Le soudage à l’arc avec fil fusible est un procédé très utilisé, mais la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement comporte toujours quelques interrogations compte tenu de sa complexité. La composition du gaz de protection a une très forte influence sur le procédé : l’ajout de gaz actif modifie, par exemple, le courant nécessaire à la transition entre les différents régimes et est responsable de l’apparition d’oxyde de fer (gangue) à l’extrémité du fil fusible. Pour mener à bien l’étude du soudage MIG-MAG sous mélanges Ar-CO₂-O₂, plusieurs études sont réalisées pour caractériser et mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques qui gouvernent le soudage MIG-MAG afin d’optimiser à terme le procédé. Un diagnostic spectroscopique, avec la mise en place d’un système d’acquisition composé de deux spectromètres qui permet d’enregistrer simultanément les raies spectrales de fer et d’argon, permet d’évaluer les distributions radiales de température et densité électronique dans la colonne de plasma. Une étude par cinématographie rapide est également menée pour tenter d’évaluer la formation et l’écoulement de la couche d’oxyde apparaissant en régime globulaire à la surface de l’anode fusible. Et enfin, des analyses micrographiques des électrodes sont réalisées pour étudier l’influence des modifications chimiques et structurales sur le comportement général du procédé pour différents types de paramètres utilisés. Les conséquences d’un changement de gaz de protection sont également appréhendées : Ar-CO₂, Ar-O₂ et Ar-CO₂-O₂. Il s’avère que la température électronique de l’arc évolue en présence d’oxygène dans le gaz de protection et que la modification du gaz actif modifie le type d’oxyde de fer formé. / The arc welding with consumable wire is a process widely used, but understanding the mechanisms governing its operation still has some questions given its complexity. The composition of the shielding gas has a very strong influence on the process: the addition of active gas changes, for example, the current necessary for the transition between the different metal transfers and is responsible for the appearance of an iron oxide (gangue) at the end of the consumable wire. To carry out the study of MIG-MAG welding under mixtures Ar-CO₂-O₂, several studies are performed to characterize and understand the physical and chemical phenomena that govern the MIG-MAG welding to optimize the process. A spectroscopic diagnosis, with the establishment of an acquisition system consisting of two spectrometers to record simultaneously the iron and argon spectral lines, allows to estimate the radial distributions of temperature and electron density in the plasma column. A study by rapid cinematography is also conducted to try to estimate the formation and flow of the iron oxide layer appearing in globular regime on the surface of the anode consumable. And finally, micrographic analyzes of the electrodes are made to study the influence of chemical and structural changes on the general behavior of the process for different types of parameters used. The consequences of a shielding gas change are also apprehended: Ar-CO₂, Ar-O₂ and Ar-CO₂-O₂. It turns out that the electron temperature of the arc changes in the presence of oxygen in the shielding gas and the change of the active gas modifies the type of iron oxide formed.

Les plasmas induits par laser (PIL) ont depuis leurs apparitions dans les années soixante suscité un très grand intérêt notamment comme source de données spectroscopiques. Ils ont également acquis des nombreuses applications, comme sources des rayons X pour la lithographie, l’allumage plasma, la déposition par laser pulsé, ou sont devenues la base d’une technique d’analyse très populaire – la LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). Cette dernière peut s’appliquer in situe à tout type d’échantillon et sans préparation. Toutefois, les mesures faites par cette méthode sont latéralement intégrées nécessitant des techniques d’inversion, mais dépendent également des conditions d’équilibre thermodynamiques local (ETL) dans le plasma. Afin de valider les mesures effectuées par LIBS, la diffusion Thomson qui est une méthode spatialement résolue et indépendante des hypothèses d’équilibre thermodynamique a été appliquée pour caractériser les PIL. Des plasmas d’ablation et de claquage ont donc été caractérisés à la fois par spectroscopie d’émission et par diffusion Thomson. La comparaison des paramètres température et densité électronique obtenues par les deux méthodes d’une part, et le critère de McWhirter ainsi que les temps de relaxation et les longueurs de diffusions des espèces contenues dans le plasma d’autre part, ont permis de statuer sur l’ETL. / Laser induced plasma (LIP) which was first reported in the beginning of sixties, has achieved a great interest as a source of spectroscopic data. It has also many applications like X-ray sources for lithography, plasma igniters, pulsed laser deposition or it has become a basis of a very popular analytical technique – LIBS (laser induced breakdown spectroscopy). The latter is mainly due to its applicability to different kinds of samples, no sample preparation or in-situ and remote sensing capability. However, LIBS measurements are laterally integrated and Abel inversion must be performed. Also the method assumes the plasma to be in local thermodynamic equilibrium (LTE). In order to validate LIBS measurements, Thomson scattering (TS) method which is spatially resolved and free from equilibrium assumption was applied. Thus, ablation and breakdown plasmas were characterized by both two methods. Comparison between plasma parameters (temperature and electron density) obtained by the two methods and McWhirter criterion as well as relaxation times and diffusion lengths of species in the plasma allowed to estimate LTE.

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Le présent mémoire de maîtrise est consacré à une étude spectroscopique de la température du gaz dans les plasmas hors équilibre thermodynamique d’argon à la pression atmosphérique. Nous avons notamment pu extraire, à l’aide de mesures par spectroscopie optique d’émission de structures rotationnelles des systèmes OH (A2Σ+- X2Πi) et N2+ (B2Σu+- X2Σg+), la température rotationnelle d’un plasma radiofréquence en régime capacitif et d’un plasma micro-onde produit par une onde électromagnétique de surface. En comparant ces mesures à celles obtenues par l’analyse de l’élargissement des raies 2p2-1s2 et 2p3-1s2 de l’argon avec un spectromètre à très haute résolution spectrale, nous avons pu démontrer que l’équilibre rotation-translation (Trot=Tg) n’est jamais atteint dans les configurations de plasmas étudiées. Cet écart entre les deux températures est attribué à l’influence des électrons, en compétition avec les atomes neutres, imposant leurs propres températures sur la distribution des niveaux rotationnels. De plus, l’effet du flux de gaz et de l’ajout de CO2 sur le chauffage du gaz a été étudié dans un plasma micro-onde d’argon à la pression atmosphérique. Nous avons noté des changements importants dans les profils axiaux de Tg en amont et en aval de l’excitateur à onde de surface selon les conditions opératoires. Pour séparer les facteurs gouvernant le chauffage du gaz à ceux associés au dépôt de puissance par l’onde électromagnétique, nous avons normalisé nos valeurs de Tg aux intensités des émissions de l’argon liées aux transitions 2p-1s entre 700 et 900 nm. Pour des temps de résidence dans le plasma d’argon suffisamment longs (et donc de faibles débits de gaz), les valeurs de Tg normalisées montrent un comportement assez constant, ce qui indique que le chauffage s’effectue principalement de manière locale. Au contraire, pour des temps plus longs (et donc des débits de gaz plus importants), les valeurs de Tg normalisées augmentent le long de la colonne à plasma, ce qui révèle que les phénomènes de transport commencent à jouer un rôle important. On note aussi un changement de comportement à plus hauts débits de gaz dû au passage d’un régime d’écoulement laminaire à un régime turbulent. En présence de CO2, dû aux mécanismes de chauffage additionnels, les valeurs de Tg normalisées sont systématiquement plus élevées. / The present master thesis is devoted to a spectroscopic study of the gas temperature in non-thermodynamic equilibrium argon plasmas at atmospheric pressure. In particular, we were able to extract, by means of optical emission spectroscopy measurements of rotational structures of the systems OH (A2Σ+- X2Πi) and N2+ (B2Σu+- X2Σg+), the rotational temperature of a radiofrequency plasma in capacitive mode and of a microwave plasma produced by an electromagnetic surface wave. By comparing these measurements with those obtained by the analysis of line broadening from 2p2-1s2 et 2p3-1s2 of argon with an ultrahigh spectral resolution spectrometer, we were able to demonstrate that the rotational-translational equilibrium (Trot=Tg) is never achieved in the plasma configurations studied. The departure from both temperatures is ascribed to the influence of electrons competing with neutrals to impose their own temperature on the distribution of rotational levels. In addition, the effect of gas flow and addition of CO2 admixtures on the gas heating has been studied in a microwave argon plasma at atmospheric pressure. We noted significant changes in the axial profiles of Tg on the upstream and downstream plasma column according to operating conditions. To separate the factors governing the heating of gas from those associated with the deposition of power by the electromagnetic wave, we have normalized our Tg values to the intensities of the argon emissions linked to the transitions 2p-1s between 700 and 900 nm. For long enough gas residence times in the argon plasma (and therefore low gas flow rates), normalized Tg values show a fairly constant behaviour, which indicates that the heating takes place mainly locally. On the contrary, for longer times (and therefore higher gas flow rates), normalized Tg values increases along the plasma column, which reveals that transport phenomena are starting to play an important role. There is also a change in behaviour at higher gas flow rates due to the change from a laminar flow regime to a turbulent regime. In the presence of CO2 admixtures, due to additional heating mechanisms, normalized Tg values are consistently higher.