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Brevet d'invention.
Fibres de verre et produits en fils à revêtements de verre.
Cette invention concerne des produits en forme de fila- ments, comprenant du verre, y compris des fibres de verre et une matière métallique en filament isolée par du verre, obtenue d'habitude par la fusion d'une source de métal, telle qu'un fil métallique, à l'intérieur d'un tube en verre, à proximité d'une source de chaleur et l'étirage conjoint du verre et du métal fondu, de manière à obtenir un très petit noyau de métal, sous la forme d'un fil fondu continu, à l'intérieur d'un filament de verre très fin constituant un isolement continu. La fibre de verre peut généralement se fabriquer par des techniques plus simples, impliquant essentiellement le chauffage et l'étirage d'un échantillon de verre approprié, ou bien par le filage ou l'extrusion de la masse fondue.
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La fabrication normale d'un fil fondu continu isolé par du verre est maintenant connue depuis plusieurs années, mais quoique donnant en général satisfaction, elle est affec- tée d'un certain nombre de défauts. Parmi ceux-ci, il est possible que le fil descendu dans le tube en verre se mette à vibrer, avec le résultat que le produit obtenu a des dimensions irrégulières ou même que le noyau métallique se brise. De même, le tube en verre a parfois, sur sa face intérieure, des défauts petits et absolument inaccessibles qui peuvent se propager dans le produit obtenu.
L'élimina- tion de'ces défauts est parfois impossible, car il arrive souvent qu'on ne peut les déceler facilement et en tout cas, leur élimination exige l'exécution d'une opération de polissage difficile, à l'intérieur du tube en verre, qui peut être d'une longueur considérable. En troisièmelieu;, il existe certains verres inhabituels ou spéciaux que l'on ne peut obtenir sous la forme de tubes qu'avec de grandes difficultés, si même la chose est possible, du fait que l'absence de demande pour les formes tabulaires de ces verres les rend extrêmement coûteuses. Certains métaux ne peuvent virtuellement s'obtenir sous la forme de fil, qui est nécessaire d'habitude pour obtenir des produits métalli- ques fondus continus isolés par du verre, en raison de la nature fragile de ces métaux.
L'invention cherche à vaincre ces défauts et à permettre la transformation de matières, même fragiles, en produits fondus continus, avec l'avantage . que 1'isolement, en verre renforce le noyau en métal fondu qui peut ainsi devenir relativement flexible, tandis que dans les formes plus épaisses et dans les dimensions habituelles des fils métalliques ordinaires étirés à la filière, la rupture ne pourrait être évitée et les matières seraient en pratique inutilisables.
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C'est un but de la présente invention d'apporter des perfectionnements au procède classique de fabrication des produits en fils métalliques isolés par le verre, de la fibre de verre et d'autres produits sous forme de filaments qui éliminent certains des défauts mentionnés ci-dessus, ou , même tous ceux-ci, et permettent d'obtenir d'autres améliora- tions.
Suivant cette invention, il est proposé un procédé pour la fabrication d'un produit composite en forme de filament, contenant du verre, et qui comprend la disposition d'une masse de verre, ayant initialement la forme d'un cône creux inversé, autour d'une matière à revêtir de verre, le chauffage d'au moins la partie de la masse de verre constituée par le sommet du cône, l'étirage vers le bas, à partir de cette région supérieure, d'un filament de verre chauffé entourant un noyau de matière en forme de filament et le refroidissement libre ou provoqué du produit résultant en forme de filament enrobé de verre.
Afin que l'invention puisse être facilement comprise, on se reportera aux dessins annexés, montrant sous une forme très schématique le procédé habituel de fabrication d'un fil fondu oontinu isolé par du verre et un certain Nombre des perfectionnements apportés à ces méthodes et aux méthodes analogues et qui constituent la présente invention.
En se reportant aux dessins :
La figure 1 illustre en une coupe schématique le procédé classique de fabrication d'un fil fondu contenu isolé;
La figure 2 est une vue similaire à la figure ls mais montrant une forme de mise en pratique du procédé perfectionné de la présente invention, où le verre se présente sous la forme d'un o8ne au lieu d'un tube;
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La figure 3 montre une modification du procédé de la figure 2, où. le verre est en forme de c8ne et où il en est de même pour le métal dont est fait le noyau du fil fondu;
La figure 4 montre une autre forme de mise en pratique du procédé de la figure 2, où un fil fondu à double revêtement est fabriqué en étirant un métal d'un c8ne métallique inté- rieur dans deux c8nes de verre concentriques;
La figure 5 montre le procédé de la figure 4, prévu pour être mis en pratique avec des tubes de verre plut8t qu'avec des cônes et où le fil est amené à la zone de chauffage à l'intérieur de deux tubes de verre concentriques:-
La figure 6 illustre une modification du procédé de la présente invention, utilisé pour la fabrication de fil fondu à deux noyaux, où deux ensembles concentriques fil/tube sont étirés ensemble dans la zone de chauffage;
La figure 7 illustre une modification du procédé de fabrication à double noyau de la figure 6, où le verre se trouve sous la forme d'un cône et où. les deux fils constituant les deux noyaux du produit sont séparés par une plaque de verre diamétrale, disposée à l'intérieur du cône;
La figure 8 illustre un procédé de fabrication d'un fil fondu coaxial, où. le noyau central et la oouche de verre qui l'entour sont eux-mêmes entourés par une gaine métallique, entourée à son tour d'un recouvrement extérieur en verre;
La figure 9 illustre schématiquement un procédé de mise en pratique de la présente invention, où. on utilise une méthode perfectionnée de refroidissement du fil fondu par l'eau.
La figure 10 illustre deux variantes de la présente invention, prévues pour la fabrication d'un fil fondu continu à partir de métaux qui subiraient une oxydation si on les utilisait dans le procédé de fabrication classique, ou qui exigent une atmosphère inerte ou spéciale.
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En se reportant à la figure 1, le procédé classique de fabrication d'un fil fondu continu isolé par du verre fait usage d'un fil métallique 10, en général disposé verticalement, placé à l'intérieur d'un tube vertical 11 ; le fil et le tube sont installés axialement au-dessus d'un radiateur électrique à induction désigné généralement par 12. Le radiateur prend, de préférence, la forme d'une bobine 14, placée à l'intérieur d'un logement annulaire en cuivre 15, formant lui-même le pourtour d'un disque concave 16 percé d'une ouverture centrale par laquelle le fil métallique revêtu est étiré.
Quand le radiateur à induction 12 est mis en marche et que le fil 10 avec le tube 11 sont descendus lentement, à des vitesses prédéterminées, il se forme, par fusion locale du fil 10, un globule 17 à l'intérieur d'une partie conique du tube en verre désignée par 18. Le fil étiré résultant est désigné généralement par 19. La caractéristi- que essentielle du procédé de chauffage est que le champ électrique dû à la bobine d'induction 14 provoque la lévitation du globule de métal 17 à l'intérieur du verre fondu dans la région 18; ceci a pour résultat la production d'un fil de métal étiré continu, fondu à l'intérieur de l'isolement en verre du produit 19.
Quoique ce procédé s'utilise d'ordinaire aujourd'hui dans la pratique, il est sujet aux inconvénients mentionnés précédemment.
En se reportant à la figure 2, on voit que celle-ci présente une forme particulière de la présente invention, où les pièces similaires à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes références. Dans cette forme d'exécution, le verre se présente sous la forme d'un cane creux inversé 20 (qui peut s'obtenir par une simple opération de compression à partir de verre en morceaux), que l'on descend dans 9.'espace délimité à l'intérieur de la bobine de chauffage 14 et le fil 10 est amené dans la région de son
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sommet creux puis fondu par le ohamp inductif pour former le globule 17.
La figure 3 montre une modification du procédé de la figure 2, où le verre pour le fil fondu 19 se présente sous la forme d'un cône creux inversé désigné par 20a. Le métal dont est étiré le noyau du produit 19 et qui fournit le globule métallique fondu 17 est lui-même amené sous la forme d'un c8ne creux 21 qui s'ajuste à l'intérieur du cône de verre 20a.
Dans les deux procédés illustrés aux figures 2 et 3 on peut employer des dispositifs d'alimentation du métal et du verre similaires à ceux utilisés dans le procédé classique, En raison de la quantité de verre (et de métal) relativement réduite contenue dans une longueur considérable de fil ou de fibre de verre, il est possible d'étirer les quantités nécessaires à de nombreuses applications, sans déplacer appréoiablement le cône de verre et, si nécessaire, en établissant de manière appropriée un gradient de tempéra- ture dans l'axe du sommet du cône, afin de pouvoir disposer d'une alimentation de verre fondu d'importance adéquate.
Dans une variante pour la production de fibres de verre enrobées, on peut employer le même procédé qu'aux figures 2 et 3, où l'on remplace le fil 10 par une tige de verre, ou le cône métallique 21 par un c8ne de verre. la figure 4 illustre une adaptation du procédé par cône inversé appliquée à la fabrication d'un fil fondu isolé pour des buts spéciaux où l'on désire, pour une raison ou pour une autre, avoir une seconde couche de verre autour de la chemise vitreuse ordinaire. Comme le montre la figure
4, le métal pour le noyau de fil fondu est amené dans la ré- gion où le globule fondu 17 se forme, sous la forme d'un c8ne métallique creux inversé 2ia, qui s'ajuste à l'intérieur d'un c8ne de verre similaire désigné généralement par 20b.
Le second verre destiné à la formation de la seconde gaine
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ou gaine extérieure du fil à double revêtement 22 est constitué par un troisième cône creux inversé 24. Quand le métal se trouvant dans le cône 21 est fondu pour former le globule 17, les deux c8nes de verre 20b et 24 sont fondus de manière à être étirés autour du noyau et former le fil à double enrobage 22 désiré.
L'avantage particulier obtenu avec le fil fondu à double enrobage tel que celui représenté en 22 à la figure 4, est qu'il évite les défauts de résistance qui se renoontrent parfois dans le fil classique à simple enrobage. Il est bien connu que l'on peut produire des fibres de verre ayant des résistances à la traction de l'ordre de 350 à 700 kg/mm2, mais ces résistances initiales à la traction diminuent rapidement sous l'effet de la corrosion atmosphérique qui amorce des défauts de surface dans le verre.
On a constaté que si l'on mesure la résistance mécanique de fils ordinaires simple enrobage peu après leur fabrication, celle-oi est de l'ordre mentionné ci-dessus et c'est seulement après un certain temps, quand les effets de la corrosion atmosphérique se sent manifestés, que l'on observe les résistances à la traction relativement faibles les plus usuelles.
Avec le procédé illustré à la figure 4, la gaine extérieure en verre, non fondue sur le verre du noyau, protège la gaine de verre intérieure contre la corrosion atmosphérique et ceci donne au fil 22 des résistances à la traction extrêmement élevées, de l'ordre indiqué plus haut. Un autre avantage est que plus le fil est résistant, plus il est facile à manipuler et à enrouler pour l'emmagasinage et le transport.
La figure 5 illustre la fabrication du fil à double enrobage 22 par l'emploi de deux tubes de verre concentriques. Dans ce procédé, le fil 10 arrangé verticalement est placé concentriquement à l'intérieur d'un tube en verre 11a, monté lui-même à l'intérieur d'un tube en verre extérieur 11b et cet
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ensemble est descendu lentement dans le radiateur électrique à induction 12. Les verres des tubes 11a et 11b sont fondus et étirés ensemble autour du globule métallique 17, pour former un fil à double enrobage désigné par 22.
La figure 6 illustre un autre perfectionnement de la présente invention où le produit fabriqué peut être considéré comme un fil à deux noyaux isolé par du verre.
Dans ce procédé, deux ensembles constitués d'un fil et d'un tube en verre sont avancée conjointement vers le centre d'un'unique dispositif de chauffage et étirés ensemble.
Le dispositif de chauffage 12 est du type illustré aux figures ; précédentes,et on lui fournit, de manière appropriée, suivant deux directives convergeant légèrement un premier ; fil 10c situé axialement à l'intérieur d'un premier tube en verre 11c ainsi qu'un second fil 10d, placé de la même manière à l'intérieur de son tube en verre 11d.
Les verres des deux tubes 11c et 11d devraient être compatibles. pans la zone de chauffage du dispositif 12, les deux fils 10o et 10d forment des globules métalliques respectifs 17c et 17d et les tubes en verre 11c et 11d sont fondus ensemble; on constate qu'à partir des globules métalliques 17c et 17d, sont étirés deux noyaux métalliques se trouvant à l'intérieur d'un unique tube en verre semblable à une tige, pour former un produit à deux noyaux enrobés dans le verre, comme indiqué en 25. Le noyau produit à partir du fil 10c est indiqué en 26o et celui qui provient du fil 10d est indiqué en 26d. On constate qu'avec un soin raisonnable et une vitesse appropriée des fils et des tubes, les deux noyaux 26c et 26d restent séparés et qu'ils n'ont pas tendance à se souder.
En outre, les deux tubes de verre sont fondus et étirés comme une simple tige, avec les deux noyaux à l'intérieur, de sorte que le fil a une section transversale généralement circulaire.
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Les fils enrobés à deux noyaux de ce genre trouvent un emploi considérable dans la fabrication des pièces détachées miniaturisées, telles que les thermocouples, les enroulements non inductifs, les lignes de transmission, les câbles de microphones, par exemple.
La figure 7 illustre une version modifiée du procédé de fabrication du fil 25 à deux noyaux, où les deux fils 10c et 10d sont amenés dans le sommet d'un unique cône oreux inversé 20 en un verre approprié. Ici, les fils fondent pour former les globules jumeaux 17c et 17d, dont les noyaux jumeaux du fil 25 sont étirés et fondus de la manière décrite à propos de la figure 6. Afin de maintenir les fils séparés et s'assurer que les deux noyaux ne se soudent pas, une plaque de verre triangulaire 27 est montée entre les fils 10c et 10d, diamétralement en travers du c8ne 20. On se rendra compte que pour que la méthode soit pratiquable, il est préférable que la cloison centrale 27 soit en un verre similaire à celui du cône 20.
Un autre perfectionnement par rapport au procédé classique réside généralement dans la fabrication de fils fondus isolés par du verre et revêtue d'un métal. Ce type de produit est en effet un câble coaxial miniature. La figure 8 illustré généralement une adaptation du procédé de la figure 3, à la fabrication de ce produit à gaine de métal.
Dans le procédé illustré à la figure 8, le fil central 10 est descendu dans la zone de chauffage d'un dispositif de chauffage à flamme, d'un moufle électrique ou d'un dispositif
12, constitué par la combinaison d'un chauffage à flamme et d'un moufle électrique, où se forme le globule métallique 17 qui sert à l'étirage du noyau fondu 29a du fil 28. La chemise de verre pour celui-ci est fournie par un cône de verre creux inversé 20c, disposé autour du fil 10 et fondu dans la zone de chauffage, tandis que le métal pour le
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gainage coaxial en métal du fil 28 provient d'un cône métallique creux inversé 21b qui entoure le cône de verre 20c.
Le c8ne métallique 21b est lui-même entouré par un cane de verre extérieur 30, qui fournit le verre protecteur ; extérieur recouvrant le fil 28. Le métal du c8ne 21b forme une gaine métallique tubulaire creuse indiquée en 29b à la figure 8.
En combinant les procédés de la figure 8 et ceux des figures 6 et 7, il est très possible de fabriquer un fil fondu isolé au verre, à deux noyaux et gainé de métal.
L'un des avantages du fil à gaine de métal est la possibilité de l'utiliser pour les divers produits décrits oi-dessus ainsi, que dans la fabrication des condensateurs. Un autre avantage est généralement la conservation, dans une mesure considérable, de la résistance du fil qui lui est communiquée , par le gainage métallique.
Un autre procédé modifié pour la fabrication d'un fil à gaine de métal est une adaptation du procédé illustré à la figure 5, où un tube de métal, destiné à former la gaine métallique, est disposé entre les tubes de verre 11a et
11b et étiré avec ceux-ci. D'autres modifications consistent en la fabrication d'un produit gainé de métal dont la couche extérieure est en métal et en outre d'un fil à double gaine de métal, consistant par exemple en un noyau métallique, une chemise de verre entourant celui-ci, une gaine en métal entourang la chemise de verre et une autre gaine en métal, en vue de la protection par exemple, qui entoure la première gaine métallique mais est séparée de celle-ci par une couche de verre.
L'apport d'une gaine métallique extérieure peut se faire dans un stade séparé du procédé, en étirant par exemple un produit fondu continu à noyaux jumelés et gainé de métal, ou une autre forme d'un tel produit, à travers un bourrelet de
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métal fondu alimenté de manière continue. La formation de ce bourrelet peut se réaliser facilement, en le disposant par exemple sur la lèvre d'un creuset dans lequel est fondu une quantité de métal appropriée, ou au moyen d'une formation hydraulique sur une surface d'une cuve de métal fondu, comme dans le cas, par exemple, du soudage d'un circuit imprimé.
Un autre perfectionnement de la présente invention consiste en l'emploi d'une variante de la forme de chauffage normale basée sur une bobine d'induction électrique annulaire.
Dans une certaine forme de l'invention; on emploie le chauffage au gaz et deux brûleurs classiques à flamme de gaz, ou un plus grand nombre de ceux-ci, sont arrangés de part et d'autre, ou autour de la zone de chauffage, de manière à obtenir le même effet de chauffage annulaire concentré qu'avec le dispositif à induction illustré en 12 dans les figures décrites précédemment.
Comme autre variante, on peut recourir à un four électrique de courte longueur, avec gradient thermique accentué. Ceci donne la même zone de chauffage annulaire concentré que l'un et l'autre des dispositifs mentionnés ci- dessus. Dans les procédés de chauffage modifiés de la présente invention que l'on vient de décrire, l'effet de lévitation provoqué par le champ inductif dans le procédé de chauffage classique n'existe pas et dans ce cas, la lévitation qui maintient le globule de métal fondu dans la situation posée appropriée est assurée par un arrangement adéquat du chauffage, de manière à communiquer au verre du tube ou du cône la viscosi- té requise.
Cet effet de lévitation peut être obtenu en combi- nant des dispositifs de chauffage qui comprennent un radiateur à induction et au moins un autre radiateur associé, fonctionnant suivant l'un des autres principes décrits.
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Un autre perfectionnement conforme à la présente inven- tion élimine un inconvénient que l'on rencontre parfois en utilisant le procédé de production classique des fils fondus.
Dans ce procédé, un stade habituel implique l'emploi de dispositifs refroidissant le fil étiré, avant son enroulement en bobine. Cet effet de refroidissement est assuré, dans le procédé classique, en faisant passer le produit dans un tube annulaire dont la partie intérieure est munie de trous et auquel est amené l'eau de refroidissement; un certain nombre de jets dirigés vers l'intérieur sortent des trous dans le tube annulaire et le fil est ainsi refroidi par ces jets formés à la fois d'eau et d'air dirigés de tous cotés vers lui.
Un inconvénient de cette technique est qu'il est nécessaire de commencer la fabrication par l'étirage de la première partie du fil à travers le tube ou la bague .de refroidissement, ce qui représente un obstacle incommode rendant difficile le réglage de la machine à étirer le fil.
Suivant une caractéristique de la présente invention, le refroidissement est assuré au moyen d'un appareil illustré à la figure 9. Celui-ci consiste essentiellement en un tuyau d'admission 31, alimenté en eau de refroidissement, ou en un autre fluide, comme indiqué par la flèche 32, et se terminant dans une tuyère 34 dirigée contre le fil descendant
19. L'eau de refroidissement sort de cette tuyère 34 dans le sens de la flèche 35.
Le tube 31 est monté en vue d'un mouvement de pivotement en l'installant par exemple sur une tige verticale 36 portant un support 37 équipé d'une poulie 38,
Cette dernière présente une périphérie rainurée, comme indiqué ' en 39, qui forme un chenal en U dans lequel est guidé le fil- fondu; la poulie 38 offre ainsi un appui réeistant au déplace- ment provoqué par le jet sortant de la tuyère 34. l'ensemble de l'appareil pivote autour de l'axe de la tige 36, comme indiqué
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par la flèche 40, et peut se déplacer rapidement vers le coté, lorsqu'on commence la production, de manière à. ne pas constituer un obstacle au premier étirage du produit et 4 l'amorçage du processus de fabrication.
Quand on a étiré le premier fil et qu'on désire faire usage de l'appareil de refroidissement, on fait simplement pivoter celui-ci en place et l'on dispose 'le fil 19 dans la rainure 39 de la poulie 38.
Une variante du procédé de refroidissement qui, à nouveau, évite les inconvénients du dispositif de refroidis- sement annulaire classique est utilisée avec la présente invention et consiste essentiellement en un dispositif établis- sant un champ électrostatique le long d'une partie du produit étiré. Ceci se réalise de manière commode, en appliquant une tension appropriée entre le fil ou la tige formant le globule métallique à partir duquel est étiré le noyau fondu du fil et en amenant l'eau de refroidissement par la tuyère 34 par exemple. Le champ électrostatique établi par la différence de potentiel a pour effet d'augmenter la viscosité du verre sans abaisser la température.
Ceci empêche le verre de s'allonger pendant qu'il. est en cours de refroidissement et peut également s'utiliser pour la production de fils dans des dimensions qu'on ne peut pas obtenir aussi facilement avec d'autresformes de refroidissement. L'invention peut être mise en pratique en combinant le refroidissement par l'air et par l'eau et l'effet d'électroviscosité.
L'invention consiste également en d'autres perfectionne- ments, intéressant en particulier la production de fils fondus isolés dans lesquels le ou les noyaux sont en un métal exigeant d'être traité dans une atmosphère inerte afin, par exemple, d'éviter son oxydation.
La figure 10 des dessins annexés illustre deux variantes
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pour la mise en pratique des perfectionnements de la présente inventi.on; celles-ci sont illustrées à propos du procédé de fabrication classique utilisant un tube en verre avec tige métallique axiale, les deux étant étirés dans une bague de chauffage par induction. Comme le montre la figure 10, un fil métallique 10e est amené dans l'axe d'un tube en verre 11e placé dans un diepositif de chauffage par induction 12, ou un dispositif de chauffage d'un autre type, où le champ électrostatique de lévitation et l'effet de chauffage provoquent la formation à partir du fil 10e, d'un globule métallique suspendu 17e qui est étiré avec le verre pour obte- nir le fil fondu 19.
Pour constituer une atmosphère inerte autour du globule 17e et ainsi éviter l'oxydation ainsi que d'autres effets indésirables de la chaleur sur le métal du fil 10e, une branche latérale 41 est prévue dans le tube de verre 11e et un gaz approprié est amené à l'intérieur de celui-ci, comme le montre la flèche 42. Ce gaz peut être de l'argon ou de l'azote, qui ne réagissent pas sur le métal formant le globule 17e. En pratique, il y a avantage à séparer du tube la pièce en T constituant la partie supérieure du tube 11e 0.et sa branche latérale 41 et à les assembler de manière amovible avec celui-ci, qui contient le globule17e et fournit l'isolement du noyau fondu, afin que cette pièce en T constitue un support normalisé pour une série de tubes de verre ordinaire.
En vue d'empêcher les fuites de gaz de l'intérieur du tube en verre 11e, un joint désigné générale- ment par 44 est ajusté dans l'extrémité supérieure ouverte du tube 11e et on y fait passer le fil 10e. Il est possible de prévoir un certain nombre de dispositions simples, pour être certain que le joint 44 reste en place. Par exemple, ce joint 44 peut être constitué par un tampon de coton, illustré à la figure 10, qui conservera sa position s'il
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est bourré dans les tubes de manière suffisamment serrée.
En variante, on peut appliquer un adhésif ou une matière similaire à l'intérieur du tube 11e afin de maintenir le joint 44 en position. Ce joint peut aussi prendre la forme d'un presse-étoupe ou d'un tampon en caoutchouc, aveo un trou central convenablement graissé, dans lequel on fait passer le fil 10e.
Dans une autre disposition illustrée également à la figure 10, le joint 44 est supprimé et dans le cas où le gaz employé est l'hydrogène, le gaz de ville, le méthane ou un autre gaz inerte mais inflammable, on permet à celui-ci dé s'échapper de l'extrémité ouverte du tube 11e en contrôlant cet échappement en enflammant le gaz comme indiqué par la flamme 45.
Une troisième possibilité d'assurer une atmosphère inerte appropriée autour du globule 17e est de fermer le tube 11e en insérant, par exemple, un bouchon dans son ouverture normalement ouverte et en commandant électromagnéti- quement l'avance du fil 10e. On peut, par exemple, disposer un électroaimant pour se déplacer près du tube et parallèle- ment à celui-ci, afin de faire avancer le fil 10e à la vitesse requise pour alimenter de manière continue le globule 17e.
Si, comme c'est souvent le cas, le fil n'est pas lui-même ferro-magnétique, on peut fixer à celui-ci, dans une position appropriée, une petite pointe ou un petit bloc ferro-magnétique de manière qu'il soit influencé par les lignes de force magnétiques.
Dans l'un quelconque des procédés ci-dessus, impliquant l'emploi d'un gaz inerte, on notera que la pression à l'intérieur du tube en verre a un effet sur la position verticale du globule 17e par rapport aux éléments qui l'entourent et ceci offre une nouvelle possibilité de contrôler les dimensions du fil obtenu.
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Une quatrième possibilité d'empêcher la fuite de gaz constituant l'atmosphère inerte, consiste à éviter complètement le problème en scellant le fil à l'intérieur d'un tube en verre, avec une atmosphère inerte appropriée et en comptant sur les quantités de métal et de verre présents et sur l'atmosphère inerte pour permettre la fabrication de la quantité requile de fil.
L'invention consiste donc en un nombre considérable de perfectionnements décisifs, apportés au procédé classique de fabrication de produits en verre et de fils fondus enrobés de verre, sous forme de filaments, qui permettent la fabrication de ces matériaux utiles d'une manière plus facile et suivant des spécifications plus sévères, tout en rendant possible la production de fibres de verre enrobées de fils fondus à simple et à double enrobage à noyaux jumelés, ainsi que d'autres formes spéciales, y compris celles dans lesquelles une ou plusieurs des pièces en verre sont d'un type spécial. L'invention permet également l'obtention de ces produits à partir de métaux qui réagissent normalement avec l'oxygène ou les autres oonstituants de l'atmosphère.
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Patent.
Glass fibers and yarn products with glass coverings.
This invention relates to filament-shaped products comprising glass including glass fibers and glass insulated filament metallic material, usually obtained by melting a source of metal, such as. a metal wire, inside a glass tube, near a heat source and the joint drawing of the glass and the molten metal, so as to obtain a very small metal core, in the form of 'a continuous molten wire, inside a very fine glass filament constituting a continuous insulation. Fiberglass can generally be made by simpler techniques, essentially involving heating and stretching a suitable glass sample, or by spinning or extruding the melt.
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The normal manufacture of continuous molten glass insulated wire has now been known for several years, but although generally satisfactory, it suffers from a number of shortcomings. Among these, it is possible that the wire descended into the glass tube starts to vibrate, with the result that the product obtained has irregular dimensions or even that the metal core breaks. Likewise, the glass tube sometimes has, on its inner face, small and absolutely inaccessible defects which can propagate into the product obtained.
The elimination of these defects is sometimes impossible, because it often happens that they cannot be easily detected and in any case, their elimination requires the execution of a difficult polishing operation, inside the tube. made of glass, which can be of considerable length. Thirdly, there are some unusual or special glasses which can only be obtained in the form of tubes with great difficulty, if even possible, due to the fact that the lack of demand for the tabular forms of these glasses make them extremely expensive. Some metals cannot virtually be obtained in the form of wire, which is usually necessary to obtain continuous molten metal products insulated by glass, due to the brittle nature of these metals.
The invention seeks to overcome these defects and to allow the transformation of materials, even fragile ones, into continuous molten products, with the advantage. that the glass insulation strengthens the molten metal core which can thus become relatively flexible, while in thicker shapes and in the usual dimensions of ordinary wire drawn wire, breakage could not be avoided and the materials would in practice be unusable.
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It is an object of the present invention to provide improvements to the conventional method of manufacturing glass-insulated metal wire products, fiberglass and other filament products which eliminate some of the defects mentioned herein. above, or even all of these, and provide further improvements.
According to this invention, there is provided a process for the manufacture of a composite product in the form of a filament, containing glass, and which comprises arranging a mass of glass, initially having the shape of an inverted hollow cone, around of a material to be coated with glass, heating at least that part of the mass of glass formed by the top of the cone, drawing downwards from this upper region a heated glass filament surrounding a core of filament-like material and free or induced cooling of the resulting glass-coated filament-like product.
In order that the invention may be easily understood, reference is made to the appended drawings, showing in a very schematic form the usual process for the manufacture of a continuous molten wire insulated by glass and a certain number of the improvements made to these methods and to the analogous methods and which constitute the present invention.
Referring to the drawings:
Figure 1 illustrates in a schematic section the conventional method of manufacturing an insulated contained molten wire;
Figure 2 is a view similar to Figure 1s but showing one embodiment of the improved method of the present invention, where the glass is in the form of an o8ne instead of a tube;
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Figure 3 shows a modification of the method of Figure 2, where. the glass is c8ne-shaped and where it is the same for the metal of which the core of the molten wire is made;
Figure 4 shows another embodiment of the process of Figure 2, where a double coated molten wire is made by stretching metal from an inner metal cone into two concentric glass cones;
Figure 5 shows the process of Figure 4, intended to be practiced with glass tubes rather than cones and where the wire is fed to the heating zone inside two concentric glass tubes: -
Fig. 6 illustrates a modification of the process of the present invention, used for the manufacture of two-core molten wire, where two concentric wire / tube assemblies are drawn together in the heating zone;
Figure 7 illustrates a modification of the dual core manufacturing process of Figure 6, where the glass is in the form of a cone and where. the two wires constituting the two cores of the product are separated by a diametrical glass plate, placed inside the cone;
Figure 8 illustrates a method of making a coaxial molten wire, where. the central core and the glass layer which surrounds it are themselves surrounded by a metal sheath, in turn surrounded by an external glass covering;
Figure 9 schematically illustrates a method of practicing the present invention, where. an improved method of cooling the molten wire with water is used.
Fig. 10 illustrates two variations of the present invention, intended for the manufacture of a continuous melt wire from metals which would undergo oxidation if used in the conventional manufacturing process, or which require an inert or special atmosphere.
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Referring to Figure 1, the conventional method of manufacturing a continuous molten glass insulated wire makes use of a metal wire 10, generally arranged vertically, placed inside a vertical tube 11; the wire and the tube are installed axially above an electric induction heater generally designated by 12. The heater preferably takes the form of a coil 14, placed inside an annular copper housing 15, itself forming the periphery of a concave disc 16 pierced with a central opening through which the coated metal wire is drawn.
When the induction heater 12 is turned on and the wire 10 with the tube 11 have descended slowly, at predetermined speeds, there is formed, by local melting of the wire 10, a globule 17 inside a part conical glass tube designated 18. The resulting drawn wire is generally designated 19. The essential feature of the heating process is that the electric field due to the induction coil 14 causes the metal globule 17 to levitate. the interior of the molten glass in region 18; this results in the production of a continuous drawn metal wire melted within the glass insulation of product 19.
Although this method is usually used in practice today, it is subject to the drawbacks mentioned above.
Referring to FIG. 2, it can be seen that the latter has a particular form of the present invention, where parts similar to those of FIG. 1 are designated by the same references. In this embodiment, the glass is in the form of an inverted hollow cane 20 (which can be obtained by a simple compression operation from broken glass), which is lowered into 9. ' delimited space inside the heating coil 14 and the wire 10 is brought into the region of its
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hollow top then melted by the inductive field to form the globule 17.
Figure 3 shows a modification of the process of Figure 2, where the glass for the molten wire 19 is in the form of an inverted hollow cone denoted by 20a. The metal from which the core of the product 19 is drawn and which provides the molten metal globule 17 is itself supplied in the form of a hollow cone 21 which fits inside the glass cone 20a.
In the two processes illustrated in Figures 2 and 3, metal and glass feed devices similar to those used in the conventional process can be employed, due to the relatively small amount of glass (and metal) contained in one length considerable amount of yarn or fiberglass, it is possible to stretch the quantities needed for many applications, without appreciably moving the glass cone and, if necessary, by appropriately establishing a temperature gradient in the axis from the top of the cone, in order to have a supply of molten glass of adequate size.
In a variant for the production of coated glass fibers, the same process can be used as in Figures 2 and 3, where the wire 10 is replaced by a glass rod, or the metal cone 21 by a glass cone. . Figure 4 illustrates an adaptation of the inverted cone process applied to the manufacture of an insulated molten wire for special purposes where it is desired, for one reason or another, to have a second layer of glass around the glass jacket ordinary. As shown in figure
4, the metal for the molten wire core is fed into the region where the molten globule 17 forms, in the form of an inverted hollow metal cone 2ia, which fits inside a cone of. similar glass generally designated 20b.
The second glass intended for the formation of the second sheath
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or outer sheath of the double-coated wire 22 is constituted by a third inverted hollow cone 24. When the metal in the cone 21 is melted to form the globule 17, the two glass cones 20b and 24 are melted so as to be drawn around the core and form the desired double coated wire 22.
The particular advantage obtained with the melted wire with double coating such as that shown at 22 in FIG. 4, is that it avoids the resistance defects which are sometimes encountered in the conventional single coated wire. It is well known that one can produce glass fibers having tensile strengths of the order of 350 to 700 kg / mm2, but these initial tensile strengths decrease rapidly under the effect of atmospheric corrosion which initiation of surface defects in the glass.
It has been found that if one measures the mechanical strength of ordinary single coated wires soon after their manufacture, this is of the order mentioned above and it is only after a certain time, when the effects of corrosion atmospheric feels manifested, that we observe the most usual relatively low tensile strengths.
With the process illustrated in Figure 4, the outer glass sheath, unmelted on the core glass, protects the inner glass sheath against atmospheric corrosion and this gives the wire 22 extremely high tensile strengths. order listed above. Another advantage is that the stronger the wire, the easier it is to handle and wind up for storage and transport.
FIG. 5 illustrates the manufacture of the double coated wire 22 by the use of two concentric glass tubes. In this method, the vertically arranged wire 10 is placed concentrically inside a glass tube 11a, itself mounted inside an outer glass tube 11b and this
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together is slowly lowered into the electric induction heater 12. The glasses of the tubes 11a and 11b are melted and drawn together around the metallic globule 17, to form a double coated wire designated by 22.
Figure 6 illustrates a further improvement of the present invention where the produced product can be viewed as a glass insulated two-core wire.
In this method, two assemblies consisting of a wire and a glass tube are jointly advanced to the center of a single heater and drawn together.
The heating device 12 is of the type illustrated in the figures; previous ones, and it is suitably provided following two directives slightly converging a first; wire 10c located axially inside a first glass tube 11c as well as a second wire 10d, placed in the same way inside its glass tube 11d.
The glasses of the two tubes 11c and 11d should be compatible. Besides the heating zone of the device 12, the two wires 10o and 10d form respective metal globules 17c and 17d and the glass tubes 11c and 11d are melted together; it can be seen that from the metal globules 17c and 17d are drawn two metal cores lying inside a single glass tube similar to a rod, to form a product with two cores coated in the glass, as shown at 25. The core produced from yarn 10c is indicated at 26o and that which comes from yarn 10d is indicated at 26d. It can be seen that with reasonable care and appropriate speed of the wires and tubes, the two cores 26c and 26d remain separated and that they do not tend to weld together.
In addition, the two glass tubes are melted and drawn like a single rod, with the two cores inside, so that the wire has a generally circular cross section.
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Such two-core coated wires find considerable use in the manufacture of miniaturized spare parts, such as thermocouples, non-inductive windings, transmission lines, microphone cables, for example.
Figure 7 illustrates a modified version of the method of making the two-core wire 25, where the two wires 10c and 10d are fed into the apex of a single inverted oreux cone 20 of a suitable glass. Here, the wires melt to form the twin cells 17c and 17d, of which the twin cores of the wire 25 are drawn and melted in the manner described in connection with Fig. 6. In order to keep the wires separate and ensure that the two cores do not weld, a triangular glass plate 27 is mounted between the wires 10c and 10d, diametrically across the cone 20. It will be appreciated that for the method to be practicable, it is preferable that the central partition 27 is in one glass similar to that of cone 20.
Another improvement over the conventional process generally resides in the manufacture of molten wires insulated with glass and coated with a metal. This type of product is indeed a miniature coaxial cable. FIG. 8 generally illustrates an adaptation of the process of FIG. 3, to the manufacture of this product with a metal sheath.
In the method illustrated in Figure 8, the core wire 10 is lowered into the heating zone of a flame heater, an electric muffle or a device.
12, formed by the combination of a flame heater and an electric muffle, where the metallic globule 17 is formed which serves for drawing the molten core 29a of the wire 28. The glass jacket for the latter is provided. by an inverted hollow glass cone 20c, arranged around the wire 10 and melted in the heating zone, while the metal for the
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Coaxial metal sheathing of wire 28 originates from an inverted hollow metal cone 21b which surrounds glass cone 20c.
The metal cone 21b is itself surrounded by an outer glass rod 30, which provides the protective glass; outer covering wire 28. The metal of c8ne 21b forms a hollow tubular metal sheath indicated at 29b in figure 8.
By combining the methods of Figure 8 with those of Figures 6 and 7, it is very possible to fabricate a glass insulated, double core, metal sheathed molten wire.
One of the advantages of metal sheathed wire is that it can be used for the various products described above as well as in the manufacture of capacitors. Another advantage is generally the conservation, to a considerable extent, of the resistance of the wire communicated to it, by the metal sheathing.
Another modified process for the manufacture of a metal sheath wire is an adaptation of the process illustrated in Figure 5, where a metal tube, intended to form the metal sheath, is disposed between the glass tubes 11a and
11b and stretched with these. Further modifications consist of the manufacture of a metal-sheathed product having the outer layer of metal and furthermore of a double-sheathed metal wire, consisting for example of a metal core, a glass jacket surrounding it. Here, a metal sheath surrounds the glass jacket and another metal sheath, for the purpose of protection for example, which surrounds the first metal sheath but is separated therefrom by a layer of glass.
The provision of an outer metal sheath can be done in a separate stage of the process, for example by stretching a continuous metal-sheathed twin-core melt, or other form of such a product, through a bead.
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molten metal continuously fed. The formation of this bead can be carried out easily, for example by placing it on the lip of a crucible in which a suitable quantity of metal is molten, or by means of hydraulic formation on a surface of a molten metal tank. , as in the case, for example, of soldering a printed circuit.
Another improvement of the present invention is the use of a variation of the normal form of heating based on an annular electrical induction coil.
In some form of the invention; gas heating is employed and two conventional gas flame burners, or a greater number of them, are arranged on either side, or around the heating zone, so as to obtain the same effect of concentrated annular heating only with the induction device illustrated at 12 in the figures described above.
As another variant, it is possible to use an electric oven of short length, with an accentuated thermal gradient. This results in the same zone of concentrated ring heating as either of the devices mentioned above. In the modified heating methods of the present invention just described, the levitation effect caused by the inductive field in the conventional heating method does not exist and in this case the levitation which maintains the blood cell. molten metal in the proper posed situation is ensured by a suitable arrangement of the heating so as to impart the required viscosity to the glass of the tube or cone.
This levitating effect can be achieved by combining heaters which include an induction heater and at least one other associated heater, operating according to one of the other principles described.
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Another improvement in accordance with the present invention eliminates a drawback which is sometimes encountered in using the conventional process for producing molten wires.
In this process, a usual stage involves the use of devices cooling the drawn wire, before its winding into a coil. This cooling effect is ensured, in the conventional process, by passing the product through an annular tube, the inner part of which is provided with holes and to which the cooling water is supplied; a certain number of jets directed inwards come out of the holes in the annular tube and the wire is thus cooled by these jets formed at the same time of water and air directed from all sides towards it.
A disadvantage of this technique is that it is necessary to start manufacturing by stretching the first part of the yarn through the cooling tube or ring, which represents an inconvenient obstacle making it difficult to adjust the machine. stretch the thread.
According to one characteristic of the present invention, the cooling is provided by means of an apparatus illustrated in FIG. 9. This consists essentially of an intake pipe 31, supplied with cooling water, or with another fluid, such as indicated by the arrow 32, and ending in a nozzle 34 directed against the descending wire
19. The cooling water leaves this nozzle 34 in the direction of arrow 35.
The tube 31 is mounted for a pivoting movement by installing it for example on a vertical rod 36 carrying a support 37 equipped with a pulley 38,
The latter has a grooved periphery, as indicated at 39, which forms a U-shaped channel in which the molten wire is guided; the pulley 38 thus offers a support resistant to the displacement caused by the jet coming out of the nozzle 34. the whole of the apparatus pivots about the axis of the rod 36, as indicated
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by the arrow 40, and can move quickly to the side, when starting production, so as to. not constitute an obstacle to the first stretching of the product and 4 initiation of the manufacturing process.
When the first wire has been drawn and it is desired to make use of the cooling apparatus, it is simply rotated into place and the wire 19 is disposed in the groove 39 of the pulley 38.
A variation of the cooling process which again obviates the drawbacks of the conventional annular cooler is used with the present invention and consists essentially of a device establishing an electrostatic field along a portion of the stretched product. This is conveniently done by applying a suitable tension between the wire or the rod forming the metallic globule from which the molten core of the wire is drawn and by supplying the cooling water through the nozzle 34 for example. The electrostatic field established by the potential difference has the effect of increasing the viscosity of the glass without lowering the temperature.
This prevents the glass from stretching out while it. is in the process of cooling and can also be used for the production of yarns in dimensions that cannot be obtained as easily with other forms of cooling. The invention can be put into practice by combining air and water cooling and the effect of electroviscosity.
The invention also consists of other improvements, of particular interest in the production of insulated molten wires in which the core (s) are of a metal requiring to be treated in an inert atmosphere in order, for example, to avoid its formation. oxidation.
Figure 10 of the accompanying drawings illustrates two variants
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for the implementation of the improvements of the present inventi.on; these are illustrated with respect to the conventional manufacturing process using a glass tube with an axial metal rod, both being drawn in an induction heating ring. As shown in Fig. 10, a metal wire 10e is brought along the axis of a glass tube 11e placed in an induction heating device 12, or a heating device of another type, where the electrostatic field of Levitation and the heating effect cause the formation from the wire 10e of a suspended metallic globule 17e which is stretched with the glass to obtain the molten wire 19.
To provide an inert atmosphere around the globule 17e and thus avoid oxidation as well as other undesirable effects of heat on the metal of the wire 10e, a side branch 41 is provided in the glass tube 11e and a suitable gas is supplied. inside thereof, as shown by arrow 42. This gas can be argon or nitrogen, which does not react with the metal forming the 17th globule. In practice, it is advantageous to separate from the tube the T-piece constituting the upper part of the tube 11e 0. And its side branch 41 and to assemble them in a removable manner with the latter, which contains the globule 17e and provides the isolation. of the molten core, so that this T-piece provides a standard support for a series of ordinary glass tubes.
In order to prevent gas leakage from the interior of the glass tube 11e, a seal generally designated 44 is fitted in the open upper end of the tube 11e and the wire 10e is passed through it. It is possible to provide a number of simple arrangements, to be certain that the seal 44 remains in place. For example, this seal 44 may be constituted by a cotton pad, illustrated in FIG. 10, which will retain its position if it
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is stuffed into the tubes tight enough.
Alternatively, an adhesive or similar material can be applied to the interior of the tube 11e in order to hold the seal 44 in position. This seal can also take the form of a cable gland or a rubber buffer, with a central hole suitably greased, through which the thread 10e is passed.
In another arrangement also illustrated in FIG. 10, the seal 44 is omitted and in the case where the gas employed is hydrogen, town gas, methane or another inert but flammable gas, this is allowed d escape from the open end of the tube 11e by controlling this escape by igniting the gas as indicated by flame 45.
A third possibility of ensuring a suitable inert atmosphere around the cell 17e is to close the tube 11e by, for example, inserting a plug into its normally open opening and electromagnetically controlling the advance of the wire 10e. For example, an electromagnet can be arranged to move near and parallel to the tube, in order to advance the wire 10e at the speed required to continuously feed the cell 17e.
If, as is often the case, the wire is not itself ferro-magnetic, a small point or a small ferro-magnetic block can be attached thereto in a suitable position so that it is influenced by magnetic lines of force.
In any of the above methods, involving the use of an inert gas, it will be appreciated that the pressure inside the glass tube has an effect on the vertical position of the cell with respect to the elements which l 'surround and this offers a new possibility of controlling the dimensions of the resulting yarn.
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A fourth possibility of preventing the escape of gases constituting the inert atmosphere is to avoid the problem completely by sealing the wire inside a glass tube, with a suitable inert atmosphere and by relying on the quantities of metal. and glass present and on the inert atmosphere to allow fabrication of the required amount of wire.
The invention therefore consists of a considerable number of decisive improvements, made to the conventional method of manufacturing glass products and molten strands coated with glass, in the form of filaments, which allow the manufacture of these useful materials in an easier manner. and to more stringent specifications, while making possible the production of fused single and double coated twin-core fused glass fibers, as well as other special shapes, including those in which one or more of the pieces in glass are of a special type. The invention also makes it possible to obtain these products from metals which react normally with oxygen or other oonstituents in the atmosphere.