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BREVET D'INVENTION "PROCEDE ET APPAREIL DE SOUDAGE"
La présente invention concerne le soudage et plus particulièrement les procédés et machines employant des chalumeaux à gaz combustible pour produire des joints soudés, spécialement ceux unissant des plaques de métal relativement épaisses.
Dans le soudage, au gaz, de plaques ayant une épaisseur de plus d'environ vingt millimètres, le chalumeau de soudage et la tige de soudure, lorsqu'ils sont convenablement proportionnés à l'épaisseur des plaques, deviennent si lourds que leur usage par un opérateur est impraticable.
D'un autre côté, les chalumeaux de soudage et les tiges de soudure qui conviennent pour qu'un opérateur puisse les manipuler confortablement sont trop petits pour le soudage de grosses plaques et la vitesse et le coût du soudage au gaz de ces plaques relativement épaisses, avec un tel équipement
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et une telle façon de faire, aussi bien que la qualité des soudures résultantes, se comparent défavorablement avec la qualité, la vitesse et le coût du. soudage au gaz de plaques ou tôles minces.
L'invention offre un procédé de soudage perfectionné qui consiste à déposer des couches consécutives du métal de soudure au cours d'une passe unique et un appareil perfectionné, pour produire une soudure à couches multiples en une seule passe, comprenant un support, des unités de soudage montées sur celui-ci, à distance les unes des autres le long et au-dessus de la ligne de soudure sur le travail, et agissant pour déposer simultanément des couches de métal de soudure le long de cette ligne, et un mécanisme pour mouvoir l'un par rapport aux autres, ledit ouvrage ou travail et lesdites unités et leur support le long de la ligne en question, chaque unité comprenant un guide-tige de soudure et un chalumeau de soudage pour appliquer une chaleur de soudage à l'ouvrage, en la ligne de soudure,
et à la partie adjacente d'une tige de métal de soudure avancée à travers ledit guide, pour fondre cette tige et déposer une couche de métal de soudure, la vitesse de ce mouvement relatif et la distance entre les points de soudage d'unités successives étant convenables pour permettre à la couche précédemment déposée de se solidifier avant que la couche suivante soit déposée dessus.
Au moyen de ce procédé et de cet appareil il est possible de produire, en une seule passe, une soudure à couches multiples d'excellente qualité entre des surfaces contiguës de plaques de métal relativement épaisses; de disposer d'un mode de soudage capable de produire effectivement
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et commodément une soudure d'excellente qualité qui est continue sur la pleine épaisseur des plaques en cours d'union et de disposer, d'une façon de faire et d'un appareil permettant de déposer économiquement et concurremment des couches superposées de métal de soudure, de les normaliser et d'en affiner les grains pour produire une soudure résultante épaisse et homogène, d'excellente qualité.
Sur les dessins ci-joints:
Fig. 1 et 2 sont, respectivement, une vue de côté et un plan d'un appareil à souder réaliser l'invention et capable d'effectuer le procédé de soudage perfectionné;
Fig. 3 est une coupe suivant III-III, Fig. l, et
Fig. 4,5, 6, 7, 8, 9 et 10 représentent, schématiquement, divers joints soudés et les façons de les faire en accord avec les principes de l'invention.
Généralement parlant, les principes de cette invention sont le plus avantageusement appliqués au soudage par contact, ou bord à bord, de plaques métalliques épais- -ses au moyen de flammes de gaz à haute température, comme des flammes oxyacétyléniques, et de métal de remplissage qui peut être appliqué par fusion de tiges de soudure métalliques convenables. Une rainure ou enture, de toute forme convenable ou préférée pour recevoir ce métal de remplissage, peut être formée, d'une manière bien connue, entre les bords contigus ou se faisant vis-à-vis, des plaques épaisses à souder.
Suivant l'invention, on soude des plaques d'une épaisseur supérieure à environ vingt millimètres en déposant, concurremment,un nombre suffisant de couches superposées de métal de soudure, en tandem, pour remplir complètement la rainure au cours d'une seule passe du
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mécanisme de soudage le long de cette rainure. Ce mécanisme peut consister en un nombre d'unités soudeuses correspondant au nombre de couches de métal de soudure à déposer, suivies par une unité comprenant un ou plusieurs chalumeaux de chauffage pour normaliser la dernière. couche déposée et en affiner le grain.
La première unité soudeuse consiste, de préférence, en un ou plusieurs chalumeaux préchauffeurs à haute température, de capacité chauffante suffisante pour préchauffer le métal de la plaque et les surfaces de la rainure en avant du point de soudage; en des moyens pour guider ou faire avancer la tige de soudure ou de métal de remplissage au point de soudage, avec ou sans chalumeaux pour préchauffer cette tige, et en un ou plusieurs chalumeaux de soudage appliquant des flammes à haute température au point de soudage et à l'extrémité inférieure de la tige pour fondre cette dernière et les surfaces contiguës de la rainure.
La première couche, ou couche de fond, est ainsi déposée par cette unité, et la seconde couche et les suivantes peuvent être déposées de la même façon à de courts intervalles, à mesure que la rainure de soudage est progressivement présentée à la seconde unité soudeuse et aux suivantes, chaque couche de métal de soudure étant déposée presque immédiatement après la couche précédente et à une courte distance en arrière du point en lequel la couche précédemment déposée s'est partiellement ou complètement solidifiée, par exemple : environ sept à dix centimètres, selon la vitesse de soudage.
Puisque la couche soudée et le métal y contigu des plaques qui sont présentés à la seconde unité soudeuse et aux suivantes sont déjà à une haute température, il est habituellement inutile de faire usage
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de chalumeaux réchauffeurs de plaques auxiliaires avec les 'unités soudeuses qui se trouvent après la première et on réalise ainsi une économie supplémentaire de consommation de gaz et d'équipement. Au cours du soudage, les chalumeaux de soudage sont de préférence mus, ou animés d'un mouvement d'oscillation dans un sens et dans l'autre, en travers de la rainure et du métal déposé, pour aider une fourniture uniforme de chaleur à ces parties et déterminer le contour et la surface du métal de soudure solidifié.
L'un ou l'autre des chalumeaux réchauffeurs de plaques et des chalumeaux préchauffeurs de tige, ou tous ces chalumeaux, aussi bien que les tiges de soudure, peuvent être mis en oscillation d'une manière similaire. Pour aider encore plus à l'obten- tion d'une bonne fusion et d'une bonne pénétration, il est préférable d'employer des flammes oxyacétyléniques contenant un léger excès d'acétylène.
Puisque le soudage se fait habi- tuellement à une vitesse uniforme le long de la rainure, en particulier dans une machine à souder automatique, les dia- mètres ou grosseurs des tiges de soudure successives sont, c'est désirable, progressivement plus gros que celui de la tige de soudure de la première unité soudeuse, en raison de la plus grande largeur de la couche et de la plus grande quantité de métal de remplissage qui doit être déposée dans un temps donné, et les amplitudes des divers mouvements de de chalumeaux et de tiges sont progressivement augmentées pour couvrir la largeur plus grande de la soudure. Deux ou plus de deux petites tiges de soudure, de grosseur convena- ble, avec ou sans chalumeaux préchauffeurs de tiges les ac- compagnant, peuvent être employées au lieu d'une seule grosse tige.
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Le présent procédé de soudage à couches multiples en une seule passe.présente des avantages marqués sur les procédés de soudage antérieurs, puisqu'il y a moins de risque d'oxydation en raison de la mare relativement petite de métal fondu exposée à l'air ; ondispose d'un meilleur contrôle sur la mare de métal fondu et les propriétés physiques de la soudure entière sont améliorées par le réchauffage des couches au cours du dépôt des couches successives.
La chaleur appliquée en soudant chaque couche après la première peut être utilisée en partie pour normaliser le métal précédemment déposé, exception faite pour la dernière couche. Les unités qui déposent la seconde couche et les suivantes peuvent être situées de telle sorte et le fonctionnement réglé de telle façon que le métal précédemment déposé, lorsqu'il arrive à l'unité soudeuse suivante pour le dépôt d'une autre couche, se sera refroidi à une température juste au-dessous du point critique inférieur pour l'acier; alors une normalisation et un affinage du grain de la couche précédente se produiront.
La normalisation et l'affinage de grain de la couche finale peuvent être effectués par un traitement thermique effectué par un chalumeau oxy acétylénique, ou par une autre flamme de haute température, qui suit l'unité soudeuse déposant la couche finale. Cette flamme de traitement thermique est appliquée à la couche finale après que celle-ci s'est refroidie au-dessous du point critique inférieur pour acier et est maintenue à la température appropriée et pendant le temps nécessaire pour assurer la composition désirée du métal de soudure. Ces tràitements de normalisation et d'affinage du grain ne seraient probablement pas utilisés pour des alliages, autres
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que d'acier, qui n'ont pas de points de transformation.
Il est important que la soudure soit continue pour toute l'épaisseur des plaques. Préalablement à la fa- çon de procéder décrite ci-dessus, on soude d'abord, de préférence (mais pas nécessairement) le côté opposé de la couture tout entière pour assurer une parfaite fusion du fond de la soudure complète, offrir une rigole de section constante dans laquelle la première couche de la soudure principale peut être déposée et unir solidement les plaques bord à bord en évitant ainsi des moyens d'attache ou d'espacement mécanique spéciaux. La consistance de la section et l'absence d'irrégularités le long de la rainure de soudage sont très importantes, spécialement pour des opérations de soudage automatiques satisfaisantes.
On peut effectuer cette union préliminaire des plaques en soudant directement ensemble les parties jointives des bords des plaques entées, avec ou sans l'addition de métal de soudure, comme par exemple, en soudant ensemble les angles jointifs aigus des deux plaques dont chacune présente un bord biseauté plat coopérant avec le bord lui faisant vis-à-vis pour former une unique rainure en V entre eux.
On peut effectuer une meilleure union préliminaire, pour la plupart des buts en usinant ou façonnant autrement chaque bord de plaque de façon qu'une double rainure asymétrique en V ou en U soit produite lorsqu'on assemble ces plaques bord à bord, de sorte qu'une très petite rainure peu profonde s'étendra le long d'un des côtés de la couture pour recevoir le métal de soudure .préliminaire, et qu'une rainure beaucoup plus grande et plus profonde s'étendra le long du côté opposé de la couture pour recevoir la soudure à couches multiples, lorsque
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la soudure préliminaire a été terminée. La profondeur de la petite rainure est de préférence moindre que le quart de l'épaisseur des plaques et elle est proportionnellement plus étroite que la plus grande rainure.
Dans les deux types de soudage préliminaire, l'épaisseur totale de la soudure n'excédera pas environ six millimètres et, habituellement, trois millimètres ou même moins, de façon que les soudures préliminaires puissent se faire, soit à la main ou automatiquement, à une grande vitesse, et soit par soudage au gaz ou soudage électrique.
Fig. 4, 5, 6, 7, 8,9 et 10 représentent schématiquement les opérations de soudage préliminaire facultatives et alternatives qui ont été décrites dans le paragraphe immédiatement précédent et que l'on peut effectuer préparatoirement au soudage principal à couches multiples, en une seule passe, précédemment décrit. Comme c'est représenté sur la Fig. 4, les épaisses plaques d'acier P, P' peuvent être pourvues de bords biseautés plats 10, 10' et assemblées bord à bord le long de leurs arêtes ou angles aigus 11, 11' pour constituer une unique rainure de soudage en forme de V, 12. Les arêtes 11, 11' peuvent ensuite être soudées ensemble, électriquement ou par une flamme de gaz de haute température, comme c'est indiqué en X, pour unir les plaques et fermer le fond de la rainure 12 sur toute sa longueur.
Comme c'est représenté sur la Fig. 5, les plaques Pa, P'a peuvent être pourvues de bords biseautés doubles 13, 13' et assemblées bord à bord le long de leurs arêtes ou angles 14, 14' pour constituer une double rainure asymétrique en V, consistant en une grande (profonde et large) rainure 15 et en une petite (peu profonde et étroite) rainure 16. On
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peut unir les plaques Pa, P'a et fermer le fond de la rainure 15 sur toute sa longueur, par un dépôt continu de métal de soudure Y remplissant la rainure 16 et s'étendant légèrement et d'une manière sensiblement égale dans le fond de la rainure 15. Il est évident que les rainures formées dans les plaques peuvent prendre toute forme désirée.
Comme c'est représenté sur la Fig. 8, la rainure peut consister en une grande rigole 20, en forme de U, et une petite rigole 21, en forme de V ou de U, s'étendant respectivement des côtés se faisant vis-à-vis des plaques Pc et P'c, à la ligne de jonction. On peut ajouter d'une manière commode quelconque de la matière de soudure Z à la petite rainure supérieure 21, sur toute sa longueur, comme opération préliminaire, pour unir les plaques et assurer une fusion complète des entures sur le côté de ces plaques qui est opposé à celui dans lequel la grande rainure en U est formée.
On peut ensuite retourner les plaques d'acier, unies comme c'est représenté sur les Fig. 4, 5 ou 8, de . manière à présenter les rainures 12, 15 ou 20 pour recevoir la soudure à couches multiples, en une seule passe, A, B, comme c'est représenté sur les Fig. 6, 7 et 9, respectivement. La première couche, A, est soudée directement à la soudure! sur la Fig. 6, à la soudure Y sur la Fig. 7 et à la soudure Z sur la Fig. 9 ;
avec la couche sui- vante B, ou les couches additionnelles fondues avec elle, assure une soudure continue pour toute l'épaisseur des plaques. 'Toutefois, on peut omettre ce soudage préliminaire et, comme c'est représenté sur la Fig. 10, les plaques d'acier Pd, P'd peuvent être pourvues de bords préparés de la même façon, comme les bords biseautés 17, 17' et assemblées
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bord à bord, ou en contact, le long de leurs angles ou arêtes aiguës 18, 18', pour présenter une rainure de soudage convenable, telle que l'unique rainure en V 19.
Avec les plaques Pd, P'd disposées dans une position sensiblement horizontale et la rainure 19 faisant face vers le haut, les couches de métal de soudure A, B peuvent être simultanément et successivement déposées dans cette rainure et le long de celle-ci au cours d'une unique passe des plaques par rapport aux moyens de soudage, en produisant ainsi une soudure continue pour toute l'épaisseur des plaques.
D'une manière générale, les procédés de soudage des différentes plaques par dépôt du métal de soudure principale en plusieurs couches dans les rainures 12, 15, 19 ou 20 sont identiques. Un appareil à souder typique pour la mise en pratique de ce procédé est représenté sur les dessins pour montrer plus clairement ce qu'est l'invention, mais non pour en limiter la portée. Pour plus de commodité et de clarté, l'invention est représentée comme appliquée au soudage de plaques d'une épaisseur n'exigeant que deux couches de métal de soudure pour produire une soudure prin- cipale complète ; il est évident qu'on pourrait déposer, d'une manière similaire, plus de deux couches dans le cas où les circonstances, ou l'épaisseur des plaques, en demanderaient plus de deux.
L'appareil à souder comprend (voir Fig. 1, 2 et 3) un bâti métallique convenable F pour supporter les deux unités soudeuses C et D, l'unité de préchauffage E et l'unité de traitement thermique G, aussi bien que l'équipement y associé, le tout au-dessus d'un mécanisme d'entraînement convenable H. Ce dernier est représenté schématiquement sous
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la forme de plusieurs rouleaux ou galets à certains desquels un mouvement de rotation est imprimé, de façon que les plaques d'acier puissent être entraînées à une vitesse uniforme à travers l'appareil, avec la rainure de soudage dans la position voulue par rapport aux unités, alignées, de chauffage et de soudage C, D, E et G.
II estévident qu'on pourrait obtenir le mouvement relatif des plaques et de l'appareil à souder en plaçant les plaques sur un support immobile et en faisant mouvoir l'appareil à souder le long des plaques et de la rainure de soudage existant entre elles, et en relation d'activité par rapport à ces plaques et à cette rainure.
L'unité de préchauffage E descend du bâti F et est portée par des moyens permettant d'en régler la position par rapport à la première unité soudeuse Ç et à la rainure existant dans l'ouvrage. L'unité soudeuse Ç comprend un chalumeau 22 ajustablement supporté par une plaque de monture 23,de façon qu'on puisse régler longitudinalement et verticalement la position du chalumeau. Avec ce chalumeau 22 est étroitement associé un guide-tige de soudure 30, réglable par rapport au chalumeau. Une tige de métal de soudure 24 glisse dans le guide 30 et peut être avancée à la rainure, soit mécaniquement ou par son propre poids.
Un chalumeau 25, de préchauffage de la tige de soudure, capable de diriger une flamme de chauffage contre la partie inférieure de la tige 24, est ajustablement assujetti à la plaque de monture 23. Le chalumeau 22, le guide 30 et le chalumeau 25 sont de préférence tous montés de façon qu'on puisse régler la position de chacun d'eux par rapport aux autres et l'unité tout entière est capable d'être déplacée
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par rapport au bâti F au moyen d'un dispositif de réglage tel, par exemple, qu'une fente pratiquée dans le côté du bâti F avec un moyen de fixation 26 traversant la plaque de monture 23.
Un moyen est prévu pour produire un mouvement oscillatoire ou alternatif de l'un ou l'autre des chalumeaux, ou de tous ceux-ci, aussi bien que des guide-tiges, de fa- çon que les flammes sortant des chalumeaux ou la matière fondue coulant des tiges de soudure puissent être distribuées transversalement à la rainure entre les plaques à unir. Ce mécanisme, qui est le mieux représenté sur la Fig.
2, consiste en un moteur M et un mécanisme réducteur de vitesse S capable d'imprimer, au moyen d'une bielle 35, un mouvement alternatif à une barre coulissante 27. Des guides 28 limitent et dirigent le mouvement de la barre coulissante 27. Comme c'est représenté sur la Fig. 3, un joug 29 peut être assujetti sur le dessous de la barre coulissante 27 et être pourvu d'un écrou coulissant 31 relié à une bielle 33 dans une fente 32 de laquelle il est engagé, et dont l'une des extrémités est convenablement assujettie à une monture de chalumeau 34 qui permettra au chalumeau 22 de pivoter autour de son propre axe. On notera que, à mesure que la barre coulissante 27 va et vient sous l'action du moteur M, la bielle 33 fait pivoter le chalumeau 22 autour de son axe, par suite de l'engagement de la bielle 33 avec l'écrou coulissant 31.
On notera aussi, en se reportant à Fig. 3, que plus l'écrou 31 est voisin du chalumeau 22, plus l'arc d'un bout à l'autre duquel celui-ci pivote, est grand. On pourrait employer tout autre moyen convenable pour faire osciller les chalumeaux. On peut prévoir un mécanisme similaire
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pour produire un mouvement de certains des autres éléments de l'unité soudeuse C ou de l'unité soudeuse D, ou de tous ces éléments, dans une direction transversale à la rainure.
L'unité soudeuse D est similaire à tous égards à l'unité soudeuse C à l'exception, possible, près, que le chalumeau, le guide-tige de soudure, la tige de soudure et le chalumeau de préchauffage de cette tige sont tous un peu plus gros pour s'accommoder à une tige de soudure 36, plus grosse, mieux capable de compléter la soudure en la partie supérieure, ou plus grande, de la rainure. Les divers réglages et connexions avec le mécanisme produisant le mouvement oscillatoire ou alternatif transversal sont identiques à ce qui peut être prévu pour l'unité soudeuse C.
Une unité de traitement thermique G, représentée en pointillé sur la Fig. 1, peut être ajustablement montée sur le bâti F, à la droite de l'unité soudeuse D. L'unité G aussi bien que l'unité de préchauffage E, bien qu'étant hautement désirables, ne sont pas indispensables à la fonction complète de l'appareil, et on peut omettre l'une ou l'autre, ou les deux, sans affecter la portée de l'invention. Une canalisation d'amenée de gaz T, montée d'une manière appropriée sur le bâti F, fournit du gaz combustible aux différents chalumeaux. Certains, quelconques, de ces chalumeaux, ou tous, sont de préférence refroidis par une circulation d'agent refroidisseur quelconque convenable, tel que de l'eau, pour lequel des canalisations sont indi- quées'sur les dessins.
Une feuille isolante 37 s'étend horizontalement sous le dessus du bâti F, à une certaine distance du dessus de la plaque de monture 23 et protège les montures des chalumeaux d'une exposition aux diverses flam-
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mes de ceux-ci.
Le fonctionnement est le suivant:. On retourne une paire de plaques, qui ont été de préférence façonnées et préalablement unies par l'une des méthodes représentées sur les Fig. 4,5 ou 8 et on les place dans la position représentée sur la Fig. 3, avec les tiges de soudure 24 et 36, aussi bien que les chalumeaux respectifs, dans des positions convenables et alignés par rapport à la rainure existant entre les bords contigus des plaques. On met en mouvement le mécanisme d'entraînement H de façon'que les rouleaux ou galets 39 tournent dans le sens du mouvement des aiguilles d'une montre, comme c'est indiqué sur la Fig.
1, et que les plaques métalliques . et P' soient mises en mouvement, lentement, de gauche à droite comme l'indique la flèche. La rainure est d'abord exposée à l'action de l'unité de préchauffage E qui chauffe à une haute température les surfaces de cette rainure et le métal attenant à celle-ci, après quoi le mécanisme d'entraînement présente les parties ainsi chauffées à l'action du chalumeau oscillant 22 qui élève les surfaces de la rainure à la température de soudage. Simultanément, une partie de la première tige de soudure 24, de préférence préalablement chauffée par le chalumeau 25, est également exposée à une flamme sortant du jet 41 du chalumeau 22, ce qui la fait fondre et s'unir intimement aux surfaces se trouvant à la partie inférieure de la rainure, pour former avec elles un joint homogène.
A mesure que la mare fondue qui se trouve dans la rainure continue son mouvement, elle commence à se solidifier de sorte que, quand elle arrive à la seconde unité soudeuse D, le métal précédemment déposé peut s'être re-
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froidi à un point juste au-dessous de la température critique inférieure du métal. Toutefois, on peut régler la vitesse du mécanisme d'entraînement de façon que le métal précédemment déposé se trouve à l'état, soit demi-solide ou solide, à une température au-dessus de la marge critique inférieure. Le chalumeau 42 de l'unité soudeuse D est, de préférence, de plus grande capacité, et se trouve placé plus haut, que le chalumeau 22, de façon que ses flammes puissent être appliquées à la partie supérieure, plus large, de la rainure et à la première couche de métal de soudure et les recouvrir.
L'action de l'unité soudeuse D est sensiblement identique à celle de l'unité soudeuse C, à cette exception près qu'une plus grande quantité de matière est déposée. Comme la seconde couche est ajoutée à l'état fondu , la première couche déposée, en contact intime avec elle, subit un traitement thermique. On peut, dans une même machine, faire usage d'autant d'unités soudeuses qu'on le désire, leur nombre dépendant quelque peu de l'épaisseur .des plaques à souder. Chaque couche déposée subit un traitement thermique pendant le dépôt de la couche suivante.
Il est ainsi apparent que, à moins que des mesures spéciales ne soient prises, la couche déposée en dernier lieu peut être laissée dans un état où elle est soumise à des efforts internes. Si cela doit être considéré comme indésirable, on peut ajouter un chalumeau G, indiqué sur la Fig. 1, pour recuire, faire revenir ou soumettre autrement à un traitement thermique la couche déposée en dernier lieu.
Bien qu'il soit préférable d'employer des flammes de gaz de haute température comme moyens de chauffage et de
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soudage, spécialement dans le dépôt de la soudure principale à couches multiples, il est évident qu'on pourrait, dans certains cas, utiliser un soudage électrique, par exemple : un soudage à l'arc électrique avec électrodes métalliques, pour produire la soudure préliminaire ou la soudure principale, ou les deux, et qu'on pourrait également employer une combinaison de moyens de soudage électriques et au gaz. La construction représentée sur les Fig. 1, 2 et 3 est simplement un exemple de l'une des dispositions d'appareil dont on peut faire usage pour mettre en pratique le procédé de soudage de l'invention.
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PATENT OF INVENTION "WELDING PROCESS AND APPARATUS"
The present invention relates to welding and more particularly to methods and machines employing combustible gas torches to produce welded joints, especially those joining relatively thick metal plates.
In the gas welding of plates having a thickness of more than about twenty millimeters, the welding torch and welding rod, when suitably proportioned to the thickness of the plates, become so heavy that their use by an operator is impractical.
On the other hand, welding torches and welding rods that are suitable for an operator to comfortably handle are too small for welding large plates and the speed and cost of gas welding those relatively thick plates. , with such equipment
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and such a procedure, as well as the quality of the resulting welds, compare unfavorably with the quality, speed and cost of the. gas welding of plates or thin sheets.
The invention provides an improved welding process which comprises depositing consecutive layers of weld metal in a single pass and an improved apparatus, for producing a multiple layer weld in a single pass, comprising a backing, units. weld mounted thereon, spaced apart from each other along and above the weld line on the work, and acting to simultaneously deposit layers of weld metal along that line, and a mechanism for moving, relative to each other, said work or work and said units and their support along the line in question, each unit comprising a weld rod guide and a welding torch for applying welding heat to the work, in the weld line,
and to the adjacent part of a weld metal rod advanced through said guide, to melt this rod and deposit a layer of weld metal, the speed of this relative movement and the distance between the welding points of successive units being suitable for allowing the previously deposited layer to solidify before the next layer is deposited thereon.
By means of this method and apparatus it is possible to produce, in a single pass, a multi-layer weld of excellent quality between contiguous surfaces of relatively thick metal plates; to have a welding mode capable of effectively producing
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and conveniently an excellent quality weld which is continuous through the full thickness of the plates being joined and to provide a method and apparatus for economically and concurrently depositing superimposed layers of weld metal , to standardize them and to refine the grains to produce a resulting thick and homogeneous weld of excellent quality.
On the attached drawings:
Fig. 1 and 2 are, respectively, a side view and a plan of a welding apparatus embodying the invention and capable of performing the improved welding process;
Fig. 3 is a section along III-III, FIG. l, and
Fig. 4,5, 6, 7, 8, 9 and 10 represent, schematically, various welded joints and the ways of making them in accordance with the principles of the invention.
Generally speaking, the principles of this invention are most advantageously applied to the contact, or edge-to-edge, welding of thick metal plates using high temperature gas flames, such as oxy-acetylene flames, and metal filler. which can be applied by fusion of suitable metal welding rods. A groove or notch, of any suitable or preferred shape for receiving this filler metal, may be formed, in a well-known manner, between the contiguous or facing edges of the thick plates to be welded.
According to the invention, plates with a thickness greater than about twenty millimeters are welded by depositing, concurrently, a sufficient number of superposed layers of weld metal, in tandem, to completely fill the groove during a single pass of the weld.
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welding mechanism along this groove. This mechanism may consist of a number of welding units corresponding to the number of layers of weld metal to be deposited, followed by a unit comprising one or more heating torches to standardize the last one. deposited layer and refine the grain.
The first welder unit preferably consists of one or more high temperature preheating torches of sufficient heating capacity to preheat the metal of the plate and the surfaces of the groove in front of the weld point; by means for guiding or advancing the weld or filler metal rod at the welding point, with or without torches for preheating that rod, and by one or more welding torches applying high temperature flames at the welding point and at the lower end of the rod to fuse the latter and the contiguous surfaces of the groove.
The first layer, or primer, is thus deposited by this unit, and the second and subsequent layers can be deposited in the same way at short intervals, as the weld groove is gradually presented to the second welder unit. and the following ones, each layer of weld metal being deposited almost immediately after the preceding layer and a short distance behind the point at which the previously deposited layer has partially or completely solidified, for example: about seven to ten centimeters, depending on the welding speed.
Since the welded layer and the adjoining metal of the plates which are presented to the second and subsequent welder units are already at a high temperature, it is usually unnecessary to make use of
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of the auxiliary plate heating torches with the welding units which are located after the first one and thus an additional saving in gas and equipment consumption is achieved. During welding, the welding torches are preferably driven, or oscillated back and forth, across the groove and deposited metal, to aid a uniform supply of heat to the weld. these parts and determine the outline and surface of the solidified weld metal.
Either of the plate heaters and rod heaters, or all of them, as well as the weld rods, can be oscillated in a similar manner. To further aid in obtaining good fusion and good penetration, it is preferable to use oxyacetylene flames containing a slight excess of acetylene.
Since welding is usually done at a uniform speed along the groove, particularly in an automatic welding machine, the diameters or sizes of successive weld rods are, desirably, progressively larger than that. of the welding rod of the first welding unit, due to the greater width of the layer and the greater quantity of filler metal which must be deposited in a given time, and the amplitudes of the various movements of the torches and of rods are gradually increased to cover the larger width of the weld. Two or more small weld rods, of suitable size, with or without accompanying rod preheating torches, may be used instead of a single large rod.
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The present single pass multi-layer welding process has marked advantages over previous welding processes, since there is less risk of oxidation due to the relatively small pool of molten metal exposed to air. ; It has better control over the pool of molten metal and the physical properties of the entire weld are improved by heating up the layers during the deposition of successive layers.
The heat applied by welding each layer after the first can be used in part to normalize the metal previously deposited, except for the last layer. The units which deposit the second and subsequent layers can be located in such a way and the operation adjusted so that the previously deposited metal, when it arrives at the next welding unit for the deposition of another layer, will be cooled to a temperature just below the lower critical point for steel; then normalization and grain refinement of the previous layer will occur.
The normalization and grain refinement of the final layer can be carried out by a heat treatment carried out by an acetylene torch, or by another high temperature flame, which follows the welding unit depositing the final layer. This heat treatment flame is applied to the final coat after it has cooled below the lower critical steel point and is maintained at the appropriate temperature and for the time necessary to ensure the desired composition of the weld metal. . These grain standardization and refining treatments would probably not be used for alloys, other
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than steel, which have no transformation points.
It is important that the weld is continuous for the entire thickness of the plates. Prior to the procedure described above, the opposite side of the entire seam is welded first, preferably (but not necessarily) to ensure a perfect fusion of the bottom of the complete weld, to provide a channel of constant section in which the first layer of the main weld can be deposited and firmly unite the plates edge to edge, thus avoiding special mechanical fastening or spacing means. The consistency of the section and the absence of irregularities along the weld groove are very important, especially for satisfactory automatic welding operations.
This preliminary union of the plates can be carried out by directly welding together the contiguous parts of the edges of the entered plates, with or without the addition of welding metal, for example, by welding together the acute contiguous angles of the two plates, each of which has a flat beveled edge cooperating with the edge facing it to form a single V-groove between them.
A better preliminary union can be achieved, for most purposes by machining or otherwise shaping each edge of the plate so that an asymmetric double V-shaped or U-shaped groove is produced when joining these plates edge to edge, so that 'a very small, shallow groove will extend along one side of the seam to accommodate the preliminary weld metal, and a much larger and deeper groove will extend along the opposite side of the seam. seam to receive the multi-layer weld, when
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the preliminary weld has been completed. The depth of the small groove is preferably less than a quarter of the thickness of the plates and is proportionally narrower than the larger groove.
In both types of preliminary welding, the total thickness of the weld will not exceed about six millimeters and usually three millimeters or even less, so that preliminary welds can be done, either by hand or automatically, at high speed, and either by gas welding or electric welding.
Fig. 4, 5, 6, 7, 8,9 and 10 schematically represent the optional and alternative preliminary welding operations which have been described in the immediately preceding paragraph and which can be carried out in preparation for the main multi-layer welding, in one single pass, previously described. As shown in Fig. 4, the thick steel plates P, P 'can be provided with flat bevelled edges 10, 10' and assembled edge to edge along their sharp edges or angles 11, 11 'to form a single welding groove in the form of V, 12. The ridges 11, 11 'can then be welded together, electrically or by a high temperature gas flame, as indicated in X, to unite the plates and close the bottom of the groove 12 over its entire length. length.
As shown in Fig. 5, the plates Pa, P'a can be provided with double bevelled edges 13, 13 'and assembled edge to edge along their ridges or angles 14, 14' to form an asymmetric double V-groove, consisting of a large ( deep and wide) groove 15 and into a small (shallow and narrow) groove 16. On
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can unite the plates Pa, P'a and close the bottom of the groove 15 over its entire length, by a continuous deposit of weld metal Y filling the groove 16 and extending slightly and substantially evenly in the bottom of the groove 15. It is obvious that the grooves formed in the plates can take any desired shape.
As shown in Fig. 8, the groove may consist of a large channel 20, U-shaped, and a small channel 21, V-shaped or U-shaped, respectively extending from the sides facing the plates Pc and P ' c, at the junction line. Z-weld material may be added in any convenient way to the small upper groove 21, along its entire length, as a preliminary operation, to unite the plates and ensure complete fusion of the finger joints on the side of these plates which is. opposite to that in which the large U-shaped groove is formed.
The steel plates can then be turned upside down, united as shown in Figs. 4, 5 or 8, of. so as to present the grooves 12, 15 or 20 for receiving the multi-layer weld, in a single pass, A, B, as shown in Figs. 6, 7 and 9, respectively. The first layer, A, is welded directly to the weld! in Fig. 6, to the weld Y in FIG. 7 and to the weld Z in FIG. 9;
with the following layer B, or the additional layers melted with it, ensures a continuous weld for the entire thickness of the plates. However, this preliminary welding can be omitted and, as shown in FIG. 10, the steel plates Pd, P'd can be provided with edges prepared in the same way, such as bevelled edges 17, 17 'and assembled
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edge to edge, or in contact, along their sharp corners or edges 18, 18 ', to present a suitable welding groove, such as the single V-groove 19.
With the plates Pd, P'd arranged in a substantially horizontal position and the groove 19 facing upwards, the layers of weld metal A, B can be simultaneously and successively deposited in this groove and along it at the same time. during a single pass of the plates relative to the welding means, thus producing a continuous weld for the entire thickness of the plates.
In general, the methods of welding the different plates by depositing the main weld metal in several layers in the grooves 12, 15, 19 or 20 are identical. A typical welding apparatus for practicing this method is shown in the drawings to show more clearly what the invention is, but not to limit its scope. For convenience and clarity, the invention is shown as applied to the welding of plates of a thickness requiring only two layers of weld metal to produce a complete main weld; it is obvious that one could deposit, in a similar manner, more than two layers in the case where the circumstances, or the thickness of the plates, would require more than two.
The welding apparatus comprises (see Figs. 1, 2 and 3) a suitable metal frame F to support the two welding units C and D, the preheating unit E and the heat treatment unit G, as well as the associated equipment, the whole above a suitable drive mechanism H. The latter is shown schematically under
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the shape of several rollers or rollers to some of which a rotational movement is imparted, so that the steel plates can be driven at a uniform speed through the apparatus, with the welding groove in the desired position relative to the C, D, E and G units, aligned, heating and welding.
It is obvious that the relative movement of the plates and the welding apparatus could be obtained by placing the plates on a stationary support and by moving the welding apparatus along the plates and the welding groove existing between them, and in relation to activity with respect to these plates and to this groove.
The preheating unit E descends from the frame F and is carried by means making it possible to adjust its position relative to the first welding unit Ç and to the groove existing in the structure. The welding unit C comprises a torch 22 adjustably supported by a mounting plate 23, so that the position of the torch can be adjusted longitudinally and vertically. With this torch 22 is closely associated a welding rod guide 30, adjustable relative to the torch. A weld metal rod 24 slides into guide 30 and can be advanced to the groove, either mechanically or by its own weight.
A welding rod preheating torch 25 capable of directing a heating flame against the lower portion of shank 24 is adjustably secured to mounting plate 23. Torch 22, guide 30 and torch 25 are attached to the mounting plate 23. preferably all mounted in such a way that the position of each can be adjusted in relation to the others and the whole unit is capable of being moved
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relative to the frame F by means of an adjustment device such as, for example, a slot made in the side of the frame F with a fixing means 26 passing through the mounting plate 23.
Means are provided for producing an oscillating or reciprocating motion of either or all of the torches, as well as the rod guides, so that the flames exiting the torches or the material. Fondue flowing solder rods can be distributed transversely to the groove between the plates to be joined. This mechanism, which is best represented in FIG.
2, consists of a motor M and a speed reduction mechanism S capable of imparting, by means of a connecting rod 35, a reciprocating movement to a sliding bar 27. Guides 28 limit and direct the movement of the sliding bar 27. As shown in Fig. 3, a yoke 29 can be secured on the underside of the sliding bar 27 and be provided with a sliding nut 31 connected to a connecting rod 33 in a slot 32 of which it is engaged, and one end of which is suitably secured. to a torch mount 34 which will allow torch 22 to pivot about its own axis. It will be noted that, as the sliding bar 27 moves back and forth under the action of the motor M, the connecting rod 33 causes the torch 22 to pivot around its axis, following the engagement of the connecting rod 33 with the sliding nut 31.
It will also be noted, with reference to FIG. 3, that the closer the nut 31 is to the torch 22, the greater the arc from one end to the other of which the latter pivots. Any other suitable means could be used to oscillate the torches. We can provide a similar mechanism
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to produce movement of some of the other elements of the welding unit C or the welding unit D, or all of these, in a direction transverse to the groove.
The welding unit D is similar in all respects to the welding unit C with the possible exception that the torch, welding rod guide, welding rod and preheating torch of that rod are all a little larger to accommodate a weld rod 36, larger, better able to complete the weld in the upper part, or larger, of the groove. The various settings and connections with the mechanism producing the transverse oscillating or reciprocating movement are identical to what can be provided for the welding unit C.
A heat treatment unit G, shown in dotted lines in FIG. 1, can be adjustably mounted on frame F, to the right of welding unit D. Unit G as well as preheating unit E, although highly desirable, are not essential for the full function of the apparatus, and either or both can be omitted without affecting the scope of the invention. A gas supply pipe T, mounted in an appropriate manner on the frame F, supplies combustible gas to the various torches. Some, or all, of these torches are preferably cooled by circulating any suitable coolant, such as water, for which pipelines are shown in the drawings.
An insulating sheet 37 extends horizontally below the top of the frame F, at a distance from the top of the mounting plate 23 and protects the torch frames from exposure to the various flames.
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my of these.
The operation is as follows :. A pair of plates are turned over, which have preferably been shaped and previously united by one of the methods shown in Figs. 4, 5 or 8 and placed in the position shown in FIG. 3, with the welding rods 24 and 36, as well as the respective torches, in suitable positions and aligned with respect to the groove existing between the adjoining edges of the plates. The drive mechanism H is set in motion so that the rollers or rollers 39 rotate in the direction of clockwise movement, as shown in FIG.
1, and that the metal plates. and P 'are set in motion, slowly, from left to right as indicated by the arrow. The groove is first exposed to the action of the preheating unit E which heats the surfaces of this groove and the metal adjoining it to a high temperature, after which the driving mechanism presents the parts thus heated. to the action of the oscillating torch 22 which raises the surfaces of the groove to the welding temperature. Simultaneously, a part of the first welding rod 24, preferably previously heated by the torch 25, is also exposed to a flame coming out of the jet 41 of the torch 22, which melts it and unites intimately with the surfaces located at the lower part of the groove, to form a homogeneous joint with them.
As the molten pool in the groove continues to move, it begins to solidify so that when it arrives at the second welder unit D, the previously deposited metal may have re-deposited.
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cooled to a point just below the lower critical temperature of the metal. However, the speed of the drive mechanism can be adjusted so that the previously deposited metal is in the state, either semi-solid or solid, at a temperature above the lower critical margin. The torch 42 of the welding unit D is preferably of greater capacity, and is located higher, than the torch 22, so that its flames can be applied to the upper, wider part of the groove. and to the first layer of weld metal and cover them.
The action of the welder unit D is substantially identical to that of the welder unit C, except that more material is deposited. As the second layer is added in the molten state, the first deposited layer, in intimate contact with it, undergoes a heat treatment. One can, in the same machine, use as many welding units as desired, their number depending somewhat on the thickness of the plates to be welded. Each deposited layer undergoes a heat treatment during the deposition of the next layer.
It is thus apparent that, unless special measures are taken, the layer deposited last can be left in a state where it is subjected to internal forces. If this is to be regarded as undesirable, a torch G, shown in Fig. 1, to anneal, return or otherwise heat treat the last deposited layer.
Although it is preferable to employ high temperature gas flames as a means of heating and
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welding, especially in the deposition of the main multi-layered weld, it is evident that in some cases electric welding could be used, for example: electric arc welding with metal electrodes, to produce the preliminary weld or the main weld, or both, and a combination of electric and gas welding means could also be employed. The construction shown in Figs. 1, 2 and 3 is merely an example of one of the apparatus arrangements which can be used to practice the welding process of the invention.