Спосіб газового зварювання металів з використанням пальних газів – замінників ацетилену

Изобретение относится к способам шовной газовой сварки металлов, плавлением свариваемых кромок изделия с помощью пламени, получаемого при сжигании горючих газов - заменителей ацетилена, например метана, пропана, бутана в смеси с кислородом. Способ может быть использовано при сварке и нагреве металлов в машиностроении. Известен способ газовой сварки металлов с применением газов - заменителей ацетилена, включающий подачу в горелку сварочных газов (кислорода и горючего газа) в соотношении a = 0,5-0,6 от количества, необходимого для полного сгорания горючего газа, их смешение, нагрев смеси, формирование струи нагретой смеси, подачу ее в сварочное пламя, полное сгорание горючего газа за счет кислорода окружающего воздуха, нагрев и расплавление сварочным пламенем места сварки, формирование сварочного шва [Ґлизманенко Д.Л. Газовая сварка и резка металлов. - М.: Высшая школа, 1969, с.104-114]. Известен также способ работы газосварочной горелки на газах - заменителях ацетилена [Авт.св. СССР № 596780, кл. F 23 D 13/42, 1974], включающий подачу в горелку горючего газа и кислорода, их смешение, подогрев и полное сжигание газа в сварочном пламени. По этому способу для подогрева сварочных газов часть горючей смеси из основного ее потока отводят в подогревающее сопло, образующее дополнительное пламя, омывающее снаружи подогревающую камеру, через которую проходит основной поток смеси, Известными способами принципиально невозможно существенно повысить теплотворную способность топлива и соответственно увеличить температуру сварочного пламени за счет предварительного подогрева сварочных газов из-за опасности самовоспламенения горючей смеси при ее нагреве в смесительной части горелки, т.е. до выхода смеси в зону сварочного пламени. Минимальная температура самовоспламенения, например, бутана составляет 430° С. С этим связано ограничение температуры нагрева горючей смеси в подогревающей камере сварочной горелки при реализации известного метода следующими пределами -300360° С. При этом температура свароч-tior о пламени повышается лишь на 300-330° С что недостаточно для полноценной замены ацетилена газами - заменителями ацетилена в сварочном производстве. Для решения данной проблемы подогрев смеси нужно повысить до температуры 800-1000° С, что известными способами газовой сварки сделать невозможно, поскольку привело бы к самовозгоранию смеси в теле горелки и ее разрушению. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа газовой сварки металлов с использованием горючих газов - заменителей ацетилена, в котором в результате изменения порядка проведения операций - смешения и подогрева сварочных газов - обеспечивается возможность существенного увеличения количества тепла, выделяющегося при сжигании нагретой горючей смеси газа - заменителя ацетилена и кислорода и за счет этого увеличивается температура сварочного пламени, что позволяет расширить область применения способа. Поставленная задача решена тем, что в способе газовой сварки металлов с использованием горючих газов - заменителей ацетилена и кислорода в качестве окислителя, включающем подачу, смешение и подогрев сварочных газов и последующее их полное сжигание в среде окружающего воздуха, а также нагрев и расплавление сварочным пламенем места сварки и формирование сварочного шва, согласно изобретению, смешение сварочных газов осуществляют после подогрева кислорода и газов -заменителей ацетилена в отдельности, а подогретую смесь перед полным сжиганием в воздухе подвергают частичному сжиганию в кислороде с одновременным нагревом продуктов сгорания до температуры 627-1227° С. Дополнительным отличительным признаком является осуществление смешения при отношении количества подаваемого кислорода к теоретически необходимому для полного сгорания горючего газа, равном 0,3-0,35. Предварительный раздельный нагрев сварочных газов позволяет нагреть их до температур значительно более высоких, чем при нагреве их смеси, поскольку в последнем случае произойдет их самовоспламенение в горелке, что вызовет ее разрушение. Одновременный дополнительный нагрев образующейся смеси - кислорода и газов - заменителей ацетилена - необходим потому, что химическая реакция (конверсия), происходящая при смешении горячих компонентов смеси, идет с поглощением тепла, поэтому требуется дополнительный подогрев. В результате раздельного подогрева сварочных газов и дополнительного подогрева образовавшейся после раздельного нагрева смеси температура пламени достигает величины, которую невозможно получить ни в одном из известных способов. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Потоки сварочных газов (метан, пропан-бутан) и кислорода, каждый в отдельности, подогревают до температуры 627-1227° С. При этом отношение количества подаваемого кислорода к количеству сжигаемого горючего газа составляет 0,3-0,35 от теоретически необходимого для полного сгорания горючего газа. Нагретые потоки сварочных газов в указанном соотношении смешивают и во время смешения дополнительно нагревают до температуры 627-1227° С. Причем одновременно со смешением происходит частичное сжигание нагретого топлива, т.е. конвертирование с образованием водорода, монооксида углерода и ацетилена. Продукты конверсии горючего газа формируют в виде струи, которая за счет эжекции подсасывает воздух из окружающей среды, и сгорает в сварочном пламени полностью, обеспечивая достижение температуры пламени, необходимой для сварки металла. Пример 1. Отдельные потоки метана и кислорода при соотношении расходов кислорода к метану a= 0,25 (см. таблицу) подогревают до температуры 20° С, затем смешивают и частично конвертируют при температуре 627° С с образованием газообразных продуктов сжигания, состав которых представлен в таблице. Полученный газ смешивают с воздухом и полностью сжигают с образованием диоксида углерода и паров воды в сварочном пламени при минимальной температуре 2327° С. Примеры 2, 3. То же, что и в примере 1, но - при температуре подогрева 627, 1227° С. При этом получают максимальную температуру сварочного пламени 3027, 3627° С соответственно, при полном сжигании газа. Остальные показатели см. в таблице. Пример 4. Потоки сварочных газов подогревают а отдельности при a= 0,3 до температуры 20° С и проводят операции, описанные в примере 1. Максимальная температура сварочного пламени 2427° С. Остальные показатели см. в таблице. Примеры 5, 6. То же, что и в примере 4, но при температуре подогрева 627, 1227° С. Максимальная температура сварочного пламени 3127, 3727° С соответственно. Остальные показатели см. в таблице. Пример 7. Потоки сварочных газов подогревают в отдельности при a= 0,35 до температуры 20° С и проводят операции, описанные в примере 1. Максимальная температура сварочного пламени 2527° С. Остальные показатели см. в таблице. Примеры 8, 9. То же, что и в примере 7, но - при температуре подогрева 627, 1227° С. Максимальная температура сварочного пламени 3227,3737° С соответственно. Остальные показатели см. в таблице. Пример 10. Потоки сварочных газов подогревают в отдельности при a= 0,4 до температуры 20° С и проводят операции, описанные в примере 1. Максимальная температура сварочного пламени 2627° С. Остальные показатели см. в таблице. Примеры 11, 12. То же, что и в примере 7, но при a= 0,4 и температуре подогрева 627, 1227° С. Максимальная температура сварочного пламени 3327, 3867° С соответственно. Остальные показатели см. в таблице. Из данных таблицы следует, что достаточно высокая температура сварочного пламени достигается при отношении кислорода к горючему газу 0,25-0,35 от теоретически необходимого для полного сгорания метана при температуре подогрева сварочных газов 627-1227° С. Однако при а выше 0,35 температура сварочных газов повышается и температура продуктов конверсии достигает верхнего допустимого уровня, при котором невозможна достаточно длительная эксплуатация смесительного устройства без разрушения его стенок. Таким образом, оптимальными (рекомендуемыми) условиями осуществления способа являются отношение кислорода к горючему газу, равное 0,25-0,35 от теоретически необходимого для полного сгорания и температура подогрева сварочных газов 627-1227° С. Предварительный подогрев сварочных газов, например метана и кислорода, до их смешения (раздельно) при указанных соотношениях горючего газа и окислителя позволяет повысить температуру сварочного пламени до достаточно высокого уровня. Использование способа обеспечивает более интенсивное сгорание предварительно конвертированного горючего газа, который после конверсии состоит в основном из водорода, теплотворная способность которого и скорость горения являются высокими, поскольку конвертированные сварочные газы подают в зону сварочного пламени предварительно подогретыми.