Dans le procédé de refusion à l’arc sous vide, la structure et la dynamique de l’arc électrique conditionnent les distributions spatiales d’énergie et de courant au sommet du lingot refondu. Ces distributions impactent fortement les champs de température et de vitesse du métal liquide, qui gouvernent les conditions de solidification du lingot et donc la qualité finale du produit. Une étude par mesures optiques, de la dynamique de l’arc aux longues échelles de temps lors de refusions industrielles d’alliages de titane a été entreprise. Cette analyse a été effectuée par une méthode qualitative, à l’aide d’enregistrements vidéo, et par une nouvelle méthode de diagnostic quantitative développée spécifiquement dans ce travail, à base de photodiodes. L’analyse de la dynamique de l’arc confirme la présence d’un mouvement d’ensemble de l’arc électrique lors de refusions d’alliages de titane et montre une forte corrélation entre la dynamique observée et l’intensité du brassage électromagnétique imposé. Nos résultats ont de plus permis de prédire la dynamique probable de l’arc dans des conditions non étudiées et de proposer de possibles origines à la dynamique observée. Enfin, une première approche de modélisation de cette dynamique dans le logiciel de simulation RAVEL est proposée afin d’étudier son impact sur la solidification du lingot. Ce travail présente également une modélisation détaillée des rayonnements thermiques émis au sommet du lingot, basée sur la méthode des radiosités / In the vacuum arc remelting process, the structure and dynamics of the electric arc are responsible for the spatial distributions of energy and current at the top of the remelted ingot. Those distributions strongly impact the ingot temperature field and the liquid metal velocity field, which govern the ingot solidification conditions, hence the final product quality. A study based on the optical measurement of the electric arc dynamics at a long time-scale during vacuum arc remelting of titanium alloys was undertaken. This analysis was performed either qualitatively using melt video recordings, or quantitatively by a new specifically developed diagnostic technique based on the use of photodiodes. The analysis of the electric arc dynamics confirmed the presence of an ensemble arc motion during vacuum arc remelting of titanium alloys and showed a strong correlation between the observed dynamics and the magnitude of the imposed electromagnetic stirring. Furthermore, our results allow to predict the arc dynamics in non-studied conditions and to propose possible origins for the observed behaviors. Finally, a first simulation of the influence of the arc behavior is proposed in order to study its impact on the ingot solidification. This work comprises also a detailed modelling of the thermal radiation at the ingot top, based on the radiosity method

Les arcs électriques de défaut se produisant entre deux câbles endommagés peuvent donner lieu à un phénomène appelé " arc tracking ", qui se caractérise par le maintien et la propagation de cet arc le long des câbles, entraînant leur ablation progressive. Dans un réseau aéronautique, un tel défaut peut avoir de graves conséquences lorsqu'il apparaît au sein d'un toron de câbles, d'autant plus qu'il est susceptible de se transférer à une structure avoisinante. Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude de ce phénomène. Il est constitué d'une alimentation conçue selon des spécifications propres au domaine aéronautique, permettant de générer un signal continu ou alternatif pendant une durée réglable. Afin de se rapprocher des conditions de vol (pression réduite à haute altitude), les essais sont effectués au sein d'une enceinte fermée, soit à 1 bar, soit à 95 mbar. Trois types de câbles sont testés, un en aluminium et deux en cuivre. En régime continu, ils sont reliés au + et au - de l'alimentation, et à deux phases en régime alternatif. Une plaque en aluminium, représentant la structure de l'avion et connectée au neutre du générateur en régime alternatif, est placée en regard de la partie dénudée des câbles, là où se produit l'arc, permettant un éventuel transfert de l'arc depuis les câbles vers cette plaque. Chaque test s'accompagne de l'acquisition systématique des signaux de courant et de tension, et deux capteurs de flux radiatif sont positionnés autour de l'arc. Une caméra rapide permet la visualisation du comportement de l'arc au cours de l'essai. Enfin, les échantillons de câbles sont pesés avant et après chaque test. Un bilan de puissance est réalisé pour les différentes configurations testées (courant, pression, câbles), afin d'estimer la répartition de la puissance totale entre les électrodes (fusion et vaporisation des câbles, conduction, rayonnement) et la colonne de plasma (rayonnement, conduction, convection). La part transférée aux électrodes est estimée au moyen de la valeur de la chute de tension aux électrodes et du courant. Une partie de cette puissance aux électrodes est à l'origine de la fusion et de la vaporisation des câbles (le matériau isolant comme le métal). Celle-ci est estimée grâce à un calcul thermodynamique à partir de la masse de câble ablatée, en considérant que la totalité a été fondue et que 1% a été vaporisé. La puissance transmise à la colonne d'arc est en partie rayonnée, mais le spectre de longueurs d'onde inférieures à 200 nm est absorbé dès les premiers microns d'air, et une estimation est effectuée à partir du calcul coefficient d'émission nette. Une partie importante de l'étude a porté sur le transfert de l'arc à la plaque en aluminium, en fonction de la distance entre les câbles et cette plaque et selon un critère de température en face arrière, mesurée par thermographie infrarouge. Il a ainsi été montré qu'à pression réduite l'arc est beaucoup plus diffus, et a tendance à s'accrocher à la plaque en aluminium à des distances environ deux fois plus grandes qu'à pression atmosphérique. Cependant, la puissance totale disponible étant inférieure d'environ 20%, les dégâts à la plaque en aluminium sont moins importants. / Fault electric arcs occurring between two damaged wires may lead to a phenomenon called "arc tracking", which consists in a maintaining and propagating arc along the cables, causing their progressive ablation. In an aeronautical network, such a fault may have serious consequences if it happens within a wiring harness, especially as it is likely to transfer to a nearby structure. An experimental setup has been developed to study this phenomenon. It consists of a power supply designed in accordance with aeronautical specifications, which enables to generate a direct or alternating signal during an adjustable time. In order to reproduce flight conditions in a better way (low pressure at high altitude), tests are carried out within a closed chamber, whether at 1 bar pressure, or at 95 mbar pressure. Three types of cables are tested, one mainly made of aluminium and two mainly made of copper. In direct regime, they are connected to the + and the - poles of the generator, and to two phases in alternating regime. An aluminium plate, representing the aircraft structure and connected to the neutral in alternating regime, is placed in front of the stripped part of the cables, where the arc occurs, enabling a potential transfer of the arc from the cables toward the plate. Every test involves a systematic acquisition of the current and voltage signals, and two radiative flux sensors are positioned around the arc. A fast camera enables a viewing of the arc behaviour during the test. Finally, the sample is weighed before and after each test. A power balance is realised for the various tested configurations (current, pressure, cables), in order to estimate the distribution of the total power between the electrodes (fusion and vaporisation of the cables, but also conduction and radiation) and the plasma column (radiation, conduction, convection). The amount of power that is transferred to the electrodes is estimated with the value of the electrode voltage drop and the current. Part of this power makes the cables melt and vaporise (the insulating material as well as the metal), it is estimated with a thermodynamic calculation based on the ablated mass of cable, considering that the whole has been molten, and 1% vaporised. The amount of power transmitted to the arc column is partly radiated, but the wavelength spectrum emitted below 200 nm is absorbed through the very first microns in air, and estimation is made involving the calculation of the net emission coefficient. A significant part of the study was related to the transfer of the arc toward the aluminium plate, as a function of the distance between the cables and that plate, and according to a temperature criterion at the back side, by means of infrared thermography. Thus, it was shown that at low pressure, the arc is much less localised, and tends to transfer to the aluminium plate at distances around twice bigger than at atmospheric pressure. However, the total available power is around 20% smaller, and the damage caused to the aluminium plate is less severe.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. / Arc plasma torches are widely used in industrial applications. A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.

La sûreté de fonctionnement des batteries est un point clé pour la croissance de ce marché et le déploiement de solutions hybrides afin de réduire la consommation d’énergie. L’électrification croissante de ces systèmes ne fait qu’aggraver l’augmentation de l’occurrence de ce problème qui bien que connu depuis longtemps dans le domaine des applications DC ne fait l’objet de recherches intensives que depuis peu comme en témoigne le développement récent des premiers détecteurs d’arc pour l’aviation. L’arc dans les batteries représente aujourd’hui un risque potentiel pour l’intégrité du matériel et des personnes du fait de l’utilisation des batteries au sein d’applications industrielles de fortes puissances. Afin de caractériser ce risque et d’en évaluer la dangerosité, plusieurs bancs d’essais sont réalisés au niveau élément et système afin de reproduire le phénomène d’arc électrique. Les essais réalisés permettent d’extraire les caractéristiques intrinsèques de l’arc. En complément de cette caractérisation, un modèle d’arc permettant d’évaluer les paramètres et d’améliorer la compréhension de ce phénomène est réalisé. Des solutions de limitation, voire de suppression de l’arc issues de cette étude sont proposées. Parmi ces nombreuses solutions, l’utilisation de capteurs optiques, les méthodes numériques pour le traitement des signaux issus de l’arc, la modification de l’architecture batterie ainsi que l’augmentation du niveau de tension lors de l’amorçage de l’arc ouvrent la voie à la conception de systèmes de batteries innovants et plus sûrs en termes de fiabilité, sécurité et de robustesse. Les nombreuses perspectives de recherches proposées permettront également d’améliorer la couverture de ce risque. / The operational security of batteries is a key element in the growth of this market and the deployment of hybrid solutions to reduce energy consumption.The increasing electrification of these systems can only exacerbate the occurrence ratio increase of this problem. Although known for a number of years in the field of DC applications, electric arcs are the subject of intensive research for a short time as shown by the recent development of the first arc sensors for aviation. Electric arcs in batteries currently represent a potential risk to the integrity of the equipment and people because of the use of these batteries in industrial high power applications. To characterize this risk and assess its dangerousness, several test benches were designed at the cell and system level to reproduce the electric arc phenomenon. The tests carried out allow extracting the intrinsic characteristics of the arc. In addition to this characterization, an arc model to evaluate the parameters and improve the understanding of this phenomenon is realized. Limiting mitigation solutions or suppression of the arc resulting from this study are proposed. Among the many solutions, the use of optical sensors, the numerical methods for digital signal processing from the arc, the modification of the architecture as well as the increase of the arc ignition voltage pave the way for the design of innovative and safer batteries systems in terms of reliability, security and robustness. The numerous proposed research perspectives will also improve the coverage of this risk.

Un modèle numérique d’un arc électrique diffus dans un disjoncteur à vide à champ magnétique axial (AMF) a été développé dans le but de mieux comprendre à terme la transition d’un mode de fonctionnement diffus de l’arc vers un mode plus concentré. Le comportement du plasma d’arc a été simulé depuis la sortie de la zone de mélange cathodique jusqu’à l’entrée de la gaine anodique. Le modèle bidimensionnel est basé sur un système d’équations hydrodynamiques à deux fluides non magnétisés (ions et électrons), incluant les équations de conservation d’énergie ionique et électronique. Il est démontré que les processus d’ionisation et de recombinaison et les effets visqueux sont négligeables. Les transferts radiatifs ne sont pas considérés en première approximation. Outre les forces dues au champ AMF, le modèle inclut les forces dues aux trois composantes du champ magnétique induit par l’arc. Deux régimes d’écoulement des ions, supersonique (aux faibles densités de courant) et subsonique (aux fortes densités de courant), sont considérés. Près de la cathode, les conditions aux limites sont spécifiées à partir de résultats de la littérature. A proximité de l’anode, elles sont basées sur une description simplifiée de la gaine anodique. Les résultats de simulation présentés mettent en évidence une constriction du courant et un comportement différent des ions aux faibles et aux fortes densités de courant, et renseignent sur l’influence de divers paramètres (intensité du courant, distance interélectrode). Ce travail présente également une étude expérimentale, basée sur des visualisations par vidéo rapide de l’arc et des mesures pyrométriques de la température de la surface de l’anode / A model of a diffuse arc in a vacuum circuit breaker with an axial magnetic field (AMF) has been developed with the ultimate aim to better understand the transition of the arc from a diffuse mode to a more confined mode. The interelectrode plasma is simulated from the exit of the mixing region on the cathode side to the entrance of the anode sheath. The two-dimensional model is based on the solution of a system of two-fluid (ions and electrons) hydrodynamic equations, including in particular the energy balance equations relative to both the ions and the electrons, which are treated as non-magnetized particles. It is demonstrated that ionisation and recombination processes, as well as viscous effects, can be neglected. Radiation losses are not taken into account in a first approximation. In addition to the forces due to the AMF, the model considers the forces created by the three components of the magnetic field induced by the arc current. The possibility of both supersonic (at low current density) and subsonic (at high current density) ionic flow regimes is considered. On the cathode side, the boundary conditions are specified using results from the literature. On the anode side, they are based on a simplified description of the anode sheath. The simulation results presented show a constriction of the current lines, emphasize the differences in the behaviour of the ions at low and high current densities, and provide some insight on the influence of various operating parameters (arc current, gap length). The present work comprises also an experimental study, based on high-speed camera visualisations of the arc and measurements of the temperature at the anode surface

L’apparition accidentelle d’un arc électrique dans le système de distribution électrique d’un aéronef peut compromettre la sécurité du vol. Il existe peu de travaux liés à cette problématique.Le but de ce travail est donc d’étudier le comportement d’un arc électrique, en conditions aéronautiques,par des approches théorique, numérique, et expérimentale. Dans ce travail, un modèle MHD de la colonne d’arc à l’ETL a été utilisé, et résolu à l’aide du logiciel commercial comsolMultiphysics. Afin de décrire l’interaction plasma-électrodes, le modèle a dû étendu pour inclure les écarts à l’équilibre près des électrodes. Ces zones ont été prises en compte en considérant la conservation du courant et de l’énergie dans la zone hors-équilibre. L’approche choisie et le développement du modèle ont été détaillés. La validation du modèle dans le cas d’un arc libre a montré un excellent accord avec les résultats numériques et expérimentaux de la littérature.Ce modèle d’arc libre a été étendu au cas de l’arc se propageant entre des électrodes en configuration rails et en géométrie 3D. Une description auto-cohérente du déplacement de l’arc entre les électrodes a été réalisée. La simulation numérique a été faite pour des arcs en régimes DC, pulsé et AC à des pressions atmosphériques et inférieures. Les principales caractéristiques de l’arc ont été analysées et discutées. Les résultats obtenus ont été comparés avec les résultats expérimentaux et ont montré un bon accord.Ce modèle d’arc électrique est capable de prédire le comportement d’un arc de défaut dans des conditions aéronautiques. Des améliorations du modèle sont discutées comme perspectives de ce travail. / The ignition of an electric arc in the electric distribution system of an aircraft can be a serious problem for flight safety. The amount of information on this topic is limited, however. Therefore,the aim of this work is to investigate the electric arc behavior by means of experiment and numerical simulations.The MHD model of the LTE arc column was used and resolved numerically using the commercial software comsol Multiphysics. In order to describe plasma-electride interaction, the model had to be extended to include non-equilibrium effects near the electrodes. These zones were taken into account by means of current and energy conservation in the non-equilibrium layer. The correct matching conditions were developed and are described in the work. Validation of the model in the case of a free burning arc showed excellent agreement between comprehensive models and the experiment.This model was then extended to the case of the electric arc between rail electrodes in a 3D geometry. Due to electromagnetic forces the electric arc displaces along the electrodes. A self-consistent description of this phenomenon was established. The calculation was performed for DC, pulsed and AC current conditions at atmospheric and lower pressures. The main characteristics of the arc were analyzed and discussed. The results obtained were compared with the experimental measurements and showed good agreement.The model of electric arcs between busbar electrodes is able to predict the behavior of a fault arc in aeronautical conditions. Further improvements of the model are discussed as an outlook of the research.

La machine à collecteur mécanique reste, dans de nombreuses applications, une alternative crédible par rapport aux autres types de moteurs électriques. Dans le domaine automobile, ce sont les coûts de fabrication et surtout la fiabilité dû à l'absence d'électronique de puissance qui rendent cette solution si intéressante. Cela est également son point faible : l'absence de dispositif de régulation fragilise l'électronique de bord en cas d'appel de courant trop important au démarrage. L'usure du système balai-collecteur est également un point clé pour un démarreur d'autant plus que, pour assurer un fonctionnement « Stop-Start » en plus du fonctionnement traditionnel, le nouveau cahier des charges impose jusqu'à 450 000 cycles de démarrage (contre 30 000 auparavant). Ceci justifie la recherche actuelle sur ces dispositifs. En effet, une partie importante de cette thèse traite de la modélisation et de la mesure de la commutation dans le démarreur pour mieux évaluer les phénomènes qui y interagissent. L'arc électrique en fin de commutation joue un rôle important dans l'usure du système balais-collecteur. Une meilleure connaissance des facteurs influents permet, par la suite, de concevoir des appareils plus robustes. Dans une deuxième partie de la thèse, on s'intéresse au dimensionnement optimal d'un démarreur. Après avoir passé en revue les différentes méthodes d'optimisation pour traiter un tel problème et avoir sélectionné les plus adaptées, on traite un cas pratique de dimensionnement optimal. Cette problématique est fondamentale pour Valeo au vue des quantités d'appareils fabriqués et des futurs marchés offerts par le développement du « micro-hybride » qui se généralise / Nowadays, brushed DC motors are still used in many applications. In automotive industry, manufacturing cost and reliability are the two most important key indicators. That's why DC motors are preferred to others solutions requiring power electronics supply. But, there are also some drawbacks ; when the inrush current occurs (when the power-contact is switched on) the DC voltage of the battery decrease and can damage electronic components of the car. The wear of the brush-segments system is also a key issue for the life time of the starter. The new specifications for a « Stop-Start » starter use lead to a significant increase of the number of re-start cycles to be done by the device. We consider that a car achieve more than 450000 stop-and-start cycles during its lifetime whereas this number is only 30000 for the standard vehicles. These specifications justify the research work lead by Valeo on such device. An important part of the thesis concerns the modeling and the measurement of the commutation phenomena. The electric arc occurring at the brush trailing edges (when the physical contact ends) causes the wear of the brush-commutator system. A better knowledge of influent factors can lead to more robust device development. In a second part, we study the optimal design of a car starter regarding specifications. After a review of different optimization methods for dealing with such a problem, we select the most relevant ones and solve different practical problem around the starter. This issue is very important regarding the quantities of device manufactured and the market of micro-hybrid which is growing up very fast

Dans ce travail, nous proposons une approche essentiellement expérimentale. Dans une première partie, nous exposons les résultats obtenus par imagerie rapide et mesures électriques corrélées dans le temps, concernant l’étude de la transition entre des électrodes de cuivre dans l’air et l’argon, et entre des électrodes de tungstène dans l’argon pour des pressions comprises entre 100 mbar et 1 bar. Dans aucun cas une transition à l’arc n’est observée sans constriction quasi-totale de la colonne positive. Dans le cas d’électrodes en tungstène dans l’argon, la vitesse d’extension de la zone filamentaire depuis l’anode vers la cathode a été vue dépendante de la pression et de l’intensité. La durée d’une transition spontanée a été linéairement corrélée à la distance inter-électrode, suggérant un mécanisme propagatif à vitesse constante dans la colonne. Plus la pression est élevée, plus la durée totale des transitions est longue ; par ailleurs, à pression constante, cette durée de transition spontanée décroît à intensité croissante, pour tendre vers une durée limite, correspondant à la durée constante de changement de structure de la zone cathodique. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l’échauffement de surfaces d’anodes et de cathodes en cuivre dans l’air et dans l’argon soumises à des arcs électrique pour plusieurs gammes de courant (de 30 à 120 A). Deux méthodes de mesures sont utilisées. Enfin, nous utilisons les mesures de températures de surface pour proposer deux modèles simples de bilan de puissance à la surface des électrodes (flux de chaleur). L’un considère uniquement le chauffage dû au spot d’arc et l’autre le chauffage supplémentaire de la colonne d’arc. / In this work, an approach which is essentially experimental is proposed. In the first part, results are presented which were obtained by synchronized fast camera imaging and electrical measurements. These concern the study of the transition between copper electrodes in air and in argon, and between tungsten electrodes in argon for gas pressure in the range 100 mbar – 1 bar. In no case was the transition to arc been observed without the quasi-total constriction of the positive column. Considering tungsten electrodes in argon, the propagation speed of the filamentary part of the positive column from the anode to the cathode was found to be dependent on the gas pressure and the discharge current intensity. During spontaneous transition, the transition duration has been linearly correlated to the electrode gap, suggesting a propagative mechanism with a constant speed. The higher the pressure, the longer is the total transition duration. For a constant pressure and discharge current, the duration of spontaneous transition decreases with decreasing gap distance toward a limiting value, which corresponds to the constant duration of the structural change of the cathode root from diffuse to spot. In the second part, heating of copper anodes and copper cathodes submitted to electric arcs in air and in argon and for various current intensity values (from 30A to 120 A) is considered. Two measurement methods are used. Finally, the surface temperature measurements are used to purpose two models of the electrode surface power balance (heat flux). One model only considers the heating due to the arc spot and the second one considers a supplementary heating from the arc column.

Ce travail comprend deux parties essentielles: une partie théorique et une partie expérimentale. La partie théorique est consacrée à la mise au point d'un formalisme numérique (méthode de Newton-Raphson) en utilisant tes lois d'équilibre de la thermodynamique pour le calcul de la composition et les propriétés thermodynamiques des plasmas thermiques. Ce calcul a été appliqué pour différentes valeurs de pourcentages de CO2 afin de mettre en évidence l'influence de cette molécule sur les propriétés thermodynamiques du plasma du mélange Ar-CO2, à la pression atmosphérique.<br />La partie expérimentale constitue la partie principale et essentielle de ce travail. Nous avons mis au point la chambre à arc stabilisé par parois (type Maecker modifié) afin de disposer d'un arc stable dans le temps. Les méthodes de diagnostic du plasma sont basées sur la spectroscopie d'émission. Deux méthodes d'interpolation (polynôme, spline) pour le lissage des points expérimentaux sont comparées. Les profils de températures d'excitation sont détermines à partir des raies atomiques (argon, carbone, oxygène) et les profils de température de rotation à partir des spectres moléculaires observés, système de Swan C2(0,0) et système violet de CN(0,0).<br />Les principaux résultats expérimentaux obtenus montrent que :<br /><br />-la composition locale du plasma n'est pas celte injectée,<br /><br />- la température augmente en fonction du courant,<br /><br />-le gradient de température diminue quand le courant augmente,<br /><br />-les formes des profils des températures d'excitation sont modifiées pour le plasma du mélange Ar-CO2<br /><br />-le gradient de température diminue quand on augmente te pourcentage de CO2,<br /><br />- la formation d'un noyau à température élevée sur l'axe de la décharge et d'un début de palier entre 7 000k et 8 500 K,<br /><br />- les températures de rotations sont vraisemblablement celtes de la périphérie.

Le soudage à électrode réfractaire, plus souvent appelé TIG (Tungsten Inert Gas), est un procédé dans lequel un arc électrique est généré entre une électrode en tungstène et les pièces à souder sous un flux gazeux inerte. Le transfert d'énergie entre l'arc et l'anode donne naissance à un bain métallique et à la production de vapeurs. La qualité des soudures obtenues est directement liée au comportement du plasma et aux phénomènes physiques présents dans le bain métallique (effets Marangoni, force de traînée, gravité, forces de Laplace, conduction thermique...). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en place des méthodes de diagnostic permettant une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans le transfert d'énergie lors de l'interaction arc-matériau sur une configuration de soudage TIG. Il s'agit également d'évaluer et d'analyser l'influence de certains paramètres opératoires impliqués dans le procédé (nature du gaz, intensité du courant, longueur de l'arc...) sur ces mécanismes. Plusieurs axes de recherche ont été dégagés : - l'étude de la colonne plasma pour estimer sa température selon les paramètres opératoires utilisés ; - l'étude de l'interface arc-liquide pour la compréhension des phénomènes de brassage et d'écoulement dans le liquide ainsi que l'influence des vapeurs métalliques issues de l'érosion du matériau sur le plasma ; - l'étude du matériau après son interaction avec l'arc pour faire le lien entre le brassage dans le bain durant le procédé et les caractéristiques de la zone fondue observée après solidification. L'équipe Arc Électrique et Procédés Plasmas Thermiques (AEPPT) du laboratoire LAPLACE s'intéresse à ces phénomènes d'interaction arc-matériau par le biais de la modélisation et de l'expérience. Un modèle 3D a été récemment développé au sein de notre équipe sur cette thématique. La caractérisation expérimentale du procédé devrait permettre également d'apporter des éléments de validation aux modèles déjà existants. / TIG (Tungsten Inert Gas) welding process is achieved by the creation of an electric arc between a tungsten cathode and a piece of metal. This process uses a shielding gas as argon, helium or mixtures at atmospheric pressure. The heat transfer between the arc and the work piece leads to a metallic weld pool and metallic vapours production. Weld quality is related to the plasma behavior and the molten zone motion (Marangoni force, Laplace force, drag force and gravity...).during the process. The aim of this work is to develop diagnostic methods leading to a better understanding of mechanisms involved in heat transfer in TIG welding. The aim is also to evaluate the influence of different experimental conditions (gaz nature, current intensity, arc length...) on theses mechanisms. Several lines of research were defined: - the study of the plasma temperature under different experimental conditions; - the study of the arc-liquid interface to understand the weld pool flow behavior and the impact of metallic vapor on the arc plasma ; - the study of the work piece after interaction to determine the dimension of the melted zone and link it to the flow behavior during the process. Arc-material interaction phenomena can be studied through modeling and experience. A 3D model has recently been designed in our team. The experimental characterization of the process developed in this work should provide a set of data to validate it.