JP4486392B2 - 石英ガラス部材の溶接方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対の石英ガラス部材を溶接棒を用いることなく効率よくかつ簡便に溶接することができるようにした石英ガラス部材の溶接方法及び装置に関する。

一般に、一対の石英ガラス部材を溶接する方法としては、石英ガラス製の溶接棒を使用し、この溶接棒を溶融することによって石英ガラス部材同士を接合する方法がとられており、この方法は比較的容易に石英ガラス製品を製造することができるという有利さがある。しかし、その反面、溶接棒を溶融した溶融体を溶接部位に充分に溶着させることが必要で、熟練した作業者の経験と技能を必要とし、作業時間が長くなるという不利があった。なお、石英ガラス部材を溶接する態様としては、溶接する際の溶接部位の端面の形状の変化によって、図５に示したような３種類の態様が知られている。即ち、石英ガラス部材Ａ，Ｂの溶接部位の端面が平坦面Ａ_１，Ｂ_１であるＩ型〔図５（ａ）〕、端面が先端方向に下向きの片面テーパ面Ａ_２，Ｂ_２を有するＶ型〔図５（ｂ）〕及び端面が先端方向に下向き及び上向きの両面テーパ面Ａ_３，Ａ_４，Ｂ_３，Ｂ_４を有するＸ型〔図５（ｃ）〕である。

上述したような溶接棒を用いる溶接方法における不利を克服するために、溶接棒を用いることなく機械的に石英ガラス部材の接合を行う方法及び装置が提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載の従来方法について、図６及び図７を用いて説明する。図６はこの従来方法の工程順の１例を示すフローチャート及び図７はこの従来方法の手順の１例を示す正面模式図である。この従来方法においては、まず、石英ガラス部材Ａ，Ｂの接合部Ａ_１，Ｂ_１を突き合わせる〔図６のステップ２００、図７の（ａ）〕。この従来方法における石英ガラス部材Ａ，Ｂは左右方向（この場合、バーナは上下方向）又は上下方向（この場合、バーナは左右方向）に対置されるが、その接合部は常に水平方向に位置する構成（バーナも常に水平方向加熱のみ）を開示するのみで石英ガラス部材Ａ，Ｂを左右方向に縦置きに対置して接合部が垂直方向に位置する構成（バーナも垂直方向加熱）についての開示又は示唆は全くない。

次に、水平方向に配置されたバーナ部によって石英ガラス部材Ａ，Ｂの接合部Ａ_１，Ｂ_１の両側から該接合部全体を均一に加熱し溶融する〔図６のステップ２０２，図７の（ｂ）〕。さらに、石英ガラス部材Ａ，Ｂに外力を加え、該接合部Ａ_１，Ｂ_１全体を押し合わせ溶着部Ｄを介して溶着させ〔図６のステップ２０４，図７の（ｃ）〕、溶接石英ガラス部材Ｙ_ＡＢを作成する〔図７の（ｄ）〕。この従来方法においては、石英ガラス部材Ａ，Ｂは静止的外力（速度を持たせない）で押し合わされ、そのために、Ｉ型の接合状態で接合が平滑に仕上げられる。後述する本発明方法においては、石英ガラス部材Ａ，Ｂは所定の速度を持たせた外力で押し合わせるため、接合部分には盛り上がり凸部が形成される。この点が、この従来方法と本発明方法の相違点の１つである。この溶接石英ガラスＹ_ＡＢに対して、必要に応じて、その溶着部Ｄ又はその近傍にアニール処理を施して熱歪み除去を行う（図６のステップ２０６）。その後、この溶接石英ガラスＹ_ＡＢを冷却させ（図６のステップ２０８）、溶接石英ガラス部材Ｙ_ＡＢを完成する。

この特許文献１に記載の技術では石英ガラス部材（板形状）をワーク把握手段の上に、平面状に固定して、石英ガラス部材を突き合わせた状態にて加熱・溶融させる溶接形態をとっていた。しかし、この石英ガラス部材を平面状（横置き）に配置させた状態で、石英ガラス部材の両面を上下方向より加熱・溶融させると、溶融段階で、石英ガラス部材の自重により、下方に垂れ落ちる傾向があった。下方に垂れた状態で溶接を行うと、溶接面の上面側に、垂れが生じその分の凹部が出来てしまい、溶接した石英ガラス部材の平面性が確保されないことがある。このような凹部が生ずると、研削によってその凹部を解消する必要があるが、凹部研削は凸部研削に比較して困難な作業を伴うこととなり、大きな問題となる。

また、上記した特許文献１の方法では、Ｉ型の突き合わせ溶接を行うと、肉厚の石英ガラス部材（例えば、厚さ１２ｍｍ）の溶接部内部に泡の混入が発生することが解った。泡の混入が生ずる要因は、（１）石英ガラス部材の肉厚が大きいこと、（２）石英ガラス部材端面の形状が平たい形状、つまり、Ｉ型であること、（３）石英ガラス端面の下地状態（肌仕上げの状態）つまり、表面粗さが粗い場合、（４）加熱によって左右される石英ガラスの溶融不足などがある。このように、溶接部分に泡が混入すると光学的ムラが存在することとなり、光学装置用、例えば紫外線洗浄装置用合成石英ガラス部材等として用いるには不適当であった。

そこで、本発明者らは、肉厚の石英ガラス部材の溶接面が盛り上がるくらいの溶接を目的として、石英ガラス部材を加熱、溶融及び溶着することで、上記の問題を乗り越えた溶接方法を開発すべく、鋭意研究を続けた結果、本発明に到達したものである。

本発明は、石英ガラス部材の溶接部分に凹部の発生や泡の混入がなく、したがって光学的ムラが生ずることがなく、溶接棒を用いずに、簡便に石英ガラス部材を溶接することができ、光学装置用として好適に用いることができるようにした石英ガラス部材の溶接方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の石英ガラス部材の溶接方法は、相対向する一対の石英ガラス部材の端面同士を溶接する装置を用いる溶接方法であり、一方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持する固定支持手段と、他方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持するとともに前記固定支持手段に相対向して接離可能に設けられた可動支持手段と、前記一対の石英ガラス部材の相対向する端面である溶接部位を加熱溶融することができるように前記固定支持手段と可動支持手段との間に設けられたバーナ手段とからなる石英ガラス部材の溶接装置を用いるとともに、前記石英ガラス部材を所定の間隔をおいて縦置きに対置させる工程と、前記石英ガラス部材の端面である溶接部位を前記溶接部位の両側から前記バーナ手段によって均一に加熱溶融する工程と、前記一対の石英ガラス部材の溶融した端面である溶接部位を所定の押圧力によって突き合わせかつ押し合わせて溶着する工程と、からなり、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分に盛り上がり凸部が形成されるようにした石英ガラス部材の溶接方法であって、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分及びその近傍部分を前記バーナ手段によって加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに有し、前記溶着された石英ガラス部材が冷却した後、前記盛り上がり凸部を研削して平坦とすることを特徴とする。本発明方法で用いる押圧力としては、両方向から外力を加えてもよいが、所定の速度を持たせた一方向からの外力を用いるのが好ましい。

本発明方法においては、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分に盛り上がり凸部を形成するように石英ガラス部材を突き合せかつ押し合わせるのがよい。

本発明方法においては、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに実施するのが好ましい。

本発明の石英ガラス部材の溶接装置は、相対向する一対の石英ガラス部材の端面同士を溶接するために用いられる装置でありかつ上記した本発明の石英ガラス部材の溶接方法を実施するための装置であって、一方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持する固定支持手段と、他方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持するとともに前記固定支持手段に相対向して接離可能に設けられた可動支持手段と、前記一対の石英ガラス部材の相対向する端面である溶接部位を加熱溶融することができるように前記固定支持手段と可動支持手段との間に設けられたバーナ手段とからなることを特徴とする。

前記バーナ手段としては１対のストレートバーナを用い、前記石英ガラス部材の溶接部位に対して平行でかつその両側に位置する状態で設けるのが好ましい。

前記バーナ手段としては、上下方向に移動可能であり、かつ任意角度に傾斜可能であるように設置するのが好適である。

本発明方法によれば、石英ガラス部材の溶接部分に凹部の発生や泡の混入がなく、したがって光学的ムラが生ずることがなく、溶接棒を用いずに、簡便に石英ガラス部材を溶接することができ、得られた溶接石英ガラス部材は光学装置用石英ガラス部材として好適に用いられるという効果が達成される。本発明装置は、本発明方法の実施に有効に用いられる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、図示例は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。

図１は本発明に係る石英ガラス部材の溶接装置の斜視説明図である。図中、１０は本発明に係わる石英ガラス部材の溶接装置である。この溶接装置１０は、第１石英ガラス部材Ａを支持する固定支持手段１４を有している。１６は固定支持手段１４を構成する第１基台である。この第１基台１６の上面には第１石英ガラス部材Ａの下部を支持する第１下部支持具１８ａ，１８ｂ及び第１補助受け具１８ｃ，１８ｄが設けられている。２０ａ，２０ｂは第１石英ガラス部材Ａの上部を支持する第１上部支持具である。

２２は第２石英ガラス部材Ｂを支持する可動支持手段で、前記固定支持手段１４に相対向して接離可能に設けられている。２６は可動支持手段２２を構成する第２基台である。この第２基台２６の上面にはレール２８，２８が長手方向に敷設され、このレール２８，２８上には可動台３０が長手方向に摺動自在に取り付けられている。この可動台３０の上面には第２石英ガラス部材Ｂの下部を支持する第２下部支持具３２ａ，３２ｂ及び第２補助受け具３２ｃ，３２ｄが設けられている。３４ａ，３４ｂは第２石英ガラス部材Ｂの上部を支持する第２上部支持具である。上述した各支持具１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ，３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂについては機械的な静的精度が保たれており、予め寸法設定された石英ガラス部材Ａ，Ｂを支持するとその溶接部位である端面Ａ_１，Ｂ_１が同一線上で互いに向き合うように構成されている。

３６は第３基台で、第１基台１６及び第２基台２６の間に設けられている。この第３基台３６の上面には一対のストレートバーナ３８ａ，３８ｂからなるバーナ手段３８を保持するバーナ保持部材４０が設置されている。このバーナ手段３８は石英ガラス部材Ａ，Ｂの溶接部位Ａ_１，Ｂ_１に対して平行でかつその両側に位置する状態で設けられている。このバーナ保持部材４０は上下動自在かつ傾斜角度調整可能に設置されており、したがって、バーナ手段３８が上下方向に移動可能であり、かつ任意角度に傾斜することができるようになっている。

上記した構成により、機械的精度の確保された固定支持手段１４に支持された第１石英ガラス部材Ａの溶接部位、即ち一方の端面Ａ_１と機械的精度の確保された可動支持手段２２に支持された第２石英ガラス部材Ｂの溶接部位、即ち他方の端面Ｂ_１とをバーナ手段３８の火炎Ｆ，Ｆによって溶融し、この溶融した溶接部位Ａ_１，Ｂ_１を可動支持手段２２を固定支持手段１４方向に移動させて溶接部位Ｂ_１を溶接部位Ａ_１に所定の速度を持たせて突き合わせかつ押し合わせ（衝突させ）ることによって溶着させることができる。この時、溶接部位Ａ_１，Ｂ_１を衝突させる外力（所定の速度を持たせた一方向からの外力）でもって突き合わせかつ押し合わせることで溶接部分には盛り上がり凸部Ｃが形成される（図３及び図４）。

なお、必要に応じて、バーナ手段３８を用いて、この溶接した石英ガラス部材の溶接部分を軟化加熱させることによって熱歪みの分散を行うことができる。ある任意の傾斜角度で位置させたストレートの加熱装置（石英ガラス部材に対しては１対のストレートバーナ）で、溶接部分及びその近傍部分（バーナの可動範囲部分）を、石英ガラスの軟化点近くまで加熱することで、溶接によって生じた熱歪みを分散させることができ、溶接石英ガラス部材の割れの発生がなくなる。また、通常は、溶接後にアニール炉でのアニール処理を行うが、アニール処理は石英ガラス部材全体を軟化点近くまで加熱して歪み取り（アニール）を行うために、面積の大きい板は、その平面性が失われるという不都合があった。しかし、このストレートの加熱装置を用いることによって、固定支持手段１４及び可動支持手段２２について設定された機械的精度と同様な平面性が確保された状態で溶接石英ガラス部材が得られるという有利さがある。

続いて、本発明に係る石英ガラス部材の溶接方法について図１に示した本発明の溶接装置を参照しつつ、図２〜図４を用いて説明する。図２は本発明に係る石英ガラス部材の溶接方法の工程順の１例を示すフローチャート、図３は本発明方法の手順の１例を示す正面模式図及び図４は図３と同様の手順を示す上面模式図である。

まず、一対の石英ガラス部材Ａ，Ｂを所定の間隔をおいて縦置きに対置させる〔図２のステップ１００、図３及び図４の（ａ）〕。つまり、固定支持手段１４に一方の石英ガラス部材Ａを縦置きに支持させ、可動支持手段２２に他方の石英ガラス部材Ｂを縦置きに支持させる。可動支持部材２２に支持された石英ガラス部材Ｂを移動させることによって石英ガラス部材Ａ，Ｂを所定間隔をおいて縦置きに対置させることができる。

次に、バーナ手段３８を用いて石英ガラス部材Ａ，Ｂの溶接部位Ａ_１，Ｂ_１を均一に加熱溶融する〔図２のステップ１０２，図３及び図４の（ｂ）（ｃ）〕。可動支持部材２２に支持された石英ガラス部材Ｂを移動させることによってこの溶融した溶接部位Ａ_１，Ｂ_１を所定の速度を持たせて突き合わせ、かつ押し合わせて押圧状態とし、外周面に突出した盛り上がり凸部Ｃを形成した状態で溶着し、石英ガラス部材Ａ，Ｂを溶接して溶接石英ガラス部材Ｗ_ＡＢを作成する〔図２のステップ１０４，図３及び図４の（ｄ）（ｅ）〕。上記した突き合わせの態様としては、他方の石英ガラス部材のみを移動させる場合について説明したが、両方の石英ガラス部材を移動させてもよいものである。

この溶接石英ガラス部材Ｗ_ＡＢに対して、必要に応じて、バーナ手段３８を用いてその溶接部分及びその近傍部分を加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる（図２のステップ１０６）。その後、この溶接石英ガラスＷ_ＡＢを冷却する（図２のステップ１０８）。この冷却の方法としては特別の限定はないが、溶接石英ガラス部材Ｗ_ＡＢを大気中に放置して自然冷却させればよい。この冷却した溶接石英ガラスＷ_ＡＢの凸部Ｃを研削して平坦とし（図２のステップ１１０）、溶接石英ガラス部材Ｗ_ＡＢを完成する（図２のステップ１１２）。このようにして得られた石英ガラス部材Ｗ_ＡＢは、その溶接部分に泡の混入がなく、したがって、光学的ムラの発生がなく、光学装置用、例えば紫外線洗浄装置用石英ガラス部材等として良好な性能を有する。

なお、図３及び図４の例では、石英ガラス部材Ａ，Ｂの溶接部位がＩ型〔図５（ａ）〕である場合について説明したが、その他の態様、即ちＶ型〔図５（ｂ）〕、Ｘ型〔図５（ｃ）〕のように溶接部位の端面を面取りした場合についても同様に適用可能であることはいうまでもない。特にＸ型の態様においては、例えば、１２ｍｍ肉厚（先端端面４ｍｍ）の石英ガラス部材の場合でも、先端中央部にバーナ火炎が当たり、バーナ火炎による溶解も起こり易くなる。また同様に端面の面取り部分には４５度面でバーナ火炎が当たることになり、Ｉ型に比べて、より溶解が増す。つまり、Ｘ型はＩ型に比べ、バーナ火炎のスポット分またはスポット幅の能率がよくなり、溶解に影響し、石英ガラス部材端面の溶解度が増えるために、石英ガラス部材同士の溶着仕上がりを制御・操作し易くなる利点がある。また、Ｘ型石英ガラス部材についての溶接作業を行う場合には、突き合わせ衝突させる速度を速くすれば、溶着部分の盛り上がり凸部の幅や高さがＩ型石英ガラス部材の溶着部分に比べて大きくすることができる。

本発明に係る石英ガラス部材の溶接装置の斜視説明図である。 本発明に係る石英ガラス部材の溶接方法の工程順の１例を示すフローチャートである。 本発明に係る石英ガラス部材の溶接方法の手順の１例を示す正面模式図で、（ａ）は石英ガラス部材を所定間隔をおいて縦置きに対置した状態、（ｂ）は石英ガラス部材の溶接部位を火炎で加熱している状態、（ｃ）は石英ガラス部材の溶接部位が溶融している状態、（ｄ）は石英ガラス部材の溶融した溶接部位を突き合わせた状態、（ｅ）は（ａ）の状態からさらに石英ガラス部材を押し合わせて凸部を形成した状態をそれぞれ示す。 図３と同様の手順を示す上面模式図である。 石英ガラス部材の溶接の態様を示す説明図で、（ａ）はＩ型、（ｂ）はＶ型及び（ｃ）はＸ型の態様をそれぞれ示す。 従来の石英ガラス部材の接合方法の工程順の１例を示すフローチャートである。 従来の石英ガラス部材の接合方法の手順の１例を示す正面模式図である。

符号の説明

１０：溶接装置、１４：固定支持手段、１６：第１基台、１８ａ，１８ｂ：第１下部支持具、２０ａ，２０ｂ：第１上部支持具、２２：可動支持手段、２６：第２基台、２８：レール、３０：可動台、３２ａ，３２ｂ：第２下部支持具、３４ａ，３４ｂ：第２上部支持具、３６：第３基台、３８ａ，３８ｂ：ストレートバーナ、３８：バーナ手段、４０：バーナ保持部材、Ａ，Ｂ：石英ガラス部材。

Claims (5)

1. 相対向する一対の石英ガラス部材の端面同士を溶接する装置を用いる溶接方法であり、一方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持する固定支持手段と、他方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持するとともに前記固定支持手段に相対向して接離可能に設けられた可動支持手段と、前記一対の石英ガラス部材の相対向する端面である溶接部位を加熱溶融することができるように前記固定支持手段と可動支持手段との間に設けられたバーナ手段とからなる石英ガラス部材の溶接装置を用いるとともに、前記石英ガラス部材を所定の間隔をおいて縦置きに対置させる工程と、前記石英ガラス部材の端面である溶接部位を前記溶接部位の両側から前記バーナ手段によって均一に加熱溶融する工程と、前記一対の石英ガラス部材の溶融した端面である溶接部位を所定の押圧力によって突き合わせかつ押し合わせて溶着する工程と、からなり、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分に盛り上がり凸部が形成されるようにした石英ガラス部材の溶接方法であって、前記溶着された石英ガラス部材の溶着部分及びその近傍部分を前記バーナ手段によって加熱軟化させることによって熱歪みを分散させる工程をさらに有し、前記溶着された石英ガラス部材が冷却した後、前記盛り上がり凸部を研削して平坦とすることを特徴とする石英ガラス部材の溶接方法。
2. 前記押圧力が所定の速度を持たせた一方向からの外力であることを特徴とする請求項１記載の石英ガラス部材の溶接方法。
3. 相対向する一対の石英ガラス部材の端面同士を溶接するために用いられる装置でありかつ請求項１又は２記載の石英ガラス部材の溶接方法を実施するための装置であって、一方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持する固定支持手段と、他方の石英ガラス部材を縦置き状態で支持するとともに前記固定支持手段に相対向して接離可能に設けられた可動支持手段と、前記一対の石英ガラス部材の相対向する端面である溶接部位を加熱溶融することができるように前記固定支持手段と可動支持手段との間に設けられたバーナ手段とからなることを特徴とする石英ガラス部材の溶接装置。
4. 前記バーナ手段が１対のストレートバーナであって、前記石英ガラス部材の溶接部位である端面に対して平行でかつその両側に位置する状態で設けられることを特徴とする請求項３記載の石英ガラス部材の溶接装置。
5. 前記バーナ手段が上下方向に移動可能であり、かつ任意角度に傾斜可能であることを特徴とする請求項３又は４記載の石英ガラス部材の溶接装置。

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