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Cette invention a pour objet un procédé et un appareil de concep- tion nouvelle et perfectionnée pour la fabrication de tubes, tuyaux ou au- tres objets à partir d'une matière plastique ou autre.
Elle concerne également un procédé et un appareil perfectionnés pour le soudage par friction des matières plastiques ou autres.
L'invention se rapporte également à un procédé ainsi qu'à un ap- pareil perfectionné pour la fabrication de matériaux renforcés tels que des matières plastiques renforcées ou armées par des matériaux plus solides, ou plus généralement de n'importe quel matériau plus faible renforcé ou ar- mé par une matière plus solide ou plus résistante.
L'emploi dans l'industrie de tubes, tuyaux, ou autres objets constitués par des matières plastiques va constamment en augmentantn par s suite des nombreux avantages qu'offrent les tubes, tuyaux et autres objets en matière plastique par rapport aux tubes, tuyaux ou autres objets consti- tués par exemple par des métaux.
Le principal inconvénient des tubes ou tuyaux en matière plastique a été jusqu'à présent leur résistance insuffisante par comparaison avec cel- le des tubes et tuyaux en métal, et également la tendance d'un grand nombre de matières plastiques à se déformer ou à subir un fluage à froid sous l'ac- tion d'une charge, de sorte qu'il n'a pas été possible par exemple d'employer des tubes ou tuyaux en matière plastique pour acheminer des fluides sous des pressions élevées ou mêmes sous des pressions moyennes.
De plus, les procédés ordinaires et les appareils de construction courante servant à la fabrication de tubes, tuyaux et autres objets à partir de matières plastiques imposent plus généralement un traitement de la matiè- re en vrac, de sorte qu'il se produit des différences de traitement considé- rables et, par voie de conséquence, des divergences dans les propriétés des éléments de la matière à différents endroits de la paroi d'un pareil tube tuyau ou autre objet.
Un but de la présente invention est de créer un procédé et de permettre la réalisation d'un appareil-permettant d'obtenir une unifor- mité beaucoup plus grande, des propriétés de résistance de la matière dans toute son étendue,afin de supprimer les points faibles qui se produisent avec les procédés classiques, ces points faibles réduisant, comme on le conçoit, la résistance totale de l'ensemble de l'objet en question.
Un autre but de l'invention est de pouvoir renforcer prati- quement tous les éléments de la matière grâce à l'utilisation des proprié- tés intrinsèques de celle-ci (surtout dans le cas de nombreuses matières plastiques), au lieu de les laisser non utilisées, comme dans les procédés classiques.
Un autre but encore de l'invention est d'assurer l'orienta- tion des éléments de la matière (rayons de courbure ou facteurs analogues), au lieu de laisser les éléments non orientés comme cela est le cas avec les procédés classiques.
Un autre but de l'invention est de permettre la réalisation d'un jonctionnement intégral des éléments de la matière avec chaque élément adjacent, en supprimant ainsi les points faibles dus à cette cause dans les procédés classiques.
'Un autre but encore de l'invention es d'avoir la certitude que chaque élément de la matière contribuera à résister à la charge qui pèse sur l'ensemble, c'est-à-dire d'éviter que certains éléments ne soient char- gés alors que d'autres ne le sont pas, comme cela résulte des causes mention- nées ci-avant dans les procédés classiques, c'est-à-dire dans lesquels les
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éléments qui contribuent à la résistance n'ont pas non plus une résistance uniforme, mais présentent des points faibles.
'Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et de permettre la réalisation d'un appareil permettant de renforcer ou d'armer un tube, tuyau ou autre objet au-delà de la solidité maximum qu'on peut obtenir en traitant la matière elle-même grâce à la combinaison de cet- te matière avec des matières possédant une plus grande résistance mécanique.
En vue de l'obtention des buts sus-indiqués, l'invention prévoit un procédé et un appareil de fabrication des tubes, tuyaux ou autres objets à partir de matières plastiques ou autres suivant le principe de la diffé- rentiation et de l'intégration, ce procédé consistant à différentier cer- tains éléments de la masse de matière employée, à travailler cette masse eous une forme différenciée (sous la forme d'éléments) sous pression, et à intégrer les éléments ainsi travaillés suivant une orientation sensible- ment similaire (rayons de courbure) tout en continuant à travailler la matière.
Ceci peut inpliquer, suivant l'invention que : 1) Chaque élément (couche ou partie d'une bande ou d'un fil) de la matière est travaillé individuellement et à peu'' près uniformément.
2) Chaque élément (couche ou partie de bande ou fil) est étiré sous pression de façon sensiblement uniforme (le mot "étirage" étant employé ici dans son -sens général comme englobant les diverses opérations de ren- forcement, telles que l'étirage proprement dit, l'allongement, le bobinage le calandrage et les opérations analogues, considérées intégralement ou partiellement,)les mêmes conditions régnant tout autour du pourtour de l'é- lément.
3) Les éléments sont orientés sensiblement uniformément (rayons de courbure et autres facteurs semblables) sous une tension et dans des conditions de pression sensiblement égales.
4) Chaque élément est intégralement combiné (jonctionné ou soudé) à toutes les couches adjacentes, sur toutes les surfaces latérales et sous pression.
Il en résulte que chaque élément de la matière qui a été traité suivant le procédé sus-décrit est utilisable pour participer à la résistan- ce à la charge appliquée au tube, tuyau ou autreobjet produit, les incon- vénients résultant des procédés classiques qui ont été rappelés dans ce qui précède étant ici supprimés.
Tels étant ces buts, l'invention poursuit également d'autres ré- sultats , compte tenu des faits suivants :
Dans -la fabrication des tubes, tuyaux et autres objets en partant de diverses matières, et en particulier de certaines manières plastiques on ne tire pas parti du fait que ces matières sont considérablement amélio- rées, au point de vue de leur résistance à la traction, par des opérations telles qu'un étirage, un allongement, un calandrage, ou des opérations ana- logues'(englobées ci-aprés dans le sens du mot général "étirage"), phéno- mène qui peut être expliqué en se fondant sur l'hypothèse de l'extension et de l'orientation des macro-molécules.
Un autre but de l'invention est de tirer parti de cette propriété pour renforcer les tubes, tuyaux ou autres objets, soit pour un type quel- conque de charge, soit dans une direction ou dans des directions particuliè- res contre un effort dominant, tel par exemple que l'effort circulaire dû à la pression interne qui règne dans un tube ou tuyau.
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Un autre but de l'invention est d'utiliser le phénomène sus- rappelé pour assurer la réduction ou la suppression du cheminement ou flua- ge à froid considérable, c'est-à-dire de l'allongement sous une charge cons- tante à laquelle de nombreuses matières plastiques sont sujettes.
Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et de permettre la réalisation d'un appareil pour la fabrication des tubes, tuyaux et objets analogues constitués par une matière homogénéisée et ren- forcée unidirectionnèllement ou multidirectionnellement, à partir d'une ma- tière en vrac non renforcée, par exemple à l'aide d'un nouvel appareil du type dit "à vis".
Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et de permettre la réalisation d'un appareil pour la fabrication de tubes, tuyaux et autres objets constitués par une matière homogénéisée et renfor- cée unidirectionnellement ou multidirectionnellement à partir de bandes de matière renforcée préalablement conformées.
Ce procédé et cet appareil perfectionné permettent la production de tubes, tuyaux et autres objets possédant des résistances beaucoup plus grandes (dans le sens transversale et(ou) dans le sens longitudinal) par comparaison avec un tube ou un tuyau ayant les mêmes dimensions (même épais- seur de paroi et même diamètre) produit à l'aide de la même matière par les procédés classiques, afin d'ouvrir de nouveaux domaines d'application aux matières en question lorsque les procédés de fabrication classiques donnaient lieu à des pièces trop peu résistantes, notamment dans la technique de la fabrication des tuyaux servant à acheminer des fluides sous pression.
Le procédé et l'appareil objets de l'invention permettent de fa- briquer les tubes ou tuyaux renforcés en question selon n'importe quel dia- mètre, c'est-à-dire d'obtenir des résultats ne comportant pas les dimensions imposées dans ce domaine par les procédés classiques, ce procédé et cet appareil permettant la fabrication des tubes et tuyaux en question'-en con- tinu et selon de grandes longueurs, la vitesse de fabrication de ces tubes et tuyaux étant notablement accrue par comparaison avec celle que permettent les procédés classiques, l'appareil permettant en outre la production sur le chantier de grandes longueurs de tuyaux qu'on peut rendre mobiles, par exemple en vue de leur montage sur un tracteur.
Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et de permettre la -réalisation d'un appareil utilisable pour opérer le soudage
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par friction en;' c0ntf:t:lU(i -,
Le procédé qui fait l'objet de l'invention consiste à travailler individuellement sous pression des éléments tels que des couches ou des par- ties de bandes ou filaments de la matière plastique ou autre en question, et à combiner lesdits éléments sous pression selon des orientations sensi- blement similaires, une partie au moins desdites opérations étant effectuées entre un organe interne et un organe externe qui entoure au moins en partie ledit organe interne,
l'un au moins desdits organes étant soumis à une rota- tion continue et l'un au moins des organes ayant une forme telle qu'un plan renfermant l'axe de l'organe interne coupe sa surface de travail selon une ligne qui représente au moins en partie une courbe.
Les éléments en question peuvent être soumis à un étirage sous pression (le mot " étirage " étant pris ici dans son sens général, comme il a déjà été dit) et, en combinant lesdits éléments travaillés, ces derniers peuvent être réunis (si leur traitement séparé à impliqué leur séparation).
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Ce rapprochement et ce jonationnement peuvent impliquer un soudage sous pression, un soudage par friction ou un processus analogue se produisant sous pression.
L'appareil qui fait l'objet de l'invention et qui permet la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être indiqué comprend au moins deux orga- nes, un organe interne (par exemple un mandrin) et un organe externe (par exemple un manchon ou une gaine) entourant, au moins en partie, ledit or- gane interne, l'un au moins desdits organes étant animé d'une rotation con- tinue et l'un au moins de ces organes ayant une forme telle qu'un plan ren- fermant l'axe de cet organe intersectionne sa surface de travail suivant une ligne représentant en partie une courbe.
Lesdits organes peuvent, toujours suivant l'invention être cons- titués respectivement par un mandrin et un manchon, l'un d'eux étant animé d'une rotation continue et présentant sur sa surface de travail une nervu- re ou un filet hélicoïdal, dont l'une au moins des caractéristiques (pro- fondeur radiale, pas, diamètre de sa circonférence primitive et forme du profil)varie sur une partie au moins de sa longueur.
Tels étant les buts que vise l'invention (création du procédé et de l'appareil dont il vient d'être parlé), on en décrira ci-après plu- sieurs modes de réalisation possibleso
Le premier mode de réalisation est matérialisé dans un procédé de fabrication en continu de tubes, tuyaux et autres objets à partir d'une matière plastique ou autre qui est à l'état plastique, ce procédé constatant à détacher des couches d'une matière en vrac, à travailler , pétrir et éti- rer individuellement lesdites couches sous pression, puis à combiner ces couches de matière selon des orientations sensiblement semblables, ensuite à les pétrir à nouveau sous pression, en effectuant le travail entre un man- drin et un manchon formant enveloppe,
l'un au moins des organes en question étant animé d'une rotation continue et présentant sur sa surface de travail une nervure ou un filet hélicoïdal dont une partie au moins des caractéris- tiques (profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme en profil) varie sur une partie au moins de sa longueur.
La nervure ou le filet hélicoïdal peut s'étendre sur deux zones au moins, la profondeur radiale de ce filet variant progressivement dans la seconde zone dans la direction opposée à celle du changement progressif de cette profondeur radiale dans la première zone.
De faon plus particulière, dans la premier zone dont il vient d'être parlé, la profondeur radiale du filet hélicoïdal peut augmenter de zéro à l'extrémité d'entrée jusqu' à une profondeur radiale maximum, au droit de laquelle la distance radiale entre ledit mandrin et ledit man chon d'en- veloppement est réduite à zéro (contact de principe entre le filet le plus profond et la surface adjacente de l'autre organe) et, dans la seconde zone la profondeur radiale du filet est réduite depuis cette valeur maximum jus- qu'à zéro à l'extrémité de sortie de l'appareil.
Au cours du-fonctionnement, l'appareil détache de minces couches de la matière en vrac introduite à l'extrémité d'entrée, les rabat indivi- duellement dans les rainures de profondeur croissante comprises entre les filets pendant le travail (pétrissage, étirage) sous pression, l'intensité de cette pression dans la direction axiale et dans la direction radiale ainsi que les autres particularités opératoires étant réglées par une varia- tion convenablement choisie de la profondeur radiale et des autres caracté- ristiques du filet, y compris la longueur des zones, etc...
Cette opération de détachement des minces couches de matière, c'est-à-dire somme toute de différentiation du conditionnement de la matière, se continue jusqu'au filet
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de profondeur maximum qui est en contact avec la surface adjacente de l'au- tre organe, pour empêcher une couche quelconque de le traverser dans la di- rection axiale et elle a donc pour conséquence de d détacher les dernières couches de la matière introduite, de sorte que la totalité de la matière en vrac se trouve différenciée en éléments (couches) qui sont travaillés individuellement sous pression et orientés dans une certaine mesure héli- coïdalement. Dans la zone de réduction du filet, les couches de matière sont alors déroulées et intégrées pour être converties en une matière en vrac
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intégralement travailléetGtu.i,
ennëintenov.z soïmae'.â un.'lva7.aaa.s -pression et orientées. De cette manière, la matière est notablement renforcée et rendue uniforme au point de vue de sa résistance, les points faibles qui autrement limitent la résistance totale du tube ou tuyau étant supprimés.
Il doit être entendu que, suivant les propriétés de la matière et l'état de celle-ci au moment ou elle pénètre dans l'appareil , et sui- vant des facteurs analogues, les caractéristiques du filet et de la surface de travail de l'autre organe (qui n'a pas besoin d'être cylindrique) sont étudiées de manière à permettre l'obtention des résultats sus-indiqués.
C'est ainsi par exemple que pour une matière qui nécessite une compression élevée, le diamètre du cercle primitif du filet peut varier continuellement dans des conditions propres à réduire le volume spécifique de cette matiè- re et que de même le pas peut être continuellement réduit et le profil peut changer pour faire face aux propriétés en question.
Des moyens permettant l'échappement de l'air ou plus généralement des gaz qui se dégagent au cours du processus sont prévus le cas échéant.
Il est également prévu un chauffage interessant soit le mandrin, soit le manchon, soit ces deux organes à la fois.
Toutefois, suivant un mode de réalisation à adopter de préférence aucun moyen de chauffage n'est prévu, la seule chaleur qui est appliquée provenant du travail mécanique en cours d'exécution. Outre la simplifica- tion et le fait que le chauffage sera intégral et uniforme du fait que tou- tes les couches de la matière sont traitées individuellement et de façon sensiblement uniforme, ceci permet à l'appareil d'être rendu auto-régula- teur.
La raison de ce qui précède, c'est que l'obtention d'une certai- ne consistance de la matière (et la fusion dans l'hypothèse extrême) se fait sentir dans la résistance au couple de la vis et dans la fluctuation de vitesse résultant de ce changement de couple. On peut mettre ceci à pro- fit pour régler la marche de la machine afin d'assurer un débit de qualité élevées uniforme.
L'appareil généralement décrit peut être utilisé pour la production de tubes ou tuyaux directement à partir de l'extrémité de sortie, avec un minimum d'extrusion. Il peut également être employé comme vis d'extrusion possédant des propriétés nettement meilleures d'homogénéisation en même temps que de renforcement, la tête d'extrusion étant montée après la sortie de l'appareil et assurant l'extrusion de tiges et selon n'importe quelles sec- tions requises.
Le mode de réalisation qui vient d'être réduit peut être approprié à l'introduction d'une armature de renforcement se présentant sous la forme d'un fil métallique, d'un fil textile, ou sous une forme analogue au sein du tube ou tuyau en cours de fabrication. Si une pareille adaptation est prévue, le filet n'a pas besoin de pénétrer directement dans le tube ou tuyau
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en manière plastique .qui. a dé)jà étêt zonf o'rmêt. tre (ju.squ 1 à la tprdfolïàetir (ou jus4u'aug profonde1iÍi-s') à. lkùèllé ( du aux.- quelles ) 'le Benforoément doit être prévu, un mécanisme d'enmidage:-4tant coordonnée au ^filet à la profondeur requise pour introduire le ren-
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forcement avec la forme hélicoïdale nécessaire.
Le filet de réduction sert alors à ramener la matière plastique par pétrissage sur l'armature de ren- forcement, ce qui assure une bonne jonction tout en renforçant les couches de matière en cours de traitement.
Un second mode de réalisation de l'objet de l'invention interesse le procédé de fabrication en continu d'un tube, tuyau ou objet analogue en matière plastique ou autre se présentant à l'état plastique sous la forme d'une bande préconformée, ce procédé consistant à travailler sous pression des parties de cette bande à combiner ces parties sous une forme sensible- ment hélicoïdale et à les jonctionner sous pression, lesdites opérations étant exécutées entre un organe interne et un organe externe de l'appareil queprévoit l'invention ledit organe externe entourant au moins en partie ledit organe interne, l'un au moins des organes précités étant animé d'une rotation continue,
et l'un d'eux au moins ayant une forme telle qu'un plan contenant l'axe de l'organe en question intersectionne la surface de tra- vail de celui-ci selon une ligne représentant au moins en partie une courbe.
Le procédé en question peut englober l'opération consistant à jonc- tionner lesdites parties des bandes sur champ, sous une pression s'appliquant sur toute leur circonférence, entre un mandrin et un manchon d'enveloppement externe de l'appareil tel que le prévoit l'invention, l'un au moins des or- ganes précités se prêtant à un mouvement de rotation continu, cet organe rotatif étant muni sur sa surface de travail d'une nervure ou d'un filet hélicoïdal, dont l'une au moins des caractéristiques (profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme du profil) change sur une partie au moins de la longueur de l'organe en question pour produire une pression radiale et axiale sur la matière,
le jonctionnement s'effectuant de façon continue autour de la circonférence depuis une valeur angulaire nulle jus- qu'à une valeur angulaire égale à 2 #, et dont la profondeur radiale varie continuellement depuis la valeur zéro jusqu'à la profondeur radiale totale de la paroi-du tube ou tuyau (différentiation-intégration).
En outre, le procédé peut englober un soudage par friction des parties des bandes soumises à une pression radiale et axiale.
Le procédé objet de l'invention peut consister en outre, après la production d'une couche constitutive d'un tube ou tuyau à partir d'une ban- de obtenue par le procédé en question, à enrouler hélicoldalement une autre couche de la bande prè-conformée sur la première couche précitée formant désormais mandrin, lesdites parties de cette seconde bande étant jonctionnées ensemble comme décrit, ainsi qu'à la couche formée par la première bande.
Suivant ce procédé, la seconde couche, ou les couches ultérieures envidées ou enroulées sur une première couche, peuvent présenter une disposition hé- licoïdale différente(pas différents,nombre différent d'origines, sens de rotation opposé, par exemple), de façon que le tube ou tuyau puisse supporter des efforts différents. En outre , les différentes couches peuvent être consti- tuées par des matières plastiques ou autres différentes, quel que soit leur état de plasticité, qui peuvent ou non être soudées entre elles et qui peu- vent en outre être prévues pour obtenir fin autre résultat qu'un renforcement notamment une isolation thermique.
Toujours suivant le procédé que prévoit l'invention, une couche constitutive d'un tube ou tuyau fabriqué en partant d'une bande de matière préconformée peut être enroulée sur une couche de ce tube ou tuyau établie par le premier mode de réalisation de l'invention ou par d'autres méthodes.
Au surplus, suivant l'invention, les formes en section droite de la bande de matière préconformée peuvent être établies de façon à faciliter le jonctionnement des parties enroulées hélicoidalement de bandes, cette
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section droite rappelant par exemple la forme d'un Z, d'un losange ou une forme en U, cette @ @nière étant particulièrement indiquée pour l'établisse- ment des tubes ou tuyaux formés de deux couches dans le cas où les sections en U peuvent être disposées de façon à s'emboîter l'une dans l'autre et à être déjà enchevêtrées à l'état non jonctionné.
Ce mode de réalisation peut également être approprié en vue de la fabrica- tion d'un tube ou tuyau renforce en enroulant un renforcement se présen- tant sous la forme d'un fil ou d'une bande entre les bandes de matière plas- tique qui, dans ce cas, sont préconformées de façon à ménager un espace pour le renforcemento L'opération décrite sert à produire non seulement le soudage et éventuellement le traitement thermique, mais à assurer une jonction satisfaisante entre l'armature de renforcement et la matière consti- tutive du tube ou tuyau.
Un appareil constituant un mode de réalisation de l'invention en vue de la fabrication d'un tube, tuyau ou d'un objet analogue en partant d'une matière plastique, ou plus généralement d'une matière dotée de plas- ticité se présentant sous la forme d'une bande préconformée, comprend au moins deux organes parmi lesquels un organe externe entoure, au moins en partie, un organe interne tout en ménageant entre eux un certain jeu,un dispositif enroulant la bande de façon hélicoïdale dans l'espace compris en- tre lesdits organes, et un autre dispositif transportât:
la. bande à travers lesdits organes, l'un au moins de ces deux organes étant animé d'une rota- tion continue, la surface de travail de l'un au moins de ces organes étant conformée de façon que le jeu radial entre eux change sur une partie au moins de la longueur de l'appareil afin de jonctionner les parties enroulées hélicoldalement des bandes sous une pression radiale et axiale.
Les organes interne et externe peuvent être constitués respecti- vement par un mandrin et par un manchon externe d'enveloppement, ce manchon étant animé d'une rotation continue et présentant sur sa surface de travail un filet hélicoïdal dont une.au moins des caractéristiques (profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme en profil) change sur une partie au moins de sa longueur, afin de jonctionner les parties enroulées en hélice des bandes sous une pression radiale et axiale et d'acheminer ladi- te bande et le tube ou tuyau formé à partir de celle-ci le long du mandrin.
L'appareil peut comprendre un plateau d'adossement soumis à la charge d'un ressort et placé dans le voisinage du mécanisme d'enroulement afin d'exercer une pression relaie sur la bande soumise à l'enroulement dans l'espace compris entre la mandrin et le manchon, et un dispositif per- mettant de régler la charge du ressort qui pèse sur le plateau d'adossement.
Cet appareil peut comprendre en outre un dispositif pour le sou- dage par friction des parties enroulées en hélice des bandes, sous une pres- sion axiale et radiale. Ce dispositif de soudage par friction peut compren- dre des organes engendrant un mouvement relatif entre les surfaces des ban- des en cours de soudage et (ou) un mouvement relatif entre les surfaces des bandes de matière à souder et des organes métalliques ou autres qui sont amenés en contact par friction avec lesdites surfaces, ou bien qui sont in- sérés entre les surfaces des bandes adjacentes qui sont appelées à être sou- dées.
Le mouvement de frottement relatif en question, qui est destiné à produire ou à préparer le soudage par friction, peut être de n'importe quel genre approprié, par exemple un mouvement rectiligne, courbe, rotatif, al- ternatif ou bien combiné, c'est-à-dire participant des divers mouvements sus-indiqués.
Les organes de frottement tels que les prévoit l'invention sont caractérisés par le fait qu'ils sont constitués par une feuille mince oompor-
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tant un bord ou pouvant avoir n'importe quelle forme convenable allant en s'amincissant pour former un bord,et en outre en ce qu'ils sont constitués et disposés de façon telle que, quand le mouvement de frottement relatif se produit, le bord en question s'écarte de l'espace compris entre les faces ad- jacentes des bandes à souder, qui se réunissent immédiatement, ensuite, sous l'ef- fet de cette pression sans permettre à l'air de pénétrer entre les surfaces à souder, pour qu'un soudage par friction effectif se produise.
Ces organes de friction peuvent être des disques tournant à n'importe quelle vitesse requise propre à assurer un chauffage rapide et un soudage effectif des surfaces des bandes entre lesquelles ils sont interposés, ils peuvent aussi affecter la forme de lames ou de feuilles se déplaçant relativement aux ban- des entre lesquelles ils sont', interposés.
Ces organes de frottement peu- vent avoir des états de surface variés, notamment une certaine rugosité, ou bien un caractère lisse particulier , suivant les propriétés de la ma- tière qui doit être soudée , ou bien ils peuvent être munis de cavités ou fossettes peu profondes appelées à être comblées par une couche initiale de la matière à souder et à produire ainsi un contact de frottement de la matière là où le besoin s'en fait sentiro A titre de variante, ces organes de frottement peuvent être munis de fentes pouvant avoir différentes formes ou inclinaisons, en fonction de la vitesse de frottement relative , ou bien de cavités et (ou) fentes débouchant vers le bord, etc... En outre, les états de surface peuvent changer ,par exemple pour devenir plus lisses ou au contraire plus rugueux vers les bords.
Ou bien les organes peuvent être enduits ou revêtus de matières dotées de propriétés avantageuses pour faci- liter le frottement, ou bien le processus de soudage par friction.
L'appareil dont il vient d'être parlé pour le soudage par friction peut donc comprendre un organe rotatif constitutif pourvu sur sa surface de travail d'un filet hélicoïdal (simple ou multiple) dont l'une au moins des caractéristiques (profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme en profil) change sur une partie au moins de la longueur de cet orga- ne, afin d'exercer des pressions radiale et axiale sur les parties enroulées hélicoidalement des bandes, le filet en question étant conjugué à une ou plusieurs feuilles d'une matière métallique é ou autre interposées entre les tranches des parties adjacentes des bandes de matières et coopérant sous pression avec elles en exerçant un frottement le long de ces tranches afin de produire un chauffage local permettant le soudage par friction,
lesdites feuilles étant munies de bords effilés et diminuant d'épaisseur après une distance de contact de friction requise avec lesdites bandes, afin de permet- tre un dégagement graduel hors de l'espace compris entre lesdites parties des bandes qui sont réunies par pression radiale et axiale par le filet au cours de l'opération de soudage sans permettre l'accés de l'air, ce soudage se déroulant graduellement depuis zéro jusqu'à la profondeur intégrale du filet (différentiation-intégration).
En aval de l'équipage de soudage par friction qui vient d'être décrit, un outil annulaire rotatif peut être prévu, cet outil comportant un filet dont l'une au moins des caractéristiques (profondeur radiale, pas diamètre du cercle primitif et forme en profil) varie de façon à produire, si nécessaire, un travail supplémentaire de la matière en imposant une pres- sion considérable en travers de la partie soudée, en vue de réduire ou d'annuler le couple résultant sur le tube ou tuyau produit Par l'équipage de soudage, afin d'obvier à la résistance par frottement contrecarrant le mou- vement d'avancement du mandrin ou, à titre de variante, et si les circons- tances l'exigent, à exercer une contre-pression sur le tube ou tuyau afin de maintenir la pression axiale sur l'extrémité de sortie de l'équipage de soudage.
A cet effet, cet outil annulaire rotatif peut être étudié de manière à tourner en sens opposé au sens de rotation de l'outil dé sondage.Il est
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anime en principe d'une vitesse de rotation différente.
Toutefois, étant donné qu'en général l'outil de soudage par fric- tion peut être animé d'une certaine vitesse de rotation correspondant aux exigences du mécanisme d'enroulement, à la vitesse de production de l'équi- page et à d'autres facteurs, la vitesse de friction relative entre les ban- des et l'élément constitutif agissant par friction de l'outil de soudage est limitée. Toutefois, il est avantageux, et même nécessaire dans certains cas, que l'échauffement par friction se produise au bout d'un court laps de temps, afin de chauffer et de faire fondre les couches supérieures seulement, sans permettre à l'échauffement de se faire sentir à l'intérieur de la ban- de, ce qui nuirait à certains des avantages spécifiés du procédé.
De plus, la matière constitutive de la bande peut l'empêcher de prendre la courbure du mandrin à partir du brin rectiligne à la vitesse requise, de sorte qu'une certaine flexion graduelle est alors nécessaire.
Pour les raisons en question, il est nécessaire ou avantageux de prévoir un appareil pour le chauffage préalable des tranches de la bande de matière qui doivent être réunies par soudage, jusqu'à une température sensi- blement égale à celle à laquelle les couches supérieures fondent, n'engen- drant,que peu de friction de la part de l'outil de friction et accomplissant la fonction qui peut être requise au surplus pour ployer graduellement la bande de matière.
L'invention prévoit donc un appareil de chauffage préalable des tranches de la bande préalablement conformée qu'il faut souder, cet appa- reil comprenant des organes rotatifs réunis de disques de friction et un dispositif pour faire passer la bande de matière entre les disques sous la pression exercée par ces derniers.
Les disques en question peuvent être mobiles axialement sur ledit organe et peuvent être rapprochés l'un de l'autre par des ressorts, des moyens étant prévus pour régler la charge exercée par ceux-ci.
De plus, ces disques peuvent tourner avec l'arbre sur lequel ils sont montés, afin d'être axialement mobiles sous la charge exercée par leurs ressorts.
L'appareil de pré-chauffage peut,outre les disques disposés de façon à tourner avec l'arbre sur lequel ils sont mobiles axialement sous la charge exercée par leurs ressorts, comprendre une feuille de métal ou d'autre matière dotée d'élasticité et enroulée hélicoidalement, cette feuille pouvant exercer un frottement et étant montée sur ledit arbre entre les disques et en contact avec eux, ladite feuille enroulée hélicoidalement pouvant tourner avec ledit arbre et étant mobile axialement à lui, des moyens étant prévus pour engager la bande de matière préalablement conformée sur ledit arbre selon le trajet hélicoïdal formé par la bande enroulée et par les disques,
ainsi que des moyens pour faire tourner l'arbre ainsi que cette feuille enroulée en'hélice afin de produire la vitesse de frottement relative requise entre la tranche de la ban- de et lesdites paroiso
Etant donné que la vitesse de la bande même est représentée par la vitesse de translation déterminée par le mécanisme d'enroulement de l'appareil de soudage,l'arbre tourne de préférence en sens opposé à celui du déplacement de la bande,afin d'engendrer une vitesse de fottement relative qui soit la somme de la vitesse de translation v1 de la bande et de la vitesse circonfé- rentielle v2 de la feuille en rotation,c'est-à-dire une vitesse de frottement relative représentée par (v1 + v2).
L'équipage de préchauffage est étudié¯pour permettre la flexion graduelle de bandes de matière plus raides du fait que arbre rotatif a une section qui va en diminuant graduellement depuis un diamètre relativement grand 1''extrémité d'entrée jusqu'à, un diamètre plus petit à l'extrémité de sortie. A titre de variante, un certain nombre d'équipages de préchauffage peuvent être montés les uns à la suite des autres en vue de ce résultat.
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Du fait que la matière constitutive de la bande est travaillée sous pression, cet équipage de préchauffage réalise un étirage considéra- ble et par conséquent un renforcement de la bande sous pression,
La pression est réglable à l'aide des organes formant ressorts; elle est augmentée par les effets dynamiques et notamment par l'accéléra- tion de Coriolis due au changement de direction de la bande.
L'invention englobe également un appareil pour la fabrication de tubes ou tuyaux à l'aide de deux ou plusieurs couches dont chacune est formée d'une bande, cet appareil comprenant un dispositif pour l'établis- sement d'une couche de la matière constitutive du tuyau à partir d'une ban- de comme décrit ci-avant puis, en aval de ce dispositif, un second dispositif semblable au premier et servant à, enrouler la-seconde couche de bandes sur la première couche formant mandrin,ce second dispositiff pouvant comporter ou non un chauffage prealable selon les exigences pratiquer.
La seule différence entre, d'une part, le second dispositif et les autres dispositifs correspondants aux couches ultérieures et, d'autre part le premier dispositif correspondant à la première couche, c'est, dans le cas où il est prévu un équipement de soudage par friction dans l'appareil que la feuille de frottement s'étend non seulement rédialement entre les bandes adjacentes, mais que la première spire de cette bande de frottement est repliée pour avoir une forme cylindrique et s'étendre entre la première couche et la -seconde couche '-enroulée sur elle,
afin de se comporter égale- ment à la manière d'une feuille de frottement entre les deux coucheso Cette feuille de frottement peut aller également en diminuant graduellement de section pour former un bord après une longueur suffisante pour échauffer la matière jusqu'à une température propre au soudage, celui-ci étant réalisé sous l'effet de la pression qui est engendrée par le filet de contraction de l'outil annulaire qui tournée
Suivant l'invention, des combinaisons d'équipement de préchauffa- ge et de soudage peuvent également être étudiées en vue de l'établissement de plaques ou panneaux en partant d'une bande de matière préalablement con- formée, plusieurs de ces équipages produisant des plaques formées de couches multiples,
les bandes étant disposées dans des directions différentes selon les modes de réalisation préférés..
L'invention englobe également un dipositif pour étirer ou allonger une couche constitutive d'un tube ou tuyau dans le sens circonférentiel ain- si que, le cas échéant , dans le sens axial, ce dispositif comprenant un mandrin à diamètre extensible , un manchon d'enveloppement entourant ce man- drin, l'un au moins des organes en question étant monté pour pouvoir tour- ner et comportant sur sa surface de travail une nervure ou un filet héli- coïdal dont l'une au soins des caractéristiques (profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme du profil) varie dans le sens de la longueur dudit élément afin de déplacer axialement la couche constitutive du tube ou tuyau longitudinalement à l'espace de dilatation compris entre le mandrin et le manchon, et aussi pour produire si cela est nécessaire,
l'expansion de cette couche de matière dans la direction axiale en plus de son allongement dans le sens circonférentiel.
Cet équipement peut être utilisé en combinaison avec l'un quel- conque des dispositifs entrant dans la constitution de l'appareil pour la fabrication de tubes ou tuyaux, comme décrit, et plus généralement avec n'im- porte quel appareil de'type conventionnelo
L'invention est décrite ci-après, à titre d'exemple et avec cer- tains détails, en regard des dessins schématiques annexés :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la moitié supé-
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rieure d'un appareil constituant un premier mode de réalisation de l'inven- tion, cet appareil étant étudié en vue de réaliser une action de différen- tiation sur la matière en vrac, un travail et une action d'intégration dans un seul et même appareil.
La figure 2 est une vue analogue à la figure 1, montrant une variante du mandrin que comporte l'appareil.
La figure 3 est une vue en coupe transversale fragmentaire par la ligne 3-3 en figure 1.
La figure 4 est une vue en section droite du mandrin visible dans la figure 1.
La figure 5 est une vue en coupe dessinée à plus grande échelle d'une partie de la nervure du filet hélicoïdal qui court à la surface du mandrin.
La figure 6 est une vue en coupe semblable à la figure 1 montrant une variante du mandrin ayant un diamètre moyen sensiblement uniforme et utilisable dans l'appareil constituant le premier mode de réalisation.
La figure 7 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire d'un deuxième mode de réalisation du dispositif d'établissement d'une bande pré- conformée et étirée, et de transformation de cette bande de matière en un tube ou tuyau, le travail comportant une différentiation et une intégration.
Les figures 8 et 9 sont des vues en coupe d'une bande de matière préalablement conformée ayant une section droite différente de celle que montre la figure 7.
Les figures 10 et 11 sont respectivement une vue en coupe et une vue en élévation latérale d'un troisième mode de réalisation de l'appareil que prévoit l'invention, ces vues montrant un dispositif servant à travail- ler à préparer et à souder par friction une bande de matière préconformêe et à fabriquer un tube ou tuyau à l'aide de cette bande étirée et soumise à un soudage par friction.
Les figures 12 et 13 sont respectivement une vue en coupe et une vue en élévation latérale d'une variante de réalisation de ce troisième ap- pareil tel que le prévoit l'invention, cette variante étant conçue en vue du soudage par friction de couches de bandes préconformées les unes au-des- sus des autres.
La figure 14 est une vue en coupe d'un autre dispositif servant à travailler et à étirer une couche de matière.
Les figures 15 et 16 sont respectivement une vue en coupe et une vue en élévation latérale d'une autre variante de réalisation, la construc- tion étant semblable en principe à la première, mais avec une modification permettant d'intégrer une armature de renforcement dans la matière consti- tutive du tube ou tuyau;
La figure 17 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire du second mode de réalisation que montre la figure 7, mais conçue en vue de l'introduction d'une- armature de renforcement, le tube ou tuyau étant éta- bli en partant d'une bande de matière préconformée.
La figure 18 est une vue en coupe d'une bande de matière préconfor- mée, mais au sein de laquelle est noyée une armature de renforcement, cette bande de matière étant utilisable dans la version de l'appareil que montre la figure 7.
Dans les figures 1 à 5, sont représentée, des modes de réalisation
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de l'objet de l'invention qui sont directement applicables à la production de tubes ou tuyaux et se présentent sous la forme de vis d'extrusion, ce mode de réalisation impliquant le processus général de différentiation, de travail et d'intégration, comme il est décrit ci-après.
Dans l'appareil représenté par les figures 1 à 5, 10 désigne un mandrin qui est entraîné en rotation autour de son axe sous l'action d'un dispositif quelconque, dans un manchon d'enveloppement cylindrique fixe 11.
Ce mandrin 10 a un diamètre moyen qui varie graduellement; son diamètre le plus petit se trouve à son extrémité d'entrée 14, c'est-à-dire à l'en- droit où la matière plastique 12 est envoyée dans l'espace annulaire compris entre le mandrin 10 et le manchon 11. La matière plastique est entraînée et travaillée par une nervure ou un filet hélicoïdal 13 solidaire de la surface du mandrin 10.
Ce filet est un filet à quatrre origines, ayant wne profondeur radiale variable, un diamètre de cercle primitif variable, un pas variable et une forme de profil également variable ; s'amorce à une profondeur zéro à son extrémité d'entrée 14 à partir de la surface cy- lindrique de la première partie du mandrin 10, et va en augmentant de pro- fondeur radial ainsi que de diamètre moyen dans toute l'étendue de la sec- tion d'expansion 15, jusqu'à un maximum où la partie la plus profonde de ce filet 13 a un diamètre sensiblement égal au diamètre interne du manchon d'enveloppement 11.
La-profondeur du filet 13 est ensuite réduite progressivement dans toute l'étendue de la section de réduction 16, le diamètre moyen demeurant sensiblement constant ou n'augmentant qu'à d un taux plus faible que dans la section d'expansion, jusqu'à ce que la profondeur du± filet arrive à zé- ro à l'extrémité de sortie 17 où le filet se raccorde insensiblement avec une partie cylindrique lisse du mandrin 100
Des nervures longitudinales internes 18 de longueur axiale relati- vement faible sontprévues sur la face interne du manchon d'enveloppement
11 (comme représenté par les figures 1 et 3), afin d'empêcher la matière de tourner avec le mandrin 10 à l'extrémité de sortie 17.
Des canaux peuvent être ménagés dans le manchon d'enveloppement
11 ou dans le mandrin 10, ou dans ces deux éléments à la fois, en vue d'as- surer la circulation de vapeur oa. d'un autre fluide chauffant. Le mandrin qui est représenté dansla figure 2 est creux à l'endroit indiqué par 19 en vue de permettre la circulation d'un pareil fluide. A titre de variante, le manchon d'enveloppement 11 ou les deux peuvent être chauffés électrique- ment.
Un système de ventilation permettant l'échappement de l'air ou des autres gaz qui se dégagent au cours du travail peut être prévu en un ou plusieurs endroits convenables du manchon d'enveloppement 11.
Au cours du fonctionnement, la masse 12 de la matière plastique qui peut, suivant la nature de cette matière et les conditions du travail qu'elle est appelée à subir, se trouver selon divers états de plasticité, depuis un état voisin de l'état liquide jusqu'à un état voisin de l'état solide, est détachée sous la forme de couches extrêmement minces (voir les zones de coupe 4µ F dessinées en pointillé dans la figure 4) par suite du fait que le filet va en augmentant de profondeur radiale dans la section d'expansion 15, jusqu'à ce que;
pour une profondeur maximum du filet, la totalité de -la masse de matière plastique ait été différenciée en ces cou- ches minces Ces dernières sont travaillées sous une compression, considéra- blement accrue dans toutes les directions, puis rabattues dans les rainures comprises entre les filets et étirées,,dans des directions sensiblement héli- coidales sous ces pressions pour donner plus de résistance et d'uniformité à la matière plastique, comme décrit avec plus de précision ci-après.
Dans
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@ la section de réduction 16 du mandrin 10, ces couches sont intégrées progressivement tout en é ant encore travailléessous pression pour former une matière en vrac homogénéisée et considérablement renforcée, au sein de laquelle un certain degré d'orientation des éléments dans des directions hélicoïdales, suivant la forme générale du filet, a été obtenu.
Par consé- quent, le mode de différentiation de la matière en éléments (couches min- ces) puis 'de travail de ces éléments individuellement sous pression et de réintégration de ces mêmes éléments avec orientation tandis qu'on continue à les travailler est effectué comme il vient d'être dit dans l'appareil objet de l'inventiono
La matière homogénéisée et renforcée peut être utilisée directe- ment pour former un tube ou tuyau ou, si l'appareil fait partie d'une ma- chine d'extrusion, elle peut servir également pour le façonnage d'autres pièces extrudées, pour être alors amenée à la tête d'extrusion après que le processus tel que le prévoit l'invention a été mis en oeuvre, comme indiqué ci-avant.
Le fonctionnement de l'appareil 'se comprendra avec plus de pré- cision si l'on se reporte aux figures 4 et 5 qui le représentent avec plus de détails.L'indentation du filet en spirale dans la section 15 au sein de la matière plastique s'approfondit radialement selon un taux représen- té par la formule # R # dt, dans laquelle désigne la vitesse angulaire de la vis et2 ## R l'augmentation du diamètre externe par spire.
Ceci produit, par une sorte de phénomène de serrage du filet d'expansion vers la surface du manchon d'enveloppement, une augmentation égale à # p1, vers la matière plastique à l'endroit désigné par 22 dans la figure 5, dans la direction radiale. En même temps , de minces couches ayant en sec- tion droite la surface # F (voir la figure 4) sont détachées aux endroits désignés par 23 et acquièrent la vitesse axiale vt du filet qui, étant donné que la vitesse d'avancement de la masse de matière plastique est plus petite, se traduit par une autre action d'enserrage dans la diTection axiale, ce qui donne lieu à une augmentation de pression # P2 dans la direction axiale à l'endroit désigné par 23 (voir les flèches doubles pour les augmentations de pression.)
Il en résulte que la couche mince détachée comme il a été dit est travaillée sous une compression accrue (p + #p1) dans la direction radiale et (p + # p2) dans la direction axiale, les deux augmentations en question étant considérableso De plus, du fait que le fond de la rainu- re 24 se meut radialement vers l'extérieur, il se produit un phénomène d'en- serrage qui se traduit par une augmentation de la pression # p3. En outre du fait que la partie postérieure du filet désignée par 25 s'éloigne de la masse de la matière plastique qui se meut plus lentement, il s'y produit un effet de succion, qui lui-même se traduit pas une réduction de la pres- sion égale à p comme indiquéo Ces effets produisent,
en plus d'un mouvement hélicoïdal de la matière plastique dans la rainure du filet avec un vecteur de vitesse vs, comme indiqué, pendant lequel la matière plastique est soumise à un étirage hélicoïdal sous pression, une lente rotation (cir- culation) autour de l'axe de ce vecteur et à l'intérieur de chaque rainu- re, comme représenté dans la figure 50 S'il s'agit de matières plastiques presque à l'état solide, il se produit de ce chef une lente rotation des couches de la matière dans le rainure, ce qui a un effet très utile pour remplacer graduellement des couches intégralement travaillées par des cou- ches moins travaillées.
Comme cette rotation s'effectue autour de l'axe du vecteur v qui lui-Même tourne autour de l'axe géométrique de l'arbre de l'appareil des effets gyroscopiques et pseudo-gyroscopiques, comme ceux qui ont été
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décrite dans un rapport technique de l'auteur dans une publication de la langue anglaise intitulée Oscillatory Occurences un Ball Bearings",pu- blié dans le "Journal of the Royal Aeronautical Society" (livraison de dé- cembre 1952), se produisant en occasionnant d'autres mouvements de rotation et en augmentant la compression.
Ainsi donc, les minces couches de la matière plastique sont gra- -- duellement détachées,travaillées et étirées hélicoidalement sous une pres- sion qui augmente continuellement et elles sont astreintes à passer à tra- vers des rainures ayant diverses formes tout en étant soumises à des mouve- ments de rotation dans ces mêmes rainures. Ces couches de matière sont donc travaillées et comprimées par de nombreuses forces différentes qui changent à la fois d'intensité et de direction suivant les variations successives des formes des rainures qui sont conçues pour faire face aux exigences imposées par la matière en question afin d'obtenir la meilleure résistance et l'uni- formité requise pour la matière.
Dans la section d'expansion 15 du mode de réalisation du filet que montre la figure 6 et qui se différencie de celui qui est représenté par les figures 1 et 2 en ce sens que le diamètre moyen n'augmente que très légèrement, le travail se produit dans des conditions analogues sauf que, par suite du fait que les fonds des rainures 24 (figure 5) se rapprochent de l'axe médian, il se produit également un phénomène de succion qui contri- bue à la circulation.
Dans les deux exemples en question, les processus sont inversés dans une certaine mesure dans la section de réduction 16 située en aval du filet de diamètre maximum, qui esf sensiblement en contact avec la paroi pour empêcher qu'une quantité quelconque de la matière plastique ne sorte de l'appareil sans avoir été travailléeo Les couches élémentaires de la ma- tière sont maintenant déroulées par les filets hélicoïdaux qui vont en dimi- nuant graduellement de profondeur , une augmentation de pression étant cau- sée par l'effet de serrage exercé par les fonds des rainures, qui se rappro- chent de la paroi du manchon d'enveloppement 11.
Les composantes de vitesse hélicoïdales, qui sont annulées par les nervures axiales 18, servent également à augmenter la compression au mo- ment où les couches internes de la matière viennent en contact avec ces cou- ches externes qui ne tournent pas. De plus chaque couche mince se trouve, au cours de son déroulement, étirée davantage par suite de sa cohésion avec la matière qui se trouve encore dans la rainure. Ainsi, dans la section de réduction 16, toutes les couches de la matière qui ont été détachées et qui ont été travaillées individuellement sous pression dans la 8section d'expan- sion 15 sont déroulées (intégrées) et étirées davantage, puis orientées éga- lement dans cette section de réduction 16.
De cette manière, les mode de réalisation représentés agissent pour augmenter considérablement la résistan- ce de *la matière plastique par suite du travail (d'étirage et d'orientation) en augmentant l'uniformité de cette matière, et en supprimant les points fai- bles qui autrement nuisent à la résistance de l'ensemble du produit.
On conçoit que l'effet optimum de tous les facteurs énumérés dépend des relations des propriétés caractéristiques du filet, et les changements de ces caractéristiques (profondeur radiale pas, diamètre du cercle primitif, forme en profil, longueur des sections d'expansion et de réduction changement possible du diamètre du manchon d'enveloppement, etc...) doiventêtre déter- minées mathématiquement suivant les propriétés des matières et aussi en fonc- tion des résultats particuliers qui sont visés et d'autres considérations analogues.
Du point de vue de l'application de la chaleur, ces modes de réali-
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sation présentent de grands avantages en ce sens qu'ils offrent de très gran- des surfaces de transfert de chaleur entre un métal et la matière plastique et que, grâce à eux, chaque couche de matière vient en contact avec la paroi en rotation.
Toutefois, suivant les modes de réalisation préférés de l'objet de l'invention , il n'est prévu aucun dispositif de chauffage dans le man- drin ou le manchon d'enveloppement. Il est préférable en effet que la cha- leur requise résulte du simple travail mécaniqueoA cet égard, la construction
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représentée présente des avantages''particuliers étant 'do=9-qm la total11é' de ititli1a#re s -'t..1.13.''f e.i.e3eri=t'.atieéla ,e'.t' état de ffilJ.10E;S (úÚv".06. j','\.IJ.. a '- gi:1...Lt:
U!Ûxlt l'avantage de permettre une auto-régu- lation du processus de travail qui se déroule dans l'appareil puisque l'ob- tention d'une certaine consistance de la matière (qui peut aller dans l'hy- pothèse extrême jusqu'à sa fusion ) agit sur le couple mécanique qui est nécessaire pour faire avancer la vis et sur la fluctuation de la vitesse ré- sultant de ce changement de couple. Ce facteur peut être utilisé pour régler la marche de l'appareil afin d'assurer une uniformité de débit de matière de qualité supérieure.
Dans la figure 7 est représenté un autre mode de réalisation de l'objet de l'invention permettant la fabrication de tubes 1, ou tuyaux en partant d'une bande prêconformée et étirée en matière plastique ou en une autre matière se trouvant à l'état plastique, en assurant le processus de différentiation, de travail et d'intégration des éléments comme décrite ci-après,
Dans cette figure 7, 30 désigne un mandrin cylindrique fixe pour- vu de canaux 31 parcourus par un fluide chauffant ou servant à loger un élé- ment chauffant électrique. Un anneau externe 22 tourne autour du mandrin sousl'action d'un système convenable quelconque tel que l'engrenage dési- gné par 33 ; il est également muni de canaux 31 ou bien d'éléments électri- ques servant au chauffage.
L'alésage de l'anneau 32 va en diminuant graduellement de section et il est muni d'un filetage peu prononcé 34 qui va en diminuant de profon- deur radiale vers l'extrémité de l'alésage qui a le diamètre le plus faible, en se raccordant avec une surface cylindrique lisse. Une bande préconformée
EMI15.2
et étirée 35 de matière plastique s'enroule hélicoidalement sur le mandrin
30 sous l'effet d'ur mécanisme d'enroulement qui peut ou non faire partie de l'anneau en rotation à son entrée. Cette bande préconformée et étirée de matière plastique a une section droite propre à faciliter le soudage sous la pression exercée par l'outil annulaire rotatif, par exemple une section droite rappelant la forme d'un Z, qui est indiquée pour la bande 35.
L'organe annulaire rotatif 32 refoule la bande de matière axiale- ment le long de la surface du mandrin 30.Suivant une construction à adop- ter de préférence, un plateau d'adossement soumis à la charge d'un ressort tel que celui qui est représenté à propos de la construction que montre la figure 10 est prévu pour résister à la compression axiale exercée à partir de l'entrée,et en même temps l'organe annulaire comprime la bande à la fois radialement et axialement, Ceci est dû au fait que le filet est conçu avec de telles variations au point de vue profondeur radiale, pas, diamètre du cercle primitif et forme en profil, qu'on produit des efforts de pression avec les intensités et les directions qui sont nécesaires dans les directions radiale,
axiale et circonférentielle
La bande de matière est chauffée par suite de son contact avec le mandrin 30 et avec l'organe annulaire. Au moment où elle passe entre eux, elle subit dans une certaine mesure un étirage sous compression ,tandis
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que les bords des sections adjacentes de la bande se soudent sous cette compression au cours du travail, en sorte que c'est un tube ou tuyau com- plet qui sort de l'extrémité la plus grêle de l'appareilo
Les bords en contact de la bande de matière peuvent être réala- blement travaillés avant que cette bande s ne s'enroule sur le mandrin, afin de faciliter leur réunion par soudage.
Ainsi, par exemple, la bande peut passer à travers des rouleaux dentés qui la creusent et ramollisent ses bords, ou entre des éléments de préchauffage, comme décrit dans ce qui suit, en utilisant un chauffage par friction.
Dans les figures 8 et 9 sont représentées en section droite des variantes d'une bande préconformée et étirée utilisables dans l'appareil que montre la figure 70
Cet exemple représente une réalisation *du procédé et de l'appa- reil général tels que les prévoit l'invention, comme indiqué ci-après.
A) Lorsque les bandes de matière pénètrent dans l'outil annulaire en rotation 32, elles sont soumises à un travail différentiel et intégrées, les éléments ayant une profondeur radiale désignée par A R, comme l'indique la figure 7. Au début. quand à l'entrée dans l'outil annulaire une pression radiale est appliquée à la bande par le filet, la répartition des pressions en profondeur est assez semblable à ce qui est indiqué'par le petit graphi- que qui constitue la figure 70 La pression tombe à partir d'une valeur maxi- mum p sur la surface externe, par suite de l'effet de compression élastique conjugué à un certain déplacement, qui se manifeste sur des éléments ayant une profondeur R dont chacun peut être;:
considéré comme un ressort élémentaire soumis au frottement sur les bords voisins des bandes adjacen- tes.
Toutefois, pendant la progression de la matière dans l'hélicoide la pression maximum devient celle à laquelle le soudage va se produire, et elle va alors pénétrer successivement toutes les couches, jusqu'au coeur de l'épaisseur de la paroi du tube ou tuyau et jusu'au mandrin, moins une réduction due au frottemento De cette manière, l'appareil représenté produit une différentiation en éléments d'épaisseur # R, il travaille ces éléments individuellement sous pression et les intègre par soudage successif sur les bords voisins des éléments adjacents de la bande, jusqu'à ce que tous les éléments formant la totalité de l'épaisseur de la paroi soient soudés (intégrés).
B) Suivant une variante d'examen du fonctionnementde l'appareil selon ce mode de réalisation de l'invention, cet appareil divise une ou plusieurs bandes ayant une longueur indéfinie en éléments ayant une longueur unitaire représentée par 2. #. R, en les enroulant sur le mandrin (R désignant le rayon moyen de la bande lorsqu'elle est enroulée). Ces éléments sont étirés hélicoïdalement et travaillés par compression par le filet de serrage de l'outil annulaire, qui tourne tout en $tant orientée hélicoi dalement puis ils sont finalement intégrés par suite d'un soudage sous pression qui les transforme en tubes ou tuyaux, le soudage évoluant par éléments R. dt, suivant le procédé et l'appareil tels que les prévoit l'invention.
Par opposition à ce qui est le cas pour une machine d'extrusion des matières plastiques, le présent appareil peut fonctionner à des vitesses très grandes pour la production de tubes ou tuyaux et, par suite de sa sim- plicité et de sa légèreté, il peut être monté sur un tracteur, par exemple pour produire sur place des tubes ou tuyaux en continu (c'est-à-dire d'un seul tenant) à partir d'une bande de matière préconformée et étirée fourni* , par des tambours, des bobines ou des sources d'alimentation analogues.
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Du fait que la bande de matière préconformée a été soumise à des opérations d'étirage qui peuvent porter sarésistance à la traction à la limite maximum qu'on peut obtenir par étirage et orientation des macro-molé- cules, qui est un multiple de sa résistance à l'état non étiré, surtout pour certaines matières plastiques, cet appareil permet la fabrication d'un tube ou tuyau possédant une résistance aux pressions internes dépassant celle d'un tube ou tuyau extrudé ordinaire au moins dans le apport entre les ré- sistances à la traction de la bande étirée et de la bande non étirée, tout en étant beaucoup moins sujet qu'eux au fluage à froid. C'est là une consi- dération extrêmement importante'dans les tubes ou tuyaux appelés à suppor- ter de très fortes pressions internes.
Ainsi donç le présent procédé de production de tubes ou tuyaux tels que le prévoit l'invention ouvre un énorme domaine d'application à la technique de la fabrication des conduits constitués par certaines matières plastiques qui, lorsqu'ils étaient fabri- qués par les procédés classiques, étaient trop faibles pour pouvoir-résis- ter aux pressions en question. En effet, le présent procédé permet la fabri- cation de tubes ou tuyaux beaucoup plus résistants, bien qu'ils n'aient pas une épaisseur de paroi supérieure, et ce en utilisant les mêmes matériaux.
A titre de variante, le procédé permet de réaliser de notables économies au point de vue des matières employées et une réduction des autres frais de fabrication en permettant de réduire la consommation de matière par com- paraison avec celle qu'imposent les procédés de fabrication. classiques, tout en permettant d'obtenir une résistance satisfaisante à des pressions supérieures.
On conçoit que l'appareil formant le mode de réalisation qui est représenté par la figure 7 est application à une certaine gamme de matières, mais qu'il rpeut imposer un préchauffage des bords de la matière qui doivent être soudés, voire un chauffage interessant toute l'épaisseur de la bande de matière.
Si le système de chauffage représenté est prévu et si le filet est capable d'exercer les pressions très élevées qui sont requises dans diveses directions, l'appareil peut être étudié de manière à traiter thermiquement la matière plastique en même temps que le tube ou tuyau est fabriqué par le procédé en question. l'application de la chaleur provenant soit des élé- ments eux-mêmes, soit d'un travail mécanique, soit de sources de chauffage par rayonnement, soit de plusieurs de ces facteurs agissant selon diverses combinaisons.
Dans les figures 10 et 11 est représenté un autre mode de réali- sation de l'objet de l'invention qui permet de fabriquer un double tuyau en partant d'une bande préconformée et étirée en une matière plastique ou en une autre matière se présentant à l'état plastique, en soudant par fric- tion les bandes de matière, ce mode de réalisation de l'invention permettant l'accomplissement du processus de différentiation de travail et d'intégra- tion des éléments qui est décrit ci-après.
Comme le montre la figure 10,40 désigne un mandrin fixe sur le- quel la bande de matière préconformée est étirée 41 est enroulée par un outil annulaire 42 qui tourne sous l'action d'une source de force covena- ble constituée par exemple par un engrenage 43. Cet outil annulaire 42 est muni intérieurement d'un filet peu prononcé 44, ayant une profondeur radiale qui va en diminuant ainsi qu'un diamètre de cercle primitif décroissant, sans compter ses autres propriétés qui sont décrites ci-après. Dans cet outil 42 est monté en outre un organe de frottement hélicoïdale 45 se pré- sentant sous la forme d'un couteau hélicoïdal pénétrant dans les espaces com- pris entre les bandes adjacentes .
Du côté de l'entrée, un plateau d'ados- sement 16, soumis à la charge d'un ressort réglable 47 est prévu pour appli- quer à la bande de matière une pression axiale prédéterminée ..Ceci sert à
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maintenir la pression axiale sur la bande nonobstant les petites variations de largeur qui peuvent se manifester dans la bande de matière plastique préconforméeo
Comme représenté, les organes de frottement 45 agissent tout d'a bord en traversant toute l'épaisseur de la bande de matière plastique, pour:
, se terminer dans des fentes du mandrin 40, et ils continuent de cette maniè- re pendant le laps de temps requis pour produire un degré suffisant d'échauf- fement des bords à souder par friction, la sélection étant faite compte te- nu de la vitesse de rotation, de la pression entre les tranches de la bande et l'organe de frottement (qui dépend à son tour du contour du filet), et aussi des propriétés de friction de la matière plastique et de l'organe de frottement, Quand les conditions de soudage ont été remplies en ce qui con- cerne les tranches de la bande de matière, les organes de frottement dimi- nuent graduellement de profondeur, ce qui produit un retrait graduel du couteau , tandis qu'en même temps le filet est modifié de manière à repous- ser les bords et à les rapprocher sous la pression de soudage,
ce qui a lieu juste au-dessous des tranchants du couteau, sans permettre l'accés de l'air qui nuirait au déroulement du soudage. Cette réduction des organes de frot- tement continue jusqu'à ce qu'en définitive ils s'effacent dans l'outil an- nulaire externe, le soudage intéressant alors la totalité de l'épaisseur de la paroi.
Dans cet exemple il est préva. (comme représenté) en aval de l'or- gane ;de soudage par friction, un outil annulaire séparé 48, entraîné en ro- tation par un engrenage convenable 49, Cet outil annulaire supplémentaire peut être rendu nécessaire (suivant les propriétés de soudage' par friction et les autres propriétés de la matière qu'on emploie) en vue du travail sup- plémentaire de la matière,afin de donner au soudage sa pleine résistance si tel n'est pas déjà le cas du fait du traitement par l'outil de soudage agis- sant par friction.
A titre de variante, ou en outre, l'outil annulaire additionnel peut être nécessaire pour faire avancer le tube ou tuyauc conformé sur le mandrin, ou bien pour exercer une certaine résistance afin de maintenir la contre- pression axiale sur l'outil de soudage par friction, En vue de ces résultats, cet outil annulaire supplémentaire est muni d'un filet interne 50 qui est conçu en vue de l'un et (ou) de l'autre des résultats sus-vàés.
En fait, il peut y avoir avantage, aussi bien du point de vue 'de l'exercice d'une pression additionnelle en travers des points de soudage que du point de vue du travail de la matière et du point de vue de la neutralisation du couple exercé par l'outil de soudage par friction sur le tuyau lui-même, à faire tourner cet outil supplémentaire en sens opposé du sens de rotation dé l'outil de soudage par frictiono
En raison du fait que la vitesse de friction entre les organes de frottement 45 et les bords de la bande de matière 41 est nécessairement li- mitée par la vitesse du mécanisme d'enroulement de cette bande, laquelle vitesse peut être insuffisante avec certaines matières pour produire la chaleur qui est nécessaire au--'soudage par friction,
ou peut exiger de la part de l'outil annulaire 42 une trop grande longueur pour l'obtention de ce résultat, ce qui impliquerait un laps de temps trop long pour la pénétra- tion incertaine de la chaleur au sein de la bande, il est prévu un équipage de travail et de préchauffage de la bande, comme le montrent les figures 10 et 11. Cet équipage comprend un arbre 52 monté à rotation en 53 et sur le- quel la bande 41 passe entre les pièces terminales 54 à mobilité axiale, qui sont soumises à la charge de ressort réglables 55.
Sur l'arbre 52 est montée, entre les pièces terminales dont il vient d'être parlé une feuille hélicoïdale 56 de métal ou d'une autre matiè- re convenable, dans des conditions telles que cette feuille puisse tourner
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avec l'arbre mais soit mobile axialement par rapport à lui , ce qui a pour effet de séparer les bords qui doivent être soudés de la bande 41.
Etant donné que l'effet de friction augmente avec la vitesse de friction relative et avec la pression (laquelle comprend dans ce cas la pression dynamique due à l'accélération de Coriolis), l'équipage de pré- chauffage est de préférence animé d'une rotation en sens opposé à celui du déplacement de la bande dans l'outil annulaire de soudage par friction.Si dans ces conditions v1 désigne la vitesse circonférentielle moyenne du mouvement de la bande, et v2 celle des parois en rotation, la vitesse de frottement relative est représentée par la formule (v1 + v2), et si v2 n'est pas limitée par l'un quelconque des facteurs qui limitent la valeur de v1, cet- te vitesse peut être rendue très-grande afin d'assurer un préchauffage des bords de la bande à souder jusqu'à un stade voisin de celui auquel elle commence à fondre,
le processus se déroulant très rapidement. Lorsque le préchauffage a (atteint ce stade, l'outil annulaire de soudage par friction peut achever l'opération de soudage très rapidement et peut donc avoir une longueur plus courte dans une mesure correspondante. La pression , qui re- présente l'autre facteur important, peut être réglée par le ressort pour con- tribuer à un préchauffage rapide.
L'appareil de préchauffage qui est représenté assure en outre un certain degré d'étirage et d'allongement de la bande même, du fait qu'il tourne en sens inverse du déplacement de la bande, et il peut effectuer ce travail très efficacement puisqu'il agit sous pression.
De plus, suivant les propriétés de la matière qu'on emploie, et qui peut parfois ne pas être très facilement pliable, cet équipage du pré- chauffage peut remplir la fonction très importante consistant à imprimer à la bande de matière la courbure requise pour la faire arriver dans le dis- positif de chauffage par friction. A cet effet, l'arbre 52 peut avoir une section droite allant en diminuant graduellement, son diamètre le plus grand correspondant à l'extrémité d'entrée de la bande et son diamètre le plus petit à son extrémité de sortie. On peut aussi prévoir, en vue du même ré- sultat, plusieurs dispositif de préchauffage.
La bande préchauffée est guidée vers le dispositif de soudage dans le canal 58, dont les parois peuvent être isolées au point de vue ther- mique ou même chauffées pour entretenir la température produite dans les tranches de la bande qui doivent être soudées.
La construction du@dispositif de préchauffage qui est représenté est destinée à une matière nécessitant un frottement à grande vitesse rela- tivement important pour assurer un préchauffage effectif. Dans de nombreux cas, cependant, un dispositif très simplifié formé essentiellement de deux disques de friction soumis à la charge de ressorts et entraînés en rotation à grande vitesse, entre lesquels passe la bande de matière, serait suffisant.
Ce mode de réalisation simplifié est décrit dans ce qui suit à propos de l'exemple d'appareillage pour le soudage par friction.
Cet exemple représente un mode de réalisation du procédé et de l'appareil tels que les prévoit l'invention, mais se présente de différentes façons, à savoir :
A) Dans le dispositif de soudage par friction, les bandes de ma- tière sont travaillées et intégrées différentiellement par rapport à des éléments de bande d'épaisseur 4 R (voir les éléments # R1, # R2, # R3 indiquées schématiquement à titre d'exemples) puisque par suite du retrait graduel des organes de frottement 45 le travail et le soudage de la matière se produisent sur ces bandes élémentaires ayant une épaisseur # R avec l'intégration.
Celle-ci est complétée par un travail plus accentué,si cella
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est nécessaire, dans le dispositif placé en aval et comportant l'outil an- nulaire rotatif 49.
B) En considérant sous un autre aspect le travail qu'effectue l'appareil,celui-ci divise la bande ou les bandes de matière ayant origi- nellement une longueur indéfinie en éléments ayant une longueur unitaire 2 # R en les enroulant sur le mandrin (R étant le rayon moyen de la bande de matière quand elle est enroulée). Ces éléments sont étirés hélicoïdale- ment et travaillés par compression par le filet de serrage de l'outil annu- laire rotatif, tout en ayant été et en étant encore orientés hélicoïda- lement et ils sont finalement intégrés par soudage dans le tube ou tuyau sous pression suivant le procédé et l'appareil que prévoit l'invention.
C) Si l'on considère le dispositif de préchauffage et le disposi- tif de soudage en combinaison pour la mise en oeuvre du procédé que prévoit l'invention, on voit que ce dispositif de préchauffage différencie déjà la bande de longueur originellement indéfinie en éléments ayant une longueur unitaire égale à 2 #. R et les travaille individuellement sous compres- sion.
Cette fonction est particulièrement importante si, dans le cas d'une bande de matière dotée d'une certaine raideur., -le cintrage doit être effec- tué graduellemen en enroulant la bande sur-un arbre de dispositif préchauf- feur dont la section droite va en diminuant graduellement depuis un diamè- tre plutôt grand jusqu'au diamètre requiso Les bandes sont alors travaillées individuellement sous pression, pais orientées et finalement intégrées par soudage par friction dans le dispositif de soudage, par le procédé et l'ap- pareil ici prévus, l'intégration procédant également par éléments désignés par R. d #.
Le mode de réalisation de 1 invention comportant un soudage par friction peut, dans certaines circonstances, présenter des avantages consi- dérables sur les autres modes de réalisation. En effet, dans le soudage par friction, seuls les bords effectifs à souder sont chauffés, il en résulte que la vitesse de fabrication n'est pas limitée par d'autres 'facteurs; comme les retards survenant pour le refroidissement ou la solidification, et que les facteurs tels qu'un retrait possible, une distorsion et des phénomènes analogues avec changement de température n'ont pas à être pris en considé- ration.
En outre , avec la méthode de fabrication de tubes ou tuyaux en partant d'une bande de matière, il n'y a pas de limitation du diamètre du . tube ou tuyau, l'outil rotatif étant capable d'être établi en plusieurs sec- tions, ou, à titre de variante, n'ayantpas besoin d'être constitué par'un anneau complet afin d'être un organe externe apte à remplir les fonctions requises du dispositif de chauffage par friction.
Si le procédé est appliqué à la production de tubes ou tuyaux formés de plusieurs couches de matière en partant d'une bande, chaque cou- che étant alors produite individuellement et étant enroulée de manière à résister aux efforts qui se manifestent dans une ou plusieurs directions particulières, des tuyaux dotés d'une très grande résistance par rapport à la quantité de matière employée peuvent être produits par le procédé et l'appareil que prévoit l'invention.
Dans les figures 12 et 13, est représenté un autre mode de réali- sation de l'appareil que montrent les figures 10 et 11, mais qui est conçu en vue de la fabrication de tubes ou tuyaux formés de deux couches consti- tuées par une bande de matière préconformée suivant l'invention. L'appareil faisant l'objet du présent exemple peut être étudié, bien entendu, de façon à produire n'importe quel nombre désiré de couches à partir de la bande de matière, avec des orientations hélicoïdales différentes de la bande
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étirée, afin de résister de la façon la plus efficace aux diverses combinai- sons d'efforts qui se manifestent , ou pour constituer des ensembles résis- tant bien aux fluctuations de la charge dans le cas de divers types de char- ges.
Dans les figures 12 et 13, la bande de matière préconformée et é- tirée 61 est enroulée sur le mandrin 60 par l'outil annulaire 63 qui est. monté et actionné par un dispositif convenable 64 se présentant sous la for- me d'un engrenage. Le plateau d'adossement 65 soumis à la charge d'un res- sort réglable 66 exerce une pression axiale sur la bande à son entrée dans l'outil annulaire.
Les organes de frottement 67, de nature métallique ou autre, sont placés dans -le filet 68, sensiblement comme décrit à propos de 1''exemple précédent, sauf que, dans ce cas, le filet a deux origines et qu'il est par conséquent prévu un organe de frottement hélicoïdal ayant lui aussi deux origines. Dans ce cas, le filet est conçu de manière que sa profondeur ra- diale, son pas, le diamètre de son-cercle primitif et sa forme en profil va- rient dans le sens de la longueur de l'outil annulaire suivant les proprié- tés de la matière plastique et divers autres facteurs, les couteaux de frot- tement étant dégagés graduellement.
En aval de l'outil annulaire de soudage est monté un outil annu- laire de transport 69 participant également au travail, qui est monté à rotation sur un axe 70 et qui est entraîné par un dispositif approprié tel que l'engrenage 71. Son filet 72, dont une ou plusieurs des caractéristiques de profondeur radiale de pas, de diamètre, de cercle primitif et de forme en profil varient sur sa longueur, est conçu de manière à remplir l'une ou l'autre des combinaisons requises en vue des résultats indiqués ci-après.
(a) Pour travailler la matière, surtout à travers les soudages si cela est nécessaire pour amener ceux-ci à leur pleine résistance et si, par suite de la nature de la matière plastique et du procédé , ceci n'a pas été obtenu par l'outil annulaire précédent.
(b) Pour contribuer à acheminer la couche 74 du tube ou tuyau formé dans l'appareillage dans toute la mesure du possible malgré la résis- tance due à la friction du mandrin.
(c) Le cas échéant, pour engendrer une contre-pression axiale ca- pable de maintenir la pression dans l'outil annulaire de soudage 63.
(d) Pour neutraliser le moment de torsion s'exerçant sur le tuyau sous l'effet de l'outil de soudage rotatif 63.
-Pour permettre l'accomplissement de l'une ou l'autre ou de plusieurs des fonctions qui viennent d'être indiquées, cet outil annulaire peut tour- ner en sens inverse du sens de rotation de l'outil annulaire de soudage et il peut comporter un filet hélicoïdal faisant un certain angle avec le filet hélicoïdal de l'outil annulaire.
En aval de ce dispositif se trouve un outil correspondant d'enrou- lement et de soudage par friction servant à appliquer une deuxième couche sur la première couche qui fait maintenant office de mandrin. L'outil annu- laire est sensiblement semblable au premier dispositif. Les mêmes numéros de référence désignent donc les mêmes organes. Il peut être suivi d'un outil de travail et de transport analogue, qui n'est pas représenté ici.
Les différences avec le premier dispositif de soudage résident dans le des- sin du filet qui, dans la plupart des cas, produira une bande hélicoïdale différente dans la seconde couche et qui peut enrouler la bande de matière en sens opposé pour résister à un genre d'effort différent. Selon une diffé- rence structurale par rapport au premier élément, la première spire hélicoi-
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dale de la bande agissant par friction est rabattue dans la direction axia- les en formant une feuille de frottement 73 qui produit un frottement entre les deux couches (en venant à leur contact) sous la pression produite par le contour du filet de la vis et-qui diminue graduellement de section pour former une arrête après qu'une longueur suffisante de surface frottante a -amené les bords à un état se prétant à un soudage efficace.
On conçoit quegrâce à cette construction particulière, le dis- positif de préchauffage et de pré-travail représenté par l'exemple que mon- trentn les figures 10 et 11 peut être utilisé d'une façon générale. S'il s'agit de matière exigeant un préchauffage moins accentué, une version @im- plifiée d'un dispositif de préchauffage comprend essentiellement deux dis- ques de friction soumis à la charge de ressorts et animés d'une rotation à grande vitesse, ces disques étant montés directement sur l'outil annulai- re de façon que la bande de matière passe entre eux un peu avant de s'enrou- ler sur le mandrin, ce qui est suffisant. Cet équipage est représenté par 76 sur la figure 13.
La section partiellement arrachée de la paroi du tube ou tuyau représentée dans la figure 12 montre les bandes 74 et 75 formant les couches internes et externes respectives orientées selon un certain angle l'une par rapport à l'autre, les hélicoïdes se trouvant alors dans des sens de rota- tion opposés.
En ce qui concerne le soudage par friction de la bande appar- tenant à la couche externe sur la couche interne, on voit que.la surface interne de la couche externe est soumise à un chauffage préalable par le dispositif de préchauffage que montre la figure 10par suite de son contact avec l'arbre rotatif de ce dispositif, ce chauffage préalable étant juste égal à celui qui est imprimé aux bords latéraux étant donné que la vitesse relative de frottement est élevée et que la pression radiale entre la ban- de et l'arb e est importante dans tout les cas par suite de la grande tension Se # #. . La surface externe de la couche interne est bien entendu intégralement préchauffée par suite du travail fournir par l'outil de sou-
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dageTBt'l'outil placé en aval.
De cette manière, dans un pareil tube ou tuyau formé de deux couches ou d'un plus grand nombre de couches et produit par l'appareil tel que le prévoit l'invention :
1) Non seulement les bords latéraux des bandes, mais également les tranches internes et- externes de ces bandes' sont soudés par friction' - à leurs bander adjacenteso
2) Un facteur plus important au point de vue de la cohésion entre les deux couches de matière, est obtenu par la tension en enroulant les bandes sous une tension totale S. e/u( #1 + #2), S désignant la tension initiale , #1 l'angle total de passage dans le dispositif de préchauffage et 02 l'angle total de contact de la bande dans l'outil de soudage.
Il s'a- . git @ de la somme (intégrale) des augmentations différentielles continues de tension (et par conséquent de pression radiale ) S.e/u d pendant la totalité du passage de la bande à travers le dispositif de préchauffage et l'outil de soudage. Ceci fournit une charge de tension préalable qui agit sur la couche externe, et une charge de compression préalable qui agit sur la couche interne, la pression radiale correspondant à cette tension rela- tive.
Ceci se traduit par une augmentation considérable de l'adhérence mutuelle entre les deux couches de matière et également entre les bords la- téraux des couches adjacentes au-delà de celle qui est produite par le sou- dage.
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3) Etant donné que les bandes qui se trouvent dans des couches adjacentes se croisent selon un certr@@@@ angle (compris entre 0 et 180 ), on obtient, ainsi une nouvelle augmentation de la cohésion dans toutes les directions (aussi bien dans la direction axiale que dans la direction radia- le) au-delà de l'accroissement de cohésion qui est décrit sous le point (2) sus-visé.
4) Les facteurs décrits dans les trois points sus-indiqués se tra- duisent par une augmentation considérable de la résistance du tube ou tuyau vis-à-vis des charges quin pèsent sur celui-ci et,en raison des orientations différentes des bandes renforcées enroulées hélicoïdalement qui se trouvent dans les différentes couches, cette résistance se manifeste dans toutes les directions.
Ceci montre les avantages considérables d'un tube ou tuyau formé d'au moins deux couches de matières, comme décrit ci-avant, par comparaison avec un tube ou tuyau ayant la même épaisseur de paroi mais formé d'une seu- le couche de bande ayant la même épaisseur que les deux couches du premier tube ou tuyau, sans compter bien entendu le perfectionnement représenté par le tube ou tuyau formé d'une seule couche de matière mais constitué par la bande de matière en question par comparaison avec un tube ou tuyau fabri- qué par les méthodes conventionnelles.
Dans la figure 14 est représenté un exemple de réalisation de l'ap- pareil tel que le prévoit l'invention, servant à étirer sous pression circon- férentiellement (ét également au besoin axialement) une couche entrant dans la constitution d'un tube ou tuyau.
Dans cette figure 14, le mandrin 80 est muni d'une section ou partie d'expansion 82 se terminant par une section cylindrique plus forte
83, celle-ci étant entourée d'un manchon 64 monté à rotation en 85 et entrai- né par un engrenage 86, ce manchon présentant intérieurement une nervure hélicoïdale peu prononcés 87 partant d'une faible profondeur radiale et au- gmentant au point de vue du diamètre de son cercle primitif ainsi qu'au point de vue de son pas dans le sens de sa longueur, afin de transporter la couche de matière 88 à travers l'appareil, de travailler et d'allonger cet- te couche de matière circonférentiellement (et par suite de l'augmentation du pas axialement) sous pression, ces allongements étant des intégrales d'al- longementsédifférentiels produits de façon continue.
L'appareil ainsi constitué peut être combiné avec l'un quelconque des dispositifs décrits ou avec un dispositif classique afin de renforcer des tubes ou tuyaux ou des couches de matière entrant dans leur constitu- tion, surtout quand il s'agit de la fabrication de tubescou tuyaux formés de couches multiples.
Dans les figures 15 et 16 est représenté un appareil suivant l'in- vention servant à renforcer un tube ou tuyau en une matière plastique ou autre se présentant à l'état plastique au moyen d'une matière plus résistan- te -se présentant 'sous la forme d'une bande, d'un fil,d'un cordon'ou sous une forme analogueoCet appareil est une adaptation de l'appareil constituant -la première réalisation de l'invention qui a été décrite en regard des figu- res 1 à 6;il en diffère en ce sens que le filet se trouve dans le manchon externe rotatif,tandis que le mandrin ne tourne pas, et en outre en ce sens que dans sa section la plus rofonde le filet ne pénètre pas la paroi du tube outepauiujusou'au mandrin, mais selement jusqu'à une profondeur à laquelle l'armature de renforcement doit être placée..
L'appareil peut être employé indépendamment ou bien sous la for- me d'un accessoire mécanique se montant sur les machines de fabrication des tubes ou tuyaux, par exemple d'après le premier mode de réalisation, ou bien
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encore sous la forme d'un accessoire adaptable à n'importe quel appareilla- ge de fabrication de tubes ou tuyaux, par exemple sous la forme d'un dispo- sitif d'extrusion.
Dansles figures 15 et 16, 93 désigne un mandrin cylindrique sur lequel se meut une ébauche de tube ou tuyau 92 provenant d'un dispositif d'extrusion 91 ; 94 désigne un outil annulaire rotatif dans lequel le filet hélicoïdal 98 à quatre originees s'amorce sans ressaut à partir de la sur- face cylindrique 97 'ménagée à l'entrée, en augmentant graduellement au point de vue profondeur radiale dans la section d'expansion "A", des deux côtés de la surface cylindrique originelle, en vue de façonner par pétrissa- ge les rainures 98 qui vont en s'approfondissant graduellement dans l'ébau- che de tuyau 92 encore plastique, et pour refouler la matière plastique déplacée, couche par couchen dans les crêtes hélicoïdales de profondeur croissante 100 qui séparent les rainures 99.
Au cours de cette opération, la matière est détachée par couches minces successives et empilée couche par couche pour former les nervures ou crêtes, tout en étant chauffée (si nécessaire) par le dispositif chauffant la±-109 tout en étant travaillée sous des forces de compression accrues qui varient en direction et en inten- sité suivant les différentes formes des filets hélicoïdaux que traverse la matière plastique, comme il a déjà été expliqué à propos des figures à 6.
A la hauteur de l'indentation 101 la plus profonde, le* renforcement 102, qui n'est dessiné que schématiquement, est introduit à travers un canal 104 sous une tension uniforme et selon la position précise qui est imposée par la configuration du renforcement par un équipement de guidage 105-106.
Dans la section B de l'outil qui fait suite à la précédente, le filet lélicoïdal 98 présente un fetrait graduel à partir des deux côtés jusqu'à la surface terminale cylindrique 97. Il en résulte que la matière qui, dans la section A, a été détachée couche par couche pour former les rai- nures 99, a été empilée pour former les crêtes 100, et a subi un travail de compression, se trouve déroulée couche par couche et sous une pression et une température croissantes dans la section B, afin d'assurer une liai- son satisfaisante uniforme avec le renforcement 102 et de réaliser une étan- chéité parfaite au-dessus du renforcement, le joint étant constitué par une matière plastique homogénéisée et renforcée comme il a déjà été 'décrit à propos des figures 1 à 6, les points d'affaiblissement,
qui autrement nui- raient à la résistance totale du tube ou tuyau, ayant été supprimés dans la matière plastique soumise au traitement.
Dans la figure 17 est représenté un appareil également conforme à l'invention et permettant la fabrication d'un tube ou tuyau renforcé en matière plastique, ou plus généralement en toute matière à l'état plastique se présentant sous la forme d'une bande préconformée conjuguée à un renfor- cement enroulé avec cette bande, cet appareil étant une adaptation du deu- xième mode de réalisation de l'objet de l'invention qui a déjà été décrit à propos des figures 7,8 et 9. La construction et le fonctionnement du dis- positif se comprennent en se reportant à la description de la figure 7. Des numéros de référence analogues désignent les organes semblables.
La diffé- rence réside ici dans l'introduction par le mécanisme d'enroulement du ren- forcement 111 en même temps que la bande de matièreip-réconformée est enrou- lée, cette bande étant conformée, par exemple suivant la section droite rappelant la forme d'un Z qui est représentée, de manière à recevoir le ren- forcement dans une cavité ménagée entre les bandes adjacentes.
Dans la figure 18, est représenté un autre exemple de bande de matière préconformée au sein de laquelle se trouve déjà le renforcement,qui a été introduit dans cette bande par un processus semblable à celui dont on se sert pour la fabrication des câbles engaînés, et qui est ensuite trans-
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formée pour donner naissance au tube ou tuyau renforcée en partant d'une bande hélicoïdale à une ou plusieurs origines.
On conçoit que des tubes ou tuyaux comprenant plusieurs couches formées d'hélicoïdes à orientations différentes de manière à résister à des types d'efforts différents peuvent être fabriqués suivant l'invention en prévoyant un nombre d'éléments égal à celui des couches de matière afin d'enrouler des couches supplémentaires sur les couches précédentes, faisant office de mandrin. On peut fabriquer de même des tubes ou tuyaux formés de couches de matière:: dont certaines sont renforcées alors que d'autres sont des couches rendues plus résistances par l'appareillage prévu dans les exemples 7 à 14.
Il doit être entendu que la description qui précède n'a été don- née qu'a titre d'exemple et que de nombreux autres exemples de réalisation sont convenables sans s'écarter de l'invention les détails de mise en oeuvre pouvant être modifiés dans le domaine des équivalences techniques.
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de tubes, tuyaux et autres objets en partant d'une matière plastique ou d'une autre matière à l'état plastique suivant la, principe de la différentiation et de l'intégration consistant à différencier des éléments de la masse de la matière, à travailler ladite masse sous la forme différenciée (éléments) sous pression, et à intégrer les éléments ainsi travaillés selon l'orientation requise tout en continu- ant à travailler la matière.
2. Procédé pour la fabrication continue de tubes, tuyaux ou au- tres objets à partir d'une matière plastique ou d'une autre matière se présentant à l'état plastique, consistant à travailler individuellement sous pression des éléments tels que des couches ou parties de bandes ou de fils ou cordons de ladite matière, et à combiner lesdits éléments sous pres- sion selon des orientations sensiblement semblables.
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This invention relates to a new and improved design process and apparatus for the manufacture of tubes, pipes or other articles from a plastic or other material.
It also relates to an improved method and apparatus for friction welding of plastics or the like.
The invention also relates to a process as well as to an improved apparatus for the manufacture of reinforced materials such as plastics reinforced or reinforced with stronger materials, or more generally any weaker reinforced material. or armed with a stronger or more resistant material.
The use in industry of tubes, pipes, or other articles made of plastics is constantly increasing as a result of the many advantages offered by tubes, pipes and other articles of plastic over tubes, pipes or tubes. other articles consisting, for example, of metals.
The main drawback of plastic tubes or pipes has heretofore been their insufficient strength in comparison with that of metal tubes and pipes, and also the tendency of many plastics to deform or suffer. cold creep under the action of a load, so that it has not been possible, for example, to use plastic tubes or pipes to convey fluids under high pressures or even under high pressure. medium pressures.
In addition, ordinary processes and apparatus of common construction used in the manufacture of tubes, pipes and other articles from plastics more generally require treatment of the bulk material, so that differences arise. processing and, consequently, divergences in the properties of the elements of the material at different places on the wall of such a pipe or other object.
An object of the present invention is to provide a method and to provide an apparatus for obtaining a much greater uniformity of the strength properties of the material throughout its extent, in order to eliminate spots. weak points which occur with conventional methods, these weak points reducing, as one can imagine, the total resistance of the whole of the object in question.
Another object of the invention is to be able to strengthen practically all the elements of the material thanks to the use of the intrinsic properties of the latter (especially in the case of numerous plastics), instead of leaving them not used, as in conventional processes.
Yet another object of the invention is to ensure the orientation of the elements of the material (radii of curvature or the like), instead of leaving the elements unoriented as is the case with conventional methods.
Another object of the invention is to allow the realization of an integral joining of the elements of the material with each adjacent element, thus eliminating the weak points due to this cause in the conventional processes.
'Yet another object of the invention is to be sure that each element of the material will contribute to withstanding the load weighing on the whole, that is to say to prevent certain elements from being char - aged while others are not, as results from the causes mentioned above in conventional processes, that is to say in which the
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Elements that contribute to resistance also do not have uniform resistance, but have weak points.
Yet another object of the invention is to create a method and to allow the production of an apparatus making it possible to reinforce or arm a tube, pipe or other object beyond the maximum strength which can be obtained by treating the material itself thanks to the combination of this material with materials having greater mechanical resistance.
With a view to obtaining the above-mentioned objects, the invention provides a method and an apparatus for manufacturing tubes, pipes or other objects from plastics or other materials according to the principle of differentiation and integration. , this process consisting in differentiating certain elements from the mass of material used, in working this mass in a differentiated form (in the form of elements) under pressure, and in integrating the elements thus worked in a substantially similar orientation (radii of curvature) while continuing to work the material.
This can imply, according to the invention that: 1) Each element (layer or part of a strip or a wire) of the material is worked individually and more or less uniformly.
2) Each element (layer or part of strip or wire) is stretched under pressure in a substantially uniform manner (the word "stretching" being used here in its general sense as encompassing the various reinforcing operations, such as stretching. properly speaking, elongation, winding, calendering and similar operations, considered in whole or in part,) the same conditions prevailing all around the periphery of the element.
3) The elements are oriented substantially uniformly (radii of curvature and the like) under substantially equal tension and pressure conditions.
4) Each element is fully combined (joined or welded) to all adjacent layers, on all side surfaces and under pressure.
As a result, each element of the material which has been treated according to the above-described process can be used to participate in the resistance to the load applied to the tube, pipe or other object produced, the drawbacks resulting from conventional processes which have been produced. been recalled in the foregoing being here deleted.
Such being these aims, the invention also pursues other results, taking into account the following facts:
In the manufacture of tubes, pipes and other articles from various materials, and in particular in certain plastics manners, no advantage is taken of the fact that these materials are considerably improved from the point of view of their tensile strength. , by operations such as stretching, stretching, calendering, or the like (hereinafter encompassed in the sense of the general word "stretching"), a phenomenon which can be explained on the basis of the hypothesis of the extension and orientation of macro-molecules.
Another object of the invention is to take advantage of this property to reinforce tubes, pipes or other objects, either for any type of load, or in one direction or in particular directions against a dominant force, such for example as the circular force due to the internal pressure which prevails in a tube or pipe.
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Another object of the invention is to use the aforementioned phenomenon to ensure the reduction or elimination of considerable cold tracking or flow, that is to say of the elongation under a constant load. to which many plastics are subject.
Yet another object of the invention is to create a process and to allow the production of an apparatus for the manufacture of tubes, pipes and similar objects constituted by a material homogenized and reinforced unidirectionally or multidirectionally, from a material. unreinforced bulk material, for example using a new device of the so-called "screw" type.
Yet another object of the invention is to create a method and to allow the production of an apparatus for the manufacture of tubes, pipes and other objects constituted by a material homogenized and reinforced unidirectionally or multidirectionally from strips of material. reinforced previously conformed.
This improved method and apparatus allows the production of tubes, pipes and other articles having much greater strengths (in the transverse direction and (or) in the longitudinal direction) as compared to a tube or a pipe having the same dimensions (even wall thickness and same diameter) produced using the same material by conventional methods, in order to open up new fields of application for the materials in question when conventional manufacturing methods gave rise to too few parts resistant, particularly in the technique of manufacturing pipes for conveying fluids under pressure.
The method and apparatus which are the subject of the invention make it possible to manufacture the reinforced tubes or pipes in question according to any diameter, that is to say to obtain results which do not include the imposed dimensions. in this field by the conventional methods, this method and this apparatus allowing the manufacture of the tubes and pipes in question 'in continuous and in great lengths, the speed of manufacture of these tubes and pipes being notably increased in comparison with that than allow the conventional methods, the apparatus also allowing the production on the site of large lengths of pipes that can be made mobile, for example for their mounting on a tractor.
Yet another object of the invention is to create a method and to allow the production of an apparatus which can be used for carrying out welding.
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by friction in; ' c0ntf: t: lU (i -,
The method which is the object of the invention consists in working individually under pressure elements such as layers or parts of strips or filaments of the plastic or other material in question, and in combining said elements under pressure according to patterns. substantially similar orientations, at least part of said operations being carried out between an internal member and an external member which surrounds at least part of said internal member,
at least one of said members being subjected to continuous rotation and at least one of the members having a shape such that a plane enclosing the axis of the internal member intersects its working surface along a line which represents at least partly a curve.
The elements in question can be subjected to stretching under pressure (the word "stretching" being taken here in its general sense, as has already been said) and, by combining said worked elements, the latter can be brought together (if their treatment separated to implied their separation).
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This approximation and staking may involve pressure welding, friction welding or the like process occurring under pressure.
The apparatus which forms the subject of the invention and which allows the implementation of the method which has just been indicated comprises at least two members, an internal member (for example a mandrel) and an external member (for example. example a sleeve or sheath) surrounding, at least in part, said internal member, at least one of said members being driven in a continuous rotation and at least one of these members having a shape such that a plane enclosing the axis of this member intersects its working surface along a line partially representing a curve.
Said members can, still according to the invention be constituted respectively by a mandrel and a sleeve, one of them being driven in a continuous rotation and having on its working surface a rib or a helical thread, at least one of the characteristics of which (radial depth, pitch, diameter of its original circumference and shape of the profile) varies over at least part of its length.
Such being the aims which the invention aims (creation of the method and of the apparatus which has just been mentioned), several possible embodiments will be described below.
The first embodiment is embodied in a method of continuously manufacturing tubes, pipes and other objects from a plastic or other material which is in the plastic state, this method comprising detaching layers of a material thereof. bulk, in individually working, kneading and stretching said layers under pressure, then in combining these layers of material in substantially similar orientations, then in kneading them again under pressure, by carrying out the work between a mandrel and a sleeve forming an envelope,
at least one of the components in question being driven in a continuous rotation and having on its working surface a rib or a helical thread, at least part of which has the characteristics (radial depth, pitch, diameter of the pitch circle and shape in profile) varies over at least part of its length.
The rib or the helical thread may extend over at least two zones, the radial depth of this thread varying progressively in the second zone in the direction opposite to that of the progressive change of this radial depth in the first zone.
More specifically, in the first zone just mentioned, the radial depth of the helical thread can increase from zero at the entry end up to a maximum radial depth, at the right of which the radial distance between said mandrel and said wrapping sleeve is reduced to zero (contact in principle between the deepest thread and the adjacent surface of the other member) and, in the second zone the radial depth of the thread is reduced from this maximum value to zero at the output end of the device.
During operation, the apparatus loosens thin layers of the bulk material introduced at the inlet end, folds them individually into the grooves of increasing depth between the threads during working (kneading, stretching). under pressure, the intensity of this pressure in the axial direction and in the radial direction as well as the other operative features being regulated by a suitably chosen variation of the radial depth and of the other characteristics of the thread, including the length zones, etc ...
This operation of detaching the thin layers of material, that is to say all in all, of differentiating the conditioning of the material, continues until the net
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of maximum depth which is in contact with the adjacent surface of the other member, to prevent any layer from passing through it in the axial direction and therefore has the consequence of detaching the last layers of the material introduced, so that the totality of the bulk material is differentiated into elements (layers) which are individually worked under pressure and oriented to some extent helically. In the net reduction area, the layers of material are then unwound and integrated to be converted into a bulk material
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fully worked andGtu.i,
ennëintenov.z soïmae'.â un.'lva7.aaa.s -pressure and oriented. In this way, the material is significantly strengthened and made uniform in strength, removing weak points which otherwise limit the total strength of the tube or pipe.
It should be understood that depending on the properties of the material and the condition of the material at the time it enters the apparatus, and following analogous factors, the characteristics of the net and of the working surface of the machine. other organ (which does not need to be cylindrical) are studied in such a way as to obtain the results indicated above.
Thus, for example, for a material which requires high compression, the diameter of the pitch circle of the thread can vary continuously under conditions such as to reduce the specific volume of this material and likewise the pitch can be continuously reduced. and the profile may change to cope with the properties in question.
Means allowing the escape of the air or more generally of the gases which are released during the process are provided if necessary.
There is also provided an interesting heating either the mandrel or the sleeve, or these two members at the same time.
However, in a preferred embodiment no heating means is provided, the only heat which is applied comes from the mechanical work being performed. In addition to the simplification and the fact that the heating will be integral and uniform since all the layers of the material are individually and substantially uniformly processed, this allows the apparatus to be made self-regulating. .
The reason for the above is that obtaining a certain consistency of the material (and melting in the extreme hypothesis) is felt in the torque resistance of the screw and in the fluctuation of speed resulting from this change in torque. This can be used to adjust the running of the machine to ensure uniform high quality throughput.
The apparatus generally described can be used for the production of tubes or pipes directly from the outlet end, with a minimum of extrusion. It can also be used as an extrusion screw having markedly better properties of homogenization at the same time as of reinforcement, the extrusion head being mounted after exiting the apparatus and ensuring the extrusion of rods and according to n ' any required sections.
The embodiment which has just been reduced may be suitable for the introduction of a reinforcing frame in the form of a metal wire, a textile thread, or in a similar form within the tube or pipe in process. If such an adaptation is provided, the net does not need to enter directly into the tube or pipe.
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in a plastic way. has already been zonf o'rmêt. be (until 1 to the tprdfolïàetir (or jus4u'aug deep1iÍi-s ') to. lkùèllé (from to which)' the Benforoément must be provided, an enmidage mechanism: -4 being coordinated with the ^ fillet at the depth required to introduce the
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necessarily with the necessary helical shape.
The reduction net then serves to bring the plastic material back by kneading onto the reinforcement frame, which ensures a good junction while reinforcing the layers of material being treated.
A second embodiment of the object of the invention concerns the continuous manufacturing process of a tube, pipe or similar object in plastic or other material in the plastic state in the form of a preformed strip, this process consisting in working parts of this strip under pressure, in combining these parts in a substantially helical form and in joining them under pressure, said operations being carried out between an internal member and an external member of the apparatus provided for by the invention said external member at least partially surrounding said internal member, at least one of the aforementioned members being driven in continuous rotation,
and at least one of them having a shape such that a plane containing the axis of the member in question intersects the working surface of the latter along a line representing at least in part a curve.
The method in question may include the operation of joining said portions of the strips on the field, under pressure applied over their entire circumference, between a mandrel and an outer wrapping sleeve of the apparatus as provided. the invention, at least one of the aforementioned organs lending itself to a continuous rotational movement, this rotary member being provided on its working surface with a rib or a helical thread, at least one of which characteristics (radial depth, pitch, diameter of the pitch circle and shape of the profile) change over at least part of the length of the member in question to produce a radial and axial pressure on the material,
the joining taking place continuously around the circumference from a zero angular value up to an angular value equal to 2 #, and the radial depth of which varies continuously from the zero value to the total radial depth of the tube or pipe wall (differentiation-integration).
Further, the method may include friction welding of the portions of the bands subjected to radial and axial pressure.
The method which is the subject of the invention may also consist, after the production of a constituent layer of a tube or pipe from a strip obtained by the process in question, in helically winding another layer of the strip. pre-shaped on the aforementioned first layer now forming a mandrel, said parts of this second strip being joined together as described, as well as to the layer formed by the first strip.
According to this process, the second layer, or the subsequent layers envided or wound on a first layer, can have a different helical arrangement (different pitches, different number of origins, opposite direction of rotation, for example), so that the tube or pipe can withstand different forces. In addition, the different layers may be made up of different plastics or other materials, whatever their state of plasticity, which may or may not be welded together and which may furthermore be provided for obtaining a result other than 'reinforcement, in particular thermal insulation.
Still according to the method provided for by the invention, a constituent layer of a tube or pipe made from a strip of preformed material can be wound on a layer of this tube or pipe established by the first embodiment of the invention or by other methods.
In addition, according to the invention, the shapes in cross section of the preformed material strip can be established so as to facilitate the joining of the helically wound parts of the strips, this
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straight section recalling for example the shape of a Z, a rhombus or a U shape, this @ @ nière being particularly indicated for the establishment of tubes or pipes formed of two layers in the case where the sections in U can be arranged so as to interlock with one another and to be already entangled in the unjoined state.
This embodiment may also be suitable for the manufacture of a reinforced tube or pipe by winding a reinforcement in the form of a wire or a strip between the strips of plastic material. which, in this case, are preformed so as to leave a space for the reinforcement. The operation described serves to produce not only the welding and possibly the heat treatment, but to ensure a satisfactory junction between the reinforcement and the material constituted. - tutive of the tube or pipe.
An apparatus constituting an embodiment of the invention with a view to the manufacture of a tube, pipe or the like starting from a plastic material, or more generally from a material endowed with plasticity exhibiting in the form of a preformed strip, comprises at least two members among which an external member surrounds, at least in part, an internal member while leaving a certain clearance between them, a device winding the tape helically in space included between said organs, and another device transported:
the. band through said members, at least one of these two members being driven in continuous rotation, the working surface of at least one of these members being shaped so that the radial clearance between them changes on at least part of the length of the apparatus in order to join the helically wound parts of the strips under radial and axial pressure.
The internal and external members can be constituted respectively by a mandrel and by an external enveloping sleeve, this sleeve being driven in a continuous rotation and having on its working surface a helical thread of which at least one of the characteristics ( radial depth, pitch, pitch circle diameter and profile shape) changes over at least part of its length, in order to join the helically wound parts of the bands under radial and axial pressure and to convey said band and tube or pipe formed therefrom along the mandrel.
The apparatus may comprise a backing plate subjected to the load of a spring and placed in the vicinity of the winding mechanism in order to exert a relay pressure on the strip subjected to the winding in the space between the mandrel and sleeve, and a device for adjusting the spring load weighing on the backing plate.
This apparatus may further comprise a device for friction welding of the helically wound portions of the strips, under axial and radial pressure. This friction welding device may include members generating a relative movement between the surfaces of the strips being welded and (or) a relative movement between the surfaces of the strips of material to be welded and metallic or other members which are brought into frictional contact with said surfaces, or else which are inserted between the surfaces of adjacent bands which are to be welded.
The relative frictional motion in question, which is intended to produce or prepare for friction welding, may be of any suitable kind, for example rectilinear, curved, rotary, alternating or combined motion, such as that is to say, participating in the various movements indicated above.
The friction members as provided for by the invention are characterized in that they consist of a thin sheet oompor-
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both an edge or which may have any suitable shape tapering off to form an edge, and further in that they are so constructed and arranged that when the relative frictional motion occurs, the edge in question deviates from the space between the adjacent faces of the strips to be welded, which then meet immediately under the effect of this pressure without allowing air to penetrate between the surfaces to be welded , so that effective friction welding occurs.
These friction members can be discs rotating at any required speed suitable for ensuring rapid heating and effective welding of the surfaces of the strips between which they are interposed, they can also affect the shape of blades or sheets moving relatively to the bands between which they are ', interposed.
These friction members can have varied surface states, in particular a certain roughness, or else a particular smoothness, depending on the properties of the material to be welded, or they can be provided with little cavities or dimples. deep called to be filled by an initial layer of the material to be welded and thus to produce a frictional contact of the material where the need arises. As an alternative, these friction members can be provided with slots which may have different shapes or inclinations, depending on the relative friction speed, or cavities and (or) slits opening towards the edge, etc. In addition, the surface conditions may change, for example to become smoother or to on the contrary, rougher towards the edges.
Either the members can be coated or coated with materials with beneficial properties to facilitate friction, or the friction welding process.
The apparatus just mentioned for friction welding can therefore include a constituent rotary member provided on its working surface with a helical thread (single or multiple), at least one of the characteristics of which (radial depth, pitch, diameter of the pitch circle and shape in profile) changes over at least part of the length of this organ, in order to exert radial and axial pressures on the helically wound parts of the bands, the thread in question being combined with one or more sheets of a metallic material or other interposed between the edges of the adjacent parts of the strips of material and cooperating under pressure with them by exerting friction along these edges in order to produce local heating allowing friction welding,
said sheets being provided with tapered edges and decreasing in thickness after a required frictional contact distance with said strips, in order to allow gradual release out of the space between said portions of the strips which are joined by radial pressure and axial by the thread during the welding operation without allowing the access of air, this welding taking place gradually from zero to the full depth of the thread (differentiation-integration).
Downstream of the friction welding equipment which has just been described, a rotary annular tool can be provided, this tool comprising a thread, at least one of the characteristics of which (radial depth, pitch diameter of the pitch circle and shape in profile) varies so as to produce, if necessary, an additional work of the material by imposing a considerable pressure across the welded part, in order to reduce or cancel the resulting torque on the tube or pipe produced by the 'welding crew, in order to obviate the frictional resistance interfering with the advancing movement of the mandrel or, alternatively, and if the circumstances so require, to exert a back pressure on the tube or pipe in order to maintain axial pressure on the output end of the welding crew.
To this end, this rotary annular tool can be designed so as to turn in the opposite direction to the direction of rotation of the probing tool.
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in principle drives at a different speed of rotation.
However, since in general the friction welding tool can be driven with a certain rotational speed corresponding to the requirements of the winding mechanism, the production speed of the equipment and to d Other factors, the relative friction rate between the bands and the frictional component of the welding tool is limited. However, it is advantageous, and even necessary in some cases, for the friction heating to occur after a short time, in order to heat and melt the top layers only, without allowing the heating to occur. be felt within the band, which would adversely affect some of the specified advantages of the process.
In addition, the material of the strip may prevent it from taking the curvature of the mandrel from the straight strand at the required speed, so that some gradual bending is then necessary.
For the reasons in question, it is necessary or advantageous to provide an apparatus for the preliminary heating of the edges of the strip of material which must be joined by welding, to a temperature substantially equal to that at which the upper layers melt. , causing little friction on the part of the friction tool and performing the function which may be required in addition to gradually bend the web of material.
The invention therefore provides for an apparatus for pre-heating the edges of the previously shaped strip which must be welded, this apparatus comprising rotating members assembled with friction disks and a device for passing the strip of material between the disks beneath. the pressure exerted by them.
The disks in question can be axially movable on said member and can be brought together by springs, means being provided to adjust the load exerted by the latter.
In addition, these discs can rotate with the shaft on which they are mounted, in order to be axially movable under the load exerted by their springs.
The preheater may, in addition to the discs arranged to rotate with the shaft on which they are axially movable under the load exerted by their springs, comprise a sheet of metal or other material endowed with elasticity and helically wound, this sheet being able to exert a friction and being mounted on said shaft between the discs and in contact with them, said helically wound sheet being able to rotate with said shaft and being movable axially to it, means being provided for engaging the strip of material previously shaped on said shaft along the helical path formed by the wound strip and by the discs,
as well as means for rotating the shaft and this helically wound sheet in order to produce the required relative friction speed between the edge of the strip and said walls.
Since the speed of the web itself is represented by the translational speed determined by the winding mechanism of the welding apparatus, the shaft preferably rotates in the opposite direction to that of the web movement, in order to generate a relative friction speed which is the sum of the translation speed v1 of the strip and the circumferential speed v2 of the rotating sheet, that is to say a relative friction speed represented by (v1 + v2).
The preheating equipment is designed to allow the gradual bending of stiffer strips of material since the rotating shaft has a section which gradually decreases from a relatively large diameter at the inlet end to a diameter of smaller at the output end. As an alternative, a number of preheating crews can be mounted one after the other for this result.
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Due to the fact that the material constituting the strip is worked under pressure, this preheating unit achieves considerable stretching and consequently reinforcement of the strip under pressure,
The pressure is adjustable using the members forming springs; it is increased by the dynamic effects and in particular by the acceleration of Coriolis due to the change in direction of the strip.
The invention also encompasses an apparatus for the manufacture of tubes or pipes using two or more layers each of which is formed of a strip, this apparatus comprising a device for establishing a layer of the material. constituting the pipe from a strip as described above then, downstream of this device, a second device similar to the first and serving to wind the second layer of strips on the first layer forming a mandrel, this second dispositiff which may or may not include prior heating depending on the requirements.
The only difference between, on the one hand, the second device and the other devices corresponding to the subsequent layers and, on the other hand, the first device corresponding to the first layer, it is, in the case where it is provided a friction welding in the apparatus that the friction sheet not only extends redially between the adjacent strips, but that the first turn of that friction strip is folded back to have a cylindrical shape and extend between the first layer and the first layer. -second layer '-wound on it,
in order to behave also in the manner of a friction sheet between the two layers o This friction sheet can also gradually decrease in section to form an edge after a sufficient length to heat the material up to a proper temperature welding, this being carried out under the effect of the pressure which is generated by the contraction thread of the annular tool which rotates
According to the invention, combinations of preheating and welding equipment can also be studied with a view to establishing plates or panels starting from a strip of previously formed material, several of these crews producing plates formed from multiple layers,
the bands being arranged in different directions according to the preferred embodiments.
The invention also encompasses a device for stretching or elongating a constituent layer of a tube or pipe in the circumferential direction as well as, where appropriate, in the axial direction, this device comprising a mandrel with expandable diameter, a sleeve of 'wrapping surrounding this chuck, at least one of the components in question being mounted so as to be able to turn and comprising on its working surface a rib or a helical thread, one of which takes care of the characteristics (radial depth , pitch, diameter of the pitch circle and shape of the profile) varies in the direction of the length of said element in order to axially displace the constituent layer of the tube or pipe longitudinally to the expansion space between the mandrel and the sleeve, and also for produce if necessary,
the expansion of this layer of material in the axial direction in addition to its elongation in the circumferential direction.
This equipment can be used in combination with any of the devices forming part of the apparatus for the manufacture of tubes or pipes, as described, and more generally with any apparatus of the conventional type.
The invention is described below, by way of example and in certain details, with reference to the appended schematic drawings:
Figure 1 is a longitudinal sectional view of the upper half
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of an apparatus constituting a first embodiment of the invention, this apparatus being designed with a view to performing a differentiating action on the bulk material, a working and an integrating action in one and only one. same device.
FIG. 2 is a view similar to FIG. 1, showing a variant of the mandrel that the apparatus comprises.
Figure 3 is a fragmentary cross-sectional view taken through line 3-3 in Figure 1.
Figure 4 is a cross-sectional view of the mandrel visible in Figure 1.
Figure 5 is a sectional view drawn on a larger scale of a portion of the rib of the helical thread which runs on the surface of the mandrel.
Figure 6 is a sectional view similar to Figure 1 showing a variant of the mandrel having a substantially uniform average diameter and usable in the apparatus constituting the first embodiment.
Figure 7 is a fragmentary longitudinal sectional view of a second embodiment of the device for making a preformed and drawn strip, and for converting this strip of material into a tube or pipe, the work comprising a differentiation and integration.
Figures 8 and 9 are sectional views of a previously shaped strip of material having a cross section different from that shown in Figure 7.
Figures 10 and 11 are respectively a sectional view and a side elevational view of a third embodiment of the apparatus provided for by the invention, these views showing a device for working, preparing and soldering by welding. friction a strip of preformed material and to manufacture a tube or pipe using this strip drawn and subjected to friction welding.
Figures 12 and 13 are respectively a sectional view and a side elevational view of a variant embodiment of this third apparatus as provided for by the invention, this variant being designed with a view to the friction welding of layers of bands preformed one above the other.
Figure 14 is a sectional view of another device for working and stretching a layer of material.
Figures 15 and 16 are respectively a sectional view and a side elevational view of another alternative embodiment, the construction being similar in principle to the first, but with a modification allowing the integration of a reinforcing bar. the constituent material of the tube or pipe;
Fig. 17 is a fragmentary longitudinal sectional view of the second embodiment shown in Fig. 7, but designed for the introduction of a reinforcing bar, the tube or pipe being established from a preformed material strip.
FIG. 18 is a sectional view of a strip of preformed material, but within which is embedded a reinforcement, this strip of material being usable in the version of the apparatus shown in FIG. 7.
In Figures 1 to 5, are shown, embodiments
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of the object of the invention which are directly applicable to the production of tubes or pipes and are in the form of extrusion screws, this embodiment involving the general process of differentiation, work and integration, as it is described below.
In the apparatus shown in Figures 1 to 5, 10 denotes a mandrel which is driven in rotation about its axis under the action of any device, in a fixed cylindrical enveloping sleeve 11.
This mandrel 10 has an average diameter which varies gradually; its smallest diameter is at its inlet end 14, that is to say at the place where the plastic material 12 is sent into the annular space between the mandrel 10 and the sleeve 11. The plastic material is driven and worked by a rib or a helical thread 13 integral with the surface of the mandrel 10.
This thread is a thread with four origins, having a variable radial depth, a variable pitch circle diameter, a variable pitch and a shape of profile also variable; starts at zero depth at its inlet end 14 from the cylindrical surface of the first part of the mandrel 10, and increases in radial depth as well as in mean diameter throughout the range. the expansion section 15, up to a maximum where the deepest part of this thread 13 has a diameter substantially equal to the internal diameter of the enveloping sleeve 11.
The depth of the thread 13 is then gradually reduced throughout the extent of the reduction section 16, the average diameter remaining substantially constant or increasing only at a lower rate than in the expansion section, until that the ± thread depth reaches zero at the outlet end 17 where the thread insensibly connects with a smooth cylindrical part of the mandrel 100
Internal longitudinal ribs 18 of relatively short axial length are provided on the internal face of the enveloping sleeve.
11 (as shown in Figures 1 and 3), in order to prevent the material from rotating with the mandrel 10 at the output end 17.
Channels can be made in the wrapping sleeve
11 or in the mandrel 10, or in these two elements at the same time, in order to ensure the circulation of steam oa. another heating fluid. The mandrel which is shown in FIG. 2 is hollow at the location indicated by 19 in order to allow the circulation of such a fluid. Alternatively, the wrapping sleeve 11 or both can be heated electrically.
A ventilation system allowing the escape of air or other gases which are released during the work can be provided in one or more suitable places of the enveloping sleeve 11.
During operation, the mass 12 of the plastic material which may, depending on the nature of this material and the working conditions it is called upon to undergo, be in various states of plasticity, from a state close to the state liquid to a state close to the solid state, is detached in the form of extremely thin layers (see the 4µ F cut zones drawn in dotted lines in figure 4) due to the fact that the thread increases in depth radial in the expansion section 15, until;
for a maximum depth of the thread, all of the mass of plastic material has been differentiated into these thin layers.The latter are worked under a compression, considerably increased in all directions, then folded back into the grooves between the threaded and drawn, in substantially helical directions under these pressures to give more strength and uniformity to the plastic, as more fully described below.
In
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@ the reduction section 16 of the mandrel 10, these layers are gradually integrated while still being worked under pressure to form a homogenized and considerably reinforced bulk material, within which a certain degree of orientation of the elements in helical directions, following the general shape of the net, was obtained.
Therefore, the way of differentiating matter into elements (thin layers) and then working these elements individually under pressure and re-integrating these same elements with orientation while continuing to work is carried out as it has just been said in the apparatus object of the invention
The homogenized and reinforced material can be used directly to form a tube or pipe or, if the apparatus is part of an extrusion machine, it can also be used for the shaping of other extruded parts, to be then brought to the extrusion head after the process as provided for by the invention has been carried out, as indicated above.
The operation of the apparatus will be understood with greater precision by reference to Figures 4 and 5 which illustrate it in greater detail. The indentation of the spiral thread in section 15 within the material plastic deepens radially at a rate represented by the formula # R # dt, in which denotes the angular speed of the screw and2 ## R the increase in external diameter per turn.
This produces, by a kind of tightening phenomenon of the expansion net towards the surface of the enveloping sleeve, an increase equal to # p1, towards the plastic material at the place designated by 22 in figure 5, in the direction radial. At the same time, thin layers having in a straight section the surface # F (see figure 4) are detached at the places designated by 23 and acquire the axial speed vt of the thread which, since the speed of advance of the mass of plastic material is smaller, results in another clamping action in the axial direction, which results in an increase in pressure # P2 in the axial direction at the point designated by 23 (see double arrows for pressure increases.)
As a result, the thin film detached as said is worked under increased compression (p + # p1) in the radial direction and (p + # p2) in the axial direction, both increases in question being considerable. , because the bottom of the groove 24 moves radially outwards, a clamping phenomenon occurs which results in an increase in the pressure # p3. In addition to the fact that the rear part of the net denoted by 25 moves away from the mass of the plastic which moves more slowly, there is a suction effect, which itself results in a reduction in the mass. pressure equal to p as indicated o These effects produce,
in addition to a helical movement of the plastic in the thread groove with a velocity vector vs, as shown, during which the plastic is subjected to helical stretching under pressure, a slow rotation (circ- ulation) around the axis of this vector and inside each groove, as shown in figure 50 If it is almost solid plastics, then a slow rotation of the layers occurs material in the groove, which has a very useful effect in gradually replacing fully worked layers with less worked layers.
As this rotation takes place around the axis of the vector v which itself rotates around the geometric axis of the shaft of the apparatus, gyroscopic and pseudo-gyroscopic effects, such as those which have been
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described in a technical report by the author in an English-language publication entitled Oscillatory Occurences a Ball Bearings ", published in the" Journal of the Royal Aeronautical Society "(issue of December 1952), occurring causing other rotational movements and increasing compression.
Thus, the thin layers of the plastic material are gradually loosened, worked and helically stretched under a continuously increasing pressure and they are forced to pass through grooves of various shapes while being subjected to stress. rotational movements in these same grooves. These layers of material are therefore worked and compressed by many different forces which change both in intensity and in direction following the successive variations in the shapes of the grooves which are designed to meet the requirements imposed by the material in question in order to obtain the best strength and uniformity required for the material.
In the expansion section 15 of the embodiment of the net shown in figure 6 and which differs from that shown in figures 1 and 2 in that the average diameter increases only very slightly, the work is increased. produced under analogous conditions except that, as the bottoms of the grooves 24 (Figure 5) approach the center line, a phenomenon of suction also occurs which contributes to the circulation.
In the two examples in question, the processes are reversed to some extent in the reduction section 16 located downstream of the maximum diameter thread, which is substantially in contact with the wall to prevent any amount of the plastic material from being caught. leaving the device without having been worked o The elementary layers of the material are now unwound by the helical threads which gradually decrease in depth, an increase in pressure being caused by the clamping effect exerted by the bottoms of the grooves, which approach the wall of the enveloping sleeve 11.
The helical speed components, which are canceled out by the axial ribs 18, also serve to increase compression as the inner layers of material come into contact with those outer layers which are not rotating. In addition, each thin layer is, during its unwinding, further stretched due to its cohesion with the material which is still in the groove. Thus, in the reduction section 16, all the layers of the material which have been loosened and which have been individually worked under pressure in the expansion section 15 are unwound (integrated) and stretched further, and then also oriented. in this reduction section 16.
In this way, the illustrated embodiments act to greatly increase the strength of the plastic material as a result of working (stretching and orientation) by increasing the uniformity of this material, and eliminating the weak spots. - wounds which otherwise adversely affect the strength of the whole product.
It is understood that the optimum effect of all the factors listed depends on the relations of the characteristic properties of the thread, and the changes in these characteristics (radial depth, pitch, diameter of the pitch circle, profile shape, length of the expansion and reduction sections possible change in the diameter of the enveloping sleeve, etc.) must be determined mathematically according to the properties of the materials and also according to the particular results which are intended and other similar considerations.
From the point of view of the application of heat, these embodiments
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These systems have great advantages in that they offer very large heat transfer surfaces between a metal and the plastic material and that, thanks to them, each layer of material comes into contact with the rotating wall.
However, according to the preferred embodiments of the object of the invention, no heating device is provided in the mandrel or the enveloping sleeve. It is in fact preferable that the required heat result from simple mechanical work. In this respect, the construction
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represented presents particular advantages' 'being' do = 9-qm the total11é 'of ititli1a # re s -'t..1.13.' 'f eie3eri = t'.atieéla, e'.t' state of threadJ.10E ; S (úÚv ".06. J ',' \. IJ .. a '- gi: 1 ... Lt:
U! Ûxlt the advantage of allowing a self-regulation of the working process which takes place in the apparatus since the obtaining of a certain consistency of the material (which can go in the extreme hypothesis until it melts) acts on the mechanical torque that is required to advance the screw and on the speed fluctuation resulting from this change in torque. This factor can be used to adjust the rate of the apparatus to ensure uniformity of flow of higher quality material.
In Figure 7 is shown another embodiment of the object of the invention allowing the manufacture of tubes 1, or pipes starting from a pre-formed and stretched strip of plastic or other material located at the plastic state, ensuring the process of differentiation, work and integration of the elements as described below,
In this FIG. 7, 30 designates a fixed cylindrical mandrel provided with channels 31 traversed by a heating fluid or serving to house an electric heating element. An outer ring 22 rotates around the mandrel under the action of some suitable system such as the gear designated by 33; it is also provided with channels 31 or else electric elements used for heating.
The bore of the ring 32 gradually decreases in section and it is provided with a shallow thread 34 which decreases in radial depth towards the end of the bore which has the smallest diameter, by connecting with a smooth cylindrical surface. A preformed strip
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and stretched plastic material is wound helically on the mandrel
30 under the effect of ur winding mechanism which may or may not be part of the rotating ring at its entrance. This pre-formed and stretched strip of plastic material has a straight section suitable for facilitating welding under the pressure exerted by the rotary annular tool, for example a straight section resembling the shape of a Z, which is indicated for the strip 35.
The rotatable annular member 32 forces the web of material axially along the surface of the mandrel 30. Following a construction to be preferably adopted, a backing plate subjected to the load of a spring such as that which is shown in connection with the construction shown in figure 10 is intended to withstand the axial compression exerted from the inlet, and at the same time the annular member compresses the strip both radially and axially, This is due to the that the thread is designed with such variations in radial depth, pitch, pitch circle diameter and profile shape, that pressure forces are produced with the intensities and directions necessary in the radial directions,
axial and circumferential
The web of material is heated as a result of its contact with the mandrel 30 and with the annular member. As it passes between them, it undergoes to some extent stretching under compression, while
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that the edges of the adjacent sections of the strip weld together under this compression during the work, so that it is a complete tube or pipe which comes out of the slender end of the apparatus.
The edges in contact with the strip of material can be realistically worked before this strip is wound up on the mandrel, in order to facilitate their joining by welding.
Thus, for example, the strip can pass through toothed rollers which hollow out and soften its edges, or between preheating elements, as described in the following, using friction heating.
In figures 8 and 9 are shown in cross section variants of a preformed and stretched strip usable in the apparatus shown in figure 70
This example represents an embodiment of the method and of the general apparatus as provided for by the invention, as indicated below.
A) As the strips of material enter the rotating annular tool 32, they are subjected to differential work and integrated, the members having a radial depth denoted by A R, as shown in Fig. 7. At the start. when at the entry into the annular tool a radial pressure is applied to the strip by the thread, the distribution of the pressures in depth is quite similar to what is indicated by the small graph which constitutes figure 70 falls from a maximum value p on the external surface, as a result of the effect of elastic compression combined with a certain displacement, which manifests itself on elements having a depth R each of which can be ;:
considered as an elementary spring subjected to friction on the neighboring edges of the adjacent bands.
However, during the progression of the material in the helicoid, the maximum pressure becomes that at which the welding will occur, and it will then successively penetrate all the layers, up to the heart of the thickness of the wall of the tube or pipe. and up to the mandrel, minus a reduction due to friction. In this way, the apparatus represented produces a differentiation in elements of thickness # R, it works these elements individually under pressure and integrates them by successive welding on the neighboring edges of the elements adjacent to the strip, until all elements forming the entire thickness of the wall are welded (integrated).
B) According to an alternative examination of the operation of the apparatus according to this embodiment of the invention, this apparatus divides one or more bands having an indefinite length into elements having a unit length represented by 2. #. R, by winding them on the mandrel (R denoting the average radius of the strip when it is wound). These elements are stretched helically and worked by compression by the tightening thread of the annular tool, which rotates while being helically oriented, then they are finally integrated as a result of pressure welding which transforms them into tubes or pipes, the welding evolving by elements R. dt, according to the method and the apparatus as provided for by the invention.
As opposed to a plastics extrusion machine, the present apparatus can operate at very high speeds for the production of tubes or pipes and, owing to its simplicity and lightness, it can be operated at very high speeds. can be mounted on a tractor, for example to produce on-site continuous (i.e. one-piece) tubes or pipes from a pre-formed and drawn strip of material supplied *, by drums , coils or similar power sources.
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Because the preformed strip of material has been subjected to stretching operations which can bring its tensile strength to the maximum attainable by stretching and orientation of the macro-molecules, which is a multiple of its strength in the unstretched state, especially for certain plastics, this apparatus allows the manufacture of a tube or pipe having a resistance to internal pressures exceeding that of an ordinary extruded tube or pipe at least in the intake between the re- tensile strengths of stretched tape and unstretched tape, while being much less prone to cold creep than them. This is an extremely important consideration in tubes or pipes called upon to withstand very high internal pressures.
Thus, the present process for producing tubes or pipes as provided for by the invention opens up an enormous field of application to the technique of manufacturing conduits made up of certain plastics which, when they were produced by the processes. conventional, were too weak to be able to withstand the pressures in question. Indeed, the present process allows the manufacture of much stronger tubes or pipes, although they do not have a greater wall thickness, and this using the same materials.
As an alternative, the process allows significant savings to be made in terms of the materials employed and a reduction in other manufacturing costs by making it possible to reduce the consumption of material compared to that imposed by the manufacturing processes. conventional, while allowing satisfactory resistance to be obtained at higher pressures.
It will be understood that the apparatus forming the embodiment which is represented by FIG. 7 is applied to a certain range of materials, but that it may require preheating of the edges of the material which are to be welded, or even an advantageous heating. the thickness of the material strip.
If the heating system shown is provided and if the net is capable of exerting the very high pressures which are required in various directions, the apparatus can be designed so as to heat treat the plastic material at the same time as the tube or pipe. is manufactured by the process in question. the application of heat either from the elements themselves, or from mechanical work, or from sources of radiant heating, or from several of these factors acting in various combinations.
In Figures 10 and 11 is shown another embodiment of the object of the invention which makes it possible to manufacture a double pipe starting from a preformed and stretched strip of a plastic material or of another material presented in the plastic state, by friction welding the strips of material, this embodiment of the invention allowing the accomplishment of the process of differentiation of work and integration of the elements which is described below.
As shown in Figure 10,40 denotes a fixed mandrel on which the strip of preformed material is stretched 41 is wound by an annular tool 42 which rotates under the action of a source of covenable force constituted for example by a gear 43. This annular tool 42 is provided internally with a shallow thread 44, having a radial depth which decreases as well as a decreasing pitch circle diameter, not to mention its other properties which are described below. In this tool 42 is further mounted a helical friction member 45 in the form of a helical knife penetrating into the spaces between the adjacent bands.
On the entry side, a backing plate 16, subjected to the load of an adjustable spring 47 is provided for applying to the strip of material a predetermined axial pressure. This serves to
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maintain the axial pressure on the strip notwithstanding the small variations in width which may appear in the precast plastic strip.
As shown, the friction members 45 act first of all by crossing the entire thickness of the plastic strip, for:
, terminate in slots of mandrel 40, and continue in this manner for the time required to produce a sufficient degree of heating of the edges to be friction welded, the selection being made in consideration of the speed of rotation, the pressure between the edges of the strip and the friction member (which in turn depends on the contour of the thread), and also the friction properties of the plastic material and the friction member, When the welding conditions have been fulfilled with regard to the edges of the material strip, the friction members gradually decrease in depth, which produces a gradual withdrawal of the knife, while at the same time the thread is modified so as to push back the edges and bring them together under the welding pressure,
which takes place just below the cutting edges of the knife, without allowing the access of air which would interfere with the progress of the welding. This reduction of the friction members continues until they are finally erased in the external annular tool, the welding then affecting the entire thickness of the wall.
In this example it is preva. (as shown) downstream of the friction welding member, a separate ring tool 48, rotatably driven by a suitable gear 49. This additional ring tool may be required (depending on the welding properties). by friction and the other properties of the material used) in view of the additional working of the material, in order to give the welding its full resistance if this is not already the case due to the treatment by the tool friction welding.
Alternatively, or in addition, the additional annular tool may be required to advance the tube or pipe shaped on the mandrel, or to exert some resistance in order to maintain axial back pressure on the welding tool. by friction, In view of these results, this additional annular tool is provided with an internal thread 50 which is designed with a view to one and (or) of the other of the above-mentioned results.
In fact, there may be advantage, both from the point of view of exerting additional pressure across the welds and from the point of view of the working of the material and the point of view of neutralization of the material. torque exerted by the friction welding tool on the pipe itself, to rotate this additional tool in the opposite direction of the direction of rotation of the friction welding tool
Due to the fact that the speed of friction between the friction members 45 and the edges of the strip of material 41 is necessarily limited by the speed of the winding mechanism of this strip, which speed may be insufficient with certain materials for produce the heat which is necessary for - 'friction welding,
or may require too great a length from the annular tool 42 to achieve this result, which would imply too long a lapse of time for the uncertain penetration of heat into the strip, it is a working and preheating band for the band is provided, as shown in FIGS. 10 and 11. This set comprises a shaft 52 mounted to rotate at 53 and on which the band 41 passes between the end pieces 54 with axial mobility, which are subjected to the adjustable spring load 55.
On the shaft 52 is mounted, between the end pieces just mentioned, a helical sheet 56 of metal or other suitable material, under conditions such that this sheet can rotate.
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with the shaft but is movable axially with respect to it, which has the effect of separating the edges which must be welded from the strip 41.
Since the frictional effect increases with the relative frictional speed and with the pressure (which in this case includes the dynamic pressure due to the Coriolis acceleration), the preheating crew is preferably driven by a rotation in the direction opposite to that of the movement of the strip in the annular friction welding tool. If under these conditions v1 denotes the average circumferential speed of the movement of the strip, and v2 that of the rotating walls, the friction speed relative is represented by the formula (v1 + v2), and if v2 is not limited by any of the factors which limit the value of v1, this speed can be made very high in order to ensure preheating. from the edges of the strip to be welded to a stage close to that at which it begins to melt,
the process going very quickly. When the preheating has reached this stage, the annular friction welding tool can complete the welding operation very quickly and therefore can have a shorter length to a corresponding extent. The pressure, which is the other factor important, can be adjusted by the spring to aid rapid preheating.
The preheating apparatus shown further provides a certain degree of stretching and elongation of the web itself, since it rotates in the opposite direction to the movement of the web, and it can do this work very efficiently since 'he acts under pressure.
In addition, depending on the properties of the material used, and which can sometimes not be very easily pliable, this pre-heating equipment can fulfill the very important function of imparting to the strip of material the curvature required for the get into the heater by friction. For this purpose, the shaft 52 may have a cross section gradually decreasing, its largest diameter corresponding to the inlet end of the strip and its smallest diameter to its outlet end. With a view to the same result, several preheating devices can also be provided.
The preheated strip is guided to the welding device in channel 58, the walls of which can be thermally insulated or even heated to maintain the temperature produced in the edges of the strip which are to be welded.
The construction of the preheater shown is intended for a material requiring relatively high high speed friction to ensure effective preheating. In many cases, however, a very simplified device consisting essentially of two friction discs subjected to the spring load and driven in rotation at high speed, between which the strip of material passes, would be sufficient.
This simplified embodiment is described in what follows with regard to the example of an apparatus for friction welding.
This example represents an embodiment of the method and of the apparatus as provided for by the invention, but is presented in different ways, namely:
A) In the friction welding device, the strips of material are worked and integrated differentially with respect to strip elements of thickness 4 R (see elements # R1, # R2, # R3 shown schematically as d 'examples) since, as a result of the gradual withdrawal of the friction members 45, the working and welding of the material occurs on these elementary bands having a thickness # R with the integration.
This is completed by a more accentuated work, if cella
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is necessary, in the device placed downstream and comprising the rotary annular tool 49.
B) Considering from another aspect the work carried out by the apparatus, it divides the strip or strips of material having originally an indefinite length into elements having a unit length 2 # R by winding them on the mandrel (R being the average radius of the strip of material when it is wound). These elements are helically drawn and worked by compression by the tightening thread of the rotary annular tool, while having been and still being helically oriented and they are finally integrated by welding into the tube or pipe below. pressure according to the method and apparatus provided for by the invention.
C) If we consider the preheating device and the welding device in combination for implementing the method provided for by the invention, we see that this preheating device already differentiates the strip of originally indefinite length into elements. having a unit length equal to 2 #. R and works them individually under compression.
This function is particularly important if, in the case of a strip of material having a certain stiffness., The bending must be carried out gradually by winding the strip on a preheating device shaft, the cross section of which is gradually decreases from a rather large diameter to the required diameter o The bands are then individually worked under pressure, thick oriented and finally integrated by friction welding into the welding device, by the process and apparatus here planned, the integration also proceeding by elements designated by R. d #.
The embodiment of the invention including friction welding can, under certain circumstances, have considerable advantages over other embodiments. In fact, in friction welding, only the effective edges to be welded are heated, it follows that the production speed is not limited by other factors; such as delays occurring in cooling or solidification, and factors such as possible shrinkage, distortion and the like with temperature change need not be taken into account.
In addition, with the method of manufacturing tubes or pipes from a strip of material, there is no limitation on the diameter of the. tube or pipe, the rotating tool being capable of being established in several sections, or, alternatively, not needing to be constituted by a complete ring in order to be an external member capable of filling the required functions of the friction heater.
If the process is applied to the production of tubes or pipes formed from several layers of material starting from a strip, each layer then being produced individually and being wound in such a way as to resist the forces which occur in one or more directions. In particular, pipes with a very high resistance to the amount of material employed can be produced by the method and apparatus provided for by the invention.
In Figures 12 and 13, there is shown another embodiment of the apparatus shown in Figures 10 and 11, but which is designed for the manufacture of tubes or pipes formed of two layers constituted by a preformed strip of material according to the invention. The apparatus of the present example can be designed, of course, to produce any desired number of layers from the web of material, with different helical orientations of the web.
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stretched, in order to withstand most effectively the various combinations of forces which occur, or to form assemblies which are resistant to fluctuations in the load in the case of various types of loads.
In Figures 12 and 13, the pre-formed and drawn strip of material 61 is wound onto the mandrel 60 by the annular tool 63 which is. mounted and actuated by a suitable device 64 in the form of a gear. The backing plate 65 subjected to the load of an adjustable spring 66 exerts an axial pressure on the strip as it enters the annular tool.
The friction members 67, metallic or otherwise, are placed in the net 68, substantially as described in connection with the previous example, except that, in this case, the net has two origins and that it is by therefore provided a helical friction member also having two origins. In this case, the thread is designed so that its radial depth, its pitch, the diameter of its pitch circle and its profile shape vary in the length direction of the ring tool according to the properties. the plastic material and various other factors, the friction knives being gradually released.
Downstream of the annular welding tool is mounted an annular transport tool 69 also participating in the work, which is rotatably mounted on an axis 70 and which is driven by a suitable device such as the gear 71. Its thread 72, of which one or more of the characteristics of radial pitch depth, diameter, pitch circle and profile shape vary along its length, is designed to fulfill either of the combinations required for the results indicated below.
(a) To work the material, especially through welds if this is necessary to bring them to their full strength and if, due to the nature of the plastic material and the process, this has not been obtained by the previous annular tool.
(b) To assist in routing layer 74 of the tube or pipe formed in the apparatus to the greatest extent possible despite the frictional resistance of the mandrel.
(c) If necessary, to generate an axial back pressure capable of maintaining the pressure in the ring weld tool 63.
(d) To neutralize the torque exerted on the pipe by the effect of the rotary welding tool 63.
-To allow the accomplishment of one or the other or more of the functions which have just been indicated, this annular tool can turn in the opposite direction to the direction of rotation of the annular welding tool and it can have a helical thread at an angle with the helical thread of the ring tool.
Downstream of this device is a corresponding coiling and friction welding tool for applying a second layer to the first layer which now acts as a mandrel. The annular tool is substantially similar to the first device. The same reference numbers therefore designate the same members. It can be followed by a similar working and transport tool, which is not shown here.
The differences with the first welding device lie in the design of the thread which in most cases will produce a different helical strip in the second layer and which can wind the strip of material in the opposite direction to resist some kind of pressure. different effort. According to a structural difference with respect to the first element, the first helical turn
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The blade of the friction-acting strip is folded back in the axial direction forming a friction sheet 73 which produces friction between the two layers (coming into contact with them) under the pressure produced by the contour of the thread of the screw and -which gradually decreases in section to form a ridge after a sufficient length of rubbing surface has brought the edges to a condition suitable for efficient welding.
It will be appreciated that by virtue of this particular construction, the preheating and pre-working device shown by the example shown in Figures 10 and 11 can be used in general. If the material requires less preheating, an enhanced version of a preheating device essentially comprises two friction discs subjected to the load of springs and driven in a rotation at high speed, these discs being mounted directly on the canceling tool so that the strip of material passes between them a little before winding up on the mandrel, which is sufficient. This crew is represented by 76 in Figure 13.
The partially cut away section of the tube or pipe wall shown in Figure 12 shows the bands 74 and 75 forming the respective inner and outer layers oriented at an angle to each other, the helicoids then being in opposite directions of rotation.
With regard to the friction welding of the strip belonging to the outer layer to the inner layer, it can be seen that the inner surface of the outer layer is subjected to preliminary heating by the preheating device shown in FIG. 10 by as a result of its contact with the rotary shaft of this device, this preliminary heating being just equal to that which is imparted to the lateral edges given that the relative speed of friction is high and that the radial pressure between the strip and the arb e is important in all cases because of the great tension Se # #. . The outer surface of the inner layer is of course fully preheated as a result of the work performed by the support tool.
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dageTBt 'the tool placed downstream.
In this way, in such a tube or pipe formed of two layers or of a greater number of layers and produced by the apparatus as provided for by the invention:
1) Not only the side edges of the bands, but also the inner and outer edges of these bands 'are friction welded' - to their adjacent bandero
2) A more important factor from the point of view of the cohesion between the two layers of material, is obtained by the tension by winding the bands under a total tension S. e / u (# 1 + # 2), S denoting the tension initial, # 1 the total angle of passage through the preheater and 02 the total contact angle of the web in the welding tool.
It is-. git @ the sum (integral) of the continuous differential increases in voltage (and therefore radial pressure) S.e / u d during the entire passage of the web through the preheater and the welding tool. This provides a pre-tension load which acts on the outer layer, and a pre-compressive load which acts on the inner layer, the radial pressure corresponding to this relative tension.
This results in a considerable increase in the mutual adhesion between the two layers of material and also between the side edges of the adjacent layers beyond that produced by the soldering.
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3) Since the bands which are in adjacent layers cross at an angle (between 0 and 180), a further increase in cohesion in all directions is obtained (both in the axial direction than in the radial direction) beyond the increase in cohesion which is described under point (2) above.
4) The factors described in the three points indicated above result in a considerable increase in the resistance of the tube or pipe vis-à-vis the loads which weigh on it and, due to the different orientations of the reinforced bands helically wound that are in the different layers, this resistance is manifested in all directions.
This shows the considerable advantages of a tube or pipe formed of at least two layers of material, as described above, compared to a pipe or pipe having the same wall thickness but formed of only one layer of material. strip having the same thickness as the two layers of the first tube or pipe, without counting of course the improvement represented by the tube or pipe formed from a single layer of material but consisting of the strip of material in question by comparison with a tube or pipe manufactured by conventional methods.
In FIG. 14 is shown an exemplary embodiment of the apparatus as provided for by the invention, serving to stretch under pressure circumferentially (and also axially if necessary) a layer entering into the constitution of a tube or pipe.
In this figure 14, the mandrel 80 is provided with an expansion section or part 82 terminating in a stronger cylindrical section.
83, the latter being surrounded by a sleeve 64 rotatably mounted at 85 and driven by a gear 86, this sleeve internally having a slightly pronounced helical rib 87 starting from a shallow radial depth and increasing to the point of view of the diameter of its pitch circle as well as from the point of view of its pitch in the direction of its length, in order to transport the layer of material 88 through the apparatus, to work and to lengthen this layer of material circumferentially (and as a result of the increase in pitch axially) under pressure, these elongations being integrals of continuously produced differential elongations.
The apparatus thus constituted can be combined with any of the devices described or with a conventional device in order to reinforce tubes or pipes or layers of material entering into their constitution, especially when it comes to the manufacture of tubescou pipes formed of multiple layers.
In Figures 15 and 16 is shown an apparatus according to the invention for reinforcing a tube or pipe of a plastic or other material in the plastic state by means of a more resistant material. in the form of a strip, of a wire, of a cord or in a similar form. This apparatus is an adaptation of the apparatus constituting the first embodiment of the invention which has been described with reference to the figures 1 to 6; it differs from it in that the thread is in the rotating outer sleeve, while the mandrel does not turn, and furthermore in that in its deepest section the thread does not penetrate the wall of the tube outpauiujusor mandrel, but only to a depth at which the reinforcement should be placed.
The apparatus can be used independently or in the form of a mechanical accessory mounted on the machines for manufacturing tubes or pipes, for example according to the first embodiment, or else
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also in the form of an accessory adaptable to any apparatus for manufacturing tubes or pipes, for example in the form of an extrusion device.
In Figures 15 and 16, 93 denotes a cylindrical mandrel on which moves a tube or pipe blank 92 from an extrusion device 91; 94 designates an annular rotary tool in which the helical thread 98 with four origins starts without a projection from the cylindrical surface 97 'formed at the entry, gradually increasing in radial depth in the section of expansion "A", on both sides of the original cylindrical surface, in order to shape by kneading the grooves 98 which go gradually deepening into the still plastic pipe blank 92, and to push the plastic material back displaced, layer by layer in the helical ridges of increasing depth 100 which separate the grooves 99.
During this operation, the material is detached by successive thin layers and stacked layer by layer to form the ribs or ridges, while being heated (if necessary) by the heating device ± -109 while being worked under forces of increased compression which vary in direction and intensity according to the different shapes of the helical threads through which the plastic material passes, as has already been explained with regard to Figures 6.
At the height of the deepest indentation 101, the reinforcement 102, which is only drawn schematically, is introduced through a channel 104 under uniform tension and according to the precise position which is imposed by the configuration of the reinforcement by. guidance equipment 105-106.
In section B of the tool which follows on from the previous one, the helical thread 98 exhibits a gradual feathering from both sides to the cylindrical end surface 97. As a result, the material which, in section A, has been peeled away layer by layer to form the grooves 99, has been stacked to form the ridges 100, and has undergone compression work, is unwound layer by layer and under increasing pressure and temperature in section B, in order to ensure a uniform satisfactory bond with the reinforcement 102 and to achieve a perfect seal above the reinforcement, the gasket being constituted by a plastic material homogenized and reinforced as has already been described in connection with the figures. 1 to 6, weakening points,
which would otherwise adversely affect the overall strength of the tube or pipe, having been removed from the plastic subjected to treatment.
In Figure 17 is shown an apparatus also in accordance with the invention and allowing the manufacture of a tube or reinforced pipe in plastic material, or more generally in any material in the plastic state in the form of a preformed strip combined with a reinforcement wound with this tape, this apparatus being an adaptation of the second embodiment of the object of the invention which has already been described with reference to FIGS. 7, 8 and 9. The construction and the operation of the device is understood by referring to the description of Figure 7. Like reference numerals denote like members.
The difference here resides in the introduction by the winding mechanism of the reinforcement 111 at the same time as the re-shaped strip of material is wound up, this strip being shaped, for example along the straight section recalling the shape. of a Z which is shown, so as to receive the reinforcement in a cavity formed between the adjacent strips.
In figure 18 is shown another example of a strip of preformed material in which the reinforcement is already located, which has been introduced into this strip by a process similar to that used for the manufacture of sheathed cables, and which is then trans-
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formed to give rise to the reinforced tube or pipe starting from a helical strip at one or more origins.
It is understood that tubes or pipes comprising several layers formed of helicoids with different orientations so as to withstand different types of forces can be manufactured according to the invention by providing a number of elements equal to that of the layers of material in order to wind additional layers over the previous layers, acting as a mandrel. It is also possible to manufacture tubes or pipes formed of layers of material: some of which are reinforced while others are layers made more resistant by the apparatus provided in Examples 7 to 14.
It should be understood that the foregoing description has been given only by way of example and that numerous other exemplary embodiments are suitable without departing from the invention, the details of operation being capable of being modified. in the field of technical equivalences.
CLAIMS
1. Method of manufacturing tubes, pipes and other objects starting from a plastic material or another material in the plastic state according to the principle of differentiation and integration consisting in differentiating elements of the mass of the material, to work said mass in the differentiated form (elements) under pressure, and to integrate the elements thus worked according to the required orientation while continuing to work the material.
2. Process for the continuous manufacture of tubes, pipes or other articles from a plastics material or other material in the plastic state, consisting in working individually under pressure elements such as layers or parts of bands or threads or cords of said material, and to combine said elements under pressure in substantially similar orientations.