WELDING INSTRUMENTS

VALVES

Tank Valves.--The acetylene tank valve is of the needle type, fitted

with suitable stuffing box nuts and ending in an exposed square shank to

which the special wrench may be fitted when the valve is to be opened or

closed.

The valve used on Linde oxygen cylinders is also a needle type, but of

slightly more complex construction. The body of the valve, which screws

into the top of the cylinder, has an opening below through which the gas

comes from the cylinder, and another opening on the side through which it

issues to the torch line. A needle screws down from above to close this

lower opening. The needle which closes the valve is not connected directly

to the threaded member, but fits loosely into it. The threaded part is

turned by a small hand wheel attached to the upper end. When this hand

wheel is turned to the left, or up, as far as it will go, opening the

valve, a rubber disc is compressed inside of the valve body and this disc

serves to prevent leakage of the gas around the spindle.

The oxygen valve also includes a safety nut having a small hole through it

closed by a fusible metal which melts at 250° Fahrenheit. Melting of this

plug allows the gas to exert its pressure against a thin copper diaphragm,

this diaphragm bursting under the gas pressure and allowing the oxygen to

escape into the air.

The hand wheel and upper end of the valve mechanism are protected during

shipment by a large steel cap which covers them when screwed on to the end

of the cylinder. This cap should always be in place when tanks are received

from the makers or returned to them.

Image Figure 14.--Regulating Valve

Regulating Valves.--While the pressure in the gas containers may be

anything from zero to 1,800 pounds, and will vary as the gas is withdrawn,

the pressure of the gas admitted to the torch must be held steady and at a

definite point. This is accomplished by various forms of automatic

regulating valves, which, while they differ somewhat in details of

construction, all operate on the same principle.

The regulator body (Figure 14) carries a union which attaches to the side

outlet on the oxygen tank valve. The gas passes through this union,

following an opening which leads to a large gauge which registers the

pressure on the oxygen remaining in the tank and also to a very small

opening in the end of a tube. The gas passes through this opening and into

the interior of the regulator body. Inside of the body is a metal or rubber

diaphragm placed so that the pressure of the incoming gas causes it to

bulge slightly. Attached to the diaphragm is a sleeve or an arm tipped

with a small piece of fiber, the fiber being placed so that it is directly

opposite the small hole through which the gas entered the diaphragm

chamber. The slight movement of the diaphragm draws the fiber tightly over

the small opening through which the gas is entering, with the result that

further flow is prevented.

Against the opposite side of the diaphragm is the end of a plunger. This

plunger is pressed against the diaphragm by a coiled spring. The tension on

the coiled spring is controlled by the operator through a threaded spindle

ending in a wing or milled nut on the outside of the regulator body.

Screwing in on the nut causes the tension on the spring to increase, with a

consequent increase of pressure on the side of the diaphragm opposite to

that on which the gas acts. Inasmuch as the gas pressure acted to close the

small gas opening and the spring pressure acts in the opposite direction

from the gas, it will be seen that the spring pressure tends to keep the

valve open.

When the nut is turned way out there is of course, no pressure on the

spring side of the diaphragm and the first gas coming through automatically

closes the opening through which it entered. If now the tension on the

spring be slightly increased, the valve will again open and admit gas until

the pressure of gas within the regulator is just sufficient to overcome the

spring pressure and again close the opening. There will then be a pressure

of gas within the regulator that corresponds to the pressure placed on the

spring by the operator. An opening leads from the regulator interior to the

torch lines so that all gas going to the torches is drawn from the

diaphragm chamber.

Any withdrawal of gas will, of course, lower the pressure of that remaining

inside the regulator. The spring tension, remaining at the point determined

by the operator, will overcome this lessened pressure of the gas, and the

valve will again open and admit enough more gas to bring the pressure back

to the starting point. This action continues as long as the spring tension

remains at this point and as long as any gas is taken from the regulator.

Increasing the spring tension will require a greater gas pressure to close

the valve and the pressure of that in the regulator will be correspondingly

higher.

When the regulator is not being used, the hand nut should be unscrewed

until no tension remains on the spring, thus closing the valve. After the

oxygen tank valve is open, the regulator hand nut is slowly screwed in

until the spring tension is sufficient to give the required pressure in the

torch lines. Another gauge is attached to the regulator so that it

communicates with the interior of the diaphragm chamber, this gauge showing

the gas pressure going to the torch. It is customary to incorporate a

safety valve in the regulator which will blow off at a dangerous pressure.

In regulating valves and tank valves, as well as all other parts with which

the oxygen comes in contact, it is not permissible to use any form of oil

or grease because of danger of ignition and explosion. The mechanism of a

regulator is too delicate to be handled in the ordinary shop and should any

trouble or leakage develop in this part of the equipment it should be sent

to a company familiar with this class of work for the necessary repairs.

Gas must never be admitted to a regulator until the hand nut is all the way

out, because of danger to the regulator itself and to the operator as well.

A regulator can only be properly adjusted when the tank valve and torch

valves are fully opened.

Image Figure 15.--High and Low Pressure Gauges with Regulator

Acetylene regulators are used in connection with tanks of compressed gas.

They are built on exactly the same lines as the oxygen regulating valve and

operate in a similar way. One gauge only, the low pressure indicator, is

used for acetylene regulators, although both high and low pressure may be

used if desired. (See Figure 15.)

TORCHES

Flame is always produced by the combustion of a gas with oxygen and in no

other way. When we burn oil or candles or anything else, the material of

the fuel is first turned to a gas by the heat and is then burned by

combining with the oxygen of the air. If more than a normal supply of air

is forced into the flame, a greater heat and more active burning follows.

If the amount of air, and consequently oxygen, is reduced, the flame

becomes smaller and weaker and the combustion is less rapid. A flame may be

easily extinguished by shutting off all of its air supply.

The oxygen of the combustion only forms one-fifth of the total volume of

air; therefore, if we were to supply pure oxygen in place of air, and in

equal volume, the action would be several times as intense. If the oxygen

is mixed with the fuel gas in the proportion that burns to the very best

advantage, the flame is still further strengthened and still more heat is

developed because of the perfect combustion. The greater the amount of fuel

gas that can be burned in a certain space and within a certain time, the

more heat will be developed from that fuel.

The great amount of heat contained in acetylene gas, greater than that

found in any other gaseous fuel, is used by leading this gas to the

oxy-acetylene torch and there combining it with just the right amount of

oxygen to make a flame of the greatest power and heat than can possibly be

produced by any form of combustion of fuels of this kind. The heat

developed by the flame is about 6300° Fahrenheit and easily melts all the

metals, as well as other solids.

Other gases have been and are now being used in the torch. None of them,

however, produce the heat that acetylene does, and therefore the

oxy-acetylene process has proved the most useful of all. Hydrogen was used

for many years before acetylene was introduced in this field. The

oxy-hydrogen flame develops a heat far below that of oxy-acetylene, namely

4500° Fahrenheit. Coal gas, benzine gas, blaugas and others have also been

used in successful applications, but for the present we will deal

exclusively with the acetylene fuel.

It was only with great difficulty that the obstacles in the way of

successfully using acetylene were overcome by the development of

practicable controlling devices and torches, as well as generators. At

present the oxy-acetylene process is the most universally adaptable, and

probably finds the most widely extended field of usefulness of any welding

process.

The theoretical proportion of the gases for perfect combustion is two and

one-half volumes of oxygen to one of acetylene. In practice this proportion

is one and one-eighth or one and one-quarter volumes of oxygen to one

volume of acetylene, so that the cost is considerably reduced below what it

would be if the theoretical quantity were really necessary, as oxygen costs

much more than acetylene in all cases.

While the heat is so intense as to fuse anything brought into the path of

the flame, it is localized in the small "welding cone" at the torch tip so

that the torch is not at all difficult to handle without special protection

except for the eyes, as already noted. The art of successful welding may be

acquired by any operator of average intelligence within a reasonable time

and with some practice. One trouble met with in the adoption of this

process has been that the operation looks so simple and so easy of

performance that unskilled and unprepared persons have been tempted to try

welding, with results that often caused condemnation of the process, when

the real fault lay entirely with the operator.

The form of torch usually employed is from twelve to twenty-four inches

long and is composed of a handle at one end with tubes leading from this

handle to the "welding head" or torch proper. At or near one end of the

handle are adjustable cocks or valves for allowing the gases to flow into

the torch or to prevent them from doing so. These cocks are often used for

regulating the pressure and amount of gas flowing to the welding head, but

are not always constructed for this purpose and should not be so used when

it is possible to secure pressure adjustment at the regulators (Figure 16).

Figure 16 shows three different sizes of torches. The number 5 torch is

designed especially for jewelers' work and thin sheet steel welding. It is

eleven inches in length and weighs nineteen ounces. The tips for the number

10 torch are interchangeable with the number 5. The number 10 torch is

adapted for general use on light and medium heavy work. It has six tips and

its length is sixteen inches, with a weight of twenty-three ounces.

The number 15 torch is designed for heavy work, being twenty-five inches in

length, permitting the operator to stand away from the heat of the metal

being worked. These heavy tips are in two parts, the oxygen check being

renewable.

Image Figure 16.--Three Sizes of Torches, with Tips

Figures 17 and 18 show two sizes of another welding torch. Still another

type is shown in Figure 19 with four interchangeable tips, the function of

each being as follows:

  No. 1. For heavy castings.

  No. 2. Light castings and heavy sheet metal.

  No. 3. Light sheet metal.

  No. 4. Very light sheet metal and wire.

Image Figure 17.--Cox Welding Torch (No. 1)

Image Figure 18.--Cox Welding Torch (No. 2)

Image Figure 19.--Monarch Welding Torch

At the side of the shut off cock away from the torch handle the gas tubes

end in standard forms of hose nozzles, to which the rubber hose from the

gas supply tanks or generators can be attached. The tubes from the handle

to the head may be entirely separate from each other, or one may be

contained within the other. As a general rule the upper one of two

separate tubes carries the oxygen, while this gas is carried in the inside

tube when they are concentric with each other.

In the welding head is the mixing chamber designed to produce an intimate

mixture of the two gases before they issue from the nozzle to the flame.

The nozzle, or welding tip, of a suitable size are design for the work to

be handled and the pressure of gases being used, is attached to the welding

head and consists essentially of the passage at the outer end of which the

flame appears.

The torch body and tubes are usually made of brass, although copper is

sometimes used. The joint must be very strong, and are usually threaded and

soldered with silver solder. The nozzle proper is made from copper, because

it withstands the heat of the flame better than other less suitable metals.

The torch must be built in such a way that it is not at all liable to come

apart under the influence of high temperatures.

All torches are constructed in such a way that it is impossible for the

gases to mix by any possible chance before they reach the head, and the

amount of gas contained in the head and tip after being mixed is made as

small as possible. In order to prevent the return of the flame through the

acetylene tube under the influence of the high pressure oxygen some form of

back flash preventer is usually incorporated in the torch at or near the

point at which the acetylene enters. This preventer takes the form of some

porous and heat absorbing material, such as aluminum shavings, contained in

a small cavity through which the gas passes on its way to the head.

High Pressure Torches.--Torches are divided into the same classes as

are the generators; that is, high pressure, medium pressure and low

pressure. As mentioned before, the medium pressure is usually called the

high pressure, because there are very few true high pressure systems in

use, and comparatively speaking the medium pressure type is one of high

pressure.

Image Figure 20.--High Pressure Torch Head

igh Pressure Torch Head

With a true high pressure torch (Figure 20) the gases are used at very

nearly equal heads so that the mixing before ignition is a simple matter.

This type admits the oxygen at the inner end of a straight passage leading

to the tip of the nozzle. The acetylene comes into this same passage from

openings at one side and near the inner end. The difference in direction of

the two gases as they enter the passage assists in making a homogeneous

mixture. The construction of this nozzle is perfectly simple and is easily

understood. The true high pressure torch nozzle is only suited for use with

compressed and dissolved acetylene, no other gas being at a sufficient

pressure to make the action necessary in mixing the gases.

Medium Pressure Torches.--The medium pressure (usually called high

pressure) torch (Figure 21) uses acetylene from a medium pressure generator

or from tanks of compressed gas, but will not take the acetylene from low

pressure generators.

Image Figure 21.--Medium Pressure Torch Head

The construction of the mixing chamber and nozzle is very similar to that

of the high pressure torch, the gases entering in the same way and from the

same positions of openings. The pressure of the acetylene is but little

lower than that of the oxygen, and the two gases, meeting at right angles,

form a very intimate mixture at this point of juncture. The mixture in its

proportions of gases depends entirely on the sizes of the oxygen and

acetylene openings into the mixing chamber and on the pressures at which

the gases are admitted. There is a very slight injector action as the fast

moving stream of oxygen tends to draw the acetylene from the side openings

into the chamber, but the operation of the torch does not depend on this

action to any extent.

Low Pressure Torches.--The low pressure torch (Figure 22) will use

gas from low pressure generators from medium pressure machines or from

tanks in which it has been compressed and dissolved. This type depends for

a perfect mixture of gas upon the principle of the injector just as it is

applied in steam boiler practice.

Image Figure 22.--Low Pressure Torch with Separate Injector

Nozzle

The oxygen enters the head at considerable pressure and passes through its

tube to a small jet within the head. The opening of this jet is directly

opposite the end of the opening through the nozzle which forms the mixing

chamber and the path of the gases to the flame. A small distance remains

between the opening from which the oxygen issues and the inner opening into

the mixing passage. The stream of oxygen rushes across this space and

enters the mixing chamber, being driven by its own pressure.

The acetylene enters the head in an annular space surrounding the oxygen

tube. The space between oxygen jet and mixing chamber opening is at one end

of this acetylene space and the stream of oxygen seizes the acetylene and

under the injector action draws it into the mixing chamber, it being

necessary only to have a sufficient supply of acetylene flowing into the

head to allow the oxygen to draw the required proportion for a proper

mixture.

The volume of gas drawn into the mixing chamber depends on the size of the

injector openings and the pressure of the oxygen. In practice the oxygen

pressure is not altered to produce different sized flames, but a new nozzle

is substituted which is designed to give the required flame. Each nozzle

carries its own injector, so that the design is always suited to the

conditions. While torches are made having the injector as a permanent part

of the torch body, the replaceable nozzle is more commonly used because it

makes the one torch suitable for a large range of work and a large number

of different sized flames. With the replaceable head a definite pressure of

oxygen is required for the size being used, this pressure being the one for

which the injector and corresponding mixing chamber were designed in

producing the correct mixture.

Adjustable Injectors.-Another form of low pressure torch operates on

the injector principle, but the injector itself is a permanent part of the

torch, the nozzle only being changed for different sizes of work and flame.

The injector is placed in or near the handle and its opening is the largest

required by any work that can be handled by this particular torch. The

opening through the tip of the injector through which the oxygen issues on

its way to the mixing chamber may be wholly or partly closed by a needle

valve which may be screwed into the opening or withdrawn from it, according

to the operator's judgment. The needle valve ends in a milled nut outside

the torch handle, this being the adjustment provided for the different

nozzles.

Torch Construction.--A well designed torch is so designed that the

weight distribution is best for holding it in the proper position for

welding. When a torch is grasped by its handle with the gas hose attached,

it should balance so that it does not feel appreciably heavier on one end

than on the other.

The head and nozzle may be placed so that the flame issues in a line at

right angles with the torch body, or they may be attached at an angle

convenient for the work to be done. The head set at an angle of from 120 to

170 degrees with the body is usually preferred for general work in welding,

while the cutting torch usually has its head at right angles to the body.

Removable nozzles have various size openings through them and the different

sizes are designated by numbers from 1 up. The same number does not always

indicate the same size opening in torches of different makes, nor does it

indicate a nozzle of the same capacity.

The design of the nozzle, the mixing chamber, the injector, when one is

used, and the size of the gas openings must be such that all these things

are suited to each other if a proper mixture of gas is to be secured. Parts

that are not made to work together are unsafe if used because of the danger

of a flash back of the flame into the mixing chamber and gas tubes. It is

well known that flame travels through any inflammable gas at a certain

definite rate of speed, depending on the degree of inflammability of the

gas. The easier and quicker the gas burns, the faster will the flame travel

through it.

If the gas in the nozzle and mixing chamber stood still, the flame would

immediately travel back into these parts and produce an explosion of more

or less violence. The speed with which the gases issue from the nozzle

prevent this from happening because the flame travels back through the gas

at the same speed at which the gas issues from the torch tip. Should the

velocity of the gas be greater than the speed of flame propagation through

it, it will be impossible to keep the flame at the tip, the tendency being

for a space of unburned gas to appear between tip and flame. On the other

hand, should the speed of the flame exceed the velocity with which the gas

comes from the torch there will result a flash back and explosion.

Care of Torches.--An oxy-acetylene torch is a very delicate and

sensitive device, much more so that appears on the surface. It must be

given equally as good care and attention as any other high-priced piece of

machinery if it is to be maintained in good condition for use.

It requires cleaning of the nozzles at regular intervals if used regularly.

This cleaning is accomplished with a piece of copper or brass wire run

through the opening, and never with any metal such as steel or iron that is

harder than the nozzle itself, because of the danger of changing the size

of the openings. The torch head and nozzle can often be cleaned by allowing

the oxygen to blow through at high pressure without the use of any tools.

In using a torch a deposit of carbon will gradually form inside of the

head, and this deposit will be more rapid if the operator lights the stream

of acetylene before turning any oxygen into the torch. This deposit may be

removed by running kerosene through the nozzle while it is removed from the

torch, setting fire to the kerosene and allowing oxygen to flow through

while the oil is burning.

Should a torch become clogged in the head or tubes, it may usually be

cleaned by removing the oxygen hose from the handle end, closing the

acetylene cock on the torch, placing the end of the oxygen hose over the

opening in the nozzle and turning on the oxygen under pressure to blow the

obstruction back through the passage that it has entered. By opening the

acetylene cock and closing the oxygen cock at the handle, the acetylene

passages may then be cleaned in the same way. Under no conditions should a

torch be taken apart any more than to remove the changeable nozzle, except

in the hands of those experienced in this work.

Nozzle Sizes.--The size of opening through the nozzle is determined

according to the thickness and kind of metal being handled. The following

sizes are recommended for steel:

                      Davis-Bournonville.   Oxweld Low

  Thickness of Metal  (Medium Pressure.)      Pressure

  1/32                     Tip No. 1        Head No. 2

  1/16                             2

  5/64                                               3

  3/32                             3                 4

  3/8                              4                 5

  3/16                             5                 6

  1/4                              6                 7

  5/16                             7

  3/8                              8                 8

  1/2                              9                10

  5/8                             10                12

  3/4                             11                15

  Very heavy                      12                15

Cutting Torches.--Steel may be cut with a jet of oxygen at a rate of

speed greater than in any other practicable way under usual conditions. The

action consists of burning away a thin section of the metal by allowing a

stream of oxygen to flow onto it while the gas is at high pressure and the

metal at a white heat.

Image Figure 23.--Cutting Torch

The cutting torch (Figure 23) has the same characteristics as the welding

torch, but has an additional nozzle or means for temporarily using the

welding opening for the high pressure oxygen. The oxygen issues from the

opening while cutting at a pressure of from ten to 100 pounds to the square

inch.

The work is first heated to a white heat by adjusting the torch for a

welding flame. As soon as the metal reaches this temperature, the high

pressure oxygen is turned on to the white-hot portion of the steel. When

the jet of gas strikes the metal it cuts straight through, leaving a very

narrow slot and removing but little metal. Thicknesses of steel up to ten

inches can be economically handled in this way.

The oxygen nozzle is usually arranged so that it is surrounded by a number

of small jets for the heating flame. It will be seen that this arrangement

makes the heating flame always precede the oxygen jet, no matter in which

direction the torch is moved.

The torch is held firmly, either by hand or with the help of special

mechanism for guiding it in the desired path, and is steadily advanced in

the direction it is desired to extend the cut, the rate of advance being

from three inches to two feet per minute through metal from nine inches

down to one-quarter of an inch in thickness.

The following data on cutting is given by the Davis-Bournonville Company:

                            Cubic

                            Feet                          Cost of

Thickness                   of Gas               Inches   Gases

of        Cutting  Heating  per Foot  Oxygen     Cut per  per Foot

Steel     Oxygen   Oxygen   of Cut    Acetylene  Min.     of Cut

  1/4     10 lbs.  4 lbs.     .40      .086      24        $ .013

  1/2     20       4          .91      .150      15          .029

  3/4     30       4         1.16      .150      15          .036

1         30       4         1.45      .172      12          .045

1 1/2     30       5         2.40      .380      12          .076

2         40       5         2.96      .380      12          .093

4         50       5         9.70      .800       7          .299

6         70       6        21.09     1.50        4          .648

9        100       6        43.20     2.00        3         1.311

Acetylene-Air Torch.--A form of torch which burns the acetylene after

mixing it with atmospheric air at normal pressure rather than with the

oxygen under higher pressures has been found useful in certain pre-heating,

brazing and similar operations. This torch (Figure 24) is attached by a

rubber gas hose to any compressed acetylene tank and is regulated as to

flame size and temperature by opening or closing the tank valve more or

less.

After attaching the torch to the tank, the gas is turned on very slowly and

is lighted at the torch tip. The adjustment should cause the presence of a

greenish-white cone of flame surrounded by a larger body of burning gas,

the cone starting at the mouth of the torch.

Image Figure 24.--Acetylene-Air Torch

By opening the tank valve more, a longer and hotter flame is produced, the

length being regulated by the tank valve also. This torch will give

sufficient heat to melt steel, although not under conditions suited to

welding. Because of the excess of acetylene always present there is no

danger of oxidizing the metal being heated.

The only care required by this torch is to keep the small air passages at

the nozzle clean and free from carbon deposits. The flame should be

extinguished when not in use rather than turned low, because this low flame

rapidly deposits large quantities of soot in the burner.