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La présente invention a trait au soudage des métaux par l'arc électrique sous protection de gaz Inerte, avec fil électrode fusible, .Le principal objet de la présente invention est de réaliser un procédé de soudage à arcs multiples, avec électrodes fusibles, et avec protection par un gaz inerte, dans lequel le transfert du métal s'effectue en très fines gouttelettes, et qui soit applicable à l'exécution de travaux de rechargement,
Un autre but plus particulier est de permettre le dépota par soudage, d'une ceinture en fer doux, de bonne qualité, sur une surface courbe d'un métal ferreux, par exemple sur un obus d'artillerie.
Le but de l'invention et ses avantages et caractéris- tiques seront mis cn évidence par' la description qui suit et qui est accompagnée de dessins dans ieaqueia :
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La figure 1 est une vue sohématique d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention, dans son application au ceinturage d'un obus d'artillerie.
La figure 2 est une vue latérale schématique, par- tiellement en coupep montrant un fil électrode et un fil auxi- liaire de métal d'apport.
Le procédé de soudage à l'arc récemment mis au point ' arec électrode fusible et protection par gaz inerte, et décrit dans le brevet belge 1,la 493.266 a beaucoup,facilité le soudage de matériaux difficiles à souderp tels que l'aluminium, et a été largement utilisé pour la soudure de tels matériaux aussi bien que pour l'acier. Des recherches ultérieures ont été , fondait.. sur des variantes du procédé de base et sur d'autres procédés devant permettre la soudure avec des courants de s@u- dage autres que le courant continu à polarité inversa, c'est- à-dire avec fil électrode positif, la pièce à souder étant néga- tive.
Ainsi, dans les brevets belges No 513.739 et No
513.623, déposés au nom de la demanderesse, on a indiqué les prin- cipes du soudage avec des agents activants, permettant d'obtenir des fils activés pour le soudage en courant continu de polarité directe (fil électrode négatif) ou en courant alternatif. La présente invention est l'aboutissement de travaux portant d'une part sur le perfectionnement du procédé de base rappelé ci-dessu et d'autre part sur les procédés de revêtement ou rechargement par soudage, dans lesquels on cherche à déposer très rapidement une grande quantité de métal avec une dilution faible ou nulle du métal déposé avec celui de la pièce à revêtir.
Après de nom- breux essais, on a étudié les divers facteurs affectant la sta- bilité de l'arc, le transfert de métal, l'homogénéité du dépôt, la dilution, la vitesse de dépôt, l'absence de caniveaux, et on
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a abouti à un procédé pratique de revêtement, qui constitue un réel progrès. On a trouvé que des arcs indépendants, très peu espacés, de polarité opposée avec protection par gaz inerte, permettaient d'obtenir de manière très efficace et satisfaisante le transfert par pulvérisation du métal des deux fils électrode bain de fusion fusibles dans un/@@@@@@@ unique, lorsqu'au moins le fil négatif est activé.
Les éléments essentiels, dont la combinaison carac- térise la présente invention sont la polarité opposée des arcs, le transfert de métal par pulvérisation, une protection adéquate par gaz inerte et l'emploi de fils électrodes activés. La pola- rité opposée est réalisée de préférence en utilisant un courant alternatifo D'autres caractéristiques de l'invention, surtout pour les revêtements en acier,sont l'emploi comme gaz de pr@ tection d'argon avec 1 % d'oxygène et de fil électrode avec enro- bage de-carbonate de--rubidium,
Un des problèmes spécifiques auxquels s'adresse la présente invention est le ceinturage des obus d'artillerie.
La fixation mécanique de ceintures de cuivre ou d'alliage de cuivre sur les obus d'artillerie est un problème sérieux en temps de guerre quand l'approvisionnement en cuivre est limité. Ces cein- tures ont plusieurs autres inconvénients dont les deux plus im- portants sont le dessertissage accidentel:de ces bandes pendant le tir et le prix élevé du cuivre. On avait pensé que si lion pouvait obtenir, par soudage, un dép8t ferreux en forme de cein- ture sur l'obus d'artillerie, on éliminerait ces inconvénients, à condition de pouvoir mettre au point un procédé efficace.
Quelques-uns des problèmes que l'on avait prévus ou que l'on a rencontrés étaient la porosité, les fissures , une dureté exces- sive de la bande, des projections excessives au cours du soudage,
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et une vitesse de soudage relativement faible. Ces problèmes. relatifs au ceinturage ont été résolus par la combinaison de moyens qui caractérise la présente invention,, comme définie plus haut. La combinaison de deux arcs stables, de polarité opposée, avec protection par gaz inerte et l'emploi d'électrodes fusibles activées permet d'obtenir dans de bonnes conditions le transfert de métal par pulvérisation.
Des essais ponr effectuer le recou- vrement désiré sur les obus d'artillerie en acier calmé en uti- lisant un seul arc ne donnèrent pas entière satisfaction car la bande déposée était trop dure et la vitesse de soudage insuffisan- teo On voulait que le recouvrement désiré soit effectué en un seul tour de l'obus. On a ensuite pensé à utiliser deux arcs.Les recherches avec deux arcs ont montré que deux arcs très rappro- chés avec protection par gaz inerte à partir d'électrodes de fer fusibles ne pouvaient pas être utilisés pour ce travail de dé- pôt, si les arcs avaient la même polarité au même instant. Les deux arcs ont tendance à se combiner en un seul qui devient très instable et ingouvernable.
En utilisant des arcs de polarité opposée, tels qu'on les obtient en connectant les électrodes en série avec une source de courant alternatif, à tout instant un des ares a une polarité inverse tandis que l'autre a une polarité directe Les essais ont indiqué que la polarité inverse avec un seul arc donnait une plus grande pénétration que la polarité directes et contribuait ainsi à une dureté excessive du dép8t en raison de l'absorption de carbone et de manganèse provenant du métal de l'obus. Le fil électrode à polarité directe était naturellement enrobé avec un agent activant, selon la demande de brevet mentionnée plus haut.
On a déterminé qu'il était possible .d'établir deux arcs très rapprochés de polarité opposée sans que l'agent activant qui se trouve sur l'arc de polarité directe soit
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affecte par l'arc de polarité inverse. On obtient ainsi nn transfert de métal et une vitesse de fusion semblables à chaque arc. On a également trouvé qu'en enrobant les deux fils avec un agent activant, l'arc à polarité inverse produisait moins de dilution et présentait une différence de potentiel comparable à celle de la polarité directe en courant continu. Ainsi on obtenait l'égalisation de la pénétration de l'arc en utilisant deux fils électrodes activés.
Avec le courant alternatif, l'a- gent activant améliore aussi le rallumage de l'arc, de même qu'il facilite le transfert de métal pendant la période de po- larité directe. Le problème qui peut se poser d'une pénétration inégale due à des arcs de polarité opposée a été encore mini- misé suivant l'invention, en faisant osciller les deux fils d'électrode fusibles et les deux fils d'apport.
Le problème de la porosité dans le recouvrement d'obui d'artillerie avec une ceinture ductile est évident Si l'on con- sidère les compositions du matériau de recouvrement et de celui de l'obus. L'obus est en acier calmé. La composition chimique suivante est la composition type d'un corps d'obus en acier :
Carbone 0,50
Manganèse 0,88
Phosphore 0,013
Soufre 0,027
Silicium 0,15
La composition et-dessus montre quitl y a une quan- tité relativement grande de carbone, s'il s'agit d'aciers sou- dables. Le métal des fils d'apport ou de soudure doit donner nécessairement un dépôt ductile et doit donc être à bas car. hone.
Dans ce but on utilise du ter,à bas carbone tel que de l'acier non calmé, Le fil électrode et le fil d'apport @@t ent
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été utilisés avaient à peu près la composition suivant? :
Carbone 0,04
Manganèse 0,06
Phosphore 0,02
Soufre 0,02
Silicium 0,01
Puisque ce fil n'est pas désoxydé, il contient une quantité excessive d'oxygène disponible. Ainsi, l'obus apporte du carbone au bain de fusion, tandis que les fils de soudure y apportent de l'oxygène.
Dans ces conditions, le phénomène d'efréaction déga eant
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ferescence de l'acier (/carbone""1tk\t :-oxygène t.I:tI#xd:U4 1t de l'oxyde de carbone ou du gaz carbonique) peut facilement se pro- duire et doit être empêché de manière à éviter la porosité due à des bulles de gaz occluses. Ceci est obtenu par addition d'alu- minium sous forme d'un enrobage sur les fils auxiliaires qui alimentent la fusion. L'aluminium réagit de préférence avec l'oxygène puisque l'aluminium est un désoxydant énergique. Ces fils auxiliaires enrobés d'aluminium minimisent les projections qui se produisent parfois à l'arc de polarité directe.
Il y a un autre résultat favorable, et encore plus significatif,de l'apport d'aluminium au bain de fusion sous forme d'enrobage des fils
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auxiliair8,quànd la quantité d'aluminium est telle qu'il se forme une peau d'un oxyde d'aluminium complexe à la surface du bain de fusion, Le film visqueux d'oxyde d'aluminium permet le soudage quand le métal en fusion aurait normalement tendance couler par l'effet de la pesanteur (comme c'est le cas lorsqu'on exécute un déôt sur une surface courbe). De cette façon, on obtient une rétention du métal en fusion.
En se référant' aux figures 1 et 2 du dessin, on peut voir d'après la vue schématique qu'un obus d'artillerie 11 de 90 mm est monté horizontalement sur un dispositif analogue à un
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tour de façon à pouvoir tourner autour de son axe. L@ rotation se fait dans le sons des aiguilles d'une montre quand on regarde par -le bout droit de l'obus. Deux têtes de soudage automatiques avec gaz inerte et refroidissement à eau 13 et 15 sont placées au-dessus de l'obus et sont maintenues par un support 17 qui se règle de façon convenable. Deux dévidoirs de fils auxiliaires 21 et 23 sont placés derrière l'obus comme on le voit sur la figu- re 1 et sont également connectés de façon réglable au support par' un système de pinces 24.
Le support 17 est connecté à un méca- nisme oscillant 25 par la transmission 27 et ce support 17 est monté de façon à glisser sur la barre 29, de telle sorte que les tètes de soudage et les alimenteurs de fils oscillent ensemble, transversalement à la bande, pendant le dépôt de la ceinture 30.
Le mécanisme du tour comprend un moteur de ommande à vitesse variable 31 et une poupée 33, tous deux ayant les mé- canismes habituels de serrage de l'obus. L'obus est de préférence refroidi à l'eau comme il est indiqué schématiquement par les tuyaux d'arrivée d'eau 35 et de sortie 37,
Les têtes de soudage 13 et 15 fonctionnent de manière semblable à l'appareil qui -est décrit dans le brevet belge
N 193.363 mentionné plus haut. Puisque ces détails ne font pas partie de la présente invention, ils ne sont pas montrés en détail mais seulement schématiquement, Il suffit de savoir qu'il faut une grande vitesse de fil, une alimentation convenable du fil en courant de soudage et une protection convenable de l'arc.
Le courant de soudage passe par des transformateurs 41 et 43 mon- tés en série, ayant leurs enroulements primaires reliés au résea@ à 440 volts, et leurs secondaires donnant 150 volts en circuit ouvert. Il n'y @ pas de connection électrique sur l'obus. Les alimenteurs de fils auxiliaires 21 et 23, pour l'amenée des fila
39 ( voir figure 2) sont du type habituel utilisé pour l'amena@@
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du fil électrode dans le procédé à électrode fusible avec protec- tion par gaz inerte Seules les parties supérieures des alimen- teurs 21 et 23 apparaissent sur la figure 1.
Les têtes de soudage avec leurs équipements @ annexes sont telles qu'elles assurent la pro- tection, par un courant non turbulent de gaz inerte, du métal eu fusion, des arcs et des extrémités des fils électrodes, ainsi qu'un transfert par pulvérisation du métal qui est fondu au bout des fils.
Les fils électrodes 51,53 sortent d'environ 12,5 mm de l'orifice de la buse d'alimentation de.gaz des têtes de sou- dage 13 et 15. Les fils 51, 53 proviennent des rouleaux de fil
55 et 57 et sont tirés vers les têtes de soudage et poussés à travers les tubes de contact électrique 61 dans les têtes par les rouleaux entraîneurs 63. Le gaz de protection provient de la bouteille de gaz 65 par une conduite équipée de robinets dé- tendeurs appropriés. Les deux fils venant des transformateurs sont connectés aux têtes de soudage et d'autres connections (qui ne sont pas représentées) aboutissent aux tubes de contact 61.
En se référant à la figure 1, on peut voir que l'an- gle compris entre les file électrodes 51 et 53 .est d'environ 44 degréso La longueur moyenne des arcs verticaux est d'environ hauteur de
3 mmo La distance entre les côtés adjacents des arcs/Et la pièce ' à souder,est d'environ 12,5 mm. Avec ces spécifications de pola- rités, longueur d'arc, et espacement entre les plasmas d'arcs, on obtient.la caractéristique essentielle qui est le maintien d'arcs indépendants.
En se référant la figure 2, on peut voir. que les fils électrodes sont inclinés par rapport à la verticale d'environ 22 degrés et que la projection des axes des fils tombe sur l'obus de 90 mm en un point qui est légèrement en dehors de la génératrice du sommet. La distance horizontale d'un plan longi- tudinal vertical qui passe par le centre de l'obus et l'endroit
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où la projection de l'axe d'un fil électrode tombe sur la sur face de l'obus est d'environ 19 mm. Les 'kils auxiliaires 59 sont alimentés à l'ayant de la zone de soudage à un angle tel que le fil pénètre légèrement vers le ,tond du bain de fusion (non représenté).
D'après ce qui précède, on voit qu'il se forme des arcs indépendants de polarité opposée et qu'un fil auxiliaire est amené sur le bord antérieur du bain de fusion sous un faible angle, en direction du bas. L'amplitude de l'oscillation des arcs ou la course transversale est d'environ 2 cm. La fréquence préférée est 60-90 cycles par minute. La quantité de métal dé- posée est d'environ 10 kg par heure. Le recouvrement de l'obus s'effectue en une révolution en environ 1 minute 36 secondes.
Le recouvrement (ceinture) 30 mesure environ 38 mm de large et
3,2 mm d'épaisseur. On peut faire la bande plus large ou plus étroite si l'on veut.
Le fil électrode a été préparé en nettoyant le fil dans un bain acide électrolytique, en le lavant et le séchant, puis en le trempant dans un bain d'agent activant, carbonate de rubidium ( 25 grammes par litre d'eau distillée). Le fil a alors été séché dans un'courant d'air chaud. L'agent activant est un enrobage .conducteur de courant, très mince, qui modifie de façon convenable le transfert de métal et les caractéristiques de l'arc.
Il réduit aussi la pénétration avec la polarité inversée,,
En ce qui concerne le mode opératoire préféré pour déposer un large recouvrement en métal ferreux sur un obus d'ar- tillerie, deux têtes de soudage semi-automatiques aveo alimen- tation de fil oonstante, deux alimenteurs de fils auxiliaires et un mécanisme oscillant sont disposés comme il est montré sur le dessin. Les fils électrode sont des fils en acier extra-doux de 1,6 mm de diamètre, enrobés de carbonate de rubidium, qui
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est l'agent activant préféré. Les fils au@iliaires sont des fils en acier extra!-doux de 1, 6 mm de diamètre enrobés avec lp25 % en poids d'aluminium.
On utilise des fils enrobés d'aluminium dans le but de désoxyder le métal de la soudure et de former une peau d'oxyde qui réduit les projections et retient le métal de soudure fondu sur la surface courbe de l'obus. L'aluminium dorse aussi une bande plus carrée et plus plate, due au film visqueux.
Il faut une tension à vide de 110-150 volts pour amorcer et main- tenir les deux arcs alternatifs l'un en polarité inverse tandis que l'autre a une polarité directe. Aucune connection électrique n'est faite sur l'obus et l'obus ne devient une partie du circuit électrique que lorsque les arcs de soudage sont établis, Les ré- glages optima sont 320 ampères; 19-21 volts pour chaque arc
850 litres/heure d'argon à 1 % d'oxygène dans chaque tôte; ,45 mètres/minute pour la vitesse d'alimentation des fils électrodes ,et 2 mètres/minute pour les fils auxiliaires.
Avec les conditions préférées , les résultats ont été très satisfaisants. Le temps de soudage pour une bande de
38 mm de large et 3,2 mm d'épaisseur a été de 1,6 à 1,8 minutes.
La bande avait une dureté de surface moyenne Rockwell B d'environ 71. La dilution de la soudure ( rapport de l'aire de l'obus fond% à l'aire totale de métal fondu) était de 9,3 %. L'analyse chimi- que du métal déposé était d'environ ! : carbone- 0,065 %; manga. nèse 0,10 % ;aluminium- 0,33 % ; et oxyde d'aluminium-0,065 %.
Le métal déposé était sans porosité et l'on a obtenu un minimum de projections pendant l'opération de soudages La pénétration de la soudure sur toute la largeur de la bande était uniforme et le taux de dilution avec le métal de base était plus faible que celui obtenu par la plupart des autres procédés.
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L'étude des deux arcs de soudage par la cinématographie h grande vitesse a montre que l'on obtenait uno bonne stabilité de l'arc et un bon transfert de métal par pulvérisation.
Les films ont également montré que le bain de fusion était complètement désoxydé par l'addition de fils auxiliaires enrpbés d'aluminium et que le e métal de soudure était très calme et ne bouillait pas. La rétention du métal en fusion par le filta d'oxyde d'aluninium était bien visible. Il n'y avait pas de défauts sur les bords de la ceinture. Une production de 150 obus de 90 mm, exécutée suivant le mode opératoire indiqué ci-dessus a prouvé clairement que l'on pouvait déposer de façon constante des ceintures de rotation en métal non dur sans porosité et sans fissures.
Les quantités approximatives de fil et de gaz pour produire la ceinture décrite ci-dessus sur un obus de 90 mm ,sont 180 gr d'électrode enrobée d'agent activant; 90 gr de fil auxiliaire enrobé d'aluminium et 56 litres diargon à 1% d'oxygène.
Un autre fil auxiliaire approprié est le. fil d'acier désigné aux Etats-Unis sous l'appellation 1/2 T qui était enrobé d'aluminium et qui a la composition suivante :
Carbone 0,05
Manganèse 0,17
Phosphore 0,025
Soufre 0035
Silicium 0,03 On peut utiliser d'autres fils faible teneur en métalloïdes comme le fil auxiliaire ou fil électrode.
Un détail essentiel de la présente invention est le fait que les arcs sont essentiellement indépendants.
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Il faut noter que les axes des fils électrodes, si on les prolonge vers la pièce à souder, ne se croisent pas au- dessus de la pièce à souder. La répulsion entre les arcs de polarité opposée aide à empêcher la formation d'un arc unique, bien que, en fait, on obtienne les arcs indépendants par une disposition.. convenable des fils. La distance entre les bords adjacentsdes plasmas d'arcs est de préférence d'environ 12 mm. De plus il est en définitive préférable que les arcs indépendants soient bien verticaux, plutôt qu'inclinés l'un vers l'autre ou divergents.
On peut également obtenir la polarité opposée de la présente invention en utilisant du courant continu. Les autres détails sont les mêmes qu'avec les arcs en courant alternatif. Les circuits continus peuvent être 1) un circuit d'arcs en séries en courant continu et 2) un circuit d'arcs doubles en courant continu. De sème qu'avec la disposition préférée d'arcs en série en courant alternatif, on donne aux arcs encourant continu des polarités opposées en disposant convenablement les circuits. Un arc en courant continu est à polarité inverse et l'autre are est à polarité directe. Le circuit d'arc en séries avec courant continu est fait.en connectant le fil positif provenant d'un générateur approprié à une tête de soudage et le fil négatif à l'autre tête de soudage.
Avec ce circuit, on a. obtenu des résultats similaires à ceux du circuit alter- natif, quoique la dilution était un peu plus élevée qu'avec le courant alternatif. On rendait la vitesse de fusion de l'arc de polarité directe similaire à celle de l'arc de polarité inverse en enrobant le fil de polarité directe avec un agent activant.
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Le circuit d'arcs doubles en courant continu est produit en alimentant chaque tête de soudage avec une source différente de courant continu. Un conducteur de chaque source de puissance est connecté à chacun des fils électrodes de manière à donner des arcs de polarité opposée. Le deuxième conducteur de chaque générateur de soudage est connecté à l'obus. Des résultats comparables à ceux obtenus avec la méthode préférée en courant alternatif ont été obtenus quoiqu'il se produise de temps à autre des caniveaux sur les bords.et un mauvais mouillage du côté de l'électrode à polarité directe.
Avec les deux circuits en courant continu, le transfert de métal était effectué par l'arc de polarité direo-, te à partir d'un fil activé et l'arc de polarité inverse très proche mais indépendant, qui n'avaient pas d'effet nuisible l'un sur l'autre. De plus, l'agent activant sur le fil cathode permettait d'établir un arc ayant une tension similaire à celle de l'autre arc. Ces deux résultats ont été naturellement obte- nus par la méthode préférée d'arcs en série en courant alter- natif, comme on l'a dit ci-dessus. Avec ces circuits en couran@ continu, on a noté de nouveau que l'addition d'oxygène pour améliorer le mouillage n'avait pas d'effet contraire sur le transfert de métal.
On,doit noter que la présente invention peut être utilisée pour un dépôt de métal sur une plaque ou une sur. face horizontale, 'avec un mouvement relatif entre la plaque ou la surface plat et l'appareil de soudage. En travail pla@ les fils auxiliaires sont dirigés vers le fond du bain de fu- sien. Les fils électrodes sont alimentés verticalement dans le plan transversal mais sont inclinés par rapport à un plan perpendiculaire la direction/du cordon de soudure. On croit
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aussi que la présente invention peut être utilisée pour effec- tuer des soudures bout a bout et des soudures à clin.
L'utilité générale de la présente invention a été prouvée en exécutant des dépôts d'aciers au carbone de composi- tions variées sur d'autres aciers au carbone de nuances diffé- rentes, d'aciers inoxydables sur des aciers au carbone ou des aciers inoxydables, d'aciers fortement allïés sur des aciers au carboned'alliage nickel-cuivre et de nickel sur de l'acier au carbone. Le circuit en courant alternatif est préféré de même que le carbonate de rubidium comme agent activant. Les fils au- xiliaires sont enrobés d'aluminium uniquement quand on veut dé- soxyder la soudure ou obtenir une rétention du métal en fusion.
Tandis que l'invention est particulièrement utile pour le travail de revêtement sur métaux! ferreux, ainsi qu'il es.t décrit ci-dessus, elle peut aussi être utilisée dans d'autres buts et avec d'autres pièces à. souder, d'autres électrodes et d'autres métaux de fils alimenteurs.
Il est à noter que la forme préférée de la présente invention s'applique particulièrement au travail de revêtement 'puisque ce travail exige qu'il y ait un minimum de migration des éléments du métal de base dans le revêtement et- vice-versa.
Cette nécessite est évidente dans le ceinturage des'obus où la bande est en métal moins dur que l'obus ou lorsqu'on dépose un acier inoxydable et que le recouvrement doit rester résistant à la corrosiono Il semble que l'addition de fils auxiliaires minimise' la pénétration, de même qu'elle accroît la vitesse de dépôt Le mouvement oscillant de la tête de soudage aide à réduire la dilution et profit une action de mélange si bien que le .métal déposé est plus nniforme que lorsqu'on dépose un cordon rectiligne étroit Il est bien entendu que l'invention n'est pas limi- . tée 'aux formes spécifiques représentées et décrites ci-dessus mais comprend toutes les variantes qui pourront en être dérivées.