Effectuer le coupage et le gougeage au plasma

Introduction au procédé

Le coupage au plasma est un procédé de coupage thermique qui utilise un arc électrique constricté pour ioniser un gaz, créant ainsi un plasma capable de fondre et de souffler le métal. Ce procédé est utilisé sur tous les métaux conducteurs, y compris l'acier au carbone, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre et leurs alliages. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez comprendre la physique du procédé, les paramètres de réglage, les équipements, les techniques opératoires, les normes de sécurité applicables et les applications de gougeage.

Le gougeage au plasma est une variante du coupage où l'arc est incliné pour enlever une couche de métal en surface, créant une rainure ou un chanfrein, sans nécessairement traverser la pièce. Cette technique est utilisée pour préparer les joints de soudure, éliminer les défauts de soudure, ou retirer des soudures existantes.

Principes physiques du plasma

Formation de l'arc plasma

L'arc plasma est créé lorsqu'un gaz (air comprimé, azote, argon, hydrogène, ou mélanges) passe à travers un orifice de buse constricté. L'arc électrique établi entre l'électrode (négative) et la pièce (positive) chauffe le gaz à des températures extrêmes de 15 000 °C à 30 000 °C. À ces températures, le gaz se dissocie et s'ionise, formant un plasma conducteur.

Le principe de constriction est fondamental : en forçant l'arc à passer par un petit orifice, on augmente la densité de courant et la vitesse du gaz. Le jet de plasma résultant est extrêmement concentré, ce qui permet une coupe rapide et étroite avec une zone affectée thermiquement (ZAT) minimale.

Gaz de coupage et gaz de protection

Deux types de gaz sont utilisés dans les torches plasma :

Type de gaz	Rôle	Gaz courants	Applications
Gaz plasmagène	Forme le plasma, fond et souffle le métal	Air comprimé, azote (N₂), argon (Ar), hydrogène (H₂)	Coupage de tous métaux
Gaz de protection	Protège la buse et refroidit la pièce, améliore la qualité de coupe	Oxygène (O₂), air, CO₂, mélanges Ar/H₂	Améliore la qualité de coupe sur acier inox et aluminium

Tableau des gaz selon le métal :

Métal	Gaz plasmagène	Gaz de protection	Épaisseur typique
Acier au carbone	Air comprimé ou O₂	Air ou O₂	3 mm à 50 mm
Acier inoxydable	N₂ ou Ar/H₂	N₂ ou air	3 mm à 40 mm
Aluminium	N₂ ou Ar/H₂	N₂ ou air	3 mm à 40 mm
Cuivre et alliages	N₂	N₂	2 mm à 25 mm

Polarité et connexions électriques

L'électrode est connectée à la borne négative (polarité droite, DCEN) dans la plupart des torches plasma. La pièce est connectée à la borne positive. Cette polarité assure une longue durée de vie de l'électrode et un arc stable. Certaines torches à courant élevé utilisent une polarité inversée pour des applications spéciales, mais cela est rare.

Modes de fonctionnement : pilote et coupe

Arc pilote : un arc de faible intensité est établi entre l'électrode et la buse, créant un chemin ionisé. Cet arc pilote est utilisé pour amorcer l'arc de coupe sans contact avec la pièce. Il est maintenu jusqu'à ce que la torche s'approche de la pièce, moment où l'arc principal s'établit.

Arc de coupe : l'arc principal se transfère de l'électrode à la pièce. Le courant est beaucoup plus élevé (20 A à 800 A selon l'équipement). L'arc pilote s'éteint automatiquement pendant la coupe.

Équipement de coupage au plasma

Composants du système

Un système de coupage au plasma comprend :

22.Source de courant (redresseur) : fournit le courant continu (CC) à tension constante ou à pente tombante. La tension à vide (OCV) varie de 200 V à 400 V selon les modèles.

23.Torche plasma : contient l'électrode, la buse, le diffuseur de gaz, le bouclier (shield) et la poignée.

24.Unité de commande de gaz : régule les débits de gaz plasmagène et de gaz de protection.

25.Compresseur d'air ou bouteilles de gaz : fournissent le gaz sous pression.

26.Câble de masse (retour) : connecté à la pièce, doit être en bon état et de section adéquate.

27.Système de refroidissement : pour les torches de forte puissance, refroidissement par eau (circuit fermé avec antigel).

Composants consommables de la torche

Les consommables sont les pièces qui s'usent et doivent être remplacées régulièrement :

Composant	Fonction	Signes d'usure
Électrode	Émet l'arc, contient un insert en hafnium ou en tungstène	Cratère profond, érosion de l'insert
Buse	Constrict l'arc, dirige le gaz	Orifice ovale ou agrandi, encrassement
Diffuseur	Répartit le gaz uniformément	Blocage, déformation
Bouclier (shield)	Protège la buse, guide le gaz de protection	Éclats, déformation
Anneau de retenue	Maintient les consommables en place	Usure, filetage endommagé

Entretien préventif

Vérifier l'état des consommables avant chaque utilisation.

Nettoyer les filetages et les surfaces de contact avec une brosse non métallique.

Remplacer l'électrode lorsque l'insert en hafnium est creusé de plus de 1,5 mm.

Remplacer la buse si l'orifice est déformé ou agrandi de plus de 10 %.

Purger les conduites de gaz pour éliminer l'humidité et les contaminants.

Vérifier le câble de masse et les connexions pour éviter les pertes de courant.

Paramètres de coupage

Courant de coupe

Le courant est le paramètre principal qui détermine l'épaisseur maximale de coupe. La règle générale est d'environ 4 A par millimètre d'épaisseur pour l'acier au carbone. Par exemple, pour couper une plaque de 12 mm, il faut environ 48 A. Cependant, cette règle varie selon le type de métal et la qualité de coupe souhaitée.

Formule pratique : I = 40 × √(e) où I est le courant en ampères et e l'épaisseur en millimètres. Cette formule donne une approximation pour l'acier au carbone.

Vitesse de coupe

La vitesse de coupe est déterminée par l'épaisseur du métal, le courant et la qualité de coupe désirée. Une vitesse trop lente produit une coupe large avec un bavardage excessif (dross) sur le dessous. Une vitesse trop rapide produit une coupe inclinée avec des stries irrégulières et un manque de pénétration.

Signes d'une vitesse incorrecte :

Problème	Cause probable	Correction
Dross abondant sur le dessous	Vitesse trop lente	Augmenter la vitesse
Stries irrégulières, coupe inclinée	Vitesse trop rapide	Réduire la vitesse
Arc instable, soufflage	Distance torche-pièce trop grande	Réduire la distance
Double arc (arc entre buse et pièce)	Buse usée ou distance trop faible	Remplacer la buse, ajuster la distance

Distance torche-pièce

La distance idéale entre la buse (ou le bouclier) et la pièce est généralement de 1,5 mm à 6 mm selon le type de torche et le courant. Les torches modernes avec bouclier peuvent être traînées directement sur la pièce (mode "drag cutting"). Pour les torches sans bouclier, la distance doit être maintenue constante à environ 3 mm.

Angle de coupe

L'angle de la torche par rapport à la pièce doit être de 90° pour une coupe perpendiculaire. Pour les coupes d'angle (chanfreins), l'angle est réglé selon les spécifications du joint de soudure. Un angle incorrect produit un biseau inégal et une coupe de mauvaise qualité.

Pression et débit de gaz

La pression de gaz recommandée est indiquée par le fabricant de la torche. Une pression trop faible produit un arc instable et une coupe de mauvaise qualité. Une pression trop élevée souffle le métal en fusion et crée des projections excessives. Le débit est généralement de 100 à 200 L/min pour le gaz plasmagène selon la puissance.

Techniques de coupage

Coupage manuel

Le coupage manuel nécessite une technique stable et régulière :

55.Positionner la torche perpendiculairement à la pièce.

56.Amorcer l'arc pilote à environ 10 mm de la pièce.

57.Approcher la torche jusqu'à la distance de coupe (1,5 à 6 mm).

58.Déplacer la torche à vitesse constante le long de la ligne de coupe.

59.Maintenir la distance et l'angle constants tout au long de la coupe.

60.Relâcher la gâchette à la fin de la coupe pour éteindre l'arc.

Coupage guidé

Pour les coupes droites et précises, utiliser un guide linéaire ou un chariot motorisé. Le guide maintient la distance et l'angle constants, ce qui améliore la qualité de coupe et réduit la fatigue de l'opérateur.

Coupage de trous (perçage au plasma)

Pour percer un trou dans une plaque, incliner la torche à environ 30° de la verticale pour amorcer l'arc, puis redresser progressivement la torche à la verticale une fois que le métal est percé. Cette technique évite que les projections n'endommagent la buse.

Coupage de grillage ou de métal déployé

Réduire le courant d'environ 20 à 30 % et augmenter la vitesse de coupe pour éviter de fondre excessivement les fines sections.

Coupage sous l'eau

Le coupage sous l'eau est utilisé pour réduire le bruit, les fumées et les rayonnements UV. La torche est équipée d'un bouclier spécial et la pièce est immergée à une profondeur de 50 à 75 mm. La qualité de coupe est légèrement inférieure, mais l'environnement de travail est amélioré.

Gougeage au plasma

Principe du gougeage

Le gougeage au plasma consiste à enlever du métal en surface en inclinant la torche à un angle de 30° à 45° par rapport à la pièce. L'arc plasma fond le métal et le gaz le souffle hors de la rainure. La profondeur de la rainure est contrôlée par la vitesse de déplacement, l'angle de la torche et le courant.

Applications du gougeage

Préparation des joints de soudure (chanfreins, rainures en U ou en V).

Élimination des défauts de soudure (porosités, fissures, manque de fusion).

Retrait de soudures existantes pour réparation.

Décapage de surface (enlèvement de couches de métal).

Création de rainures pour le soudage de racine.

Paramètres de gougeage

Paramètre	Valeur typique	Effet
Courant	60 à 80 % du courant de coupe maximal	Détermine la profondeur et la largeur de la rainure
Angle de la torche	30° à 45°	Plus l'angle est faible, plus la rainure est profonde
Vitesse de déplacement	300 à 600 mm/min	Plus la vitesse est lente, plus la rainure est profonde
Distance torche-pièce	3 à 6 mm	Doit être constante pour une rainure uniforme

Technique de gougeage

81.Régler le courant à environ 70 % du courant maximal de la torche.

82.Incliner la torche à 35° par rapport à la surface.

83.Amorcer l'arc pilote et approcher la torche de la pièce.

84.Déplacer la torche à vitesse constante en maintenant l'angle et la distance.

85.Observer la formation de la rainure : elle doit être lisse et uniforme.

86.Pour les rainures profondes, effectuer plusieurs passes successives.

Contrôle de la qualité du gougeage

Une rainure de gougeage de bonne qualité présente :

Un fond arrondi, sans arêtes vives.

Des parois latérales lisses, sans cratères ni surplombs.

Une largeur constante sur toute la longueur.

Une absence de carbone résiduel (si air comprimé utilisé) ou d'oxydes.

Normes et sécurité

Normes canadiennes applicables

Le coupage au plasma est un procédé de soudage et de coupage thermique. Les normes suivantes s'appliquent :

CSA W117.2 — « Règles de sécurité en soudage, coupage et procédés connexes » : cette norme est la référence principale pour la sécurité des opérateurs. Elle couvre la protection individuelle, la ventilation, la prévention des incendies et les risques électriques.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1) : s'applique à l'installation électrique des équipements de soudage. Les règles pertinentes concernent le câblage, la mise à la terre et la protection des circuits.

CSA B149.1 — « Code sur le gaz naturel et le propane » : s'applique si des gaz combustibles sont utilisés pour le préchauffage ou le séchage, bien que le plasma utilise des gaz inertes ou de l'air.

Règlement sur les produits dangereux (SIMDUT) : s'applique à la manipulation des gaz comprimés et aux fumées de coupage.

Risques spécifiques au plasma

Risque	Source	Protection
Rayonnement UV et infrarouge	Arc plasma intense	Casque de soudage avec verre de teinte 8 à 12, vêtements couvrants
Fumées et gaz	Métal fondu, gaz plasmagène	Ventilation locale, extraction à la source, respirateur si nécessaire
Bruit	Jet de plasma, compresseur	Protection auditive (bouchons ou coquilles)
Choc électrique	Tension à vide élevée (200-400 V)	Gants isolants, tapis isolant, équipement en bon état
Brûlures	Projections de métal fondu, torche chaude	Vêtements de cuir, gants, écran facial
Bruit ultrasonique	Certaines torches haute fréquence	Protection auditive

Règles de sécurité essentielles

Ne jamais toucher la pièce ou la torche lorsque l'équipement est sous tension.

Vérifier l'état des câbles et des connexions avant chaque utilisation.

Utiliser un casque avec la teinte de verre appropriée (minimum teinte 8 pour le plasma).

Porter des gants de soudage secs et en bon état.

Assurer une ventilation adéquate pour évacuer les fumées (ozone, oxydes d'azote, métaux).

Éloigner les matériaux inflammables de la zone de travail (minimum 10 m ou protéger avec des écrans).

Ne jamais regarder l'arc sans protection, même brièvement.

Suivre les instructions du fabricant pour l'entretien des consommables.

Ventilation et fumées

Les fumées de coupage au plasma contiennent des oxydes métalliques (fer, chrome, nickel, aluminium) et des gaz (ozone, oxydes d'azote). La norme CSA W117.2 exige une ventilation locale par aspiration à la source ou une ventilation générale suffisante. Pour les métaux contenant du chrome (acier inoxydable), des mesures supplémentaires sont nécessaires (extraction à la source obligatoire).

Calculs et réglages pratiques

Calcul du courant de coupe

Pour l'acier au carbone, utiliser la formule empirique :

I = 40 × √(e)

Où :

I = courant en ampères

e = épaisseur du métal en millimètres

Exemple : Pour couper une plaque de 16 mm :

I = 40 × √(16) = 40 × 4 = 160 A

Calcul de la vitesse de coupe

La vitesse de coupe approximative pour l'acier au carbone peut être estimée par :

V = 5000 / I (en m/min)

Où I est le courant en ampères.

Exemple : Pour un courant de 160 A :

V = 5000 / 160 = 31,25 m/min (trop rapide pour un usage manuel, indique qu'un courant plus faible serait plus approprié pour une coupe manuelle).

En pratique, la vitesse manuelle est de 300 à 800 mm/min selon l'épaisseur et le courant.

Consommation de gaz

La consommation de gaz plasmagène est approximativement de :

Q = 0,1 × I (en L/min)

Où I est le courant en ampères.

Exemple : Pour 160 A, Q = 0,1 × 160 = 16 L/min (ceci est une estimation basse ; les valeurs réelles varient de 50 à 200 L/min selon la torche).

Épaisseur maximale de coupe

L'épaisseur maximale de coupe pour une torche donnée est indiquée par le fabricant. En général, la capacité de coupe maximale est d'environ 25 mm par 100 A pour l'acier au carbone avec une torche à air comprimé. Les torches à haute définition (HD) peuvent couper jusqu'à 80 mm avec 400 A.

Contrôle de la qualité de coupe

Critères de qualité

Une coupe au plasma de bonne qualité présente :

Une face de coupe lisse et perpendiculaire (angle de coupe < 3°).

Peu ou pas de bavures (dross) sur le dessous.

Une largeur de coupe (kerf) minimale et constante.

Une zone affectée thermiquement (ZAT) étroite.

Aucune encoche ni cratère sur la face de coupe.

Défauts courants et corrections

Défaut	Cause	Correction
Bavures (dross) adhérentes	Vitesse trop lente, courant trop élevé	Augmenter la vitesse, réduire le courant
Bavures faciles à enlever	Vitesse trop rapide, gaz insuffisant	Réduire la vitesse, augmenter le débit de gaz
Face de coupe inclinée	Torche inclinée, vitesse trop rapide	Maintenir la torche perpendiculaire, réduire la vitesse
Stries profondes	Vitesse trop rapide, courant trop faible	Réduire la vitesse, augmenter le courant
Encoches sur la face	Buse usée, distance trop grande	Remplacer la buse, réduire la distance
Dépôt de carbone	Air comprimé contaminé (huile, humidité)	Utiliser un filtre déshydrateur, purger les conduites
Arc instable	Électrode usée, pression de gaz incorrecte	Remplacer l'électrode, ajuster la pression

Inspection des consommables

Inspecter les consommables après chaque utilisation :

Électrode : l'insert en hafnium doit être propre et sans cratère profond. Un cratère de plus de 1,5 mm indique une usure excessive.

Buse : l'orifice doit être rond et net. Un orifice ovale ou agrandi indique une usure et produit un arc déformé.

Bouclier : vérifier l'absence de fissures et de déformations.

Diffuseur : vérifier que les orifices de passage du gaz ne sont pas obstrués.

Applications industrielles

Industries utilisatrices

Le coupage au plasma est utilisé dans :

Fabrication métallique : découpe de tôles, plaques, tubes et profilés.

Construction navale : découpe de tôles fortes, gougeage de défauts.

Industrie pétrolière et gazière : préparation de joints, découpe de tuyauterie.

Réparation et maintenance : retrait de soudures, réparation de pièces.

Démantèlement : découpe de structures métalliques.

Avantages et limites du plasma

Avantages	Limites
Coupe tous les métaux conducteurs	Coût d'équipement élevé
Vitesse de coupe élevée	Consommables à remplacer régulièrement
ZAT étroite par rapport à l'oxycoupage	Bruit et fumées importants
Pas de préchauffage nécessaire	Tension à vide dangereuse
Coupe sous l'eau possible	Qualité de coupe inférieure au laser pour les fines épaisseurs
Gougeage possible sans changement d'équipement	Nécessite une source d'air comprimé ou des bouteilles de gaz

Comparaison avec l'oxycoupage

Critère	Plasma	Oxycoupage
Métaux coupables	Tous les métaux conducteurs	Acier au carbone uniquement
Épaisseur maximale	Jusqu'à 80 mm (standard), plus avec équipement spécial	Jusqu'à 300 mm et plus
Vitesse de coupe (≤ 25 mm)	Plus rapide	Plus lent
Qualité de coupe (≤ 25 mm)	Supérieure	Inférieure
Coût d'exploitation	Élevé (consommables, électricité)	Modéré (gaz combustibles)
ZAT	Étroite	Large
Préparation de surface	Peu exigeante	Surface propre requise (peinture, rouille)

Pièges à éviter

165.Confondre polarité : l'électrode est négative (DCEN) dans la plupart des torches plasma. Une polarité inversée détruit l'électrode rapidement.

166.Négliger l'entretien des consommables : des consommables usés produisent une mauvaise qualité de coupe et endommagent la torche.

167.Utiliser une pression de gaz incorrecte : une pression trop faible ou trop élevée dégrade la qualité de coupe et la durée de vie des consommables.

168.Ignorer la qualité de l'air comprimé : l'humidité et l'huile dans l'air comprimé contaminent le plasma et réduisent la durée de vie des consommables.

169.Oublier la mise à la terre : un mauvais retour de courant (câble de masse) provoque des arcs parasites et des chocs électriques.

170.Regarder l'arc sans protection : le rayonnement UV du plasma est intense et peut causer des brûlures oculaires graves (flash).

171.Confondre gougeage et coupage : le gougeage utilise un angle de 30° à 45° et ne traverse pas la pièce.

172.Négliger la ventilation : les fumées de plasma sont toxiques, surtout sur l'acier inoxydable (chrome hexavalent).

173.Utiliser un courant trop élevé pour l'épaisseur : cela produit une coupe large, des bavures excessives et une usure rapide des consommables.

174.Ne pas vérifier le câble de masse : un câble de masse endommagé ou mal connecté provoque une instabilité de l'arc et des risques de choc.

Résumé

Le coupage au plasma utilise un arc électrique constricté pour ioniser un gaz et créer un jet de plasma à très haute température (15 000 à 30 000 °C).

Le procédé coupe tous les métaux conducteurs : acier au carbone, acier inoxydable, aluminium, cuivre et alliages.

Les paramètres principaux sont : le courant (I), la vitesse de coupe, la distance torche-pièce (1,5 à 6 mm), l'angle de la torche (90° pour coupe droite) et la pression de gaz.

Le courant de coupe approximatif pour l'acier au carbone est I = 40 × √(épaisseur en mm).

Les consommables (électrode, buse, diffuseur, bouclier) doivent être inspectés et remplacés régulièrement pour maintenir la qualité de coupe.

Le gougeage au plasma utilise un angle de 30° à 45° et sert à préparer les joints, éliminer les défauts et retirer les soudures.

La norme CSA W117.2 est la référence principale pour la sécurité en soudage et coupage au Canada.

Les risques principaux sont : rayonnement UV, fumées toxiques, bruit, choc électrique et brûlures.

Le plasma est plus rapide et plus polyvalent que l'oxycoupage pour les épaisseurs ≤ 50 mm, mais plus coûteux en consommables.

La qualité de coupe se contrôle par l'angle de coupe, la présence de bavures, la largeur de coupe et l'état de la face de coupe.

Pour réussir l'examen Sceau rouge, maîtrisez les paramètres de réglage, les formules de calcul, les normes de sécurité et les techniques de dépannage des consommables. La pratique du gougeage et la compréhension des différences entre les gaz plasmagènes et de protection sont des sujets fréquemment évalués.

Effectuer le coupage et le gougeage au plasma