CS255210B1

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

Info

Publication number: CS255210B1
Application number: CS865130A
Authority: CS
Inventors: Petr Pavlas; Frantisek Dubsky
Original assignee: Petr Pavlas; Frantisek Dubsky
Priority date: 1986-07-07
Filing date: 1986-07-07
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS513086A1

Description

Vynález se týká způsobu svařování silnostěnných trubic případně tyčí z křemenného skla vysoké čistoty pomocí elektrického odporového ohřevu, svařování a následného vychlazení. Vynález se týká též zařízení k provádění tohoto způsobu, které zahrnuje elektrickou odporovou pec s topným elementem a nejméně jedním průhledítkem a rovněž prostředky sloužící k upevnění centrování a protilehlému synchronnímu posuvu obou svařovaných trubic nebo tyčí.The invention relates to a method of welding thick-walled tubes or rods of high purity quartz glass by means of electrical resistance heating, welding and subsequent cooling. The invention also relates to an apparatus for carrying out the method, which comprises an electric resistance furnace with a heating element and at least one sight glass, as well as means for fastening the centering and opposing synchronous displacement of the two welded tubes or rods.

Svařováni silnostěnných trubic nebo tyčí je zpravidla využíváno při výrobě trubic nebo tyčinek (resp. vláken např. pro optické sdělování) z vysoce čistého křemenného skla metodou bezkontaktního.tažení, která je popsána v publikaci I. Fanderlíka Křemenné sklo a jeho využití v praxi, SNTL, Praha 1985. K tažení se používá předrobek, tzv. preforma, v podobě silnostěnné trubice nebo tyče z křemenného skla vysoké čistoty, případně záměrně dopovaného, jde-li o tažení vláken pro optické sdělování, vhodné délky, zpravidla od 0,5 m do několika metrů, kterou z technického nebo ekonomického hlediska helze zpravidla získat v jediné operaci tavení ve vhodné délce. Dále se postupy svařování využívají' i při připojování zbytku preforem z předchozích operací tažení k novým preformám, čímž se zvyšuje ekonomický efekt výroby a zhodnocuje surovina.Welding of thick-walled tubes or rods is usually used in the production of tubes or rods (or fibers, for example, for optical communication) from high-purity quartz glass by the contactless drawing method described in I. Fanderlík's publication Quartz glass and its application in practice, SNTL , Praha 1985. For drawing is used preform, so-called preform, in the form of thick-walled tube or rod of high purity quartz glass, possibly intentionally doped, in the case of drawing fibers for optical communication, suitable length, usually from 0.5 m to several meters, which, as a rule, from a technical or economical point of view, the helmet can be obtained in a single melting operation at a suitable length. Furthermore, welding processes are also used to attach the remainder of the preforms from previous drawing operations to the new preforms, thereby increasing the economic effect of production and increasing the value of the raw material.

Ke svařování trubic nebo tyčí vyrobených z křemenného i jiného technického skla se používá celá řada způsobů popsaných např. G. Wenglerem v časopisu Schweistechnik 24, č. 1, 1974 str. 15 až 18. Způsoby svařování se liší především použitým druhem ohřevu a z toho vyplývajícího charakteru procesu. Je známo svařování plamenem, nebo svařováni elektrické, např. odporové, elektrickým obloukem, doutnavým výbojem, plazmou a nebo svařování absorbcí záření, např. svazkem elektronů a laserem. Avšak způsoby svařování plamenem jsou nevhodné pro nebezpečí kontaminace vysoce čistého křemenného skla OH skupinami z vodních par v plameni a dále neumožňují dosažení dostatečně reprodukovatelného režimu vychlazení, tj. odstranění trvalých napětí ve svaru, což je v případě silnostěnných trubic nebo tyčí ze skla zvláště důležité.For welding tubes or rods made of quartz and other technical glass, a number of methods are described, for example, by G. Wengler in Schweistechnik 24, No. 1, 1974 pp. 15-18. The methods of welding differ primarily in the type of heating used and the resulting character of the process. It is known to carry out flame welding, or electric welding, for example resistance welding, electric arc, glow discharge, plasma, or welding by radiation absorption, such as electron beam and laser. However, flame welding methods are unsuitable for the risk of contamination of high purity quartz glass by OH groups from water vapor in the flame and furthermore fail to achieve a sufficiently reproducible cooling mode, i.e., to eliminate permanent stresses in the weld.

Při použití způsobu svařování elektrickým obloukem, plazmou, nebo absorpcí je sice odstraněna možnost kontaminace skla, avšak k vychlazení svaru by bylo potřeba dalšího zařízení, např. elektrické odporové pece. Dále v případě svařování silnostěnných trubic případně tyčí z křemenného skla velkých průměrů plamenem, elektrickým obloukem, plazmou a laserem je třeba zabezpečit dostatečnou ochranu obsluhy před účinky světelného a tepelného záření, účinky splodin hoření plynů, těkání oxidu křemičitého SiO₂, a to poměrně náročným zařízením.While using the arc, plasma, or absorption method of welding, the possibility of glass contamination is eliminated, but additional equipment such as an electric resistance furnace would be required to cool the weld. Further, in the case of welding thick-walled tubes, where appropriate rods made of quartz glass with large diameters flame, arc, plasma and laser cutting is necessary to provide adequate protection to the operator from the effects of light and heat radiation effects of the combustion products gas, volatilization of silicon dioxide SiO _2, and a relatively intensive installations .

V autorském osvědčení SSSR č. 943 097 je popsán způsob svařování dutých skleněných výrobků, při kterém je prováděn ohřev obvodu konců svařovaných trubic, které jsou k sobě přitisknuty. Při tomto způsobu svařování ohřev svařování i vychlazení svaru probíhají v jediném zařízení, a to v muflové peci, která tvoří rozebíratelnou formu. Její vnitřní stěny jsou v trvalém kontaktu s vnějším povrchem svařovaných trubic. Vyrovnání švu svaru zevnitř trubice se provádí mechanickým trnem tak, aby se odstranila deformace svaru a trubice v jeho okolí. Tím nutně dochází ke kontaminaci skla materiálem muflové pece nebo trnu.USSR 943 097 discloses a method of welding hollow glass products by heating the periphery of the ends of the welded tubes that are pressed together. In this method of welding, the welding and the cooling of the weld take place in a single device, namely a muffle furnace, which forms a removable mold. Its inner walls are in permanent contact with the outer surface of the welded tubes. Alignment of the weld seam from the inside of the tube is performed by a mechanical mandrel so as to eliminate deformation of the weld and the tube around it. This necessarily leads to contamination of the glass with the muffle furnace or mandrel material.

Uvedené nevýhody se odstraňují nebo podstatně omezí způsobem svařování trubic nebo tyčí podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se provádí současný ohřev čelních ploch konců svařovaných trubic, případně tyčí, protilehle a synchronně k sobě posouvaných v pracovním prostoru s podélným teplotním gradientem vzrůstajícím směrem od protilehlých míst počátečního ohřevu k oblasti svařování. Bezkontaktní odporový ohřev, svařování i následné vychlazení probíhají v jednom pracovním prostoru a v atmosféře inertního plynu.These disadvantages are overcome or substantially reduced by welding the tubes or rods according to the invention, which comprises simultaneously heating the end faces of the ends of the welded tubes or rods opposite and synchronously displaced in a working space with a longitudinal temperature gradient increasing in direction from opposite points of initial heating to the welding area. Non-contact resistance heating, welding and subsequent cooling take place in one working area and in an inert gas atmosphere.

K provádění způsobu slouží zařízeni podle vynálezu sestávající z elektrické odporové pece a prostředků k centrování, souosému upevnění a protilehlému a synchronnímu posuvu obou svařovaných trubic nebo tyčí. Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, žeThe apparatus according to the invention consists of an electric resistance furnace and means for centering, coaxial fixing and opposing and synchronous displacement of the two welded tubes or rods. The principle of the device according to the invention is that:

3· elektrická odporová pec je vybavena svisle umístěným trubkovitým topným elementem z nekovového vodivého materiálu opatřeného na jeho obou čelních stranách elektrodami. Vnitřní dutá válcovitá plocha topného elementu vytváří pracovní prostor opatřený alespoň dvěma vnitřními přívody inertního plynu a nejméně jednou protitahovou clonou. Vnější plocha topného elementu spolu s vnitřním pláštěm pece vymezují vnější prostor, opatřený alespoň jedním přívodem inertního plynu. Dále zařízení zahrnuje pro každou z dvojice svařovaných trubic resp. tyčí vždy jeden samostatný centrovací mechanismus s výhodou sestávající nejméně ze tří centrováních koleček a kromě toho jednu samostatnou samostředící svorku, připevněnou k pojezdové ploše, která je pomocí matic připojena ke svislým šroubovým hřídelům navzájem propojeným pohonným hřídelem. Oba pohonné hřídele jsou připojeny k jedné pohonné jednotce, s výhodou prostřednictvím soustavy převodů a spojek.The electric resistance furnace is equipped with a vertically placed tubular heating element of non-metallic conductive material provided with electrodes on both ends thereof. The inner hollow cylindrical surface of the heating element forms a working space provided with at least two internal inert gas inlets and at least one back draft shield. The outer surface of the heating element together with the inner shell of the furnace define an outer space provided with at least one inert gas inlet. Further, the apparatus includes for each of the pair of welded tubes respectively. The rods each have a separate centering mechanism, preferably consisting of at least three centering wheels, and in addition a separate self-centering clamp fastened to the running surface, which is connected by means of nuts to vertical screw shafts interconnected by a drive shaft. Both drive shafts are connected to a single drive unit, preferably via a gear and clutch assembly.

Způsobem podle vynálezu lze svařovat silnostěnné trubice nebo tyče z vysoce čistého křemenného skla bez nebezpečí kontaminace tohoto skla, nebot se provádí bezplamenným a bezkontaktním elektrickým odporovým ohřevem v ochranné atmosféře vysoce čistého inertního plynu. Bezprostředně po svařování se provádí v zařízení podle vynálezu bez jakékoliv další manipulace, nebo použití dalšího zařízení, vychlazení svarového spoje a jeho okolí za účelem odstranění trvalých napětí. Zařízení podle vynálezu zajišťuje přesné souosé upevnění, vedení, centrováni, a synchronní protilehlý posuv obou svařovaných trubic nebo tyčí od fáze ohřevu až k fázi jejich kontaktu. Svařování je vhodné pro trubice nebo tyče větších průměrů, např. 50 až 200 mm, a délky až několik metrů bez komplikovaných' upínacích rotujících částí, typických pro sklářské soustruhy. Uvedený způsob i zařízení zabezpečují ochranu obsluhy před účinky světelného a tepelného záření, nebo splodin hoření, resp. těkáni oxidu křemičitého SiO₂·The method according to the invention can be used to weld thick-walled quartz glass tubes or rods without the risk of contamination of the glass, since it is carried out by flameless and contactless electric resistance heating in a protective atmosphere of a highly pure inert gas. Immediately after welding, the device according to the invention is carried out without any further manipulation or use of another device, cooling the weld joint and its surroundings in order to eliminate permanent stresses. The device according to the invention ensures precise coaxial fixing, guiding, centering, and synchronous opposite displacement of the two welded tubes or rods from the heating phase to the contact phase thereof. Welding is suitable for tubes or rods of larger diameters, e.g. 50 to 200 mm, and lengths up to several meters without the complicated clamping rotating parts typical of glass-turning lathes. Said method and equipment provide protection of the operator from the effects of light and heat radiation, or combustion products, respectively. SiO ₂

Příkladné provedení je popsáno dále a je schematicky znázorn i.o na připojených výkresech, z nichž představuje obr. 1 axonometrický pohled na zařízení s nárysným osovým řezem pecí a obr. 2 průběh rozložení teplot v topném elementu.An exemplary embodiment is described below and is schematically shown in the accompanying drawings, in which FIG. 1 is an axonometric view of an apparatus with a front axial section of a furnace; and FIG. 2 shows the temperature distribution pattern in a heating element.

Elektrická odporová pec 2 (obr. 1) kruhového průřezu je izolována vhodným vláknitým materiálem. Její topný element 2 na bázi grafitu vysoké čistoty umístěný ve svislé ose pece 2 tvar trubky s konstantním vnitřním průměrem a proměnlivým vnějším průměrem.The electric resistance furnace 2 (FIG. 1) of circular cross section is insulated with a suitable fibrous material. Its heating element 2 based on high-purity graphite, located in the vertical axis of the furnace 2, has the shape of a pipe with a constant inner diameter and a variable outer diameter.

Vnější průměr topného elementu 2 je nejnlžší v jeho střední části a směrem k oběma okrajům topného elementu 2 vzrůstá. K čelním plochám topného elementu 2_ vytváří prostor 5 tvaru dutého válce, který má konstantní průměr a který je opatřený dvěma vnitřními přívody 2» inertního plynu a protitahovou clonou 2· Vnější povrch topného elementu 2 s vnitřním pláštěm pece _1 vymezuji vnější prostor 9' ^do něhož vyúsťuje vnější přívod 10 inertního plynu. Pec _1 je vybavena nejméně jedním průhledítkem 11 k optickému měření teplot pyrometrem 12. V konkrétním příkladě provedení je průhledítko 11 umístěno ve střední části pece 2 a slouží rovněž k vizuální kontrole svaru. Zařízení dále zahrnuje mechanismy umístěné na neznázorněné konstrukci zařízení, sloužící k upevnění a vyvozování protilehlého a synchronního posuvu obou svařovaných trubic 13' 14, ^v příkladném provedení znázorněných tyčí 13a, 14a. Pro dolní svařovanou křemennou tyč 13a zahrnuje zařízení dolní vodící centrovací mechanismus _1_5, s výhodou sestávající nejméně ze tří vodicích dolních centrovacích koleček 151, umístěných v jedné horizontální rovině, a dále dolní samostředící svorku 17 připevněnou k dolní pojezdové ploše 19. Dolní pojezdová plocha 19 je prostřednictvím dvou matic 21, 22 připojena ke dvěma svislým protilehlým oboustranně otočným dolním šroubovým hřídelům 25, 26.The outer diameter of the heating element 2 is the lowest in the central part thereof and increases towards both edges of the heating element 2. It forms a hollow cylinder space 5 of constant diameter and which has two internal inert gas inlets 2 and a backing screen 2 to the front surfaces of the heating element 2. The outer surface of the heating element 2 with the furnace inner jacket 1 defines an outer space 9 ' ^into which results in an external inert gas inlet 10. The furnace 1 is equipped with at least one sight glass 11 for optical temperature measurement by a pyrometer 12. In a specific embodiment, the sight glass 11 is located in the central part of the furnace 2 and also serves to visually inspect the weld. The apparatus further includes mechanisms disposed on a construction of the apparatus (not shown) for securing and inferring opposing and synchronous displacement of the two welded tubes 13 '14, ^{in the} exemplary embodiment of the rods 13a, 14a shown. For the lower welded quartz rod 13a, the device comprises a lower guide centering mechanism 15, preferably consisting of at least three guide bottom centering wheels 151 disposed in one horizontal plane, and a lower self-centering clamp 17 attached to the lower running surface 19. The lower running surface 19 is via two nuts 21, 22 connected to the two vertical oppositely rotating lower screw shafts 25, 26.

Oba dolní šroubové hřídele 25, 26 jsou navzájem propojeny dolní pohonnou hřídelí 29. Obdobně zařízeni zahrnuje v tomtéž provedení pro horní svařovanou tyč 14a samostatný horní centrovací mechanismus 16 tvořený nejméně třemi horními centrovacíml kolečky 161 a dále samostatnou horní samostředící svorku 18 na horní pojezdové ploše 20, připojené pomocí matic 23, 24 na horní šroubové hřídele 27, 28 navzájem propojené horním pohonným hřídelem 30. Dolní pohonný hřídel 29 a horní pohonný hřídel 30 jsou připojeny prostřednictvím soustavy převodů 31, 32 a spojek 33 a 34 na jednu pohonnou jednotku 35.The two lower screw shafts 25, 26 are interconnected by the lower drive shaft 29. Similarly, in the same embodiment, for the upper welded rod 14a, a separate upper centering mechanism 16 comprising at least three upper centering wheels 161 and a separate upper self-centering clamp 18 on the upper running surface 20 The lower drive shaft 29 and the upper drive shaft 30 are connected via a set of gears 31, 32 and clutches 33 and 34 to one drive unit 35.

Zařízení funguje následovněThe device works as follows

Nejprve je třeba souose upevnit obě svařované křemenné tyče 13a a 14a do průchozích samostředících svorek 17 a 2®· Cela těchto tyčí 13a a 14a, určených ke svařování, musí být kolmo zaříznuta nejlépe diamantovou pilou s maximální přesností pokud možno bez záštipů a nerovností a chemicky odleptána tak, aby byla vyloučena povrchová krystalizace. Přesné vedeni svařovaných tyčí 13a a 14a je zajištěno příslušnými vodícími centrovacími mechanismy 15 a 16 ovládanými ručně. K pohonu šroubových hřídelů 25, 26, 27, 28 je použito jedné pohonné jednotky 22' např. stejnosměrného nebo krokového motoru s elektronickým řízením otáček s možností reverzací chodu, a k jemnému nastavení základních poloh slouží ruční pohon. K vnitřnímu i vnějšímu povrchu topného elementu 2 se přivádí inertní plyn vysoké čistoty pod mírným tlakem během celého procesu, od fáze ohřevu až po fázi kontaktu, svařování a. vychlazení. Po nastavení svařovaných tyčí 13a, 14a do základní polohy I (obr. 1) se pec 2 vyhřeje. Topný element 2 s proměnlivým průřezem zajištuje vhodný průběh teplot po délce pracovního prostoru 2 tak, jak je např. uvedeno na obr. 2, kde na svislé ose je znázorněno výška h topného elementu 2, na vodorovné ose teplota t.First, the two welded quartz rods 13a and 14a need to be aligned coaxially to the through self-centering clamps 17 and 2®. The whole of these rods 13a and 14a to be welded must be perpendicularly best cut with a diamond saw with maximum accuracy. etched to eliminate surface crystallization. Precise guidance of the welded rods 13a and 14a is provided by the respective manual centering mechanisms 15 and 16. To drive the screw shafts 25, 26, 27, 28, one drive unit 22 'is used, for example a DC or stepper motor with an electronic reversible speed control, and a manual drive is used for fine adjustment of the basic positions. A high purity inert gas is supplied to the inner and outer surfaces of the heating element 2 at moderate pressure during the entire process, from the heating phase to the contacting, welding and cooling phases. After setting the welded rods 13a, 14a to the basic position I (FIG. 1), the furnace 2 is heated. The variable element heating element 2 provides a suitable temperature profile along the length of the working space 2, as shown in FIG. 2, for example, where the height h of the heating element 2 is shown on the vertical axis, the temperature t on the horizontal axis.

Nejnižší teplota je potom na obou protilehlých koncích pracovního prostoru 5, zvyšuje se ve směru protilehlého posuvu obou tyčí 13a a 14a, a nejvyšší je v oblasti svařování.The lowest temperature is then at both opposite ends of the working space 5, increases in the direction of opposite displacement of the two rods 13a and 14a, and is highest in the welding area.

V horizontálním směru je teplotní gradient konstantní. V pracovním prostoru 5 v poloze I jsou čelní plochy svařovaných tyčí 13a a 14a vyhřáty nejvýše na transformační teplotu. Poté se posunou čela tyčí 13a a 14a do polohy II, kde je potřeba zpravidla jen velmi krátké prodlevy tak, aby se sálavým teplem vyhřála obě svařovaná čela na teplotu cca 1 900 °C pouze ve vrstvě několika milimetrů a aby současně nedošlo k deformaci jejich povrchu působením viskozního toku skla.In the horizontal direction the temperature gradient is constant. In the working space 5 in position I, the end faces of the welded rods 13a and 14a are heated to a maximum transformation temperature. Then the fronts of the rods 13a and 14a are moved to position II, where only a very short delay is required so that the radiated heat heats the two welded fronts to a temperature of about 1,900 ° C only in a layer of a few millimeters. by the viscous flow of glass.

Posunutím do polohy III dojde ke stisknutí tyčí 13a a 14a a vytvoření svarového spoje. V téže poloze III dojde řízeným ochlazením k vychlazení svaru, kterým se odstraní trvalé napětí ve svaru a jeho okolí. Následuje samovolné ochlazení svaru, které lze urychlit zvýšeným prouděním inertu, např. vyřazením protitahové clony 2 ^z vnitřního přívodu 6.By moving to position III, the bars 13a and 14a are pressed together and a welded joint is formed. In the same position III, the weld is cooled by controlled cooling to remove permanent stress in the weld and its surroundings. Self-cooling of the weld follows, which can be accelerated by an increased inert flow, for example by removing the backflow shield 2 ^{from the} internal inlet 6.

Ve svařováni tyčí 13a a 14a lze dále 'semikontinuálně postupovat do libovolné délky svařence. Po vytvoření prvního svaru, tedy prvního svařence, se uvolní spodní tyč 13a, svařeneo se zvedne a do dolní samostředící svorky 17 se upevní nová tyč 13a, která svařenec podepře, svařenec se upne za svou spodní část do horní samostředící svorky 2®' ^a °^^anové svařované polotovary se upevní do základní polohy I.In the welding of the rods 13a and 14a, it is further possible to proceed semi-continuously to any length of the weldment. After the first weld is formed, the lower rod 13a is released, the weld is lifted and a new rod 13a is attached to the lower self-centering clamp 17 to support the weldment, the weldment is clamped behind its lower portion to the upper self-centering clamp 2 '' ^and °. ^{and the} new welded blanks are fixed to the basic position I.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

1. Method for welding high-purity quartz glass thick-walled tubes or rods by means of electrical resistance heating, subsequent welding and cooling, characterized in that the contact surfaces of the ends of the welded tubes or rods are contacted simultaneously. in a working space with a longitudinal temperature gradient increasing from the opposite points of the initial heating to the welding area, the heating, welding and cooling taking place in one working space in an inert gas atmosphere.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising an electric resistance furnace with a heating element and at least one sight glass and means disposed outside the furnace for centering, coaxial fixing and opposing displacement of the two welded tubes or rods, 1) is provided with a vertically placed tubular element (2) of non-metallic conductive material, provided with electrodes (3, 4) on both faces, the inner cylindrical surface of which defines a working space (5), provided with at least two internal inlets (6, 7) and having an outer surface with an inner shell of the furnace (1) defining an outer space (9) provided with at least one external inert gas inlet (10), and further equipped for each of the pair of welded tubes (8). 13 and 14) or rods (13a and 14a) by a separate centering mechanism (15 and 16), p preferably comprising at least three guide centering wheels (151 and 161), and in addition a separate through-center self-centering clamp (17 and 18), attached to a respective running surface (19 and 20) connected to vertical reversible screw shafts (25, 26 and 27); 28) interconnected by a respective drive shaft (29 and 30), the two drive shafts (29 and 30) being connected to one drive unit (35), preferably via a set of gears (31 and 32) and clutches (33, 34).