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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.
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