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SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE.
La présente invention concerne d'une manière générale le soudage à l'arc électrique en atmosphère gazeuse et plus particulièrement une atmos- phère perfectionnée de gaz inerte de protection de la soudure, ainsi qu'un procédé et un appareil à souder au moyen de la nouvelle atmosphère protec- trice de la soudure.
Le soudage à l'arc a pris une grande importance dans l'industrie et des travaux de recherche considérables ont été effectués en vue d'amélio- rer la qualité des soudures ainsi exécutées, ainsi que le rendement des opé- rations de soudage à l'arc. Le plus souvent, les progrès industriels ont con- sistéà perfectionner les couchesà appliquer sur les baguettes d'électrodes, les flux, les fils à noyau, etc. Des perfectionnements remarquables de natu- re plus générale ont consisté-dans-le développement couronné de succès dans l'industrie des procédés et appareils à souder au moyen d'électrodes se con- sommant ou non, en atmosphère de gaz inerte.
Le soudage du type protégé par un gaz inerte s'effectue en faisant jaillir un arc électrique entre une élec- trode et la pièce et en enveloppant l'extrémité chauffée de l'électrode, l'arc et le cordon de soudure dans une atmosphère de gaz inerte, tel que l'hélium . et/ou l'argon. L'électrode peut être du type ne se consommant pas, par exemple en wolfram, en mélange ou non avec de l'oxyde de thorium, ou substance analogue, pour améliorer ses caractéristiques de jaillissement de l'arc.
Elle peut aussi consister en une électrode à fil de remplissage se consommant,de la même composition ou à peu près, que la pièce à souder, ou d'une composition différente, lorsqu'il s'agit de pièces difficiles à souder par rapprochement ou par recouvrement ou de faire acquérir à la sou- dure des propriétés différentes de celles de la pièce.
On trouvera une des- cription complète de ce procédé et de l'appareil convenant à son applica- tion avec une électrode se consommant dans le brevet des Etats-Unis d'Améri-
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L'invention a notamment pour but de réaliser: - des perfectionnements au procédé de soudage à l'arc protégé par un gaz inerte, dans lequel on fait jaillir et maintient un arc entre une électrode et la pièce, en enveloppant l'électrode, l'arc et le cordon de soudure dans une atmosphère gazeuse protectrice, et en particulier des per- fectionnements au procédé de soudage à l'arc protégé par un gaz inerte avec une électrode à fil de remplissage se consommant, ainsi qu'il est décrit dans le brevet précité;
- une nouvelle atmosphère de gaz inerte de protection de la sou- dure à l'arc, améliorant les caractéristiques de jaillissement de l'arc; - une nouvelle atmosphère de gaz inerte de protection de la sou- dure, améliorant les caractéristiques de jaillissement de l'arc; - une nouvelle atmosphère de gaz inerte de protection de la soudu- re, améliorant le contour du cordon de soudure à une vitesse de soudage rela- tivement grande ; - une composition nouvelle et perfectionnée de gaz inerte compri- mé, emmagasinée dans des bouteilles ou récipients de soudure, pouvant être vendue et utilisée dans les installations de soudage à l'arc;
- un procédé perfectionné empêchant le rochage dans les opérations de soudage en atmosphère de gaz inerte des métaux ferreux, tels que les aciers au carbone, les aciers faiblement et fortementalliés, par exemple les aciers inoxydables.
Ces caractéristiques, ainsi que d'autres qui apparaîtront au cours de la description détaillée donnée ci-après de l'invention, sont réalisées en employant de la manière décrite plus loin une atmosphère protectrice con- tenant un faible pourcentage d'oxygène en mélange en proportions nouvelles et nettement définies avec un gaz ou un mélange de gaz inertes monoatomiques sensiblement purs.
Sur les dessins ci-joints:
La figure 1 représente sous forme schématique une forme de réali- sation d'une installation selon l'invention convenant à l'exécution de sou- dure de métaux à l'arc protégé par une atmosphère gazeuse, la figure 2 est une coupe à plus grande échelle d'un joint de piè- ces croisées, représentant en pointillé le contour du métal de soudure obte- nu en soudant le joint par un procédé antérieur en atmosphère gazeuse, et en traits pleins superposés le contour obtenu en exécutant le même joint sui- vant l'invention, la figure 3 représente la soudure elle-même de la figure 2, exécu- tée par le procédé antérieur., la figure 4 représente le même joint, exécuté par ie procédé sui- vant l'invention.
la figure 5 est une coupe à plus grande échelle d'un joint carré par rapprochement, représentant en pointillé le contour du métal de soudure obtenu en soudant le joint par un procédé antérieur en atmosphère gazeuse, et en traits pleins superposés le contour. obtenu en exécutant le même joint suivant l'invention.
Suivant la figure 1, un pistolet de soudage 10 est représenté en position de fonctionnement par rapport à la pièce 11 à souder. Ce pistolet est semblable à l'un de ceux qui sont décrits dans le brevet des Etats-Unis
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d'Amérique précité No 2.504.868.Il consiste en principe en un guide inté- rieur du fil et un élément 12 de contact du courant de soudure, entouré par un cylindre extérieur 13. Une électrode de soudure 14 est tirée d'une bobine débitrice 15 par deux galets d'avancement 16 actionnés par un moteur 17. Le moteur représenté est réglé par un régulateur et fonctionne à une vitesse choisie d'avance et déterminée par la position du bouton de réglage 18 du régulateur.
Les galets d'avancement 16 sont commandés par le moteur par l'in- termédiaire d'une transmission de réduction de vitesse logée dans un carter 19. Les deux galets d'avancement 16 (dont l'un est visible sur la figure, car il est masqué par le galet antérieur qui porte le numéro de référence 16) sont commandés au moyen de deux roues d'engrenage à denture droite, engrenant entre elles et dont une seule est visible et est désignée par 200
Le fil 14, tiré de la bobine 15 par les galets d'avancement 16, est poussé le long d'un canal de guidage 21, puis dans le pistolet de soudu- re 100 Le courant de soudure est fourni à l'électrode et à la pièce sous la forme d'un courant continu à polarité inversée;, par une machine à souder 22 qui dans le cas présent est une dynamo à courant continu:, de façon à entre- tenir l'arc de soudure.
Le courant de soudure arrive dans le fil de soudure 14 par l'élément de contact tubulaire 12 au moment où'le fil passe dans le tube 12 et vient en contact électrique avec lui. Une bouteille 25 contient une provision de gaz de protection. Le gaz sortant de la bouteille 25 tra- verse une soupape cylindrique ordinaire 26, un régulateur de pression 27 et un compteur de débit 28 et arrive par un tuyau 29 dans le canal de guidage 21 du pistolet de soudure. En sortant du canal de guidage 21, le gaz de pro- tection passe dans l'espace annulaire du pistolet 10 qui est formé entre le cylindre 13 et l'élément tubulaire 12 et sort sous forme d'enveloppe annu- laire autour de l'électrode, de l'arc et de la masse de soudure.
Ainsi qu'il est décrit dans le brevet précité, le gaz arrive de préférence sous la for- me d'un courant sensiblement non turbulente selon un débit d'environ 0,85 à environ 4,245 m3 par heureoL'enveloppe gazeuse peut se former par exemple de la manière décrite en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 2.544.711 du 13 mars 19510 Cette enveloppe non turbulente met l'arc à peu près complètement à l'abri de l'air ambiant et donne ainsi la certitude que la composition du gaz inerte qui entoure l'arc entretenu reste sensiblement la même que celle du gaz qui arrive sur l'arc par le canal 21 au sortir de la bouteille 25 du gaz de soudure.
L'opération étant en train, l'arc jaillit entre l'électrode 14 et la pièce 11 et est enveloppé par le gaz de protection sortant du cylin- dre du pistolet de soudure. L'électrode avance d'une manière continue de fa- çon à maintenir l'arc en équilibre, c'est-à-dire que la vitesse d'avancement du fil est égale à sa vitesse de combustion. Le fil de l'électrode se dépo- se sur la pièce et fond avec elle pendant qu'on déplace le pistolet de soudu- re par rapport à la pièce pour former la soudure.
En opérant de la manière décrite ci-dessus et en formant l'atmos- phère de protection par un gaz inerte monoatomique très pur,on obtient une soudure saine sensiblement exempte d'oxydes. Le procédé permet d'employer une densité de courant relativement forte et d'obtenir ainsi un arc très chaud pénétrant profondément, au moyen duquel on peut exécuter des soudures à très grande vitesseo Cette grande vitesse d'exécution de la soudure est très avantageuse, par exemple lorsqu'il s'agit de souder 1-'acier, mais dans certains cas le contour de la soudure en est fâcheusement affecté.
Or, il a été découvert suivant l'invention que si l'on ajoute une faible quantité d'oxygène au gaz de protection et en opérant de la même manière., on peut agir d'une manière avantageuse sur la forme du contour de la soudure et obtenir des contours des cordons de soudure extrêmement satisfaisants, même à une plus grande vitesse d'exécution et avec un courant plus intense.
Par exemple, la figure 2 représente une soudure horizontale d'an- gle assemblant deux pièces en acier inoxydable. Pour souder les plaques 30 et 31 d'une épaisseur de 12,7 mm en acier inoxydable type 316 (C = 0,10 %, Mn = 2 %, P = 0,04 %, S = 0903 %, Si = 1,0 %, Cr = 16-18 %, Ni = 10-14 %,
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Mo = 2-3 %, Fe = le complément) avec un fil de soudure de 1,5 mm de diamètre en acier inoxydable type 3169 et un gaz de protection consistant en argon à 9999 % de pureté;, sous un débit de 1,7 m3 par heure et un courant de soudure de 200 ampères? à une vitesse de déplacement de 355 mm par minute, on ob- tient le contour du métal de soudure représenté en pointillé sur la figure 2 (voir aussi la figure 3).
Il est évident que le rochage de cette soudure d'angle est médiocre, c'est-à-dire que la cavité formée dans la plaque par l'arc n'est pas complètement remplie parle métal de soudure et laisse subsis- ter le long des bords de la soudure une dépression qui diminue la résistance de la soudure en formant une entaille dans laquelle se concentrent les efforts, et qu'en outre il diminue la section transversale des pièces soudées au voi- sinage des bords de la soudure. Mais on a constaté que si le gaz de protec- tion consiste en un mélange d'environ 1 % en volume d'oxygène et du complément en argon à 99,9 % de pureté toutes les autres conditions étant les mêmes que ci-dessusle contour du métal de soudure prend la forme limitée par le trait plein de la figure 2 (voir aussi la figure 4).
Le joint ne comporte pas de ro- chage et la soudure à pénétré profondément.
La figure 5 représente un autre exemple de l'effet produit par l'ad- dition d'oxygène au gaz inerte de protection dans l'exécution de soudures à l'arc protégées par un gaz inerte. Le tracé en pointillé représente une coupe transversale du métal de soudure dans un joint soudé par rapprochement par 33 procédé et avec l'installation décrits ci-dessus, avec un gaz de protection consistant en un gaz inerte monoatomique très pur. Le tracé en traits pleins de la même figure représente le contour du métal de soudure lorsqu'on ajoute une faible quantité d'oxygène, dans les proportions indiquées ci-dessus., au même gaz de protection. L'addition d'oxygène a pour effet d'augmenter la pro- fondeur de pénétration et de former un cordon de soudureplus étroit en ren- forgant la soudure.
Il en résulte qu'en ajoutant de l'oxygène, on obtient des soudures de meilleure qualité que celles qu'on peut obtenir avec un gaz inerte de protection pur, pour la même vitesse d'exécution de la soudure.
De même,, on peut augmenter la vitesse d'exécution de la soudure sans en diminuer la qualitéo L'explication de ce résultat inattendu n'est pro- bablement pas simple'. On a constaté que lorsque l'atmosphère de protection d'une opération de soudage par le procédé décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique précité N 2.504.868 consiste en gaz inerte très pur., il se forme sur la pièce une première tache cathodique qui coincide avec l'un des points de jaillissement de l'arc de soudure et forme la zone primaire d'émis- sion des électrons. Mais on voit en outre apparaître des taches cathodiques qui paraissent être des taches cathodiques temporaires secondaires au voisi- nage des bords de la masse liquide de soudure et qui entretiennent des arcs secondaires variables.
Ces arcs secondaires exercent une action de chauffage nette sur la zone dans laquelle ils jaillissent., et cette action de chauffa- ge cathodique se propage:; effectivement sur une zone plus étendue,, en formant une large cavité dans la plaque au-dessous de 1-lare. On a constaté aussi que lorsqu'on ajoute une quantité appropriée d'oxygène au gaz de protection,,les taches cathodiques secondaires et les arcs secondaires disparaissent, la ten- sion de l'arc est plus faible et l'arc n'apparaît que dans la tache cathodi- que primaire stable, en ne faisant naître qu'une cavité étroite dans la pla- que au-dessous de l'arc.
Malgré la diminution de la puissance de l'arc (ten- sion de l'arc plus faible.. même intensité), il en résulte une augmentation de la pénétration de la soudure directement au-dessous de l'arc et une dimi- nution du chauffage autour des bords de la masse liquide de la soudure qui améliore le contour de la soudure, ainsi qu'il a été déjà dit. La suppres- sion des taches cathodiques secondaires peut être due à la formation de très faibles quantités d'oxyde métallique, qui sont des bons émetteurs d'électrons et permettent à la tache cathodique primaire d'émettre facilement un nombre d'électrons suffisant pour entretenir l'arc ou cette suppression.peut être due à l'augmentation de la température de l'arc provoquée par la réaction exothermique de l'oxygène avec la vapeur métallique dans la région de l'arc.
Dans tous les case ce phénomène peut être observé et donne des résultats nou- veaux et inattendus.
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On a constaté qu'on obtenait d'excellents résultats avec un mélan- ge de gaz formé par 1 % en volume d'oxygène à 99,5 % de pureté et par 99 % en volume d'argon à 99,9 % de pureté. On a constaté de plus que la propor- tion d'oxygène à 99,5 % environ de pureté peut être comprise entre environ 0,7 et environ 1,5 % en volume, le complément consistant en gaz inerte mono- atomique très pur, sans compromettre aucun des avantages procurés par l'in- vention.
On peut réaliser un avantage considérable, sans inconvénient appré- ciable dû à la perte de quantités infimes des éléments oxydables d'alliage de l'électrode, avec une proportion d'oxygène comprise entre environ 0,5 et environ 2 % en volume, proportion qui, bien que ne réalisant pas la perfect tion, donne satisfaction dans un grand nombre d'opérations de soudage. En analysant le métal de soudure obtenu suivant l'invention, on constate qu'il ne contient pas de quantités pratiquement mesurables d'oxydes métalliques dûs à l'addition d'oxygène au gaz inerte de protection lorsque l'addition d'oxygène ne dépasse pas 1,5 % en volume de la quantité totale.
Si la propor- tion d'oxygène dépasse cette valeur, on constate qu'il commence à se former des inclusions d'oxydes qui, lorsque la proportion d'oxygène dépasse envi- ron 2%, donnent lieu à une perte des éléments d'alliage fortement oxyda- bles, susceptible lorsque la proportion d'oxygène est plus forte, de rendre la soudure métallurgiquement inacceptable, à moins qu'on n'augmente le pour- centage des éléments d'alliage fortement oxydables de l'électrode pour tenir compte des pertes dues à l'oxydation au cours de leur passage dans la sou- dure. Une proportion d'oxygène légèrement inférieure à 0,5 % du volume to- tal est insuffisante pour donner des résultats avantageux appréciables.
Avec une proportion d'oxygène de 0,5 % on obtient des résultats avantageux net- tement définis;, qui s'améliorent rapidement lorsque la proportion d'oxygène ajoutée augmente jusqu'à 0,7 % environ en volume du mélange total. Lorsque l'addition dépasse 0,7 % d'oxygène;, on n'observe guère de changement jusqu'à ce que cette proportion atteigne environ 1,5 % entre les limites choisies de préférence, au delà desquelles l'oxydation des éléments d'alliage de l'élec- trode au cours de leur passage dans la soudure devient de plus en plus appré- ciable et éventuellement inacceptable lorsqu'une proportion d'oxygène relati- vement forte se combine avec des électrodes contenant une proportion relati- vemént faible d'éléments d'alliage fortement oxydables.
Le gaz inerte et l'oxygène précité peuvent provenir d'une source quelconque, pourvu qu'ils ne contiennent sensiblement pas d'impuretés, en particulier des impuretés telles que l'hydrogène, l'azote, le soufre;, les halogènes, les composées de tous ces éléments et/ou d'autres impuretés, en proportions susceptibles de réagir fâcheusement avec le métal de la soudure ou de rendre ce métal poreux.
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Lorsque le gaz inerte monoatomique consiste en argon, on dérive l'argon et l'oxygène de préférence de l'air atmosphérique par un procédé de liquéfaction et de rectification qui donne la certitude qu'ils ne contiennent pas les éléments et composés indésirables précités. L'argon ainsi préparé est distribué dans l'industrie à un degré de pureté de 99,9 %, le très faible complément consistant en grande partie en azote.De plus, cette proportion d'azote est insuffisante pour exercer une action nuisible sur la soudure. De même, l'oxygène ainsi préparé est distribué dans l'industrie avec un degré de pureté de 99,5 %, le complément consistant en grande partie en argon.
Etant donné que l'argon et l'oxygène se dégagent successivement au cours de la rectification de l'air liquide, on a constaté qu'il est possible suivant l'invention de préparer directement un argon d'un degré de pureté d'environ 99p9 %:, en mélange avec une proportion comprise entre les limites choisies, de préférence comprises environ 0,7 et environ 1,5 % en volume d'oxygène, si on le désire, en effectuant un prélèvement en un point approprié d'une co- lonne de rectification d'une installation industrielle de liquéfaction et de séparation de l'air.
Ainsi qu'il a déjà été dit, l'invention convient particulièrement au soudage de l'acier par le procédé du brevet précité N 2.504.868;, à une vitesse d'exécution plus rapide. Cette plus grande vitesse est facile à obte-
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nir en raison des propriétés spéciales du procédé, à savoir une densité de courant beaucoup plus forte, un mouvement d'avancement continu du fil un arc concentré et une atmosphère protectrice du gaz inerte. En employant dans cette opération un gaz inerte très pur avec une addition d'oxygène on peut profiter complètement de l'avantage qui résulte de la grande vitesse d'exé- cution qu'il permet.
On constate que pour souder les aciers avec un courant de forte intensité et à grande vitesse par le procédé du brevet précité N 205040868., l'argon est nettement supérieur à l'hélium Cependant, l'emploi de l'argon seul à un degré de pureté de 99,9 % donne -Lieu à une sérieuse difficulté: il n'est pas possible en effet d'exécuter des soudures d'angle horizontales sans rochage considérable. Il est probable que ce rochage est dû à un fort bombardement par des ions positifs qui se produit dans un arc protégé par l'argon, sous un courant intense. Le rochage s'accompagne généralement d'un arc vagabondo L'arc vagabond est évidemment plus accentué dans une soudure en l'air que le rochage.
Ces problèmes sont résolus suivant l'invention qui permet d'entretenir l'arc de soudure dans une atmosphère formée par un mélan- ge de gaz monoatomique inerte et d'oxygène en proportions nouvelles et défi- nies. On supprime le rochage et le vagabondage de l'arc en ajoutant de l'oxy- gène à l'argon initial d'un degré de pureté de 9999 %, en quantité suffisan- te pour que le mélange ainsi obtenu contienne 0,7 % en volumed'oxygèneo Cette proportion peut atteindre 1,5 % en volume au maximum sans exercer d'influence appréciable sur la composition du métal déposé. En d'autres termes, on ob- tient en principe un transfert de 100 % des éléments de l'électrode par l'arc dans le cordon de soudure.
On a constaté que cette même atmosphère de protection de l'arc est avantageuse dans le soudage à l'arc de l'aluminium avec une électrode se con- sommant protégée par un gazo Etant donné qu'une pièce en aluminium est suscep- tible de dissiper la chaleur du bord de la masse liquide de la soudure, le rochage ne pose pas un problème aussi grave que dans le sousage de l'acier.
Mais lorsque l'intensité du courant dépasse une certaine valeur critique pour une série de conditions de soudage données on observe un phénomène nettement visible de crachement du métal fondu de la soudure, qui donne lieu à un cor- don de soudure contenant des inclusions d'oxydes et possédant une surface ir- régulière et exfoliée. On a constaté qu'avec le mélange de gaz de protection perfectionné suivant l'inventions le courant de soudure peut être plus in- tense, sans que se produise ce résultat fâcheux, Il en résulte évidemment qu'on peut augmenter la vitesse d'exécution de la soudure. De plus, l'arc est plus stable.
Par exemple, si l'on soude par rapprochement des plaques en alumi- nium 38 (1,2 % Mn le complément Al) de 25,4 mm d'épaisseur en atmosphère d'argon pur avec une électrode en fil'd'aluminium 438 (5 % Si!) le complément Al) de 4,7 mm de diamètre, au moyen d'un courant de 550 ampères!! on obtient des éruptions, de 1-'oxydation,, une surface rugueuse, etco Si l'on ajoute 1 % d'oxygène à l'argon dans les mêmes conditions, le courant peut atteindre plus de 600 ampères, sans éruptions de la masse liquide de la soudure et irrégula- rités de surface en résultant.
L'invention convient particulièrement, ainsi qu'il a déjà été dit au soudage d'alliages ferreux en atmosphère d'argon sensiblement pur addition- né d'oxygène entre les limites précitées, principalement dans le but d'em- pêcher le rochage. Mais elle convient aussi à 1-'aluminium, ainsi qu'il vient d'être dit., et à d'autres métaux avec d'autres gaz de protection et pour ar- river à d'autres résultats.Par exemple, elle permet un meilleur réglage de l'arc., c'est-à-dire de la constance de la tension, de la longueur et de la direction de l'arc;
, et augmente sa stabilité.Elle améliore la forme du cor- don de soudure et supprime le rochage et dans la plupart des cas, fait dimi- nuer la vaporisation du métal fondu de la soudure. Ces résultats améliorés sont obtenus avec des intensités du courant de soudure et des vitesses d'exé- cution plus faibles ou plus fortes., bien que l'amélioration du réglage de
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l'arc se manifeste particulièrement avec des intensités et vitesses plus fai- bles du courant de soudures tandis que la suppression du rochage, la diminu- tion de la vaporisation et l'amélioration du contour du cordon de soudure se manifestent spécialement avec des vitesses et des intensités plus fortes du courant de soudure.
Bien que les résultats les plus avantageux donnés par les addi- tions d'oxygène à l'atmosphère de l'arc suivant l'invention aient été obtenus avec l'argon et surtout avec l'argon sensiblement pur, ces additions sont également avantageuses avec d'autres gaz ou mélanges de gaz de soudure iner- tes et monoatomiques, par exemple avec l'hélium ou avec des mélanges d'argon et d'hélium.
L'oxygène, à l'encontre des composés contenant de l'oxygène, est l'élément le plus avantageux à ajouter à l'atmosphère de gaz inerte de l'arc, et il consiste de préférence en un mélange homogène avec le gaz iner- te, introduit sous forte pression, par exemple d'environ 141 kgs/cm2 dans une bouteille ou récipient à gaz de soudure, d'où il est fourni par un tuyau fle- xible aux canaux de passage du gaz de protection du pistolet de soudure.
Tou- tefois, dans certains cas, on peut faire arriver l'oxygène dans l'atmosphère de l'arc sous d'autres formes et par d'autres moyens.On a constaté qu' on peut éviter le rochage dans le soudage de l'acier par le procédé du brevet précité N 2.504.868 au moyen d'un mélange de gaz de protection consistant en principe en argon et/ou un autre gaz inerte monoatomique, contenant de l'an- hydride carbonique en proportions en volume d'environ 3 à environ 10 %. On suppose que l'anhydride carbonique ainsi mélangé avec le'gaz inerte monoato- mique dans les proportions précitées se décompose en totalité ou en partie par la chaleur de l'arc, de façon à dégager dans l'atmosphère de l'arc une proportion efficace d'oxygène comprise entre environ 0,5 et environ 2 %, ain- si qu'il est indiqué ci-dessus.
On peut aussi ajouter au gaz inerte monoato- mique avec des résultats satisfaisants des mélanges appropriés d'oxygène et d'anhydride carbonique, ou des mélanges de gaz quelconques appropriés qui mettent en liberté la quantité d'oxygène nécessaire dans la région de l'arc.
L'invention est considérée comme étant avantageuse pour le sou- dage de tous les métaux ferreux et non ferreux, mais surtout pour le sou- dage de l'acier ferritique et austénitique, y compris les aciers inoxyda- bles, les aciers alliés et les aciers ordinaires au carbone.
Une autre application avantageuse de la nouvelle atmosphère de protection suivant l'invention consiste dans lesoudage à l'arc protégé par un gaz avec une électrode ne se consommant pas, par exemple en wolfram.
On a constaté par exemple que lorsqu'on exécute une soudure d'an- gle de l'acier inoxydable en présence du nouveau mélange de gaz de protec- tion suivant l'invention entourant un arc jaillissant entre une a.node formée par la pièce et une cathode formée par l'électrode en' wolfram,\) on peut exé- cuter la soudure avec des courants d'intensité et à une vitesse sensible- ment plus fortes sans risque de rochage.
On peut exécuter une soudure d'angle satisfaisante dans une pièce en acier inoxydable, du type 304, (C = 0,08 %, Mn = 2 %, P = 0,04 %, S = 0903 %, Si = 1 %, Cr = 18-20 %, Ni = 8-11 %, Fe= le complément) de 1,5 mm d'épaisseur, avec une électrode en wolfram (thorié) de 1901 mm de diamètre, sans addition de métal de remplissage sous une in- tensité de 80 ampères, en présence d'un gaz de protection se composant de 0,7 % d'oxygène et 99,3 % d'argon débité à raison de 0,424 m3/heure.Sans addition d'oxygène, il est impossible d'exécuter cette soudure sans qu'il se produise -un rochage considérable.
Lorsqu'on emploie une atmosphère de protection de Parc consis- tant en un gaz inerte très pur avec une électrode en wolfram, on obtient pour une série donnée de conditions une certaine tension de l'arc. Si l'on emploie le nouveau mélange de gaz de protection suivant l'invention dans les mêmes conditions, la tension de l'arc est plus élevée. Ce résultat est ex- actement contraire à celui qu'on obtient dans le soudage à l'arc des métaux avec une électrode se consommant, où l'addition d'oxygène fait diminuer la
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tension de l'arc. L'explication de ce phénomène d'observation n'est pas im- médiatement évidente.
Mais quelle qu'en soit l'explication théorique, il n'en reste pas moins qu'en ajoutant environ 0,7 à environ 1,5 % en volume d'oxygène à un gaz inerte monoatomique sensiblement pur, on obtient un mé- lange de gaz qui donne des résultats nettement avantageux dans le soudage à l'arc protégé par le gaz avec des électrodes se consommant ou ne se consom- mant pas. Dans la plupart des cas, il en résulte une amélioration du con- tour du métal de la soudures, c'est-à-dire que le rochage est supprimé, la pénétration augmente, ainsi que le renforcement de la soudure.
L'arc se lo- calise et sa stabilité augmentée En ajoutant de l'oxygène entre les limites précitées, on fait naître une pression partielle d'oxygène de beaucoup su- périeure à la pression de dissociation des oxydes métalliques, mais insuf- fisante pour former une quantité appréciable et nuisible de ces oxydes mé- talliques. L'existence du cratère de l'arc est indépendante de l'addition d'oxygène, qui n'exerce aucune influence sur elle. On a constaté que la quan- tité d'oxyde existant à la surface du métal de la soudure est apparemment insuffisante pour modifier dans une mesure appréciable la tension superfi- cielle du métal de la soudureo
L'invention ne doit pas être considérée comme limitée aux formes de réalisation représentées et décrites, qui n'ont été choisies qu'à titre d'exemple.
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ELECTRIC ARC WELDING.
The present invention relates generally to electric arc welding in a gas atmosphere and more particularly to an improved inert gas atmosphere for protecting the weld, as well as to a method and apparatus for welding by means of the same. new protective atmosphere for welding.
Arc welding has assumed great importance in industry and considerable research has been carried out with a view to improving the quality of the welds thus made, as well as the efficiency of arc welding operations. 'bow. More often than not, industrial progress has consisted in improving the layers to be applied to electrode rods, fluxes, core wires, etc. Remarkable improvements of a more general nature have consisted in the successful development in the industry of processes and apparatus for welding by means of electrodes which may or may not be consumed in an inert gas atmosphere.
Welding of the inert gas protected type is accomplished by causing an electric arc to occur between an electrode and the workpiece and enveloping the heated end of the electrode, the arc and the weld bead in an atmosphere of. inert gas, such as helium. and / or argon. The electrode may be of the non-consumable type, for example wolfram, mixed or not with thorium oxide, or the like, to improve its arc spouting characteristics.
It can also consist of an electrode with a consumable filler wire, of the same composition or approximately, as the part to be welded, or of a different composition, in the case of parts that are difficult to weld by approximation or by covering or to make the weld acquire properties different from those of the part.
A complete description of this method and of the apparatus suitable for its application with a consumable electrode is found in the United States patent.
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The object of the invention is in particular to achieve: - improvements to the arc welding process protected by an inert gas, in which an arc is spouted and maintained between an electrode and the part, by enveloping the electrode, arc and weld bead in a protective gas atmosphere, and in particular improvements to the inert gas shielded arc welding process with a filler wire electrode consuming, as described in the aforementioned patent;
- a new atmosphere of inert gas protecting the arc welding, improving the arc spouting characteristics; - a new atmosphere of inert gas to protect the weld, improving the arc spouting characteristics; - a new atmosphere of inert gas to protect the weld, improving the contour of the weld bead at a relatively high welding speed; - a new and improved composition of compressed inert gas, stored in welding bottles or containers, which can be sold and used in arc welding installations;
- An improved process preventing rocking in the welding operations in an inert gas atmosphere of ferrous metals, such as carbon steels, low and high alloy steels, for example stainless steels.
These characteristics, as well as others which will become apparent in the course of the detailed description given below of the invention, are achieved by employing in the manner described below a protective atmosphere containing a small percentage of oxygen in admixture. new and clearly defined proportions with a gas or a mixture of substantially pure monoatomic inert gases.
On the attached drawings:
FIG. 1 represents in schematic form an embodiment of an installation according to the invention suitable for the execution of metal arc welding protected by a gaseous atmosphere, FIG. 2 is a cross section. large scale of a joint of crossed pieces, showing in dotted lines the outline of the weld metal obtained by welding the joint by a previous process in a gas atmosphere, and in solid superimposed lines the outline obtained by performing the same joint following - Before the invention, Figure 3 shows the weld itself of Figure 2, performed by the prior method. Figure 4 shows the same joint, performed by the method according to the invention.
FIG. 5 is a section on a larger scale of a square joint by approximation, showing in dotted lines the outline of the weld metal obtained by welding the joint by a prior process in a gas atmosphere, and in solid lines superimposed on the outline. obtained by performing the same seal according to the invention.
According to Figure 1, a welding gun 10 is shown in the operating position relative to the part 11 to be welded. This pistol is similar to one of those described in the United States patent
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America supra No. 2.504.868. It consists in principle of an internal guide for the wire and a contact element 12 for the welding current, surrounded by an external cylinder 13. A welding electrode 14 is drawn from a coil feeder 15 by two advancement rollers 16 actuated by a motor 17. The motor shown is regulated by a regulator and operates at a speed selected in advance and determined by the position of the regulator adjustment button 18.
The advancement rollers 16 are controlled by the engine via a speed reduction transmission housed in a housing 19. The two advancement rollers 16 (one of which is visible in the figure, since it is masked by the front roller which bears the reference number 16) are controlled by means of two spur gear wheels, meshing between them and only one of which is visible and is designated by 200
The wire 14, drawn from the spool 15 by the advancing rollers 16, is pushed along a guide channel 21, then into the welding gun 100 The welding current is supplied to the electrode and to the the workpiece in the form of a direct current with reversed polarity ;, by a welding machine 22 which in the present case is a direct current dynamo :, so as to maintain the welding arc.
The solder current enters the solder wire 14 through the tubular contact member 12 as the wire passes through the tube 12 and comes into electrical contact with it. A cylinder 25 contains a supply of shielding gas. Gas exiting from cylinder 25 passes through an ordinary cylindrical valve 26, pressure regulator 27 and flow meter 28 and arrives through pipe 29 into guide channel 21 of the welding gun. On leaving the guide channel 21, the shielding gas passes into the annular space of the gun 10 which is formed between the cylinder 13 and the tubular element 12 and exits in the form of an annular casing around the tube. electrode, arc and weld ground.
As described in the aforementioned patent, the gas preferably arrives in the form of a substantially non-turbulent stream at a flow rate of from about 0.85 to about 4.245 m 3 per hour. The gas envelope may form by example as described in detail in US Pat. No. 2,544,711 of March 13, 19510 This non-turbulent envelope almost completely shields the arc from ambient air and thus gives the certainty that the composition of the inert gas which surrounds the sustained arc remains substantially the same as that of the gas which arrives on the arc via the channel 21 on leaving the bottle 25 of the welding gas.
The operation being in progress, the arc shoots out between the electrode 14 and the part 11 and is enveloped by the shielding gas coming out of the cylinder of the welding gun. The electrode advances in a continuous manner so as to maintain the arc in equilibrium, that is to say that the speed of advance of the wire is equal to its rate of combustion. The electrode wire settles on and melts with the workpiece as the solder gun is moved relative to the workpiece to form the weld.
By operating in the manner described above and by forming the protective atmosphere with a very pure monoatomic inert gas, a sound weld is obtained which is substantially free of oxides. The process makes it possible to employ a relatively high current density and thus to obtain a very hot, deeply penetrating arc, by means of which welds can be carried out at very high speed. example when it comes to welding 1-steel, but in some cases the contour of the weld is adversely affected.
However, it has been discovered according to the invention that if a small quantity of oxygen is added to the shielding gas and by operating in the same manner, it is possible to act in an advantageous manner on the shape of the contour of the welding and obtain extremely satisfactory weld bead contours, even at a higher speed of execution and with a more intense current.
For example, FIG. 2 represents a horizontal angle weld assembling two pieces of stainless steel. To weld plates 30 and 31 with a thickness of 12.7 mm in type 316 stainless steel (C = 0.10%, Mn = 2%, P = 0.04%, S = 0903%, Si = 1, 0%, Cr = 16-18%, Ni = 10-14%,
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Mo = 2-3%, Fe = the remainder) with a 1.5 mm diameter stainless steel solder wire type 3169 and a shielding gas consisting of argon at 9999% purity ;, at a flow rate of 1, 7 m3 per hour and a welding current of 200 amps? at a travel speed of 355 mm per minute, the outline of the weld metal shown in dotted lines in Figure 2 (see also Figure 3) is obtained.
It is evident that the rocking of this fillet weld is poor, that is to say that the cavity formed in the plate by the arc is not completely filled with the weld metal and allows to remain along. a depression of the edges of the weld which decreases the resistance of the weld by forming a notch in which the forces are concentrated, and that in addition it reduces the cross section of the parts welded in the vicinity of the edges of the weld. But it has been found that if the shielding gas consists of a mixture of about 1% by volume oxygen and the balance of argon at 99.9% purity all other conditions being the same as above weld metal takes the form limited by the solid line in figure 2 (see also figure 4).
The joint is rock-free and the weld has penetrated deeply.
FIG. 5 shows another example of the effect produced by the addition of oxygen to the inert shielding gas in making arc welds protected by an inert gas. The dotted line shows a cross section of weld metal in a joint welded by the method and installation described above, with a shielding gas consisting of a very pure monoatomic inert gas. The solid line of the same figure represents the outline of the weld metal when a small quantity of oxygen is added, in the proportions indicated above, to the same shielding gas. The addition of oxygen has the effect of increasing the penetration depth and forming a narrower weld bead strengthening the weld.
As a result, by adding oxygen, better quality welds are obtained than those which can be obtained with pure inert shielding gas, for the same speed of execution of the weld.
Likewise, the speed of execution of the weld can be increased without reducing its quality. The explanation of this unexpected result is probably not simple. It has been found that when the protective atmosphere of a welding operation by the process described in the aforementioned United States Patent No. 2,504,868 consists of very pure inert gas., It forms on the part a first cathode spot which coincides with one of the bursting points of the welding arc and forms the primary zone of emission of electrons. However, cathode spots are also seen appearing which appear to be temporary secondary cathode spots near the edges of the liquid solder mass and which maintain variable secondary arcs.
These secondary arcs exert a net heating action on the area in which they spring, and this cathodic heating action is propagated :; effectively over a larger area, forming a large cavity in the plate below 1-lare. It has also been found that when an appropriate amount of oxygen is added to the shielding gas, the secondary cathode spots and secondary arcs disappear, the arc voltage is lower and the arc only appears. in the stable primary cathode spot, creating only a narrow cavity in the plate below the arc.
Despite the decrease in the power of the arc (lower arc voltage .. same intensity), the result is an increase in the penetration of the weld directly below the arc and a decrease heating around the edges of the liquid mass of the weld which improves the contour of the weld, as has already been said. The removal of secondary cathode spots may be due to the formation of very small amounts of metal oxide, which are good emitters of electrons and allow the primary cathode spot to easily emit a sufficient number of electrons to sustain the arc or this suppression may be due to the increase in the temperature of the arc caused by the exothermic reaction of oxygen with the metallic vapor in the region of the arc.
In all cases this phenomenon can be observed and gives new and unexpected results.
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It has been found that excellent results were obtained with a gas mixture formed by 1% by volume oxygen at 99.5% purity and 99% by volume argon at 99.9% purity. . It has further been found that the proportion of oxygen at about 99.5% purity can be between about 0.7 and about 1.5% by volume, the remainder consisting of very pure monatomic inert gas, without compromising any of the advantages provided by the invention.
A considerable advantage can be realized without appreciable disadvantage due to the loss of minute quantities of the oxidizable alloying elements of the electrode, with an oxygen proportion of between about 0.5 and about 2% by volume, proportion which, although not achieving the perfect tion, gives satisfaction in a large number of welding operations. By analyzing the weld metal obtained according to the invention, it is found that it does not contain practically measurable quantities of metal oxides due to the addition of oxygen to the inert protective gas when the addition of oxygen does not exceed not 1.5% by volume of the total quantity.
If the proportion of oxygen exceeds this value, it is found that oxide inclusions begin to form which, when the proportion of oxygen exceeds about 2%, gives rise to a loss of the elements of the oxygen. highly oxidizable alloy which, when the oxygen content is higher, will render the weld metallurgically unacceptable, unless the percentage of the highly oxidizable alloying elements of the electrode is increased to take account of losses due to oxidation during their passage through the weld. An oxygen proportion of slightly less than 0.5% of the total volume is insufficient to give appreciable advantageous results.
With an oxygen proportion of 0.5%, clearly defined advantageous results are obtained which improve rapidly as the proportion of oxygen added increases to about 0.7% by volume of the total mixture. When the addition exceeds 0.7% oxygen, little change is observed until this proportion reaches about 1.5% between the limits chosen preferably, beyond which the oxidation of the elements d The alloy of the electrode during their passage through the weld becomes more and more appreciable and possibly unacceptable when a relatively high proportion of oxygen combines with electrodes containing a relatively low proportion. highly oxidizable alloying elements.
The inert gas and the aforementioned oxygen can come from any source, provided that they do not contain substantially any impurities, in particular impurities such as hydrogen, nitrogen, sulfur ;, halogens, composed of all these elements and / or other impurities, in proportions liable to react adversely with the metal of the weld or to render this metal porous.
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When the inert monoatomic gas consists of argon, argon and oxygen are preferably derived from atmospheric air by a liquefaction and rectification process which ensures that they do not contain the aforementioned undesirable elements and compounds. The argon thus prepared is distributed in industry at a degree of purity of 99.9%, the very small remainder consisting largely of nitrogen. In addition, this proportion of nitrogen is insufficient to exert a detrimental effect on the gas. welding. Likewise, the oxygen thus prepared is distributed in industry with a degree of purity of 99.5%, the remainder consisting largely of argon.
Since argon and oxygen are released successively during the rectification of liquid air, it has been found that it is possible according to the invention to directly prepare an argon with a degree of purity of approximately 99p9% :, in a mixture with a proportion between the chosen limits, preferably between about 0.7 and about 1.5% by volume of oxygen, if desired, taking a sample at an appropriate point of a rectification column of an industrial liquefaction and air separation plant.
As has already been said, the invention is particularly suitable for welding steel by the method of the aforementioned patent No. 2,504,868 ;, at a faster execution speed. This higher speed is easily achieved.
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Due to the special properties of the process, namely a much higher current density, a continuous advancement of the wire, a concentrated arc and a protective atmosphere of the inert gas. By employing in this operation a very pure inert gas with the addition of oxygen, one can take full advantage of the advantage which results from the high speed of execution which it allows.
It is found that to weld steels with a high current and at high speed by the process of the aforementioned patent N 205040868., argon is clearly superior to helium However, the use of argon alone to a degree purity of 99.9% gives rise to a serious difficulty: it is in fact not possible to perform horizontal fillet welds without considerable rocking. It is probable that this rocking is due to a strong bombardment by positive ions which occurs in an arc protected by argon, under an intense current. The rocking is generally accompanied by a vagabondo arc The vagabond arc is obviously more accentuated in a weld in the air than the rocking.
These problems are solved according to the invention which makes it possible to maintain the welding arc in an atmosphere formed by a mixture of inert monatomic gas and oxygen in new and defined proportions. Rocking and wandering of the arc are suppressed by adding oxygen to the initial argon with a degree of purity of 9999%, in an amount sufficient so that the mixture thus obtained contains 0.7%. by volume of oxygen This proportion may reach a maximum of 1.5% by volume without exerting any appreciable influence on the composition of the metal deposited. In other words, in principle 100% transfer of the electrode elements is obtained by the arc in the weld bead.
It has been found that this same arc shielding atmosphere is advantageous in the arc welding of aluminum with a consuming electrode protected by a gasoline As an aluminum part is susceptible to damage. dissipating heat from the edge of the liquid mass of the weld, rocking is not as serious a problem as in underage of steel.
But when the intensity of the current exceeds a certain critical value for a series of given welding conditions, a clearly visible phenomenon of spitting out the molten metal from the weld is observed, which gives rise to a weld bead containing inclusions of weld. oxides and having an irregular and exfoliated surface. It has been observed that with the improved shielding gas mixture according to the invention the welding current can be more intense, without this unfortunate result occurring. Obviously, the result is that the speed of execution can be increased. welding. In addition, the arc is more stable.
For example, if one welds by bringing together aluminum 38 plates (1.2% Mn the complement Al) 25.4 mm thick in a pure argon atmosphere with an aluminum wire electrode 438 (5% Si!) The complement Al) of 4.7 mm in diameter, using a current of 550 amperes !! we get eruptions, 1-oxidation, a rough surface, etc. If we add 1% oxygen to argon under the same conditions, the current can reach over 600 amps, without eruptions of the mass weld liquid and resulting surface irregularities.
The invention is particularly suitable, as has already been said, for the welding of ferrous alloys in an atmosphere of substantially pure argon added with oxygen between the aforementioned limits, mainly for the purpose of preventing rocking. But it is also suitable for 1-'aluminum, as has just been said, and for other metals with other shielding gases and to achieve other results. For example, it allows better adjustment of the arc, that is to say of the constancy of the tension, the length and the direction of the arc;
, and increases its stability. It improves the shape of the weld bead and eliminates rocking and in most cases, decreases the vaporization of the molten metal of the weld. These improved results are obtained with lower or higher welding current intensities and execution speeds, although the improved
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the arc is particularly manifested with lower intensities and speeds of the weld current while the elimination of rocking, the reduction of vaporization and the improvement of the contour of the weld bead are especially manifested with high speeds and higher intensities of the welding current.
Although the most advantageous results given by the additions of oxygen to the atmosphere of the arc according to the invention have been obtained with argon and especially with substantially pure argon, these additions are also advantageous with other inert and monoatomic welding gases or gas mixtures, for example with helium or with mixtures of argon and helium.
Oxygen, unlike compounds containing oxygen, is the most advantageous element to add to the inert gas atmosphere of the arc, and it preferably consists of a homogeneous mixture with the inert gas. - te, introduced under high pressure, for example of about 141 kgs / cm2 into a bottle or container for welding gas, from where it is supplied by a flexible pipe to the channels for the passage of the shielding gas of the welding gun. welding.
However, in some cases oxygen can be brought into the arc atmosphere in other forms and by other means. It has been found that rocking can be avoided in welding the arc. 'steel by the process of the aforementioned patent No. 2,504,868 by means of a mixture of shielding gas consisting in principle of argon and / or another inert monoatomic gas, containing carbon dioxide in proportions by volume of about 3 to about 10%. It is assumed that the carbon dioxide thus mixed with the inert monoatomic gas in the aforementioned proportions decomposes in whole or in part by the heat of the arc, so as to release in the atmosphere of the arc a proportion effective oxygen range from about 0.5 to about 2%, as noted above.
Appropriate mixtures of oxygen and carbon dioxide, or any suitable gas mixtures which liberate the required quantity of oxygen in the region of the arc, can also be added to the inert monoatomic gas with satisfactory results. .
The invention is considered to be advantageous for the welding of all ferrous and non-ferrous metals, but especially for the welding of ferritic and austenitic steel, including stainless steels, alloy steels and steels. ordinary carbon steels.
Another advantageous application of the new protective atmosphere according to the invention consists in arc welding protected by a gas with an electrode which does not consume, for example wolfram.
It has been observed, for example, that when an angle weld of stainless steel is carried out in the presence of the new mixture of shielding gases according to the invention surrounding an arc spouting between an anode formed by the part. and a cathode formed by the wolfram electrode, (1) the weld can be carried out with substantially higher currents and speed without risk of rocking.
A satisfactory fillet weld can be made in a stainless steel part, type 304, (C = 0.08%, Mn = 2%, P = 0.04%, S = 0903%, Si = 1%, Cr = 18-20%, Ni = 8-11%, Fe = the complement) 1.5 mm thick, with a wolfram (thorié) electrode 1901 mm in diameter, without the addition of filler metal under a intensity of 80 amperes, in the presence of a shielding gas consisting of 0.7% oxygen and 99.3% argon delivered at a rate of 0.424 m3 / hour. Without the addition of oxygen, it is impossible to perform this weld without occurring -a considerable rocking.
When a protective Parc atmosphere consisting of a very pure inert gas is used with a wolfram electrode, a certain arc voltage is obtained for a given set of conditions. If the new shielding gas mixture according to the invention is used under the same conditions, the arc voltage is higher. This result is exactly the opposite of that obtained in the arc welding of metals with a consumable electrode, where the addition of oxygen decreases the
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arc voltage. The explanation of this observation phenomenon is not immediately obvious.
But whatever the theoretical explanation, the fact remains that by adding about 0.7 to about 1.5% by volume of oxygen to a substantially pure monoatomic inert gas, one obtains a medium. A gas mixture which gives distinctly advantageous results in gas shielded arc welding with consumable or non-consumable electrodes. In most cases, this results in an improvement in the contour of the metal of the welds, ie rocking is removed, penetration increases, as well as strengthening of the weld.
The arc becomes localized and its stability increased By adding oxygen between the aforementioned limits, a partial pressure of oxygen is created which is much higher than the dissociation pressure of the metal oxides, but insufficient for to form an appreciable and harmful amount of these metal oxides. The existence of the arc crater is independent of the addition of oxygen, which has no influence on it. It has been found that the amount of oxide existing on the surface of the weld metal is apparently insufficient to alter the surface tension of the weld metal to any appreciable extent.
The invention should not be considered as limited to the embodiments shown and described, which have been chosen only by way of example.