse extérieure (laser ou une lampe UV). Cette technique permet d’obtenir trois grands types d’informations : les vitesses en surface, la température et les dimensions géométriques de la surface.
Mesures de vitesses en surface
P. Henrikson [Hen05] oriente une caméra CCD vers la surface du métal éclairée par une lampe à mercure. Il analyse plusieurs séquences d’arcs d’argon d’une intensité entre 50 et 100 A, d’une longueur de 1,6 mm et un déplacement de la torche jusqu’à 3,7 mm.s-1
. Ces séquences permettent de mettre en évidence le comportement du fluide à la surface d’un acier inoxydable 316L. À l’aide d’une méthode de suivi de particule (PTV pour Particle Tracking Velocimetry), il détermine les vitesses d’agglomérats à la surface du bain qui sont de l’ordre de 13 cm.s-1 en périphérie du bain. D. Espinosa [Esp91], avec une méthode similaire, reporte des vitesses proches de 22 cm.s-1 dans un acier HY80 pour un arc d’argon d’une longueur de 4 mm et d’une puissance de 2,58 kW.
Dans la même optique, C. Zhao et al [Zha09] étudient les phénomènes en surface. À l’aide d’une caméra rapide et d’un dispositif laser, ils examinent au cours du temps les poudres de tungstène et les multiples oxydes naturels. Une méthode de suivi de multiples particules (PIV pour Particule Image Velocimetry) leur permet d’extrapoler le champ de vitesses. Ils proposent donc une vision eulérienne des vitesses tandis que les deux auteurs précédents offrent une vision lagrangienne. Ils reportent des vitesses de l’ordre de 10 cm.s-1 pour un arc d’argon d’une longueur de 3 mm, d’une intensité de 80 A en interaction avec un acier inoxydable 316L.
Ces deux techniques de suivi de particules permettent de caractériser les mouvements en surface du bain et de mesurer la vitesse de déplacement de particules. La problématique est de savoir si cette vitesse est représentative des mouvements convectifs du fluide lui-même et pas seulement des particules.
Mesures de température en surface
K. Yamazaki et al [Yam10] couplent quant à eux une caméra rapide avec un spectromètre qui isole deux longueurs d’onde dans l’infrarouge (950 et 980 nm). Le rapport des intensités
I.3. Les méthodes de diagnostics expérimentaux et numériques
de ces deux longueurs d’onde informe sur la température. Leur dispositif permet d’établir un champ de température de la surface du bain pour des arcs transférés avec I=150 A et d= 6 mm. Pour un plasma d’hélium, la température maximale reportée est de l’ordre de 2900 K pour des aciers à haute teneur de soufre. Les températures sont plus basses pour un plasma d’argon.
Pour le même objectif, H. Kraus [Kra89] utilise une caméra rapide et un filtre HeNe (632,8 nm) afin de remonter à la température de surface. Il regroupe les valeurs maximales de température et les dimensions de la surface du bain après 25 s d’interaction arc-acier. Pour un arc d’argon en interaction avec un acier inoxydable AISI 304, l’auteur reporte des températures maximales entre 2220 K et 2699 K pour des arcs d’une intensité comprise entre 50 A et 200 A.
Ces travaux montrent que l’utilisation de camera rapide avec un ou plusieurs filtres permet d’obtenir le champ de température à la surface du métal. Ces informations sont utiles pour caractériser le transfert thermique et donnent indirectement des renseignements sur la production de vapeurs ou l’effet probable de la force de Marangoni. Cependant les réflexions (notamment de la cathode) à la surface du métal compliquent le traitement.
Dimensions géométriques de la surface
H. Song et Y. Zhang [Son07] proposent de leur côté une étude de la géométrie tridimensionnelle de la surface du bain. La figure I.3.3 illustre leur dispositif expérimental. De multiples spots lasers illuminent la surface du métal dont la réflexion dépend de la phase (liquide ou solide) et de la géométrie de la surface (concave, convexe ou plan). La réflexion des points situés sur la surface liquide sont collectés sur un plan semi transparent sur lequel est pointée une caméra rapide. À partir d’algorithmes de reconstruction, les auteurs
déterminent la largeur, la longueur mais aussi le degré de concavité de la surface. Pour un arc de 75 A avec un déplacement de torche de 3 mm.s-1, la largeur reportée vaut 6,73 mm pour une longueur de 7,12 mm et une profondeur concave d’environ 0,30 mm.
Ces travaux permettent entre autres de valider l’hypothèse d’une surface plane utilisée dans certains modèles numériques.