WO2009071465A1 - Verfahren zum thermischen fügen oder zum beschichten von bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem werkstoff, sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum thermischen fügen oder zum beschichten von bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem werkstoff, sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2009071465A1
WO2009071465A1 PCT/EP2008/066135 EP2008066135W WO2009071465A1 WO 2009071465 A1 WO2009071465 A1 WO 2009071465A1 EP 2008066135 W EP2008066135 W EP 2008066135W WO 2009071465 A1 WO2009071465 A1 WO 2009071465A1
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WO
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burner
quartz glass
glass fiber
flame
burner flame
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PCT/EP2008/066135
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French (fr)
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Jürgen Weber
Norbert Traeger
Thilo Braemer
Waltraud Werdecker
Maximilian Kara
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Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
Shin-Etsu Quartz Products Co., Ltd.
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Publication date
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    • C03C2217/00—Coatings on glass

Definitions

  • the invention relates to a method for thermal joining or for coating components made of high-siliceous material by providing an additional material made of quartz glass, continuously supplied to a deposition surface and melted thereon.
  • the invention relates to an apparatus for producing a quartz glass mass for thermal joining or for coating components made of high-siliceous material.
  • a component of high-siliceous material here is a component made of doped or undoped glass with a SiO 2 content of at least 85% understood. This material is also referred to below as "quartz glass" for short.
  • the task of connecting quartz glass components together for example, for the production of quartz glass bodies with a complex shape or for connection to a quartz glass element that performs a special function.
  • the joining of parts made of quartz glass is usually carried out by fusion welding, wherein in the region of the joint, a localized melt flow of the quartz glass of the parts to be joined is generated.
  • the present invention relates to a fusion welding method for quartz glass components using a SiO 2 -containing filler material.
  • a SiO 2 -containing filler material is known from DE 100 53 402 A1. Accordingly, the joint is supplied with a SiO 2 additive material in powder or rod form, with a laser being used for additional heat input into the area of the joint.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a method for the thermal joining of components of high-siliceous material when using a filler, with a high-strength and homogeneous weld between the components to be joined can be made, with adverse effects on the components are largely avoided, and which is also suitable for producing a low-defect, uniform coating from the filler material on a component made of high-siliceous material.
  • Another object of the invention is to provide a simple, reliable and cost-effective device for producing a homogeneous welded joint between components containing high-siliceous material or a coating on a component which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • this object is achieved on the basis of the method mentioned above in that the additional material is melted in a burner flame of a heating burner, wherein the additional material of the burner flame is supplied in the form of a quartz glass fiber with an outer diameter of at most 400 microns.
  • the inventive method differs from the prior art mentioned above in particular in that a heating burner is used as the heating source, and that at least one quartz glass fiber is used as additional material.
  • the quartz glass fiber is embodied as a solid fiber or as a hollow fiber.
  • the front end of the quartz glass fiber fed to the burner flame is continuously melted off and the molten quartz glass mass is thrown onto the contact surface by the pressure of the burner gas.
  • the supply of the additional material in the form of a quartz glass fiber is similarly easy to make continuously uniform, as with a filler in the form of a glass fiber. bes, as is known from the prior art.
  • the melt defects observed in this process are attributed to the fact that, owing to the low thermal conductivity of the glass and the comparatively larger cross-section, a noticeable temperature gradient can occur inside the rod from outside to inside, resulting in colder and hotter areas even at high energy input and thus Lower and higher viscosity masses are deposited, which does not allow for homogeneous softening and thus leads to melting defects.
  • the quartz glass fiber is characterized by its flexibility and flexibility over a bar-shaped filler material, which facilitates space-saving winding on a drum and virtually quiescent feed.
  • the "deposition surface” is understood as meaning either the bonding surfaces of the components to be joined together or the surface region of a component to be coated.
  • the inventive method thus enables the production of a high-quality thermal joint connection between two or more components, or the generation of a uniform, dense or visually appealing Surface layer of quartz glass on (at least part of) the surface of a base body.
  • the heating burner has a burner mouth and that the quartz glass fiber is fed to the burner flame through the burner mouth.
  • This type of supply and heating of the starting material ensures that the fused end of the quartz glass fiber is supplied parallel to the main direction of propagation of the burner flame, therefore surrounded on all sides by the burner flame and thus heated evenly, softened and melted.
  • This homogenization of the melting process produces a particularly homogeneous welding or coating mass of quartz glass on the deposition surface.
  • a further improvement results when the burner flame has a main propagation direction directed onto the deposition surface, wherein the quartz glass fiber is fed to a central region of the burner flame with its longitudinal axis extending in the main propagation direction.
  • the quartz glass fiber is introduced into a central region of the burner flame-ideally in the central axis of the burner flame-in such a way that the fiber axis and the central axis of the burner flame extend coaxially. This results in an optimally uniform and reproducible melting of the fiber end.
  • the heating burner has a supply channel ending in the area of the burner mouth, through which the quartz glass fiber is fed to the burner flame by means of a motorized feed device.
  • the quartz glass fiber is guided within the heating burner spatially separated from the burner nozzles for the supply of fuel gases and oxygen. This eliminates sealing effort in the field of introduction of quartz glass fiber in the heating burner.
  • the motorized feeder makes it possible to automate the fusion welding or application process, thereby particularly uniform and homogeneous layers are obtained at high productivity.
  • the quartz glass fiber particularly preferably has an outer diameter of not more than 250 ⁇ m.
  • the quartz glass fiber has an outer diameter of at least 50 microns.
  • the quartz glass fiber protrudes unsupported and unsupported into the burner flame. Due to the gravity and pressure of the burner gases, the cantilevered piece of very thin silica glass fiber may flutter or bend out of the central region of the burner flame, which may result in uneven melting. This is prevented by the bending stiffness of a quartz glass fiber having an outer diameter of 50 ⁇ m or more. To avoid this, however, thin fibers can be combined to form a fiber bundle.
  • quartz glass fiber is pulled out of a quartz glass cylinder and the drawn quartz glass fiber is fed directly to the burner flame.
  • the quartz glass fiber is generated "in situ" by elongating a rod or a hollow cylinder and is therefore characterized by a high surface quality and concomitantly by a high breaking strength. Fiber breaks as a result of mechanical forces acting on the fiber during the supply to burner flame or by the gas pressure of the burner flame itself are thus avoided.
  • the device for removing the fiber from the quartz glass cylinder can be used simultaneously as a thruster for the supply of the withdrawn fiber ur burner flame. This variant of the method has advantages that result from the use of an additional material in rod form and benefits of a filler material in fiber form to use.
  • a hot gas burner is used as a heating burner.
  • Oxyhydrogen burners have the advantage over heating burners with carbonaceous fuel that the formation of CO 2 or carbon-containing compounds and thus an entry of carbonaceous impurities during melting of the quartz glass fiber is avoided.
  • a heating burner which is made of quartz glass.
  • the heating burner is in the case of a species-specific material in relation to the layer to be deposited, so that the risk is low that originate from the heating burner impurities enter the deposited layer.
  • the heating burner has an annular nozzle for the supply of hydrogen, which runs coaxially around the supply channel, and which is surrounded by one or more nozzles for the supply of oxygen.
  • the annular nozzle for the supply of hydrogen surrounding the additional material ensures a burner flame concentrated on the central area and a particularly uniform heating of the additional material.
  • the above-stated object is achieved according to the invention by providing a burner burner having a burner mouth, by means of which a burner flame is produced, and a supply device by means of which Schubrenner a quartz glass fiber with an outer diameter of at most 400 microns can be fed in such a way that it exits continuously from the burner mouth in the burner flame.
  • the device according to the invention comprises a heating burner and a feeding device.
  • a quartz glass fiber through the heating burner continuously through the burner flame can be supplied, so that the burner flame supplied, front end of the quartz glass fiber is continuously melted and thrown as a molten quartz glass mass by the pressure of the burner gases on the contact surface.
  • quartz glass fiber is melted in the burner flame of the heating burner - and not in the vicinity of the components to be connected or the surface of the component to be coated - also allows complete melting with low heat input into the components, so that the formation of thermal Tension or deformation of the components in question can be avoided.
  • the device according to the invention is structurally simple and inexpensive to produce. Advantageous embodiments emerge from the subclaims. As far as specified in the dependent claims embodiments of the device are recited in the subclaims for the method according to the invention mentioned procedures, reference is made for additional explanation to the above statements on the corresponding method claims.
  • Fig. 1 is a side view of an apparatus for producing a joint connection using an internally mixing oxyhydrogen burner according to the invention
  • Fig. 2 is a plan view of the burner mouth of an externally mixing oxyhydrogen burner in an enlarged view.
  • a detonating gas burner 1 which is made of quartz glass, and which has a burner shaft 2 and a burner head 3 with burner mouth 4.
  • the burner shaft 2 is provided with a - not shown in the figure - gas connection for the supply of a hydrogen-oxygen-oxyhydrogen gas mixture.
  • the gas mixture is fed to the burner mouth 4, where the burner gases react with one another to form a burner flame 5.
  • the burner 1 has a central supply channel 6, through which the burner mouth 4 an additional material for a welding process in the form of a flexible silica glass fiber 7 is supplied.
  • a supply device is provided, which is symbolized in FIG. 1 by a motor-driven fiber drum 8, on which the quartz glass fiber is wound.
  • the quartz glass fiber 7 has a diameter of 200 ⁇ m, and the supply channel 6 has an inner diameter of 0.5 mm.
  • the supply channel 6 for the quartz glass fiber 7 lies in such a way that the fiber longitudinal axis runs coaxially to the central axis 9 of the burner flame 5, so that the front free end of the quartz glass fiber 7 protrudes as precisely as possible into the central region of the burner flame 5.
  • annular nozzles of an external mixing quartz glass burner 21 can be seen, namely the inner annular nozzle 21 for the supply of hydrogen with a width of 15 mm and the outer annular nozzle 22 for the supply of oxygen with a width of 23 mm.
  • the inner annular nozzle 21 surrounds the supply channel 26 for the quartz glass fiber. 7
  • the heating burner 21 is supplied with oxygen and hydrogen in the ratio 1: 2. These gases exit via the outlet nozzles 21, 22 at the burner mouth 4 to form the fuel gas flame 5.
  • the fuel gas flame 5 is fed by means of the feeding device 8 via the feed channel 26 continuously the quartz glass fiber 7 at a feed rate of 10 mm / s automatically.
  • the quartz glass of the quartz glass fiber 7 melts in the central region of the burner flame 5 and the molten quartz glass mass is deposited on the deposition surfaces 14, 15 and forms the weld seam 11.
  • the method can also be used for producing a coating on a quartz glass component. If the coating area of the burner flame is insufficient for this purpose, the burner flame is moved in rasters over the surface to be coated.

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff ist vorgesehen, dass ein Zusatzmaterial aus Quarzglas bereitgestellt, einer Ablagerungsfläche kontinuierlich zugeführt und darauf aufgeschmolzen wird. Um hiervon ausgehend ein Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff bei Einsatz eines Zusatzwerkstoffs anzugeben, mit dem eine hochfeste und homogene Schweißnaht zwischen den zu verbindenden Bauteilen hergestellt werden kann, und das außerdem zur Herstellung einer fehlerarmen, gleichmäßigen Beschichtung aus dem Zusatzwerkstoff auf einem Bauteil aus hochkieselsäu- rehaltigem Werkstoff geeignet ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Zusatzmaterial in einer Brennerflamme eines Heizbrenners aufgeschmolzen wird, wobei das Zusatzmaterial der Brennerflamme in Form einer Quarzglasfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 400 µm zugeführt wird. Eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren umfasst einen einen Brennermund aufweisenden Heizbrenner, mittels dem eine Brennerflamme erzeugt wird, und eine Zuführvorrichtung, mittels der dem Heizbrenner eine Quarzglasfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 400 µm derart zuführbar ist, dass sie aus dem Brennermund kontinuierlich in die Brennerflamme austritt.

Description

Verfahren zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, indem ein Zusatzmate- rial aus Quarzglas bereitgestellt, einer Ablagerungsfläche kontinuierlich zugeführt und darauf aufgeschmolzen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Quarzglasmasse zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff.
Stand der Technik
Unter einem Bauteil aus hochkieselsäurehaltigen Werkstoff wird hier ein Bauteil aus dotiertem oder undotiertes Glas mit einem SiO2-Gehalt von mindestens 85% verstanden. Dieser Werkstoff wird im Folgenden auch kurz als „Quarzglas" be- zeichnet.
Häufig stellt sich die Aufgabe, 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. Das Fügen von Teilen aus Quarzglas erfolgt meist durch Schmelzschweißen, wobei im Bereich der Fügestelle ein örtlich begrenzter Schmelzfluss des Quarzglases der zu verbindenden Teile erzeugt wird.
Ein derartiges Verfahren ist in der EP 1 042 241 A1 beschrieben. Zum stoßweisen Verschweißen eines Quarzglasrohres mit einem Dummy-Rohr wird vorgeschla- gen, 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.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmelzschweißverfahren für Quarzglas- Bauteile unter Einsatz eines SiO2-haltigen Zusatzmaterials. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 100 53 402 A1 bekannt. Demnach wird der Fügestelle ein SiO2-Zusatzmaterial in Pulver- oder Stabform zugeführt, wobei für einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Bereich der Fügestelle ein Laser eingesetzt wird.
Für die Zufuhr des pulverförmigen SiO2-haltigen Zusatzmaterials wird dieses aus einem Vorratsbehälter mittels Kompressor angesaugt und über eine Zuleitung und eine Düse auf die Fügestelle aufgeblasen. Eine annähernd kontinuierliche, unun- terbrochene Zufuhr von pulverförmigen Zusatzmaterial erfordert eine hohe Dosierung, die in der Regel nur mit hohen Gasströmen und Drücken zu erreichen ist. Dadurch kann es zu Verblasungen des Pulvers, zu inhomogenem Aufschmelzen und damit zu ungleichmäßigen Schweißnähten und Schichten kommen.
Die Zufuhr des stabförmigen Zusatzmaterials erfolgt mittels einer Stabzuführein- richtung. Die Stabform vereinfacht zwar die kontinuierliche Zufuhr des Zusatzmaterials zur Heizquelle. Es hat sich aber gezeigt, dass es auch bei dieser Methode zu Schmelzfehlern kommen kann.
Wegen der hohen Temperaturen beim thermischen Fügen ergeben sich leicht unerwünschte plastische Verformungen im Fügebereich, die durch aufwändige mechanische Nachbearbeitung zwar wieder beseitigt werden können, wobei jedoch in der Regel Maßabweichungen hingenommen werden müssen. Um Verformungen der zu fügenden oder zu beschichtenden Bauteile zu minimieren, ist grundsätzlich ein möglichst geringer und örtlich begrenzter Wärmeeintrag in die Bauteile vorteilhaft. Eine zu geringe Erwärmung kann jedoch leicht zu Schmelz- fehlem und zu ungleichmäßigen Schweißnähten oder Beschichtungen führen. Technische Aufgabenstellung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff bei Einsatz eines Zusatzwerkstoffs anzugeben, mit dem eine hochfeste und homogene Schweißnaht zwischen den zu verbindenden Bauteilen hergestellt werden kann, wobei Beeinträchtigungen der Bauteile weitgehend vermieden werden, und das außerdem zur Herstellung einer fehlerarmen, gleichmäßigen Beschichtung aus dem Zusatzwerkstoff auf einem Bauteil aus hochkieselsäurehaltigem Werk- stoff geeignet ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Vorrichtung für die Erzeugung einer homogenen Schweißverbindung zwischen Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff oder einer Beschichtung auf einem Bauteil bereit zu stellen, die insbesondere für die Durch- führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Zusatzmaterial in einer Brennerflamme eines Heizbrenners aufgeschmolzen wird, wobei das Zusatzmaterial der Brennerflamme in Form einer Quarzglasfaser mit einem Außen- durchmesser von maximal 400 μm zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom eingangs genannten Stand der Technik insbesondere dadurch, dass als Heizquelle ein Heizbrenner eingesetzt wird, und dass als Zusatzmaterial mindestens eine Quarzglasfaser eingesetzt wird. Die Quarzglasfaser ist als Vollfaser oder als Hohlfaser ausgebil- det.
Das der Brennerflamme zugeführte vordere Ende der Quarzglasfaser wird kontinuierlich abgeschmolzen und die schmelzflüssige Quarzglasmasse durch den Druck der Brennergase auf die Kontaktfläche geschleudert. Die Zufuhr des Zusatzmaterials in Form einer Quarzglasfaser ist ähnlich leicht kontinuierlich zu gleichmäßig zu gestalten, wie bei einem Zusatzmaterial in Form eines Glassta- bes, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die bei diesem Verfahren beobachteten Schmelzfehler werden darauf zurückgeführt, dass es wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des Glases und dem vergleichsweise größeren Querschnitt zu einem merklichen Temperaturgradienten innerhalb des Stabes von Außen nach Innen kommen kann, so dass auch bei hohem Energieeintrag kältere und heißere Stellen entstehen und dadurch Massen mit niedrigerer und höherer Viskosität abgeschieden werden, was keine homogene Erweichung ermöglicht und so zu Schmelzfehlern führt.
Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein vollständiges und gleichmäßige Aufschmelzen dadurch erleichtert, dass das Zusatzmaterial der Brennerflamme in Form einer Faser - also mit einem vergleichsweise dünnen Querschnitt - zugeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass Fasern mit einem Außendurchmesser bis zu 400 μm ein homogenes Erweichen ohne Schmelzfehler möglich ist.
Dadurch, dass das Zusatzmaterial in der Brennerflamme des Heizbrenners aufgeschmolzen wird - und nicht im Kontakt oder in unmittelbarer Nähe der zu verbindenden Bauteile, wird ein vollständiges Aufschmelzen der Quarzglasmasse bei geringem Wärmeeintrag in die jeweiligen Bauteile ermöglicht, so dass die Entstehung thermischer Spannungen und Verformungen der betreffenden Bauteile weit- gehend vermieden werden.
Darüber hinaus zeichnet sich die Quarzglasfaser gegenüber einem Zusatzmaterial in Stabform durch ihre Biegsamkeit und Flexibilität aus, was ein platzsparendes Aufwickeln auf einer Trommel und die Zufuhr quasi als Endlos-Strang erleichtert.
Je nach dem Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fügen oder Be- schichten) werden unter der „Ablagerungsfläche" entweder die Verbindungsflächen der miteinander zu verbindenden Bauteilen, beziehungsweise der zu beschichtende Oberflächenbereich eines Bauteils, verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung einer qualitativ hochwertigen thermischen Fügeverbindung zwischen zwei oder mehr Bauteilen, oder die Erzeugung einer gleichmäßigen, dichten oder optisch ansprechenden Oberflächenschicht aus Quarzglas auf (mindestens einem Teil) der Oberfläche eines Basiskörpers.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Heizbrenner einen Brennermund aufweist und dass die Quarzglasfaser der Bren- nerflamme durch den Brennermund zugeführt wird.
Durch diese Art der Zufuhr und des Aufheizens des Ausgangsmaterials wird gewährleistet, dass das aufzuschmelzende Ende der Quarzglasfaser parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des Brennerflamme zugeführt wird, daher allseitig von der Brennerflamme umgeben ist und dadurch gleichmäßig aufgeheizt, erweicht und aufgeschmolzen wird. Durch diese Vergleichmäßigung des Aufschmelzvorgangs wird eine besonders homogene Schweiß- oder Auftragsmasse aus Quarzglas auf der Ablagerungsfläche erzeugt.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn die Brennerflamme eine auf die Ablagerungsfläche gerichtete Hauptausbreitungsrichtung aufweist, wobei die Quarz- glasfaser einem zentralen Bereich der Brennerflamme so zugeführt wird, dass ihre Längsachse in Hauptausbreitungsrichtung verläuft.
Die Quarzglasfaser wird hierbei in einen zentralen Bereich der Brennerflamme - im Idealfall in der zentralen Achse der Brennerflamme - eingeführt, und zwar so, dass die Faserachse und die zentrale Achse der Brennerflamme koaxial verlau- fen. Dadurch ergibt sich ein optimal gleichmäßiges und reproduzierbares Abschmelzen des Faserendes.
Es hat sich außerdem bewährt, wenn der Heizbrenner einen im Bereich des Brennermundes endenden Zufuhrkanal aufweist, durch den die Quarzglasfaser der Brennerflamme mittels einer motorischen Zuführeinrichtung zugeführt wird.
Die Quarzglasfaser wird hierbei innerhalb des Heizbrenners räumlich getrennt von den Brennerdüsen für die Zufuhr von Brenngasen und Sauerstoff geführt. Dadurch entfällt Dichtungsaufwand im Bereich der Einführung der Quarzglasfaser in den Heizbrenner. Durch die motorische Zuführeinrichtung wird eine Automatisierung des Schmelzschweiß- oder Auftragsprozesses ermöglicht, wodurch be- sonders gleichmäßige und homogene Schichten bei hoher Produktivität erhalten werden.
Besonders bevorzugt weist die Quarzglasfaser einen Außendurchmesser von maximal 250 μm auf.
Größere Faserdurchmesser erfordern eine größere Sorgfalt, um ein homogenes Erweichen und vollständiges Erschmelzen in der Brennerflamme zu gewährleisten, und die Flexibilität der Faser nimmt mit zunehmendem Durchmesser ab.
Andererseits hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Quarzglasfaser einen Außendurchmesser von mindestens 50 μm aufweist.
Hinter dem Brennermund - in Richtung zur Kontaktfläche gesehen - ragt die Quarzglasfaser ein gewisses Stück ungestützt und freitragend in die Brennerflamme hinein. Infolge der Schwerkraft und des Drucks der Brennergase kann das frei tragende Stück einer sehr dünnen Quarzglasfaser flattern oder sich aus dem zentralen Bereich der Brennerflamme herausbiegen, was zu einem ungleichmäßi- gen Aufschmelzen führen kann. Dies wird durch die Biegesteifigkeit einer Quarzglasfaser mit einem Außendurchmesser von 50 μm oder mehr verhindert. Um dies zu vermeiden können jedoch dünne Fasern zu einem Faserbündel zusammenge- fasst werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Quarzglasfaser aus ei- nem Quarzglaszylinder gezogen und die gezogene Quarzglasfaser unmittelbar der Brennerflamme zugeführt wird.
Die Quarzglasfaser wird dabei "in situ" durch Elongieren eines Stabes oder eines Hohlzylinders erzeugt und zeichnet sich daher durch eine hohe Oberflächenqualität und damit einhergehend durch eine hohe Bruchfestigkeit aus. Faserbrüche infolge mechanisch auf die Faser einwirkender Kräfte bei der Zufuhr zu Brennerflamme oder durch den Gasdruck der Brennerflamme selbst werden so vermieden. Die Einrichtung zum Abziehen der Faser aus dem Quarzglaszylinder kann gleichzeitig als Schubeinrichtung für die Zufuhr der abgezogenen Faser ur Brennerflamme eingesetzt werden. Diese Verfahrensvariante macht sich Vorteile, die sich durch den Einsatz eines Zusatzmaterials in Stabform ergeben und Vorteile eines Zusatzmaterials in Faserform zu Nutzen.
Vorzugsweise wird als Heizbrenner ein Knallgasbrenner eingesetzt.
Knallgasbrenner haben gegenüber Heizbrennern mit kohlenstoffhaltigen Brenn- Stoffen den Vorteil, dass die Bildung von CO2 oder kohlenstoffhaltigen Verbindungen und damit ein Eintrag von kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen beim Aufschmelzen der Quarzglasfaser vermieden wird.
In dem Zusammenhang hat es sich auch als günstig erwiesen, einen Heizbrenner einzusetzen, der aus Quarzglas gefertigt ist.
Der Heizbrenner besteht in dem Fall aus einem arteigenen Material in Bezug auf die abzulagernde Schicht, so dass die Gefahr gering ist, dass aus dem Heizbrenner stammende Verunreinigungen in die abgelagerte Schicht gelangen.
Es hat sich besonders bewährt, wenn der Heizbrenner eine Ringdüse für die Zufuhr von Wasserstoff aufweist, die koaxial um den Zufuhrkanal verläuft, und die von einer oder mehreren Düsen für die Zufuhr von Sauerstoff umgeben ist.
Die das Zusatzmaterial umgebende Ringdüse für die Zufuhr von Wasserstoff gewährleistet eine auf den zentralen Bereich konzentrierte Brennerflamme und ein besonders gleichmäßiges Aufheizen des Zusatzmaterials. Außerdem ist ein Heizbrenner mit Ringdüsen, insbesondere wenn er aus Quarzglas besteht, einfach zu fertigen.
Hinsichtlich der Vorrichtung zum Erzeugen einer Quarzglasmasse zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein einen Brennermund aufweisender Heizbrenner vorgesehen ist, mittels dem eine Brennerflamme erzeugt wird, sowie eine Zuführvorrichtung, mittels der dem Heizbrenner eine Quarzglasfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 400 μm derart zuführbar ist, dass sie aus dem Brennermund kontinuierlich in die Brennerflamme austritt. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen Heizbrenner und eine Zuführvorrichtung. Mittels der Zuführvorrichtung ist eine Quarzglasfaser durch den Heizbrenner kontinuierlich hindurch der Brennerflamme zuführbar, so dass das der Brennerflamme zugeführte, vordere Ende der Quarzglasfaser kontinuierlich abgeschmolzen und als schmelzflüssige Quarzglasmasse durch den Druck der Brennergase auf die Kontaktfläche geschleudert wird. Dadurch, dass das aufzuschmelzende Ende der Quarzglasfaser allseitig von der Brennerflamme umgeben ist, wird ein gleichmäßiges Aufheizen, Erweichen und Erschmelzen der Quarzglasfaser erreicht und damit einhergehend eine homogene Schweiß- oder Auf- tragsmasse auf der Ablagerungsfläche erzeugt.
Dadurch, dass die Quarzglasfaser in der Brennerflamme des Heizbrenners aufgeschmolzen wird - und nicht in der Nähe der zu verbindenden Bauteile beziehungsweise der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils - wird außerdem ein vollständiges Aufschmelzen bei geringem Wärmeeintrag in die Bauteile ermög- licht, so dass die Entstehung thermischer Spannungen oder Verformungen der betreffenden Bauteile vermieden werden.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar. Vorteilhafte Ausgestaltungen 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.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt schematisch im Einzelnen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung unter Einsatz eines innenmischenden Knallgasbrenners gemäß der Erfindung, und Fig. 2 eine Draufsicht auf den Brennermund eines außenmischenden Knallgasbrenners in einer vergrößerten Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen Knallgasbrenner 1 , der aus Quarzglas gefertigt ist, und der einen Brennerschaft 2 und einen Brennerkopf 3 mit Brennermund 4 aufweist. Der Brennerschaft 2 ist mit einem - in der Figur nicht dargestellten - Gasanschluss für die Zufuhr eines Wasserstoff-Sauerstoff-Knallgasgemisches versehen. Das Gasgemisch wird dem Brennermund 4 zugeleitet, wo die Brennergase unter Bildung einer Brennerflamme 5 miteinander reagieren.
Außerdem weist der Brenner 1 einen zentralen Zufuhrkanal 6 auf, durch welchen dem Brennermund 4 ein Zusatzmaterial für einen Schweißprozess in Form einer flexiblen Quarzglasfaser 7 zugeführt wird. Für die kontinuierliche Zufuhr der Quarzglasfaser 7 zum Brenner 1 ist eine Zufuhrvorrichtung vorgesehen, die in Figur 1 durch eine motorisch angetriebene Fasertrommel 8 symbolisiert ist, auf der die Quarzglasfaser aufgewickelt ist. Die Quarzglasfaser 7 hat einen Durch- messer von 200 μm, und der Zufuhrkanal 6 hat einen Innendurchmesser von 0,5 mm.
Der Zufuhrkanal 6 für die Quarzglasfaser 7 liegt so, dass die Faserlängsachse koaxial zur Mittelachse 9 der Brennerflamme 5 verläuft, so dass das vordere freie Ende der Quarzglasfaser 7 möglichst genau in den zentralen Bereich der Bren- nerflamme 5 hineinragt.
Aus der vergrößerten Darstellung auf einen Brennermund 24 gemäß Fig. 2 sind die Ringdüsen eines außenmischenden Quarzglasbrenners 21 erkennbar, nämlich die innere Ringdüse 21 für die Zufuhr von Wasserstoff mit einer Weite von 15 mm und die äußere Ringdüse 22 für die Zufuhr von Sauerstoff mit einer Weite von 23 mm. Die innere Ringdüse 21 umgibt den Zufuhrkanal 26 für die Quarzglasfaser 7.
Nachfolgend wird die Herstellung einer Schweißnaht 11 zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen zwei Quarzglas-Bauteilen 12, 13 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und anhand Figur 1 und 2 näher beschrieben. Dem Heizbrenner 21 werden Sauerstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1 :2 zugeführt. Diese Gase treten über die Ausgangsdüsen 21 , 22 am Brennermund 4 unter Bildung der Brenngasflamme 5 aus.
Der Brenngasflamme 5 wird mittels der Zuführvorrichtung 8 über den Zuführkanal 26 kontinuierlich die Quarzglasfaser 7 mit einer Vorschubrate von 10 mm/s automatisch zugeführt. Das Quarzglas der Quarzglasfaser 7 schmilzt dabei im zentralen Bereich der Brennerflamme 5 auf und die erschmolzene Quarzglasmasse schlägt sich auf den Ablagerungsflächen 14, 15 nieder und bildet dabei die Schweißnaht 11.
So wird eine feste und dichte Schmelzschweißverbindung der Bauteile 12 und 13 mittels einer homogenen und hochwertigen Schweißnaht 11 erreicht.
Das Verfahren kann auch zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Quarzglas-Bauteil eingesetzt werden. Sofern der Beschichtungsbereich der Brennerflamme hierzu nicht ausreicht, wird die Brennerflamme rasterweise über die zu beschichtende Oberfläche bewegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum thermischen Fügen oder zum Beschichten von Bauteilen (12; 13) aus hochkieselsäurehaltigem Werkstoff, indem ein Zusatzmaterial aus Quarzglas bereitgestellt, einer Ablagerungsfläche (14; 15) kontinuierlich zugeführt und darauf aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial in einer Brennerflamme (5) eines Heizbrenners (1 ) aufgeschmolzen wird, wobei das Zusatzmaterial der Brennerflamme (5) in Form einer Quarzglasfaser (7) mit einem Außendurchmesser von maximal
400 μm zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) einen Brennermund (4) aufweist, und dass die Quarzglasfaser (7) der Brennerflamme (5) durch den Brennermund (4) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerflamme (5) eine auf die Ablagerungsfläche (14; 15) gerichtete Hauptausbreitungsrichtung aufweist, und dass die Quarzglasfaser (7) einem zentralen Bereich der Brennerflamme (5) so zugeführt wird, dass ihre Längsachse (9) in Hauptausbreitungsrichtung verläuft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 , 21 ) einen im Bereich des Brennermundes (4) endenden Zufuhrkanal (6, 26) aufweist, durch den die Quarzglasfaser (7) der Brennerflamme (5) mittels einer motorischen Zuführeinrichtung (8) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasfaser (7) aus einem Quarzglas-Zylinder gezogen und die gezogene Quarzglasfaser (7) unmittelbar der Brennerflamme (5) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasfaser (7) einen Außendurchmesser von maximal 250 μm aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Quarzglasfaser (7) einen Außendurchmesser von mindestens 50 μm aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizbrenner (1 ) ein Knallgasbrenner eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) aus Quarzglas gefertigt ist.
10.Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) eine Ringdüse (21 ) für die Zufuhr von Wasserstoff aufweist, die koaxial um den Zufuhrkanal (26) verläuft, und die von einer oder mehreren Düsen (22) für die Zufuhr von Sauerstoff umgeben ist.
11.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend einen einen Brennermund (4) aufweisenden Heizbrenner (1 ), mittels dem eine Brennerflamme (5) erzeugt wird, und eine Zuführvorrichtung (8), mittels der dem Heizbrenner (1 ) eine Quarzglasfaser (7) mit einem Außendurchmesser von maximal 400 μm derart zuführbar ist, dass sie aus dem Brennermund (4) kontinuierlich in die Brennerflamme (5) austritt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasfaser (7) einem zentralen Bereich der Brennerflamme (5) derart zuführbar ist, dass ihre Längsachse (9) in der Hauptausbreitungsrichtung der Brennerflamme (5) verläuft.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) einen im Bereich des Brennermundes (4) endenden Zufuhrkanal (6) aufweist, durch den die Quarzglasfaser (7) der Brennerflamme (5) mittels einer motorischen Zuführeinrichtung (8) zuführbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) eine Ringdüse (21 ) für die Zufuhr von Wasserstoff aufweist, die koaxial um den Zufuhrkanal (6; 26) verläuft, und die von einer oder mehreren Düsen (22) für die Zufuhr von Sauerstoff umgeben ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) ein Knallgasbrenner ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbrenner (1 ) aus Quarzglas gefertigt ist.
1 /.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Ziehen der Quarzglasfaser (7) aus einem
Quarzglaszylinder und für die unmittelbare Zufuhr der gezogenen Quarzglasfaser (7) zur Brennerflamme (5) vorgesehen ist.
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