DE102005044947B4

DE102005044947B4 - Schweißverfahren zum Verbinden von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005044947B4
Application number: DE200510044947
Authority: DE
Inventors: Oliver Ganz; Thomas Bogdahn
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: WO2007039426A1; JP5114409B2; DE102005044947A1; JP2009508789A

Abstract

Schweißverfahren zum Verbinden von einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, indem zwischen Verbindungsflächen der Bauteile (1, 2) eine stoffschlüssige Fügeverbindung erzeugt wird, umfassend ein Einspannen der Bauteile (1, 2) in einer Rotations- und Verschiebeeinrichtung (3), ein Aufeinanderzuführen der Bauteile (1, 2) mittels der Rotations- und Verschiebeeinrichtung (3) in Richtung einer Mittelachse (4), ein gleichzeitiges Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen mittels mindestens eines Heizbrenners (7, 8), ein Aneinanderpressen der Verbindungsflächen gegeneinander unter Bildung eines eine Schweißnaht aufweisenden Bauteil-Verbundes, und ein Abkühlen des Bauteil-Verbundes, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen innerhalb einer Einhausung (5) erfolgt, die einen beidseitig offenen Innenraum (9) umschließt, und die eine Wandung (10, 11) aus Quarzglas aufweist, welche mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht (11) aus hochreinem, opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15...

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren zum Verbinden von einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil aus hochkieseisäurehaltigem Werkstoff, indem zwischen Verbindungsflächen der Bauteile eine stoffschlüssige Fügeverbindung erzeugt wird, umfassend ein Einspannen der Bauteile in einer Rotations- und Verschiebeeinrichtung, ein Aufeinanderzuführen der Bauteile mittels der Rotations- und Verschiebeeinrichtung in Richtung einer Mittelachse, ein gleichzeitiges Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen mittels mindestens eines Heizbrenners, ein Aneinanderpressen der Verbindungsflächen gegeneinander unter Bildung eines eine Schweißnaht aufweisenden Bauteil-Verbundes, und ein Abkühlen des Bauteil-Verbundes.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, umfassend eine Rotations- und Verschiebeeinrichtung zum Einspannen und Bewegen der Bauteile in Richtung einer Mittelachse, und mindestens einen Heizbrenner zum Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich von Verbindungsflächen der Bauteile.
Unter einem hochkieselsäurehaltigen Werkstoff wird hier dotiertes oder undotiertes Quarzglas mit einem SiO₂-Gehalt von mindestens 85% verstanden. Dieser Werkstoff wird im Folgenden auch kurz als „Quarzglas" bezeichnet. Quarzglas zeichnet sich durch einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, durch optische Transparenz über einen weiten Wellenlängenbereich sowie durch hohe chemische und thermische Beständigkeit aus.
Bauteile aus Quarzglas werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise als Halbzeug bei der Herstellung optischer Fasern in Form von Rohren oder Vollzylindern, in der Lampenfertigung als Hüllrohre, Kolben, Abdeckplatten oder Reflektorträger für Lampen und Strahler im ultravioletten, infraroten und sichtbaren Spektralbereich, im chemischen Apparatebau oder in der Halbleiterfertigung in Form von Reaktoren und Apparaturen aus Quarzglas für die Behandlung von Halbleiterbauteilen, Trägerhorden, Glocken, Tiegeln, Schutzschilden oder einfachen Quarzglas-Bauteilen, wie Rohre, Stäbe, Platten, Flansche, Ringe oder Blöcke. Zum Erzeugen besonderer Eigenschaften wird Quarzglas mit anderen Substanzen dotiert, wie etwa mit Titan, Aluminium, Bor oder Germanium.
Häufig stellt sich die Aufgabe, einzelne Quarzglas-Bauteile miteinander zu verbinden, etwa für die Fertigung von Quarzglaskörpern mit komplexer Form oder zur Verbindung mit einem Quarzglaselement, das eine besondere Funktion, erfüllt, wie etwa zur Halterung oder Formgebung. Als Beispiel sei ein Bauteil-Verbund von Quarzglas-Zylindern erwähnt, wie er bei der Herstellung optischer Fasern oder optischen Vorformen in einem Elongierprozess eingesetzt wird. Beim Elongierprozess liegt ein besonderes Augenmerk auf der Anziehphase, während der sich am erweichten Ende des Vorprodukts eine Ziehzwiebel ausformt, aus der das Bauteil mit vorgegebener Geometrie und Sollabmessung abgezogen werden kann. Das Ausformen der Ziehzwiebel erfordert eine gewisse Zeit, die zu Lasten der Ziehofen-Produktivität und – da der Ziehofen während der Anziehphase thermisch hoch belastet wird – auch zu Lasten der Lebensdauer des Ziehofens geht. Mit zunehmendem Außendurchmesser des Vorprodukts nimmt auch der Zeitaufwand für die Anziehphase zu.
Die unproduktive Anziehphase kann beträchtlich verkürzt werden, indem das untere Ende des Vorprodukts vorab mit einer ziehzwiebelähnlichen Außenform versehen wird. Zu diesem Zweck wird in der JP 10-182179 A (1998) vorgeschlagen, an das untere Ende eines zu elongierenden Zylinders aus Quarzglas ein Ansatzstück in Form eines Anzugsrohres mit geringerem Außendurchmesser anzuschweißen. Dadurch wird der Anzieh-Vorgang verkürzt und gleichzeitig der Materialverlust verringert.
In der Regel ist auch am oberen Ende des zu elongierenden Quarzglas-Zylinders ein Bauteil aus Quarzglas angeschweißt, das als Halter dient. Ein für die Herstellung eines derartigen Verbundes geeignetes Verfahren ist in der EP 1 042 241 A1 beschrieben. Zum stoßweisen Verschweißen eines Quarzglasrohres, das als Vorform für eine optische Faser dient, mit einem Dummy-Rohr wird dort vorgeschlagen, die miteinander zu verbindenden stirnseitigen Flächen vor Erzeugung der Schmelzverbindung anzufasen, danach die Verbindungsflächen mittels eines Propan-Sauerstoff-Brenners aufzuschmelzen und die Verbindungsflächen dabei gegeneinander zu pressen. Alternativ zum Propan-Sauerstoff-Brenner kann zum Erweichen der Verbindungsflächen auch ein elektrisch beheizter Ofen eingesetzt werden.
Der Schweißvorgang beinhaltet das Einspannen beider Quarzglas-Bauteile in einer Drehbank, das Aufeinanderzuführen der Quarzglas-Bauteile mittels der Drehbank, das gemeinsame und gleichzeitige Erhitzen und Erweichen der Stirnseiten beider Quarzglas-Bauteile und das anschließende Aneinanderpressen der erweichten Stirnseiten gegeneinander unter Bildung eines eine Schweißnaht aufweisenden Bauteil-Verbundes, und ein Abkühlen des Bauteil-Verbundes auf Umgebungstemperatur.
Sofern erforderlich, wird eine Grafitschablone gegen die erweichte Außenoberfläche gepresst und diese dabei geformt.
Beim Verschweißen von Quarzglas-Bauteilen kann es zu Bildung oder Freisetzung von Verunreinigungen aus der umgebenden Atmosphäre, dem Heizbrenner oder aus Begrenzungswandungen kommen. Dabei können sich Partikel auf den zu verbindenden Quarzglas-Bauteilen und insbesondere auf den erweichten Verbindungsflächen niederschlagen, die schädliche Verunreinigungen darstellen und die bei der Weiterverarbeitung des Verbundes zu Blasen oder anderen Fehlern an Grenzflächen bis hin zu Brüchen führen können.
Außerdem ergibt sich beim Verschweißen leicht eine unerwünschte plastische Verformung im Bereich der Schmelzzone, die durch aufwändige mechanische Nachbearbeitung zwar wieder beseitigt werden kann, wobei jedoch in der Regel Maßabweichungen verbleiben. Derartige plastische Verformungen werden durch ungleichmäßige und undefinierte Heizbedingungen beim Schweißvorgang befördert.
Aus der FR 2 774 372 B1 ist ein kontinuierliches Faserziehverfahren bekannt, bei dem während des Faserziehens zwei übereinandergestapelte Vorformen mit ihren Stirnseiten unter Einsatz eines Hochleistungslasers erweicht und zusammengeschmolzen werden. Hierzu ist eine Vorform-Absenkvorrichtung vorgesehen. Die untere Vorform wird an einem unteren beweglichen Schlitten mittels eines Spannfutters gehalten und kontinuierlich mit einer Translationsgeschwindigkeit V dem Faserziehofen zugeführt. Nach dem stoßweisen Anfügen der oberen Vorform wird diese an einem oberen beweglichen Schlitten mittels eines Spannfutters gehalten und zusammen mit der unteren Vorform kontinuierlich mit der Translationsgeschwindigkeit V nach unten bewegt. Der Laser wird in der Höhenebene des zu verschweißenden Vorformstoßes mitgeführt, indem er während des Ziehprozesses an einer Führungsschiene nach unten bewegt wird. Gleichzeitig kann der Laser um die Faserziehachse rotiert werden. Das Verschmelzen der beiden Vorformen erfolgt innerhalb der Vorform-Absenkvorrichtung, die auf den Ziehofen aufgesetzt ist.
In der DE 23 04 565 C3 ist eine Maschine zum Verbinden von Glasrohren beschrieben. Gemäß dem Ausführungsbeispiel werden zwei Glasrohre an den Stirnseiten eines dritten Glasrohres angeschmolzen. Hierzu wird das mittlere Glasrohr in einem sogenannten „Laufring" gelagert. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen auf Rollen und um die Rohrlängsachse rotierbaren Ring, in dessen Zentrum das Glasrohr eingespannt ist. Das Glasrohr ist somit synchron mit dem Laufring um die Rohrlängsachse rotierbar, wobei seine beiden Stirnseiten frei zugänglich sind. Die anzuschmelzenden Glasrohre sind im Spannfutter einer Drehmaschine fixiert, mittels der sie in der Glasrohr-Längsachse gegeneinander und in Richtung des Glasrohres verschiebbar gelagert sind. Zur Herstellung der Verschmelzung werden die Stirnseiten des Glasrohres mittels zweier Heizer erhitzt, und den erweichten Stirnseiten werden unter synchroner Rotation die Glasrohre zugeführt und mit diesen verschmolzen.
Die vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dem eine feste Schweißnaht zwischen zu verbindenden Quarzglas-Bauteilen exakt und reproduzierbar hergestellt werden kann, wobei Verunreinigungen weitgehend vermeiden werden.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, betriebssichere und kostengünstige Vorrichtung für die Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen Quarzglas-Bauteilen bereit zu stellen, die insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Schweißverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen innerhalb einer Einhausung erfolgt, die einen beidseitig offenen Innenraum umschließt, und die eine Wandung aus Quarzglas aufweist, welche mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht aus hochreinem, opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³, versehen ist.
Erfindungsgemäß werden zum Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich der Verbindungsflächen ein oder mehrere Heizbrenner eingesetzt. Diese Maßnahme bringt im Vergleich zum Einsatz eines elektrischen Ofens für diesen Zweck eine günstigere Energiebilanz und einen geringere Investition für die Anlage mit sich.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt das Erhitzen und Erweichen der Bauteile mittels des Heizbrenners innerhalb einer Einhausung. Die Einhausung dient der Wärmeisolierung und sie wirkt gleichzeitig als Wärmespeicher. Dadurch wird ein örtlich homogenes und zeitlich gleichförmiges Heizprofil erhalten, das sich auf die Güte der Schweißverbindung vorteilhaft auswirkt, und das deren reproduzierbare Herstellung erleichtert. Die Einhausung verringert den Wärmeverlust des Heizbrenners und erleichtert zudem ein definiertes, langsames Abkühlen der miteinander verschweißten Bauteile, so dass thermische Spannungen, die zu Rissen und Brüchen der Schweißnaht führen können, minimiert werden.
Die Einhausung schirmt den Innenraum außerdem von der äußeren Umgebung weitgehend ab, so dass vagabundierende Partikel oder andere Verunreinigungen von der Heizzone weitgehend ferngehalten werden.
Dazu trägt auch bei, dass der Innenraum beidseitig offen ist. Durch die Öffnungen können die zu verbindenden Bauteile in den Innenraum eingeführt werden. Der Innenraum kann von Spülgas durchströmt werden, das Verunreinigungen austrägt.
Insbesondere im Hinblick auf eine hohe Reinheit weist die Einhausung eine Wandung aus Quarzglas auf. Bei Quarzglas handelt es sich in Bezug auf den Werkstoff der zu verbindenden Bauteile um ein arteigenes Material.
Die Wandung selbst kann hierbei aus kostengünstigen, minderwertigem Quarzglas bestehen. Sie ist jedoch mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht aus hochreinem, opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³ versehen. Die Innenschicht aus hochreinem opakem Quarzglas verhindert oder vermindert den Austritt von Verunreinigungen aus der Wandung in Richtung der Heizzone. Unter einem hochreinen Quarzglas wird hier ein Quarzglas verstanden, dessen Gehalt an den Oxiden von Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Ni, Cr und Mn insgesamt weniger als 10 Gew.-ppm beträgt.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenraum in Richtung der Mittelachse gesehen einen runden Querschnitt aufweist.
Der runde Querschnitt des Innenraums erleichtert die Einstellung einer in Bezug auf die Mittelachse des koaxialen Heizprofils und damit ein gleichmäßiges Aufheizen von Bauteilen mit rundem Querschnitt. Außerdem wird die Einstellung einer mehr oder weniger laminaren Spülgas-Strömung in Richtung der Mittelachse vereinfacht und tote Ecken, in denen sich mit der Zeit Verunreinigungen oder Partikel anreichern können, werden vermieden.
Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn die Wandung der Einhausung im Wesentlichen aus opakem Quarzglas besteht, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist.
Die Opazität des Quarzglases verbessert die wärmeisolierende Wirkung der Einhausung und erleichtert somit die Einstellung eines homogenen und zeitlich gleichbleibenden Temperaturprofils im Bereich der Heizzone. Dabei ist der Einsatz von Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoffen aus Kostengründen gegenüber synthetischem Quarzglas zu bevorzugen. Opake Quarzglas-Rohre sind für diesen Zweck besonders geeignet und beispielsweise unter dem Handelsnamen „Rotosil" der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG, Hanau preiswert im Handel erhältlich. Bei der Herstellung opaker Rohre aus Quarzglas bildet sich in der Regel herstellungsbedingt eine transparente, dichte Oberflächenschicht an der dem Heizelement beim Verglasen nächstliegenden Oberfläche aus. Diese Oberflächenschicht ist maximal 3 mm dick und beeinträchtigt die wärmeisolierende Wirkung der ansonsten opaken Wandung nicht.
Bei dem hochreinen Quarzglas kann es sich um synthetisch erzeugtes Quarzglas handeln. Aus Kostengründen wird jedoch eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der das hochreine Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff erhalten wird, der einer Heißchlorierung unter chlorhaltiger Atmosphäre unterzogen worden ist.
Alternativ dazu hat es sich auch bewährt, wenn das hochreine Quarzglas aus opakem Quarzglas aus Rohstoff erzeugt wird, der durch Nassvermahlen von amorpher SiO₂-Körnung erhalten worden ist. Derartiges Quarzglas mit einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³ ist beispielsweise unter dem Handelsnamen „OM 100" der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG, Hanau im Handel erhältlich. Das Quarzglas ist aus SiO₂-Teilchen gesintert, die eine Teilchengröße im Bereich bis maximal 500 μm, vorzugsweise maximal 100 μm, aufweisen, wobei SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm den größten Volumenanteil ausmachen. Die Teilchen werden in einem Schlickerverfahren durch Nassmahlen gröberer amorpher Teilchen erzeugt, wobei sich durch Wechselwirkungen untereinander bereits im hochdichten, wässrigen Schlicker Wechselwirkungen zwischen den SiO₂-Teilchen ausbilden, welche die Stabilität des Schlickers verbessern und die Dichte des resultierenden opaken Quarzglases erhöhen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke der Innenschicht im Bereich von 10 bis 12 mm liegt.
Je dicker die Innenschicht ist, um so effektiver ist ihre Wirkung in Bezug auf die Vermeidung einer Kontamination der zu verbindenden Bauteile; sie wird andererseits wegen des Einsatzes von hochwertigem Rohstoff für die Erzeugung der Innenschicht auch um so teuerer. Der genannte Dickenbereich stellt einen geeigneten Kompromiss zwischen diesen Anforderungen dar.
Der Heizbrenner kann innerhalb der Einhausung angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Verfahrensvariante, bei der der mindestens eine Heizbrenner durch eine seitliche Öffnung der Einhausung in den Innenraum hineinragt.
Der Heizbrenner ist somit im Wesentlichen außerhalb der Einhausung angeordnet. Die wärmeisolierende Wandung der Einhausung schirmt den Heizbrenner und die Medienzufuhrleitungen vor der Hitze der Heizzone ab. Außerdem stört der Heizbrenner dadurch einen etwaigen Spülgasstrom durch die Einhausung nicht oder nur wenig.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn dem Heizbrenner gereinigte Luft zugeführt wird.
Dadurch wird sicher gestellt, dass der mindestens eine Heizbrenner reine Luft ansaugt, so dass eine Kontamination der zu verbindenden Bauteile durch Partikel und dergleichen weitgehend vermieden wird.
Vorteilhafterweise ist die Einhausung mehrteilig ausgebildet.
Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Montage der Einhausung. Außerdem wird dadurch die Wartung einfacher und kostengünstiger, da lediglich verbrauchte Teile der Einhausung ausgetauscht werden müssen.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Abkühlen des Bauteil-Verbundes innerhalb der Einhausung erfolgt.
Die Einhausung gewährleistet ein vergleichsweise langsames Abkühlen des auf Prozesstemperatur aufgeheizten Bauteil-Verbundes. Insoweit kann die Einhausung die Funktion eines Temperofens übernehmen.
Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen und Erweichen der Bauteile bei einer Prozesstemperatur oberhalb von 2200 °C, wobei das Abkühlen von der Prozesstemperatur auf eine Temperatur von 1000 °C eine Zeitspanne von mindestens 5 Minuten erfordert.
Durch ein vergleichsweise langsames Abkühlen des Bauteil-Verbundes von der Prozesstemperatur werden thermische Spannungen minimiert.
Bei einer Ausführungsform der Einhausung mit rundem Querschnitt hat sich eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der die miteinander zu verschweißenden Bauteile Zylinderform aufweisen, wobei das Verhältnis zwischen dem maximalen Zylinder-Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Innenraumes im Bereich zwischen 1,5 und 3, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 2,5 eingestellt wird.
Es hat sich gezeigt, dass der dabei verbleibende Ringspalt zwischen Einhausung und Bauteil-Mantelfläche hinsichtlich des Wärmetransfers und einer etwaigen Spülgas-Strömung optimal ist.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Einhausung vorgesehen ist, innerhalb der dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen erfolgt, und die einen beidseitig offenen Innenraum umschließt, und die eine Wandung aus Quarzglas aufweist, welche mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht aus hochreinem opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³ versehen ist.
Mittels einem oder mehrerer Heizbrenner wird eine Heizzone erzeugt, innerhalb der das Erhitzen und Erweichen der Bauteile im Bereich ihrer Verbindungsflächen erfolgt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Heizzone innerhalb einer Einhausung vorgesehen. Die Einhausung dient der Wärmeisolierung und sie wirkt gleichzeitig als Wärmespeicher. Dadurch wird ein örtlich homogenes und zeitlich gleichförmiges Heizprofil erhalten, das sich auf die Güte der Schweißverbindung vorteilhaft auswirkt, und das deren reproduzierbare Herstellung erleichtert. Die Einhausung verringert den Wärmeverlust des Heizbrenners und erleichtert zudem ein definiertes, langsames Abkühlen der miteinander verschweißten Bauteile, so dass thermische Spannungen, die zu Rissen und Brüchen der Schweißnaht führen können, minimiert werden.
Die Einhausung schirmt den Innenraum außerdem von der äußeren Umgebung weitgehend ab, so dass vagabundierende Partikel oder andere Verunreinigungen von der Heizzone weitgehend ferngehalten werden.
Dazu trägt auch bei, dass der Innenraum beidseitig offen ist. Durch die Öffnungen können die zu verbindenden Bauteile in den Innenraum eingeführt werden. Außerdem kann der Innenraum von Spülgas durchströmt werden, das Verunreinigungen austrägt.
Insbesondere im Hinblick auf eine hohe Reinheit weist die Einhausung eine Wandung aus Quarzglas auf. Bei Quarzglas handelt es sich in Bezug auf den Werkstoff der zu verbindenden Bauteile um ein arteigenes Material.
Die Wandung selbst kann hierbei aus kostengünstigen, minderwertigem Quarzglas bestehen. Sie ist jedoch mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht aus hochreinem, opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³ versehen. Die Innenschicht aus hochreinem opakem Quarzglas verhindert oder vermindert den Austritt von Verunreinigungen aus der Wandung in Richtung der Heizzone. Unter einem hochreinen Quarzglas wird hier ein Quarzglas verstanden, dessen Gehalt an den Oxiden von Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Ni, Cr und Mn insgesamt weniger als 10 Gew.-ppm beträgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einhausung in Form eines Muffelrohres in einer Ansicht auf dessen Mantelfläche, und
2 das Muffelrohr gemäß 1 in einer Ansicht auf dessen Stirnseite.
Die Vorrichtung gemäß den 1 und 2 dient zum stirnseitigen Anschweißen eines Halters in Form eines Quarzglas-Rohres 1 an einen Hohlzylinder 2. Der herzustellende Verbund aus Quarzglas-Rohr 1 und Hohlzylinder 2 ist dazu vorgesehen, in Verbindung mit einem sogenannten Kernstab, der in die Innenbohrung des Hohlzylinders 2 eingesetzt wird, zu einer Vorform für optische Fasern oder direkt zu der optischen Faser elongiert zu werden.
Das Quarzglas-Rohr 1 besteht aus Quarzglas geringerer Qualität, das beispielsweise größere Mengen an Verunreinigungen, Blasen, usw., enthalten kann. Das Quarzglas-Rohr 1 weist bei gleichem Innendurchmesser eine etwas dünnere Wandstärke als der Quarzglas-Zylinder 2 auf. Während des Elongierprozesses wird der Hohlzylinder 2 mittels des Quarzglas-Rohres 1 im Ziehofen gehalten und/oder das Quarzglas-Rohr 1 dient zum Anziehen beim Elongieren. Hierzu ist der Quarzglas-Hohlzylinder 2 an einem Ende oder an beiden Enden mit einem derartigen Quarzglas-Rohr versehen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Drehbank, in deren Spannfutter 3 einerseits das Quarzglas-Rohr 1 und andererseits der Hohlzylinder 2 so eingespannt sind, dass ihre Mittelachsen 4 koaxial zueinander verlaufen und sich die zu verschweißenden Stirnseiten gegenüberliegen. Das Erhitzen und Erweichen der sich gegenüberliegenden Bereiche von Quarzglas-Rohr 1 und Hohlzylinder 2 erfolgt innerhalb eines Muffelrohres 5 aus opakem Quarzglas, das einen Innendurchmesser „D" von 400 mm aufweist. Das Muffelrohr 5 ist dreiteilig ausgebildet und beidseitig offen. Das Mittelteil weist in seiner Seitenwand eine Öffnung 6 auf, durch die zwei Heizbrenner 7, 8 in den Innenraum 9 hineinragen.
Das Muffelrohr 5 besteht aus einem rohrförmigen Basiskörper 10 aus Quarzglas, welches aus natürlich vorkommendem Quarz erschmolzen ist, und das unter der Bezeichnung „Rotosil" im Handel erhältlich ist. Das Muffelrohr 5 ist über seine gesamte Länge mit einem Längsschlitz versehen, der als Dehnungsfuge dient. Die dem Innenraum 9 zugewandte Innenseite des Basiskörpers 10 ist von einer Innenschicht 11 mit einer Schichtdicke von 10 bis 12 mm belegt, die aus Quarzkörnung höherer Qualität erschmolzen ist. Dabei handelt es sich um Körnung aus natürlich vorkommendem Quarzsand, der unter der Bezeichnung "IOTA Standard" in bereits vorgereinigter Form im Handel erhältlich ist (Lieferant: Firma Unimin Corp., USA). Der bereits vorgereinigte Quarzsand wird vor seinem Einsatz zum Erschmelzen der Innenschicht einem weiteren Reinigungsprozess in chlorhaltiger Atmosphäre bei hoher Temperatur (ca. 900 °C) unterzogen. In Tabelle 1 sind die typischen Verunreinigungen von IOTA-Standard vor und nach der Heißchlorierung zu entnehmen.
Tabelle 1
Die Konzentrationsangaben in Tabelle 1 beziehen sich auf Gew.-ppb. Die Verunreinigungsgehalte wurden mittels ICP-OES gemessen.
Alternativ dazu wird das Muffelrohr 5 aus hochreinem, opakem Quarzglas aus einem Werkstoff erzeugt, der unter dem Handelsnamen „OM 100" der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG, Hanau im Handel erhältlich ist. Das opake Quarzglas ist aus SiO₂-Teilchen gesintert, die eine mittlere Teilchengröße von etwa 60 μm aufweisen, und die in einem Schlickerverfahren durch Nassmahlen gröberer amorpher Teilchen erzeugt worden sind. Dieses opake Quarzglas zeichnet sich durch hohe Reinheit und eine Dichte im Bereich um 2,16 g/cm³ aus.
An der den Heizbrennern 7, 8 gegenüberliegenden Seite ist die Innenseite des Muffelrohres 5 mit einem einfachen, halbschalenförmigen Einlegeteil 13 aus hochreinem Quarzglas belegt, welches das konstruktiv vergleichsweise aufwändigere Mittelteil des Muffelrohres 5 vor Hitzeeinwirkung schützt und das außerdem die Wärmekapazität des Gesamtaufbaus erhöht und damit die Temperaturverteilung innerhalb des Muffelrohres 5 vergleichmäßigt.
Halter (in der Figur nicht dargestellt) aus hochreinem Grafit dienen zur Positionierung und Fixierung des Muffelrohres 5.
Oberhalb des Muffelrohres 5 ist eine Absaugung 12 vorgesehen, die sich teilweise entlang der stirnseitigen Öffnungen des Muffelrohres 5 erstreckt und mittels der das heiße Abgas abgesaugt wird.
Weiterhin ist um den Brennermund der Heizbrenner 7, 8 eine (in der 1 nicht dargestellte) Zufuhr für Reinstluft vorgesehen, die sicherstellt, dass die beiden Heizbrenner 7, 8 nur reine Luft ansaugen, so dass Kontaminationen der zu verbindenden Bauteile 1, 2 weitgehend vermieden wird. Die Heizbrenner 7, 8 sind aus Quarzglas gefertigt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand den 1 und 2 näher erläutert:
Ein Quarzglas-Rohling wird anhand des bekannten OVD-Verfahrens durch Verdampfen von hochreinem Siliziumtetrachlorid und Flammenhydrolyse in einer Knallgasflamme hergestellt. Dabei werden SiO₂-Partikel auf einem rotierenden Quarzglasstab abgeschieden, wodurch ein großvolumiges poröses Soot-Material erhalten wird, das anschließend bei 1600°C unter Bildung des Quarzglas-Rohlings verglast wird. Beide Enden des Quarzglas-Rohlings werden abgeschnitten und die äußere Umfangsfläche mittels einer Zylinderschleifmaschine geschliffen. Daraus wird ein Quarzglas-Hohlzylinder erhalten, indem der Quarzglas-Rohling unter Einsatz einer Kernbohrmaschine durchbohrt wird. Der so erhaltene Quarzglas-Hohlzylinder weist einen Außendurchmesser von 180 mm und einen Innendurchmesser von 50 mm auf und wird abschließend einer Ätzbehandlung in Flusssäure unterzogen und mit reinem Wasser gespült und getrocknet.
Zur Verbindung dieses hochwertigen Hohlzylinders 2 mit einem Quarzglas-Rohr 1 aus Quarzglas geringerer Reinheit werden Hohlzylinder 2 und Quarzglas-Rohr 1 mit koaxialen Mittelachsen 4 in die Futter 3 der Drehbank eingespannt und mittels des Drehbank-Antriebs aufeinander zubewegt, so dass sie sich innerhalb des Muffelrohres 5 im Wirkungsbereich der Heizbrenner 7, 8 gegenüberliegen. Die der Schweißstelle zugewandten Bereich werden mittels der Heizbrenner 7, 8 während einer Dauer von 20 Minuten auf eine Temperatur um 2200 bis 2300 °C erhitzt, dabei erweicht, wobei gleichzeitig die Stirnflächen von Hohlzylinder 2 und Quarzglas-Rohr 1 gegeneinander gepresst werden. Dabei werden durch die Bohrungen von Hohlzylinder 2 und Quarzglas-Rohr 1 ein Sauerstoffstrom geleitet.
Das Muffelrohr 5 gewährleistet eine homogene Temperaturverteilung während des Schweißvorgangs. Nach dessen Abschluss verbleibt der so hergestellte Bauteil-Verbund (2, 1) für ca. 10 Minuten innerhalb des Muffelrohres 5 und kühlt dabei langsam auf eine Temperatur unterhalb von 1000 °C ab.
Statische Zugfestigkeitsmessungen ergaben, dass keine Brüche im Bereich der Schweißstelle auftraten, sogar wenn die maximale Testlast in Höhe von 3 Tonnen angelegt wurde.
In einer alternativen Verfahrensweise, die sich insbesondere zum Verschweißen großer Bauteile als günstig erwiesen hat, sind die Heizbrenner 7, 8 nicht parallel zueinander angeordnet, sondern im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen um die Wandung des Muffelrohres 5 verteilt. Dadurch wird die Hitzeeinwirkung der Heizbrenner 7, 8 auf einen größeren Flächenbereich des Muffelrohres 5 verteilt und diese dadurch thermisch weniger belastet. Die Heizbrenner 7, 8 können sich beispielsweise an der Muffelrohr-Wandung gegenüberliegen.

Claims

Schweißverfahren zum Verbinden von einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, indem zwischen Verbindungsflächen der Bauteile (1, 2) eine stoffschlüssige Fügeverbindung erzeugt wird, umfassend ein Einspannen der Bauteile (1, 2) in einer Rotations- und Verschiebeeinrichtung (3), ein Aufeinanderzuführen der Bauteile (1, 2) mittels der Rotations- und Verschiebeeinrichtung (3) in Richtung einer Mittelachse (4), ein gleichzeitiges Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen mittels mindestens eines Heizbrenners (7, 8), ein Aneinanderpressen der Verbindungsflächen gegeneinander unter Bildung eines eine Schweißnaht aufweisenden Bauteil-Verbundes, und ein Abkühlen des Bauteil-Verbundes, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen innerhalb einer Einhausung (5) erfolgt, die einen beidseitig offenen Innenraum (9) umschließt, und die eine Wandung (10, 11) aus Quarzglas aufweist, welche mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht (11) aus hochreinem, opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³, versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (9) in Richtung der Mittelachse (4) gesehen einen runden Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Wandung (10, 11) aus opakem Quarzglas besteht, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochreine Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff erhalten wird, der einer Heißchlorierung unter chlorhaltiger Atmosphäre unterzogen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochreine Quarzglas aus Rohstoff erzeugt wird, der durch Nassvermahlen von amorpher SiO₂-Körnung erhalten worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Innenschicht (11) im Bereich von 10 bis 12 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heizbrenner (7, 8) durch eine seitliche Öffnung (6) der Einhausung (5) in den Innenraum (9) hineinragt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heizbrenner gereinigte Luft zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (5) mehrteilig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des Bauteil-Verbundes innerhalb der Einhausung (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) bei einer Prozesstemperatur oberhalb von 2200 °C erfolgt, und dass das Abkühlen von der Prozesstemperatur auf eine Temperatur von 1000 °C eine Zeitspanne von mindestens 5 Minuten erfordert.
Verfahren nach Anspruch 2 und einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verschweißenden Bauteile (1, 2) Zylinderform aufweisen, und dass das Verhältnis zwischen dem maximalen Zylinder-Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Innenraumes (9) im Bereich zwischen 1,5 und 3, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 2,5 eingestellt wird.
Vorrichtung für die Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, umfassend eine Rotations- und Verschiebeeinrichtung (3) zum Einspannen und Bewegen der Bauteile (1, 2) in Richtung einer Mittelachse (4), und mindestens einen Heizbrenner (7, 8) zum Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich von Verbindungsflächen der Bauteile (1, 2), dadurch gekennzeichnet, eine Einhausung (5) vorgesehen ist, innerhalb der dass das Erhitzen und Erweichen der Bauteile (1, 2) im Bereich der beiderseitigen Verbindungsflächen erfolgt, und die einen beidseitig offenen Innenraum (9) umschließt, und die eine Wandung (10, 11) aus Quarzglas aufweist, welche mit einer freien Oberfläche in Form einer Innenschicht (11) aus hochreinem opakem Quarzglas einer Dichte im Bereich zwischen 2,15 und 2,18 g/cm³ versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (9) in Richtung der Mittelachse (4) gesehen einen rundem Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (10) der Wandung (10, 11) aus opakem Quarzglas besteht, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Innenschicht (11) im Bereich von 10 bis 12 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heizbrenner (7, 8) durch eine seitliche Öffnung (6) der Einhausung (5) in den Innenraum (9) hineinragt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr gereinigter Luft zu dem mindestens einen Heizbrenner (7,8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (5) mehrteilig ausgebildet ist
Vorrichtung nach Anspruch 14 und einem oder mehreren der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verschweißenden Bauteile (1, 2) Zylinderform aufweisen, und dass das Verhältnis zwischen dem maximalen Zylinder-Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Innenraumes im Bereich zwischen 1,5 und 3, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 2,5 beträgt.