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" PROCEDE DE SCELLEMENT 4 - @
La présente invention a trait à des perfectionnements aux procédés de scellement.
Dans la pratique courante, on choisit systématiquement un verre et un métal ayant des coefficients de dilatation sensiblement voisins, on chauffe ensuite jusqu'à la température de recuit du verre et on laisse refroidir très lentement. On a coutume aussi d'amincir la pièce métallique, méthode qui permet de sceller des verres et des métaux ayant des coefficients de dilatation très différents du fait que le bord mince du métal peut se déformer aisément et que les tensions dans le verre sont ainsi réduites. La pièce est ensuite ohauffée jusqu'à la température de recuit du verre, puis refroidie très lentement, comme
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précédemment. On recouvre aussi la surface métallique d'un revêtement d'oxyde à l'endroit précis où l'on doit le souder au verre.
Conformément à la présente invention, le verre et le métal sont scellés, chauffée ensuite jusqu'à la température de recuit du verre, puis la pièce ayant le plus fort coefficient de dilatation (généralement le métal), est refroidie plus rapidement que l'autre, de façon que les deux pièces se contrac- tent au même régime, ce qui évite l'apparition de tensions mécaniques dans le verre.
Quand le verre est scellé à un métal dont le coefficient de dilatation n'est pas trop élevé, on peut effectuer le refroidissement à l'air libre, à la température ordinaire,, Comme le métal est meilleur conducteur de la chaleur, il se refroidit beaucoup plus rapidement que le verre ce qui pallie aux inconvénients précité,96 Toutefois, si le coefficient de dilatation du métal est de beauooup supérieur à celui du verre, il peut être nécessaire de refroidir le métal plus rapidement en Immergeant une partie de celui-ci dans un liquide. Quand une pièce tubulaire est scellée et noyée dans une prace de verre, les tensions dans celuici peuvent être transformées en compression par refroidissement très rapide de la pièce métallique par immersion.
La rigidité et la qualité du scellement sont considérablement augmentées si la surface métallique est exempte d'oxyde; la surface de scellement est donc de préférence traitée dans une atmosphère réduc- trice par l'emploi d'une flamme d'un gaz réducteur tel que l'hydrogène. Le métal est aussi traité avant scellement dans un four à hydrogène chauffé à environ 1. 000 C
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avantages de l'invention en se référant à la description suivante et au dessin qui l'accompagne, donné simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lequel :
La Fig.l est une élévation, partie en coupe, d'un culot ou support de lampe électrique.
La Fig.2 est une vue analogue montrant les parties de verre et les parties métalliques scellées l'une à l'autre.
La Fig.3 est une coupe verticale d'un four destiné au traitement de la pièce scellée.
La Fig.4 représente une série de courbes de dilatation du verre et de deux alliages que l'on peut utiliser conformément à l'invention.
Sur le dessin, on voit que ta pièce de verre est constituée par un godet renversé 10 comportant deux ouvertures 11, au centre des bossages 12,
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et une autre ouverture 13 destinée au passage du queusot. Les branches sont formées par des cylindres métalliques 14 auxquels sont fixées des pièces en for- me de coupe ou de godets 16. Chacun des cylindres 14 comporte une partie externe 17 et une partie 18 à diamètre réduit: la pièce 16 est fixée à l'épaulement cons- titué par la limite des parties intermédiaires 18 et interne 19, de préférence par brasure, de façon à former un joint étanohe.
Quand il s'agit d'une lampe électrique, la pièce 10 est de préférence en verre résistant aux chocs, tel que @ le verr borosilicaté actuellement connu sous le nom de pyrex. Ce verre a un coefficient de dilatation d'environ 32x10-7 Les godets 16 ont une épaisseur de 0,25 mat, environ et peuvent être confectionnés en un alliage de fer, de nickel et de cobalt connu sous le nom de "fernioo". Le fernico a un coefficient de di- latation d'environ 47x10-7. Les bords d'un des godets 16 peuvent être amincis, bien que cela ne soit pas absolument nécessaire, d'excellents scellements ayant été obtenus sans cette précaution. Les parties 15 sont généralement constituées par de l'acier mis en forme à froid.
Le support 10 et les broches 14 ayant été assemblés, comme on le voit Fig.1 on les chauffe par une flamme d'hydrogène dirigée sur les godets 16 et les parties adjacentes du support 10. On emploie à dessein une flamme réduc- trice, de manière à éviter la formation d'oxyde sur les surfaces des godets 16 On exerce ensuite une pression sur les extrémités supérieures des pièces 15 de telle sorte que, lorsque le verre est suffisamment plastique, les bords de ces dernières s'enfoncent dans la pièce de verre 10 autour des ouvertures 11, comme le montre la Fig.2. Un queusot 21 est alors scellé au godet 10 autour du bord de l'ouverture 13. L'ensemble est traité dans un four à environ 600-650 ce$ après quoi on le laisse refroidir à l'air libre.
Comme le métal est meilleur conducteur de la chaleur que le verre, il se refroidit plus rapidement, ce qui évite les tensions mécaniques radiales dans le verre. Ce procédé permet d'obte- nir un meilleur scellement et supprime le refroidissement lent dans le four à recuire. Il est avantageux d'introduire assez profondément le bord des pièces 16 (sur environ 1 mm.) dans le verre, de faqon à réaliser un scellement solide.
L'augmentation de la section droite du verre contrebalance les tensions dues aux forces extérieures sur les broches 15 et aussi les forces internes.
Quand les godets 16 sont métalliques, en fernico par exemple, la pièce 10 étant en pyrex, les tensions dans le verre peuvent être modifiées et transformées en compression par un refroidissement rapide du métal, en plongeant par exemple les broches 15 dans l'eau, après que le verre a été chauffé jusqu'au
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point de recuit. Le refroidissement par l'eau est désirable et même nécessaire quand on emploie un métal ayant un coefficient de dilatation beaucoup plus élevé que le verre.
De cette manière, les godets 16 en alliage tel que celui connu sous le nom dt"Alléghany 66" constitue par du fer qui contient 15 à 18% de chrôme et dont le coefficient de dilatation est de 11010-7, peuvent être scellée de façon satisfaisante à des pièces telles que 10 en pyrex dont le coefficient de dilatation est de 32x10-7
On peut effectuer le refroidissement du métal par l'eau, dans un four tel que celui représenté sur la Fig.3 et comportant une enveloppe 22 garnie de matière isolante et réfractaire 23 et munie d'un élément chauffant 24. Un réservoir 25 est fixé au fond 26 de l'enveloppe 22 et il comporte des orifices d'entrée et de sortie 27 et 28, On a prévu deux pièces tubulaires 29 dans le fond 26 de l'enveloppe 22, et un autre tube 30 traverse le centre du réservoir 25.
Dès qu'on a effectué le scellement des godets 16 sur le culot 10, l'ensemble est placé dans le four suivant une orien tation à angle droit par rapport à celle représentée sur la fig.3, de telle sorte que le queusot 21 est engagé dans le tube 30 et que les broches 15 portent sur le fond 26 du four* Le verre est alors chauffé entre 600 et 650 C l'ensemble 10-15 une fois scellé est ensuite orienté comme le montre la Fig.3, les broches 15 sont insérées à travers les tubes 29, dans le liquide 31 (de préférence de l'eau) contenu dans le réservoir 25, comme le montre la figure, le métal se refroidit rapidement, tandis que le verre 10 est de préférence ramené lentement au point de tension*
Au lieu de fernico,
on peut utiliser des alliages de fer qui contiennent 41% de nickel et dont le coefficient de dilatation est de 60x10-7 On a réalisé des scellements satisfaisants par refroidissement à l'air ou à l'eau On a également soudé au pyrex et dans les m8mes conditions le métal "Alléghany 55 qui est un alliage de fer qui contient environ 29% de chrome et dont le coeffi- oient de dilatation est de 105.10-7, 1'Alléghany 66" qui est aussi un alliage de fer contenant environ 17% de chrbme et ayant un coefficient de dilatation de 110x17-7, et enfin des tôles de fer ayant un coefficient de dilatation de 120x10-7
La Fig.4 montre le principe du procédé de refroidissement confor- mément à l'invention.
On a représenté en abscisses les températures en degrés C et en ordonnées les dilatations linéaires en cm. par cm.x10-6 P représente la courbe de dilatation du pyrex, F celle du fernico et A celle de 1'Alléghany 55"
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Avec du pyrex dont le point de tension est de 503 C; la ligne verticale pointillée 32 indique la différence entre la dilatation du verre et celle de l'alliage fernco au point de tension, quand on amène le verre et l'alliage à une température constante, conformément à la pratique antérieure. Ce procédé produit une tension considérable dans le verre et provoque des craquelures.
Suivant l'invention, l'alliage est refroidi beaucoup plus vite que le verre, la condition idéale étant probablement réalisée quand le verre et l'alliage sont refroidis suivant une ligne horizontale de telle sorte que le verre et l'alliage se contractent à la même allure, comme l'indique la ligne horizontale 3, et dans ce cas le verre n'est soumis à aucune tension, On peut réaliser cette condition en maintenant le verre au-dessus du point de recuit (5500 Ce) tandis qu'on refroidit le métal ou alliage jusqu'à ce que sa dilatation soit sensiblement la même que oelle du verre, et on refroidit ensuite en- semble de dernier et le métal, celui-oi se refroidissant plus vite que le verre qui continue à se contracter à la même allure.
Ainsi lorsque le pyrex se trouve au point de tension à 503 ., le fernico serait à environ 360
La ligne 34 représente un refroidissement plus rapide du métal, tel que celui qu'on obtiendrait en le plageant dans l'eau de manière à inverser les tensions et à faire travailler le verre à la oompression.
Il est alors dé- sirable d'utiliser une épaisseur relativement considérable de verre et une section de métal relativement mince, en raison des difficultés évidentes de refroidir le métal et le verre exactement aux régimes respectifs pour produire un scellement dépourvu de toute tension* Le coefficient de dilatation le plus grand de 1'Alléghany 55" (courbe A) indique qu'il doit être refroidi beaucoup plus rapidement que le pyrex dans le but d'obtenir un scellement sans tension, On atteint ce résultat en refroidissant le métal par l'eau à la manière décrite précédemment*
Bien qu'on ait représenté et décrit une seule forme de réalisation de l'invention,
il est évident qu'on ne désire pas se limiter à cette forme particulière donnée simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention,
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"SEALING PROCESS 4 - @
The present invention relates to improvements in sealing methods.
In current practice, a glass and a metal are systematically chosen having substantially similar coefficients of expansion, then heating to the annealing temperature of the glass and allowing to cool very slowly. It is also customary to thin the metal part, a method which makes it possible to seal glasses and metals with very different coefficients of expansion because the thin edge of the metal can easily deform and the tensions in the glass are thus reduced. . The part is then heated to the annealing temperature of the glass, then cooled very slowly, as
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previously. The metal surface is also covered with an oxide coating at the precise point where it is to be welded to the glass.
In accordance with the present invention, the glass and the metal are sealed, then heated to the annealing temperature of the glass, then the part with the highest coefficient of expansion (usually the metal), is cooled more quickly than the other. , so that the two parts contract at the same speed, which prevents the appearance of mechanical tensions in the glass.
When the glass is sealed to a metal whose coefficient of expansion is not too high, cooling can be carried out in the open air, at ordinary temperature, As the metal is a better conductor of heat, it cools down much faster than glass, which overcomes the aforementioned drawbacks, 96 However, if the coefficient of expansion of the metal is much greater than that of glass, it may be necessary to cool the metal more quickly by immersing a part of it in a liquid. When a tubular part is sealed and embedded in a glass chamber, the stresses in it can be transformed into compression by very rapid cooling of the metal part by immersion.
The rigidity and the quality of the seal are considerably increased if the metal surface is free of oxide; the sealing surface is therefore preferably treated in a reducing atmosphere by the use of a flame of a reducing gas such as hydrogen. The metal is also treated before sealing in a hydrogen furnace heated to about 1.000 C
The new features and advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawing, given simply by way of non-limiting example and in which:
Fig.l is an elevation, partly in section, of an electric lamp base or holder.
Fig.2 is a similar view showing the glass parts and the metal parts sealed to each other.
Fig.3 is a vertical section of a furnace intended for the treatment of the sealed part.
FIG. 4 represents a series of expansion curves of glass and of two alloys which can be used in accordance with the invention.
In the drawing, we see that your piece of glass consists of an inverted cup 10 comprising two openings 11, in the center of the bosses 12,
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and another opening 13 intended for the passage of the tail. The branches are formed by metal cylinders 14 to which are attached pieces in the form of cup or cups 16. Each of the cylinders 14 has an outer part 17 and a part 18 of reduced diameter: the part 16 is attached to the. a shoulder formed by the limit of the intermediate 18 and internal 19 parts, preferably by brazing, so as to form an ethanol joint.
When it comes to an electric lamp, the part 10 is preferably made of impact resistant glass, such as the borosilicate glass currently known as pyrex. This glass has an expansion coefficient of approximately 32x10-7. The cups 16 are approximately 0.25 mat thick and can be made from an alloy of iron, nickel and cobalt known as "fernioo". The fernico has a coefficient of expansion of approximately 47x10-7. The edges of one of the cups 16 may be thinned, although this is not absolutely necessary, excellent seals having been obtained without this precaution. The parts 15 are generally made of cold formed steel.
The support 10 and the pins 14 having been assembled, as seen in Fig.1, they are heated by a hydrogen flame directed on the cups 16 and the adjacent parts of the support 10. A reducing flame is intentionally used, so as to avoid the formation of oxide on the surfaces of the cups 16 Pressure is then exerted on the upper ends of the pieces 15 so that, when the glass is sufficiently plastic, the edges of the latter sink into the piece glass 10 around the openings 11, as shown in Fig. 2. A pot 21 is then sealed in cup 10 around the edge of opening 13. The whole is treated in an oven at about $ 600-650 cc after which it is allowed to cool in the open air.
Since metal is a better heat conductor than glass, it cools more quickly, which prevents radial mechanical stresses in the glass. This process provides a better seal and eliminates slow cooling in the annealing furnace. It is advantageous to introduce the edge of the pieces 16 (over approximately 1 mm.) Quite deeply into the glass, so as to achieve a solid seal.
The increase in the cross section of the glass counterbalances the stresses due to the external forces on the pins 15 and also the internal forces.
When the cups 16 are metallic, in Fernico for example, the part 10 being in Pyrex, the tensions in the glass can be modified and transformed into compression by a rapid cooling of the metal, for example by immersing the pins 15 in water, after the glass has been heated to
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annealing point. Water cooling is desirable and even necessary when employing a metal having a much higher coefficient of expansion than glass.
In this way, the buckets 16 made of an alloy such as that known under the name of "Alléghany 66" constituted by iron which contains 15 to 18% of color and whose coefficient of expansion is 11010-7, can be sealed in such a way. satisfactory for parts such as 10 in pyrex with an expansion coefficient of 32x10-7
The metal can be cooled by water, in a furnace such as that shown in FIG. 3 and comprising a casing 22 lined with insulating and refractory material 23 and provided with a heating element 24. A reservoir 25 is attached. at the bottom 26 of the casing 22 and it has inlet and outlet openings 27 and 28, two tubular pieces 29 are provided in the bottom 26 of the casing 22, and another tube 30 passes through the center of the tank 25.
As soon as the cups 16 have been sealed on the base 10, the assembly is placed in the oven in an orientation at right angles to that shown in FIG. 3, so that the valve 21 is engaged in the tube 30 and that the pins 15 bear on the bottom 26 of the oven * The glass is then heated between 600 and 650 C the assembly 10-15 once sealed is then oriented as shown in Fig. 3, the pins 15 are inserted through the tubes 29, into the liquid 31 (preferably water) contained in the reservoir 25, as shown in the figure, the metal cools rapidly, while the glass 10 is preferably brought back slowly to the stress point *
Instead of fernico,
it is possible to use iron alloys which contain 41% nickel and whose coefficient of expansion is 60x10-7 Satisfactory seals have been achieved by cooling in air or in water We have also welded with pyrex and in same conditions the metal "Alléghany 55 which is an iron alloy which contains about 29% chromium and whose coefficient of expansion is 105.10-7, the Alléghany 66" which is also an iron alloy containing about 17%. of chrbme and having an expansion coefficient of 110x17-7, and finally iron sheets having an expansion coefficient of 120x10-7
Fig. 4 shows the principle of the cooling process according to the invention.
The temperatures in degrees C are represented on the abscissa and the linear expansions in cm on the ordinate. per cm.x10-6 P represents the expansion curve of the pyrex, F that of the fernico and A that of the Alléghany 55 "
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With pyrex whose stress point is 503 C; the vertical dotted line 32 indicates the difference between the expansion of the glass and that of the fernco alloy at the stress point, when the glass and the alloy are brought to a constant temperature, in accordance with the prior practice. This process produces considerable tension in the glass and causes cracking.
According to the invention, the alloy is cooled much faster than glass, the ideal condition probably being achieved when the glass and the alloy are cooled in a horizontal line such that the glass and the alloy contract at the same time. same appearance, as indicated by horizontal line 3, and in this case the glass is not subjected to any tension, This condition can be achieved by maintaining the glass above the annealing point (5500 Ce) while cools the metal or alloy until its expansion is approximately the same as that of glass, and then the last and the metal are cooled together, the latter cooling faster than the glass which continues to contract at the same look.
So when the pyrex is at the tension point at 503., The fernico would be around 360
Line 34 represents a faster cooling of the metal, such as that which would be obtained by plunging it in water so as to reverse the tensions and to make the glass work on the oompression.
It is then desirable to use a relatively considerable thickness of glass and a relatively thin section of metal, because of the obvious difficulties of cooling the metal and the glass exactly at the respective rates to produce a seal devoid of any stress. The greater expansion of Alléghany 55 "(curve A) indicates that it must be cooled much faster than pyrex in order to obtain a stress-free seal. This is achieved by cooling the metal by the water as described above *
Although only one embodiment of the invention has been shown and described,
it is obvious that one does not wish to limit oneself to this particular form given simply by way of example and without any restrictive character and that consequently all the variants having the same principle and the same object as the provisions indicated above, would enter as they within the framework of the invention,