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"Perfectionnements à. la soudure'
La présente invention est relative à la fabrication des pièces entrant dans les constructions en tôle ou en bandes d'acier et concerne, tout spécialement, la fabrication des pièces entrant dans la construction des aéronefs en tôle d'acier inoxydable/
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D'autres applications viendront avec le temps mais, pour l'instant, l'invention est surtout applicable à la fabrication des carcasses d'aéronefs en acier inoxydable.
L'un des buts principaux de l'invention consiste à rendre la tôle d'acier applicable, d'une manière générale, aux poutrelles armées utilisées dans l'industrie des aéronefs, quels que soient d'ail- leurs les types auxquels appartiennent ces derniers.
Jusqu'à ce jour, l'emploi de l'acier a été extrême- ment limité. L'acier ordinaire ae corrodait avec une facilité extrême et malgré les précautions prises contre cette corrosion, il n'a pas été possible de la supprimer complètement. L'emploi de l'acier dans les aéronefs s'en est trouvé relativement très limita, et limité spécialement à certaines catégories de pièces : l'acier a été exclu presque complètement des autres catégories de pièces, par exemple celles qui entrent dans la construction des hydravions pour lesquelles l'eau salée constitue une menace perpé- tuelle. De même, l'acier ne s'est pas révélé accep- table pour les pièces intérieures auxquelles il n'é- tait pas facile d'accéder pour l'inspection périodique des détériorations dues à la corrosion et la protec- tion contre cette dernière.
L'impraticabilité d'une protection complète contre la corrosion, pendant la fabrication des pièces de construction, entraîne l'introduction à l'intérieur de joints compliqués, de surfaces corrodées d'avance.
Une fois la corrosion introduite ainsi à l'intérieur des pièces, il est impossible de la sup- primer ou de ralentir convenablement le développement
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(qui se produit avec le temps/de la corrosion initiale. Les moyens utilisés jusqu'à. ce jour pour assembler des pièces d'acier comportaient des joints compliqués et relativement difficiles, un rivetage laborieux et une soudure au chalumeau oxyacétyl lénique @ou à Parc électrique. Ce dernier procédé exposa les pièces aux imperfections et faiblesses connues des souduxes elles-mêmes. Le perçage des trous de rivets affaiblit les corps des pièces à assembler et, dans ces conditions, le poids desdites pièces doit être augmenté pour faire compensation.
La soudure au chalumeau oxyacétyléni- que au 1 l'arc, si elle n'est pas bien faite ou si elle est imparfaitement recuite,, est la cause, spécialement dans certains aciers, de défauts ini- tiaux qui se développent avec le temps et d'autres affaiblissements des joints. En particulier, la tendance à la corrosion se trouve ainsi développée.
Il faut, pour la compensation, des pièces métalliques supplémentaires et du métal soudant supplémentaire.
Des traitements par la chaleur sont superposés pour supprimer, dans la mesure du possible, les efforts susceptibles de développer des défauts. Les rivets et la matière soudante utilisée ajoutent leur petit pourcentage propre de poids supplémentaire. Les défauts des rivets et de la matière qui forme la sou- dure sont très fréquemment internes et dissimulés à la vue. On fait usage de rivets et d'une substance soudante supplémentaire pour conserver les coefficients de sécurité désirés. Les joints soudés à l'arc sont relativement grands et coûteux, sans compter qu'ils sont d'un aspect déplaisant, et un petit défaut exis- tant dans une partie d'une soudure à l'arc arrive souvent, avec le temps, à tout gagner.
En même temps,
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les coefficients en question donnent très fréquem- ment des constructions d'aspect lourd.
Un second but de la présente invention (lequel a une importance capitale) consiste dans l'évolution de la construction et du procédé per- mettant d'appliquer, d'une manière générale, la soudure électrique par points, dans toutes les par- ties d'un aéronef métallique. Les aéronefs métal- liques ont, jusqu'à ce jour, été construits le plus ordinairement en duralumin et en d'autres alliages légers d'aluminium. Le duralumin ne se prête pas à une soudure par points efficace et sûre à cause, d'une part, de sa grande conductibilité et de la soudaineté avec laquelle ce métal, sous l'action de la chaleur, passa par ses états solide, plastique et liquide et, d'autre part, de son coefficient de dilatation relativement grand.
L'é- paisseur plus grande qu'il faut donner à ce métal pour obtenir des résistances déterlinées, restreint l'application de la soudure par points parce que l'augmentation considérable de la section transver- sale qu'il faut donner à la pièce augmente la conduc- tibilité totale ; la localisation du courant électri- que et la température qui en résulte pour la soudure sont extrêmement difficiles à obtenir. De plua, le duralumin doit sa plus forte résistance à un traitement thermique qui fait suite au travail à froid ou à. chaud. les effets de ce traitement sont par endroits détruits par la sou- dure, et ce d'une manière variable. Ils ne peuvent pas être rétablis localement.
Après la soudure, l'état de la matière est comparable à celui qu'elle
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présentait après la fonte et dans lequel ses qualités sont bien inférieures à celles qu'elle possède quand elle a été travaillée à chaud ou à froid.
Des colonnes et des poutrelles en duralu- min ont souvent reçu une forme tubulaire qui ne se prête pas à la soudure par points. L'emploi, dans les constructions d'aéronefs, d'un métal autre que le duralumin s'est trouvé presque complètement limité à celui de l'acier au carbone employé sous la forme tubu- laire. L'acier tubulaire est en raison de sa forme aussi mal approprié à la soudure par points que le duralumin tubulaire. La pratique courante consistait à souder ensemble les joints, au chalumeau oxyacéty- lénique ou à l'arc électrique; Ce procédé exigeait non seulement les joints grossiers dont il a été parlé déjà, mais encore des gabarits coûteux pour diminuer le gauchissement et des opérations de re- dressage et de traitement thermique d'un coût élevé.
Les propriétés physiques de l'acier ordinaire (dans les sections tubulaires en usage) et les joints particulièrement grossiers exigés, apportent aux constructions d'aéronefs beaucoup de poids intempes- tif.
Les aciers au carbone présentent ordinai- rement des surfaces très oxydées quand on les reçoit des laminoirs. Comme on le sait, les oxydes de fer constituent les isolants les plus efficaces pour les faibles voltage de l'ordre de ceux que l'on emploie dane la soudure par points. On obtient des soudures par points imparfaites partout où l'oxyde s'interpose entre l'électrode et le corps principal de la matière à sou- der. On ne peut généralement pas faire usage de vol- tages plus élevés à cause du danger qu'ils présentent de brûler ou de surchauffer le point de soudure.
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Toute corrosion et toutes graissas, huiles, ou autres enduits destinés à empêcher la corrosion diminuent de même Inefficacité et empêchent l'uni- formité des soudures: par points. De même, l'irré- gularité des points de soudure due aux conditions précitées ainsi qu'à d'autres conditions, varie tellement qu'il a été', jusque présent, impossible d'imaginer un dispositif pour y remédier communément.
Dans ces conditions, on peut presque dire que chaque point de soudure différait des autres et que l'uniformité dans la soudure a été, jusqu'à ce jour, d'une réalisation impossible.
Cette raison a suffi pour rendre à elle seule impraticable l'application générale de la soudure par points aux constructions d'aéronefs. Son application générale aux constructions d'autres véhicules, tels que les carrosseries d'automobiles. et les cars de tramways, a été parfaitement possible parce que, d'une part, une protection adéquate contre les influences les moins corrosives pouvait être obtenue au moyen de lourds revêtements de surface et parce due, d'autre part, de tels véhicules (tout au contraire de l'aéronef) n'exigent pas un poids minimum absolu. Les constructeurs de voitures de tramways et d'automobiles ont pu librement augmenter suffisamment les dimensions et les formes des pièces desdits véhicules, ainsi que les dimensions et le nombre des soudures sans sacrifier, en échange,
la capacité de transport des véhicules. De plus, les pièces entrant dans la construction des carrosseries en question ne sont ordinairement pas celles qui, dans les véhicules, supportent la charge principale. Ces dernières sont généralement constituées par le châssis dont les pièces sont extrêmement massives et solide-
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dément rivéeset pou@onnees ensemble. Dans un aéronef, ce sont les pièces soudées qui supportent la charge principale.
Dans un aéronef, chaque kilogramme que l'on ajoute au poids mort oblige à sacrifier un kilo- gramme de charge utile et à réduire d'une manière correspondante le rendement de l'aéronef. La fai- blesse du rapport actuel de la charge utile (c'est- à-dire de celle qui est transportée) au ppids mort (c'est-à-dire au poids de l'aéronef moteur compris) constitue l'un des obstacles qui, pendant longtemps, ont entravé le succès commercial le plus complet.
Le deuxième but de la présente invention, c'est-à- dire l'utilisation générale de la soudure électrique par points, a trait en grande partie à la suppres- sion de l'obstacle précité, par un allègement général marqué du travail de construction dans tout l'aéronef.
Un troisième but de l'invention consiste à simplifier les pièces métalliques entrant dans la construction de l'aéronef. La faible résistance mé- canique relative de l'aluminium et du duralumin et la nécessité de les river ont conduit à un profil complexe, à des opérations coûteuses d'étirage et d'emboutissage et à des joints saignés. La nécessita de donner de la rigidité aux pièces fait adopter de foftes sections transversales et de nombreux expé- dients, par exemple d'innombrables trous pour alléger les éléments présentant des sections transversales ainsi étendues. La travail de perforation par poin- çonnage, de perçage et de rivetage était pénible et relativement important.
Dans les constructions en acier
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tubulaire la complication a été provoquée principa- lement par la limitation des formes à la forme tubulaire qui a donné naissance à un très grand nom- bre de modes de réalisatioh différents des éléments et des joints, et a toujours donné.lieu aux difficul- tés inhérentes aux joints dont il a été parlé jusqu'à présent. On se propose, au moyen du procédé et à. la construction de la présente invention, de surmonter les difficultés précitées. de simplifier considéra- blement l'utilisation du métal et d'améliorer gran- dement lea possibilités d'application du métal, en général, à l'industrie aéronautique.
Un quatrième but de l'invention consiste dans un perfectionnement général notable apporté à la sécurité et à la durée de l'aéronef. On se propo- sa de perfectionner celui-ci grâce à une résistance notablement plus grande par unité de poids, à une diminution générale du poids et, par suite, à un ren- dement généralement amélioré car, avec un poids réduit, le poids par cheval se trouve considérable- ment diminué. On se propose également d'améliorer la sécurité en diminuant les risques d'incendie.
Des navires en aluminium et en duralumin une fois enduits d'huile et d'essence ont été détruits pres- que aussi rapidement et aussi complètement, qu'un aéronef en bois et en toile. L'emploi de la construc- tion en acier tubulaire a été limité en gros au fuse- lage et l'on a diminué ainsi dans une certaine mesure les risques d'incendie mais, en raison de la grossièreté de la fabrication, en particulier dans les ailes et dians les petits plans, on a le plus souvent réalisé un aéronef avec corps en acier et ailes en bois et en toile. En particulier,
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les alliais d'aliminium de résistance améliorée renfermaient des substances(telles que le magné- sium) qui provoquaient une destruction plus facile sous l'effet d'une forte chaleur.
L'emploi de l'acier dans toutes les parties de l'aéronef réduit au minimum les risques d'incendie et constitue une garantie contre la destruction par le feu. On sait que cet acier est plus durable que les alliages d'aluminium dans les conditions rencontrées dans la construction des aéronefs. Les alliages d'alumi- nium sont particulièrement exposés à se détériorer en vieillissant et à se fatiguer sous l'effet du genre de vibrations auxquelles est soumis le corps d'un aéronef à tel point que, quoi qu'ils soient tout à fait bons pour le service pendant des périodes de temps limitées, leur durée est considérée comme limitée-. Ils sont. particulièrement susceptibles de se détériorer dans une atmosphère d'élan salée, L'acier (et, en particulier, l'acier inoxydable) n'est pas d'une durée aussi limitée.
Bien entendu, un prolongement de durée ne peut qu'assurer davan- tage la sécurité du vol.
Les buts de la présente invention sont, en partie, atteints en construisant l'aéronef ou toute autre construction, avec de l'acier inoxydable soudé par points à l'arc électrique. En particulier, l'acier inoxydable renferme sensiblement 6 à 12 % de nickel et sensiblement 16 à 20 % de chrome. les soudures en particulier ont sensiblement la même qualité et la même résistance pour des constructions de grosseur sensiblement égale. Plus particulière- ment encore, l'acier (que ce soit de l'acier inoxy- dable ou de l'acier au carbone ordinaire) possède, dans les zones qui entourent immédiatement les
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soudures, dans la construction achevée, des proprié- tés de résistance aux efforts et à la corrosion sensi- blement équivalente à celles de l'acier des régions éloignées de la soudure.
Les diamètres et les surfa- ces des points de soudure sont relativement très sensi- blement inférieurs aux diamètres et aux surfaces des points de soudure employés dans la soudure de l'acier au carbone ordinaire d'échantillon correspondant à celui de l'acier inoxydable. Les soudures ont la for- me de doublescônes et, de préférence, n'arrivent pas jusqu'à la surface extérieure.
D'autres partiesdes buts de l'invention sont atteintes grâce au procédé de cette dernière, le- quel est intimement lié à la construction elle-même.
Le procédé vise la construction des poutrelles armées d'aéronef assemblées ou d'autres pièces de construction formées d'éléments d'acier dont certaines parties se re- couvrent. Les joints sont obtenus en soudant par points à l'électricité ces parties qui se recouvrent, de manié re à assurer la jonction tout en limitant dans les ré- gions immédiatement voisines des joints la température de l'acier à un niveau inférieur à ceux pour lesquels il se produit, dans les régions en question, des ef- fets corona sensiblement nuisibles à la résistance et aux qualités que possède l'acier de résister aux ef- forts et à la corrosion.
En particulier, les cou- rants électriques utilisés pour faite les soudures et les périodes d'application desdits courants ont des va- leurs limites inférieures à celles pour lesquelles les températures nuisibles précitées sont atteintes dans leszones qui entourent immédiatement la soudure, Le nombre de calories appliqus est sensiblement limité au minimum.. nécessaire pour porter les surfaces de contact internes à la température de soudure.
Comparées
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aux pressions, courants et périodes d'application des courants utilisés dans la pratique pour souder l'acier au carbone ordinaire d'un échantillon corres- pondant à celui de l'acier inoxydable à souder, les pressions utilisées dans le procédé de l'inven- tion sont relativement plus élevées, les courants sensiblement plus forts et les périodes d'applica- tion très sensiblement plus courtes. Plus particu- lièrement encorc, les diamètres et les surfaces des points de soudure utilisés sont, relativement, très sensiblement plus petits que les diamètres et les surfaces des,points de soudure employés dans la soudure de l'acier ordinaire au carbone d'échantil- lon correspondant à celui de l'acier inoxydable utilisé conformément à la présente invention.
Dans l'invention, l'acier inoxydable est d'abord mis par laminage à chaud sous la forme de bandes d'une très grande longueur convenant à la manipulation en masse dans les laminoirs ou en tôles extrêmement longues. Ensuite toutes les qualités de l'acier, en particulier la résistance exigée dans la construction une fois qu'il est prêt à être employé, sont développées en laminant à froid la bande formée au début par laminage à chaud.
On étire ensuite par laminage la bande(qui vient d'être laminée à froid) sans modification sensible de ses propriétés physiques pour lui donner le profil angu- laire que doivent présenter les éléments de la cons- truction à établir; on façonne les extrémités des élé- ments de manière à former les parties qui se recou- vrent dans les joints de la construction et on les
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assemble les éléments en superposant leurs extrémités dans les joints. On soude ensuite par points, à l'électricité, les parties qui se recouvrent, en adoptant les pressions, courants, périodes d'appli- cation de courant et température de l'acier dans les zones entourant immédiatement les soudures de la ma- nière qui a été indiquée plus haut.
Dans un acier inoxydable de nature austénitique, cette température est limitée à des valeurs inférieures à la valeur critique pour laquelle ses propriétés de résis- tance à la corrosion se trouvent sensiblement ré- duites. Dans certains aciers cette température descend jusqu'à 800* C.
L'acier inoxydable a été, jusqu'à ce jour, utilisé, dans l'industrie chimique et son emploi dans la construction des aéronefs a été essayé et peut être admis dans une faible mesure. La soudure de l'acier inoxydable a également été de pratique cou- rante. Une grande partie de ces essais ont été com- plètement expliqués dans le rapport n 532 du Comité National Consultatif de l'Aéronautique publié à Washington, en septembre 1929, sous le titre "Soudage des fers inoxydables" et reproduisant un article, por- tant le même titre, de H. BULL et LA@RENCE JOHNSON publié dans le journal "Industrial Gases", en mars et juin 1928. Il existe de nombreuses marques d'a- ciers dits inoxydables qui par leur nature diffèrent beaucoup les uns des autres.
Certains renferment du nickel en quantité, variable et pas de chrome. D'autres renferment du chrome en quantité variable et pas de nickel. Il existe des combinaisons extrêmement variées de
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nickel et de chrome. Elles présentent des proprié- tés extrêmement variables et, en particulier, leur résistance aux efforts et à la corrosion varie largement quand on les a travaillées à froid et qu'on leur a appliqué la chaleur de différentes manières, D'une façon générale, l'application d'une température dépassent un certain degré., détériore très radicalement l'acier soumis à l'action de la chaleur, au point de vue de la résistance aux efforts et à la corrosion,
et né- thermiques cessite des traitements / soignés pour obtenir une restauration même approximative des heurté à de nombreuses difficultés quand on a essayé d'appliquer l'acier aux constructions d'aé- ronefs, Les soudures employées jusqu'à présent, dans ce but ont été à peu près exclusivement, des soudures au chalumeau oxyacétylénique et à l'arc électrique; cependant on a appliqué la soudure électrique à des joints plats et d'une ma- nière limitée, des soudures par résistance elec- trique,à la coutellerie, à l'industrie chimique et aux ustensiles de cuisine.
Les soudures obtenues par l'un des procédés précités et, en particulier, au chalumeau oxyacétylénique et à l'arc ont varié très largement au point de vue de la qualité et de la résistance et ont nécessité des traitement ]sa, spéciaux successifs pour compenser, dans une certaine mesure, le dommage causé à la substance par la soudure. Pour fixer les propriétés physiques des pièces a utiliser, on a généralement eu recours au traitement, par la chaleurdu bloc des cons-
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tructions d'aéronefs terinés. La précision obte- nue a été si faible que les éléments de construction tels que les colonnes, les poutrelles,. les nervu- res ont été constitués avec un grand profil d'une seule pièce, de manière à. réduire la soudure et l'assemblage au minimum pratique.
Ces construc- tions d'une seule pièce ont conduit à, adopter des sections étirés compliquées et des formes anormales pour obtenir la rigidité et la résistance nécessaires. De telles sections compliquées exi- geaient de leur côté un acier suffisamment ductile au début pour pouvoir être 4' et recevoir ainsi les formes en question.Les propriétés physiques de cet acier n'ont pas répondu à ce que réclamaient la, construction achevée et l'usage.
Une fois encore, il a fallu faire appel au traite- ment en bloc par la chaleur pour restituer à l'acier ses propriétés après la fabrication. C'etait là un cercle vicieux:, En outre le soudage à. l'arc au chalumeau acétylénique utilisés exclusive- ment dans les constructions en question pour aéro- nefs donnait des soudures relativement très larges et la chaleur dégagée dans la.. formation desdites soudures était à peu près incontrôlable et exerçait un effet nuisible sur l'acier dans des zones d'une étendue relativement considérable. La profondeur desdites soudures, avec l'étendue et la complexité des joints, donne des effets réfrigérants qui va- rient largement.
Les propriétés de résistance aux efforts et à la corrosion primitivement inhérentes à l'acier inoxydable se trouvent réduites considé- rablement et d'une manière très variable. Des
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traitements thermiques localisés sont plus cpue jamais nécessaires pour remédier à cet état de choses, mais, à cause des changements extrêmes de conditions, par exemple d'une soudure à l'autre, on obtient, dans le rétablissement des propriétés, des résultats tout à fait irréguliers et relative- ment peu concluants. A la vérité, certains aciers inoxydables sont incomplètement ou pas du tout influencés par les traitements thermiques.
La proportion de travail satisfaisant est positive- ment inférieur au chiffra exigé pour donner une sécurité complète dans le travail de l'aéronef.
Tout cela, joint à d'autres choses qu'il n'est pas indispensable de mentionner ici, a, jusqu'à ce jour, rendu l'acier inoxydable presque complète- ment inapplicable à la masse des pièces à profil d'échantillon relativement faible, que l'on rencon- tre dans les nervures et dans les plans de com- mande, plus spécialement dans le plus petit aéro- nef. L'utilisation de l'acier inoxydable a été, en grande partie, réduite à la construction des plus grands éléments tels que les poutrelles et les colonnes et même, dans ce champ d'action, cette utilisation a été très limitée.
Bien qu'ils n'aient que quelques mois d'existence, la construction et le procédé objets de la présente invention ont été uniformément employés avec succès, en remplissant tous les buts de l'invention et en satisfaisant à toutes les épreuves imposés par une grande compagnie de constructeurs d'aéronefs et par divers départe- ments du Gouvernement des Etats-Unis s'occupant
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des aéronefs.
Presse chacune des catégories de construction-- que l'on rencontre dans un aéronef a été réalisée, conformément à la présente invention, y compris., entre autres, une variété considérable de nervures, de poutrelles, de poutres transversales, de colonnes-, de jambes de force et même de flotteurs et de fuselages:. Chaque mode de réalisation a plus que répondu à toutes les attentes Il en est résulté une opinion unanime d'après laquelle la construction aéronautique de l'avenir est basée sur la présente invention-
Sur le dessin annexé, on a représenté, uni- quement à titre d'exemple, deux constructions seule- ment, réalisées conformément à l'invention :
La fig. 1 est une vue en élévation latérale d'une nervure d'aile d'aéroplane entretoisée,
La fig. 2 est une vue de détail, en pers- pective, avec coupe partielle de l'un des joints de la construction précédente;
La fig. 3 est une section transversale d'un corps de fuselage;
Les fig. 4,5 et 6 sont des vues de soudures montrant certaines phases du procédé de l'invention: la fig. 4 est une section, par l'axe, d'un certain nombre de soudures montrant la disposition de ces dernières par rapport au corps de matière environ- nante et aux électrodes qui ont permis de les obtenir. la fige 5 est une vue, en plan, montrant la disposi- tion des soudures dans la matière;
la fige 6 est une vue, en plan, montrant les soudures telles qu'on les obtenait d'après la pratique antérieure dans
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1 acier (ahon&b rd inà ire/ La fig(/ 7 est une ection axiale schématique d'une soudure unique montrant sa courbe de tempérai
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La poutrelle ou nervure de la fig. 1 est constituée par un fer supérieur 10 et un fer inférieur 11 dont le profil est en forme d'U et par un entretoisement WARREN 12 dont la partie prin- cipale a également un profil en forme d'U. A l'en- droit des joints 13 de la construction, les éléments présentent des parties aplaties 14 qui se recou- vrent de manière à former les joints. Ce sont ces parties superposées que l'on soude entre allés par points comme le montre clairement la fig. 2.
Le corps du fuselage dont la section transversale est représentée sur la fig. 3, comprend des cornières angulaires 15 disposées par inter- valles le long de l'axe du corps cette disposition est tellement bien connue dans la pratique courante qu'il n'est pas utile de la représenter. Des tôles de recouvrement 16 de largeur variable sont pour- vues sur l'un de leurs bords de parties 17 en forme d'U. Ces dernières ont leur fond 18 soudé électriquement par points aux cornières annulaires 15 et les rebords 19 des parties 17 sont soudés l'un à l'autre de la même manière que celle indiquée en 20.
Les éléments de construction qui en- trent dans.les dispositifs précités sont formés de plaques d'abord laminées à chaud. D'après le pro- cédé, ces bandes sont ensuites soumises à un lamina- ge à froid sous leur forme de bandes, ce qui dévelop- pe les propriétés physiques et en particulier la résistance exigée pour l'ensemble dans la construc- tion une fois quelle est complètement soudée et prête à servir. Sur cette bande ou sur cette tôle, les profils angulaires ou autres exigés pour les
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diverses pièces 10, 11, 12, 15, 16 de la construction ou pour des pièces analogues, sont obtenus de préférence par étirage de la lame travaillée à froid.
Alors Que les bandes peuvent être manipulées "en bloc" dans les laminoirs, les éléments profilés obtenus par étirage sont coupés en morceaux très longs pour la manipulation. On y découpe ensuite des pièces de longueur convenable pour les divers éléments constructifs individuels. Bans ces pièces, les extrémités ou les parties intermédiaires, comme dans lecas de @ WARREN 12 et les @ 10 et 11 de la poutrellereprésentée, sont, si on le désire, pourvues de parties aplaties qui peuvent se recouvrir comme le montrent les fig, 1 et 2, de manière à former les joints de la construction as- semblée.
L'élément à profil angulaire lui-même, quand il a été laminé au début, peut présenter de telles parties aplaties, ou bien celles-ci peuvent être obtenues, par un emboutissage approprié Qui leur donne un profil différent de celui qui a été obtenu par le premier laminage. L'assemblage s'ef- fectue commodément dans un gabarit ou sur une forme comme on le pratique communément dans l'assemblage.
On soude ensuite, électriquement par points, les parties aplaties, comme on l'a indiqué dans les ré- gions 13 et 20.
Dans la soudure par points, la température del'acier dans les régions quientourent immédia- tement le métal fondu des soudures ne doit pas dépas- ser le niveau correspondant à la production des effets corona, les-quels sont notablement nuisibles aux propriétés physiques des aciers. On obtient ainsi une soudure du genre représenté sur les fig.
4, 6 et 7. On voit sur le dessin les soudures 21
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qui réunissent les tôles d'acie inoxydable 22 et 23. Ces soudures ont la forme d'un double cône. L'application d'une chaleur suffisamment forte pour obtenir la soudure est limitée aux surfaces elles-mêmes qui sont soudées ensemble, c'est-à-dire à la région 24 de la, plus grande sec- tion transversale de la soudure située immédiate- ment. entre les tôles. 22 et 23. De préférence, cet- te température n'a été atteinte ni latéralement au-delà du diamètre des électrodes, ni sur les. surfaces externes avec lesquelles les électrodes sont en contact.
La fusion est, dans la mesure du possible,, limitée à l'intérieur. La tempéra- ture de l'acier dans la région qui entoure immé- diatement celle de la soudure n'a pas atteint le niveau pour lequel il y aurait altération sensible des propriétés qu'a la soudure de résister aux efforts et à la corrosion, La nombre de calories utilisé dans la soudure a été limité sensiblement au minimum nécessaire à ladite soudure.
Dans la pratique ordinaire, la soudure s'accompagne ordinairement d'un échauffement très général de la matière dans la zone qui entoure immédiatement le point de soudure, zone qui est portée à une température relativement élevée.
Ce fait peut être observé (quand on fait usage d'une machine à souder ordinaire pour souder de l'acier ordinaire au carbone) sous la forme d'une couronne coloriée (fig. 5) qui entoure la tête du cylindre habituel de la soudure. La déco- loration est la plus marquée dans la partie la plus voisine de la soudure et s'atténue en s'éloi-
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gnant. La couronne est produite principalement par l'oxydation, mais aussi ar une modification réelle de la structure granulaire de l'acier.
L'oxydation est un signe indiquant qu'une tempéra- ture élevée a été atteinte. Le changement dans la structure granulaire a pour résultat, dans certains cas, de diminuer la résistance de l'acier aux efforts et (d'une manière notable) particulièrement dans les aciers inoxydables, la résistance à la corrosion. En fait, une oxydation étendue consti- tue par elle-même le commencement d'une tendance à. la corrosion. Ces phénomènes ainsi que d'autres phénomènes @uisibles de surchauffage du métal avoisinant la soudure sont dénommés "effets corona".
La couronne dont s'agit est représentée sur la fig. 5 (autant qu'il a été possible de le faire avec une plume et @ par la partie sombre et annulaire extrême 25 qui entoure les soudures 26 obtenues par les premiers procédés.
Avec la présente invention, les. effets corona qui nuisent notablement aux propriétés physiques de l'acier se trouvent complètement éli- minés. Bien entendu, l'acier inoxydable, en pre- nier lieu (ce que l'on savait jusqu'à ce jour d'une manière extrêmement vague) est caractérisé principa- lement par une inhérente résistance à la corrosion.
Dans ces conditions, il présente, au début,des surfaces parfaitement propres et idéalement préparées pour réaliser un contact uniforme parfait sur toute la surface d'un point de soudure . Il est probable qu'il est complètement dépourvu d'oxydation et, par suite, il n'est pas nécessaire d'employer des revê- tements protecteurs tels que les diverses graisses.
En l'absence de cette graisse et des matières
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étrangères que l'acier peut ramasser, les surfaces de la soudure sont non seulement dépourvues d'oxyde, mais encore de substances étrangères susceptibles de gêner la soudure par points. C'est là cependant l'une des raisons qui Militent très fortement con- tre la soudure par points telle qu'on la pratique @ l'acier ordinaire ou carbone. En effet, le contact des surfaces est si complet et si uniforme qu'il élimine, dans une grande mesure, le facteur très important jusqu'à ce jour du chauffage de la résistance, bien connue sous le nom de résistance de contact.
Mais, dans la présente invention, une autre propriété de certains aciers inoxydable---, en particulier de l'acier employé, c'est-à-dire de l'alliage d'acier inoxydable avec sensiblement 8 de nickel et 18 % de chrome, est utilisée gour faire plus que compenser les pertes dues à la ré- sistance de contact : c'est la résistance électri- que relativement très grande de ce genre d'acier.
En faisant usage d'une matière ayant une résistance relativement forte, il est possible de dégager toute la chaleur nécessaire à la soudure à l'inté- rieur de la masse de la matière elle-même et, s'il le faut, suffisamment pour supprimer tout à fait la résistance au contact.
Grâce à leur éloi- gnement relatif de l'atmère et des parties voisines de la matière, les portions de la soudure en question qui se trouvent le plus en dedans sur son axe atteignent le plus rapidement la tempéra- ture de la soudureo Ce résultat est indiqué sur la fige 7 qui représente à une échelle relativement grande une soudure 21, de la forme représentée sur la fige 4 et une courbe de température 27 sur
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laquelle les températures sont représentées, par les ordonnées rapportées à un axe 28 qui représente le plan compris entre les parties à souder Z2 et 23.
Comme on le voit, la pointe 29 se trouve sur l'axe 3 0 de la soudure. La chaleur dégagée uniformément grâ- ce à la résistance de l'acier au nickel et au chrome se trouve ainsi concentrée au centre du point de soudure. Dans ces conditions, si la période d'appli- cation du courant de soudure est limitée juste ce qu'il faut pour obtenir dans la pointe 29, le nombre de calories nécessaires pour produire la soudure (en l'absence substantielle des plus sensibles résistan- ces au contact des surfacez, en particulier entre les pièces 22 et 23 de la construction et entre ces piè- ces et les électrodes lesquelles résistances au contact des surfaces constituent un moyen extrêmement efficaces pour propager dans les zones voisines la chaleur dégagée),
l'application de cette chaleur peut être sensiblement limitée à la surface prescrite 24 du point de soudure. On peut, tout au moins, em- pêcher la température d'atteindre un niveau Que l'on a trouvé sensiblement nuisible aux propriétés physi- ques de la matière qui avoisine la soudure. De plus, dans les régions qui entourent les points de soudure, les températures peuvent être maintenues suffisamment basses pour Que la soudure soit le plus brusquement et le plus efficacement dans la masse de ma- tière oui l'entoure.
On a découvert Que c rtaines espèces d'acier inoxydable;!, particulièrement les aciers du genre in- diqué, permettaient d'obtenir le résultat précité.
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Certains de ces aciers, en particulier ceux qui ont été spécifiés, non seulement possèdent une résistance électrique très forte, mais encore pas- sent pour avoir un point de fusion relativement bas et pour atteindre au point de fusion un état extrêmement fluide par comparaison avec ce qui se passe pour les aciers ordinaires au carbone et pour les qualités inférieures d'aciers dits ino- xydables. Dans la présente invention, les quali- tés de résistance électrique relativement grande, jointes au point de fusion relativement bas, et à l'état extrêmement fluide qui se produit dès que le point de fusion a été atteint, sont utilisées pour limiter l'élévation de la température de l'acier dans les zones qui entourent immédiatement les sou- dures.
Si l'on compare les pressions existant entre les électrodes soudantes (et par suite sur les pièces à souder) les courants utilisés dans la soudure et les périodes d'application desdits courants (tels qu'on les utilise pour souder l'acier ordinaire au carbone et tels qu'on les a utilisés jusqu'à ce jour dans la soudure de l'acier inoxydable du genre de ceux qui ont été soudés par points d'une manière limitée) aux pressions courantes et pério- des du présent procédé, on voit que ce dernier fait appel à des pressions très sensiblement supérieures, de l'ordre de 246 kilogrammes par centimètre carré de la pointe de l'électrode, des courants beaucoup plus forts de l'ordre de 465 ampères par millimètre carré de la pointe de l'électrodemais les périodes d'appli-
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cation du courant sont considérablement plus courtes,
soit de l'ordre de 1/25 à 1/64 de seconde et même moins. Les effets du courant de soudure sont ceux de l'éclair et la soudure produit une détonation. Il devient possible d'adopter des pé- riodes inférieures même à 1/64 de seconde. Pour régler les facteurs en question, on a imaginé des appareils très précis dont les effets sur la soudu- re peuvent être efficacement contrôlés. Par suite de la résistance relativement forte de la masse de la matière, la pointe 29 (fig. 7) correspondant la température intérieure, juste à la surface 24 à souder, se trouve atteinte à peu près instantanément.
Grâce au point de fusion relativement bas de la matière en question, cotte pointe est limitée à une valeur très sensiblement inférieure à. celles que l'on rencontrait jusqu'à ce jour dans la soudure des aciers d'un type quelconque, limitées à une série peu importante au-delà du point de fusion.
Grâce à l'état extrêmement fluide du métal à cette phase, sous la pression très sensiblement accrue, la coulée intérieure de métal fondu nécessaire pour achever la soudure a lieu au même instant et l'ap- plication du courant se trouve supprimée précisé- ment à la fin de cet instant, ce qui se traduit par une trempe instantanée de la soudure dans la matière qui l'environne. Les aciers inoxydables de la com- position utilisée sont des aciers qui trempent à l'air. La. trempe constitue par suite le moyen le plus rapide et le plus efficace pour conférer à la soudure toute sa résistance.
Dans ces conditions, l'invention tend, autant que la chose est pratique- ment possible, à limiter la quantité de chaleur totale dégagée, à celle qui est précisément néces-
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saire pour pbtenir la jonctio des faces de la soudure à l'état fondu sur toute la surface, et éviter toute soudure en excès.
Le dégagement de la chaleur de la soudure dans la haute résistance électrique de la masse de la matière elle-même, la limitation de sa quantité totale sensiblement au minimum nécessaire pour produire la soudure, avec la limitation de la durée de l'application à l'instant extrêmement bref nécessaire pour dévelop- per ce total minimum, non seulement assurent dans la zona qui entoure immédiatement la soudure une température assez basse pour qu'il s'y effectue une trempe sensiblement instantanée et hautement effi- e cae de la soudure à l'intérieur de la masse de matière elle-même et qui ne dépend ni de l'électro- de, ni de la conductibilité atmosphérique, ni du rayonnement,
mais encore d'une part maintiennent la température au-dessus des valeurs pour lesquelles il se produit les effets corona dont l'influence est très pernicieuse pour la matière elle-même et, d'autre part, empêche même cette température d'atteindre les surfaces. externes.
Grâce à la combinaison de la construction dans laquelle cet acier au chrome et au nickel se combine avec les soudures, les zones qui entou- rent celle-ci et qui possèdent les qualités de résistance aux efforts et à la corrosion sont sensi- blement équivalentes à celles de la matière éloignée de la soudure; grâce à l'utilisation combinée de la construction et du procédé de la présente in- vention, tous les inconvénients rencontrés jusqu'à ce jour, en particulier dans l'emploi de l'acier inoxydable, se trouvent supprimés. Les. essais de
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résistance et de corrosion prouvent que les qua- lités en question ne sont pas sensiblement altérées par la soudure et que toutes les soudures sont uni- formes au point de vue de la qualité et de la résis- tance.
La mise en oeuvre complète de l'invention permet d'utiliser une matière dont les qualités phy- siques de résistance et la limite d'élasticité sont accrues de bien des manières, par comparaison avec celles de l'acier ordinaire au carbone et avec celles des qualités très variées d'acier inoxydable.
Des résistances limites'de 14060 Kgs et davantage par centimètre carré peuvent être atteintes dans la matière répondant sensiblement à la spécification donnée ici. Cette phase du procédé exigeant un lami- nage à froid sous la forme de bandes rend la matière moins sensible à l'emboutissage qui suit. La simpli- cité (Ses profils est encore rendue possible par l'ap- plication générale de la soudure par points, dans toute la construction, et la résistance considérable et les rapports considérablement améliorés de la résis- tance au poids donnent une ample compensation.
T'out à fait incidemment, des aciers du genre de ceux qui sont utilisables, grâce au caractère de la présente invention, se trouvent être presque com- plètement non magnétiques et ainsi se trouve sup- primé l'un des plus gros inconvénients rencontrés dans les aéronefs construits en acier. Si l'on compare une construction comportant une multiplicité de soudures par points extrêmement petites avec celle que l'on utilise habituellement dans la soudure d'acier ordinaire au carbone de même échantillon, on constate qu'une multiplicité de telles soudures de qualité et de résistance de
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soudure l'une à l'autre sensiblement uniformes: ne présente pas de défauts de jonction.
Il n'y a pas même brûlage ni surchauffage d'une soudure simple quelconque. On peut obtenir une sécurité de 100 % même dama les profils les plus minces et les plus légers des pièces. La perfection des soudures: par points relativement petites., échantillon pour échantillon, permet de fabriquer par ce procédé le profil de plus faible échantil- lon et les pièces d'échantillon les plus légères utilisées dans l'industrie. Des joints tout à fait inaccessibles pour un rivetage sérieux de- viennent librement accessibles pour la soudure.
Ces. joints sont formés aussi bien dans les gran- des que dans les petites pièces. Aucun traitement par la chaleur n'est nécessaire soit pour amélio- rer la soudure ou pour élever la résistance géné- rale de la pièce ou pour la prémunir contre la corrosion. Les Qualités complètes de résistance du métal se trouvent développées à un moment où il est possible de les développer dans la masse et ces qualités de résistance aux efforts et à la corrosion sont conservées complètement pendant la fabrication. L'application de renforts locaux rendus possibles par la soudure par points exé- cutée à chaque endroit de la pièce,augmente la résistance de cette pièce dans son ensemble. Les surfaces de la construction obtenue sont uniformé- ment lisses et non ternies et présentent l'aspect le plus agréable. Le travail laisse en général peu de traces-.
Des joints présentent, après cela, un aspect propre et plaisant sous toutes leurs faces. Des joints si parfaits n'ajoutent pas un
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iota au poids de la construction soit par l'augmentation de la résistance de la masse des éléments, soit par accroissement du poids de la matière soudante, et peuvent être multipliés impunément. Les- grandes, irrégularités et les emboutis--ages soignés- des profils dans des piè- ces uniques coûteuses peuvent être complètement supprimes. Le procédé donne des résultats également parfaits dans des joints: comportant des soudures faites en une seule opération à travers plusieurs épaisseurs de métal superposées.
Chaque épaisseur de la soudure multiple est parfait te. Chacune des simplifications de l'industrie de la construction peut être librement utilisée par le constructeur d'aéronef,--. Ces simplifica- tions deviennent immédiatement susceptibles de recevoir les perfectionnement-- ingénieux nécessai- res pour pouvoir être adaptées plus spécialement à l'aéronef et tout ce qui peut d'une manière quelconque ajouter aux facteurs légèreté, résistan- ce et sécurité de l'aéronef.
On a ainsi réalisé complètement les buts de l'invention et l'acier(grâce à ses. propriétés. exceptionnelles)et la soudure électrique (en raison des grandes facilités qu'elle donne) deviennent généralement applicables à toute la construction de l'aéronef avec, comme résultat, une augmentation de la simplicité et de la sécurité. On a ainsi inauguré- une ère nouvelle dans la construction aéronautique.
Cette inauguration appelle des modifications
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On peut s'attendre à un nombre extraordinaire de ces modifications, particulièrement au point de vue de la variété extrêmement grande d'aciers inoxydables et du nombre extrêmement important de procédés différents de soudure électrique et de contrôle de soudure électrique. Seul l'esprit général de la présente invention permet de contrô- ler d'une manière adéquate une telle situation dans le réglage des divers facteurs qui apparat- tront au cours du développement de 1"invention.
REVENDICATIONS
1. Un article (ou une construction) en acier soudé par points,caractérisé par le fait que les propriétés de l'acier, au voisinage des soudures, sont sensiblement les mêmes que celles de l'acier qui se trouve loin des soudures.
2. Un article (ou une construction) en acier soudé par points, conformément à la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que toutes les soudures sont sensiblement de qualité égale et possèdent la même résistance.,
3. Un article (ou une construction) en acier soudé par points, conformément à la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la fusion des soudures est projetée vers les surfaces exté- rieures des éléments réunis, à la plus faible distance compatible avec une soudure efficace.
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"Improvements to. Welding '
The present invention relates to the manufacture of parts used in sheet metal or steel strip constructions and relates, most especially, to the manufacture of parts used in the construction of aircraft in stainless steel sheet.
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Other applications will come with time but, for the moment, the invention is mainly applicable to the manufacture of aircraft carcasses in stainless steel.
One of the main objects of the invention is to make the sheet steel applicable, in general, to reinforced beams used in the aircraft industry, regardless of the types to which these belong. last.
To date, the use of steel has been extremely limited. Ordinary steel corroded with extreme ease and despite the precautions taken against this corrosion it was not possible to completely remove it. The use of steel in aircraft has been found relatively very limited, and especially limited to certain categories of parts: steel has been excluded almost completely from other categories of parts, for example those used in construction. seaplanes for which salt water is a perennial threat. Likewise, the steel has not been found to be acceptable for interior parts which were not easily accessible for periodic inspection and protection against corrosion damage. .
The impracticality of complete corrosion protection during the manufacture of construction parts leads to the introduction inside of complicated gaskets, previously corroded surfaces.
Once the corrosion has thus been introduced inside the parts, it is impossible to suppress it or to slow down the development suitably.
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(which occurs over time / from initial corrosion. The means used to date to assemble steel parts have involved complicated and relatively difficult joints, laborious riveting and oxyacetylenic torch welding. Electric Park. This latter process exposed the parts to known imperfections and weaknesses of the welds themselves. Drilling the rivet holes weakens the bodies of the parts to be assembled and, under these conditions, the weight of said parts must be increased to compensate.
Oxyacetylene torch welding with 1 arc, if it is not done well or if it is imperfectly annealed, is the cause, especially in certain steels, of initial defects which develop over time and other weakened joints. In particular, the tendency to corrosion is thus developed.
Additional metal parts and additional welding metal are required for compensation.
Heat treatments are superimposed to remove, as far as possible, the forces likely to develop defects. The rivets and welding material used add their own small percentage of additional weight. Defects in rivets and in the material that forms the weld are very often internal and hidden from view. Rivets and an additional welding substance are used to maintain the desired safety factors. Arc welded joints are relatively large and expensive, not to mention their unpleasant appearance, and a small defect in part of an arc weld often happens over time. to win everything.
At the same time,
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the coefficients in question very often give constructions of heavy appearance.
A second object of the present invention (which is of paramount importance) consists in the development of the construction and of the method making it possible to apply, in general, electrical spot welding in all parts. of a metallic aircraft. Metallic aircraft have, to date, been most commonly constructed of duralumin and other light alloys of aluminum. Duralumin does not lend itself to efficient and safe spot welding because, on the one hand, of its great conductivity and the suddenness with which this metal, under the action of heat, passes through its solid, plastic states. and liquid and, on the other hand, its relatively large coefficient of expansion.
The greater thickness which must be given to this metal in order to obtain deterlinated resistances, restricts the application of spot welding because the considerable increase in the cross section which must be given to the part increases total conduc- tivity; the location of the electric current and the resulting temperature for soldering are extremely difficult to obtain. Furthermore, duralumin owes its strongest resistance to a heat treatment which follows cold working or. hot. the effects of this treatment are in places destroyed by the welding, and this in a variable manner. They cannot be restored locally.
After welding, the state of the material is comparable to that it
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exhibited after melting and in which its qualities are much inferior to those it possesses when it has been worked hot or cold.
Duralumin columns and joists have often been given a tubular shape that does not lend themselves to spot welding. The use in aircraft construction of a metal other than duralumin has been found almost completely limited to that of carbon steel employed in the tubular form. Tubular steel is, because of its shape, as unsuitable for spot welding as tubular duralumin. Common practice was to weld the joints together, using an oxy-acetylene torch or an electric arc; This process required not only the coarse gaskets already discussed, but also expensive jigs to decrease warping and expensive straightening and heat treatment operations.
The physical properties of ordinary steel (in tubular sections in use) and the particularly coarse joints required, add significant unwanted weight to aircraft constructions.
Carbon steels usually show heavily oxidized surfaces when received from rolling mills. As we know, iron oxides constitute the most effective insulators for low voltages of the order of those used in spot welding. Imperfect spot welds are obtained wherever the oxide interposes between the electrode and the main body of the material to be welded. Usually higher volts cannot be used because of the danger that they will burn or overheat the solder point.
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Any corrosion and all greases, oils, or other coatings intended to prevent corrosion likewise reduce the efficiency and prevent the uniformity of the welds: by spots. Likewise, the irregularity of the weld spots due to the aforementioned conditions as well as to other conditions varies so much that it has hitherto been impossible to imagine a device to commonly remedy this.
Under these conditions, one can almost say that each weld point differed from the others and that uniformity in the weld has been, until now, impossible to achieve.
This reason alone was sufficient to render the general application of spot welding to aircraft construction impractical. Its general application to the constructions of other vehicles, such as automobile bodies. and tram coaches, was perfectly possible because, on the one hand, adequate protection against the least corrosive influences could be obtained by means of heavy surface coatings and because, on the other hand, such vehicles ( unlike the aircraft) do not require an absolute minimum weight. Manufacturers of tram cars and automobiles have been able to freely sufficiently increase the dimensions and shapes of the parts of said vehicles, as well as the dimensions and number of welds without sacrificing, in exchange,
the transport capacity of vehicles. In addition, the parts used in the construction of the bodies in question are usually not those which, in the vehicles, support the main load. The latter are generally formed by the frame, the parts of which are extremely massive and solid.
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crazy rivées and pou @ onnees together. In an aircraft, it is the welded parts that support the main load.
In an aircraft, each kilogram that is added to the deadweight forces the sacrifice of one kilogram of payload and correspondingly reduces the efficiency of the aircraft. One of the factors is the low actual ratio of payload (i.e. that being carried) to dead weight (i.e., weight of the engine aircraft included). obstacles which for a long time hampered the most complete commercial success.
The second object of the present invention, that is to say the general use of electric spot welding, relates to a large extent to the elimination of the aforementioned obstacle, by a marked general lightening of the work of construction throughout the aircraft.
A third object of the invention consists in simplifying the metal parts used in the construction of the aircraft. The relative low mechanical strength of aluminum and duralumin and the need to rivet them has led to a complex profile, costly drawing and stamping operations, and bled joints. The need to give rigidity to the parts leads to the adoption of large cross sections and numerous expedients, for example innumerable holes to lighten the elements having cross sections thus extended. The work of punching, drilling and riveting was tedious and relatively extensive.
In steel constructions
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tubular the complication was caused mainly by the limitation of the forms to the tubular form which gave rise to a very large number of different embodiments of the elements and the joints, and always gave rise to the difficulties. inherent in the seals discussed so far. We propose, by means of the process and to. construction of the present invention, to overcome the aforementioned difficulties. to considerably simplify the use of the metal and to greatly improve the possibilities of application of the metal, in general, to the aviation industry.
A fourth object of the invention consists in a notable general improvement brought to the safety and duration of the aircraft. It is proposed to improve this by means of a markedly greater resistance per unit of weight, a general reduction in weight and, consequently, a generally improved yield since, with a reduced weight, the weight per unit. horse is found considerably diminished. It is also intended to improve safety by reducing the risk of fire.
Ships made of aluminum and duralumin, once coated with oil and gasoline, were destroyed almost as quickly and as completely as an aircraft made of wood and canvas. The use of tubular steel construction has been largely restricted to fusing and thus the fire hazard has been reduced to some extent but, owing to the coarseness of the workmanship, particularly in the wings and in the small planes, we have most often made an aircraft with a steel body and wooden and canvas wings. In particular,
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improved strength aluminum alloys contained substances (such as magnesium) which caused easier destruction under high heat.
The use of steel in all parts of the aircraft minimizes the risk of fire and is a guarantee against destruction by fire. It is known that this steel is more durable than aluminum alloys under the conditions encountered in the construction of aircraft. Aluminum alloys are particularly prone to deterioration with age and fatigue from the kind of vibrations to which the body of an aircraft is subjected to such an extent that, although they are quite good for service for limited periods of time, their duration is considered limited-. They are. particularly susceptible to deterioration in a salty momentum atmosphere, steel (and, in particular, stainless steel) is not of such limited duration.
Of course, an extension of the duration can only further ensure the safety of the flight.
The objects of the present invention are, in part, achieved by building the aircraft or any other construction with stainless steel spot welded to the electric arc. In particular, stainless steel contains substantially 6 to 12% nickel and substantially 16 to 20% chromium. the welds in particular have substantially the same quality and the same strength for constructions of substantially equal size. More particularly still, steel (whether stainless steel or ordinary carbon steel) possesses, in the areas immediately surrounding the
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welds, in the completed construction, have properties of resistance to stress and corrosion substantially equivalent to those of steel in regions remote from the weld.
The diameters and areas of the weld spots are relatively very substantially smaller than the diameters and areas of the welds employed in the welding of standard carbon steel sample corresponding to that of stainless steel. The welds are in the form of double cones and preferably do not reach the outer surface.
Other parts of the objects of the invention are achieved by the process thereof, which is intimately linked to the construction itself.
The method is aimed at the construction of assembled aircraft reinforced joists or other construction parts formed from steel elements with certain parts overlapping. The joints are obtained by spot welding these overlapping parts with electricity, so as to ensure the junction while limiting in the regions immediately adjacent to the joints the temperature of the steel to a level lower than those for in which corona effects occur in the regions in question which are appreciably detrimental to the strength and to the properties of the steel in resisting stress and corrosion.
In particular, the electric currents used to make the welds and the periods of application of said currents have lower limit values than those for which the aforementioned harmful temperatures are reached in the areas immediately surrounding the weld, The number of calories applied is substantially limited to the minimum necessary to bring the internal contact surfaces up to solder temperature.
Compared
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the pressures, currents and periods of application of the currents used in practice to weld the ordinary carbon steel of a sample corresponding to that of the stainless steel to be welded, the pressures used in the process of the invention - tion are relatively higher, the currents appreciably stronger and the periods of application very appreciably shorter. More particularly, the diameters and areas of the weld spots used are, relatively, very substantially smaller than the diameters and areas of the welds employed in the welding of ordinary carbon steel of sample. lon corresponding to that of the stainless steel used in accordance with the present invention.
In the invention, the stainless steel is first hot-rolled in the form of strips of a very long length suitable for bulk handling in rolling mills or in extremely long sheets. Then all the qualities of the steel, in particular the strength required in construction once it is ready for use, are developed by cold rolling the strip formed initially by hot rolling.
The strip (which has just been cold rolled) is then stretched by rolling without appreciable modification of its physical properties to give it the angular profile which the elements of the construction to be established must present; the ends of the elements are shaped so as to form the parts which overlap in the joints of the construction and they are
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assemble the elements by overlapping their ends in the joints. The overlapping parts are then spot welded with electricity, adopting the pressures, currents, periods of current application and temperature of the steel in the areas immediately surrounding the welds in the same way. which has been indicated above.
In a stainless steel of austenitic nature, this temperature is limited to values below the critical value for which its corrosion resistance properties are found to be appreciably reduced. In some steels this temperature drops to 800 * C.
Stainless steel has heretofore been used in the chemical industry and its use in the construction of aircraft has been tried and may be admitted to a small extent. Welding of stainless steel has also been common practice. A large part of these tests were fully explained in the report n 532 of the National Advisory Committee of Aeronautics published in Washington, in September 1929, under the title "Soudage des irons inoxydables" and reproducing an article, bearing the same title, from H. BULL and LA @ RENCE JOHNSON published in the journal "Industrial Gases", in March and June 1928. There are many brands of so-called stainless steels which by their nature differ greatly from each other .
Some contain nickel in variable quantity and no chromium. Others contain chromium in varying amounts and no nickel. There are extremely varied combinations of
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nickel and chromium. They exhibit extremely variable properties and, in particular, their resistance to stress and corrosion varies widely when they have been worked cold and when heat has been applied to them in different ways. 'application of a temperature exceed a certain degree., very radically deteriorates the steel subjected to the action of heat, from the point of view of resistance to stress and corrosion,
and ne- thermics require careful treatment to obtain even an approximate restoration of those encountered many difficulties when trying to apply steel to aircraft constructions. The welds hitherto employed for this purpose were almost exclusively, oxyacetylene torch and electric arc welds; however, electric welding has been applied to flat joints and to a limited extent, electric resistance welds, cutlery, chemical industry and kitchen utensils.
The welds obtained by one of the aforementioned processes and, in particular, with an oxyacetylene torch and an arc have varied very widely from the point of view of quality and resistance and have required successive special treatments to compensate , to some extent, damage to the substance by soldering. In order to fix the physical properties of the parts to be used, recourse has generally been had to the heat treatment of the block of the blocks.
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aircraft tructions terminated. The precision obtained was so low that the construction elements such as columns, joists ,. the ribs were formed with a large profile in one piece, so as to. reduce welding and assembly to a practical minimum.
These one-piece constructions have led to the adoption of complicated stretched sections and abnormal shapes to obtain the necessary stiffness and strength. Such complicated sections in turn required a steel sufficiently ductile at the beginning to be able to be 4 'and thus receive the shapes in question. The physical properties of this steel did not meet the demands of the completed construction and the construction. 'use.
Once again, heat block treatment had to be used to restore the steel to its properties after fabrication. This was a vicious cycle :, Further welding to. the acetylene torch arc used exclusively in the subject aircraft constructions gave relatively very large welds and the heat given off in the formation of said welds was almost uncontrollable and exerted an adverse effect on the steel in areas of a relatively considerable extent. The depth of said welds, along with the extent and complexity of the joints, give cooling effects which vary widely.
The properties of resistance to stress and to corrosion originally inherent in stainless steel are reduced considerably and in a very variable manner. Of
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Localized heat treatments are more than ever necessary to remedy this state of affairs, but, owing to the extreme changes in conditions, for example from one weld to another, one obtains, in the restoration of the properties, very good results. irregular and relatively inconclusive. In fact, some stainless steels are incompletely or not at all influenced by heat treatments.
The proportion of satisfactory work is positively lower than the figure required to give complete safety in the work of the aircraft.
All this, together with other things which it is not essential to mention here, has, to this day, made stainless steel almost completely inapplicable to the mass of relatively sample profile parts. weak, which one meets in the ribs and in the control planes, more especially in the smallest aircraft. The use of stainless steel has largely been reduced to the construction of larger elements such as joists and columns and even, within this scope, this use has been very limited.
Although they have only been in existence for a few months, the construction and the process which are the subject of the present invention have been uniformly employed with success, fulfilling all the objects of the invention and satisfying all the tests imposed by a a large company of aircraft manufacturers and by various departments of the United States Government concerned with
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aircraft.
Press each of the categories of construction - which are encountered in an aircraft has been carried out, in accordance with the present invention, including., Among others, a considerable variety of ribs, joists, cross beams, columns -, struts and even floats and fuselages :. Each embodiment more than met all expectations.This resulted in a unanimous opinion that the aircraft construction of the future is based on the present invention-
In the accompanying drawing, there is shown, purely by way of example, two constructions only, produced in accordance with the invention:
Fig. 1 is a side elevational view of a braced aircraft wing rib,
Fig. 2 is a detail view, in perspective, with partial section of one of the joints of the previous construction;
Fig. 3 is a cross section of a fuselage body;
Figs. 4, 5 and 6 are views of welds showing certain phases of the process of the invention: FIG. 4 is a section, by the axis, of a certain number of welds showing the arrangement of the latter with respect to the body of surrounding material and to the electrodes which made it possible to obtain them. Fig. 5 is a plan view showing the arrangement of the welds in the material;
Fig. 6 is a plan view showing the welds as obtained from previous practice in
EMI16.1
1 steel (ahon & b rd inà ire / Fig (/ 7 is a schematic axial ection of a single weld showing its temperature curve
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The beam or rib of FIG. 1 consists of an upper iron 10 and a lower iron 11 whose profile is U-shaped and by a WARREN strut 12, the main part of which also has a U-shaped profile. At the joints 13 of the construction, the elements have flattened parts 14 which overlap to form the joints. It is these superimposed parts that are welded between aisles at points as clearly shown in fig. 2.
The body of the fuselage, the cross section of which is shown in FIG. 3, comprises angular angles 15 arranged at intervals along the axis of the body this arrangement is so well known in common practice that it is not useful to represent it. Cover sheets 16 of varying width are provided on one of their edges with U-shaped portions 17. The latter have their bottom 18 electrically spot welded to the annular angles 15 and the flanges 19 of the parts 17 are welded to each other in the same manner as that indicated at 20.
The construction elements which enter into the aforementioned devices are formed from plates which are first hot rolled. According to the process, these strips are then subjected to cold rolling in their strip form, which develops the physical properties and in particular the strength required for the assembly in the construction. once it is fully welded and ready to use. On this strip or on this sheet, the angular or other profiles required for the
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various parts 10, 11, 12, 15, 16 of the construction or for similar parts, are preferably obtained by drawing the cold worked blade.
While the strips can be handled "en bloc" in rolling mills, the profiled elements obtained by drawing are cut into very long pieces for handling. Pieces of suitable length are then cut there for the various individual construction elements. In these parts, the ends or the intermediate parts, as in the case of @ WARREN 12 and @ 10 and 11 of the beam shown, are, if desired, provided with flattened parts which can overlap as shown in fig, 1 and 2, so as to form the joints of the assembled construction.
The angular profile member itself, when it was rolled in the beginning, may have such flattened parts, or these may be obtained, by suitable stamping which gives them a different profile than what was obtained. by the first rolling. Assembly is conveniently done in a jig or form as is commonly done in assembly.
The flattened parts are then spot welded electrically, as indicated in regions 13 and 20.
In spot welding, the temperature of the steel in the regions immediately surrounding the molten metal of the welds must not exceed the level corresponding to the production of corona effects, which are notably detrimental to the physical properties of the steels. . A weld of the type shown in FIGS.
4, 6 and 7. We see in the drawing the welds 21
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which join the stainless steel sheets 22 and 23. These welds have the shape of a double cone. The application of heat strong enough to achieve the weld is limited to the surfaces themselves which are welded together, i.e. region 24 of the largest cross section of the immediate weld. - is lying. between the sheets. 22 and 23. Preferably, this temperature has not been reached either laterally beyond the diameter of the electrodes, nor on them. external surfaces with which the electrodes are in contact.
The merger is, as far as possible, limited to the interior. The temperature of the steel in the region which immediately surrounds that of the weld has not reached the level at which there would be appreciable alteration of the properties which the weld has in resisting the forces and corrosion, The number of calories used in the weld has been limited substantially to the minimum necessary for said weld.
In ordinary practice, welding is usually accompanied by a very general heating of the material in the area immediately surrounding the weld point, which area is brought to a relatively high temperature.
This fact can be observed (when using an ordinary welding machine to weld ordinary carbon steel) in the form of a colored crown (fig. 5) which surrounds the head of the usual cylinder of the weld. . The discoloration is most marked in the part closest to the weld and diminishes as it fades away.
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annoying. The crown is produced mainly by oxidation, but also by an actual modification of the granular structure of the steel.
Oxidation is a sign that a high temperature has been reached. The change in granular structure results, in some cases, in reducing the resistance of the steel to stress and (notably) particularly in stainless steels, the resistance to corrosion. In fact, extensive oxidation is in itself the beginning of a tendency to. corrosion. These phenomena, as well as other visible phenomena of overheating of the metal adjacent to the weld, are called "corona effects".
The crown in question is shown in FIG. 5 (as far as it was possible to do with a feather and @ by the dark and annular end part 25 which surrounds the welds 26 obtained by the first methods.
With the present invention, the. corona effects which significantly affect the physical properties of steel are completely eliminated. Of course, stainless steel in the first place (which until now is extremely vague) is characterized primarily by inherent resistance to corrosion.
Under these conditions, it initially presents perfectly clean surfaces which are ideally prepared to achieve perfect uniform contact over the entire surface of a weld point. It is likely that it is completely free from oxidation and hence it is not necessary to employ protective coatings such as the various greases.
In the absence of this fat and
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foreign substances which the steel can pick up, the weld surfaces are not only free of oxide, but also of foreign substances which may interfere with the spot weld. This, however, is one of the reasons which militates very strongly against spot welding as practiced with ordinary or carbon steel. Indeed, the contact of the surfaces is so complete and so uniform that it eliminates, to a great extent, the very important factor to date of resistance heating, well known as contact resistance.
But, in the present invention, another property of certain stainless steels ---, in particular of the steel employed, that is to say of the alloy of stainless steel with substantially 8 nickel and 18% of chrome, is used to do more than compensate for losses due to contact resistance: it is the relatively very high electrical resistance of this kind of steel.
By making use of a material having a relatively high resistance, it is possible to release all the heat necessary for soldering within the mass of the material itself and, if necessary, enough to remove contact resistance altogether.
By virtue of their relative distance from the atmosphere and neighboring parts of the material, the portions of the weld in question which are most inward on its axis reach the temperature of the weld the most rapidly. indicated on fig 7 which represents on a relatively large scale a weld 21, of the form shown in fig 4 and a temperature curve 27 on
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in which the temperatures are represented, by the ordinates related to an axis 28 which represents the plane between the parts to be welded Z2 and 23.
As can be seen, the tip 29 is on the axis 30 of the weld. The heat given off by the steel's resistance to nickel and chromium uniformly is thus concentrated in the center of the weld point. Under these conditions, if the period of applica- tion of the welding current is limited just enough to obtain in tip 29, the number of calories required to produce the weld (in the substantial absence of the most sensitive resist - these in contact with the surfaces, in particular between the parts 22 and 23 of the construction and between these parts and the electrodes which surface contact resistances constitute an extremely effective means of propagating the heat released into the neighboring areas),
the application of this heat can be substantially limited to the prescribed area 24 of the weld spot. At the very least, the temperature can be prevented from reaching a level which has been found to be appreciably detrimental to the physical properties of the material surrounding the weld. In addition, in the regions surrounding the weld spots, temperatures can be kept low enough so that the weld is most sharply and most efficiently in the mass of material surrounding it.
It has been discovered that c rtaines species of stainless steel, particularly steels of the type indicated, make it possible to obtain the above-mentioned result.
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Some of these steels, in particular those which have been specified, not only possess a very strong electrical resistance, but also pass to have a relatively low melting point and to reach at the melting point an extremely fluid state as compared to this. which takes place for ordinary carbon steels and for the inferior qualities of so-called stainless steels. In the present invention, the qualities of relatively large electrical resistance, together with the relatively low melting point, and the extremely fluid state which occurs as soon as the melting point has been reached, are used to limit the rise. the temperature of the steel in the areas immediately surrounding the welds.
If we compare the pressures existing between the welding electrodes (and therefore on the parts to be welded) the currents used in welding and the periods of application of said currents (as used to weld ordinary steel to carbon and as have heretofore been used in the welding of stainless steel of the kind which has been spot welded to a limited extent) at current pressures and times of the present process, it is sees that the latter uses very significantly higher pressures, of the order of 246 kilograms per square centimeter of the tip of the electrode, much stronger currents of the order of 465 amps per square millimeter of the tip of but the periods of application
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cation of the current are considerably shorter,
or of the order of 1/25 to 1/64 of a second and even less. The effects of the solder current are those of lightning and the solder produces a detonation. It becomes possible to adopt periods less than 1/64 of a second. To control the factors in question, very precise devices have been devised whose effects on the weld can be effectively controlled. As a result of the relatively strong resistance of the mass of the material, the tip 29 (FIG. 7) corresponding to the internal temperature, just at the surface 24 to be welded, is reached almost instantaneously.
Thanks to the relatively low melting point of the material in question, cotte pointe is limited to a value very significantly lower than. those which one met until now in the welding of steels of any type, limited to a small series beyond the melting point.
Thanks to the extremely fluid state of the metal at this phase, under the very appreciably increased pressure, the internal pouring of molten metal necessary to complete the weld takes place at the same instant and the application of the current is precisely suppressed. at the end of this instant, which results in instantaneous hardening of the weld in the surrounding material. The stainless steels of the composition used are steels which quench in air. Quenching therefore constitutes the fastest and most efficient means of imparting full strength to the weld.
Under these conditions, the invention tends, as far as is practically possible, to limit the quantity of total heat released to that which is precisely required.
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sary to obtain the jonctio of the faces of the weld in the molten state over the entire surface, and to avoid any excess welding.
The release of heat from the weld in the high electrical resistance of the mass of the material itself, limiting its total quantity to substantially the minimum necessary to produce the weld, with limiting the duration of the application to the The extremely brief moment necessary to develop this minimum total, not only ensures in the zone which immediately surrounds the solder a temperature low enough for there to be a substantially instantaneous and highly efficient hardening of the solder. the interior of the mass of matter itself and which does not depend on electrodes, atmospheric conductivity, or radiation,
but still on the one hand keep the temperature above the values for which the corona effects occur, the influence of which is very pernicious for the matter itself and, on the other hand, even prevents this temperature from reaching the surfaces. external.
Thanks to the combination of the construction in which this chromium and nickel steel is combined with the welds, the areas which surround it and which have the qualities of resistance to forces and corrosion are roughly equivalent to those of the material removed from the weld; by virtue of the combined use of the construction and the process of the present invention, all the drawbacks encountered to date, in particular in the use of stainless steel, are eliminated. The. testing
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resistance and corrosion prove that the qualities in question are not appreciably affected by the weld and that all welds are uniform in quality and strength.
The full implementation of the invention makes it possible to use a material whose physical qualities of resistance and elastic limit are increased in many ways, compared with those of ordinary carbon steel and with those of ordinary carbon steel. very varied qualities of stainless steel.
Limit strengths of 14,060 Kgs and more per square centimeter can be achieved in material meeting substantially the specification given herein. This phase of the process requiring cold rolling in the form of strips makes the material less sensitive to subsequent stamping. Simplicity (Its profiles are further made possible by the general application of spot welding throughout the construction, and the considerable strength and greatly improved ratios of strength to weight give ample compensation.
Quite incidentally, steels of the kind which are usable, by virtue of the character of the present invention, are found to be almost completely non-magnetic and thus one of the biggest drawbacks encountered in the field is eliminated. aircraft constructed of steel. If we compare a construction with a multiplicity of extremely small spot welds with that usually used in welding carbon steel of the same sample, we find that a multiplicity of such welds of quality and resistance of
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substantially uniform weld to each other: does not exhibit junction defects.
There is not even burning or overheating of any single weld. 100% safety can be achieved even in the thinnest and lightest part profiles. The perfection of the relatively small spot welds, sample for sample, allows this process to manufacture the smallest sample profile and the lightest sample parts used in industry. Seals that are completely inaccessible for serious riveting become freely accessible for welding.
These. Seals are formed in both large and small parts. No heat treatment is necessary either to improve the weld or to increase the general strength of the part or to guard against corrosion. The complete qualities of resistance of the metal are developed at a time when it is possible to develop them in the mass and these qualities of resistance to the forces and to the corrosion are completely preserved during the manufacture. The application of local reinforcements made possible by the spot welding carried out at each location of the part increases the resistance of this part as a whole. The surfaces of the resulting construction are uniformly smooth and not tarnished and present the most pleasing appearance. The work generally leaves few traces.
Seals present, after that, a clean and pleasant appearance on all sides. Such perfect joints don't add a
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iota to the weight of the construction either by increasing the resistance of the mass of the elements, or by increasing the weight of the welding material, and can be multiplied with impunity. Large, irregularities and stampings - neat ages - of profiles in expensive single parts can be completely eliminated. The process also gives perfect results in joints: involving welds made in a single operation through several layers of metal superimposed.
Each thickness of the multiple weld is perfect for you. Each of the construction industry simplifications can be freely used by the aircraft manufacturer, -. These simplifications immediately become susceptible of receiving the ingenious improvements necessary to be able to be adapted more specially to the aircraft and all that can in any way add to the factors of lightness, resistance and safety of the aircraft. aircraft.
The objects of the invention have thus been completely achieved and steel (thanks to its. Exceptional. Properties) and electric welding (because of the great facilities it gives) generally become applicable to the entire construction of the aircraft. with, as a result, an increase in simplicity and security. This has ushered in a new era in aircraft construction.
This inauguration calls for modifications
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An extraordinary number of such modifications can be expected, particularly from the point of view of the extremely wide variety of stainless steels and the extremely large number of different methods of electric welding and electric welding control. Only the general spirit of the present invention allows to adequately control such a situation in the control of the various factors which will arise in the course of the development of the invention.
CLAIMS
1. A spot welded steel article (or construction) characterized in that the properties of the steel in the vicinity of the welds are substantially the same as those of the steel which is located far from the welds.
2. A point welded steel article (or construction) in accordance with claim 1 characterized in that all welds are substantially of equal quality and have the same strength.
3. A spot welded steel article (or construction) in accordance with claim 1 characterized in that the fusion of the welds is projected towards the outer surfaces of the joined elements at the smallest compatible distance. with efficient soldering.
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