CS255210B1 - Welding method device for thick-walled pipes or rods made of silica glass with high purity welding - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu svařování silnostěnných trubic případně tyčí z křemenného skla vysoké čistoty pomocí elektrického odporového ohřevu, svařování a následného vychlazení. Vynález se týká též zařízení k provádění tohoto způsobu, které zahrnuje elektrickou odporovou pec s topným elementem a nejméně jedním průhledítkem a rovněž prostředky sloužící k upevnění centrování a protilehlému synchronnímu posuvu obou svařovaných trubic nebo tyčí.

Svařováni silnostěnných trubic nebo tyčí je zpravidla využíváno při výrobě trubic nebo tyčinek (resp. vláken např. pro optické sdělování) z vysoce čistého křemenného skla metodou bezkontaktního.tažení, která je popsána v publikaci I. Fanderlíka Křemenné sklo a jeho využití v praxi, SNTL, Praha 1985. K tažení se používá předrobek, tzv. preforma, v podobě silnostěnné trubice nebo tyče z křemenného skla vysoké čistoty, případně záměrně dopovaného, jde-li o tažení vláken pro optické sdělování, vhodné délky, zpravidla od 0,5 m do několika metrů, kterou z technického nebo ekonomického hlediska helze zpravidla získat v jediné operaci tavení ve vhodné délce. Dále se postupy svařování využívají' i při připojování zbytku preforem z předchozích operací tažení k novým preformám, čímž se zvyšuje ekonomický efekt výroby a zhodnocuje surovina.

Ke svařování trubic nebo tyčí vyrobených z křemenného i jiného technického skla se používá celá řada způsobů popsaných např. G. Wenglerem v časopisu Schweistechnik 24, č. 1, 1974 str. 15 až 18. Způsoby svařování se liší především použitým druhem ohřevu a z toho vyplývajícího charakteru procesu. Je známo svařování plamenem, nebo svařováni elektrické, např. odporové, elektrickým obloukem, doutnavým výbojem, plazmou a nebo svařování absorbcí záření, např. svazkem elektronů a laserem. Avšak způsoby svařování plamenem jsou nevhodné pro nebezpečí kontaminace vysoce čistého křemenného skla OH skupinami z vodních par v plameni a dále neumožňují dosažení dostatečně reprodukovatelného režimu vychlazení, tj. odstranění trvalých napětí ve svaru, což je v případě silnostěnných trubic nebo tyčí ze skla zvláště důležité.

Při použití způsobu svařování elektrickým obloukem, plazmou, nebo absorpcí je sice odstraněna možnost kontaminace skla, avšak k vychlazení svaru by bylo potřeba dalšího zařízení, např. elektrické odporové pece. Dále v případě svařování silnostěnných trubic případně tyčí z křemenného skla velkých průměrů plamenem, elektrickým obloukem, plazmou a laserem je třeba zabezpečit dostatečnou ochranu obsluhy před účinky světelného a tepelného záření, účinky splodin hoření plynů, těkání oxidu křemičitého SiO₂, a to poměrně náročným zařízením.

V autorském osvědčení SSSR č. 943 097 je popsán způsob svařování dutých skleněných výrobků, při kterém je prováděn ohřev obvodu konců svařovaných trubic, které jsou k sobě přitisknuty. Při tomto způsobu svařování ohřev svařování i vychlazení svaru probíhají v jediném zařízení, a to v muflové peci, která tvoří rozebíratelnou formu. Její vnitřní stěny jsou v trvalém kontaktu s vnějším povrchem svařovaných trubic. Vyrovnání švu svaru zevnitř trubice se provádí mechanickým trnem tak, aby se odstranila deformace svaru a trubice v jeho okolí. Tím nutně dochází ke kontaminaci skla materiálem muflové pece nebo trnu.

Uvedené nevýhody se odstraňují nebo podstatně omezí způsobem svařování trubic nebo tyčí podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se provádí současný ohřev čelních ploch konců svařovaných trubic, případně tyčí, protilehle a synchronně k sobě posouvaných v pracovním prostoru s podélným teplotním gradientem vzrůstajícím směrem od protilehlých míst počátečního ohřevu k oblasti svařování. Bezkontaktní odporový ohřev, svařování i následné vychlazení probíhají v jednom pracovním prostoru a v atmosféře inertního plynu.

K provádění způsobu slouží zařízeni podle vynálezu sestávající z elektrické odporové pece a prostředků k centrování, souosému upevnění a protilehlému a synchronnímu posuvu obou svařovaných trubic nebo tyčí. Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že

3· elektrická odporová pec je vybavena svisle umístěným trubkovitým topným elementem z nekovového vodivého materiálu opatřeného na jeho obou čelních stranách elektrodami. Vnitřní dutá válcovitá plocha topného elementu vytváří pracovní prostor opatřený alespoň dvěma vnitřními přívody inertního plynu a nejméně jednou protitahovou clonou. Vnější plocha topného elementu spolu s vnitřním pláštěm pece vymezují vnější prostor, opatřený alespoň jedním přívodem inertního plynu. Dále zařízení zahrnuje pro každou z dvojice svařovaných trubic resp. tyčí vždy jeden samostatný centrovací mechanismus s výhodou sestávající nejméně ze tří centrováních koleček a kromě toho jednu samostatnou samostředící svorku, připevněnou k pojezdové ploše, která je pomocí matic připojena ke svislým šroubovým hřídelům navzájem propojeným pohonným hřídelem. Oba pohonné hřídele jsou připojeny k jedné pohonné jednotce, s výhodou prostřednictvím soustavy převodů a spojek.

Způsobem podle vynálezu lze svařovat silnostěnné trubice nebo tyče z vysoce čistého křemenného skla bez nebezpečí kontaminace tohoto skla, nebot se provádí bezplamenným a bezkontaktním elektrickým odporovým ohřevem v ochranné atmosféře vysoce čistého inertního plynu. Bezprostředně po svařování se provádí v zařízení podle vynálezu bez jakékoliv další manipulace, nebo použití dalšího zařízení, vychlazení svarového spoje a jeho okolí za účelem odstranění trvalých napětí. Zařízení podle vynálezu zajišťuje přesné souosé upevnění, vedení, centrováni, a synchronní protilehlý posuv obou svařovaných trubic nebo tyčí od fáze ohřevu až k fázi jejich kontaktu. Svařování je vhodné pro trubice nebo tyče větších průměrů, např. 50 až 200 mm, a délky až několik metrů bez komplikovaných' upínacích rotujících částí, typických pro sklářské soustruhy. Uvedený způsob i zařízení zabezpečují ochranu obsluhy před účinky světelného a tepelného záření, nebo splodin hoření, resp. těkáni oxidu křemičitého SiO₂·

Příkladné provedení je popsáno dále a je schematicky znázorn i.o na připojených výkresech, z nichž představuje obr. 1 axonometrický pohled na zařízení s nárysným osovým řezem pecí a obr. 2 průběh rozložení teplot v topném elementu.

Elektrická odporová pec 2 (obr. 1) kruhového průřezu je izolována vhodným vláknitým materiálem. Její topný element 2 na bázi grafitu vysoké čistoty umístěný ve svislé ose pece 2 tvar trubky s konstantním vnitřním průměrem a proměnlivým vnějším průměrem.

Vnější průměr topného elementu 2 je nejnlžší v jeho střední části a směrem k oběma okrajům topného elementu 2 vzrůstá. K čelním plochám topného elementu 2_ vytváří prostor 5 tvaru dutého válce, který má konstantní průměr a který je opatřený dvěma vnitřními přívody 2» inertního plynu a protitahovou clonou 2· Vnější povrch topného elementu 2 s vnitřním pláštěm pece _1 vymezuji vnější prostor 9' ^do něhož vyúsťuje vnější přívod 10 inertního plynu. Pec _1 je vybavena nejméně jedním průhledítkem 11 k optickému měření teplot pyrometrem 12. V konkrétním příkladě provedení je průhledítko 11 umístěno ve střední části pece 2 a slouží rovněž k vizuální kontrole svaru. Zařízení dále zahrnuje mechanismy umístěné na neznázorněné konstrukci zařízení, sloužící k upevnění a vyvozování protilehlého a synchronního posuvu obou svařovaných trubic 13' 14, ^v příkladném provedení znázorněných tyčí 13a, 14a. Pro dolní svařovanou křemennou tyč 13a zahrnuje zařízení dolní vodící centrovací mechanismus _1_5, s výhodou sestávající nejméně ze tří vodicích dolních centrovacích koleček 151, umístěných v jedné horizontální rovině, a dále dolní samostředící svorku 17 připevněnou k dolní pojezdové ploše 19. Dolní pojezdová plocha 19 je prostřednictvím dvou matic 21, 22 připojena ke dvěma svislým protilehlým oboustranně otočným dolním šroubovým hřídelům 25, 26.

Oba dolní šroubové hřídele 25, 26 jsou navzájem propojeny dolní pohonnou hřídelí 29. Obdobně zařízeni zahrnuje v tomtéž provedení pro horní svařovanou tyč 14a samostatný horní centrovací mechanismus 16 tvořený nejméně třemi horními centrovacíml kolečky 161 a dále samostatnou horní samostředící svorku 18 na horní pojezdové ploše 20, připojené pomocí matic 23, 24 na horní šroubové hřídele 27, 28 navzájem propojené horním pohonným hřídelem 30. Dolní pohonný hřídel 29 a horní pohonný hřídel 30 jsou připojeny prostřednictvím soustavy převodů 31, 32 a spojek 33 a 34 na jednu pohonnou jednotku 35.

Zařízení funguje následovně

Nejprve je třeba souose upevnit obě svařované křemenné tyče 13a a 14a do průchozích samostředících svorek 17 a 2®· Cela těchto tyčí 13a a 14a, určených ke svařování, musí být kolmo zaříznuta nejlépe diamantovou pilou s maximální přesností pokud možno bez záštipů a nerovností a chemicky odleptána tak, aby byla vyloučena povrchová krystalizace. Přesné vedeni svařovaných tyčí 13a a 14a je zajištěno příslušnými vodícími centrovacími mechanismy 15 a 16 ovládanými ručně. K pohonu šroubových hřídelů 25, 26, 27, 28 je použito jedné pohonné jednotky 22' např. stejnosměrného nebo krokového motoru s elektronickým řízením otáček s možností reverzací chodu, a k jemnému nastavení základních poloh slouží ruční pohon. K vnitřnímu i vnějšímu povrchu topného elementu 2 se přivádí inertní plyn vysoké čistoty pod mírným tlakem během celého procesu, od fáze ohřevu až po fázi kontaktu, svařování a. vychlazení. Po nastavení svařovaných tyčí 13a, 14a do základní polohy I (obr. 1) se pec 2 vyhřeje. Topný element 2 s proměnlivým průřezem zajištuje vhodný průběh teplot po délce pracovního prostoru 2 tak, jak je např. uvedeno na obr. 2, kde na svislé ose je znázorněno výška h topného elementu 2, na vodorovné ose teplota t.

Nejnižší teplota je potom na obou protilehlých koncích pracovního prostoru 5, zvyšuje se ve směru protilehlého posuvu obou tyčí 13a a 14a, a nejvyšší je v oblasti svařování.

V horizontálním směru je teplotní gradient konstantní. V pracovním prostoru 5 v poloze I jsou čelní plochy svařovaných tyčí 13a a 14a vyhřáty nejvýše na transformační teplotu. Poté se posunou čela tyčí 13a a 14a do polohy II, kde je potřeba zpravidla jen velmi krátké prodlevy tak, aby se sálavým teplem vyhřála obě svařovaná čela na teplotu cca 1 900 °C pouze ve vrstvě několika milimetrů a aby současně nedošlo k deformaci jejich povrchu působením viskozního toku skla.

Posunutím do polohy III dojde ke stisknutí tyčí 13a a 14a a vytvoření svarového spoje. V téže poloze III dojde řízeným ochlazením k vychlazení svaru, kterým se odstraní trvalé napětí ve svaru a jeho okolí. Následuje samovolné ochlazení svaru, které lze urychlit zvýšeným prouděním inertu, např. vyřazením protitahové clony 2 ^z vnitřního přívodu 6.

Ve svařováni tyčí 13a a 14a lze dále 'semikontinuálně postupovat do libovolné délky svařence. Po vytvoření prvního svaru, tedy prvního svařence, se uvolní spodní tyč 13a, svařeneo se zvedne a do dolní samostředící svorky 17 se upevní nová tyč 13a, která svařenec podepře, svařenec se upne za svou spodní část do horní samostředící svorky 2®' ^a °^^a nové svařované polotovary se upevní do základní polohy I.

Claims (2)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Způsob svařování silnostěnných trubic, případně tyčí, z křemenného skla vysoké čistoty pomocí elektrického odporového ohřevu, následného svaření a vychlazení, vyznačený tím, že se provádí současný bezkontaktní ohřev čelních ploch konců svařovaných < trubic, případně tyčí, protilehle a synchronně k sobě posouvaných v pracovním prostoru s podélným teplotním gradientem vzrůstajícím směrem od protilehlých míst počátečního ohřevu k oblasti svařování, přičemž ohřev, svařoyáni a vychlazení probíhají v jednom pracovním prostoru v atmosféře inertního plynu.

2. Zařízeni k provádění způsobu podle bodu 1, sestávající z elektrické odporové pece s topným elementem a nejméně jedním průhledítkem a vně pece umístěnými prostředky k centrování, souosému upevnění a protilehlému posuvu obou svařovaných trubic, případně tyčí, vyznačené tím, že elektrická odporová pec (1) je vybavena svisle umístěným trubkovitým elementem (2) z nekovového vodivého materiálu, opatřeným na obou čelných stranách elektrodami (3, 4), jehož vnitřní válcovitá plocha vymezuje pracovní prostor (5), opatřený alespoň dvěma vnitřními přívody (6, 7) inertního plynu a nejméně jednou protitahovou clonou (8), a jehož vnější plocha s vnitřním pláštěm pece (1) vymezuje vnější prostor (9), opatřený nejméně jedním vnějším přívodem (10) inertního plynu, a dále je vybavena pro každou z dvojice svařovaných trubic (13 a 14) nebo tyčí (13a a 14a) samostatným centrovacím mechanismem (15 a 16), s výhodou sestávajícím nejméně ze tří vodicích centrovacích koleček (151 a 161), a mimoto samostatnou průchozí samostředící svorku (17 a 18), připevněnou k příslušné pojezdové ploše (19 a 20) připojené ke svislým oboustranně otočným šroubovým hřídelům (25, 26 a 27, 28) navzájem propojený příslušným pohonným hřídelem (29 a 30), přičemž oba pohonné hřídele (29 a 30) jsou připojeny k jedné pohonné jednotce (35), s výhodou prostřednictvím soustavy převodů (31 a 32) a spojek (33, 34).