Le déplacement des porteurs de charge génère un champ électromagnétique. La force de Lorentz est la force résultante de l’action de la composante magnétique et électrique sur ces porteurs de charge. Pour un plasma globalement neutre, la composante due au champ électrique s’annule. La force de Lorentz se ramène donc à la force de Laplace.
Cette force volumique est directement proportionnelle à la densité de courant et à l’intensité du champ magnétique. L’effet de la force sur les porteurs individuels est illustré en haut de la figure I.2.4 : la force entraine un déplacement en fonction du signe de la charge de la particule.
Dans cette section, nous détaillons l’effet de la force électromagnétique dans le plasma et dans le bain due à un champ magnétique auto-induit par le déplacement des charges. Nous présentons aussi les effets des champs magnétiques extérieurs bien qu’aucuns ne soient considérés dans notre modèle.
Force électromagnétique auto-induite dans le plasma
L’effet particulier du champ magnétique auto-induit sur les porteurs de charge d’un plasma d’arc transféré est illustré à gauche de la figure I.2.4. Il a été décrit par H. Maecker [Mae55]. Une zone de dépression au niveau de la pointe de la cathode entraine les particules le long de la décharge. Il y a donc un effet de constriction et d’allongement de l’arc. La force de Laplace est la force prépondérante dans le plasma. Elle est d’autant plus importante que l’intensité du courant est grande. Il est donc essentiel de prendre en compte cette force dans les modèles.
Force électromagnétique auto-induite dans le bain
V. Nemchinsky [Nem96] a étudié les champs des forces électromagnétiques dans la zone fondue pour des configurations de soudage. La figure I.2.4 (à droite) illustre les résultats de ces travaux pour un arc stationnaire ou en mouvement. Lorsque l’arc est stationnaire, la force crée à l’intérieur de la zone fondue un vortex symétrique qui entraine le fluide de la périphérie au centre de la zone. Elle a donc tendance à creuser la pièce en son milieu. Lorsque l’arc est en mouvement, le vortex est dissymétrique par rapport à l’axe de déplacement. L’auteur
I.2. Aspect physique de l’interaction arc-matériau
précise également que le changement de conductivité électrique du métal (avec la température et le changement de phase) n’influence pas significativement les forces électromagnétiques.
L’importance de la force dans le bain métallique a été étudiée par M. Tanaka et J. Lowke [Tan07a]. Dans un modèle numérique, ils ont isolé la distribution des vitesses induites par la force électromagnétique dans le bain. Dans une configuration avec un plasma d’argon (avec I=150 A et d=5 mm), la vitesse maximale atteinte dans le bain et qui est liée à la force de Laplace est de 5 cm.s-1. Dans ce cas, la force électromagnétique a un rôle moins important que les forces de trainée et de Marangoni. Pour un arc d’hélium, la vitesse est de 25 cm.s-1. La force électromagnétique dans ce cas est majoritaire devant la force de trainée et de gravité. Le choix du gaz a donc une importance sur l’effet de cette force. Plus largement, le rôle de la force de Laplace dépend de la distribution de la densité de courant à la surface du bain.
Enfin, de nombreux métaux à base de fer sont ferromagnétiques et donc modifient les lignes de champs à l’intérieur du métal et à l’extérieur. Donc globalement, la nature même de la pièce métallique joue un rôle dans la distribution des forces électromagnétiques.
En conclusion, la force de Laplace dans le bain oriente le fluide vers le centre et son importance dépend de la distribution de densité de courant à la surface. Cette distribution peut être modifiée par l’intensité, la longueur ou la nature de l’arc.
Force électromagnétique liée à un champ magnétique extérieur
Dans certaines applications, un champ magnétique supplémentaire est créé à l’aide d’une bobine, d’aimants ou d’un barreau métallique. Les porteurs de charges sont alors déviés par une force supplémentaire. Pour en illustrer l’impact, plusieurs configurations sont discutées ci-dessous :
Positionnement d’une bobine à la cathode. X. Yin et al [Yin12] ont modélisé l’influence d’un champ magnétique créé par une bobine dans le cas d’un arc transféré dans l’argon. Pour un champ variant de 10 à 60 mT, une rotation de l’arc sur lui-même est constatée numériquement. Des vitesses perpendiculaires à l’axe apparaissent et atteignent jusqu’à 53 cm.s-1
. La température maximale et la profondeur de la zone fondue diminuent en augmentant le champ magnétique tandis que la largeur augmente.
Positionnement d’aimants à la cathode. K. Nomura et al [Nom10] ont quant à eux modifié la forme de l’arc à l’aide d’aimants placés proche de la torche TIG. À l’aide de quatre aimants de 300 mT disposés autour de la cathode, la forme du plasma précédemment circulaire dans une coupe transverse prend une forme d’ellipse. Le cratère formé à la surface du métal est alors étalé dans une direction.
Positionnement d’un barreau métallique parallèle à la décharge. A. Blais et al [Bla03] ont utilisé un barreau métallique pour provoquer un galbe vertical de l’axe dans une configuration d’arc transféré. Dans ce dispositif un courant traverse un barreau métallique placé verticalement entre les deux électrodes. Le champ
magnétique induit provoque une déviation verticale du plasma. Les auteurs ont étudié les effets de la force électromagnétique sur le plasma en fonction de l’intensité qui parcourt le barreau et de sa distance de l’axe.
Positionnement d’une bobine autour de la pièce métallique. Pour une configuration d’arc transféré, Y. Yamamoto et al [Yam07] ont étudié l’influence d’un champ magnétique généré par des bobines entourant la pièce métallique (en cuivre). Les auteurs ont relevé expérimentalement des oscillations du pied d’arc en faisant parcourir un signal alternatif dans la bobine.
Une bobine à la cathode et une bobine sous l’anode. M. Malinowski-Brodnicka et al [Mal90] ont montré l’influence du champ sur la forme du bain et sa macrostructure pour une configuration de soudage TIG. Deux bobines sont utilisées : l’une au niveau de la torche et l’autre sous la pièce d’acier austénitique. Au-delà de 20 mT, la surface du bain est déformée par un renflement de métal (à la manière d’un bourgeon) car le champ magnétique induit un déplacement du métal vers la surface du bain. La présence du champ magnétique augmente également le raffinage du métal.