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Wang, Fei. Study of radiative properties: application to fast determination of temperature and iron concentration for MAG-P Arc (Ar-CO2-Fe mixtures) and to estimation of photobiological hazards for argon GTAW Arc

Wang, Fei (2018). Study of radiative properties: application to fast determination of temperature and iron concentration for MAG-P Arc (Ar-CO2-Fe mixtures) and to estimation of photobiological hazards for argon GTAW Arc.

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Résumé en francais

La première partie de ce travail présente une nouvelle méthode qui permet de détermination rapidement de la température et de la concentration en fer d'un plasma d'arc MAG utilisé dans la technologie de soudage par plasma. Le plasma est un mélange [Ar-CO2] en présence de fer, avec un rapport molaire entre Ar et CO2 constant de 82%-18%. La seconde partie s'intéresse au rayonnement d'un plasma d'argon utilisé dans la technologie soudage GTAW et pouvant conduire à des dangers photobiologique. Dans le chapitre 1, le contexte et la motivation de ce travail sont présentés. Les travaux déjà effectués et publiés dans ces deux axes scientifiques sont passés en revue. Dans le chapitre 2, les compositions à l'équilibre sont calculées par la méthode de la minimisation de l'énergie libre de Gibbs. Les densités et fonctions de partitions obtenues pour chaque espèces présente dans le plasma sont ensuite utilisées pour déterminer les pertes radiatives des plasmas [Ar-CO2]-Fe via la méthode du coefficient d'émission net (CEN). Cette estimation des pertes ne peut se faire sans le calcul préalable du coefficient d'absorption spectral que nous avons réalisé finement par la méthode " raie par raie ". Tous les mécanismes radiatifs prédominants dans le plasma ont été pris en compte: continua atomique et moléculaire, raies atomiques et moléculaires. Cette partie constitue la base de cette étude sur laquelle se fonde notre nouvelle méthode de diagnostic destinée à déterminer à la fois la température et la concentration en fer d'un plasma d'arc de soudage. Le chapitre 3 est dédié à l'étude expérimentale d'un plasma d'arc MAG constituée d'une analyse spectroscopique permettant de remonter au profil de température et tester l'hypothèse de l'Équilibre Thermodynamique Local. La température d'excitation est obtenue par la méthode de Boltzmann tandis que la mesure d'élargissement de Stark pour les raies de fer et d'argon permet de remonter à la température et la densité des électrons. La validité de l'hypothèse LTE par comparaisons des profils de températures obtenus, des densités électroniques et des concentrations de fer. Les résultats conduisent à la présence d'un ETL dans le cœur du plasma, et le long des directions radiale et axiale. Les écarts à l'équilibre se produisent seulement sur les bords de l'arc où les deux températures diffèrent de plus de 2000 K. Au chapitre 4, nous présentons une méthode permettant de déterminer rapidement, temporellement et spatialement, la température et la concentration en fer d'un plasma d'arc MAG pendant sa phase de haute intensité. Cette méthode consiste à mesurer le rayonnement spectral du plasma en présence de vapeur de fer à partir d'une caméra haute vitesse filtrée par des filtres à bande étroite dans les intervalles spectraux respectivement de 570-590nm et 606-627nm; intervalles déduits de l'étude théorique menée au chapitre 2 et montrant la dépendance des émissivités absolues e(570-590nm) et relatives e(570-590nm)/e(607-627nm) en fonction de la température du plasma et de la concentration en fer. Les résultats de cette méthode sont validés par pour une couche de plasma par comparaison avec les valeurs déduites des autres méthodes de diagnostics tels que l'élargissement Stark, montrant l'efficacité de cette nouvelle méthode. Le chapitre 5 présente une étude théorique des rayonnements UV (180-400nm), UVA (315-400nm) et lumière bleue (300-700nm) associée aux dangers photobiologiques pour les utilisateurs des arcs GTAW avec argon. Les propriétés radiatives du plasma d'argon sont calculées pour les trois régions spectrales, puis utilisées dans un modèle bidimensionnel d'arc de GTAW pour déterminer les émissions locales dans l'arc, le rayonnement total s'échappant de l'arc et les irradiations efficaces correspondantes. Cette étude montre clairement l'importance de mettre en place une stratégie de protection efficace pour les travailleurs, en particulier pour la peau et les yeux, dans l'environnement des applications liées au soudage par plasmas. Une conclusion de ce travail ainsi que ses perspectives est futur sont présentés au chapitre 6.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Cressault, Yann
Li, Huan
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Arc plasma - CCD - Metal vapour concentration - Photobiological hazards - Plasma temperature - Ultraviolet - MAG welding
Sujets :Sciences de l'ingénieur
Déposé le :04 Dec 2018 10:51