EP0895026A1 - Procédé et dispositif de suppression de la déflagration à l'extinction d'une flamme de combustion - Google Patents

Procédé et dispositif de suppression de la déflagration à l'extinction d'une flamme de combustion Download PDF

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EP0895026A1
EP0895026A1 EP98401911A EP98401911A EP0895026A1 EP 0895026 A1 EP0895026 A1 EP 0895026A1 EP 98401911 A EP98401911 A EP 98401911A EP 98401911 A EP98401911 A EP 98401911A EP 0895026 A1 EP0895026 A1 EP 0895026A1
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EP
European Patent Office
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gas
nozzle
flow
compensation
injection
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EP98401911A
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EP0895026B1 (fr
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Gilles Cannet
Gervais Lemesle
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Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/465—Details, e.g. noise reduction means for torches
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback

Definitions

  • the present invention relates to a method and to a device making it possible to remove or at least minimize the deflagration occurring during extinction of a combustion flame of a gas flow delivered by a welding nozzle or also called "burner".
  • the deflagration or "slamming" occurring during the extinction of the welding flame delivered by a welding nozzle is a well known phenomenon of the welder. This deflagration usually takes place during the power supply shutdown, i.e. when the interruption of the arrival of the welding gas mixture in the nozzle, which gas mixture generally contains at least one combustible gas and at least one oxidizing gas (by gas is meant a substantially pure gas or a mixture several gases).
  • the premix flame fed by the combustible / oxidant gas mixture leaving the nozzle welding is the seat of a balance between the progression of the flame front, which tends to return to the inside of the nozzle, and the flow of the gas mixture of combustion delivered by the nozzle, which therefore tends to exit; the average flow velocity of the gas mixture of combustion being a function of the output flow of the gas mixture and the nozzle section of distribution.
  • the arrival welding gas is closed by the user, which implies that the flow velocity of the gas mixture decreases until it reaches a zero value.
  • a gradual breakdown of the balance implying, when the flow velocity of the gas mixture becomes less than the speed of flame front progression, flame entry to inside the welding nozzle followed by combustion of the gas mixture therein, which did not have the time to be evacuated to the outside, and a subsequent deflagration.
  • One of these solutions consists in obtaining a extinction of the flame causing a variation in the content of the welding gas mixture in its gases fuel and oxidizer, so as to go beyond the limits flammability thereof.
  • the flammability range of the mixture is between about 2.5% and 93% in acetylene; below and above these values the flame goes out.
  • An alternative technique is to purge the nozzle welding and blowing the flame by means of a flux nitrogen gas.
  • the aim of the present invention is therefore to propose a method and a device for solving the flame deflagration problem, which does not have the aforementioned drawbacks, which either of simple implementation and of reasonable cost, that is to say compatible with industrial requirements.
  • the present invention therefore relates to a method for minimizing or eliminating the deflagration or "slamming" occurring during the extinction of the combustion flame of a gas flow comprising at least one combustible gas and at least one oxidizing gas, said gas flow being delivered by a torch nozzle or "burner", in which the average flow speed (Ve) of the gas flow leaving the nozzle is maintained at or above the average speed of until the flame is completely extinguished re-entry (Vr) of the flame front in said nozzle, namely at an average flow speed (Ve) greater than or equal to 22 m / s -1 .
  • Vr average speed of re-entry
  • a welding device like the one shown in Figure 1, which includes a torch nozzle 7 or "burner” delivering a mixture of welding gases comprising acetylene as a combustible gas and oxygen as an oxidizing gas.
  • acetylene and oxygen are transported, respectively, from a bottle acetylene 1 and an oxygen cylinder 2 up to a injector 6, where the gaseous mixture of welding, prior to its combustion at the outlet of burner 7.
  • the transport of acetylene and oxygen is carried out by means of pipes 1 'and 2', respectively; a pressure gauge 3, 3 ', a flow meter mass 4, 4 ', and a regulating valve 5, 5' of the passage gas being arranged, respectively, on each of said pipes 1 ', 2'.
  • Example 1 it appears that to avoid the phenomenon of "slamming", it is necessary to maintain the average flow speed (Ve) of the welding gas flow leaving the nozzle at a value greater than or equal to the speed value corresponding to the critical average level of approximately 25 ms -1 (approximate range 22 ms -1 to 28 ms -1 ), i.e. greater than or equal to the reentry speed (Vr) of the front flame in said nozzle.
  • Ve average flow speed of the welding gas flow leaving the nozzle at a value greater than or equal to the speed value corresponding to the critical average level of approximately 25 ms -1 (approximate range 22 ms -1 to 28 ms -1 ), i.e. greater than or equal to the reentry speed (Vr) of the front flame in said nozzle.
  • valves A and B at manual closing, have been arranged upstream of the pipes 1 'and 2', so that the gas capacity of each of said pipes 1 'and 2', downstream of the valves A and B, is approximately 100 cm 3 .
  • R represents the ratio of oxygen consumption to acetylene at different times (consumption ratio);
  • Ve the flow speed (ms -1 ) of the oxygen / acetylene mixture at the outlet of the nozzle. welding; and
  • t the time in seconds.
  • Figures 3 to 5 represent the evolution over time (on the abscissa; units: seconds) of the flow rate (on the ordinate; units: lh -1 ) of the constituents oxygen (curve O 2 ) and acetylene (curve C 2 H 2 ) of the welding mixture at the nozzle outlet.
  • Figure 6 makes it possible to compare the flow speed Ve (on the ordinate; units: ms -1 ) of the welding mixture at the nozzle outlet as a function of the evolution of the consumption ratio R (on the abscissa) for tests 1 to 3 of Table I above; this Figure 6 also shows the critical speed curve (Curve Vc) of Figure 2.
  • the inventors of the present invention have developed a device for maintaining, at the end of welding, when the flame goes out, the speed flue gas flow to a value at least equal to and preferably greater than the value of critical flow velocity (Vc), i.e. reentry rate (Vr) of the flame in the nozzle.
  • Vc critical flow velocity
  • Vr reentry rate
  • FIG. 7 This device is shown schematically in Figure 7, where we see a device similar to that of Figure 1, but additionally comprising a compensation gas circuit comprising a source 8 of oxidizing compensating gas, here a source of oxygen, connected, via a pipe 8 ', at a point C located downstream of the gate valve setting 5.
  • a compensation gas circuit comprising a source 8 of oxidizing compensating gas, here a source of oxygen, connected, via a pipe 8 ', at a point C located downstream of the gate valve setting 5.
  • the flow of compensation gas from source 8 to line 1 ' is controlled by a valve 9 of setting.
  • the source 8 of compensation and source 2 of oxidizing gas (oxygen) are different, it is particularly advantageous use a single source of oxidizing gas (oxygen) as a source 2 of oxidizing gas and as a source 8 of compensation gas.
  • a bypass B arranged between the supply means 2 ′ of oxidizing gas (oxygen) and the means 1 ′ for supplying combustible gas (acetylene), between a first site M located upstream of the regulating valve 5 'for the combustion gas supply and a second site N located downstream of the regulating valve 5 of the fuel gas supply.
  • B-pass B has a pipe or 8 'gas circuit and a bypass control means 9, like a bypass valve, making it possible to control the Compensating gas pressure and / or flow rate in said bypass B.
  • the C3 site is preferred. Indeed, when oxygen from compensation is injected to compensate for the closure of the acetylene supply, at the end of welding, that is to say when the flame goes out, so maintain the flow velocity Ve of the gas flow higher than the reentry speed Vr of the flame, the slamming phenomenon does not occur whatever the injection site: C1, C2 or C3, thus demonstrating the interest and effectiveness of the invention.
  • the C3 site has several advantages, namely in particular excellent functioning, access easy and the ability to maintain pressure compensation gas injection at least equal to the supply pressure or even slightly lower in the case of an aspirating mixer; nevertheless, take care to avoid any rise in compensating oxygen in line 1 ′ of acetylene supply.
  • the alternative solutions to a gas injection compensation that may be considered include a increase in the pressure of the oxidizing gas supplied by the 2 'pipe and / or a limitation of the flow rate of gas at the nozzle outlet by a retractable device.
  • Example 4 aims to determine when be performed this make-up gas injection and for how long.
  • injecting oxygen from compensation takes place between the tap and the injector (site C3); the diameter of the injection orifice being 0.8 mm.
  • the inventors have demonstrated, moreover, that it is possible to extinguish the flame without clicking when blowing it.
  • the start compensation gas injection is carried out before stop of the welding nozzle supply in said combustible and / or oxidizing gas, preferably approximately 0.1 seconds before the nozzle supply stops.
  • Example 4 It should be noted that a combination of the technique exposed in Example 4 and that of the "blowing" of Example 5 is entirely possible.
  • Figures 10 to 13 show modes of devices likely to be used to control the opening and closing of valves 5, 5 'and / or 9 in Figure 7 or Figure 14.
  • Figure 10 shows a view of underside of a translation control device valve opening / closing, comprising a valve body distribution 16 provided with a push button 15 capable to slide in translation along guides 14 of push button, so in the directions given by the arrow F, when applying manual pressure to said button 15, on which a rack is arranged 19.
  • the button 15 gives, via the rack 19, a movement of rotation with a wheel 17 with pinions 18 around the axis of its drum 13, which wheel carries a retractable cam 20 subjected to a restoring force through a return spring 10, so that the cam 19 cooperates with a valve 12 controlling the oxygen supply to compensation.
  • button 15 cooperates, via its rear end 15 ', with valves 11, 21 and 22, carried by the distribution body 16, as shown in Figure 12, which is a sectional diagram transverse of said body 16 along line A-A.
  • the valves 11, 21 and 22 respectively control supply of compensating oxidant gas (oxygen), oxidizing gas (oxygen), combustible gas (acetylene) and acetylene to supply a pilot light.
  • Figure 11 is a diagram in longitudinal section of the Figure 10 device.
  • Figure 13 shows a half side view of a rotary valve opening / closing control device, comprising a distribution body 36 provided with an actuating trigger 31 capable of moving in rotation in the directions given by arrow F ', when manual pressure is applied thereto.
  • the trigger 31 cooperates, in particular, via a pawl 32, with 4 valves 33, 34, 35 and 37.
  • a pressure on the trigger 31 allows, on the one hand, to control the opening of the '' supply of O 2 and C 2 H 2 (valves 33 and 35) and of the injection of C 2 H 2 to the pilot light (valve 34) and, on the other hand, the closing of the supply of the flow of compensating O 2 (valve 37).
  • a relaxation of the trigger 31 generates, on the one hand, a closure of the supply of O 2 , C 2 H 2 and of the pilot light and, on the other hand, an opening of the compensation flow in O 2 (valve 37).
  • a piezoelectric generator 30 also makes it possible to supply the sparks intended to ignite the gas mixture.
  • a cut along line C-C in the body of distribution 36 would have a structure similar to that of Figure 12.
  • the present invention is in no way limited to welding, but can also be applied to cutting, in particular flame cutting, heating and various heat treatments, or any field analog using a torch, torch or burner similar to those used in welding.
  • the present invention has the advantage considerably reduce clogging of the nozzle and supply conduits thereof, since flashbacks generating, on the one hand, the slamming phenomenon and on the other hand this fouling or other soot deposits, are removed or at least considerably limited. This then results in a torch more reliable and more durable than torches current.

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Abstract

Procédé et dispositif pour minimiser ou supprimer la déflagration se produisant lors de l'extinction de la flamme de combustion d'un flux gazeux comprenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, ledit flux gazeux étant délivré par une buse d'un chalumeau soudage ou de coupage. La vitesse d'écoulement (Ve) du flux gazeux sortant de la buse est maintenue supérieure ou égale à la vitesse de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse, à savoir environ 22 m.s<-1>.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif permettant de supprimer ou au moins de minimiser la déflagration ayant lieu lors de l'extinction d'une flamme de combustion d'un flux gazeux délivré par une buse de soudage ou encore appelée "brûleur".
La déflagration ou "claquement" se produisant lors de l'extinction de la flamme de soudage délivrée par une buse de soudage est un phénomène bien connu du soudeur. Cette déflagration a habituellement lieu lors de la fermeture de l'alimentation, c'est-à-dire au moment de l'interruption de l'arrivée du mélange gazeux de soudage dans la buse, lequel mélange gazeux contient, en général, au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant (par gaz, on entend un gaz sensiblement pur ou un mélange de plusieurs gaz).
En effet, la flamme de prémélange alimentée par le mélange gazeux combustible/comburant sortant de la buse de soudage est le siège d'un équilibre entre la progression du front de flamme, qui tend à rentrer à l'intérieur de la buse, et l'écoulement du mélange gazeux de combustion délivré par la buse, qui tend donc à en sortir; la vitesse moyenne d'écoulement du mélange gazeux de combustion étant fonction du débit de sortie du mélange gazeux et de la section de la buse de distribution.
A la fin de toute opération de soudage, l'arrivée des gaz de soudage est fermée par l'utilisateur, ce qui implique que la vitesse d'écoulement du mélange gazeux diminue jusqu'à atteindre une valeur nulle. On assiste alors à une rupture progressive de l'équilibre susmentionné impliquant, lorsque la vitesse d'écoulement du mélange gazeux devient inférieure à la vitesse de progression du front de flamme, une entrée de la flamme à l'intérieur de la buse de soudage suivie d'une combustion du mélange gazeux s'y trouvant, lequel n'a pas eu le temps d'être évacué vers l'extérieur, et d'une déflagration subséquente.
Bien que cette déflagration ne présente pas de danger réel, elle constitue toutefois une nuisance sonore fort désagréable pour l'utilisateur.
Afin de tenter de résoudre ce problème de déflagration à l'extinction de la flamme, plusieurs solutions ont déjà été proposées.
Une de ces solutions consiste à obtenir une extinction de la flamme en provoquant une variation de la teneur du mélange gazeux de soudage en ses gaz combustible et comburant, de manière à sortir des limites d'inflammabilité de celui-ci. Par exemple, pour un mélange acétylène/oxygène, la plage d'inflammabilité du mélange se situe entre environ 2,5 % et 93 % en acétylène; en-deçà et au-dessus de ces valeurs la flamme s'éteint.
Ainsi, en arrêtant le flux de gaz combustible avant le flux de gaz comburant, on provoque une augmentation de la concentration en gaz comburant et le soufflement subséquent de la flamme (limite basse de la plage d'inflammabilité). Cependant, si une telle méthode permet de résoudre partiellement le problème, il a été observé que le "claquement" ne pouvait pas être évité dans certaines conditions de débit d'écoulement, en particulier pour des débits faibles.
A l'inverse, en arrêtant d'abord le flux de gaz comburant puis subséquemment le flux de gaz combustible, la flamme aussi est éteinte (limite haute de la plage d'inflammabilité), mais il en résulte également une formation de flammèches grasses et dégageant une odeur désagréable. Dans ce cas, on ne fait finalement que déplacer le problème étant donné que la nuisance sonore provoquée par le claquement est remplacée par une nuisance olfactive au moins aussi nuisible pour l'utilisateur.
Une technique alternative consiste à purger la buse de soudage et à souffler la flamme au moyen d'un flux d'azote gazeux.
Cependant, bien que cette méthode soit assez efficace, celle-ci s'avère peu réaliste d'un point de vue industriel, étant donné qu'elle implique, dans la plupart des cas, une augmentation inadmissible des coûts et de la complexité du matériel (poids, encombrement, utilisation d'une source de gaz neutre...).
De telles méthodes ou des méthodes analogues ont notamment été décrites dans les documents GB-A-830339, FR-A-2728059, US-A-4794953, DE-A-1147546 et US-A-3994663.
Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif permettant de résoudre le problème de déflagration à l'extinction de la flamme, lequel ne présente pas les inconvénients précités, qui soit de mise en oeuvre simple et de coût raisonnable, c'est-à-dire compatible avec les exigences industrielles.
La présente invention concerne alors un procédé pour minimiser ou supprimer la déflagration ou "claquement" se produisant lors de l'extinction de la flamme de combustion d'un flux gazeux comprenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, ledit flux gazeux étant délivré par une buse de chalumeau ou "brûleur", dans lequel on maintient, jusqu'à extinction complète de la flamme, la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux sortant de la buse supérieure ou égale à la vitesse moyenne de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse, à savoir à une vitesse moyenne d'écoulement (Ve) supérieure ou égale à 22 m/s-1.
Bien que la vitesse moyenne de rentrée (Vr) du front de flamme soit susceptible de varier notamment avec la température, l'état de la buse et la vitesse de fermeture de l'alimentation en gaz, celle-ci est néanmoins facilement déterminable par l'homme du métier, par exemple en suivant le protocole expérimental exposé dans les exemples ci-après.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • Ve est supérieure à Vr;
  • on maintient la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) par injection, en amont de la buse, d'un gaz de compensation, de préférence, d'un gaz comburant de compensation;
  • le début de l'injection dudit gaz de compensation est effectué après arrêt de l'alimentation de la buse de soudage en lesdits gaz combustible et/ou comburant;
  • une durée maximale de 1 à 5 sec sépare l'arrêt de l'alimentation de la buse et le début de l'injection du gaz de compensation, de préférence une durée inférieure à 0.5 sec, voire même une durée nulle correspondant à un début d'injection et un arrêt de l'alimentation simultanés;
  • le début de l'injection de gaz de compensation est effectué avant arrêt de l'alimentation de la buse de soudage en lesdits gaz combustible et/ou comburant;
  • on effectue l'injection du gaz de compensation d'environ 0,05 à environ 2 sec avant l'arrêt de l'alimentation de la buse, de préférence d'environ 0,1 à 0,5 sec;
  • on effectue l'injection du gaz de compensation pendant une durée supérieure à 0.02 sec, de préférence supérieure à 0.1 sec;
  • on maintient la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux supérieure ou égale à 25 m/s-1, de préférence, supérieure ou égale à 27 m/s-1 ;
  • le gaz combustible est choisi dans le groupe formé par l'acétylène, le Crylène™, le Tétrène™, et le propane;
  • le gaz comburant est choisi dans le groupe formé par l'oxygène et l'air;
  • le gaz compensation est identique au gaz comburant.
L'invention concerne également un dispositif de soudage ou de coupage mettant en oeuvre un chalumeau muni d'une buse délivrant un mélange de combustion comprenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, et comportant, en outre :
  • des moyens d'alimentation en gaz combustible comprenant au moins un conduit d'acheminement de gaz combustible et des moyens de régulation du débit de gaz combustible, tel de préférence un robinet de réglage du débit de gaz combustible,
  • des moyens d'alimentation en gaz comburant comprenant au moins un conduit d'acheminement de gaz comburant et des moyens de régulation du débit de gaz comburant, tel de préférence un robinet de réglage du débit de gaz combustible,
  • et des moyens d'injection d'un gaz de compensation, en amont de la buse, permettant de maintenir la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux sortant de la buse supérieure ou égale à la vitesse moyenne de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse,
caractérisé en ce que les moyens d'injection de gaz de compensation sont agencés de manière à permettre une injection de gaz de compensation en aval du robinet de réglage de l'alimentation en gaz combustible.
Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • les moyens d'injection de gaz de compensation comprennent un bipasse reliant les moyens d'alimentation en gaz comburant aux moyens d'alimentation en gaz combustible.
  • le bipasse est aménagé entre un premier site (M) situé en amont des moyens de régulation du débit de gaz comburant, tel un robinet de réglage de l'alimentation en gaz comburant, et un deuxième site (N) situé en aval des moyens de régulation du débit de gaz combustible, tel un robinet de réglage de l'alimentation en gaz combustible.
  • le bipasse comporte un circuit de gaz et un moyen de commande de bipasse, telle une valve de bipasse.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'exemples et en référence aux figures annexées, donnés à titre illustratif mais non limitatif.
Exemples Exemple 1
Afin d'étudier l'influence de la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux de soudage sur le phénomène de "claquement" à l'extinction de la flamme, on utilise un dispositif de soudage, tel celui schématisé sur la Figure 1, lequel comporte une buse 7 de chalumeau ou "brûleur" délivrant un mélange de gaz de soudage comprenant de l'acétylène en tant que gaz combustible et de l'oxygène en tant que gaz comburant.
Plus précisément, l'acétylène et l'oxygène sont acheminés, respectivement, depuis une bouteille d'acétylène 1 et une bouteille d'oxygène 2 jusqu'à un injecteur 6, où est effectué le mélange gazeux de soudage, préalablement à sa combustion en sortie de brûleur 7.
L'acheminement de l'acétylène et de l'oxygène est effectué au moyen des canalisations 1' et 2', respectivement; un manomètre 3, 3', un débitmètre massique 4, 4', et un robinet de réglage 5, 5' du passage du gaz étant agencés, respectivement, sur chacune desdites canalisations 1', 2'.
Afin de déterminer les conditions dans lesquelles s'effectuent le "claquement" à l'extinction de la flamme, on procède en suivant le protocole suivant :
  • a/ on allume une flamme neutre (1,1 volume O2 pour 1 volume C2H2) au débit nominal de la buse (3 types de buses sont utilisés : 400, 315 et 160 l.h-1);
  • b/ on ferme progressivement et très lentement le robinet de réglage 5 afin de faire diminuer progressivement la teneur en acétylène dans le mélange gazeux de soudage, la fermeture du robinet 5 étant poursuivie jusqu'à obtenir une extinction de la flamme de combustion;
  • c/ on répète, à plusieurs reprises, des étapes a/ et b/, avec diminution progressive du débit global du mélange de soudage et ce, jusqu'à atteindre un débit insuffisant pour permettre d'entretenir ou d'allumer une flamme;
  • d/ on note la présence ou de l'absence d'un "claquement", lors de chaque extinction de flamme (étape b/);
  • e/ on relève, en cas de claquement, les débits en oxygène et en acétylène, et on calcule ensuite la vitesse critique (Vc) d'écoulement résultante; la vitesse critique d'écoulement étant le seuil de vitesse en dessous duquel se produit le phénomène de "claquement".
    • Les résultats obtenus sont schématisés sur la Figure 2, où la vitesse critique (Vc) d'écoulement (en ordonnées, unités : m.s-1) du mélange de soudage est représentée en fonction du rapport R (en abscisses) de la consommation d'oxygène à la consommation d'acétylène (cf. étape e/) au cours du temps.
    Il apparaít immédiatement au vu de la Figure 2, qu'il existe un niveau critique de vitesse d'écoulement en dessous duquel on ne peut éviter les claquements à l'extinction. En effet, lorsque la vitesse d'écoulement devient inférieure à ce niveau, il se produit une entrée de la flamme dans le "brûleur" avec une vitesse d'entrée (Vr) de flamme, et une déflagration subséquente. Ce niveau critique est compris dans la plage approximative 22 à 28 m.s-1, ce qui correspond à une vitesse moyenne d'écoulement d'environ 25 m.s-1 et donc, pour une flamme neutre, à un débit de gaz combustible d'environ 50% du débit nominal; le débit nominal étant déterminé par le calibre de la buse (section de sortie).
    Or, il est assez habituel que les buses de soudage soient utilisées dans de telles conditions, voire même à des débits inférieurs.
    Cette expérience permet donc, en outre, de confirmer que les solutions classiques consistant à provoquer une variation de la teneur du mélange gazeux de soudage en ses gaz combustibles et comburants, de manière à sortir des limites d'inflammabilité de celui-ci, ne permettent pas de pallier au problème de "claquement" notamment pour tous les débits en dessous du niveau critique.
    Exemple 2
    Au vu de l'exemple 1, il apparaít que pour éviter le phénomène de "claquement", il est nécessaire de maintenir la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux de soudage sortant de la buse à une valeur supérieure ou égale à la valeur de vitesse correspondant au niveau moyen critique d'environ 25 m.s-1 (plage approximative 22 m.s-1 à 28 m.s-1), c'est-à-dire supérieure ou égale à la vitesse de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse.
    Cette observation est vérifiée au moyen du dispositif expérimental utilisé dans l'exemple 1 et schématisé en Figure 1.
    Toutefois, afin d'augmenter artificiellement la durée du cycle d'extinction et donc de pouvoir mieux apprécier le phénomène de "claquement" et l'influence sur celui-ci de la vitesse d'écoulement du gaz, deux vannes A et B, à fermeture manuelle, ont été agencées en amont des canalisations 1' et 2', de manière à ce que la capacité gazeuse de chacune desdites canalisations 1' et 2', en aval des vannes A et B, soit de 100 cm3 environ.
    Trois essais réalisés ont été menés de la façon suivante:
    • essai 1 : fermeture simultanée des vannes A (interruption alimentation acétylène) et B (interruption alimentation oxygène) avec maintien de la vitesse d'écoulement supérieure au niveau moyen critique (25 m.s-1);
    • essai 2 : fermeture simultanée des vannes A et B avec vitesse d'écoulement inférieure au niveau critique;
    • essai 3 : fermeture de la vanne A (interruption alimentation acétylène) et vanne B maintenue ouverte (équivalent à un décalage infini) avec vitesse d'écoulement inférieure au niveau critique.
    Les résultats des essais 1, 2 et 3 sont donnés, respectivement, par le Tableau I suivant et les Figures 3, 4 et 5.
    Essai n° Fermeture vanne(s) Rapport R et Vitesse Ve (en m/s) au temps t (en s) Claquement à l'extinction de la flamme
    1 A et B
    à
    t = 7 sec    		 t = 7
    R = 1.03
    Ve = 62    		 t = 10
    R = 1.33
    Ve = 50    		 t = 12.5
    R = 2.2
    Ve = 36    		 t = 15
    R = 4.6
    Ve = 29    		 / non
    2 A et B
    à
    t = 12.5 sec    		 t = 12.5
    R = 1.1
    Ve = 35    		 t = 15
    R = 1.2
    Ve = 31    		 t = 17
    R = 1.5
    Ve = 27    		 t = 20
    R = 2
    Ve = 23    		 t = 25
    R = 2.8
    Ve = 19    		 oui
    à t = 17.2 sec
    3 B
    à
    t = 6 sec    		 t = 6
    R = 1.08
    Ve = 35    		 t = 9.5
    R = 1.4
    Ve = 31.2    		 t = 12
    R = 1.8
    Ve = 25    		 / / oui
    à t = 12 sec
    Dans le tableau I, R représente le rapport de consommation de l'oxygène à l'acétylène à différents instants (rapport de consommation);Ve la vitesse d'écoulement (m.s-1) du mélange oxygène/acétylène en sortie de la buse de soudage; et t le temps en secondes.
    En outre, les Figures 3 à 5 représentent l'évolution au cours du temps (en abscisses; unités : secondes) du débit (en ordonnées; unités : l.h-1) des constituants oxygène (courbe O2) et acétylène (courbe C2H2) du mélange de soudage en sortie de buse.
    En outre, on a aussi indiqué l'instant où est effectuée la fermeture (FV) des vannes A et B (capacité résiduelle des canalisations 1' et 2' de 100 cm3 chacune), et l'instant auquel survient le claquement (CEF) à l'extinction de la flamme.
    Ces courbes permettent de vérifier que le phénomène de claquement à l'extinction ne se produit que lorsque la vitesse d'écoulement du gaz est inférieure à un seuil de vitesse critique (cf. exemple 1) compris dans la plage 22 à 28 m.s-1 (seuil de vitesse moyen : 25 m.s-1), soit environ 4,7 secondes après la fermeture des vannes A et B dans l'essai n°2 (Fig. 4) et 6 secondes après la fermeture de la vanne A dans l'essai n°3 (Fig. 5); aucun claquement n'a, en outre, été observé dans l'essai n°1 (Fig. 3), dans lequel la vitesse d'écoulement a été maintenue au-dessus de la vitesse moyenne d'écoulement de 25 m.s-1, qui est aussi la vitesse moyenne de rentrée (Vr) de la flamme dans la buse.
    La Figure 6 permet de comparer la vitesse d'écoulement Ve (en ordonnées; unités : m.s-1) du mélange de soudage en sortie de buse en fonction de l'évolution du rapport de consommation R (en abscisses) pour les essais 1 à 3 du Tableau I ci-dessus; cette Figure 6 reprend, en outre, la courbe de vitesse critique (Courbe Vc) de la Figure 2.
    Cette Figure 6 montre clairement que les claquements à l'extinction de la flamme CEF2 et CEF3 obtenus dans les essais 2 et 3 respectivement, se produisent lorsque la vitesse d'écoulement Ve du mélange de soudage devient inférieure ou égale à la vitesse d'écoulement critique (Vc), laquelle vitesse d'écoulement critique représente également la vitesse (Vr) d'entrée de la flamme dans le brûleur.
    Le passage de la vitesse d'écoulement Ve à une valeur inférieure ou égale à la vitesse d'écoulement critique (Vc), c'est-à-dire, en d'autres termes, l'instant où se produit le claquement à l'extinction de flamme (CEF2 et CEF3), correspond à l'intersection dès courbes "essai n°2" et "essai n°3" avec la courbe "Vc" représentées sur la Figure 6. On constate, par ailleurs, que la courbe "essai n°1" ne coupe pas la courbe Vc; aucun claquement n'étant observé dans cet essai 1.
    Exemple 3
    Partant des résultats des exemples 1 et 2, les inventeurs de la présente invention ont mis au point un dispositif permettant de maintenir, en fin de soudage, lors de l'extinction de la flamme, la vitesse d'écoulement des gaz de combustion à une valeur au moins égale et, de préférence, supérieure à la valeur de vitesse d'écoulement critique (Vc), c'est-à-dire la vitesse de rentrée (Vr) de la flamme dans la buse.
    Ce dispositif est schématisé sur la Figure 7, où l'on voit un dispositif analogue à celui de la Figure 1, mais comportant en plus un circuit de gaz de compensation comprenant une source 8 de gaz comburant de compensation, ici une source d'oxygène, reliée, via une canalisation 8', en un point C situé en aval de la vanne à robinet de réglage 5.
    Le passage du gaz de compensation depuis la source 8 vers la canalisation 1' est commandé par un robinet 9 de réglage.
    Bien que sur la Figure 7, la source 8 de gaz de compensation et la source 2 de gaz comburant (oxygène) soient différentes, il est particulièrement avantageux d'utiliser une même et unique source de gaz comburant (oxygène) comme source 2 de gaz comburant et comme source 8 de gaz de compensation.
    Un tel dispositif est schématisé sur la Figure 14. En effet, sur la Figure 14, on voit que le circuit de gaz de compensation 8' constitue un bipasse B du robinet 5' de réglage de l'alimentation en gaz comburant.
    Plus précisément, un bipasse B aménagé entre les moyens d'alimentation 2' en gaz comburant (oxygène) et les moyens d'alimentation 1' en gaz combustible (acétylène), entre un premier site M situé en amont du robinet de réglage 5' de l'alimentation en gaz comburant et un deuxième site N situé en aval du robinet de réglage 5 de l'alimentation en gaz combustible.
    Le bipasse B comporte, quant à lui, une canalisation ou circuit de gaz 8' et un moyen de commande de bipasse 9, telle une valve de bipasse, permettant de contrôler la pression et/ou le débit de gaz de compensation cheminant dans ledit bipasse B.
    Afin de déterminer le point C (ou le point N, lorsqu'un bipasse B est aménagé comme montré sur la Figure 14) le plus souhaitable en vue d'une injection efficace, voire optimale, du gaz de compensation issu de la source 8 dans le dispositif de soudage, plusieurs sites sont testés en utilisant un chalumeau de soudage couramment accessible dans le commerce, ainsi que représenté sur la Figure 8, qui est un schéma en coupe longitudinale d'un tel chalumeau, montrant la localisation des 3 sites C d'injection testés, à savoir les sites C1, C2 et C3, où :
    • C1 est situé avant l'injecteur d'oxygène, donc en aval de la canalisation 2';
    • C2 est situé dans la chambre d'homogénéisation où s'effectue l'homogénéisation du mélange oxygène/acétylène;
    • C3 est situé dans la partie aval de la canalisation d'alimentation 1' en acétylène, entre l'injecteur et le robinet 5.
    Parmi ces différents sites d'injection, le site C3 est préféré. En effet, lorsque de l'oxygène de compensation est injecté pour compenser la fermeture de l'alimentation en acétylène, en fin de soudage, c'est-à-dire lors de l'extinction de la flamme, de sorte de maintenir la vitesse d'écoulement Ve du flux de gaz supérieure à la vitesse de rentrée Vr de la flamme, le phénomène de claquement ne se produit pas, quel que soit le point d'injection : C1, C2 ou C3, démontrant ainsi l'intérêt et l'efficacité de l'invention.
    Cependant, le site C3 présente plusieurs avantages, à savoir notamment un excellent fonctionnement, un accès facile et la possibilité de maintenir une pression d'injection du gaz de compensation au moins égale à la pression d'alimentation, voire même légèrement inférieure dans le cas d'un mélangeur aspirant; il faut néanmoins veiller à éviter toute remontée d'oxygène de compensation dans la canalisation 1' d'alimentation en acétylène.
    Pour éviter le phénomène de claquement, les solutions alternatives à une injection d'un gaz de compensation pouvant être envisagées sont notamment une augmentation de la pression du gaz comburant acheminé par la canalisation 2' et/ou une limitation du débit du flux de gaz en sortie de buse par un dispositif escamotable.
    Néanmoins, l'injection d'un gaz de compensation, de par sa simplicité de mise en oeuvre, est préférée.
    Afin de pallier toute remontée intempestive de gaz comburant vers la partie amont du circuit de gaz combustible, et réciproquement, il est souhaitable d'agencer dans ces circuits des clapets anti-retour ou des moyens analogues de sécurité remplissant la même fonction. Ainsi, en cas de défaillance du bipasse B par exemple, ce ou ces clapets permettront de limiter, voire de pallier complètement, toute remontée non-souhaitable et potentiellement dangereuse de gaz comburant (oxygène) dans le circuit de gaz combustible (acétylène).
    Exemple 4
    Il ressort des exemples précédents que maintenir la vitesse moyenne d'écoulement Ve du flux de gaz supérieure à la vitesse moyenne de rentrée Vr de la flamme, de préférence, par injection d'un gaz de compensation lors de la fermeture de l'alimentation de la flamme en gaz de soudage permet d'éviter le phénomène de claquement.
    L'exemple 4 vise à déterminer à quel moment doit être effectuée cette injection de gaz de compensation et pendant quelle durée.
    Pour ce faire, les vannes 5, 5' et 9 du dispositif de la Figure 7 ont été remplacées par des électrovannes dont les cycles ou séquences d'ouverture et de fermeture au cours du temps sont schématisés sur la Figure 9. Plus précisément :
    • la courbe Cb1 représente le cycle du contact électrique commandant les électrovannes 5 et 5' : leur ouverture a lieu à l'instant OE et leur fermeture à l'instant FE;
    • la courbe Cb2 représente le cycle de la vanne 5 (vanne acétylène);
    • la courbe Cb3 représente le cycle de la vanne 5' (vanne oxygène);
    • et la courbe Cb4 représente le cycle de la vanne 9 (vanne gaz de compensation : ici de l'oxygène) dont l'ouverture a lieu à l'instant OC et la fermeture à l'instant FC.
    Dans cet exemple, l'injection de l'oxygène de compensation a lieu entre le robinet et l'injecteur (site C3); le diamètre de l'orifice d'injection étant de 0.8 mm.
    Il a été mis en évidence expérimentalement que le cycle des vannes représenté sur la Figure 9 permet d'aboutir à un fonctionnement efficace du dispositif, c'est-à-dire sans phénomène de claquement, lorsque :
    • les instants FE et OC sont décalés, c'est-à-dire espacés dans le temps, de préférence d'une durée t0 d'au plus 1 sec, de préférence d'au plus 0.5 sec;
    • les instants OC et FC, donc la durée d'injection, sont espacés dans le temps d'au moins 0.05 sec et, de préférence, d'au moins 0.1 sec.
    Exemple 5
    Les inventeurs ont démontré, en outre, qu'il est possible d'obtenir une extinction de la flamme sans claquement lorsqu'on effectue un soufflage de celle-ci.
    Dans ce cas et à l'inverse de l'exemple 4, le début de l'injection de gaz de compensation est effectué avant arrêt de l'alimentation de la buse de soudage en lesdits gaz combustible et/ou comburant, de préférence, environ 0,1 secondes avant l'arrêt de l'alimentation de la buse.
    Dans ce cas, afin d'éviter toute remontée intempestive d'oxygène de compensation dans la canalisation d'alimentation en acétylène (combustible), on aménage, comme expliqué ci-avant, dans cette canalisation un clapet anti-retour ayant un temps de réponse adéquat.
    Le fait d'injecter un gaz de compensation au flux de gaz de soudage provoque une augmentation de débit importante (facteur d'augmentation du débit pouvant atteindre 7 pour une buse de 40 l.h-1) pour un même diamètre de buse conduisant alors à un "décrochement" de la flamme de la buse et à son extinction.
    Il faut souligner qu'une combinaison de la technique exposée dans l'exemple 4 et de celle du "soufflage" de l'exemple 5 est tout à fait envisageable.
    En outre, les Figures 10 à 13 représentent des modes de réalisation de dispositifs susceptibles d'être utilisés pour commander l'ouverture et la fermeture des vannes 5, 5' et/ou 9 de la Figure 7 ou de la Figure 14.
    Plus précisément, la Figure 10 représente une vue de dessous d'un dispositif à translation de commande d'ouverture/fermeture des vannes, comportant un corps de distribution 16 muni d'un bouton poussoir 15 susceptible de coulisser en translation le long de guides 14 de bouton poussoir, ainsi dans les directions données par la flèche F, lorsqu'on applique une pression manuelle sur ledit bouton 15, sur lequel est agencée une crémaillère 19.
    Lors de ces déplacements en translation, le bouton 15 confère, via la crémaillère 19, un mouvement de rotation à une roue 17 à pignons 18 autour de l'axe de son tambour 13, laquelle roue porte une came rétractable 20 soumise à une force de rappel par l'intermédiaire d'un ressort de rappel 10, de sorte que la came 19 coopère avec un clapet 12 commandant l'alimentation en oxygène de compensation.
    Par ailleurs, le bouton 15 coopère, via son extrémité arrière 15', avec les clapets 11, 21 et 22, portés par le corps de distribution 16, ainsi que montré sur la Figure 12, laquelle est un schéma en coupe transversale dudit corps 16 selon la ligne A-A.
    Les clapets 11, 21 et 22 commandent respectivement l'alimentation en gaz comburant de compensation (oxygène), gaz comburant (oxygène), gaz combustible (acétylène) et en acétylène permettant d'alimenter une veilleuse d'allumage .
    La Figure 11 est un schéma en coupe longitudinale du dispositif de la Figure 10.
    La Figure 13 représente une demi-vue de côté d'un dispositif à rotation de commande d'ouverture/fermeture des vannes, comportant un corps de distribution 36 muni d'une gâchette 31 d'actionnement susceptible de se déplacer en rotation selon les directions données par la flèche F', lorsqu'on applique une pression manuelle sur celle-ci. Lors de ces déplacements en rotation, la gâchette 31 coopère, notamment, via un cliquet 32, avec 4 clapets 33, 34, 35 et 37. Une pression sur la gâchette 31 permet, d'une part, de commander l'ouverture de l'alimentation en O2 et C2H2 (clapets 33 et 35) et de l'injection de C2H2 vers la veilleuse d'allumage (clapet 34) et, d'autre part, la fermeture de l'alimentation en le flux de O2 de compensation (clapet 37). A l'inverse, un relâchement de la gâchette 31 engendre, d'une part, une fermeture de l'alimentation en O2, en C2H2 et de la veilleuse et, d'autre part, une ouverture du flux de compensation en O2 (clapet 37). Un générateur piézo-électrique 30 permet, en outre, de fournir les étincelles destinées à allumer le mélange gazeux.
    Une coupe selon la ligne C-C dans le corps de distribution 36 présenterait une structure analogue à celle de la Figure 12.
    La présente invention n'est nullement limitée au domaine du soudage, mais peut être également appliquée au coupage, en particulier à l'oxycoupage, au chauffage et aux traitements thermiques divers, ou à tout domaine analogue mettant en oeuvre une torche, un chalumeau ou un brûleur similaire à ceux utilisés en soudage.
    De plus, la présente invention présente l'avantage de diminuer considérablement l'encrassement de la buse et des conduits d'alimentation de celle-ci, étant donné que les retours de flamme engendrant, d'une part, le phénomène de claquement et, d'autre part, cet encrassement ou autres dépôts de suie, sont éliminés ou au moins considérablement limités. Il en résulte alors un chalumeau plus fiable et plus durable que les chalumeaux actuels.

    Claims (14)

    1. Procédé pour minimiser ou supprimer la déflagration se produisant lors de l'extinction de la flamme de combustion d'un flux gazeux comprenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, ledit flux gazeux étant délivré par une buse de chalumeau, dans lequel on maintient, jusqu'à extinction complète de la flamme, la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux sortant de la buse supérieure ou égale à la vitesse moyenne de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse, caractérisé en ce qu'on maintient la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux supérieure ou égale à environ 22 m.s-1.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) par injection, en amont de la buse, d'un gaz de compensation, de préférence, d'un gaz comburant de compensation.
    3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le début de l'injection dudit gaz de compensation est effectué après arrêt de l'alimentation de la buse de soudage en lesdits gaz combustible et/ou comburant.
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une durée maximale de 1 à 5 sec sépare l'arrêt de l'alimentation de la buse et le début de l'injection du gaz de compensation, de préférence une durée inférieure à 0.5 sec.
    5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le début de l'injection de gaz de compensation est effectué avant arrêt de l'alimentation de la buse de soudage en lesdits gaz combustible et/ou comburant.
    6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on effectue l'injection du gaz de compensation de 0,05 à 2 sec avant l'arrêt de l'alimentation de la buse, de préférence environ 0,1 seconde avant ledit arrêt.
    7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue l'injection du gaz de compensation pendant une durée supérieure à 0.02 sec, de préférence supérieure à 0.1 sec.
    8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on maintient la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux supérieure ou égale à environ 25 m.s-1, de préférence supérieure ou égale à environ 27 m.s-1.
    9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz combustible est choisi dans le groupe formé par l'acétylène, le Crylène™, le Tétrène™ ou le propane, et/ou en ce que le gaz comburant est choisi dans le groupe formé par l'oxygène et l'air.
    10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé le gaz compensation est identique au gaz comburant.
    11. Dispositif de soudage ou de coupage mettant en oeuvre un chalumeau muni d'une buse, ladite buse (7) délivrant un mélange de combustion comprenant au moins un gaz combustible et au moins un gaz comburant, et comportant, en outre :
      des moyens d'alimentation (1, 1') en gaz combustible comprenant au moins un conduit (1') d'acheminement de gaz combustible et des moyens de régulation (3, 4, 5) du débit de gaz combustible, de préférence un robinet (5) de réglage du débit de gaz combustible,
      des moyens d'alimentation (2, 2') en gaz comburant comprenant au moins un conduit (2') d'acheminement de gaz comburant et des moyens de régulation (3', 4', 5') du débit de gaz comburant, de préférence un robinet (5') de réglage du débit de gaz combustible,
      et des moyens d'injection (8, 8', 9) d'un gaz de compensation, en amont de la buse (7), permettant de maintenir la vitesse moyenne d'écoulement (Ve) du flux gazeux sortant de la buse supérieure ou égale à la vitesse moyenne de rentrée (Vr) du front de flamme dans ladite buse (7),
      caractérisé en ce que les moyens d'injection (8, 8', 9) de gaz de compensation sont agencés de manière à permettre une injection (8, 8', 9) de gaz de compensation en aval des moyens de régulation (3, 4, 5) du débit de gaz combustible.
    12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens d'injection (8, 8', 9, B) de gaz de compensation comprennent un bipasse (B) reliant les moyens d'alimentation en gaz comburant (2, 2') aux moyens d'alimentation (1, 1') en gaz combustible.
    13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le bipasse (B) est aménagé entre un premier site (M) situé en amont des moyens de régulation (3, 4, 5) du débit de gaz comburant, tel un robinet de réglage de l'alimentation en gaz comburant, et un deuxième site (N) situé en aval des moyens de régulation (3, 4, 5) du débit de gaz combustible, tel un robinet de réglage de l'alimentation en gaz combustible.
    14. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le bipasse (B) comporte un circuit de gaz (8') et un moyen de commande de bipasse (9), telle une valve de bipasse.
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