Les plasmas de type MIG-MAG n'étaient pas, jusqu'à présent, examinés en détail et exploités en laboratoire. En raison des applications techniques de ce type d'arc électrique, la plupart des expériences et des calculs théoriques se limitaient à l'étude des processus provenant des régions des électrodes. Des l'année 1948, au cours de laquelle les premiers brevets ont été déposés pour des arcs sous argon, les procédés de soudage MIG-MAG ont été exploités avec succès comme une des plus populaires méthodes d'assemblage de métaux. Et pourtant, malgré plus de cinquante ans d'histoire et de développement de cette méthode, la plupart des phénomènes fondamentaux qui y prennent naissance, n'ont pas trouvé d'explications. En 1953 Lubawski et Nowosilow ont présenté, pour la première fois, un arc avec une électrode fusible fonctionnant sous protection de dioxyde de carbone. On peut admettre, que à partir de ce moment, on a cherché à savoir de quelle manière le type du gaz appliqué influait sur le transfert du métal dans l'arc. En particulier, il s'agissait de déterminer comment des différences de propriétés physiques du plasma pouvaient intervenir sur les procédés intervenants dans la région de l'électrode supérieure, et pourquoi dans les mélanges gazeux riches en dioxyde de carbone on ne pouvait pas obtenir un régime de fonctionnement d'arc de type pulvérisation axiale ? Malheureusement, toutes les tentatives pour répondre à ces questions, par exemple un postulat selon lequel une modification de la distribution du courant dans l'extrémité d'électrode provoquerait une constriction de l'arc et une inversion de la force de Lorentz [83], restent toujours et uniquement seulement des hypothèses. Les travaux présentés dans cette thèse avaient pour but de comprendre l'influence du gaz utilisé sur le transfert du métal dans l'arc, et plus spécifiquement pourquoi une augmentation de la proportion de dioxyde de carbone dans le mélange gazeux provoquait un changement de son régime de fonctionnement. Les mesures réalisées ont toutes été financées par Air Liquide Welding, dans le but d'améliorer le procédé. Un motif supplémentaire de mener des recherches sur l'arc MIG-MAG, est la quasi-absence de données expérimentales concernant les distributions de température et de densité électronique dans ce type de plasma. Les données disponibles dans la littérature sont généralement le fruit de simulation numériques sans réelle validation expérimentale. Ainsi, par exemple, les valeurs de température présentées par Haidar semblent trop élevées pour un plasma dominé par les vapeurs métalliques. Le caractère particulier de l'arc de soudage, dont le spectre d'émission consiste en de nombreuses raies spectrales fortement élargies par effet Stark, a également permis de mesurer, parfois pour la première fois, les paramètres Stark des raies d'éléments métalliques. Une telle possibilité est très intéressante, car pour déterminer les élargissement et déplacement Stark de raies métalliques, il est nécessaire d'introduire les vapeurs de ce métal dans la région de décharge. En général, dans le cas des plasmas utilisés en laboratoire, cela n'est pas simple et induit de gros problèmes de demixing difficiles à résoudre, comme le montre la relativement faible quantité de données expérimentales disponibles jusqu'à présent. Ce sont pourtant des données essentielles pour la connaissance des milieux plasmagènes, notamment ceux étudiés en astrophysique.

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.

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.