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BREVET D'INVENTION "PROCEDE ET APPAREIL DE SOUDAGE"
La présente invention concerne le soudage et plus particulièrement les procédés et machines employant des chalumeaux à gaz combustible pour produire des joints soudés, spécialement ceux unissant des plaques de métal relativement épaisses.
Dans le soudage, au gaz, de plaques ayant une épaisseur de plus d'environ vingt millimètres, le chalumeau de soudage et la tige de soudure, lorsqu'ils sont convenablement proportionnés à l'épaisseur des plaques, deviennent si lourds que leur usage par un opérateur est impraticable.
D'un autre côté, les chalumeaux de soudage et les tiges de soudure qui conviennent pour qu'un opérateur puisse les manipuler confortablement sont trop petits pour le soudage de grosses plaques et la vitesse et le coût du soudage au gaz de ces plaques relativement épaisses, avec un tel équipement
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et une telle façon de faire, aussi bien que la qualité des soudures résultantes, se comparent défavorablement avec la qualité, la vitesse et le coût du. soudage au gaz de plaques ou tôles minces.
L'invention offre un procédé de soudage perfectionné qui consiste à déposer des couches consécutives du métal de soudure au cours d'une passe unique et un appareil perfectionné, pour produire une soudure à couches multiples en une seule passe, comprenant un support, des unités de soudage montées sur celui-ci, à distance les unes des autres le long et au-dessus de la ligne de soudure sur le travail, et agissant pour déposer simultanément des couches de métal de soudure le long de cette ligne, et un mécanisme pour mouvoir l'un par rapport aux autres, ledit ouvrage ou travail et lesdites unités et leur support le long de la ligne en question, chaque unité comprenant un guide-tige de soudure et un chalumeau de soudage pour appliquer une chaleur de soudage à l'ouvrage, en la ligne de soudure,
et à la partie adjacente d'une tige de métal de soudure avancée à travers ledit guide, pour fondre cette tige et déposer une couche de métal de soudure, la vitesse de ce mouvement relatif et la distance entre les points de soudage d'unités successives étant convenables pour permettre à la couche précédemment déposée de se solidifier avant que la couche suivante soit déposée dessus.
Au moyen de ce procédé et de cet appareil il est possible de produire, en une seule passe, une soudure à couches multiples d'excellente qualité entre des surfaces contiguës de plaques de métal relativement épaisses; de disposer d'un mode de soudage capable de produire effectivement
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et commodément une soudure d'excellente qualité qui est continue sur la pleine épaisseur des plaques en cours d'union et de disposer, d'une façon de faire et d'un appareil permettant de déposer économiquement et concurremment des couches superposées de métal de soudure, de les normaliser et d'en affiner les grains pour produire une soudure résultante épaisse et homogène, d'excellente qualité.
Sur les dessins ci-joints:
Fig. 1 et 2 sont, respectivement, une vue de côté et un plan d'un appareil à souder réaliser l'invention et capable d'effectuer le procédé de soudage perfectionné;
Fig. 3 est une coupe suivant III-III, Fig. l, et
Fig. 4,5, 6, 7, 8, 9 et 10 représentent, schématiquement, divers joints soudés et les façons de les faire en accord avec les principes de l'invention.
Généralement parlant, les principes de cette invention sont le plus avantageusement appliqués au soudage par contact, ou bord à bord, de plaques métalliques épais- -ses au moyen de flammes de gaz à haute température, comme des flammes oxyacétyléniques, et de métal de remplissage qui peut être appliqué par fusion de tiges de soudure métalliques convenables. Une rainure ou enture, de toute forme convenable ou préférée pour recevoir ce métal de remplissage, peut être formée, d'une manière bien connue, entre les bords contigus ou se faisant vis-à-vis, des plaques épaisses à souder.
Suivant l'invention, on soude des plaques d'une épaisseur supérieure à environ vingt millimètres en déposant, concurremment,un nombre suffisant de couches superposées de métal de soudure, en tandem, pour remplir complètement la rainure au cours d'une seule passe du
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mécanisme de soudage le long de cette rainure. Ce mécanisme peut consister en un nombre d'unités soudeuses correspondant au nombre de couches de métal de soudure à déposer, suivies par une unité comprenant un ou plusieurs chalumeaux de chauffage pour normaliser la dernière. couche déposée et en affiner le grain.
La première unité soudeuse consiste, de préférence, en un ou plusieurs chalumeaux préchauffeurs à haute température, de capacité chauffante suffisante pour préchauffer le métal de la plaque et les surfaces de la rainure en avant du point de soudage; en des moyens pour guider ou faire avancer la tige de soudure ou de métal de remplissage au point de soudage, avec ou sans chalumeaux pour préchauffer cette tige, et en un ou plusieurs chalumeaux de soudage appliquant des flammes à haute température au point de soudage et à l'extrémité inférieure de la tige pour fondre cette dernière et les surfaces contiguës de la rainure.
La première couche, ou couche de fond, est ainsi déposée par cette unité, et la seconde couche et les suivantes peuvent être déposées de la même façon à de courts intervalles, à mesure que la rainure de soudage est progressivement présentée à la seconde unité soudeuse et aux suivantes, chaque couche de métal de soudure étant déposée presque immédiatement après la couche précédente et à une courte distance en arrière du point en lequel la couche précédemment déposée s'est partiellement ou complètement solidifiée, par exemple : environ sept à dix centimètres, selon la vitesse de soudage.
Puisque la couche soudée et le métal y contigu des plaques qui sont présentés à la seconde unité soudeuse et aux suivantes sont déjà à une haute température, il est habituellement inutile de faire usage
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de chalumeaux réchauffeurs de plaques auxiliaires avec les 'unités soudeuses qui se trouvent après la première et on réalise ainsi une économie supplémentaire de consommation de gaz et d'équipement. Au cours du soudage, les chalumeaux de soudage sont de préférence mus, ou animés d'un mouvement d'oscillation dans un sens et dans l'autre, en travers de la rainure et du métal déposé, pour aider une fourniture uniforme de chaleur à ces parties et déterminer le contour et la surface du métal de soudure solidifié.
L'un ou l'autre des chalumeaux réchauffeurs de plaques et des chalumeaux préchauffeurs de tige, ou tous ces chalumeaux, aussi bien que les tiges de soudure, peuvent être mis en oscillation d'une manière similaire. Pour aider encore plus à l'obten- tion d'une bonne fusion et d'une bonne pénétration, il est préférable d'employer des flammes oxyacétyléniques contenant un léger excès d'acétylène.
Puisque le soudage se fait habi- tuellement à une vitesse uniforme le long de la rainure, en particulier dans une machine à souder automatique, les dia- mètres ou grosseurs des tiges de soudure successives sont, c'est désirable, progressivement plus gros que celui de la tige de soudure de la première unité soudeuse, en raison de la plus grande largeur de la couche et de la plus grande quantité de métal de remplissage qui doit être déposée dans un temps donné, et les amplitudes des divers mouvements de de chalumeaux et de tiges sont progressivement augmentées pour couvrir la largeur plus grande de la soudure. Deux ou plus de deux petites tiges de soudure, de grosseur convena- ble, avec ou sans chalumeaux préchauffeurs de tiges les ac- compagnant, peuvent être employées au lieu d'une seule grosse tige.
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Le présent procédé de soudage à couches multiples en une seule passe.présente des avantages marqués sur les procédés de soudage antérieurs, puisqu'il y a moins de risque d'oxydation en raison de la mare relativement petite de métal fondu exposée à l'air ; ondispose d'un meilleur contrôle sur la mare de métal fondu et les propriétés physiques de la soudure entière sont améliorées par le réchauffage des couches au cours du dépôt des couches successives.
La chaleur appliquée en soudant chaque couche après la première peut être utilisée en partie pour normaliser le métal précédemment déposé, exception faite pour la dernière couche. Les unités qui déposent la seconde couche et les suivantes peuvent être situées de telle sorte et le fonctionnement réglé de telle façon que le métal précédemment déposé, lorsqu'il arrive à l'unité soudeuse suivante pour le dépôt d'une autre couche, se sera refroidi à une température juste au-dessous du point critique inférieur pour l'acier; alors une normalisation et un affinage du grain de la couche précédente se produiront.
La normalisation et l'affinage de grain de la couche finale peuvent être effectués par un traitement thermique effectué par un chalumeau oxy acétylénique, ou par une autre flamme de haute température, qui suit l'unité soudeuse déposant la couche finale. Cette flamme de traitement thermique est appliquée à la couche finale après que celle-ci s'est refroidie au-dessous du point critique inférieur pour acier et est maintenue à la température appropriée et pendant le temps nécessaire pour assurer la composition désirée du métal de soudure. Ces tràitements de normalisation et d'affinage du grain ne seraient probablement pas utilisés pour des alliages, autres
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que d'acier, qui n'ont pas de points de transformation.
Il est important que la soudure soit continue pour toute l'épaisseur des plaques. Préalablement à la fa- çon de procéder décrite ci-dessus, on soude d'abord, de préférence (mais pas nécessairement) le côté opposé de la couture tout entière pour assurer une parfaite fusion du fond de la soudure complète, offrir une rigole de section constante dans laquelle la première couche de la soudure principale peut être déposée et unir solidement les plaques bord à bord en évitant ainsi des moyens d'attache ou d'espacement mécanique spéciaux. La consistance de la section et l'absence d'irrégularités le long de la rainure de soudage sont très importantes, spécialement pour des opérations de soudage automatiques satisfaisantes.
On peut effectuer cette union préliminaire des plaques en soudant directement ensemble les parties jointives des bords des plaques entées, avec ou sans l'addition de métal de soudure, comme par exemple, en soudant ensemble les angles jointifs aigus des deux plaques dont chacune présente un bord biseauté plat coopérant avec le bord lui faisant vis-à-vis pour former une unique rainure en V entre eux.
On peut effectuer une meilleure union préliminaire, pour la plupart des buts en usinant ou façonnant autrement chaque bord de plaque de façon qu'une double rainure asymétrique en V ou en U soit produite lorsqu'on assemble ces plaques bord à bord, de sorte qu'une très petite rainure peu profonde s'étendra le long d'un des côtés de la couture pour recevoir le métal de soudure .préliminaire, et qu'une rainure beaucoup plus grande et plus profonde s'étendra le long du côté opposé de la couture pour recevoir la soudure à couches multiples, lorsque
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la soudure préliminaire a été terminée. La profondeur de la petite rainure est de préférence moindre que le quart de l'épaisseur des plaques et elle est proportionnellement plus étroite que la plus grande rainure.
Dans les deux types de soudage préliminaire, l'épaisseur totale de la soudure n'excédera pas environ six millimètres et, habituellement, trois millimètres ou même moins, de façon que les soudures préliminaires puissent se faire, soit à la main ou automatiquement, à une grande vitesse, et soit par soudage au gaz ou soudage électrique.
Fig. 4, 5, 6, 7, 8,9 et 10 représentent schématiquement les opérations de soudage préliminaire facultatives et alternatives qui ont été décrites dans le paragraphe immédiatement précédent et que l'on peut effectuer préparatoirement au soudage principal à couches multiples, en une seule passe, précédemment décrit. Comme c'est représenté sur la Fig. 4, les épaisses plaques d'acier P, P' peuvent être pourvues de bords biseautés plats 10, 10' et assemblées bord à bord le long de leurs arêtes ou angles aigus 11, 11' pour constituer une unique rainure de soudage en forme de V, 12. Les arêtes 11, 11' peuvent ensuite être soudées ensemble, électriquement ou par une flamme de gaz de haute température, comme c'est indiqué en X, pour unir les plaques et fermer le fond de la rainure 12 sur toute sa longueur.
Comme c'est représenté sur la Fig. 5, les plaques Pa, P'a peuvent être pourvues de bords biseautés doubles 13, 13' et assemblées bord à bord le long de leurs arêtes ou angles 14, 14' pour constituer une double rainure asymétrique en V, consistant en une grande (profonde et large) rainure 15 et en une petite (peu profonde et étroite) rainure 16. On
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peut unir les plaques Pa, P'a et fermer le fond de la rainure 15 sur toute sa longueur, par un dépôt continu de métal de soudure Y remplissant la rainure 16 et s'étendant légèrement et d'une manière sensiblement égale dans le fond de la rainure 15. Il est évident que les rainures formées dans les plaques peuvent prendre toute forme désirée.
Comme c'est représenté sur la Fig. 8, la rainure peut consister en une grande rigole 20, en forme de U, et une petite rigole 21, en forme de V ou de U, s'étendant respectivement des côtés se faisant vis-à-vis des plaques Pc et P'c, à la ligne de jonction. On peut ajouter d'une manière commode quelconque de la matière de soudure Z à la petite rainure supérieure 21, sur toute sa longueur, comme opération préliminaire, pour unir les plaques et assurer une fusion complète des entures sur le côté de ces plaques qui est opposé à celui dans lequel la grande rainure en U est formée.
On peut ensuite retourner les plaques d'acier, unies comme c'est représenté sur les Fig. 4, 5 ou 8, de . manière à présenter les rainures 12, 15 ou 20 pour recevoir la soudure à couches multiples, en une seule passe, A, B, comme c'est représenté sur les Fig. 6, 7 et 9, respectivement. La première couche, A, est soudée directement à la soudure! sur la Fig. 6, à la soudure Y sur la Fig. 7 et à la soudure Z sur la Fig. 9 ;
avec la couche sui- vante B, ou les couches additionnelles fondues avec elle, assure une soudure continue pour toute l'épaisseur des plaques. 'Toutefois, on peut omettre ce soudage préliminaire et, comme c'est représenté sur la Fig. 10, les plaques d'acier Pd, P'd peuvent être pourvues de bords préparés de la même façon, comme les bords biseautés 17, 17' et assemblées
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bord à bord, ou en contact, le long de leurs angles ou arêtes aiguës 18, 18', pour présenter une rainure de soudage convenable, telle que l'unique rainure en V 19.
Avec les plaques Pd, P'd disposées dans une position sensiblement horizontale et la rainure 19 faisant face vers le haut, les couches de métal de soudure A, B peuvent être simultanément et successivement déposées dans cette rainure et le long de celle-ci au cours d'une unique passe des plaques par rapport aux moyens de soudage, en produisant ainsi une soudure continue pour toute l'épaisseur des plaques.
D'une manière générale, les procédés de soudage des différentes plaques par dépôt du métal de soudure principale en plusieurs couches dans les rainures 12, 15, 19 ou 20 sont identiques. Un appareil à souder typique pour la mise en pratique de ce procédé est représenté sur les dessins pour montrer plus clairement ce qu'est l'invention, mais non pour en limiter la portée. Pour plus de commodité et de clarté, l'invention est représentée comme appliquée au soudage de plaques d'une épaisseur n'exigeant que deux couches de métal de soudure pour produire une soudure prin- cipale complète ; il est évident qu'on pourrait déposer, d'une manière similaire, plus de deux couches dans le cas où les circonstances, ou l'épaisseur des plaques, en demanderaient plus de deux.
L'appareil à souder comprend (voir Fig. 1, 2 et 3) un bâti métallique convenable F pour supporter les deux unités soudeuses C et D, l'unité de préchauffage E et l'unité de traitement thermique G, aussi bien que l'équipement y associé, le tout au-dessus d'un mécanisme d'entraînement convenable H. Ce dernier est représenté schématiquement sous
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la forme de plusieurs rouleaux ou galets à certains desquels un mouvement de rotation est imprimé, de façon que les plaques d'acier puissent être entraînées à une vitesse uniforme à travers l'appareil, avec la rainure de soudage dans la position voulue par rapport aux unités, alignées, de chauffage et de soudage C, D, E et G.
II estévident qu'on pourrait obtenir le mouvement relatif des plaques et de l'appareil à souder en plaçant les plaques sur un support immobile et en faisant mouvoir l'appareil à souder le long des plaques et de la rainure de soudage existant entre elles, et en relation d'activité par rapport à ces plaques et à cette rainure.
L'unité de préchauffage E descend du bâti F et est portée par des moyens permettant d'en régler la position par rapport à la première unité soudeuse Ç et à la rainure existant dans l'ouvrage. L'unité soudeuse Ç comprend un chalumeau 22 ajustablement supporté par une plaque de monture 23,de façon qu'on puisse régler longitudinalement et verticalement la position du chalumeau. Avec ce chalumeau 22 est étroitement associé un guide-tige de soudure 30, réglable par rapport au chalumeau. Une tige de métal de soudure 24 glisse dans le guide 30 et peut être avancée à la rainure, soit mécaniquement ou par son propre poids.
Un chalumeau 25, de préchauffage de la tige de soudure, capable de diriger une flamme de chauffage contre la partie inférieure de la tige 24, est ajustablement assujetti à la plaque de monture 23. Le chalumeau 22, le guide 30 et le chalumeau 25 sont de préférence tous montés de façon qu'on puisse régler la position de chacun d'eux par rapport aux autres et l'unité tout entière est capable d'être déplacée
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par rapport au bâti F au moyen d'un dispositif de réglage tel, par exemple, qu'une fente pratiquée dans le côté du bâti F avec un moyen de fixation 26 traversant la plaque de monture 23.
Un moyen est prévu pour produire un mouvement oscillatoire ou alternatif de l'un ou l'autre des chalumeaux, ou de tous ceux-ci, aussi bien que des guide-tiges, de fa- çon que les flammes sortant des chalumeaux ou la matière fondue coulant des tiges de soudure puissent être distribuées transversalement à la rainure entre les plaques à unir. Ce mécanisme, qui est le mieux représenté sur la Fig.
2, consiste en un moteur M et un mécanisme réducteur de vitesse S capable d'imprimer, au moyen d'une bielle 35, un mouvement alternatif à une barre coulissante 27. Des guides 28 limitent et dirigent le mouvement de la barre coulissante 27. Comme c'est représenté sur la Fig. 3, un joug 29 peut être assujetti sur le dessous de la barre coulissante 27 et être pourvu d'un écrou coulissant 31 relié à une bielle 33 dans une fente 32 de laquelle il est engagé, et dont l'une des extrémités est convenablement assujettie à une monture de chalumeau 34 qui permettra au chalumeau 22 de pivoter autour de son propre axe. On notera que, à mesure que la barre coulissante 27 va et vient sous l'action du moteur M, la bielle 33 fait pivoter le chalumeau 22 autour de son axe, par suite de l'engagement de la bielle 33 avec l'écrou coulissant 31.
On notera aussi, en se reportant à Fig. 3, que plus l'écrou 31 est voisin du chalumeau 22, plus l'arc d'un bout à l'autre duquel celui-ci pivote, est grand. On pourrait employer tout autre moyen convenable pour faire osciller les chalumeaux. On peut prévoir un mécanisme similaire
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pour produire un mouvement de certains des autres éléments de l'unité soudeuse C ou de l'unité soudeuse D, ou de tous ces éléments, dans une direction transversale à la rainure.
L'unité soudeuse D est similaire à tous égards à l'unité soudeuse C à l'exception, possible, près, que le chalumeau, le guide-tige de soudure, la tige de soudure et le chalumeau de préchauffage de cette tige sont tous un peu plus gros pour s'accommoder à une tige de soudure 36, plus grosse, mieux capable de compléter la soudure en la partie supérieure, ou plus grande, de la rainure. Les divers réglages et connexions avec le mécanisme produisant le mouvement oscillatoire ou alternatif transversal sont identiques à ce qui peut être prévu pour l'unité soudeuse C.
Une unité de traitement thermique G, représentée en pointillé sur la Fig. 1, peut être ajustablement montée sur le bâti F, à la droite de l'unité soudeuse D. L'unité G aussi bien que l'unité de préchauffage E, bien qu'étant hautement désirables, ne sont pas indispensables à la fonction complète de l'appareil, et on peut omettre l'une ou l'autre, ou les deux, sans affecter la portée de l'invention. Une canalisation d'amenée de gaz T, montée d'une manière appropriée sur le bâti F, fournit du gaz combustible aux différents chalumeaux. Certains, quelconques, de ces chalumeaux, ou tous, sont de préférence refroidis par une circulation d'agent refroidisseur quelconque convenable, tel que de l'eau, pour lequel des canalisations sont indi- quées'sur les dessins.
Une feuille isolante 37 s'étend horizontalement sous le dessus du bâti F, à une certaine distance du dessus de la plaque de monture 23 et protège les montures des chalumeaux d'une exposition aux diverses flam-
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mes de ceux-ci.
Le fonctionnement est le suivant:. On retourne une paire de plaques, qui ont été de préférence façonnées et préalablement unies par l'une des méthodes représentées sur les Fig. 4,5 ou 8 et on les place dans la position représentée sur la Fig. 3, avec les tiges de soudure 24 et 36, aussi bien que les chalumeaux respectifs, dans des positions convenables et alignés par rapport à la rainure existant entre les bords contigus des plaques. On met en mouvement le mécanisme d'entraînement H de façon'que les rouleaux ou galets 39 tournent dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre, comme c'est indiqué sur la Fig.
1, et que les plaques métalliques . et P' soient mises en mouvement, lentement, de gauche à droite comme l'indique la flèche. La rainure est d'abord exposée à l'action de l'unité de préchauffage E qui chauffe à une haute température les surfaces de cette rainure et le métal attenant à celle-ci, après quoi le mécanisme d'entraînement présente les parties ainsi chauffées à l'action du chalumeau oscillant 22 qui élève les surfaces de la rainure à la température de soudage. Simultanément, une partie de la première tige de soudure 24, de préférence préalablement chauffée par le chalumeau 25, est également exposée à une flamme sortant du jet 41 du chalumeau 22, ce qui la fait fondre et s'unir intimement aux surfaces se trouvant à la partie inférieure de la rainure, pour former avec elles un joint homogène.
A mesure que la mare fondue qui se trouve dans la rainure continue son mouvement, elle commence à se solidifier de sorte que, quand elle arrive à la seconde unité soudeuse D, le métal précédemment déposé peut s'être re-
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froidi à un point juste au-dessous de la température critique inférieure du métal. Toutefois, on peut régler la vitesse du mécanisme d'entraînement de façon que le métal précédemment déposé se trouve à l'état, soit demi-solide ou solide, à une température au-dessus de la marge critique inférieure. Le chalumeau 42 de l'unité soudeuse D est, de préférence, de plus grande capacité, et se trouve placé plus haut, que le chalumeau 22, de façon que ses flammes puissent être appliquées à la partie supérieure, plus large, de la rainure et à la première couche de métal de soudure et les recouvrir.
L'action de l'unité soudeuse D est sensiblement identique à celle de l'unité soudeuse C, à cette exception près qu'une plus grande quantité de matière est déposée. Comme la seconde couche est ajoutée à l'état fondu , la première couche déposée, en contact intime avec elle, subit un traitement thermique. On peut, dans une même machine, faire usage d'autant d'unités soudeuses qu'on le désire, leur nombre dépendant quelque peu de l'épaisseur .des plaques à souder. Chaque couche déposée subit un traitement thermique pendant le dépôt de la couche suivante.
Il est ainsi apparent que, à moins que des mesures spéciales ne soient prises, la couche déposée en dernier lieu peut être laissée dans un état où elle est soumise à des efforts internes. Si cela doit être considéré comme indésirable, on peut ajouter un chalumeau G, indiqué sur la Fig. 1, pour recuire, faire revenir ou soumettre autrement à un traitement thermique la couche déposée en dernier lieu.
Bien qu'il soit préférable d'employer des flammes de gaz de haute température comme moyens de chauffage et de
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soudage, spécialement dans le dépôt de la soudure principale à couches multiples, il est évident qu'on pourrait, dans certains cas, utiliser un soudage électrique, par exemple : un soudage à l'arc électrique avec électrodes métalliques, pour produire la soudure préliminaire ou la soudure principale, ou les deux, et qu'on pourrait également employer une combinaison de moyens de soudage électriques et au gaz. La construction représentée sur les Fig. 1, 2 et 3 est simplement un exemple de l'une des dispositions d'appareil dont on peut faire usage pour mettre en pratique le procédé de soudage de l'invention.