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L'invention est relative au découpage de métaux et de verre, spécialement de métaux qui ne peuvent être aisément découpés par voie ther- mochimique. Un premier but est de réaliser une méthode et un appareil pour la coupe de tels métaux avec une déformation moindre et une entaille plus étroite ou une ouverture de plus faible diamètre, en travaillant plutôt par érosion que par oxydation. Un autre but est de fournir un procédé et un appareil pour la coupe du verre de façon à réduire la tendance du verre à se briser et à diminuer ou à supprimer la nécessité de préchauffer le verre avant la coupe. Un autre but est encore de produire des fibres de verre plus fines, plus nettes et plua appropriées, telles qu'elles sont employées généralement dans l'amortissement des bruits et l'isolement thermique.
Beaucoup de métaux ferreux ont été coupés ou percés avec un cou- rant de gaz oxydant après avoir été préchauffés à leur température- de com- bustion, auquel cas le fer est littéralement brûlé ou oxydé. De nombreux- métaux non-ferreux ne sont pas aisément coupés de cette manière. L'acier inoxydable, par exemple, exige, en plus du courant d'oxygène, une. alimenta- tion en fer pulvérisé pour faciliter son coupage apràs préchauffage..
Le verre n'ayant pas une température de fusion précise, il fal- lait jusqu'ici préchauffer la plaque de verre pour la couper au chalumeau ordinaire, et même alors la difficulté subsiste en raison de la tendance du verre de diverses qualités à se briser,.
Les fabricants de fibres de verre cherchent depuis longtemps à obtenir des fibres plus fines et plus minces depuis que de telles fibres sont recherchées dans le commerce.
Conformément à la présente invention les inconvénients mentionnés ci-dessus ont été éliminés et on a réalisé un procédé et un appareil grâce auquel des plaques minces de métaux non-ferreux ou d'acier inoxydable peu- vent être coupés avec une déformation moindre que cela n'a été possible jusqu'à présent avec une flamme de gaz. Le verre a été coupé sans préchauf- fage ou avec un préchauffage réduit et avec une tendance à la rupture plus faible. Ceci a été obtenu en principe- par l'emploi d'une flamme de gaz ayant à la fois une température élevée et une vitesse supersonique en tirant parti du choc et de l'érosion produits par les gaz chauds sur la matière à découper.
Dans le dessin ci-joint, la figure 1 représente une forme de réalisation de l'appareil employé dans la présente invention. La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1.
Un canal d'alimentation 10 pour le gaz combustible tel que le gaz naturel, l'hydrogène, l'acétylène ou le propane, amène ce gaz combusti- ble sous pression à la chambre de combustion 12. L'oxygène, à une pression sensiblement égale à celle du gaz combustible, arrive à la chambre de com- bustion par le canal 11. L'acétylène n'est pas particulièrement indiqué comme gaz combustible, car il est difficile de l'obtenir sous pression éle- vée sans risquer de le voir décomposé exothermiquement. Une autre objection à l'emploi de l'acétylène est que la chambre de combustion et la pièce que l@on traite ont tendance à être encrassées par un dépôt de carbone. L'hy- drogène par exemple, serait le type d'un gaz combustible approprié, sauf en ce qui concerne son prix élevé.
Ces gaz sont amenés à toute pression conve- nable, normalement aux environs de 4 à 14 kg/cm2. Dans la chambre de com- bustion 12 ces gaz se mélangent et brûlent à haute température en donnant un grand volume de gaz de combustion chaud et à haute pression. Bien que la température n'ait pas été mesurée avec précision on estime que la tempé- rature dans la chambre de combustion et aux environs de 2760 C.
On peut théoriquement admettre que cette opération comporte une combustion intermittente car l'appareil donne une note audible très éle- vée, ce qui indique que la pression interne subit des vibrations ou des pulsations.
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Les gaz chauds quittent la chambre à travers un passage rétréci ou gorge 13 et de là ils s'échappent, à une vitesse supersonique, par le canal conique divergent 14. On sait que des gaz chauds à des pressions élevées, passant à travers un canal conique divergent du type représenté atteignent des vitesses bien supérieures à la vitesse du son. Bien que la vitesse des gaz sortant du canal d'évacuation 14 n'ait pas été mesurée avec précision, on estime qu'elle atteint environ 1500 m/sec.
Les parois 15 de la chambre de combustion sont de préférence en cuivre ou en un autre matériau relativement résistant et ayant une conductibilité thermique élevée. Afin de maintenir avec sécurité les parois de cette chambre à une température inférieure à la température de fusion, de l'eau de réfrigération est introduite par le canal 16, cette eau s'écoule par le canal hélicoïdal 18 vers le réservoir 17 ménagé autour de la tuyère d'évacuation 14 et du rétrécissement 13. L'eau de réfrigération revient par le canal hélicoïdal 19 au canal d'évacuation d'eau 20. Le volume de l'eau est de préférence assez grand pour éviter la formation de vapeur, de façon que l'eau quitte toujours le canal d'évacuation 20 sous forme liquide.
On voit d'après le dessin que les canaux hélicoïdaux comportent une double spire, l'eau vers le réservoir 17 passant par le canal 18 et l'eau revenant du réservoir 17 par le canal 19 vers le canal d'évacuation 20.
Ce procédé de réfrigération à double spire assure une réfrigé- ration uniforme tout le long de l'appareil en éliminant la formation de points chauds ou froids. Si l'on veut,un canal 21 peut être relié à un manomètre.
Un manchon en laiton 22 entoure les canaux 18 et 19, l'ajustage étant assez serré pour éviter que l'eau ne soit court-circuitée entre les- canaux d'entrée et de sortie 18 et 19. Pour maintenir bien en place le manchon 22 on le fixe par deux cordons de soudure circulaires 23 et 24, comme le montre la figure. Le manchon 22 est représenté avec suffisamment d'épaisseur vers l'extrémité arrière pour y fixer solidement des raccords d'entrée et d'évacuation d'eau. Pour permettre de réaliser le dispositif indiqué par usinage au tour ou à la machine à fileter, une extrémité de la chambre 12 est laissée ouverte pendant la fabrication et on la ferme ensuite par un tampon en cuivre ou bouchon d'entrée 25, fixé par une soudure circulaire 26 sur le corps 15 de la chambre de combustion.
De même chacune des conduites de gaz et d'eau représentées est maintenue en place par les soudures circulaires 27 indiquées sur- le dessin.
Pour les parois en cuivre 15 de la chambre de combustion,. les dimensions suivantes sont conseillées; La longueur totale des parois 15 suivant l'axe, avant la pose du bouchon de fermeture 25 est de 56 mm. La distance entre le bord- avant du bouchon de cuivre 25 et l'extrémité avant du canal d'évacuation 14 est de 44 mm. Le rebord entourant le canal d'évacuation 14 a une épaisseur de 2,4 mm. La distance entre la face arrière de ce rebord et la paroi radiale adjacente de la chambre 12 est de 8,3mm. La largeur et la profondeur des canaux hélicoïdaux pour l'eau de réfrigération sont de 2,5 mm. Le diamètre intérieur de la chambre 12 est de- 17,8 mm.
L'angle des parois à l'avant de la chambre de combustion et à l'arrière du rétrécissement 13 est de 60 . L'évasement extérieur du canal d'évacuation est suffisant pour que l'angle des parois du canàl 14 soit de 10 environ. L'étranglement 13 est foréavec une mèche N 30, son diamètre- est de 3,25 mm.Le diamètre de l'ouverture à l'extrémité avant. du canal. 14 est de 4,6mm.
Le volume- de l'oxygène devant normalement être plus grand que celui du gaz combustible, le passage pour l'oxygène dans le bouchon 25 est plus grand que le passage par où arrive le gaz combustible.La longueur suivait l'axe de la portion cylindrique intérieu- re de- la chambre de- combustion 12 est de 18,3 mm.
En fonctionnement, l'oxygène et le gaz combustible sont d'abord amenés à la chambre de combustion sous un débit assez faible, pour qu'à l'allumageà l'extrémité avant de la tuyère 14, un retour-de flamme se produise dans la chambre 12. Quand la combustion s'est produite dans cette chambre on peut sans danger augmenter l'afflux d'oxygène et de gaz combus-
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tible au taux désiré. Tout. autre procédé connu pour l'allumage initial peut être employé pour remplacer le retour de flamme.
Le dispositif indi- qué, s'il est employé comme outil à main, est alimenté par environ 1400 litres de gaz naturel à l'heure, à la pression élevée indiquée, avec envi- ron 4250 litres d'oxygène à la même pression, soit en tout environ 5,65 m3 de mélange combustible à l'heure, l'alimentation pouvant être supérieure ou inférieure si l'on juge convenable.
Pour couper une plaque de métal ou de verre l'extrémité avant de la tuyère d'évacuation 14 est tenue à environ 12 mm de la plaque. Dans la coupe des métaux qui ne se traitent pas facilement par le chalumeau or- dinaire les épaisseurs suivantes des plaques métalliques et les avances sui- vantes ont apparu comme ayant donné des résultats satisfaisants. Pour des plaques d'aluminium d'une épaisseur de 1,32 mm, une vitesse de ooupe de
6,25 mètres à la minute s'est révélée convenable. Pour traiter l'acier inoxydable 18/8 d'épaisseur de 1 mm, une vitesse de coupe de 2,50 mètres par minute a été trouvée pratique. Avec le laiton on a eu des résultats satisfaisants, sur une épaisseur de plaque de 1,4 mm et une vitesse de 5 m. à la minute.
Contrairement aux coupes faites sur divers métaux avec le chalumeau ordinaire, on a obtenu sur les plaques mentionnées ci-dessus des entailles plus étroites. La déformation était sensiblement moins perôepti- ble dans chaque plaque métallique. On croit que le véritable découpage n'était pas dans une mesure appréciable, le résultat de l'oxydation, mais plutôt le résultat de l'érosion due à l'énergie du choc par les gaz chauds animés d'une très grande vitesse. Bien que la température de la flamme sortante n'ait pas été mesurée, elle était évaluée à plus de 165000, L'énergie du choc causant l'érosion augmentant comme le carré de la vitesse, l'emploi de la vitesse supersonique pour les gaz sortants est une caractéristique importante.
Bien que la vitesse de coupe soit plus faible que celle que l'on peut obtenir quelquefois avec l'aide de fer pulvérisé, on admet quecla coupe est plus économique en raison de la quantité relativement petite de mélange combustible nécessaire:
La flamme à vitesse supersonique sortant de l'appareil mentionné ci-dessus, a été appliquée également à une plaque de verre d'épaisseur courante, telle que celle du verre à vitres. On a constaté que cette flamme était à memes de couper la plaque de verre ou de la perforer avec moins de danger de rupture à cause de la localisation très précise de la chaleur et de la grande énergie du choc.
Sans dqute, appréciera-t-on mieux la raison de ces résultats, si l'on considère qu'un corps solide animé d'une grande vitesse tel qu'un projectile tiré par un fusil ou un pistolet peut percer une plaque de verre sans la briser. Le dispositif conforme à l'invention a été employé avec des plaques de verre de diverses qualités. Avec une plaque de verre au quartz et avec une plaque de verre au bore-silicate, on a constaté qu'il n'était pas nécessaire de préchauffer le verre pour effectuer la coupe. En appliquant la flamme supersonique à un verre calcaire on a constaté qu'un préchauffage moindre était nécessaire qu'avec l'emploi d'un chalumeau ordinaire.
A la suite des essais ci-dessus, on a découvert que le verre découpé par la flamme supersonique conforme à la présente invention, comportait un produit intéressant.
On a découvert qu'en traitant le verre de cette façon on obtenait un produit de valeur constitué par un verre en fibres plus fines et nettes que le verre en fibres offert jusqu'à présent par le commerce. La mesure du diamètre de ces fibres à l'aide d'un microscope électronique a montré que beaucoup d'entre elles ne dépassaiant 0,1 micron environ . On croit que la finesse de ces fibres de verre est due au fait que le chauffage du verre est si rapide et la vitesse du gaz si grande que lorsqu'une parcelle du verre approche de son point de fusion elle est détachée par l'érosion est amenuisée pqr l'énergique effet d'arrachement qu'exerce le courent
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gazeux à une vitesse aussi élevée.
Il est possible que l'amincissement se produise surtout pendant que la fibre est encore attachée par une de ses extrémités à la masse de verre dont elle est tirée, il est aussi possible qu'un certain amincissement ultérieur se produise pendant le vol de la fibre avant qu'elle ne soit refroidie à un point où aucun amincissement n'apparaît plus.
Pour employer ces fibres à l'amortissement des bruits et à l'isolement thermique, elles doivent être recueillies sur une surface appropriée, telle que la paroi formée par un grillage ou un tamis de fenêtre. On a constaté qu'une même qualité de fibres fines pouvait être obtenue en déplaçant transversalement une barre de verre dans le jet supersonique de gaz chauds sortant du canal d'évacuation 14, la barre étant à environ 12,mm de l'extrémité avant de 14. L'avance de la barre dans les gaz chauds dépend de la quantité des gaz chauds évacués et du degré de préchauffage éventuel de la barre. Cepen- dant la vitesse d'avance et le genre de matériau, barre ou plaque, n'affectentpas sensiblement la finesse des fibres de verre formées.
En allongeant de 50% environ la chambre de combustion 12 on a observé un accroissement sensible du rendement en fibres de verre. On croit qu'une raison pour laquelle l'efficacité est accrue quand la longueur de la chambre de combustion est augmentée, c'est que la vitesse des gaz chauds est accrue considérablement, cet accroissement atteignant peut être jusqu'à 50 %.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de coupage du verre et des métaux, notamment des métaux non-ferreux et aciers inoxydables non susceptibles d'être coupés couramment au chalumeau sans l'aide d'une poudre, consistant à. projeter sur la pièce un jet de gaz à une vitesse supersonique et à une température largement supérieure à la température de fusion de la pièce, en faisant agir ce jet par érosion plutôt que par oxydation chimique.
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The invention relates to the cutting of metals and glass, especially metals which cannot easily be cut thermochemically. A first object is to provide a method and an apparatus for cutting such metals with less deformation and a narrower notch or an opening of smaller diameter, working rather by erosion than by oxidation. Another object is to provide a method and apparatus for cutting glass so as to reduce the tendency of the glass to break and to decrease or eliminate the need to preheat the glass before cutting. Yet another object is to produce finer, sharper and more suitable glass fibers such as are generally employed in sound dampening and thermal insulation.
Many ferrous metals have been cut or drilled with a stream of oxidizing gas after being preheated to their combustion temperature, in which case the iron is literally burnt or oxidized. Many non-ferrous metals are not easily cut in this manner. Stainless steel, for example, requires, in addition to the flow of oxygen, a. powdered iron supply to facilitate cutting after preheating.
Since the glass does not have a precise melting temperature, it has hitherto been necessary to preheat the glass plate in order to cut it with an ordinary torch, and even then the difficulty remains due to the tendency of glass of various qualities to break. ,.
Manufacturers of glass fibers have long sought finer and thinner fibers since such fibers have become commercially popular.
In accordance with the present invention the above-mentioned drawbacks have been eliminated and a method and apparatus has been realized whereby thin plates of non-ferrous metals or stainless steel can be cut with less strain than that. 'has been possible so far with a gas flame. The glass was cut without preheating or with reduced preheating and with a lower breaking tendency. This has been achieved in principle by the use of a gas flame having both high temperature and supersonic velocity taking advantage of the shock and erosion produced by the hot gases on the material to be cut.
In the accompanying drawing, Fig. 1 shows one embodiment of the apparatus employed in the present invention. Figure 2 is a cross section taken on line 2-2 of Figure 1.
A supply channel 10 for the combustible gas such as natural gas, hydrogen, acetylene or propane, supplies this combustible gas under pressure to the combustion chamber 12. The oxygen, at substantially pressure. equal to that of the combustible gas, reaches the combustion chamber through channel 11. Acetylene is not particularly suitable as a combustible gas, since it is difficult to obtain it under high pressure without risking it. see exothermically decomposed. Another objection to the use of acetylene is that the combustion chamber and the room being treated tend to be fouled with carbon deposit. Hydrogen, for example, would be the type of a suitable combustible gas, except for its high price.
These gases are supplied to any suitable pressure, normally around 4 to 14 kg / cm2. In the combustion chamber 12 these gases mix and burn at high temperature, giving a large volume of hot, high pressure combustion gas. Although the temperature has not been accurately measured it is estimated that the temperature in the combustion chamber and around 2760 C.
It can theoretically be assumed that this operation involves intermittent combustion because the device gives a very high audible note, which indicates that the internal pressure is vibrating or pulsating.
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The hot gases leave the chamber through a constricted passage or throat 13 and from there escape, at supersonic speed, through the divergent conical channel 14. It is known that hot gases at high pressures, passing through a channel divergent conical of the type shown reach speeds much greater than the speed of sound. Although the velocity of the gases exiting the discharge channel 14 has not been accurately measured, it is estimated to reach about 1500 m / sec.
The walls of the combustion chamber are preferably made of copper or some other relatively strong material and having high thermal conductivity. In order to safely maintain the walls of this chamber at a temperature below the melting point, refrigeration water is introduced through the channel 16, this water flows through the helical channel 18 towards the tank 17 arranged around the discharge nozzle 14 and the constriction 13. The refrigeration water returns through the helical channel 19 to the water discharge channel 20. The volume of water is preferably large enough to prevent the formation of steam, so that the water always leaves the discharge channel 20 in liquid form.
It can be seen from the drawing that the helical channels have a double turn, the water to the reservoir 17 passing through the channel 18 and the water returning from the reservoir 17 through the channel 19 to the discharge channel 20.
This double coil refrigeration process ensures uniform refrigeration throughout the unit eliminating the formation of hot or cold spots. If desired, a channel 21 can be connected to a pressure gauge.
A brass sleeve 22 surrounds the channels 18 and 19, the fit being tight enough to prevent water from being shorted between the inlet and outlet channels 18 and 19. To hold the sleeve securely in place 22 it is fixed by two circular weld beads 23 and 24, as shown in the figure. Sleeve 22 is shown with sufficient thickness towards the rear end to securely attach water inlet and outlet fittings to it. To enable the indicated device to be produced by lathe or threading machine machining, one end of chamber 12 is left open during manufacture and then closed by a copper plug or inlet plug 25, secured by a circular weld 26 on the body 15 of the combustion chamber.
Likewise each of the gas and water pipes shown is held in place by the circular welds 27 shown in the drawing.
For the copper walls 15 of the combustion chamber ,. the following dimensions are recommended; The total length of the walls 15 along the axis, before the fitting of the closing plug 25 is 56 mm. The distance between the front edge of the copper plug 25 and the front end of the discharge channel 14 is 44 mm. The rim surrounding the discharge channel 14 has a thickness of 2.4 mm. The distance between the rear face of this rim and the adjacent radial wall of the chamber 12 is 8.3mm. The width and depth of the helical channels for cooling water are 2.5 mm. The internal diameter of chamber 12 is 17.8 mm.
The angle of the walls at the front of the combustion chamber and at the rear of the constriction 13 is 60. The external flaring of the discharge channel is sufficient for the angle of the walls of the channel 14 to be approximately 10. The constriction 13 is drilled with an N 30 bit, its diameter is 3.25 mm. The diameter of the opening at the front end. of the canal. 14 is 4.6mm.
Since the volume of oxygen should normally be greater than that of the combustible gas, the passage for oxygen in plug 25 is greater than the passage through which the combustible gas arrives. The length followed the axis of the portion. cylindrical interior of the combustion chamber 12 is 18.3 mm.
In operation, the oxygen and the fuel gas are first supplied to the combustion chamber at a sufficiently low flow rate, so that, on ignition at the front end of the nozzle 14, a flashback occurs in the combustion chamber. chamber 12. When combustion has taken place in this chamber it is safe to increase the inflow of oxygen and flue gas.
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tible at the desired rate. All. another known method for initial ignition can be used to replace flashback.
The device shown, if used as a hand tool, is supplied with about 1400 liters of natural gas per hour, at the indicated high pressure, with about 4250 liters of oxygen at the same pressure, that is to say in all about 5.65 m3 of combustible mixture per hour, the feed possibly being higher or lower if one considers suitable.
In order to cut a metal or glass plate, the front end of the exhaust nozzle 14 is held at about 12 mm from the plate. In cutting metals which are not easily processed by the ordinary torch the following thicknesses of the metal plates and the subsequent feeds have been found to have given satisfactory results. For aluminum plates with a thickness of 1.32 mm, a cutting speed of
6.25 meters per minute proved to be adequate. To process 1mm thick 18/8 stainless steel, a cutting speed of 2.50 meters per minute has been found practical. With brass we have had satisfactory results, on a plate thickness of 1.4 mm and a speed of 5 m. Minute.
Contrary to cuts made on various metals with the ordinary torch, narrower notches were obtained on the plates mentioned above. The deformation was significantly less perceptible in each metal plate. It is believed that the actual cutting was not to any appreciable extent the result of oxidation, but rather the result of erosion due to the energy of the shock by the hot gases moving at a very high speed. Although the temperature of the outgoing flame was not measured, it was estimated to be over 165,000, The energy of the shock causing the erosion increasing as the square of the speed, the use of supersonic speed for the gases. outgoing is an important feature.
Although the cutting speed is slower than that which can sometimes be achieved with the aid of powdered iron, it is believed that cutting is more economical due to the relatively small amount of combustible mixture required:
The flame at supersonic speed coming out of the above-mentioned apparatus was also applied to a glass plate of common thickness, such as that of window glass. It was found that this flame was able to cut the glass plate or perforate it with less danger of rupture because of the very precise localization of the heat and the great energy of the shock.
Without investigation, will we better appreciate the reason for these results, if we consider that a solid body animated at a high speed such as a projectile fired by a rifle or a pistol can pierce a glass plate without break it. The device according to the invention has been used with glass plates of various qualities. With a quartz glass plate and with a boron-silicate glass plate, it was found that it was not necessary to preheat the glass to perform the cut. By applying the supersonic flame to a hardened glass it was found that less preheating was necessary than with the use of an ordinary torch.
As a result of the above tests, it was discovered that the glass cut by the supersonic flame according to the present invention contained an interesting product.
It has been found that treating glass in this way results in a valuable product consisting of glass of finer and sharper fibers than the fiber glass heretofore offered commercially. Measuring the diameter of these fibers with an electron microscope showed that many of them were no larger than about 0.1 microns. It is believed that the fineness of these glass fibers is due to the fact that the heating of the glass is so fast and the speed of the gas so great that when a piece of the glass approaches its melting point it is loosened by erosion. reduced by the energetic tearing effect exerted by the
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gas at such a high rate.
It is possible that thinning occurs especially while the fiber is still attached at one end to the mass of glass from which it is drawn, it is also possible that some subsequent thinning will occur during the flight of the fiber. before it is cooled to a point where no thinning occurs.
To employ these fibers for sound dampening and thermal insulation, they must be collected on a suitable surface, such as the wall formed by a screen or window screen. It has been found that the same quality of fine fibers could be obtained by moving a glass bar transversely in the supersonic jet of hot gases leaving the exhaust channel 14, the bar being approximately 12 mm from the front end of the tube. 14. The advance of the bar in the hot gases depends on the quantity of hot gases evacuated and the degree of possible preheating of the bar. However, the feed rate and the kind of material, bar or plate, do not substantially affect the fineness of the glass fibers formed.
By lengthening the combustion chamber 12 by approximately 50%, a significant increase in the yield of glass fibers has been observed. It is believed that one reason that the efficiency is increased when the length of the combustion chamber is increased is that the velocity of the hot gases is increased considerably, this increase reaching can be up to 50%.
CLAIMS.
1. A method of cutting glass and metals, in particular non-ferrous metals and stainless steels which cannot be commonly cut with a torch without the aid of a powder, consisting of. projecting a jet of gas on the part at a supersonic speed and at a temperature well above the melting temperature of the part, causing this jet to act by erosion rather than by chemical oxidation.