JP5114409B2 - Welding method for joining components made of high silica material and apparatus for carrying out the method - Google Patents

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Description

本発明は、第1構成材と少なくとも1つの高シリカ材料から成る第2構成材を、これらの構成材の接合面間で一体接合を形成することにより接合する溶着方法であって、回転移動手段に構成材をクランプする工程、中心軸の方向において回転移動手段により構成材を移動させる工程、少なくとも1つの加熱バーナーの手段により第1構成材および第2構成材の相互の接合面の領域を同時に加熱、軟化し、接合面を互いに押し付けて溶着継ぎ目を持つ構成材アッセンブリを形成する工程、そしてその構成材アッセンブリを冷却する工程を含む溶着方法に関するものである。   The present invention is a welding method for joining a first constituent material and a second constituent material made of at least one high silica material by forming an integral joint between the joint surfaces of these constituent materials, and a rotational movement means The step of clamping the component material to the substrate, the step of moving the component material by means of rotational movement in the direction of the central axis, and the region of the joint surface between the first component material and the second component material simultaneously by means of at least one heating burner The present invention relates to a welding method including a step of forming a component assembly having a welded seam by heating and softening, and pressing joint surfaces to each other, and a step of cooling the component assembly.

さらに本発明は、第1構成材と高シリカ材料から成る少なくとも1つの第2構成材を溶着接合する装置であって、構成材をクランプし、中心軸の方向において動かす回転移動手段と、構成材の相互の接合面の領域を加熱軟化する少なくとも1つの加熱バーナーとを備えた装置に関するものである。   Furthermore, the present invention is an apparatus for welding and joining a first constituent material and at least one second constituent material made of a high silica material, the rotational movement means for clamping the constituent material and moving it in the direction of the central axis, and the constituent material The present invention relates to an apparatus including at least one heating burner for heating and softening a region of the mutual bonding surface.

ここで、高シリカ材料とは、SiO含有量が少なくとも85%である、ドープした、もしくはドープしていない石英ガラスである。この材料は以下で単に「石英ガラス」と称する。石英ガラスは、熱膨張率が小さく、広範な波長にわたって光学的に透明であり、そして化学的、熱的抵抗性が高い。 Here, a high silica material is a doped or undoped quartz glass having a SiO 2 content of at least 85%. This material is hereinafter simply referred to as “quartz glass”. Quartz glass has a low coefficient of thermal expansion, is optically transparent over a wide range of wavelengths, and has high chemical and thermal resistance.

石英ガラス構成材は多くの用途があり、例えば光ファイバーを製造するときの中空もしくは中実なシリンダーの形の半製品、ランプ製造ではスリーブ・チューブ、バルブ、カバープレートもしくはランプの反射板支持体、紫外線、赤外線そして可視スペクトル範囲での発光体、化学装置構成体または半導体製造では、半導体要素を処理する石英ガラスのリアクターや装置、ジグ、ベル・ジャー、坩堝、保護シールドもしくは簡単な石英ガラス構成材、例えばチューブ、ロッド、プレート、フランジ、リングもしくはブロックがある。特殊な特性とするときには他の物質を、例えばチタニューム、アルミニューム、ホウ素、ゲルマニュームを石英ガラスにドープする。   Quartz glass components have many uses, for example, semi-finished products in the form of hollow or solid cylinders when manufacturing optical fibers, sleeves, tubes, bulbs, cover plates or lamp reflector supports for lamp manufacturing, UV In the infrared and visible spectral range emitters, chemical equipment components or semiconductor manufacturing, quartz glass reactors and equipment for processing semiconductor elements, jigs, bell jars, crucibles, protective shields or simple quartz glass components, For example, a tube, rod, plate, flange, ring or block. For special characteristics, quartz glass is doped with other materials such as titanium, aluminum, boron, and germanium.

個別の石英ガラス構成材を相互に接合することがしばしば求められる。例えば、複雑な形の石英ガラス体をつくったり、特殊な機能を持たせるため石英ガラス構成材に接合したり、他にも取り付けや整形などがある。参照例としては、伸張プロセスで光ファイバーや光プリフォームをつくるときに用いられる石英ガラスシリンダーの構成材アッセンブリがある。この伸張プロセスでは、引っ張り段階で、その引っ張りの間その半製品の端部に延伸バルブが形成されることが特に重要であり、その延伸バルブからその構成材は延伸されて所定の形状と寸法とになる。延伸バルブの形成には多少の時間がかかり、それは延伸炉の生産能を犠牲にすることになり、また、延伸炉は引っ張り段階では非常に熱的ストレスがかかっているので、延伸炉の稼動寿命を犠牲にすることになる。半製品の外直径が大きくなると引っ張り段階で消費される時間も増大する。   It is often required to bond individual quartz glass components together. For example, a quartz glass body having a complicated shape is formed, bonded to a quartz glass component to have a special function, and there are other attachments and shaping. As a reference example, there is a quartz glass cylinder component assembly used when making optical fibers and optical preforms in a stretching process. In this stretching process, it is particularly important that a stretching valve is formed at the end of the semi-finished product during the tensioning stage, from which the component is stretched to a predetermined shape and size. become. It takes some time to form the drawing valve, which sacrifices the production capacity of the drawing furnace, and because the drawing furnace is very thermally stressed during the pulling stage, the service life of the drawing furnace Will be sacrificed. As the outer diameter of the semi-finished product increases, the time spent in the pulling stage also increases.

延伸バルブに似た外形を先ず半製品の下端につくっておくと、非生産的引っ張り段階をかなり短縮できる。このため特開平10−182179(1998)で提案されていることは、伸張しようとする石英ガラスシリンダーの下端に直径の小さいダミーチューブの形の取付片を溶着しておくことである。このことが引っ張りプロセスを短縮し、そして同時に材料の損失を少なくする。   If a profile similar to a stretch valve is first created at the lower end of the semi-finished product, the non-productive pulling step can be considerably shortened. Therefore, what is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-182179 (1998) is to weld a mounting piece in the form of a dummy tube having a small diameter to the lower end of a quartz glass cylinder to be stretched. This shortens the pulling process and at the same time reduces material loss.

一般に、ホルダーとして働く石英ガラスの構成材も伸張しようとする石英ガラスシリンダーの上端に溶着される。そのようなアッセンブリをつくるのに適した方法がEP1042241A1に記載されている。光ファイバーのプリフォームである石英ガラスチューブをダミーチューブに突き合わせ溶着するのに提案されていることは、互いに接合しようとしている前面を溶着接合形成前に面取りしておき、そしてその後で、プロパン/酸素バーナーの手段により接合面を溶着し、そしてそれから接合面を相互に押し付けることである。プロパン/酸素バーナーに代わるものとして、接合面を軟化する電気加熱炉を使うこともできる。   In general, a component of quartz glass that serves as a holder is also welded to the upper end of a quartz glass cylinder that is to be stretched. A suitable method for making such an assembly is described in EP1042241A1. It has been proposed to butt weld a quartz glass tube, which is an optical fiber preform, to a dummy tube by chamfering the front surfaces to be joined to each other before forming the welded joint, and then a propane / oxygen burner. Welding the joining surfaces by means of and then pressing the joining surfaces together. As an alternative to a propane / oxygen burner, an electric furnace that softens the joint surface can also be used.

溶着プロセスは、両方の石英ガラス構成材を旋盤の手段でクランプする工程、石英ガラス構成材を互いに向けて移動させる工程、石英ガラス構成材の面を突き合わせ、同時に加熱、軟化し、そしてその軟化した面を互いに押し付けて溶着継ぎ目を持った構成材アッセンブリを形成する工程、およびその構成材アッセンブリを周囲温度まで冷却する工程を含んでいる。   The welding process consists of clamping both quartz glass components with lathe means, moving the quartz glass components towards each other, butting the surfaces of the quartz glass components together, heating, softening and softening Forming a component assembly having weld seams by pressing the surfaces together and cooling the component assembly to ambient temperature.

必要なら、軟化した外面にグラファイト・テンプレートを押し付け、そしてその面をこのプロセス中に整形する。   If necessary, press the graphite template against the softened outer surface and shape the surface during this process.

石英ガラス構成材を溶着するときに、周囲環境、加熱バーナーもしくは境壁から不純物を形成もしくは放出することもある。これらの粒子は、接合しようとする石英ガラス構成材に、特に軟化接合面に沈着されるが、これらの粒子は有害な不純物であって、アッセンブリをその後さらに処理する際に境界面で泡や他の傷となり、もしくは破壊さえ生じることがある。   When the quartz glass component is welded, impurities may be formed or released from the surrounding environment, a heating burner, or a boundary wall. These particles are deposited on the quartz glass component to be joined, especially on the softened joint surface, but these particles are harmful impurities and can cause bubbles and other substances at the interface during further processing of the assembly. May cause damage or even destruction.

さらに、溶着中、望ましくない塑性変形が溶解区域で生じがちである。その変形は面倒な機械的工作でなくせるが、寸法の狂いが出てくるのが普通である。そのような変形は溶着プロセス中、不規則で不確定な加熱条件によって促進される。   Furthermore, during welding, undesirable plastic deformation tends to occur in the melting zone. The deformation can be eliminated by troublesome mechanical work, but it is normal for the dimensions to be distorted. Such deformation is facilitated by irregular and uncertain heating conditions during the welding process.

本発明の目的は、不純物を大きく回避して、接合しようとする石英ガラス構成材間に正確な、そして再現可能な仕方で堅固な溶着継ぎ目をつくる方法を提供することである。   It is an object of the present invention to provide a method of creating a tight weld seam in an accurate and reproducible manner between the quartz glass components to be joined, greatly avoiding impurities.

本発明の別の目的は、石英ガラス構成材間に溶着継ぎ目をつくる、簡単で、信頼できる動作で、廉価でもある装置を提供することであって、この装置は本発明の方法を実施するのに特に適している。   Another object of the present invention is to provide a simple, reliable and inexpensive device for creating a weld seam between quartz glass components, which device implements the method of the present invention. Especially suitable for.

方法について言えば、この目的は、上述の溶着方法から出発して、本発明に従って達成され、この本発明において、構成材は、内部を包囲する包囲体内で相互接合面の領域において加熱、軟化され、この包囲体は中心軸において互いに対向する開口を含み、それらの開口を通して内部に溶着しようとする構成材が突入し、そして包囲体は高純度の石英ガラスの内側層の形の自由面が設けられた石英ガラスの壁を備えている。   With regard to the method, this object is achieved according to the invention starting from the welding method described above, in which the component is heated and softened in the region of the interconnection surface within the surrounding enclosure. The enclosure includes openings opposite to each other in the central axis, through which the components to be welded enter, and the enclosure is provided with a free surface in the form of an inner layer of high purity quartz glass With quartz glass walls.

本発明に従い、1つもしくは幾つかの加熱バーナーが、構成材を接合面の領域で加熱、軟化するために用いられる。この目的で電気炉を使った場合に比較して、加熱バーナーの使用ではシステムにおけるエネルギーバランスはよく、そして資本投下は少なくてすむ。   In accordance with the present invention, one or several heating burners are used to heat and soften the component in the area of the joint surface. Compared to using an electric furnace for this purpose, the use of a heated burner provides a better energy balance in the system and requires less capital investment.

先行技術と対照的なことは、構成材は、包囲体の内側で加熱バーナーの手段により加熱、軟化される。包囲体は、熱絶縁として作用し、同時に蓄熱槽としても働く。このことが時間で一定し、局所的に均一な加熱プロフイールを生じ、そして溶着継ぎ目の品質を高め、再現性を容易とする有利な効果を奏している。包囲体は、加熱バーナーの熱損失を軽減し、そして互いに溶着される構成材のゆっくりとした冷却を容易として、溶着継ぎ目のひび割れや破損につながる熱ストレスを最小とする。   In contrast to the prior art, the component is heated and softened by means of a heating burner inside the enclosure. The enclosure acts as thermal insulation and at the same time acts as a heat storage tank. This has the advantage of being constant over time, producing a locally uniform heating profile and improving the quality of the weld seam and facilitating reproducibility. The enclosure reduces the heat loss of the heating burner and facilitates slow cooling of the components being welded together, minimizing thermal stresses that lead to cracks and breaks in the weld seam.

さらに、包囲体は内部を外部環境から実質的に遮蔽して、加熱域から漂遊粒子や他の不純物を大きく排除している。   In addition, the enclosure substantially shields the interior from the external environment and greatly eliminates stray particles and other impurities from the heating zone.

包囲体は、構成材が軟化され、互いに溶着される区域だけを実質的に包囲している。それの両側に、2つの開口が中心軸で互いに対向して設けられていて、その開口を通して溶着しようとする構成材がその内部に導入される。さらに、不純物を排出するフラッシング・ガスをその内部を通して流す。   The enclosure substantially surrounds only the areas where the components are softened and welded together. On both sides thereof, two openings are provided opposite to each other with a central axis, and a component to be welded through the openings is introduced into the interior. Further, a flushing gas for discharging impurities is passed through the inside.

包囲体は石英ガラスの壁を備えている。石英ガラスは溶着しようとする構成材の材料に対して特別な材料である。   The enclosure has a quartz glass wall. Quartz glass is a special material for the component material to be welded.

さらに、上記壁は、高純度の石英ガラスの内側層の形の自由面が設けられている。壁自体は品質がそれほどでもない安い石英ガラスから成っていてもよい。高純度の石英ガラスの内側層は、壁から不純物が出て加熱領域に向かうのを防ぐか、もしくは少なくする。   Furthermore, the wall is provided with a free surface in the form of an inner layer of high purity quartz glass. The walls themselves may be made of cheap quartz glass of moderate quality. The inner layer of high purity quartz glass prevents or reduces impurities out of the walls and into the heated area.

ここで、高純度の石英ガラスとは、Li、Na、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Ni、CrそしてMnの酸化物の総含有量が10重量ppm以下である石英ガラスを言う。   Here, high purity quartz glass refers to quartz glass having a total content of oxides of Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Ni, Cr and Mn of 10 ppm by weight or less.

高純度石英ガラスは、石英ガラスもしくは天然素材の石英ガラスを塩素含有雰囲気内で高温塩素化することにより合成できる。   High-purity quartz glass can be synthesized by high-temperature chlorination of quartz glass or natural quartz glass in a chlorine-containing atmosphere.

方法の特に好ましい変形態様では、上記内部は中心軸の方向で見て丸い横断面を有している。   In a particularly preferred variant of the method, the interior has a round cross section as viewed in the direction of the central axis.

上記内部が丸い横断面であるということは、中心軸に同心の加熱プロフイールをつくりやすくし、それにより円形断面の構成材を均一に加熱する。さらに、このことが中心軸の方向でおおよそ層状のフラッシング・ガス流の調整を容易とし、そして時間の経過につれて不純物や粒子が堆積するデッド・コーナーをなくす。
包囲体の壁は、天然素材から溶かした不透明な石英ガラスから成っているのが特に有用であることが判った。
The fact that the interior has a round cross section facilitates the creation of a concentric heating profile on the central axis, thereby heating the component with a circular cross section uniformly. In addition, this facilitates the adjustment of the generally laminar flushing gas flow in the direction of the central axis and eliminates dead corners where impurities and particles accumulate over time.
It has been found particularly useful that the walls of the enclosure are made of opaque quartz glass melted from natural materials.

石英ガラスの不透明さが、包囲体の熱絶縁効果を改善し、加熱域で時間について一定した均質な温度プロファイルの設定を容易とする。合成ガラスよりも天然の石英ガラスを使う方が好ましいのは費用の点からである。不透明な石英ガラスチューブは特にこの目的に適しており、ハナウのヘレウス クオーツグラス社の商品名「ロトジル」が低価格で入手できる。一般に、石英ガラスの不透明チューブをつくるとき、溶固中(ガラス化)中、加熱要素に最も近い表面上に透明で密な表面層が形成される。この表面層の最大厚みは3mmで、その表面層はそうではない不透明な壁の熱絶縁効果を損なわない。   The opacity of quartz glass improves the thermal insulation effect of the enclosure and facilitates the setting of a uniform temperature profile that is constant over time in the heating zone. The use of natural quartz glass over synthetic glass is preferred because of cost. Opaque quartz glass tubes are particularly suitable for this purpose, and the trade name “Rotosil” from Heraeus Quartz Glass, Hanau is available at a low price. In general, when making an opaque tube of quartz glass, a transparent and dense surface layer is formed on the surface closest to the heating element during solidification (vitrification). The maximum thickness of this surface layer is 3 mm, and the surface layer does not impair the thermal insulation effect of the opaque walls that are not.

コストという理由で、内側層の高純度石英ガラスは天然素材を塩素含有雰囲気で高温塩素化して得ることが好ましい。   For cost reasons, the high purity quartz glass of the inner layer is preferably obtained by high temperature chlorination of a natural material in a chlorine containing atmosphere.

高純度石英ガラスは、密度が2.15g/cmから2.18g/cmまでの不透明石英ガラスから成り、そして非晶質SiO粒子を湿式粉砕することにより得られた素材からつくられていることが好ましいことが判明した。そのような石英ガラスは例えば、ハナウのヘレウス クオーツグラス社の商品名「OM100」で市販されている。石英ガラスは、粒子サイズが500μmを越えない、好ましくは100μmを越えない範囲のSiO粒子から焼結され、最大体積部を考慮すると1μmと100μmの間の範囲の粒子サイズのSiO粒子から焼結する。粗い非晶質粒子を湿式摩砕することによるスリップ法で粒子とする。その場合、相互作用により、SiO粒子は高密度の水成スリップで既に相互作用しており、それらの粒子はスリップの安定性を改善し、そしてできた不透明な石英ガラスの密度を高める。 High-purity quartz glass consists of opaque quartz glass with a density of 2.15 g / cm 3 to 2.18 g / cm 3 and is made from a material obtained by wet grinding of amorphous SiO 2 particles. It turned out to be preferable. Such quartz glass is commercially available, for example, under the trade name “OM100” from Heraeus Quartz Glass, Hanau. Quartz glass, does not exceed 500μm particle size, baked preferably be sintered from SiO 2 particles in the range not exceeding 100 [mu] m, the range of SiO 2 particles having a particle size between 1μm and 100 [mu] m in consideration of the maximum volume portion Conclude. Coarse amorphous particles are made into particles by a slip method by wet milling. In that case, due to the interaction, the SiO 2 particles are already interacting with a high density of aqueous slip, which improves the stability of the slip and increases the density of the resulting opaque quartz glass.

内側層の厚みは10mmから12mmの範囲内にあるとよいことが判明した。   It has been found that the thickness of the inner layer should be in the range of 10 mm to 12 mm.

内側層は厚ければ厚いほど接合しようとする構成材の汚染をそれだけ一層効果的に防ぐ。他方で、内側層をつくるのに高純度の原料を使うので、より費用がかかるようになる。上記の厚み範囲は、これらの要求を考慮して適正な妥協点を求める。   The thicker the inner layer, the more effectively it will prevent contamination of the components to be joined. On the other hand, high purity raw materials are used to make the inner layer, making it more expensive. The above thickness range seeks an appropriate compromise in consideration of these requirements.

加熱バーナーは包囲体の内側に配置してよい。しかし、好ましい変形態様の方法では、その少なくとも1つの加熱バーナーを包囲体の横の開口から内部へ突入させる。   The heating burner may be placed inside the enclosure. However, in a preferred variant of the method, the at least one heating burner is forced into the interior from the lateral opening of the enclosure.

したがって、加熱バーナーは実質的に包囲体の外側に配置される。包囲体の熱絶縁壁は加熱バーナーを遮蔽し、そして加熱域の熱から媒体供給ラインを遮蔽している。結果として、加熱バーナーは包囲体を通るフラッシング・ガス流を干渉することはない。   Accordingly, the heating burner is disposed substantially outside the enclosure. The thermal insulation wall of the enclosure shields the heating burner and shields the media supply line from the heat in the heating zone. As a result, the heated burner does not interfere with the flushing gas flow through the enclosure.

純化した空気を加熱バーナーに供給するのがよいことが判っている。   It has been found that it is better to supply purified air to the heating burner.

このことが、前記の少なくとも1つの加熱バーナーが純粋な空気を吸い込み、接合しようとしている構成材の粒子などによる汚染を実質的に回避することを確実にしている。   This ensures that the at least one heating burner inhales pure air and substantially avoids contamination, such as by particles of the component being joined.

包囲体を複数パート構造とするのが有利である。   Advantageously, the enclosure is a multi-part structure.

複数パート構造は包囲体の取付けが容易となる。さらに、このことが保守を容易とし、そして廉価とする。包囲体の摩損部分だけを交換すればよいからである。   The multi-part structure makes it easy to install the enclosure. Furthermore, this makes maintenance easy and inexpensive. This is because only the worn portion of the enclosure needs to be replaced.

さらに、構成材アッセンブリを包囲体内で冷却するのがよいことが判明している。   Furthermore, it has been found that the component assembly may be cooled in the enclosure.

包囲体は処理温度まで加熱した構成材アッセンブリの比較的ゆっくりとした冷却を保証している。この点で包囲体はアニール炉の機能を果たしている。   The enclosure ensures a relatively slow cooling of the component assembly heated to the processing temperature. In this respect, the enclosure functions as an annealing furnace.

構成材を2200℃以上の処理温度で加熱、軟化させ、その処理温度から1000℃への冷却に少なくとも5分の時間をかけるのが好ましい。   It is preferable to heat and soften the constituent material at a processing temperature of 2200 ° C. or higher, and to take at least 5 minutes for cooling from the processing temperature to 1000 ° C.

構成材アッセンブリを処理温度から比較的ゆっくりと冷却することにより熱ストレスを最小とする。   Thermal stress is minimized by cooling the component assembly relatively slowly from the processing temperature.

円形の横断面を有する包囲体の1つの実施例では、互いに溶着しようとしている構成材は円筒形であり、そして円筒の最大外直径と内部の内直径との間の比は1.5と3の間の範囲内にあって、好ましくは2と2.5との間の範囲内にある。   In one embodiment of an enclosure having a circular cross section, the components to be welded together are cylindrical and the ratio between the largest outer diameter of the cylinder and the inner inner diameter is 1.5 and 3 And preferably in the range between 2 and 2.5.

このプロセス中、包囲体と構成材外面との間にある環状間隙は熱転送と生ずることのあるフラッシング・ガスの流れにとって適切である。   During this process, the annular gap between the enclosure and the component outer surface is adequate for heat transfer and the flow of flushing gas that may occur.

装置について言えば、上記の目的は、前述したタイプの装置から出発して、本発明に従って、内部を包囲し、内部で構成材の相互接合面の領域で構成材を加熱、軟化するための包囲体を備え、この包囲体は、中心軸方向で互に対向する開口(複数)を有し、これらの開口を通して、溶着しようとする構成材が包囲体内部に突入するようになっており、そして包囲体は石英ガラスの壁を備え、この壁は高純度の石英ガラスの内側層の形の自由面を有している。   With regard to the device, the above object starts from a device of the type described above and surrounds according to the invention to enclose the interior and to heat and soften the component in the region of the interconnecting surface of the component. The enclosure has openings (a plurality) opposite to each other in the direction of the central axis, through which the components to be welded enter into the enclosure; and The enclosure comprises a quartz glass wall which has a free surface in the form of an inner layer of high purity quartz glass.

1つもしくは幾つかの加熱バーナーの助けによってつくった加熱域内で、構成材をそれらの接合面で加熱し、軟化する。先行技術とは対照的に、加熱域は包囲体の内側につくられる。この包囲体は熱絶縁の目的を果たし、そして同時に蓄熱槽としても働く。このことが局所的に均一な加熱プロファイルをつくり、そのプロファイルは時間が経っても変わらず一定であり、溶着継ぎ目の品質を高め、再現性ある製造を容易とする。包囲体は、加熱バーナーの熱損失を少なくし、そして付加的に、互いに溶着された構成材のゆっくりとした冷却を容易として、溶着継ぎ目のひび割れや破損を最小とする。   Within the heating zone created with the aid of one or several heating burners, the components are heated at their joint surfaces and softened. In contrast to the prior art, the heating zone is created inside the enclosure. This enclosure serves the purpose of thermal insulation and at the same time serves as a heat storage tank. This creates a locally uniform heating profile that remains constant over time, improving the quality of the weld seam and facilitating reproducible manufacturing. The enclosure reduces the heat loss of the heating burner, and additionally facilitates slow cooling of the components welded together, minimizing cracks and breaks in the weld seam.

包囲体が内部を外的雰囲気から遮蔽しているので漂遊粒子や他の不純物は加熱域に実質的に入れない。   Because the enclosure shields the interior from the external atmosphere, stray particles and other impurities are substantially not in the heating zone.

内部は、接合しようとする構成材を加熱、溶着する加熱域だけを実質的に包囲している。   The interior substantially surrounds only the heating zone where the components to be joined are heated and welded.

包囲体は中心軸の方向で対向している開口を備え、この開口を通して溶着されるべき構成材は内部に伸びる。さらに、不純物を排除するフラッシング・ガスを包囲体に、すなわち、開口を通して流す。   The enclosure has an opening facing in the direction of the central axis, through which the component to be welded extends. In addition, a flushing gas that eliminates impurities is passed through the enclosure, i.e. through the opening.

従属請求項から本発明の装置の有用な展開は明らかとなろう。従属請求項に記載の装置の構造は本発明の方法の従属請求項に記載に沿っており、補足的な説明については該当する方法の請求項についての上述の記述を参照されたい。   Useful developments of the device according to the invention will become apparent from the dependent claims. The structure of the device as defined in the dependent claims follows the dependent claims of the method of the present invention, and reference is made to the above description of the relevant method claim for a supplementary explanation.

本発明の実施例を以下に添付図を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1,図2の装置は、石英ガラスチューブ1の形のホルダーをその前面側で中空シリンダー2に溶着する。つくろうとしている石英ガラスチューブ1と中空シリンダー2とのアッセンブリは、伸張されて、光ファイバーのプリフォームに、もしくは中空シリンダー2の内孔に挿入する所謂コアロッドと組み合わせた光ファイバーにされる。   The apparatus of FIGS. 1 and 2 welds a holder in the form of a quartz glass tube 1 to a hollow cylinder 2 on its front side. The assembly of the quartz glass tube 1 and the hollow cylinder 2 to be made is stretched into an optical fiber combined with a so-called core rod inserted into the preform of the optical fiber or into the inner hole of the hollow cylinder 2.

石英ガラスチューブ1は、例えば大量の不純物、気泡などを含む低品質の石英ガラスから成る。内直径が同じでも、石英ガラスチューブ1の壁の厚みは石英ガラスシリンダー2よりもわずかに薄い。伸張プロセス中、中空シリンダー2は石英ガラスチューブ1により延伸炉内に保持され、及び又は石英ガラスチューブ1は伸張中引張りの役割を果たす。このため石英ガラスの中空シリンダー2の一端、もしくは両端にこのような石英ガラスチューブを設けるのである。   The quartz glass tube 1 is made of, for example, low-quality quartz glass containing a large amount of impurities, bubbles and the like. Even though the inner diameter is the same, the thickness of the quartz glass tube 1 is slightly thinner than the quartz glass cylinder 2. During the stretching process, the hollow cylinder 2 is held in a drawing furnace by a quartz glass tube 1 and / or the quartz glass tube 1 serves as a tension during stretching. For this reason, such a quartz glass tube is provided at one end or both ends of the hollow cylinder 2 made of quartz glass.

さらに、この装置は、回転移動手段であるチャック3の形の旋盤を備え、石英ガラスチューブ1をその一端でクランプし、そして中心軸4を相互に同心とし、そして溶着しようとする前面を相互に対向させるようにして旋盤の他端で中空シリンダー2をクランプする。石英ガラスチューブ1と中空シリンダー2の対向区域は、内直径“D”が400mmの不透明な石英ガラスの包囲体であるマッフルチューブ(muffle tube)5の内側で加熱され、軟化される。マッフルチューブ5は3部品部材として形成され、そしてそれは両側で開いている。中心部分には、その横壁に設けられた開口6を通して2つの加熱バーナー7,8が内部9に入り込んでいる。 Furthermore, this device comprises a lathe in the form of a chuck 3 which is a rotational movement means, clamps the quartz glass tube 1 at one end thereof, makes the central axes 4 concentric with each other and the front surfaces to be welded to each other. The hollow cylinder 2 is clamped at the other end of the lathe so as to face each other. The opposing area of the quartz glass tube 1 and the hollow cylinder 2 is heated and softened inside a muffle tube 5 which is an opaque quartz glass enclosure having an inner diameter “D” of 400 mm. The muffle tube 5 is formed as a three-part member and it is open on both sides. In the center portion, two heating burners 7 and 8 enter the inside 9 through an opening 6 provided in the lateral wall.

マッフルチューブ5は石英ガラスの管状基体10から成り、これは天然の石英を溶かしてつくったもので、「ロトジル」の商品名で市販されている。マッフルチューブ5には、その全長に渡って長手方向のスリットがつけられているが、これは膨張ジョイントとして作用する。内部9に面している基体10の内面は、高品質の石英粒子を溶解したものであって、厚みが10mmから12mmの内側層11で裏打ちされている。これは、既に清浄された形で「IOTAスタンダード」の商品名で市販(販売元:ユニミン コーポ、米国)されている天然石英粒子である。この既に清浄にされた石英粒子をさらに高温(900℃)で塩素含有雰囲気内で清浄にしてから、それを使って溶解して内側層とする。表1は高温塩素化の前後のIOTA標準の典型的な不純物を示す。

Figure 0005114409
The muffle tube 5 is made of a quartz glass tubular substrate 10, which is made by melting natural quartz, and is marketed under the trade name “Rotosil”. The muffle tube 5 is provided with a longitudinal slit over its entire length, which acts as an expansion joint. The inner surface of the substrate 10 facing the interior 9 is made by dissolving high-quality quartz particles and is lined with an inner layer 11 having a thickness of 10 mm to 12 mm. This is a natural quartz particle that is already commercially available under the trade name “IOTA Standard” (distributor: Unimin Corp, USA). The already cleaned quartz particles are further cleaned in a chlorine-containing atmosphere at a higher temperature (900 ° C.) and then used to dissolve to form an inner layer. Table 1 shows typical impurities of the IOTA standard before and after high temperature chlorination.
Figure 0005114409

表1に示す濃度は重量ppbである。不純物の含量はICE‐0ESにより測定された。   The concentration shown in Table 1 is weight ppb. Impurity content was measured by ICE-0ES.

代替として、高純度の不透明な石英ガラスのマッフルチューブ5をつくる材料はハナウのヘレウス クオーツガラス社との商品名「OM 100」で市販されている。粗い非晶形粒子を湿式摩砕することによりスリップ法でつくられた約60μmの平均粒子サイズのSiOから焼結して不透明な石英ガラスとする。この石英ガラスは、高純度であって、密度は2.16g/cm程度であることにより識別される。 Alternatively, a material for making a high purity opaque quartz glass muffle tube 5 is commercially available under the trade name “OM 100” with Hanau Heraeus Quartz Glass. Coarse amorphous particles are sintered from SiO 2 having an average particle size of about 60 μm made by a slip method by wet milling into opaque quartz glass. This quartz glass is identified by its high purity and density of about 2.16 g / cm 3 .

加熱バーナー7,8と対向する側で、マッフルチューブ5の内側は高純度の石英ガラスのシンプルなシェル様の挿入部分13で覆われていて、これがマッフルチューブ5の構造上比較的複雑な中心部分を熱の作用から保護しており、加えて全構成体の熱容量を高め、そしてマッフルチューブ5の内部の温度分布を均一にしている。   On the side facing the heating burners 7 and 8, the inside of the muffle tube 5 is covered with a simple shell-like insertion portion 13 of high-purity quartz glass, which is a relatively complicated central portion due to the structure of the muffle tube 5. Is protected from the action of heat, and in addition, the heat capacity of all the components is increased, and the temperature distribution inside the muffle tube 5 is made uniform.

高純度のグラファイトのホルダー(図示せず)が、マッフルチューブ5を正しく位置付け、そして保持する。   A high purity graphite holder (not shown) positions and holds the muffle tube 5 correctly.

マッフルチューブ5の上方に吸込みデバイス12が設けられている。この吸込みデバイスはマッフルチューブ5の前方に開いて部分的に延びていて、高温の排気ガスを吸込む。   A suction device 12 is provided above the muffle tube 5. This suction device opens in front of the muffle tube 5 and extends partially to suck in hot exhaust gas.

さらに、超純粋な空気の供給デバイス(図1には示されていない)を加熱バーナー7,8のバーナー口の周りに設け、2つの加熱バーナー7,8が純粋な空気だけを吸い込むことを保証して、接合すべき構成材1,2の汚染を大きく回避する。加熱バーナー7,8は石英ガラスからつくられている。   In addition, an ultra-pure air supply device (not shown in FIG. 1) is provided around the burner mouth of the heating burners 7, 8 to ensure that the two heating burners 7, 8 inhale only pure air. Thus, contamination of the constituent materials 1 and 2 to be joined is largely avoided. The heating burners 7, 8 are made of quartz glass.

本発明によるマッフルチューブ5を使うこの装置の実施例は、耐熱性材料の個々のモジュール、具体的に言えば石英ガラスのブロックからつくった包囲体と比較して環境に放出する不純物を少なくしている。   This embodiment of the device using the muffle tube 5 according to the invention reduces the amount of impurities released into the environment as compared to individual modules of refractory materials, specifically enclosures made from quartz glass blocks. Yes.

図1,2を参照して本発明の方法の実施例を詳述する。   An embodiment of the method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

高純度の四塩化珪素を蒸発させ、そして酸水素ガス炎内での火炎加水分解により既知のOVD法で石英ガラス素材をつくる。このプロセス中、SiO粒子が回転する石英ガラスロッドに堆積して、大きな体積の多孔性のスート材料をつくり、次いでこれを1600℃でガラス化して石英ガラス素材を形成する。この石英ガラス素材の両端を切り落とし、そして外周面をシリンダー研磨機で研磨する。コア・ドリルを使うことにより石英ガラス素材に孔を開けて石英ガラスの中空シリンダーをつくる。その結果できた石英ガラスの中空シリンダーは、180mmの外直径および50mmの内直径を有し、そしてフッ化水素酸でエッチング処理され、純水で洗浄され、そして乾燥される。 High purity silicon tetrachloride is evaporated and a quartz glass material is made by the known OVD method by flame hydrolysis in an oxyhydrogen gas flame. During this process, SiO 2 particles are deposited on a rotating quartz glass rod to create a large volume of porous soot material, which is then vitrified at 1600 ° C. to form a quartz glass material. Both ends of this quartz glass material are cut off, and the outer peripheral surface is polished with a cylinder polishing machine. A hollow cylinder of quartz glass is made by drilling a hole in the quartz glass material by using a core drill. The resulting quartz glass hollow cylinder has an outer diameter of 180 mm and an inner diameter of 50 mm and is etched with hydrofluoric acid, washed with pure water and dried.

この高純度の中空シリンダー2を低純度の石英ガラスの石英ガラスチューブ1に接合するため、中空シリンダー2と石英ガラスチューブ1とを同心軸線4に沿って旋盤のチャック3にクランプし、旋盤駆動の手段により互いに向かって移動させて、これらを加熱バーナー7,8の作動域でマッフルチューブ5の内側で対向させる。溶着に面する領域を加熱バーナー7,8で約2200℃から2300℃の温度に20分間加熱して、このプロセスで軟化させ、中空シリンダー2と石英ガラスチューブ1の前面を互いに対して同時に押し付ける。ここで、中空シリンダー2と石英ガラスチューブ1の孔を通して酸素を流す。   In order to join the high purity hollow cylinder 2 to the quartz glass tube 1 of low purity quartz glass, the hollow cylinder 2 and the quartz glass tube 1 are clamped to the lathe chuck 3 along the concentric axis 4 to drive the lathe. By means of movement towards each other, these are made to oppose inside the muffle tube 5 in the operating area of the heating burners 7, 8. The area facing the weld is heated with a heating burner 7, 8 to a temperature of about 2200 ° C. to 2300 ° C. for 20 minutes, softened in this process, and the front of the hollow cylinder 2 and the quartz glass tube 1 are pressed against each other simultaneously. Here, oxygen is passed through the holes of the hollow cylinder 2 and the quartz glass tube 1.

マッフルチューブ5が溶着プロセス中均質な温度分布を確かなものとする。その溶着完了後、上述のようにしてつくった構成材アッセンブリ(2,1)はマッフル5内に約10分間置かれ、このプロセス中ゆっくりと1000℃以下の温度に冷却される。   The muffle tube 5 ensures a homogeneous temperature distribution during the welding process. After the welding is completed, the component assembly (2, 1) made as described above is placed in the muffle 5 for about 10 minutes and slowly cooled to a temperature of 1000 ° C. or lower during this process.

静的な引張り強度測定によると、3トンの最大試験荷重をかけても溶着域で破壊は生じなかった。   According to the static tensile strength measurement, no fracture occurred in the weld zone even when a maximum test load of 3 tons was applied.

大きな構成材を溶着するのに特に有利である別のやり方では、加熱バーナー7,8を互いに平行に配列しないで、マッフルチューブ5の壁の周りで相互接合表面域に分散させる。こうしてマッフルチューブ5の大きな面積にわたって加熱バーナー7,8の加熱作用を分布させ、結果としてそれにかかる熱負荷を小さくする。加熱バーナー7,8はマッフルチューブの壁の上で例えば、対向させて配置してもよい。   In another way, which is particularly advantageous for welding large components, the heating burners 7, 8 are not arranged in parallel to each other but are distributed around the wall of the muffle tube 5 in the interconnect surface area. In this way, the heating action of the heating burners 7 and 8 is distributed over a large area of the muffle tube 5, and as a result, the heat load applied thereto is reduced. The heating burners 7 and 8 may be arranged to face each other on the wall of the muffle tube, for example.

マッフルチューブの形の包囲体をジャケット表面に付けた本発明の装置の実施例を示す。1 shows an embodiment of the device of the invention with a muffle tube-shaped enclosure on the jacket surface. 図1のマッフルチューブの正面図である。It is a front view of the muffle tube of FIG.

Claims (20)

第1構成材と高シリカ材料から成る少なくとも1つの第2構成材を、これらの構成材(1,2)の接合面間に一体接合を形成することにより接合する溶着方法であって、回転移動手段に構成材(1,2)をクランプする工程、中心軸(4)の方向において回転移動手段により構成材(1,2)を互いの方向に向かって移動する工程、少なくとも1つの加熱バーナー(7,8)により相互の接合面の領域を同時に加熱、軟化し、接合面を互いに押し付けて溶着継ぎ目を含む構成材アッセンブリを形成する工程、そしてその構成材アッセンブリを冷却する工程を含む溶着方法において、構成材(1,2)は、内部(9)を包囲する包囲体内で相互接合面の領域において加熱、軟化され、この包囲体は中心軸において互いに対向する開口を含み、それらの開口を通して内部に溶着しようとする構成材が突入し、そして包囲体は高純度の石英ガラスの内側層(11)を持つ石英ガラスの壁を備え、該内側層の内面が自由面を形成していることを特徴とする溶着方法。  A welding method for joining at least one second constituent material composed of a first constituent material and a high silica material by forming an integral joint between the joining surfaces of these constituent materials (1, 2), and rotational movement A step of clamping the component (1, 2) to the means, a step of moving the component (1, 2) toward each other by means of rotational movement in the direction of the central axis (4), at least one heating burner ( 7 and 8) in the welding method including the steps of simultaneously heating and softening the areas of the joint surfaces to each other, pressing the joint surfaces together to form a component assembly including a weld seam, and cooling the component assembly The component (1, 2) is heated and softened in the region of the interconnection surface within the enclosure surrounding the interior (9), the enclosure comprising openings facing each other in the central axis, The components to be welded into the interior through these openings, and the enclosure comprises a quartz glass wall with an inner layer (11) of high purity quartz glass, the inner surface of the inner layer forming a free surface Welding method characterized by being made. 前記包囲体の石英ガラスの壁は、管状基体(10)を備え、前記内側層が該管状基体の内面を裏打ちするものである請求項1に記載の方法。  The method according to claim 1, wherein the quartz glass wall of the enclosure comprises a tubular substrate (10), and the inner layer lines the inner surface of the tubular substrate. 包囲体(5)の管状基体は、天然素材から溶かした不透明な石英ガラスから成る請求項2に記載の方法。  3. A method according to claim 2, wherein the tubular substrate of the enclosure (5) comprises opaque quartz glass melted from natural materials. 内部(9)は中心軸(4)の方向で見て丸い横断面を有している請求項1〜3のいずれかに記載の方法。  4. A method according to claim 1, wherein the interior (9) has a round cross section as viewed in the direction of the central axis (4). 高純度の石英ガラスは、塩素含有雰囲気で高温塩素処理を受けた天然素材から得られたものである請求項1〜4のいずれかに記載の方法。  The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the high-purity quartz glass is obtained from a natural material subjected to high-temperature chlorination in a chlorine-containing atmosphere. 高純度の石英ガラスは、密度が2.15g/cmから2.18g/cmまでの不透明石英ガラスから成り、そして非晶形SiO粒子を湿式粉砕することにより得られた素材からつくられている請求項1〜5のいずれかに記載の方法。High purity quartz glass consists of opaque quartz glass with a density of 2.15 g / cm 3 to 2.18 g / cm 3 and is made from a material obtained by wet grinding of amorphous SiO 2 particles. The method according to claim 1. 内側層(11)の厚みは10mmから12mmの範囲内にある請求項1〜6のいずれかに記載の方法。  The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of the inner layer (11) is in the range of 10 mm to 12 mm. 少なくとも1つの加熱バーナー(7,8)が包囲体の横の開口(6)から内部(9)に突入している請求項1〜6のいずれかに記載の方法。  7. The method as claimed in claim 1, wherein at least one heating burner (7, 8) projects into the interior (9) from the lateral opening (6) of the enclosure. 純化した空気を加熱バーナーに供給する請求項1〜7のいずれかに記載の方法。The method according to claim 1 , wherein purified air is supplied to the heating burner. 構成材アッセンブリは包囲体内で冷却される請求項1〜9のいずれかに記載の方法。  10. A method according to any preceding claim, wherein the component assembly is cooled within the enclosure. 構成材(1,2)を2200℃以上の処理温度で加熱、軟化させ、その処理温度から1000℃への冷却に少なくとも5分の時間をかける請求項10に記載の方法。  11. The method according to claim 10, wherein the component (1,2) is heated and softened at a treatment temperature of 2200 [deg.] C. or higher, and cooling from the treatment temperature to 1000 [deg.] C. takes at least 5 minutes. 互いに溶着しようとしている構成材(1,2)は円筒形であり、そして円筒の最大直径と内部(9)の内直径との間の比は1.5と3の間の範囲内にある請求項1〜11のいずれかに記載の方法。  The components (1, 2) to be welded together are cylindrical and the ratio between the maximum diameter of the cylinder and the inner diameter of the interior (9) is in the range between 1.5 and 3 Item 12. The method according to any one of Items 1 to 11. 第1構成材と高シリカ材料から成る少なくとも1つの第2構成材を溶着接合する装置であって、構成材(1,2)をクランプし、中心軸(4)の方向において移動させる回転移動手段と、構成材(1,2)の相互の接合面の領域を加熱、軟化する少なくとも1つの加熱バーナー(7,8)とを備えた装置において、内部(9)を包囲し、内部で構成材(1,2)の相互接合面の領域で構成材を加熱、軟化するための包囲体を備え、この包囲体は溶着しようとする構成材が突入する中心軸で互いに対向する開口を備え、そして包囲体は高純度の石英ガラスの内側層(11)を持つ石英ガラスの壁を備え、該内側層の内面が自由面を形成していることを特徴とする装置。  Rotating and moving means for welding and joining at least one second component made of a first component and a high silica material, wherein the component (1, 2) is clamped and moved in the direction of the central axis (4) And at least one heating burner (7, 8) that heats and softens the region of the joint surfaces of the constituent members (1, 2), surrounds the interior (9), and the constituent members An enclosure for heating and softening the component in the region of the (1,2) mutual joining surface, the enclosure comprising openings facing each other at the central axis into which the component to be welded enters; and The enclosure comprises a quartz glass wall with an inner layer (11) of high purity quartz glass, the inner surface of the inner layer forming a free surface. 前記包囲体の石英ガラスの壁は、管状基体(10)を備え、前記内側層が該管状基体の内面を裏打ちするものである請求項13に記載の装置。  14. A device according to claim 13, wherein the quartz glass wall of the enclosure comprises a tubular substrate (10), the inner layer lining the inner surface of the tubular substrate. 包囲体(5)の管状基体は、天然素材から溶かした不透明な石英ガラスから成る請求項14に記載の装置。  15. A device according to claim 14, wherein the tubular body of the enclosure (5) is made of opaque quartz glass melted from natural materials. 内部(9)は中心軸(4)の方向で見て丸い横断面を有している請求項13〜15のいずれかに記載の装置。  16. Device according to claim 13, wherein the interior (9) has a round cross section as viewed in the direction of the central axis (4). 内側層(11)の厚みは10mmから12mmの範囲内にある請求項13〜16のいずれかに記載の装置。  The device according to any of claims 13 to 16, wherein the thickness of the inner layer (11) is in the range of 10 mm to 12 mm. 少なくとも1つの加熱バーナー(7,8)が包囲体の横の開口(6)から内部(9)に突入している請求項13〜17のいずれかに記載の装置。  Device according to any of claims 13 to 17, wherein at least one heating burner (7, 8) projects into the interior (9) from a lateral opening (6) of the enclosure. 純化した空気を少なくとも1つの加熱バーナー(7,8)に供給するようになっている請求項13〜18のいずれかに記載の装置。  19. The device according to claim 13, wherein the purified air is supplied to at least one heating burner (7, 8). 互いに溶着しようとしている構成材(1,2)は円筒形であり、そして円筒の最大直径と内部(9)の内直径との間の比は1.5と3との範囲内にある請求項13〜19のいずれかに記載の装置。  The components (1, 2) to be welded together are cylindrical, and the ratio between the maximum diameter of the cylinder and the inner diameter of the interior (9) is in the range of 1.5 and 3. The apparatus in any one of 13-19.
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