JP4438517B2 - 石英ガラス管部材の溶接方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の石英ガラス管部材を溶接棒を用いることなく効率よくかつ簡便に溶接することができるようにした石英ガラス管部材の溶接方法及び装置に関する。
一般に、一対の石英ガラス管部材を溶接する方法としては、ハンドバーナ及び石英ガラス製の溶接棒を使用し、この溶接棒を溶融することによって石英ガラス管部材同士を接合する方法がとられており、この方法は比較的容易に石英ガラス製品を製造することができるという有利さがある。しかし、その反面、溶接棒を溶融した溶融体を溶接部位に充分に溶着させることが必要で、熟練した作業者の経験と技能を必要とし、作業時間が長くなるという不利があった。
特に最近は、シリコンウェーハの大口径化が図られているために、シリコンウェーハを熱処理する石英ガラス治具、例えば炉心管等を構成する石英ガラス管の口径も大きくなり、大口径の石英ガラス管同士を角度を付けた状態で溶接する作業を行う必要性が出てきており、このような大口径の石英ガラス管同士を互いに角度の付いた状態で従来と同様に熟練した作業者がハンドバーナと溶接棒を用いて溶接することは長時間の多大な労力を必要とするようになり、石英ガラス管の溶接を機械的に行う方法及び装置が待望されるようになっていた。
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、溶接棒を用いずに、簡便かつ機械的に石英ガラス管部材同士を溶接することができるようにした石英ガラス管部材の溶接方法及び装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の石英ガラス管部材の溶接方法は、相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接する装置を用いる溶接方法であり、一方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ他方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第１可動支持手段と、他方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ一方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第２可動支持手段と、前記一対の石英ガラス管部材の相対向する部位を加熱溶融することができるように前記第１可動支持手段と第２可動支持手段との間に設けられかつ多数のバーナーヘッドをそのノズルが内方に向くように環状に配設したリングバーナ手段とからなる石英ガラス管部材の溶接装置を用いるとともに、前記石英ガラス管部材を所定の間隔をおいて対置させる工程と、前記石英ガラス管部材の溶接部位を周囲から均一に加熱溶融する工程と、前記一対の石英ガラス管部材の溶融した溶接部位を所定の押圧力によって突き合わせかつ押し合わせて溶着する工程と、からなる相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接する方法であって、前記一対の石英ガラス管部材が７５度以上１８０度未満の角度で対向させて溶接されるようにし、前記押圧力が前記一対の石英ガラス管部材を移動させることによって生ずる外力であって両方向からの同等の外力であり、前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に対して溶着を完全とするためにハンドバーナ手段を用いて馴染ませ処理を施すとともに、前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に盛り上がり凸部が形成されこの形成された凸部を押し込んで形状調整するようにし、かつ前記リングバーナ手段を用いて前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに有することを特徴とする。
本発明方法によれば、一対の石英ガラス管部材を互いに直線状に溶接することもできるが、一対の石英ガラス管部材を所定角度で溶接することは手作業で行う場合は困難性を増すので、一対の石英ガラス管部材を所定角度、例えば７５度以上１８０度未満で対向させて溶接する際に特に効果的なものである。
前記押圧力は前記一対の石英ガラス管部材を移動させることによって生ずる外力であって、両方向からの同等の外力であることが好ましい。この外力としては、一方の石英ガラス管部材を固定しておき、他方の石英ガラス管部材を移動させることによって生じた外力でもよいし、また両方の石英ガラス管部材を移動させる場合でも両方向からの外力が不均等であってもよい。
前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に対して溶着を完全とするためにハンドバーナ手段を用いて馴染ませ処理を施すのが好ましい。
前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に盛り上がり凸部が形成され、この形成された凸部をハンドバーナ手段を用いカーボン小手等によって押し込んで形状調整するのが好適である。
前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに実施するのが望ましい。
本発明の石英ガラス管部材の溶接装置は、相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接するために用いられる装置でありかつ本発明の石英ガラス管部材の溶接方法を実施するための装置であって、一方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ他方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第１可動支持手段と、他方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ一方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第２可動支持手段と、前記一対の石英ガラス管部材の相対向する部位を加熱溶融することができるように前記第１可動支持手段と第２可動支持手段との間に設けられかつ多数のバーナーヘッドをそのノズルが内方に向くように環状に配設したリングバーナ手段とからなることを特徴とする。
前記リングバーナ手段が前記石英ガラス管部材の溶接部位に対して等距離を維持するように設けられ、換言すれば該リングバーナ手段のバーナ火炎投射位置に該溶接部位を位置させて該リングバーナ手段からバーナ火炎によって該溶接部位が均一に加熱されるように構成する。
前記リングバーナ手段が所定角度の範囲内で正転逆転を繰り返すように作動させ、石英ガラス管部材の溶接部位にバーナ火炎がより均一に作用するようにさせて均一加熱の一層の向上を図ることができる。
本発明方法によれば、溶接棒を用いずに、簡便かつ機械的に石英ガラス管部材を溶接することができるという効果が達成される。本発明装置は、本発明方法の実施に有効に用いられる。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
図１は本発明に係る石英ガラス管部材の溶接装置の斜視説明図である。図２は本発明に係る石英ガラス管部材の溶接方法の手順の１例を示す模式図である。図１において、１０は本発明に係る石英ガラス管部材の溶接装置である。この溶接装置１０は、基台１２を有している。この基台１２の中央部には中央支持台１４が突設されている。この中央支持台１４を介在して、基台１２の前端側部分には第１平坦部１６が形成され、基台１２の後端側部分には第２平坦部１８が形成されている。
前記第１平坦部１６の上面には、一対の第１ガイドレール２０，２０が長手方向に相対向して設けられ、前記第２平坦部１８の上面には上記一対の第１ガイドレール２０，２０に対応して一対の第２ガイドレール２２，２２が長手方向に相対向して設けられている。
２４は第１可動支持手段で、前記第１ガイドレール２０，２０上に移動自在に設置されている。第１可動支持手段２４は、第１ガイドレール２０，２０上に移動自在に設けられた第１移動ブロック２６及びこの第１移動ブロック２６の上面に水平方向に回動可能に取り付けられた第１支持部材２８から構成されている。この第１支持部材２８の上面には第１石英ガラス管部材Ａを支持するための支持凹部２８ａが穿設されている。
３０は第２可動支持手段で、前記第２ガイドレール２２，２２上に移動自在に設置されている。第２可動支持手段３０は、第２ガイドレール２２，２２上に移動自在に設けられた第２移動ブロック３２及びこの第２移動ブロック３２の上面に水平方向に回動可能に取り付けられた第２支持部材３４から構成されている。この第２支持部材３４の上面には第２石英ガラス管部材Ｂを支持するための支持凹部３４ａが穿設されている。
３６はリングバーナ手段で、円環状のリング体３８及びこのリング体３８の内周面に設けられた多数のバーナヘッド４０から構成されている。このリングバーナ手段３６は、前記中央支持台１４の上面に設けられた支持凹部４２を介して回転自在に支持され、所定角度の範囲内で正転逆転を繰り返す動作ができるように構成されている。なお、前記第１可動支持手段２４及び第２可動支持手段３０は、不図示のハンドルの操作によってリングバーナ手段３６を中心に左右同量ずつ移動できるように構成するのが望ましい。
上記した構成により、以下にその作用を説明する。第１可動支持手段２４に支持された第１石英ガラス管部材Ａの溶接位置、即ち一方の端面Ａ1と第２可動支持手段３０に支持された第２石英ガラス管部材Ｂの溶接部位、即ち一方の端面Ｂ1とをリングバーナ手段３６のバーナ火炎Ｆによって溶融する［図２（ａ）］。この溶融にあたっては、リングバーナ手段３６を所定角度の範囲内で正転逆転を繰り返すように作動させることによって溶融部位Ａ1，Ｂ1に均一な加熱が行われるようにするのが好適である。
この溶融部位Ａ1，Ｂ1を第１及び第２可動支持手段２４，３０を互いに接近するように移動させて溶融部位Ａ1，Ｂ1を所定の押圧力によって突き合わせかつ押し合わせることによって溶着させる［図２（ｂ）］。この時、溶融部位Ａ1，Ｂ1を衝突させる外力でもって突き合わせかつ押し合わせることで溶接部分には盛り上がり凸部Ｃが形成される。
この溶着された石英ガラス管部材ＷABの溶着部分Ｄに対して溶着を完全とするためにハンドバーナ手段（図示せず）を用い、そのバーナ火炎Ｇ1，Ｇ2によって管の内外から石英ガラス管部材ＷABを加熱し馴染ませ処理を施すものである［図２（ｃ）］。
次に、前記盛り上がり凸部Ｃに対してハンドバーナ手段（図示せず）を用いそのバーナ火炎Ｇ3及びカーボン小手４４によって形状調整することによって平坦化処理が行われる［図２（ｄ）］。
なお、必要に応じて、リングバーナ手段３６を用いて、この溶接した石英ガラス管部材の溶接部分を軟化加熱させることによって熱歪みの分散を行うことができる。リングバーナ手段３６で、溶接部分及びその近傍部分を石英ガラスの軟化点近くまで加熱することで、溶接によって生じた熱歪みを分散させることができ、溶接石英ガラス管部材の割れの発生がなくなる。
続いて、本発明に係る石英ガラス管部材の溶接方法について図１に示した本発明の溶接装置を参照しつつ、図２及び図３を用いて説明する。図３は本発明に係る石英ガラス管部材の溶接方法の工程順の１例を示すフローチャートである。
まず、一対の石英ガラス管部材Ａ，Ｂを所定の間隔をおきかつ所定の角度（例えば、７５度〜１８０度）で対置させる（図３のステップ１００）。つまり、第１可動支持手段２４に一方の石英ガラス管部材Ａを角度を持たせて支持させ、第２可動支持手段３０に他方の石英ガラス管部材Ｂを角度を持たせて支持させる。第１可動支持手段２４に支持された第１石英ガラス管部材Ａ及び第２可動支持手段３０に支持された第２石英ガラス管部材Ｂを互いに接近するように移動させることによって第１及び第２石英ガラス管部材Ａ，Ｂを所定間隔をおきかつ所定の角度（例えば、７５度〜１８０度）で対置させることができる。
次に、リングバーナ手段３６を用いて第１及び第２石英ガラス管部材Ａ，Ｂの溶接部位Ａ1，Ｂ1を均一に加熱溶融する［図２（ａ）、図３のステップ１０２］。第１及び第２可動支持部材２４，３０に支持された第１及び第２石英ガラス管部材Ａ，Ｂを互いに移動させることによって溶融した溶接部位Ａ1，Ｂ1を所定の速度を持たせて突き合わせかつ押し合わせて押圧状態とし、外周面に突出した盛り上がり凸部Ｃを形成した状態で溶着し、第１及び第２石英ガラス管部材Ａ，Ｂを所定の角度で溶接して溶接石英ガラス管部材ＷABを作成する［図２（ｂ）、図３のステップ１０４］。上記した突き合わせの態様としては、両方の石英ガラス管部材を移動させる場合について説明したが、一方の石英ガラス管部材を固定しておき、他方の石英ガラス管部材のみを移動させることもできる。
この溶着された石英ガラス管部材ＷABの溶着部分Ｄに対して溶着を完全とするためにハンドバーナ手段（図示せず）を用いそのバーナ火炎Ｇ1，Ｇ2によって馴染ませ処理を施す［図２（ｃ）、図３のステップ１０６］。図２（ｃ）において、バーナ火炎Ｇ1は溶接石英ガラス管部材ＷABの内面に投射されかつバーナ火炎Ｇ2は溶接石英ガラス管部材ＷABの外面に投射された場合が示されている。
次に、前記溶接石英ガラス管部材ＷABの盛り上がり凸部Ｃに対してはハンドバーナ手段（図示せず）及びカーボン小手４４を用いて形状調整し平坦とする［図２（ｄ）、図３のステップ１０８］。図２（ｄ）において、Ｇ3はハンドバーナ手段のバーナ火炎である。
この溶接石英ガラス管部材ＷABに対して、必要に応じて、リングバーナ手段３６を用いてその溶接部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる（図３のステップ１１０）。その後、この溶接石英ガラス管部材を冷却し（図３のステップ１１２）、溶接石英ガラス管部材ＷABを完成させる（図３のステップ１１４）。この冷却の方法としては特別の限定はないが、例えば、溶接ガラス管部材ＷABを大気中に放置して自然冷却させればよい。
上記した実施の形態においては、第１可動支持手段２４及び第２可動支持手段３２により石英ガラス管部材Ａ、Ｂの双方を互いに移動させつつ突き合わせかつ押し合わせる場合を示したが、第１可動支持手段２４及び第２可動支持手段３０のいずれか一方を固定し、他方のみを移動させて突き合わせかつ押し合わせることも可能である。
１０：石英ガラス管部材の溶接装置、１２：基台、１４：中央支持台、１６：第１平坦部、１８：第２平坦部、２０：第１ガイドレール、２２：第２ガイドレール、２４：第１可動支持手段、２６：第１移動ブロック、２８：第１支持部材、２８ａ：支持凹部、３０：第２可動支持手段、３２：第２移動ブロック、３４：第２支持部材、３４ａ：支持凹部、３６：リングバーナ手段、３８：リング体、４０：バーナヘッド。
Claims (4)
- 相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接する装置を用いる溶接方法であり、一方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ他方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第１可動支持手段と、他方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ一方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第２可動支持手段と、前記一対の石英ガラス管部材の相対向する部位を加熱溶融することができるように前記第１可動支持手段と第２可動支持手段との間に設けられかつ多数のバーナーヘッドをそのノズルが内方に向くように環状に配設したリングバーナ手段とからなる石英ガラス管部材の溶接装置を用いるとともに、前記石英ガラス管部材を所定の間隔をおいて対置させる工程と、前記石英ガラス管部材の溶接部位を周囲から均一に加熱溶融する工程と、前記一対の石英ガラス管部材の溶融した溶接部位を所定の押圧力によって突き合わせかつ押し合わせて溶着する工程と、からなる相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接する方法であって、前記一対の石英ガラス管部材が７５度以上１８０度未満の角度で対向させて溶接されるようにし、前記押圧力が前記一対の石英ガラス管部材を移動させることによって生ずる外力であって両方向からの同等の外力であり、前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に対して溶着を完全とするためにハンドバーナ手段を用いて馴染ませ処理を施すとともに、前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分に盛り上がり凸部が形成されこの形成された凸部を押し込んで形状調整するようにし、かつ前記リングバーナ手段を用いて前記溶着された石英ガラス管部材の溶着部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに有することを特徴とする石英ガラス管部材の溶接方法。
- 相対向する一対の石英ガラス管部材を溶接するために用いられる装置でありかつ請求項１記載の石英ガラス管部材の溶接方法を実施するための装置であって、一方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ他方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第１可動支持手段と、他方の石英ガラス管部材を角度を持たせて支持しかつ一方の石英ガラス管部材方向に移動可能に支持する第２可動支持手段と、前記一対の石英ガラス管部材の相対向する部位を加熱溶融することができるように前記第１可動支持手段と第２可動支持手段との間に設けられかつ多数のバーナーヘッドをそのノズルが内方に向くように環状に配設したリングバーナ手段とからなることを特徴とする石英ガラス管部材の溶接装置。
- 前記リングバーナ手段が前記石英ガラス管部材の溶接部位に対して等距離を維持するように設けられることを特徴とする請求項２記載の石英ガラス管部材の溶接装置。
- 前記リングバーナ手段が所定角度の範囲内で正転逆転を繰り返すようにしたことを特徴とする請求項２又は３記載の石英ガラス管部材の溶接装置。
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