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La présente invention est relative à des procédés pour souder l'aluminium à l'aluminium, ou l'aluminium à d'autres métaux , aux joints ainsi produits et aux matériaux de soudage contenant pour être utilisés dans ces procédés',
Le soudage de l'aluminium diffère du soudage de beaucoup de métaux ordinaires tels que le cuivre, en ce que l'aluminium forme un oxyde réfractaire plus tenace. Comme dans le soudage d'autres métaux habituels, puisqu'un bon joint de soudure ne peut' être fait à un revêtement d'oxyde, il est nécessaire d'abord d'enlever ce revêtement.
Dans le cas de cuivre, on enlève facilement ce revêtement en utilisant un quelconque des nombreux flux disponibles dans le commerce, dont beaucoup ne sont pas corrosifs ou ne sont que modérément corrosifs, en sorte que leur enlèvement ne pose pas de problème sérieux.
L'enlèvement de,l'oxyde d'aluminium dans la prépara- tion de l'aluminium pour le soudage nécessite pourtant un flux beaucoup plus actif , spécialement lorsqu'on fait usage des soudures à point de fusion plus élevé utilisé habituelle- ment avec l'aluminium. Un tel flux peut contenir un chlorure ou un fluorure d'un métal lourd.
Bien que de tels flux soient modérément efficaces pour l'enlèvement d'oxyde d'aluminium, une réaction subséquenJ te avecl'aluminium métallique s'accompagne de la formation de quantités copieuses de chlorure d'aluminium ou de fluorure d'aluminium qui sont extrêmement nuisibles et qu'il faut as- pirer.
La difficulté de former un joint de soudure avec l'aluminium a entraîné des études considérables dans cette technique et on a développé beaucoup de techniques et de compo,.
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-sitions de soudage. En général, .Ces compositions de soudage utilisées dans ces techniques peuvent se diviser en trois groupes : les soudures dites à basse température fondant en dessous de 500 F représentées par l'eutectique étain-zinc, les soudures à point de fusion intermédiaire fondant entre
500 et 720 F représentées par la composition de 70 parties d'étain pour 30 parties de zinc, et les soudures à haut point de fusion fondant au-dessus de 720 F , contenant géné- ralment 90% ou plus de zinc pur et de petites quantités de -- certains éléments d'alliages désignés pour abaisser le point de fusion et améliorer les caractéristiques d'écoule- ment.
En général, les joints de oudure à l'aluminium, pour être raisonnablement résistant à la corrosion, doivent être faits avec l'une des soudures à température élevée. Malheureu- sement, des soudures de ce groupe nécessitent l'emploi de - flux de sels métalliques corrosifs dont il a été question plus haut.
Comme on reconnaissait la difficulté dans l'emploi des flux corrosifs et les effets délétères des résidus qui empêchaient l'usage de ces soudures à point de fusion élevé spécialement dans le soudage de matières minces, quelque publicité a été faite au procédé sans flux connu sous le nom de soudage ultra-sonique.
Suivant ce procédé, la cavitation produite dans un bain de soudure entre la pointe d'un fer ul- tra sonique et la surface d'aluminium qu'on soude brise l'oxyde et permet à la soudure de mouiller l'aluminium. Bien que l'on ait espéré que ce procédé viendrait à bout des dif- ficultés du soudage avec flux ordinaire, la limitation de l'action de mouillage à la zone située sous la pointe du fer, de fréquents ponts de régions non fouillées donnant l'appa- rence d'une surface complètement étamée, et le manque de con fiance que l'on pouvait donner au joint ainsi produit ainsi
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que des frais initiaux élevés pour acheter l'appareillage nécessaire ont empêché cette méthode de prendre de l'extension
Par, la pratique de la présente inention,
on peut produire de manière simple et sure, sans utiliser un appa- reillage spécial, des soudure solidesde l'aluminium à l'alu- nium, ou de l'aluminium à un autre métal avec des joints ay- ant une résistance à la traction comparable à celle des matières jointes ou la dépassant. Les procédés ici décrits utilisent tous des matières de joint qui sont soit des sou- dures à haut point de fusion bien connues ou qui sont des compositions qu'on n'utilisait pas jusqu'à présent dans la formation de joints de soudure mais qui sont néanmoins classées convenablement comme soudures à point de fusion élevé.
L'excellente résistance à la corrosion des matières de soudage utilisées'dans les présents procédés sont bien connues des spécialistes du soudage et des techniques de travail des métaux qui s'y rapportent. le procédas suivant nt la présenteinvention ne nécessitE/PAS l'usage d'une matière de flux quelconque et sont en fait généralement gênés par l'emploi d'un tel agent. Par conséquent, l'enlèvement des fumées formées pendant le soudage et l'enlèvement d'un résidu corrosif sont supprimés. Ces procédés conviennent pour l'usa- ge du soudage , aussi bien de grandes pièces que de petits détails.
En général, des joints produits par ces procédés sont satisfaisants chaque fois que la résistance mécanique et la résistance à la corrosion de l'aluminium ou d'un allia- ge d'aluminium sont convenables.
Suivant les procédés de la présente invention, une pièce d'aluminium à souder est étamée avec une soudure au zinc à haut point de fusion en élevant la température de la . région de l'aluminium qui doit être soudé au point de fusion de la soudure, en tirant ou en frottant doucement la soudur
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solide contre 'la surface ainsi chauffée, la matiére de soudage fondu mouillant ainsi la surface d'aluminium, en faisant flotter la couche d'oxyde à la partie supérieure du corps fondu, et ensuite en agitant ou en puddant le corps fondu de la soudure en sorte de disperser la couche d'oxyde en même temps que tout oxyde supplémentaire flottant à sa sur- . face.
On peut permettre alors au corps d'aluminium de se re- froidir. Une pièce de matière première ainsi étamée peut être soudée à un autre corps d'aluminium qui a été traité de cette manière ou à un corps de tout autre métal par l'emploi, dans le cas d'une soudure aluminium à aluminium, de la même matiè- re de soudage ou, dans ce dernier cas, en utilisant toute soudure ordinaire qui mouille le second m(tal.Comme les matières de soudage utilisées ici sont rendues fondues seu- lement à des températures dépassant environ 720 F.
ces procé- dés ne se prêtent pas facilement à l'emploi d'un fer à souder mais sont exécutés aisément en utilisant une flamme de gaz telle qu'une flamme de propane, d'acétylène ou une torche oxhy- drique.
Les dessins annexés montrent les étapes du procédé utilisé en produisant une surface étamée d'un joint de soudure suivant les procédés de l'invention.
La figure 1 est une vue en perspective d'un corps d'aluminium à étamer; - la figure 2 est une vue en perspective d'une barre de matière de soudage en contact avec ce corps; - la figure 3 est une vue en perspective en partie en coupe d'une phase intermédiaire d'un procédé de l'invention dans lequel un corps fondu de cette matière a mouillé la surfa. ce de l'aluminium et a écarté par .flottement une couche dtoxy- de d'aluminium; - la figure 4 est une vue es plan de la phase inter.
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médiaire de la figure 3 ; - la figure 5 est une coupe transversale d'un tel corps d'aluminium montrant la barre de soudure au contact, une région fondue de cette soudure mouillant la surface de l'aluminium et une couche d'oxyde d'aluminium flottant sur la région fondue;
- la figure 6 est une vue en perspective montrant l'opération de puddlage par laquelle la couche d'oxyde d'alù- de minium ainsi que/tout oxyde de soudure est/dispersée, mettant ainsi à nu la région de la soudure, et- - la figure 7 est une vue en perspective/mentrant la formation d'un joint en té faite à une surface d'alumi- nium ainsi étamée.
En se reportant encore aux figures, le corps de matière 1 montré à là figure 1 est un corps d'aluminium pur ou d'un alliage où cette matière domine tel que par exemple un quelconque des alliages portant des numéros de désignation d'alliage de l'Association pour l'Aluminium (voir"Alloy
Designation System for Wrought Aluminum" Juillet 1954
The aluminum Association, 420 Lexington Avenue, N.Y., N.Y.)
Des exemples sont les numéros 1100, 2024, 5052, 6063, 7072 et 2017.
Les procédés de l'invention sont précieux pour la formation de joints à de l'aluminium et à des alliages d'au- luminium contenant 85% ou plus d'aluminium en poids. Ceci semble se rapporter à tous les alliages commerciaux générale- ment indiqués sous le nom de "Alliages d'aluminium!!. L'usage du mot "aluminium" ici est destiné à comprendre ces alliages.
La figur 2 montre une barre 2 de soudure à' haut point de fusion contenant du zinc telle que par exemple l'alliage de coulée connu sous le nom de "Zamak-3". en contact avec le corps d'aluminium 1.
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A la figure 3, la flamme de gaz 3 qui peut être par
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exemple o,h:Ydrlqu ,émanant de la torche à chauffé la surfa- ce 5 supérieure du corps 1 au point de fusion du corps de soudure
2 en sorte de produire la formation de la région fondue 5 de la composition de soudage. Comme montré à cette figure, les conditions thermiques et la légère pression appliquée sont telles qu'il en résulte qu'une surface solide 6 de la barre de soudure 2 est en contact avec la surface supérieure du corps d'aluminium 1. Dans ces conditions, la région fondue
5 mouille la matière d'aluminium de la barre 1, éliminant ain si la couche flottante d'oxyde d'aluminium 7 de la surface supérieure du corps 1.
Suivant la vue en plan de la figure 4, qui est une vue de la même phase d'opération que montrée à la figure 3, on voit que la région 5 de soudure fondue s'est étendue laté- 'paiement au dela des limites de la surface supérieure du corpd
1 touchée à tout moment par la barre de soudure 2 en sorte que l'aire mouillée dépasse l'aire qui était en contact avec la matière solide de la barre 2. Une certaine partie de l'oxyde d'aluminium a été tirée le long de la surface de la région de soudure 5 par la barre 2. Pour la simplicité, le moyen de chauffage n'a pas été représenté dans cette vue.
La figure 5 est une vue en coupe de la phase de l'opération montrée à la figure 4. Suivant cette vue, une couche d'oxyde 7, exagérée en épaisseur, est montrée comme comprenant en dessous d'elle la région fondue 5 qui mouille le corps d'aluminium 1. On voit aussi la barre de soudure 2, la flamme de gaz 3 et le moyen de chauffage 4.
La figure 6 montre une opération de puddlage dans laquelle le revêtement d'oxyde 7 est en train de se casser et d'être dispersé sur la surface de la soudure fondue 5 @
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qui mouille le corps d'alumini1!mi 1, 'l'0tJIJ, oJt-saaES'
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formé est également dispersé par cette opération. L'opération de puddlage est exécutée avec la pièce 8 qui peut être la barre'de soudure, une pièce de bois ou tout autre matière qui n'introduit pas dans la soudure des impuretés indésira- bles. Les matières désirables à ce point de vue ressortiront avec évidence de la discussion des limites désirables de l'im- pureté de la matière de soudure comme exposé dans cette des- cription.
Suivant les dimensions et le contenu calorifique ducorps de soudure ?, il peut être désirable de maintenir la surface du corps d'aluminium 1 à l'état chauffé en utilisant un moyen de chauffage tel que la torche 4 montrée à la, vue précédente. Le puddlage est une opération très rapide et peut être réalisé simplement en tirant un outil de puddlage : tel que la pièce 8 , à travers la surface supérieure de la soudure fendue. Tout 'ce qui est nécessaire, c'est de briser la couche d'oxyde 7. Il n'est pas nécessaire que cette couche soit enlevée complètement.
Après l'opération de puddlage de la figure 6, le corps d'aluminium 1 est étamé et on peut y faire un joint de soudure par l'emploi de toute soudure connue pour mouiller le second corps de métal à y fixer. Lorsque, le second corps est de l'aluminium ou un alliage contenant de l'aluminium, ou si c'est un alliage contenant surtout du zinc ou un corps revêtu de zinc, tel qu'un corps galvanisé, la soudure de joint est de préférence l'une des compositions de la présente invention.
A la figure 7, on a montré l'étape finale du procédé pour faire un joint en té entre un corps d'alwni.. nium étamé, tel qu'un corps 1 montré placé horizontalement, et une seconde pièce telle que la pièce 9 qui peut être aussi , un corps d'aluminium. Dans l'étape montrée, des raccorde- ments 10 d'une composition de soudure à haut point de fusion-
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dont question ici ont été produits entre les corps 1 et 9 en utilisant une barre de soudure' 11 qu'on montre tirée en travers des surfaces contiguës des corps 1 et 9, lesquelles surfaces sont maintenues au point de fusion de la matière de soudure de la barre 11 en utilisant une torche à gaz 4 pro- duisantla flamme 3.
En formant un joint en té, tel que celui montré à la figure 7, il est généralement préférable d'étamer d'abord le corps 9. Si le corps 9 est une matière contenant de l'alu- minium, les opérations d'étamage sont identiques à celles montrées aux figures 1 à 6. Si l'on utilise quelqu'autre matière, l'étamage est exécuté de la manière prescrite par les conventions de la technique.
Bien qu'il soit généralement préférable d'étamer ainsi la pièce verticale 9 avant de la réunir à l'autre comme montré à la figure 7, on peut se dispenser de cette étape si l'on¯a pris soin initialement de promener la barre de soudure 11 en travers de la surface verticale la plus basse de la pièce 9 à réunir, permettant ains. à la couche d'oxyde de flotter à la partie supérieure du raccordement.
Si l'on ne prend pas cette précaution, en sorte que le mouillage initial de la surface verticale du corps .- à réunir se produit à une distance sensible de la surface horizontale contiguë de la pièce 1, il est possible qu'un peu d'oxyde soit emprisonné sous la partie inférieure du raccordement, affaiblissant ainsi le joint. a titre d'autres exemples, on donne ci-après des données expérimentales relatives à la résistance à la traction de joints en té préparés sur un certain nombre d'alliages d'a- luminium et utilisant trois compositions de soudage suivant
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l'invetitioit.--Le"prôcessus suivi dans tous les exemples était le même. Les deux pièces ont été étamées de la manière décrire
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dans la description des figures 1 à. 7.
Dans chacun des exemples, la pièce horizontale correspondant au corps 1 des figures est dont question ici comme "corps" du joint était une feuille de matière de dimensions 2,54 cm sur 5,08 cm sur 0,152 cm d'épaisseur. La dimension de 5,08 cm était parallè- le au joint. La pièce verticale correspondant au corps 9 de la figure 7 avait les dimensions de 10,16 cm x 2,54 cm x 0,081 cm d'épaisseur avec la plus petite dimension parallèle au joint.
La pièce verticale est dite ici "tige". La région étamée du corps avait environ 0,95 cm sur 3,le cm. La tige était éta- niée aux deux surfaces verticales parallèles au joint à.une hauteur de 0,16 cm à 0,32 cm au-dessus de l'extrémité butant contre le corps. Une dimension plus grande de matière était utilisée pour la pièce du corps en sorte d'empêcher un cisail lement en dessous du joint qui aurait rendu les données d'essai de peu de signification. Les données présentées dans chacun des exemples sont des moyennes.de ces données mesurées sur six échantillons préparés de la même manière.
En répro- duisant les exemple, on s'est référé à trois désignations d'aluminium bien connues de là Association de l'Aluminium.
Par commodité, les ingrédients intervenant dans ces alliages sont mis en tableau :
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<tb> Alliages <SEP> Ingrédients
<tb>
<tb>
<tb> 1.100 <SEP> 99,0 <SEP> % <SEP> A1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2.024 <SEP> 4,5 <SEP> % <SEP> Cu
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1,5% <SEP> mG
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,6 <SEP> % <SEP> Mn <SEP>
<tb>
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<tb> Bal. <SEP> Al <SEP>
<tb>
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<tb> 5.052 <SEP> 2,5% <SEP> mG
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> 0,25 <SEP> % <SEP> cR
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bal.Al
<tb>
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La tension de rupture à la traction des trois alliages dans l'ordre,présenté dans le tableau est de 17.700, de 64.500 et de 35.900 livres par pouce carré.
Par suite, la tension de rupture à la traction d'une section transversale de 2,54 cm sur 0,08 cm des mêmes alliages correspondant à l'aire d'aboutement de la tige des joints est de 546. 2066 et 1150 livres. Comme on peut s'y attendre, on remarquera des exemples que le traitement à la chaleur venant du procès' sus de soudure a pour effet un certain affaiblissement de la mat ière .
EXEMPLE 1. -
Un joint en té a été fait comme ci-dessus en uti- lisant un matériau de coulée désigné sous le nom de "Zamak 3" .comme matière de soudure et de l'aluminium 1100. La composi- tion du"Zamak 3" est donnée plus bas. Les raccordements résul- tants étaient uniformes et réguliers et de dimensions d'en- viron 0,32 cm verticalement et 0,48 cm horizontalement. Lors- qu'on la soumettait à la fatigue de traction, la tige se brisait dans une région limitée par le haut du raccordement et une hauteur supplémentaire d'environ 1,27 cm sous une fati- gue appliquée de 370 livres.
EXEMPLE 2. -
Un joint en té a été fait en utilisant du "Zamak 3' et de l'aluminium 2024. Les dimensions de raccordement étaient les mêmes qu'à l'exemple 1. Trois de ces joints se brisèrent à travers les raccordements et trois se brisèrent dans la ma- tière de la tige immédiatement au-dessus des raccordementn.
La séparation se produisait pour une charge appliquée de 1250 livres.
ESEMPELE 3. -
Deux morceaux d'aluminium d'aluminium 5052 étaient soudés en utilisant du "Zamak 3". Le specimen s'est-
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brisé à une distance de 0,32 cm au-dessus des raccordements.
La charge de rupture était 870 livres. Les dimensions du raccordement étaient les mêmes que dans les exemples précé- dents.
EXEMPLE 4.- à
Deux pièces d'aluminium 1100 étaient soudées ensem- ble en utilisant de la soudure de zinc à 4% d'aluminium Le specimen s'est rompu immédiatement au-desus du joint sous une charge appliquée de 390 livres. Les dimensions de raccor- dement étaient les mêmes que ci-dessus.
EXEMPLE 5.-
Un joint de zinc à 4% d'aluminium était fait entre deux pièces d'aluminium 2024. Le specimen s'est rompu immédia- tement au-dessus du joint sous une charge appliquée de 1220 @ ' livres. Les dimensions de raccordement et l'aspect étaient: comme ci-dessus.
EXEMPLE 6.-
Deux pièces d'aluminium 2024 étaient d'abord éta- mées avec du "Zamak 3" après quoi les surfaces étamées étaient réunies en utilisant une soudure à 60 parties d'étain et 40 parties de plomb. La soudure étain-plomb mouillait facilement les surfaces revêtues de "Zamak"3" pour produire un joint en té ayant une apparence et des dimensions de raccordement com- me dans les exemples précédents. Tous les six specimens préparés de cette manière se séparèrent au joint sous une charge moyenne de 410 livres.
EXEMPLE 7.-
Un joint a été fait entre deux pièces d'aluminium 2024 en utilisant du zinc à 4% de magnésium. L'apparence et les dimensions des raccordements étaient comme ci-dessus.
La séparation s'est produite à travers le joint sous une char- ge appliquée de 1000 livres.
Beaucoup de compositions de soudage sont utilisables
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dans la pratique de l'invention. Toutes ces compositions de soudage contiennent au moins 90% de zinc et peuvent en outre contenir de petites quantités d'autres ingrédients ajou- tés pour améliorer lespropriétés de manipulation de la soudu- re, sa résistance mécanique et la résistance à la corrosion du joint résistant. Comme il est bien connu dans les techni- ques des travaux métalliques, les propriétés du zinc et des alliages où le zinc est en proportion prédominante, peuvent être sérieusement affectées par l'inclusion de quantités relativement petites de certaines impuretés.
Par exemple, des matières telles que le plomb, l'étain et le cadmium Ont'pour effet de promouvoir une corrosion intergranulaire.
Les limites d'impureté tolérables d'un tel point de vue sont bien connues des spécialistes de la coulée et ces limites ne seront pas données ici.
Pour le but de l'invention, on préfère que le zinc inclus dans l'une des compositions de soudage ait une pureté de 99,99%. Une telle matière mise sur le marché par la New Jersey Inc. Cy, est connue comme zinc de pureté spéciale ment élevée (Spécial High. Grade Zinc). On comprendra que les considératbns quant à ces limites des impuretés sont de première importance seulement en ce qui concerne le vieilli sement du joint . Là où, par la nature de l'objectif particu- lier, le vieillissement n'a pas une importance essentielle, les limites d'impureté peuvent être dépassées sans affecter substantiellement la travaillibilité de la soudure ou l'aspe± immédiat ou la résistance du joint de soudure.
Des soudures à titre d'exemple convenant pour l'u- sage dans ces procédés, comprennent du zinc à 99.99% sans ingrédient ajouté, des soudures zinc-aluminium contenant jusqu'à 10% d'aluminium mais de préférence pas plus qu'en- viron 6% d'aluminium, dont des types sont le zinc à 4% d'alu-
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minium des exemples 4 et 5. L'addition de petites quantités de ,magnésium aux matériaux contenant du zinc a un effet stabilisant connu en ralentissant la transformation bêta, la corrosion et le développement. 1 En général, la quantité de cette addition de magnésium ne sera pas plus grande qu'envi- ron 0,2% parce que de plus grandes quantités affectent la @ propriété de travaillibilit de la soudure.
Un exemple d'une telle soudure est le zinc à 0,1% de magnésium de l'exemple 7.
Deux métaux de coulée bien connus à quantité prédo- ' minante de zinc et ayant d'excellentes propriétés. de vieillis- sement sont des matières de soudure préférées pour la. pratique de l'invention. Ces matières sont désignées sous le nom de "Zamak 3" et "Zamak 5". Les. compositions limites de "Zamak 3" 'spécifiées par A.S.T.N. dans la spécifiqation B 86 sont les suivantes : Ingrédients ajoutés Aluminium 3,5 à 4,3% Magnésium 0,03 à 0,08% Impuretés Cuivre 0,1% max.
Plomb 0,007% max.
Cadmium 0,005% max.
Etain 0,005 % max.
Fer 0,100 5 max.
Le reste de la composition est du zinc.
Le "Zamak 5" diffère du "Zamak 3" en ce qu'il contient 1% de cuivre , ce qui est à peu près la solubilité solide du cuivre dans 4 parties d'aluminium-96 de zinc. La composition nominale contient 0,03% de 'magnésium plut8t que 0,04%. Les limites d'impuretés étaient les mêmes.
Des exemples 1, 2 et 3, on voit que les joints de "Zamak 5" sont d'une résistance à la traction généralement
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plus grande que celle des matériaux joints, le joint se sé- parant environ 505 des fois seulement lorsque l'on utilisait un alliage d'alliage d'aluminium de 64,500 psi,
L'invention a été décrite en ce qui concerne la préparation d'un joint en té. Ce joint a été choisi par ce qu'il est considéré généralement le plus difficile à faire des joints ordinaires. Les étapes spécifiques discutées au sujet des figures se rapportent toutes à la fabrication d'un tel joint et peuvent n'être pas directement'applicables à d'autres types de joints.
L'invention n'est pas limitée à la séquence spécifique des étapes montrées ni à la prépara- tion d'un joint en té, ni à la préparation de tout autre joint. Dans un sens large, les procédés de la présenteinven- tion peuvent être considérés comme des procédés d'étamage plutôt que des techniques de soudage puisqu'on a réalisé - seulement le processus d'étamage, la jonction subséquente pouvant être faite de toute manière habituelle et utilisant toute soudure convenable pour la matière à réunir à la surface étamée. Spécifiquement, bien qu'il soit nécessaire pour ces procédés que la couche d'oxyde flottant au sommet du corps fondu de la soudure soit dispersée après la réunion, une pièce de puddlage séparée, telle que celle montrée à la figure 6, peut n'être pas nécessaire.
Par exemple, lorsqu'il faut former un joint en té, ce puddlage peut être réalisé en déplaçant la tige du té en travers de la surface de la sou dure fondue en sorte de produire le même effet.
Bien que la technique ait été décrite spécifique- ment au sujet du contact d'une surface à évamer avec une barre de soudure et du chauffage de la surface à étamer, cette séquence est sans importance pourvu que la surface à étamer soit au point de fusion ou au-dessus du point de fusion de la soudure lorsqu'on promène la soudure solide ou qu'on l'étiré autrement 1 en travers de la surface.