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Procédé de soudage bout à bout des extrémités d'un article en feuille métallique, appareil pour la mise en oeuvre de ce pro- cédé et article obtenu au moyen de ce procédé.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil de soudage bout à bout des extrémités d'un article en feuille métallique* Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on aligne les bords de la feuille l'un contre l'autre au moyen d'organes venant en contact avec ces bords juxtaposés et qu'ils limitent dans un espace confiné, en ce qu'on fait passer un courant à travers les bords jointifs de manière à les chauffer localement et Instantanément à la température de soudage, en ce qu'on presse simultanément ces bords l'un contre l'autre, et en ce quton interrompt immédiate- ment après le courant de chauffage. Ce procédé peut être mis en oeuvre, par exemple pour la fabrication de récipients tels
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que des boites en fer blanc.
Les épaisseurs de la feuille métallique à laquelle le procédé est appliqué, sont de pré- férence d'environ 0,2 à 0,33 mm jusque environ 1,5 mm. on a remarqué que l'on ne pouvait pas utiliser la technique connue de la soudure bout à bout de feuilles relativement épaisses à des feuilles aussi minces que celles indiquées ci-dessus.
On utilise de préférence une matière en feuille métallique travaillée, par exemple laminée à froid. Pour sou- der les bords en regard de la feuille, les bords doivent être chauffés à une température à laquelle ils s'amoilissent ou fondent. Cependant, les parties de la feuille adjacentes aux bords ne doivent pas être amollies simultanément, ni être chauffées à une température à laquelle elles changent leur structure ou modifient leur composition par évaporation. Mê- me si ces parties ne sont pas chauffées à tel point que leurs propriétés physiques et chimiques soient influencées préjudi- ciablement, la chaleur s'étendant dans celles-ci peut provo- quer une dilatation de ces parties et, par conséquent, un cintra- ge ou un gonflement qui, après refroidissement, donne lieu à une déformation de l'article soudé.
Les corps métalliques tubu- laires de boites sont souvent revêtus d'un métal fondant à, basse température tel que de l'étain, et si la chaleur de sou- dage s'étend dans les parties adjacentes aux bords à souder, ces parties peuvent être chauffées à tel point que le revête- ment soit endommagé. En outre, le joint soudé des corps tubu- laires des boites doit être suffisamment fort pour résister à un emboutissage du corps et à un double soudage lorsque les rebords sont reliés aux fonds supérieur et inférieur de la boite.
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Dans une forme d'exécution particulière du pro- cédé selon l'invention, on prend une feuille en acier doux telle qu'utilisée habituellement pour des corps tubulaires de boîtes et dont l'épaisseur ne dépasse pas 1,5 mm. On a constaté dans ce cas que la circulation de courant pendant moins d'un cycle d'un courant alternatif de 60 périodes par seconde, c'est-à-dire pendant moins qu'1/60 de seconde (0,017 seconde) donne des résultats satisfaisants.
Si le temps de circulation de courant est réduit à la moitié d'une période d'un courant alternatif à 60 périodes, les soudures obtenues ainsi, c'est-à-dire en moins de 0,009 seconde sont encore tout- à-fait satisfaisantes, résistantes et uniformes sur la lon- gueur entière des bords en regard des feuilles réunies. On peut également utiliser avantageusement un courant alternatif de plus grande fréquence tel que 300 à 500 périodes par se- conde ; la circulation du courant est alors maintenue sur plus d'un cycle et la synchronisation exacte du départ du cycle de soudage et de l'application de la pression avec le cycle de courant est de moindre importance.
Cependant, ce procédé n'est pas limité à l'emploi de courant alternatif; toute autre source pour chauffer les bords alignés de façon rapide et locale à la température de soudage peut être utilisée efficace- ment, telle que par exemple de courtes décharges de courant continu.
Dans le soudage bout à bout et par conséquent à la suite de réchauffement élevé des bords, des effets dus à l'atmosphère ambiante sur ceux-ci, tels que l'oxydation (combustion), écoulement et évaporation de la matière fondue, apparaissent. Pour empêcher ceci, on couvre la ligne de sou- le%
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dure formée par les bords alignés de la feuille ainsi que les parties adjacentes de cette ligne par des organes en matière réfractaire ou non-conductrice de l'électricité telle que par exemple du carborundum (carbure de silicium), du silicate de zirconium revêtu convenablement de graphite ou autre matière.
Les surfaces protectrices de ces organes limitent entre elles un espace confiné dans lequel on place et on chauffe les bords à souder. Ces surfaces protectrices supputent sur les parties de la feuille adjacentes à la ligne de soudure et servent, par conséquent, également à maintenir les bords de la feuille en alignement tandis que s'effectue leur soudure. Le glissement des borde l'un sur l'autre et le refoulement latéral de la ma- tière amollie ou fondue, lorsque les bords sont pressés ien- semble sont empêchés par les dites surfaces protectrices.
L'épaisseur du joint soudé sera ainsi égale ou n'excédera que faiblement l'épaisseur de la feuille et, puisque le glissement des bords l'un sur l'autre est empêché, sera dans tous les cas considérablement moindre que deux fols l'épaisseur de la feuille.
Les organes en matière réfractaire ou non-conduc- trice de l'électricité sont également mauvais conducteurs ,de la chaleur et, par conséquent, limitent la dissipation de la chaleur ou la radiation de celle-ci à partir de la ligne de soudure et aident à obtenir un chauffage concentré et rapide des bords.
Ces organes empêchent également ou limitent l'accès de l'atmosphère ambiante (l'air) aux bords à température élevée et, par là, leur détérioration par oxydation (combustion); Inversement, un écoulement ou une évaporation de la matière à température élevée, en particulier de la matière en fusion vers les bords, est empêché par les surfaces protectrices des
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dits organes et, ainsi, un changement préjudiciable de la com- position de la matière, de même que la formation de soufflures ou trous vers la ligne de soudure pouvant réduire la résistance mécanique ou fermeture hermétique du joint sont évités.
Avec une composition appropriée de la matière des surfaces protec- trices, on peut également obtenir une action d'écoulement sur le métal fondu vers les coins.
Si l'on fait passer du courant électrique à tra- vers et entre les bords pour les chauffer localement et rapide- ment à la température de soudage, il est essentiel que la résistance des surfaces non-conductrices appliquées de chaque côté de la ligne de soudure soit telle qu'un court-circuit de ce courant et par suite sa fuite par la résistance élevée (résistance de contact) entre les bords alignés soit empêché.
On comprendra que, pour la soudure efficace bout à bout d'une feuille, les surfaces en regard des bords doivent être ajustées, c'est-à-dire qu'elles doivent se compléter aussi exactement que possible de telle sorte que du métal amolli ou en fusion des bords chauffés puisse se souder et remplir complètement et instantanément tous les interstices entre les bords sur leurs longueurs devant être réunies.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend deux supports espacés mobiles l'un par rapport à l'autre, les surfaces portantes de chacun d'eux étant isolées électriquement l'une de l'autre, une électrode associée à chacune des dites surfaces et à des moyens pour serrer ces électrodes individuellement sur la feuille disposée entre une électrode et la surface de support en regard des organes en matière réfractaire.
disposés entre les dites
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surfaces de support et les électrodes, ces organes réfrac- taires formant un espace confiné dans lequel les bords de la feuille peuvent glisser et être alignés, des moyens pour déplacer les électrodes et les surfaces associées de manière à presser les dits bords l'un contre l'autre dans l'espace confiné susdit, et des moyens pour fournir le courant électri- que aux électrodes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention,,
Fig. 1 est une vue en élévation de cette forme d'exé- cution adaptée en particulier pour former des corps tubulaires de boîtes en fer blanc pour la conservation des aliments.
Fige 2 est une vue en plan par dessous, le long de la ligne 2-2 de la fige l, montrant les électrodes appliquées à la feuille métallique.
L'appareil représenté comprend un bâti 10 sur lequel est monté un arbre de broche ou mandrin il s'étendant au-dessus du plan du dessin. Le diamètre extérieur du mandrin est prati- quement égal au diamètre intérieur du corps tubulaire à souder.
Le mandrin est de préférence en une matière non-magnétique et sa surface est non-conductrice de l'électricité, de sorte qu'il ne peut pas y avoir de court-circuit entre les électrodes, com- me il sera décrit par la suite. Dans l'exemple représenté, le mandrin 11 est constitué par une douille 13 en matière isolante montée sur le bâti et par un noyau métallique 12, de préférence non-magnétique, pouvant tourner dans la douille 13 et dans le bâti 10. La douille 13 est munie d'un évidement longitudinal 14, dans lequel est monté un bloc 15 de matière non-conductrice de l'électricité, dure et réfractaire, telle que du oarborundum, du silicate de zirconium revêtu de graphite ou contenant du graphite,
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de la céramique ou du verre.
Un prolongement ou bras 17 s'étend à partir du bâti 10 (et du plan du dessin) et comporte un organe 18 monté de façon à coulisser sur lui dans une direction verticale, par exemple au moyen d'un assemblage à queue d'aronde non représenta Des supports 19 sont disposés de manière à cou- lisser dans des alésages verticaux de l'organe 18 et portent ensemble un bloc 20 de matière dure et réfractaire comme celle du bloc 15. Les surfaces en regard des blocs 15 et 20 s'appuient sur les surfaces opposées des extrémités d'une feuille ou ébau- crie 48 devant former un corps tubulaire pour une boîte, ou sur les extrémités de deux feuilles séparées, puisqu'on ne se limi- te pas au soudage des extrémités d'une feuille unique.
La position de l'organe 18 peut être déterminée par exemple par une came qui, pendant le fonctionnement, abaisse et soulève cet organe par rapport au prolongement 17 et au bloc 15 ; dans ce cas, la position la plus basse de l'or- gane 18 peut être fixée au moyen d'une vis de réglage 21 tra- ,versant une saillie 51 de l'organe 18. Dans la forme d'exécu- tion représentée, la vis 21 est fixe par rapport au prolongement 17, et, en la faisant tourner dans unions ou dans l'autre, l'or- gane 18 et par suite le bloc 20 peuvent être abaissés ou soulevés du bloc 15 et des extrémités de la feuille 48. Un ressort 22 est disposé entre le support 19 et l'organe 18 pour presser élastl- quement le bloc 20 sur; les extrémités de la feuille placée entre les blocs 15 et 20.
Une plaque 23 s'étend à partir du bâti 10 parallèle- ment à l'axe du noyau 12 et porte une électrode 24 de même longueur; la plaque 23 est montée à coulisse sur le bâti 10 dans le sens de la double flèche 50. Un autre organe de sup-
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port 52 est fixé rigidement sur le bâti 10 et s'étend au-dessus de la plaque 23 le long de celle-ci. Des vis 25, prévues dans des trous de l'organe 52, s'appuient sur des ressorts 26 qui reposent sur la plaque 23; au moyen des vis d'ajustage 25, la pression des ressorts 26 sur la plaque 23 et l'électrode 24 peut être réglée.
Un secteur 27 est découpé dans la douille 13 près de l'évidement 14 à son extrémité opposée à l'électrode 24 ; un bras 53 du noyau 12 s'étend dans le secteur 27 et se ter- mine par un organe d'appui 28 en une matière non-conductrice de l'électricité et réfractaire. La surface extérieure de l'organe 28 forme une partie du cylindre sur lequel est dis- posée l'ébauche ou feuille à souder.
Un bras 30 est relié rigidement au noyau 12 à une extrémité de celui-ci faisant saillie du bâti 10 (au- dessous du plan du dessin). une autre électrode 32 est por- tée par une plaque 31 coulissant sur le bras 1 dans la di- rection de la double flèche 56. Un support 54 est monté rigi- dement sur le bras 30 et fait saillie à partir de celui-ci parallèlement à 1?axe du noyau 12 et de l'électrode 32. Des vis 33,prévues dans des trous du support 54, s'appuient con- tre des ressorts 35 qui reposent sur la plaque 31; la pres- sion de ces ressorts peut être réglée par l'ajustage des vis
33 dans la plaque 54.
Les deux séries d'organes de support 52, 54, des plaques 23, 31 et des électrodes 24, 32, sont de même lon- gueur que le mandrin 11 et s'étendent parallèlement à l'axe de ce mandrin sur une longueur au moins égale à la largeur de la feuille à souder. Elles sont disposées de telle ma- nière que les électrodes 24, 32 sont pratiquement parallèles
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à la ligne de contact 49 et au bloc 20 mais légèrement espacées de ceux-ci*
Une tige 36 en une matière magnétique est articulée au bras 30 et s'étend avec son extrémité libre dans un électro- aimant 35 qui est monté à articulation au moyen d'un bouchon 57 sur un autre prolongement 55 du châssis 10.
Une source de courant alternatif, par exemple le réseau principal, est reliée à travers un relais électronique 47 avec l'électro-aimant 35 et, en parallèle avec lui, avec un transformateur réducteur de tension 40. L'embranchement du circuit conduisant à l'électro-aimant 35 comprend en série une impédance 46, de préférence une bobine de self- induction, qui détermine l'énergie électrique et sa phase agissant sur 1'électro-aimant 35. Une borne du secondaire 41 du transformateur 40 est connectée à travers un conducteur 42 à l'électrode 24 et son autre borne par le conducteur 44 à l'électrode 32. Ainsi, le relais 47 commande simultanément l'électro-aimant et le transformateur 40, leur action étant de cette manière synchronisée automatiquement.
:Pendant le fonctionnement, on peut supposer qu'au départ les électrodes 24 et 32 sont légèrement soulevées de la surface extérieure de la douille 13 et de l'organe dtappui 28 respectivement, au moyen des vis 25, 33, et que le bloc 20 est également légèrement soulevé du bloc 15 juxtaposé au moyen de la vis 21. Les extrémités d'une ébauche formée par une feuille mince, pour une boite par exemple, ou les extrémi- tés de deux feuilles séparées sont placées sur la surface extérieure de la douille 13 et de l'organe d'appui 28 sous les électrodes 24 et respectivement 32. Ces extrémités sont
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étroitement alignées ou sont même en léger contact l'une avec l'autre entre les blocs 15 et 20.
Les électrodes 24 et 32 sont abaissées et serrées au moyen des vis 25 et 33 sur la feuille 48 disposée sur la douille 13 et l'organe 28 respecti- vement. Le bloc 20 est ensuite abaissé sur les extrémités alignées et sur les parties adjacentes de la feuille avec une pression déterminée par la position extrême de la vis 21 et la compression résultante du ressort 22. Cette pression est assez forte pour maintenir jointives les extrémités de la feuille en alignement et pour empêcher leur glissement l'une sur l'autre (recouvrement) pendant les phases subséquentes du fonctionnement; cette pression ne doit toutefois pas être trop élevée pour empêcher un léger mouvement d'une extrémité de feuille entre les blocs.
Le relais électronique 47 est excité et permet, par exemple, de laisser passer Une période d'un courant alter- natif à 60 périodes.
Au début de la période, l'électro-aimant 35 est excité et attire la tige 36, déplaçant ainsi le bras 30 dans le sens des aiguilles de la montre, de sorte que le noyau 12 aveo le bras 53 et l'organe (l'appui 28, de même que l'électrode
32, sont déplacés simultanément dans le sens des aiguilles de la montre et entraînent la partie de la feuille serrée entre eux.
L'extrémité de la feuille est ainsi déplacée entre les blocs
15, 20 vers l'autre extrémité de la feuille qui est serrée entre l'électrode 24 et la douille 13 et maintenue fixe entre les blocs 15 et 20.
Après que les deux extrémités ont été amenées en léger contact sur toute leur longueur suivant la ligne 49, on Il envoie un courant de chauffage qui circule du Secondaire 41
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du transformateur 40 vers les électrodes 24 et 32, et à travers la dite ligne de contact 49 entre les électrodes.
Toute fuite de courant à partir des électrodes est empêchée par la matière isolante de la douille 13, de l'organe d'appui 28 et des blocs réfractaires 15 et 20. L'échauffement dû à ce courant sera maximum à l'endroit où 11 traverse la ligne de contact 49. En effet, la résistance de contact entre les extrémités suffit pour produire une température concentrée élevée vers celles-ci et à augmenter leur température instan- tanément au point d'amollissement ou de fusion de la matière métallique de la feuille.
Pendant la seconde moitié de la période de courant, les extrémités ainsi chauffées sont pressées ensemble; puisque la conductibilité électrique du métal amolli ou fondu à la ligne de contact 49 est considé- rablement plus faible que celle de la feuille adjacente, l'effet de résistance par échauffement du courant passant par cette ligne est maintenu et les bords se soudent complète- ment dans l'espace limité par les blocs 15 et 20. Dès que la période du courant est teminée, la circulation du courant, à travers les deux embranchements derrière le relais 47, est interrompue par celui-ci. Le courant de chauffage ou de soudage venant du transformateur 40 cesse immédiatement et 1?électro-aimant 35 est désexcité, de sorte que la pression sur les bords est relâchée et finalement supprimée.
Lorsque les électrodes 24 et 32 sont desserrées en tournant les vis 25 et 33 et que le bloc 20 est soulevé en tournant la vis 21, le métal à la ligne de soudure s'est suffisamment refroidi pour se solidifier. Une fois la soudure terminée, l'article est enlevé du mandrin 11.
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Comme indiqué plus haut, une soudure uniforme né- cessite un montage ou un emboîtement suffisamment précis des extrémités jointives pour que le métal ramolli et de préférence fondu puisse remplir complètement et instantanément tous les Interstices entre les extrémités de la feuille. Par consé- quent, si on coupe les extrémités de la feuille de telle ma- nière que des bavures apparaissent, il peut être parfois dé- sirable de les meuler selon une forme plus précise avant le soudage. En général, des crans ou dents répartis également sur les extrémités présentant une profondeur d'environ 0,25 mm, n'affectent pas d'une façon défavorable le soudage bout à bout.
De telles surfaces rugueuses peuvent même présenter un avantage en établissant un léger contact entre les extrémités, car les petites saillies d'une extrémité viennent en contact avec les saillies ou avec la surface de l'autre extrémité et établissent entre elles des ponts métalliques individuels de très petit diamètre et, par conséquent, une résistance qui laisse passer le courant de soudage et qui développe rapide- ment une température élevée. Les saillies fondent presque immédiatement et s'écoulent dans les interstices entre les extrémités, ce qui a pour effet de faciliter leur union.
Grâce à l'action de la bobine de self-induction 46, le courant excitant l'électro-aimant 35 est faible au commen- cement de la période de courant alternatif. Par conséquente* les extrémités sont déplacées l'une vers 1?autre en léger contact. La résistance électrique entre les bords sera ainsi plus grande lorsque le courant de chauffage commence à cir- culer et la température la plus haute sera développée instan- tanément à cet endroit. Si, par la suite, le courant augmente,
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en excitant l'électro-aimant 35 et en pressant fortement les bords l'un centre l'autre, ceux-ci sont chauffes par la cha- leur concentrée développée ainsi au voisinage de leur point de fusion, c'est-à-dire à la température propre de soudage.
Les blocs 15 et 20 pressent et couvrent les bords ainsi que les parties de la feuille à l'arrière de ceux-ci pendant le soudage qui vient d'être décrit et empêchent l'accès de l'air ambiant et, par suite, l'oxydation (com- bustion) des bords à température élevée. ces derniers, en particulier s'ils sont fondus, tendent à s'échapper ou à se répandre et à se vaporiser. Les blocs 15 et 20 s'appuyant contre les bords ramollis ou fondus, empêchent ou limitent un tel écoulement ainsi que la vaporisation. La matière de la ligne de soudure n'est par conséquent pas détériorée et, après refroidissement, une soudure métallique uniforme et résistante est obtenue.
Le refoulement latéral des bords ramollis est également limité ou empêché par les blocs 15 et 20 pressés contre la ligne de soudure à partir des côtés opposés avec une pression réglable ; les blocs forment ainsi le métal ramolli ou fondu, de sorte qu'après refroidissement, l'épaisseur du joint sera égale ou n'excédera que faiblement l'épaisseur de la feuille. Un léger refoulement jusqu'à environ 20 % ou davantage de l'épaisseur de la feuille est parfois désirable, si, par la suite, le joint est destiné être travaillé à froid.
Pour réaliser les effets décrits plus haut, les blocs 15 et 20 de formation et exerçant une pression doivent présenter une surface de pression plate et lissa à faible frottement. La faible conductibilité calorifique de la ma- tière constituant ces blocs protège le métal chauffé de la
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ligne de contact des extrémités de la feuille contre le refroi- dissement par l'air atmosphérique qui l'entoure. Le graphite qui peut être incorporé aux blocs ou appliqué sur ceux-ci agit comme lubrifiant solide facilitant le glissement des extrémités de feuille mobiles entre les blocs 15 et 20.
Si le graphite est brûlé pendant 1''opération de soudure, en particulier si la surface de pression d'un bloc ne se conforme pas exactement à la surface d'une extrémité de feuille et que l'air peut par conséquent pénétrer entre ces surfaces, l'oxyde de carbone ou le bioxyde développé protégera efficacement les bords à. tem- pérature élevée d'une oxydation. Du graphite brûlé peut être remplacé soit par diffusion de graphite contenu dans la matière du bloc vers sa surface de pression, soit par apport de gra- phite ou d'un composé contenant ou dégageant du carbone.
Si l'on désire obtenir une action de fusion sur la matière métal- lique des bords chauffés, la composition des blocs doit être choisie en conformité; des compositions contenant du silicate de zirconium ou un silicate de sodium insoluble paraissent être efficaces dans ce cas et permettent de combiner et d'éliminer des scories et les oxydes, ainsi que de former un film sur le métal chaud, de sorte qu'il reste inoxydable.
Pour assurer la soudure de feuilles minces sur toute la longueur de leurs borde, il est important d'utiliser des électrodes en une matière de bonne conductibilité calorique pouvant être espacées suffisamment de la ligne de soudure, de sorte qu'elles ne conduisent pas de chaleur lain des bords chauffés.de façon indésirable. D'autre part, une électrode ne doit pas être trop éloignée de la ligne de soudure pour éviter que les extrémités de la feuille mince et flexible ne
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se courbent ou se gondolent lorsqu'elles sont pressées en- semble par les électrodes au lieu que la pression agisse sur les bords chauffés, et pour raccourcir le chemin du courant à travers les extrémités de la feuille vers la ligne de sou- dure et, par suite, éviter des pertes d'énergie électrique dans celles-ci.
Les électrodes en métal et, en particulier en une matière ferreuse en feuille d'épaisseur n'excédant pas 1,52 mm, sont de préférence espacées d'environ 3,18 mm de la ligne de soudure: l'expérience montre cependant qu'une soudure uniforme peut être rapidement et pratiquement instantanément réalisée sans augmenter la température de la matière en feuille au-dessus de 3000 C. à une distance de 0,25 mm environ de la ligne de soudure, de sorte qu'une latitude relativement grande est donnée pour disposer les électrodes près de la ligne de soudure.
Pour obtenir la soudure instantnée sur toute la longueur des bords, en contact, il est essentiel que la densité du courant de chauffage passant par ces bords et à travers la ligne de soudure doit être aussi uniforme que possible sur celle-ci. inexpérience a montré que cet effet peut être réalisé en formant les électrodes comme représenté à la fig.
2 où. elles sont plus élpignées de la ligne de soudure au cen- tre qu'à leurs extrémités. On évite ainsi une concentration du courant vers le milieu de la ligne de soudure.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Method of butt welding the ends of a sheet metal article, apparatus for carrying out this process and article obtained by means of this process.
The present invention relates to a method and to an apparatus for butt welding the ends of a metal sheet article. The method according to the invention is characterized in that the edges of the sheet are aligned against each other. the other by means of members coming into contact with these juxtaposed edges and which they limit in a confined space, in that a current is passed through the contiguous edges so as to heat them locally and instantly to the temperature welding, in that these edges are simultaneously pressed against each other, and that the heating current is interrupted immediately. This process can be implemented, for example for the manufacture of containers such
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only tin cans.
The thicknesses of the metal foil to which the process is applied are preferably from about 0.2 to 0.33 mm up to about 1.5 mm. it has been observed that the known technique of butt welding relatively thick sheets to sheets as thin as those indicated above could not be used.
Preferably a worked metal foil material, for example cold rolled, is used. To weld the facing edges of the sheet, the edges must be heated to a temperature at which they soften or melt. However, the parts of the sheet adjacent to the edges should not be softened simultaneously, nor be heated to a temperature at which they change their structure or change their composition by evaporation. Even if these parts are not heated to such an extent that their physical and chemical properties are adversely affected, the heat spreading therein can cause expansion of these parts and, therefore, a cintra - ge or swelling which, after cooling, gives rise to deformation of the welded article.
Tubular metal bodies of cans are often coated with a low temperature melting metal such as tin, and if the soldering heat spreads into the parts adjacent to the edges to be welded, these parts can. be heated to such an extent that the coating is damaged. In addition, the welded joint of the tubular bodies of the cases must be strong enough to withstand stamping of the body and double welding when the flanges are connected to the upper and lower ends of the can.
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In a particular embodiment of the process according to the invention, a mild steel sheet is taken as is customarily used for tubular bodies of cans and the thickness of which does not exceed 1.5 mm. It has been found in this case that the flow of current for less than one cycle of an alternating current of 60 periods per second, that is to say for less than 1/60 of a second (0.017 second) gives satisfactory results.
If the current flow time is reduced to half of a period of a 60 period alternating current, the welds obtained in this way, i.e. in less than 0.009 seconds are still quite satisfactory , strong and uniform over the entire length of the edges facing the united leaves. It is also advantageously possible to use an alternating current of greater frequency such as 300 to 500 periods per second; current flow is then maintained over more than one cycle and the exact timing of the start of the weld cycle and the application of pressure with the current cycle is of less importance.
However, this method is not limited to the use of alternating current; any other source for heating the aligned edges quickly and locally to the weld temperature can be used effectively, such as for example short dc discharges.
In butt welding and therefore as a result of high heating of the edges, effects due to the ambient atmosphere on them, such as oxidation (combustion), flow and evaporation of the molten material, appear. To prevent this, we cover the line of stress%
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hard formed by the aligned edges of the sheet as well as the adjacent parts of this line by elements made of refractory material or non-conductive of electricity such as for example carborundum (silicon carbide), zirconium silicate suitably coated with graphite or other material.
The protective surfaces of these members limit between them a confined space in which the edges to be welded are placed and heated. These protective surfaces overlap the portions of the sheet adjacent to the weld line and therefore also serve to keep the edges of the sheet in alignment as they are welded. The sliding of the edges on top of each other and the lateral discharge of the softened or molten material when the edges are pressed together are prevented by said protective surfaces.
The thickness of the welded joint will thus be equal to or only slightly exceed the thickness of the sheet and, since sliding of the edges over each other is prevented, will in any case be considerably less than two times sheet thickness.
Organs made of refractory or non-electrically conductive material are also poor conductors of heat and, therefore, limit the dissipation of heat or the radiation thereof from the weld line and help to obtain concentrated and rapid heating of the edges.
These members also prevent or limit the access of the ambient atmosphere (air) to the edges at high temperature and, thereby, their deterioration by oxidation (combustion); Conversely, flow or evaporation of material at elevated temperature, especially molten material towards the edges, is prevented by the protective surfaces of the edges.
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said members and, thus, a detrimental change in the composition of the material, as well as the formation of blowholes or holes towards the weld line which can reduce the mechanical resistance or hermetic sealing of the joint are avoided.
With a suitable composition of the material of the protective surfaces, a flow action can also be obtained on the molten metal towards the corners.
If electric current is passed through and between the edges to heat them locally and quickly to welding temperature, it is essential that the resistance of the non-conductive surfaces applied to either side of the line be solder is such that a short circuit of this current and hence its leakage through the high resistance (contact resistance) between the aligned edges is prevented.
It will be understood that, for the effective butt welding of a sheet, the facing surfaces of the edges must be adjusted, i.e. they must complement each other as exactly as possible such that softened metal or molten heated edges can weld together and completely and instantly fill any gaps between the edges along their lengths to be joined.
The apparatus according to the invention is characterized in that it comprises two spaced supports movable with respect to one another, the bearing surfaces of each of them being electrically insulated from one another, an electrode associated with each of said surfaces and with means for clamping these electrodes individually on the sheet disposed between an electrode and the support surface facing the refractory material members.
arranged between the said
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support surfaces and electrodes, these refractory members forming a confined space in which the edges of the sheet can slide and be aligned, means for moving the electrodes and associated surfaces so as to press said edges against each other the other in the aforesaid confined space, and means for supplying the electric current to the electrodes.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the apparatus according to the invention,
Fig. 1 is an elevational view of this embodiment suitable in particular for forming tubular bodies of tin cans for the preservation of food.
Fig 2 is a plan view from below, along line 2-2 of Fig 1, showing the electrodes applied to the metal foil.
The apparatus shown comprises a frame 10 on which is mounted a spindle shaft or mandrel extending above the plane of the drawing. The outside diameter of the mandrel is substantially equal to the inside diameter of the tubular body to be welded.
The mandrel is preferably of a non-magnetic material and its surface is non-conductive of electricity, so that there can be no short circuit between the electrodes, as will be described later. . In the example shown, the mandrel 11 is formed by a sleeve 13 of insulating material mounted on the frame and by a metal core 12, preferably non-magnetic, which can rotate in the sleeve 13 and in the frame 10. The sleeve 13 is provided with a longitudinal recess 14, in which is mounted a block 15 of non-conductive material of electricity, hard and refractory, such as oarborundum, zirconium silicate coated with graphite or containing graphite,
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ceramic or glass.
An extension or arm 17 extends from the frame 10 (and the plane of the drawing) and comprises a member 18 mounted so as to slide on it in a vertical direction, for example by means of a dovetail assembly. not shown. Supports 19 are arranged so as to slide in vertical bores of member 18 and together carry a block 20 of hard and refractory material like that of block 15. The facing surfaces of blocks 15 and 20 s' press on opposite surfaces of the ends of a sheet or blank 48 to form a tubular body for a box, or on the ends of two separate sheets, since it is not limited to welding the ends of a box. single leaf.
The position of the member 18 can be determined for example by a cam which, during operation, lowers and raises this member relative to the extension 17 and to the block 15; in this case, the lowest position of the member 18 can be fixed by means of an adjustment screw 21 through a projection 51 of the member 18. In the embodiment shown , the screw 21 is fixed with respect to the extension 17, and, by rotating it in unions or the other, the organ 18 and consequently the block 20 can be lowered or raised from the block 15 and the ends of the sheet 48. A spring 22 is disposed between the support 19 and the member 18 to elastically press the block 20 on; the ends of the sheet placed between blocks 15 and 20.
A plate 23 extends from the frame 10 parallel to the axis of the core 12 and carries an electrode 24 of the same length; the plate 23 is slidably mounted on the frame 10 in the direction of the double arrow 50. Another support member
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port 52 is rigidly fixed to the frame 10 and extends above the plate 23 along the latter. Screws 25, provided in holes of the member 52, are supported by springs 26 which rest on the plate 23; by means of the adjusting screws 25 the pressure of the springs 26 on the plate 23 and the electrode 24 can be adjusted.
A sector 27 is cut in the socket 13 near the recess 14 at its end opposite to the electrode 24; an arm 53 of the core 12 extends in the sector 27 and ends with a support member 28 made of a refractory non-conductive material. The outer surface of member 28 forms part of the cylinder on which the blank or foil to be welded is placed.
An arm 30 is rigidly connected to the core 12 at one end thereof projecting from the frame 10 (below the plane of the drawing). another electrode 32 is carried by a plate 31 sliding on the arm 1 in the direction of the double arrow 56. A support 54 is mounted rigidly on the arm 30 and protrudes therefrom in parallel. to the axis of the core 12 and of the electrode 32. Screws 33, provided in holes of the support 54, rest against the springs 35 which rest on the plate 31; the pressure of these springs can be adjusted by adjusting the screws
33 in plate 54.
The two series of support members 52, 54, plates 23, 31 and electrodes 24, 32, are of the same length as the mandrel 11 and extend parallel to the axis of this mandrel over a length at less equal to the width of the sheet to be welded. They are arranged in such a way that the electrodes 24, 32 are practically parallel.
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at contact line 49 and at block 20 but slightly spaced from them *
A rod 36 of a magnetic material is articulated to the arm 30 and extends with its free end in an electromagnet 35 which is hingedly mounted by means of a plug 57 on another extension 55 of the frame 10.
An alternating current source, for example the main network, is connected through an electronic relay 47 with the electromagnet 35 and, in parallel with it, with a voltage reducing transformer 40. The branch of the circuit leading to the The electromagnet 35 comprises in series an impedance 46, preferably a self-induction coil, which determines the electrical energy and its phase acting on the electromagnet 35. A terminal of the secondary 41 of the transformer 40 is connected to through a conductor 42 to the electrode 24 and its other terminal through the conductor 44 to the electrode 32. Thus, the relay 47 simultaneously controls the electromagnet and the transformer 40, their action being in this way synchronized automatically.
: During operation, it can be assumed that initially the electrodes 24 and 32 are slightly lifted from the outer surface of the sleeve 13 and the support member 28 respectively, by means of the screws 25, 33, and that the block 20 is also slightly lifted from the juxtaposed block 15 by means of the screw 21. The ends of a blank formed by a thin sheet, for a box for example, or the ends of two separate sheets are placed on the outer surface of the box. sleeve 13 and of the support member 28 under the electrodes 24 and respectively 32. These ends are
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closely aligned or even in slight contact with each other between blocks 15 and 20.
The electrodes 24 and 32 are lowered and tightened by means of the screws 25 and 33 on the sheet 48 disposed on the socket 13 and the member 28 respectively. The block 20 is then lowered over the aligned ends and over the adjacent parts of the sheet with a pressure determined by the extreme position of the screw 21 and the resulting compression of the spring 22. This pressure is strong enough to keep the ends of the sheet joined. foil in alignment and to prevent their sliding over each other (overlap) during subsequent phases of operation; however, this pressure should not be too high to prevent a slight movement of one end of the sheet between the blocks.
The electronic relay 47 is energized and makes it possible, for example, to allow a period of 60-period alternating current to pass.
At the start of the period, the electromagnet 35 is energized and attracts the rod 36, thus moving the arm 30 clockwise, so that the core 12 has the arm 53 and the organ (l 'support 28, as well as the electrode
32, are moved simultaneously in a clockwise direction and entrain the part of the sheet clamped between them.
The end of the sheet is thus moved between the blocks
15, 20 towards the other end of the sheet which is clamped between the electrode 24 and the socket 13 and held fixed between the blocks 15 and 20.
After the two ends have been brought into slight contact along their entire length along line 49, a heating current is sent which flows from Secondary 41
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from transformer 40 to electrodes 24 and 32, and through said contact line 49 between the electrodes.
Any current leakage from the electrodes is prevented by the insulating material of the sleeve 13, the support member 28 and the refractory blocks 15 and 20. The heating due to this current will be maximum at the point where 11 crosses the contact line 49. In fact, the contact resistance between the ends is sufficient to produce a high concentrated temperature towards them and to increase their temperature instantaneously to the point of softening or melting of the metallic material of the end. leaf.
During the second half of the current period, the thus heated ends are pressed together; since the electrical conductivity of the softened or molten metal at the nip 49 is considerably lower than that of the adjacent sheet, the resistance effect by heating the current flowing through this line is maintained and the edges weld together completely. ment in the space limited by blocks 15 and 20. As soon as the current period is over, the flow of current, through the two branches behind the relay 47, is interrupted by the latter. The heating or welding current from the transformer 40 immediately ceases and the electromagnet 35 is de-energized, so that the pressure on the edges is released and finally removed.
When electrodes 24 and 32 are loosened by turning screws 25 and 33 and block 20 is lifted by turning screw 21, the metal at the weld line has cooled sufficiently to solidify. When the weld is complete, the article is removed from the mandrel 11.
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As indicated above, a uniform weld requires a sufficiently precise mounting or interlocking of the contiguous ends so that the softened and preferably molten metal can completely and instantaneously fill all the interstices between the ends of the sheet. Therefore, if the ends of the sheet are cut such that burrs appear, it may sometimes be desirable to grind them to a more precise shape before welding. In general, notches or teeth evenly distributed on the ends having a depth of about 0.25 mm, do not adversely affect the butt welding.
Such rough surfaces may even have an advantage in making a slight contact between the ends, since the small protrusions on one end come into contact with the protrusions or with the surface of the other end and establish between them individual metal bridges of size. very small diameter and therefore a resistor which allows welding current to pass and rapidly develops a high temperature. The protrusions melt almost immediately and flow into the interstices between the ends, which has the effect of facilitating their union.
Due to the action of the self-induction coil 46, the current exciting the electromagnet 35 is low at the beginning of the alternating current period. As a result * the ends are moved towards each other in light contact. The electrical resistance between the edges will thus be greater when the heating current begins to flow and the highest temperature will be developed instantaneously at this point. If, subsequently, the current increases,
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by energizing the electromagnet 35 and by strongly pressing the edges one center the other, these are heated by the concentrated heat thus developed in the vicinity of their melting point, that is to say at the proper welding temperature.
The blocks 15 and 20 press and cover the edges as well as the parts of the sheet behind them during the welding just described and prevent the access of ambient air and, therefore, the oxidation (combustion) of the edges at high temperature. these, especially if they are melted, tend to escape or spread and vaporize. The blocks 15 and 20 resting against the softened or molten edges, prevent or limit such flow as well as vaporization. The weld line material is therefore not deteriorated and, after cooling, a uniform and strong metal weld is obtained.
Lateral upset of the softened edges is also limited or prevented by blocks 15 and 20 pressed against the weld line from opposite sides with adjustable pressure; the blocks thus form the softened or molten metal, so that after cooling, the thickness of the joint will be equal to or only slightly exceed the thickness of the sheet. Slight upsetting to about 20% or more of the sheet thickness is sometimes desirable, if the joint is subsequently to be cold worked.
To achieve the effects described above, the forming and pressure-exerting blocks 15 and 20 must have a flat, smooth, low-friction pressing surface. The low heat conductivity of the material constituting these blocks protects the heated metal from
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line of contact of the ends of the sheet against cooling by the atmospheric air which surrounds it. The graphite which can be incorporated into or applied to the blocks acts as a solid lubricant facilitating the sliding of the movable sheet ends between the blocks 15 and 20.
If the graphite is burnt during the soldering process, particularly if the pressure surface of a block does not exactly conform to the surface of a sheet end and air can therefore enter between these surfaces , the developed carbon monoxide or dioxide will effectively protect the edges. high temperature of oxidation. Burnt graphite can be replaced either by diffusion of graphite contained in the material of the block towards its pressure surface, or by supplying graphite or a compound containing or releasing carbon.
If it is desired to achieve a melting action on the metallic material of the heated edges, the composition of the blocks should be chosen accordingly; compositions containing zirconium silicate or insoluble sodium silicate appear to be effective in this case and allow the combination and removal of slag and oxides, as well as forming a film on the hot metal, so that it remains stainless.
To ensure the welding of thin sheets along the entire length of their edges, it is important to use electrodes of a material of good heat conductivity which can be sufficiently spaced from the weld line so that they do not conduct heat. wool from the heated edges. On the other hand, an electrode should not be too far away from the weld line to prevent the ends of the thin flexible sheet from
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curl or warp when pressed together by the electrodes instead of the pressure acting on the heated edges, and to shorten the path of current through the ends of the sheet to the weld line and, therefore, avoid losses of electrical energy in them.
Electrodes made of metal and, in particular, of ferrous sheet material with a thickness of not more than 1.52 mm, are preferably spaced approximately 3.18 mm from the weld line: experience shows, however, that a uniform weld can be quickly and almost instantly achieved without raising the temperature of the sheet material above 3000 C. at a distance of about 0.25 mm from the weld line, so that a relatively large latitude is given to place the electrodes close to the weld line.
In order to achieve the instantaneous weld along the entire length of the edges, in contact, it is essential that the density of the heating current passing through these edges and through the weld line should be as uniform as possible over it. inexperience has shown that this effect can be achieved by forming the electrodes as shown in fig.
2 where. they are farther from the weld line in the center than at their ends. This prevents a concentration of the current towards the middle of the weld line.
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