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THE BRITISH ALUMINIUM COMPANY LIMITED, résidant à LONDRES.
FEUILLE RAIDIE PAR DES NERVURES DANS LA MASSE.
La présente invention est relative à la production de matériaux en feuilles (on comprendra dans cette expression les matériaux en plaque) avec les métaux légers, aluminium, magnésium ou titane ou avec des alliages légers dans lesquels la partie la plus importante des constituants se compo- se de l'un ou de plusieurs de ces métaux, ces métaux et alliages étant dési- gnés ci-après par l'expression : "lesdits métaux ou alliages légers". L'in- vention s'applique plus particulièrement à la production avec ces métaux ou alliages de matériaux en feuille dont la résistance à la flexion et la rigidité sont accrues par la formation ou l'application d'éléments de rai- dissement sur une des faces de la feuille.
Ces matériaux en feuille ont une importance particulière pour la construction des avions et présentent également d'autres applications; on peut les diviser d'une manière générale en deux classes principales, à savoir, la classe des matériaux de fatigue utilisés pour fabriquer les or- ganes qui supportent l'effort principal dans la structure de l'avion et la classe des matériaux fatiguant peu employés pour le revêtement ou pour la protection des gouvernes, carénage et pièces analogues dans lesquelles c'est la rigidité et non la résistance qui est particulièrement recherchée.
Il est particulièrement désirable dans les deux classes de ces matériaux que les éléments de raidissement fassent intégralementpartie des parties en feuil- le de ces matériaux et ne leur soient pas fixés par des rivets ou par tout autre mode de fixation utilisant des pièces séparées.
Jusqu'à présent les matériaux appartenant à la classe de fatigue ont été produits avec des éléments de raidissement, généralement en forme de nervures,qui en font partie intégrale et qui sont obtenus par des opéra- tions de refoulement ou de forgeage ou par un usinage à partir d'une plaque épaisse :ces différentes opérations sont très peu économiques et de plus la dimension des pièces qui peuvent être obtenues par refoulement ou forgea-
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ge est très limitée.
D'un autre coté, la classe des matériaux fatiguant peu (dans lesquels l'épaisseur de la feuille peut être très faible et est en général inférieure à 2 mm 57) ne peut être produite de façon satisfaisan- te avec des nervures faisant partie intégrale avec la masse par aucun des procédés connus lorsque, ainsi que cela est le cas en général, le rapport entre la profondeur de la nervure et l'épaisseur de la feuille est supérieur à 2 ou environ.
Le refoulement et le forgeage ne peuvent être effectués quand cette épaisseur est faible, ..par exemple de l'ordre de 0,51 mmo et les produits qui sont obtenus par usinage sont sujets à présenter de sé- rieuses difficultés provenant de distorsions du fait de la libération des tensions internes dont il est impossible d'éviter la présence dans la pla- que dans laquelle la feuille à raidir est découpée; les tentatives faites pour obtenir la forme désirée à partir d'une feuille plus épaisse en employant des cylindres de laminoir à rainures n'ont pas été couronnées de succès dans les cas où: la profondeur des nervures est supérieure à deux fois l'épaisseur de la feuille.
Pour pouvoir être employées de façon satisfaisante dans les structures, il est nécessaire que dans les feuilles le rapport entre la pro- fondeur des nervures et l'épaisseur de la feuille soit relativement élevé, par exemple si l'épaisseur de la feuille est T, les nervures peuvent avoir une profondeur de 7 To Ces nervures peuvent avoir une largeur de 4T avec un espacement entre les nervures de 80 To
L'objet de la présente invention est de fournir un procédé per- fectionné permettant deproduire avec lesdits métaux ou alliages légers des matériaux en feuille dont les éléments de raidissement font intégralement partie, procédé qui sera d'une application économique,
qui peut être utili- sé pour la production des deux classes de matériaux tout en présentant une valeur particulière pour la production des matériaux de la classe fatiguant peu.
Conformément à la présente invention, le procédé pour produire des matériaux en feuille comprenant des éléments de raidissement faisant partie intégrale des dites feuilles à l'aide de métaux légers tels que l'a- luminium, le magnésium ou le titane ou d'alliages de ces métaux consiste à choisir une feuille de l'un de ces métaux ou alliages ayant une épaisseur légèrement plus grande que l'épaisseur finale désirée pour la partie en feuil- le du produit, à choisir un certain nombre d'éléments allongés ou en forme de tige, constitués par l'un desdits métaux ou alliages, à faire passer la feuille entre deux cylindres de laminoir qui travaillent en commun pour exer- cer une pression sur ladite feuille, l'un des cylindres portant sur son pour- tour des rainures qui correspondent chacune à une des formations de raidis- sement désirées sur le produit final,
chaque rainure ayant la même surface en section droite et la même forme que la formation correspondante, à faire passer les éléments en forme de tige en même temps que la feuille entre les cylindres du laminoir, de façon que chaque élément vienne en coïncidence avec une rainure appropriée, l'écartement des cylindres étant réglé de façon que ces cylindres réduisent la feuille à l'épaisseur finale voulue tout en soudant simultanément chaque élément en forme de tige avec ladite feuille.
Il est préférable d'effectuer les opérations de laminage à une température élevée qui sera néanmoins inférieure aux températures des points de fusion des métaux ou alliages employés. La feuille et l'élément ou les éléments en forme de tige sont de préférence introduits dans le sens de la longueur entre les cylindres du laminoir, l'élément ou les éléments en forme de tige étant perpendiculaires au plan qui contient les axes des cylindres, c'est-à-dire que ces éléments sont introduits dans le laminoir le long de la ligne de "passage", bien que la feuille et les éléments en forme de tige puissent néanmoins être présentés obliquement par rapport à cette ligne de passage si on le désire. Un nombre relativement considérable d'éléments peut être soudé avec une seule feuille, en une seule opération.
La longueur de la feuille;, ainsi raidie par des éléments qui en font partie intégrale, produite par ce procédé n'est limitée que par des raisons de commodité et le procédé peut être appliqué sans interruption aussi longtemps que les ma- tériaux appropriés seront introduits entre les cylindres.
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Les éléments en forme de tige peuvent être des fils métalliques ayant en section droite une forme circulaire ou toute autre forme appropriée bien que les nervures qui seront éventuellement produites sur les feuilles aient généralement en section droite une forme approximativement trapézoï- daleo La section droite de chaque élément a en général une surface supérieu- re à la surface de la nervure obtenue finalement. On doit comprendre que les cylindres, par la pression qu'ils exercent, entraînent une déformation des éléments qui doivent former les nervures pour leur donner la forme vou- lue tout en les soudant à la feuilleo
L'importance de la déformation effectuée localement à la réunion entre la feuille et la nervure correspondante dépend de la température à laquelle s'effectue l'opération de soudage.
Aux températures ordinaires, c'est-à-dire à la température ambiante, il est nécessaire de produire dans le laminage une déformation très importante des matériaux de départ, cette déformation pouvant atteindre 60% tandis qu'aux températures qui avoisinent le point de fusion du métal, une déformation aussi faible que 5% est suffi- sante pour produire une soudure satisfaisante. Le degré de propreté et en particulier l'absence complète d'oxyde sur les surfaces qui doivent venir au contact de la feuille et des éléments en forme de tige a également une action importante sur la facilité avec laquelle s'effectue la soudure et un degré de propreté plus poussé permet d'obtenir une soudure également sa- tisfaisante à une température qui sera inférieure à celle qui serait néces- saire par ailleurs.
Il est recommandé par conséquent de nettoyer très complètement la feuille et les éléments en forme de tige avant de les présenter aux cy- lindres du laminoir qui doivent les comprimer. Malgré la nécessité d'une grande propreté qui vient d'être indiquée, il est possible d'envoyer sur les cylindres un lubrifiantde façon à ne pas nuire à la soudure entre la feuille et les éléments en forme de tige tout en empêchant complètement la formation d'une soudure entre la feuille ou les éléments et les cylindres du laminoir.
La soudure n'est pas fâcheusement influencée par la réoxydation de la feuille et des éléments correspondants lorsque les températures de cette feuille et de ces éléments sont élevées rapidement et maintenues à leurs valeurs les plus élevées pendant une période de temps limitée avant que ces pièces ne soient introduites entre les cylindres.
On décrira ci-après différents exemples montrant comment l'in- vention peut être réalisée pratiquement, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels
La figo 1 est une élévation latérale et quelque peu schématique montrant la production d'une feuille d'un métal fatiguant peu avec des élé- ments de raidissement faisant partie intégrale de la masse et représente les matériaux de départ passant du dispositif de réchauffement préalable dans les cylindres qui lui appliqueront la pression voulue.
La figo 2 est une élévation en bout des cylindres montrant la feuille avec ses éléments de raidissement entre lesdits cylindres.
On doit comprendre que les proportions relatives des diamètres des cylindres et les éléments en forme de tige, comme l'épaisseur de la feuil- le, représentés dans ces figures ne correspondent pas à la réalité et qu'elles ont été choisies pour économiser de la place tout en représentant de façon adéquate l'invention. De plus, la feuille avec ses éléments de raidissement représentée dans la figo 2 n'a que trois nervures tandis que dans la prati- que le nombre de ces nervures peut varier considérablement.
Par exemple il peut y avoir jusqu'à 16 nervures réparties sur une feuille ayant Om60 de largea
On décrira tout d'abord d'une façon générale le matériel repré- senté dans les dessins, puis on donnera des exemples spécifiques de la façon dont ce matériel peut être utilisé pour la production de feuilles raidies par des éléments faisant partie intégrale desdites feuilles.
Dans l'exemple qui a été donné, un laminoir du type courant pou-
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vant entraîner de façon positive deux cylindres comporte un premier cylindre inférieur cylindrique et lisse 1 du type normal et un cylindre supérieur semblable 2 mais qui a été modifié par la formation d'une série de rainures périphériques 2a ayant chacune même forme et dimension en section droite que les nervures de raidissement 2!. qui doivent être obtenues sur le produit en feuille terminé S.
Un des cylindres ou, ainsi que cela a été représenté, les deux cylindres 1 et 2 sont munis d'une chemise chauffante 3 permettant de régler la température des cylindres et son gradient axial, c'est-à-dire fournissant ainsi toute cambrure thermique nécessaire, autrement dit, avec un départ initial à partir de la forme cylindrique, permettant un aplatisse- ment subséquent sous pression qui vient s'ajouter à toute cambrure permanen- te pouvant être produite pendant la marche des cylindres. La façon exacte de chauffer les cylindres 1 et 2 n'est pas une partie de la présente inven- tion et différents moyens connus peuvent être utilisés : on doit néanmoins préférer des coussinets chauffés par une résistance électrique parce que ceux-ci sont facilement réglables et ne risquent pas de souiller le maté- riau qui passe entre les cylindres.
Une température pour les cylindres com- prise entre 100 et 200 C est recommandée, mais des températures comprises dans un intervalle beaucoup plus grand sont également admissibles ; le choix sera déterminé par la température que l'on désire obtenir dans la feuille et dans les tiges à leur point de jonction, et la facilité du réglage de la forme du cylindre et par suite de l'aplatissement de la feuille nervurée, ainsi que cela est bien connu dans l'art du laminage des tôles.
Il est né- cessaire également que le lubrifiant soit réparti d'une façon uniforme sur les cylindres pour régler l'aplatissement du produit final et ce résultat sera obtenu au moyen de frotteurs absorbants 4 pressés contre les cylindres: il est bon que cette pression soit élevée de façon à éviter tous dépôts in- désirables sur les cylindres et plus particulièrement dans les rainures 2a.
Le réchauffage du matériau qui doit être laminé peut s'accomplir dans un réchauffeur à accumulation (représenté dans la fig. 1) et qui consis- te essentiellement en un bloc métallique 5 ayant une grande capacité thermi- que, entouré par une chemise isolante 6 et dans lequel est introduit un dis- positif de chauffage par résistance électrique 7. Un jeu de conduits longi- tudinaux 8, un pour chacune des tiges cylindriques 9 qui doivent être sou- dées à la feuille 10 pour produire la feuille nervurée S, a été ménagé dans le bloc 5, l'axe de chacun des conduits se trouvant dans le plan vertical mé- dian de l'une des rainures 2a et passant par la ligne de contact des cylin- dres du laminoir.
Un ajutage coaxial 11 est fixé à l'extrémité agrandie 8a de chaque conduit 8 et traverse la chemise 6 dans le voisinage des cylindres 1 et 2 sur la ligne de contact de faocn à diriger avec précision les tiges 9 vers les rainures 2a. Le diamètre d'un conduit 8 et du perçage dans l'a- jutage 11 n'est que légèrement supérieur,au diamètre de la tige 9, de sorte qu'il est possible de faire passer une quantité importante de chaleur du bloc 5 dans les tiges 9 assurant ainsi une pénétration précise de celles-ci dans les rainures 2. Au-dessous des conduits 8, une fente 12 pratiquée dans le bloc 5 permet le passage de la feuille 10 allant vers les cylindres 1 et 2, la chemise 6 portant une ouverture 12a correspondante.
Les dimensions de la fente 12 et de l'ouverture 12a ont été choisies de façon à laisser autour de la feuille un jeu qui sera plus grand que le jeu existant entre les tiges 9 et la paroi des conduits 8, attendu que le guidage latéral : de la feuille doit être réservé à la traction opérée par les cylindres du lami- noir, cette traction agissant seule ou avec l'aide d'une traction vers l'ar- rière appliquée au rouleau qui fournit la feuille. Les tiges 9 atteignent rapidement la température stationnaire du bloc 5 et la situation et l'isola- tion de la fente 12 sont choisies de façon à ce que la feuille 10 atteigne une température quelque peu inférieure. L'oxydation des tiges et de la feuille pendant leur séjour dans le réchauffeur peut être réduite en opérant dans celui-ci dans une atmosphère inerte mais cela n'est pas indispensable.
Avec l'installation qui vient d'être décrite il est possible de fabriquer des feuilles avec des éléments de raidissement dans la masse et présentant une grande variété d'épaisseurs, de formes des nervures et d'es- pacements entre ces nervures, (des cylindres rainurés de façon appropriée
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étant substitués dans ce but au cylindre 2 qui a été représenté) la surface inférieure de la feuille nervurée S étant très sensiblement unie et plate ainsi que cela est demandé pour les surfaces extérieures des avions et pour les autres genres de moyens de transport pour lesquels une faible résistance au courant d'air et un bon aspect extérieur sont requis.
La seule limite à la largeur ou à la longueur du produit nervure est déterminée par la limi- te de largeur des cylindres de laminoir disponibles et des grands rouleaux portant les feuilles.
Le procédé conforme à l'invention présente également l'avantage qu'il est possible d'employer en combinaison plusieurs des métaux ou alliages spécifiés, un métal ou un alliage étant employé pour la feuille et un autre métal ou alliage étant employé pour les tiges, quoi qu'il soit en général meilleur pour la qualité de la soudure d'employer le métal le plus dur dans la paire de métaux ou alliages pour les éléments en forme de tige. Cette dureté plus grande peut également être obtenue en'travaillant préalablement à froid les éléments en forme de tige ou bien en travaillant préalablement à froid les éléments en forme de tige d'une manière plus poussée que la feuil- le.
Ces préférences néanmoins n'excluent pas la possibilité d'employer un même métal ou alliage pour la feuille et pour les éléments en forme de tige ou bien d'employer le métal ou alliage le plus dur pour la feuille.. On peut également employer un matériau composite ou un matériau revêtu d'un placage pour l'un ou l'autre des deux éléments qui constituent la feuille nervurée de façon à tirer profit de l'avantage connu d'une plus grande ré- sistance à la corrosion présentée par un métal ou alliage revêtu d'un placa- ge, si on le compare au même métal ou alliage sans placage.
Dans les exemples suivants on montrera comment une feuille fati- guant peu, raidie par des nervures dans la masse, peut être fabriquée confor- mément à la présente invention en employant comme matériaux initiaux des matériaux différents dans chaque exemple:
Dans chacun des cas, la portion finie en forme de feuille S' (voir fig. 2) doit porter une série de onze nervures longitudinales R espa- cées de 41 mml2 pour une largeur de la feuille de 462 mm6, la section droite d'une nervure présentant une largeur à la base de 3 mm85, une largeur de 2m05y6 à la hauteur de 3 mm6 et une section supérieure semi-circulaire superposée sur la section inférieure trapézoïdale de façon que la rainure ait une hau- teur maximum de 4 mm au-dessus de la surface supérieure de la feuille.
Dans le premier exemple, dans lequel la portion de feuille finie S' doit avoir une épaisseur de Omm82, les matériaux initiaux choisis sont une feuille 10 désignée dans la spécification britannique 1470 par SIC-0, (c'est-à-dire de l'aluminium à 99% de pureté et recuit), du fil métallique 9 dont la section droite a la forme d'un cercle, d'un diamètre de 4 mm523 et ayant la composition spécifiée dans les spécifications britanniques 1470 par NW3 (aluminium comprenant de 1,0 à 1,5% de manganèse) à l'état demi-dur Ces matériaux furent tout d'abord complètement dégraissés, puis les fils métalliques furent nettoyés par une immersion de 5 minutes dans une solution aqueuse de soude chauffée à 40 C, suivie d'un lavage complet tandis que la feuille était nettoyée par un grattage à la brosse, sur un coté seulement,;
dans une machine qui est employée de façon courante pour produire des feuil- les désignées comme ayant "l'apprêt du satin". Un jeu de onze fils métalli- ques 9 et une feuille 10 nettoyés ainsi que cela vient d'être décrit et cou- pés à une longueur de 1 m 52 sont introduits dans les conduits 8 et dans le passage 12 dans le bloc 5 du réchauffeur de la figo 1 qui dans le cas pré- sent a une longueur de 1 m 36. Le bloc 5 a préalablement été chauffé à une température de 3500C puis a été installé de façon que les conduits 8 soient en ligne avec les rainures 2a du cylindre 2 et que les ajutages 11 soient à une distance de 77 mm du point où les cylindres entrent en prise.
Les cylindres 1 et 2, faits de fer dur, ont une largeur de 1 m028 et un diamètre de Cm501; le cylindre 2 porte onze rainures 2a ayant la même section droite et le même espacement que les nervures R. Le cylindre 1 pré- sente une cambrure positive de 0,02 mm par rapport à son diamètre et le cylin-
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dre 2 est cylindrique. Les deux cylindres sont chauffés à une température de 110 C par les dispositifs de chauffage 3 et lubrifiés par un mince rêvé - tement de l'huile Gulf M5.
Après avoir séjourné pendant deux minutes dans le réchauffeur la feuille 10 est poussée en prise entre les cylindres, les cylindres 1 et 2 sont mis en marche pour tourner dans les' directions indiquées par les flè- ches de la fig. 1, le jeu de fils métalliques 9 est alors poussé dans les rainures 2a. Les cylindres ayant été au préalable installés à un intervalle tel que la pression résultante réduise l'épaisseur finale de la feuille 10 à 0 mm82,sont mis en rotation à la vitesse de 12 tours à la minute. Au cours de leur passage entre les cylindres, les fils métalliques 9 sont'dé- formés pour prendre la forme des nervures R, la feuille 10 amincie jusqu'à l'épaisseur de la portion de feuille S' et les fils métalliques soudés à cette feuille pour produire à la sortie de l'appareil la feuille S raidie par des nervures dans la masse.
11 convient de noter que l'allongement produit pour la feuille 10 et pour les fils métalliques 9 pendant l'opération de soudure est unifor- me et que la partie en feuille S' du produit final S est très sensiblement plate et sans déformation.
Le second exemple montre comment une feuille pour un travail léger, intégralement raidie par des nervures dans la masse peut être fabri- quée pour avoir la même forme finale que la feuille du précédent exemple, mais avec une épaisseur pour la partie en feuille S' de 0,436 mm, avec em- ploi d'alliages plus résistants.
Dans cet exemple les matériaux de départ sont : une feuille désignée dans les spécifications britanniques par H C 15 (alliage dans le- quel le cuivre est appris à raison de 3,5 à 4,8 %, le magnésium en quantité inférieure à 0, 6 %, le silicium en quantité inférieure à 1,5%, le f er en quantité inférieure à 1%, le manganèse en quantité inférieure à 1,2%, le reste étant composé d'aluminium) avec une épaisseur de placage de 10%, le fil métallique étant de section circulaire avec un diamètre de 4 mm47 et la composition spécifiée dans les spécifications britanniques par M W 4, (c'est- à-dire un alliage d'aluminium avec une quantité de magnésium comprise entre 1,75 et 2,75%)
La feuille est recuite et le fil métallique est trempé demi- dur.
Ces matériaux sont nettoyés, réchauffés et laminés comme dans l'exemple 1 avec les légères différences suivantes.
La température du réchauffeur est de 450 et la période pendant laquelle les matériaux initiaux sont maintenus au repos dans le réchauffeur est portée à 4 minutes. Les cylindres 1 et 2 sont chauffés à une températu- re de 120 C et sont lubrifiés avec du graphite colloïdal en dispersion aqueu- se, ces cylindres étant bien entendu disposés à l'avanceà un intervalle tel que la pression résultante sur la feuille réduira l'épaisseur de celle-ci à 0,436 mm.
Dans une variante le matériau en feuille initial peut avoir une épaisseur de Omm385, l'épaisseur finale de la partie en feuille du produit nervureétant alors de 0,321 mmo
Un troisième exemple montre comment une feuille pour une fatigue légère avec des nervures de raidissement dans la masse peut être fabriquée pour avoir la même forme finale que les feuilles des exemples précédents, mais avec une épaisseur pour la partie en feuille S' de 0 m77, en employant pour la feuille un 'alliage à base de magnésium et pour les fils métalliques un alliage à base d'aluminium.
Les matériaux initiaux choisis pour cet emploi sont une feuille spécifiée par 120 A dans le "Department of Technical Development" à l'état de trempe douce avec une épaisseur de 0,925 mm, et un fil métallique de sec- tion circulaire ayant la composition désignée par N W S dans les British Spécifications (c'est-à-dire un alliage d'aluminium contenant de 1,0 à 1,5%
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de manganèse), à l'état de trempe demi-dure, avec un diamètre de 4mm36.
Les mêmes opérations de nettoyage, de réchauffage, de laminage, de chauffage des cylindres, de lubrification de ceux-ci sont effectués, ainsi qu'il a été décrit dans le second exsmple, mais la durée de préchauffage des matériaux est de 3 minutes, les cylindres étant disposés à un intervalle tel que la pression résultante réduise la partie en feuille du produit fini à une épaisseur de 0,771 mm, les rouleaux tournant à une vitesse d'environ
8 tours à la minute.
Dans un quatrième exemple on montre comment une feuille raidie par des nervures dans la masse peut être faite avec la même forme finale que dans le premier exemple, mais avec une épaisseur pour la partie en feuil- le S' de lmm 182 en employant du titane pour la feuille et pour les fils mé- talliques..
Les matériaux initiaux choisis dans ce but sont une feuille de titane pur ayant une épaisseur de Imm285 et du fil métallique de titane pur, de section circulaire ayant un diamètre de 4mm266o Ces matériaux sont net- toyés par un grattage a la brosse ou à l'aide de papier émeri ou de toute autre méthode semblable connue et sont introduits dans un réchauffeur sembla- ble à celui qui a été représenté à la fig. 1, mais dans lequel on fait ré- gner une atmosphère inerte constituée par de l'argon, par exemple, pour évi- ter la réoxydation des surfaces qui viennent d'être nettoyées.
Le réchauf- feur est maintenu à une température comprise entre 700 C et 800 C et les matériaux initiaux sont maintenus au repos dans ce réchauffeur pendant une période d'environ 2 minutes avant d'être introduits entre les cylindres du laminoir.,
Les mêmes cylindres, la même température de cylindres, le même lubrifiant que ceux qui ont été décrits pour le second exemple sont employés, et les cylindres sont installés à une distance telle que la pression résul- tante réduira l'épaisseur de la portion en feuille du produit final à 1mm182.
Dans tous les exemples qui ont été décrits, le produit final ob- tenu est constitué par une feuille présentant sur une face des nervures de raidissement prises dans la masse, les bases de ces nervures étant soudées à la partie en feuille du produit nervure. Il arrive généralement que le matériau qui constitue la nervure R s'étale vers l'edtérieur sur les côtés de la nervure pendant l'application de la pression de soudage et forme une toile dont la face supérieure ou face visible est contenue dans le plan de la face correspondante de laportion en feuille S' de la feuille nervurée.
La face inférieure de cette toile se trouve au-dessous du niveau de la face supérieure de la portion en feuille et est également soudée au matériau qui constitue celle-ci sur à peu près la totalité de sa surface.
RESUMA.
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