Technologie de coupage plasma

Alliant qualité de coupe, productivité, faible coût de fonctionnement et polyvalence, le coupage à l’arc plasma est le procédé de coupe industrielle le plus prisé en ce moment.

Qu’est-ce que le plasma?

Le plasma est le quatrième état de la matière. Nous pensons habituellement à la matière comme existant sous trois états : solide, liquide et gazeux. Les trois états d’une substance ordinaire comme l’eau sont la glace, l’eau et la vapeur.

Ces états se distinguent par leurs niveaux d’énergie relatifs. Lorsque nous ajoutons de l’énergie sous forme de chaleur à de la glace, elle fond et devient de l’eau; si nous ajoutons plus d’énergie, l’eau se transforme en vapeur. Si nous devions ajouter énormément plus d’énergie à la vapeur, en la chauffant à environ 11 700 °C (21 092° F), la vapeur se séparerait en plusieurs composants gazeux et deviendrait conductrice d’électricité, ou ionisée. Ce gaz ionisé à haute énergie est appelé plasma.

Dans les années 1950, le plasma a commencé à être reconnu comme un procédé de coupe thermique. Les applications initiales de coupage plasma étaient limitées et les résultats de coupe étaient rudimentaires. En 1968, Dick Couch a introduit l’injection radiale d’eau.  Cette technologie de buse brevetée resserrait l’arc plasma, augmentant sa densité d’énergie tout en améliorant le refroidissement, ce qui permettait d’atteindre des vitesses de coupe plus élevées, des coupes de meilleure qualité et la capacité de couper les aciers au carbone à des vitesses cinq fois plus rapides comparativement au procédé de coupage oxygaz. Grâce à ses applications plus nombreuses, à ses vitesses de coupe plus élevées et à ses facteurs de marche accrus, le plasma a rapidement commencé à accaparer une part de marché naguère occupée par la technologie traditionnelle de coupe de métal, l’oxygaz. 

Le procédé de coupe au plasma a été affiné continuellement au cours des cinq dernières décennies et, aujourd’hui, les transformateurs de métaux et les métallurgistes du monde entier choisissent le plasma plutôt que l’oxygaz pour les raisons suivantes :

1. Le plasma peut couper tous les matériaux conducteurs, dont l’acier au carbone et les métaux non ferreux, tandis que la coupe à l’oxygaz est limitée à l’acier au carbone. 

2. Le plasma peut couper autant le métal épais que mince. Bien que ces deux procédés puissent en principe couper une vaste plage d’épaisseurs, en pratique, l’oxygaz ne convient pas à la coupe du métal mince, car ce procédé est moins précis, crée une plus grande zone touchée thermiquement susceptible d’entraîner le gauchissement du matériau, en plus d’être un procédé beaucoup plus lent. Pour cette raison, l’oxygaz est généralement utilisé sur les métaux de plus de 50 mm (2 po) d’épaisseur.

3. Le plasma est plus sûr que l’oxygaz, lequel nécessite l’utilisation d’un gaz inflammable. 

4. Le plasma est plus rapide. Sur les matériaux de faible épaisseur, les vitesses de coupe plasma sont 12 fois plus élevées par rapport à celles de l’oxygaz; sur les matériaux de 25 mm (1 po) ou moins, la coupe plasma est deux fois plus rapide que la coupe à l’oxygaz. Le plasma permet également des temps de perçage beaucoup plus courts, ce qui peut accroître considérablement la productivité de la coupe automatisée. 

5. Les coûts d’utilisation du plasma sont généralement moins élevés. Comparativement à l’oxygaz, le plasma nécessite un remplissage moins fréquent des bouteilles de gaz. Par exemple, lors de la coupe d’acier doux plus épais, le plasma utilise moins d’oxygène et est plus rapide. 

6. Le plasma donne des coupes plus précises. Les deux procédés permettent d’obtenir une excellente qualité de coupe, à condition que l’opérateur du système oxygaz soit expérimenté. Toutefois, une machine de coupe au plasma produira des coupes plus précises et plus nettes présentant une meilleure angularité, une saignée plus mince et une zone touchée thermiquement plus limitée, tout en produisant peu ou pas de scories.

7. Le plasma est plus facile à utiliser. L’obtention d’un résultat satisfaisant avec une torche de coupe à l’oxygaz dépend en grande partie de l’opérateur. Le coupage à l’oxygaz est un art qui se perfectionne avec l’entraînement, car les opérateurs doivent régler et maintenir la flamme tout en tenant celle-ci à une distance constante de la surface à couper. Le coupage plasma, en revanche, est beaucoup plus flexible et s’apprend rapidement. Les machines de coupe plasma à air de la série Powermax SYNC® d’Hypertherm dotées d’une cartouche de consommables en une seule pièce sont encore plus faciles à utiliser.

Qu’est-ce que la coupe au plasma?

Une machine de coupe au plasma utilise un jet plasma afin de transférer de l’énergie à un matériau conducteur. Le jet plasma est généralement formé en forçant le passage d’un gaz comme de l’azote, de l’oxygène, de l’argon (ou même de l’air) à travers une buse étroite. Un courant électrique produit par une source de courant externe ajoute suffisamment d’énergie au flux de gaz pour l’ioniser, le transformant ainsi en arc plasma. C’est pourquoi ce procédé est souvent appelé coupe à l’arc plasma. L’arc plasma coupe la pièce à couper en la faisant d’abord fondre, puis en expulsant le métal en fusion.

Quelle est la température d’une machine de coupe au plasma?

L’arc plasma produit par un système de coupe au plasma produit des températures approchant 22 200 °C (40 000 °F). Il est donc vrai de dire que la température d’une machine de coupe au plasma est extrêmement élevée. À titre de comparaison, la température à la surface du soleil est d’environ 5 500 °C (10 000 °F).

Types de coupe au plasma

Coupage plasma manuel

En raison de sa portabilité, de sa productivité, de sa performance et de sa facilité d’utilisation, le plasma manuel est la technologie de coupe privilégiée pour l’acier doux, l’acier inoxydable et l’aluminium dans un large éventail d’industries et d’applications (notamment la réparation d’équipement lourd, l’acier de structure, la construction navale, le bricolage, etc.). La plupart des systèmes plasma manuels sont composés d’une source de courant comportant un onduleur (comme la plupart des systèmes de soudage) qui combine de l’électricité et de l’air comprimé (utilisé comme gaz plasma) afin de produire un arc plasma généré à l’extrémité d’une torche manuelle. Les systèmes plasma manuels nécessitent de l’électricité provenant d’une ligne électrique ou d’un générateur et de l’air comprimé provenant d’un compresseur d’air ou d’une bouteille.  

Coupe mécanique au plasma avec CNC

La coupe mécanique au plasma est une méthode automatisée de coupe de l’acier au carbone et de divers métaux non ferreux dans des environnements de production. Le coupage plasma mécanisé comprend généralement : 

• une table plasma (à eau ou à ventilation verticale) servant à fixer la pièce à couper et à atténuer la fumée initialement produite

• la source de courant de la torche plasma qui produit le courant électrique requis

• un mélangeur et des régulateurs de gaz automatisés pour contrôler le flux et les pressions de gaz

• un contrôleur CNC qui fournit les signaux de marche/arrêt, les vitesses de déplacement et la direction en lisant un fichier de FAO

• un dispositif de réglage en hauteur de la torche machine pour régler la torche aux hauteurs de coupe et de perçage adéquates

• un portique de découpe de haute puissance et un système sur rails comportant une série d’entraînements pour générer le mouvement de coupe

Coupage plasma en 3D et robotisé

Les produits à développement rapide nécessitent un équipement de fabrication à développement rapide pour tenir compte des formes complexes, des détails et de la qualité que les marchés actuels exigent en quantités jamais vues auparavant. Afin de prendre en compte cette complexité accrue et la demande sans précédent, les fabricants de tous les secteurs se tournent vers le plasma en 3D ou robotisé comme solution de coupe pour certains de leurs produits plus complexes et à forte demande qui exigent une coupe de grande qualité. En combinant un bras robotisé industriel ou un robot collaboratif à un système de coupage plasma mécanisé, les fabricants peuvent réaliser des coupes très détaillées sur l’acier au carbone, l’acier inoxydable et l’aluminium dans des endroits difficiles d’accès, éliminant ainsi le besoin de déplacer la pièce à couper et le temps de travail que cela implique, comme ce serait le cas sur les systèmes de coupage plasma en 2D ou XY. Comparativement à un système de coupage plasma en 2D ou XY standard, un système de coupage plasma en 3D ou robotisé a généralement une torche plus courte et plus étroite ainsi que des faisceaux de torche plus souples, mais robustes, afin de résister aux mouvements de 3D rapides. Les applications de coupage plasma en 3D ou robotisé nécessitent également des barrières de sécurité supplémentaires. 

Logiciel de coupage plasma

Pour les applications de coupe mécanique, le logiciel de coupage plasma est utilisé pour la programmation de la machine de coupe. Dans certains cas, le logiciel de la CNC peut être utilisé pour programmer des pièces individuelles ou des petites séries, mais la plupart des transformateurs et des fabricants comptent plutôt sur un logiciel communément appelé logiciel d’imbrication de CAO/FAO qui offre de bien meilleures caractéristiques et fonctionnalités.

Certains types de logiciels d’imbrication de CAO/FAO pour le coupage plasma peuvent contrôler et configurer automatiquement presque tous les aspects de l’opération de coupage plasma. Par exemple, le logiciel ProNest^® d’Hypertherm prend en charge les paramètres tels que le courant de l’arc, la tension, le prégaz, les réglages du débit de coupe, la vitesse de coupe, la hauteur de coupe, le type et la hauteur de perçage, etc. Toutes ces tâches visent à simplifier le travail de l’opérateur et à augmenter la productivité.

Le logiciel de coupage plasma offre généralement d’autres fonctionnalités, dont :

• Évitement des collisions

• Coupe à la chaîne

• Coupe en pont

• Coupe de ligne conjointe

• Coupe à têtes multiples

• Découpe de squelette

Dans certains cas, le logiciel permet d’obtenir des résultats optimisés, comme :

• Qualité de trou améliorée

• Configuration plus facile du chanfrein

• Durée de cycle plus rapide

Applications et industries typiques

Le coupage à l’arc plasma est utilisé aussi bien par des systèmes manuels que mécanisés pour la coupe de divers matériaux conducteurs, dont l’acier doux, l’acier au carbone, l’acier inoxydable, l’aluminium, le cuivre, le laiton et d’autres métaux.

Les applications de coupage plasma comprennent :

Coupe chanfreinée au plasma

La coupe chanfreinée au plasma est un procédé de coupe où l’arête n’est pas perpendiculaire au sommet de la pièce. Les pièces et les tuyaux métalliques peuvent être chanfreinés au plasma dans le cadre du procédé de préparation de soudure ou du procédé d’assemblage. Les chanfreins au plasma peuvent être coupés selon différents angles et différentes configurations, selon l’usage auquel le chanfrein est destiné. 

Gougeage au plasma

À l’instar du coupage au plasma, le gougeage au plasma élimine le métal au moyen d’un arc plasma entre la torche et la pièce. Le métal de surface est fondu, et un jet de gaz expulse le métal fondu de la pièce sans le percer ou le sectionner. Cependant, lors du gougeage, des consommables spécialement conçus produisent un arc un peu plus large, la torche est maintenue à un angle oblique et seule une partie du matériau est expulsée. Le gougeage au plasma peut être utilisé pour la réparation de soudures, la préparation de soudures, le retrait de surfaces dures et la réparation d’équipement lourd. Le gougeage au plasma est une solution de rechange viable pour les transformateurs et les fabricants qui souhaitent remplacer le gougeage à l’arc au carbone. 

Coupe de trous au plasma

Depuis son lancement, la technologie True Hole® d’Hypertherm est incontournable pour ceux qui exigent des trous de grande qualité prêts à recevoir des boulons. Autrefois, les opérateurs de machine avaient du mal à obtenir une bonne qualité de trou directement à la table de coupe au plasma, et un perçage était souvent nécessaire comme opération secondaire. La technologie True Hole, un procédé breveté pour l’acier doux qui élimine pratiquement la conicité et améliore la rondeur des trous, produit une qualité de trou de loin supérieure à ce qui était jusque-là possible avec le plasma.

Coupe affleurante au plasma

La coupe affleurante au plasma est généralement utilisée pour retirer des accessoires, des saillies ou des fixations de la surface d’un matériau de base par ailleurs plat, sans couper ni endommager l’ensemble de la surface. La coupe affleurante avec une machine de coupe plasma manuelle est réalisée efficacement à l’aide de consommables spécialisés qui dirigent l’arc plasma à un angle de 45° par rapport à la tête de la torche.

Coupe de caractéristiques fines au plasma

Lors de la coupe de pièces qui présentent des détails très fins ou des formes complexes, il vous faut des procédés en mesure de produire des saignées très fines. La coupe de caractéristiques fines au plasma est rendue possible grâce à la technologie des consommables, aux logiciels et aux commandes d’automatisation qui permettent des mouvements très contrôlés, le contrôle de l’arc plasma et un arc plasma étroit, mais dense, qui produit une saignée minimale. Les consommables FineCut® pour Powermax produisent une saignée plus étroite avec un arc plus rigide qui est idéal pour couper des matériaux plutôt minces (4 mm [3/16 po] et moins) à 40 ampères et moins, ce qui en fait une solution idéale pour le travail des tôles. 

Coupe de chutes et de squelettes au plasma

La coupe et le retrait des restes d’une plaque de métal (le « squelette ») à la suite d’une coupe mécanique sont des activités qui se réalisent habituellement lentement et qui exigent beaucoup de travail. De plus, ces opérations posent de nombreux risques pour la sécurité de l’opérateur, notamment la manipulation de pièces lourdes et encombrantes aux bords tranchants. Presque toutes les opérations de coupage sur des tables CNC au plasma ou à l’oxygaz peuvent tirer avantage du retrait du squelette au plasma. Les avantages de la coupe de squelette au plasma comprennent entres autres : 

• Augmentation de la productivité pouvant atteindre 75 % ou plus (les calculs reposent sur de l’acier doux de 12 mm [½ po] d’épaisseur et sur les données standard de l’industrie).

• Coupage et retrait plus rapides du squelette se traduisant par une augmentation de l’utilisation des tables CNC et une production accrue.

• Réduction du temps consacré à la formation : certification de l’opérateur en 4 heures plutôt qu’en 40 heures pour l’oxygaz.

• Les torches longues Duramax et Duramax Hyamp d’Hypertherm permettent aux opérateurs de se tenir debout à côté de la table plasma dans une position naturelle, ce qui évite les problèmes ergonomiques et minimise les risques d’accident.

En choisissant le plasma plutôt que l’oxygaz, vous rendez le lieu de travail plus sécuritaire en éliminant les bouteilles de gaz dont la manipulation peut être difficile et dangereuse.

Marquage au plasma

Les transformateurs et les fabricants marquent régulièrement le métal pour indiquer des lignes de pliure ou de traçage et ajouter des renseignements techniques précis aux pièces, comme les numéros de référence et les codes à barres. Ce travail est généralement effectué manuellement à l’aide d’un marteau et d’un poinçon, de poudre ou d’encre, de pierre à savon, d’une machine à graver manuelle ou comme une étape de procédé à part entière sur une table de coupe au plasma ou à l’oxygaz. En réduisant l’intensité de courant et en utilisant de l’air comprimé, de l’argon ou du F5 comme gaz plasma, les propriétaires de machines plasma peuvent produire diverses marques en utilisant leur système de coupe existant.  

Industries et marchés du plasma :

Agriculture et élevage

Les applications du plasma pour l’agriculture et l’élevage comprennent :

• Fabrication d’équipement agricole

• Réparation d’équipement agricole

• Réparation de clôtures en métal

Construction navale

Les applications du plasma pour la construction navale comprennent :

• Traitement des plaques lourdes

• Gougeage à l’envers pour la préparation des soudures

• Retrait des plaques à œil à l’aide de la coupe affleurante

Industrie minière

Les applications du plasma pour l’exploitation minière comprennent :

• Fabrication d’équipement lourd

• Réparation d’équipement minier

• Gougeage des surfaces dures

Énergie

Les applications du plasma dans le secteur de l’énergie comprennent :

• Construction et entretien de pipelines

• Réparation et entretien des raffineries

• Fabrication d’équipement pétrolier

• Fabrication de récipients sous pression

CVC et fabrication mécanique

Les applications du plasma pour les secteurs du CVC et de la fabrication mécanique comprennent :

• Transformation des tôles

• Installation et détourage

Centres de distribution d’acier

Les applications du plasma pour les centres de services sidérurgiques comprennent :

• Coupe de plaques épaisses

• Coupe de plaques minces

• Matériaux très variés et applications flexibles

• Applications de productivité SureCut

Équipement de construction

Les applications du plasma pour les équipements de construction comprennent :

• Fabrication de véhicules de construction

• Réparation de véhicules de construction

• Réparation de godets et d’accessoires

• Élimination du cordon de soudure et réparation de soudure

Restauration automobile

Les applications du plasma pour la restauration automobile comprennent :

• Fabrication de pièces sur mesure

• Élimination des points de soudure

• Retrait des boulons

• Applications d’échappement et de soubassement de carrosserie

Œuvres d’art, panneaux et décoration

Les applications du plasma pour les œuvres d’art, les panneaux et la décoration comprennent :

• Petites tables plasma CNC

• Consommables FineCut pour obtenir une saignée plus étroite

Tuyaux et pipelines

Les applications du plasma pour les tuyaux et les pipelines comprennent :

• Réparation et construction de pipelines

• Assemblage

• Chanfreinage de tuyaux

• Coupe de tuyaux

• Brûleurs sur rails

Construction générale

Les applications du plasma pour la construction générale comprennent :

• Construction de bâtiments en acier

• Charpentes en acier

• Retrait des boulons

Ateliers de fabrication générale et ateliers à façon

Les applications du plasma pour les ateliers de fabrication et les ateliers à façon comprennent :

• Capacité de CAO/FAO de ProNest

• Coupe automatisée avec Powermax

• Coupe automatisée grâce à la technologie XPR

• Coupe haute définition