KR102318786B1

KR102318786B1 - 큰 단면적을 갖는 두꺼운 유리 프리폼을 제조하기 위한 고강도 용접 공정

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Publication number: KR102318786B1
Application number: KR1020200008175A
Authority: KR
Inventors: 올리버 간츠; 케네스 로버트 코치; 팀 앨런 폰트슬러
Original assignee: 헤래우스 쿼츠 노쓰 아메리카 엘엘씨; 헤래우스 크바르츠글라스 게엠베하 ＆ 컴파니 케이지
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-10-28
Also published as: US20200231488A1; EP3686165A1; JP6968213B2; JP2020117431A; CN111453979B; US11739019B2; KR20200091821A; EP3686165B1; CN111453979A

Abstract

두 유리 컴포넌트들 사이에 고강도 용접을 생성하는 장치 및 관련 공정. 척들은 인클로저 내부에서 서로를 향해 유리 컴포넌트들의 각 제1 단부들을 클램핑 및 이동시키며, 제2 단부들은 용접 구역에서 함께 가열되고, 연화되고 용접된다. 인클로저는 적층된 석영 유리 브릭들의 층들을 가지며, 용접 구역을 천천히 냉각되게 하여 응력이 방지되게 한다. 프로판 석영 용융 토치는 유리 컴포넌트들이 서로를 향해 이동됨에 따라 인클로저 내부에서 그리고 제2 단부들을 향해 화염을 유도한다. 화염은 제2 단부들을 연화시키고 증가된 수산화물 함량을 갖는 용접 구역에서 실질적으로 평활화된 연마된 표면들을 생성한다. 용접 구역의 최소 80%는 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 약 10 ppm 보다 큰 수산화물 함량을 가지며 용접 구역의 인장 강도는 약 10 Mpa 이상이다.

Description

큰 단면적을 갖는 두꺼운 유리 프리폼을 제조하기 위한 고강도 용접 공정{HIGH-STRENGTH WELDING PROCESS FOR MAKING HEAVY GLASS PREFORMS WITH LARGE CROSS SECTIONAL AREAS}

본 출원은 일반적으로 세장형 유리 컴포넌트들을 생산하는 것에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 큰 단면적을 갖는 두꺼운 유리 프리폼을 제조하는 공정 및 장치에 관한 것이며, 특히 제1 유리 컴포넌트와 적어도 하나의 제2 유리 컴포넌트 사이의 용접 조인트를 생산하는 공정 및 장치에 관한 것이다.

석영 유리 컴포넌트들은 튜브 또는 고체 실린더 형태의 광섬유; 자외선, 적외선 및 가시 광선 스펙트럼 범위의 램프 및 라디에이터를 위한 슬리브 튜브, 전구, 커버 플레이트 또는 반사 캐리어와 같은 램프 제조 시; 반도체 컴포넌트들, 지그(jigs), 벨 자(bell jars), 도가니(crucibles) 또는 보호 실드의 처리를 위한 석영 유리의 반응기 및 장치 형태의 화학 장치 구성 또는 반도체 제조 시; 또는 튜브, 로드(rod), 플레이트, 플랜지, 링 또는 블록을 포함하는 단순한 석영 유리 컴포넌트들을 제조하는데 사용된 반가공(semi-finished) 프리폼들과 같은 많은 어플리케이션들에 사용된다. 특수한 특성들을 생산하기 위해, 석영 유리는 티타늄, 알루미늄, 붕소, 게르마늄 또는 이들 물질들의 조합들과 같은 다른 물질들로 도핑된다.

광섬유의 설계 및 적용과 관련된 응용 과학 및 공학 분야는 섬유 광학으로 알려져 있다. 광섬유는 사람의 헤어 두께보다 약간 두꺼운 직경으로 유리(실리카)를 인발함으로써 만들어진 가요성의 투명한 섬유이다. 광섬유는 섬유의 두 단부들 사이에서 광을 전송하는데 가장 많이 사용되고, 광섬유 통신에 폭넓게 사용되며, 이들은 유선 케이블보다 더 먼 거리와 더 높은 대역폭(데이터 속도)에서 전송을 허용한다. 섬유는 신호가 손실을 줄이면서 섬유를 따라 이동하기 때문에 금속 와이어 대신 사용된다. 추가로, 섬유는 또한 금속 와이어가 겪는 문제인 전자기 간섭에 대한 면역성이 있다. 섬유는 또한 조명에 사용되며 그들이 이미지를 운반하는데 사용될 수 있도록 번들로 싸여져, 파이버스코프의 경우에서와 같이 한정된 공간에서 볼 수 있다. 특별히 설계된 섬유는 광섬유 센서들 및 광섬유 레이저와 같은 다양한 다른 어플리케이션들에도 사용된다.

광섬유는 일반적으로 더 낮은 굴절률을 갖는 투명한 클래딩 물질로 둘러싸인 투명한 코어를 포함한다. 내부 전반사 현상에 의해 광이 코어에 유지되어 섬유가 도파관으로 작용되게 한다. 많은 전파 경로들 또는 횡방향 모드들을 지원하는 섬유들은 다중 모드 섬유라 하고; 단일 모드를 지원하는 섬유는 단일 모드 섬유라 한다.

광섬유는 일반적으로 두 개의 별도의 공정들로 제작된다. 첫째, 프리폼 로드(preform rod)가 준비된 다음, 로드-인-튜브(rod-in-tube; RIT) 또는 오버클래딩 로드-인-실린더(rod-in-cylinder; RIC) 공정에 의해 프리폼이 제조된다. 둘째, 제조된 프리폼으로부터 광섬유가 융합-인발된다. 두 공정들 중 첫 번째 공정을 완료하는 광섬유 프리폼을 제조하기 위한 종래 공정 및 장치는 Oh 등에게 발행된 미국 특허 제6,053,013호에 개시된다.

구체적으로, Oh 등은 광섬유 로드 오버클래딩 장치를 제공한다. 오버클래딩 장치는 수직 선반, 수직 선반의 각 단부에 설치된 척(chuck), 수직 선반의 양 단부들 사이를 수직으로 이동하기 위한 수직 선반의 캐리지(carriage), 캐리지에 설치된 산소-수소 버너, 캐리지에 설치된 퍼니스(furnace), 수직 선반의 단부에 제공된 진공 펌프, 진공 펌프를 수직 선반의 단부에 연결하는 커플러, 및 캐리지의 수직 이동, 산소-수소 버터의 유동률 및 척의 회전을 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 퍼니스는 유리 튜브로 프리폼 로드를 오버클래딩하기 위해 유리 튜브를 예열 또는 가열한다. 특허는 2000년에 Oh 등에게 발행되었다.

보다 최근에, 석영 유리 튜브, 로드 또는 붕괴된 오프라인 로드-인-실린더(ORIC)를 위한 프리폼들은 하부 단부가 연화되기 시작하여 스트랜드(strand)를 형성하도록 수직 방향으로 가열 구역(예를 들어, 퍼니스)을 포함하는 장치로 석영 유리 컴포넌트(예를 들어, 실린더, 잉곳(ingot) 또는 붕괴되지 않은 RIC)를 도입함으로써 생산되었다. 그런 다음, 스트랜드는 하나 이상의 풀링 휠 세트를 포함하는 풀링 장치에 배치된다. 스트랜드의 인발 속도는 풀링 휠의 속도에 의해 제어되며, 이는 형성 구역 온도 또는 점도 및 휠에 의해 지지되는 스트랜드의 중량에 따라 하향 또는 상향 힘을 인가할 수 있다. 성형은 다이의 도움없이 달성된다. 따라서, 스트랜드 치수들은 석영 유리 컴포넌트의 공급 속도, 가열 구역의 온도 및 풀링 휠의 속도에 의해 제어된다.

신장될 석영 유리 실린더의 단부가 더 작은 직경을 갖는 더미 튜브 또는 홀더의 형태로 부착 피스(attachment piece)에 용접되는 경우 풀링 단계가 개선될 수 있다. 이 피스는 풀링 공정을 단축하고 동시에 물질의 손실을 줄일 수 있다. 일반적으로, 홀더 역할을 하는 석영 유리의 컴포넌트는 신장될 석영 유리 실린더의 상부 단부에 용접되지만, 홀더들은 실린더의 하부 단부 또는 양 단부들에 용접될 수 있다.

이러한 어셈블리를 생산하기에 적합한 방법은 Heraeus Tenevo GmbH를 대신하여 출원된 국제 공개 번호 WO 2007/039426에 기술되어 있다. 광섬유에 대한 프리폼 역할을 하는 석영 유리 튜브를 더미 튜브 또는 홀더에 버트(butt) 용접하기 위해, 서로 연결될 전면들이 용융 연결부를 형성하기 전에 챔퍼링될 수 있다. 프로판/산소 버너 또는 전기 가열 퍼니스를 사용하여 연결 표면들이 연화된 다음, 연결 표면들은 서로에 대해 가압된다.

Shimada 등에 발행되고 본 출원의 양수인인, Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG에게 양도된 미국 특허 번호 제6,484,540호는 광섬유 프리폼으로 사용하기 위해 더미 튜브를 석영 유리 튜브에 용접하는 방법을 개시한다. 상기 방법은 더미 튜브로 석영 유리 튜브를 용접하기 전에 더미 튜브 및/또는 석영 유리 튜브의 내부 엣지 부분을 챔퍼링하는 단계를 포함한다. 더미 튜브 및 석영 유리 튜브는 그런 다음 함께 용접된다.

Sattmann에 발행되고 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG에게 양도된 미국 특허 번호 제8,161,772호는 석영 유리로 만들어진 광학 컴포넌트의 생산 방법을 개시한다. 석영 유리 인벨로프 튜브로 둘러싸인 심봉(core rod)dmf 갖는 동축 배열은 수직 방향으로 가열 구역으로 도입되고, 섹션별로 가열 구역에서 연화되고, 인발 전구가 형성되면서 석영 유리 컴포넌트를 산출하도록 신장된다. 다른 부분 위에 배치된 적어도 두 개의 개별 심봉 섹션들을 가지는 심봉이 사용되며, 상부 심봉 섹션의 중량이 인발 전구 위에 제공된 인벨로프 튜브의 장착 또는 지지 영역에 의해 지지된다.

종래의 하향 인발 시스템 및 공정으로 원래의 실린더 또는 클래딩 크기에 가까운 큰 외경 프리폼들을 생성하는데 상당한 어려움이 있다. 공정 시작 시 상당한 양의 우수한 프리폼 유리가 낭비되며 프리폼의 지오메트리 및 도파관 특성들은 지오메트리, 클래드-대-코어 비율 및 활(bow)과 같은 이러한 파라미터들 측면에서 요구된 사양들과는 거리가 멀다. 따라서, 종래 프리폼 시스템들 및 공정들은 뚜렷한 단점들이 있다.

종래의 프리폼 제조 공정들에 내재된 문제들을 해결하기 위해, 장치 및 광섬유 프리폼(또는 광섬유)을 제조하기 위해 해당 장치를 사용하는 관련 공정의 첫 번째 목적은 불순물들을 상당히 피하면서 조인될 석영 유리 컴포넌트들 사이에서 정확하고 재생 가능한 방식으로 고체 용접선을 생성하는 것이다. 두 번째 목적은 종래 시스템들 및 공정들에 내재된 폐기물 및 어셈블리 문제들을 최소화하고 제거하는 것이다. 세 번째 목적은 석영 유리 컴포넌트들 사이에 용접 조인트를 생성하기 위한 간단하고, 작동 가능하며, 비교적 저렴한 장치를 제공하는 것으로, 이 장치는 특히 관련 공정을 수행하는데 적합하다.

추가 목적은 높은 용접 강도를 초래하고 용접 부분의 내경의 수축을 일으키지 않는 용접 공정을 제공하는 것이다. 또 다른 추가 목적은 초고비율(ultra-high ratio) 실린더들을 유리하게 용접하는 것이다. 관련 목적은 외경 대 내경 비율이 약 3.2보다 큰 실린더들을 용접하면서, 제거되지 않는 경우 특히 냉각 동안 응력, 크랙 및 파손의 위험을 줄이는 것이다.

또한, 용접 공정을 위한 최적의 레시피 파라미터들을 효율적으로 개발하기 위해 한정된 요소 모델링을 사용하는 것이 목적이다. 관련 목적은 개발 도안 필요한 시험 횟수를 줄임으로써 귀중한 생산 능력을 절약하는 것이다. 또 다른 관련 목적은, 특히 양호한 프리폼 및 광섬유 수율의 최종 양이 "압착"될 수 있는 프리폼의 두 단부들에서, 가열 및 유리 흐름의 복잡한 열 물리학의 정확한 열 이해를 가능하게 하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위해, 두 유리 컴포넌트들 사이의 용접 구역의 중심에서 고강도 용접선을 생성하기 위해 해당 장치를 사용하는 장치 및 관련 공정이 제공된다. 각 유리 컴포넌트는 제1 단부, 대향되는 제2 단부 및 지면을 갖는다. 장치는 제1 유리 컴포넌트의 제1 단부를 클램핑시키도록 구성된 제1 척 및 제2 유리 컴포넌트의 상기 제1 단부를 클램핑시키도록 구성된 제2 척으로서, 제1 척 및 제2 척은 서로를 향해 유리 컴포넌트들을 이동시키는, 상기 제1 척 및 상기 제2 척을 포함한다. 제1 유리 컴포넌트의 제2 단부와 제2 유리 컴포넌트의 제2 단부가 서로를 향해 이동되고, 상기 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 함께 가열되고, 연화되고 용접되는 인클로저로서, 바람직하게는 브릭 하우스 인클로저가 장치에 더 포함되며, 상기 브릭 하우스 인클로저는 적층된 석영 유리 브릭들의 층들을 가지며, 상기 용접 구역을 천천히 냉각되게 하여 상기 용접 위치의 응력을 방지되게 한다. 유리 컴포넌트들이 서로를 향해 이동함에 따라 상기 인클로저 내부로 그리고 상기 유리 컴포넌트들의 상기 제2 단부들을 향해 화염을 유동하는 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치가 장치에 또한 더 포함되며, 상기 화염은 상기 유리 컴포넌트들의 상기 제2 단부들을 연화시키고 증가된 수산화물 함량을 갖는 각 컴포넌트의 상기 제2 단부 근처의 상기 용접 구역에서 실질적으로 평활화된 연마된 표면들을 생성한다. 용접 구역의 최소 80%는 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 약 10 ppm 보다 큰 수산화물 함량을 가지며 상기 용접 구역의 인장 강도는 약 10 Mpa 보다 크다.

관련 공정은 용접 어셈블리의 두 유리 컴포넌트들 사이의 용접 구역의 중심에 고강도 용접선을 생성한다. 상기 공정은: (a) 각각 제1 단부, 대향되는 제2 단부 및 지면을 갖는 두 유리 컴포넌트들을 제공하는 단계; (b) 선반의 각 척들에 각 유리 컴포넌트의 상기 제1 단부를 클램핑시키는 단계; (c) 유리 컴포넌트들을 선반을 이용하여 서로를 향해 제1 유리 컴포넌트의 제2 단부와 제2 유리 컴포넌트의 제2 단부가 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 함께 가열되고, 연화되고 용접되는 브릭 하우스 인클로저로 이동시키는 단계로서, 브릭 하우스 인클로저는 적층된 석영 유리 브릭들의 층들을 가지며, 상기 용접 구역을 천천히 냉각되게 하여 상기 용접 위치의 응력을 방지되게 하는, 상기 이동시키는 단계; (d) 상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부와 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부를 상기 유리 컴포넌트들이 서로를 향해 이동함에 따라 브릭 하우스 인클로저 내부로 그리고 유리 컴포넌트들의 제2 단부들을 향해 화염을 유도하는 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치를 사용하여 브릭 하우스 인클로저에서 공동으로 동시에 가열 및 연화시키는 단계로서, 상기 화염은 증가된 수산화물 함량을 갖는 각 유리 컴포넌트의 제2 단부 근처의 용접 구역에서 실질적으로 평활화된 연마된 표면들을 생성하는, 상기 가열 및 연화시키는 단계; (e) 용접 어셈블리의 용접 구역에 용접선을 형성하기 위해 서로에 대해 유리 컴포넌트들의 연화된 제2 단부들을 가압시키는 단계; 및 (f) 용접 어셈블리를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 다시, 용접 구역의 최소 80%는 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 약 10 ppm 보다 큰 수산화물 함량을 가지며 상기 용접 구역의 인장 강도는 약 10 Mpa 보다 크다.

전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 둘 다 본 발명의 예시로서, 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다.

본 발명은 첨부 도면과 함께 읽을 때 하기의 상세한 설명으로부터 가잘 잘 이해된다. 도면의 간단한 설명 일반적인 관례에 따르면, 도면의 다양한 특징들은 스케일링되지 않는다는 것이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들의 치수들(dimensions)은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 축소된다. 도면에는 다음의 그림들이 포함된다:
도 1은 심봉(core rod), 내부 재킷 튜브(inner jacket tube) 및 프리폼을 형성하기 위해 홀더가 부착된 외부 재킷 튜브(outer jacket tube)로 구성된 동축 배열의 일 실시예의 전체도이다;
도 2는 심봉, 프리폼을 형성하기 위해 내부 재킷 튜브와 외부 재킷 튜브에 부착된 개별 홀더들을 갖는 내부 재킷 튜브 및 외부 재킷 튜브로 구성된 동축 배열의 다른 실시예의 전체도이다;
도 3a 및 3b는 프리폼과 홀더가 도 3a에 부착되기 전과 도 3b에 부착된 후, 프리폼과 홀더로 사용하기 위한 두 실린더의 챔버링된 엣지들을 예시한다;
도 4a는 머플 튜브(muffle tube) 형태의 인클로저를 갖는 장치의 실시예의 측면도이다;
도 4b는 도 4a에 도시된 머플 튜브의 전면도이다;
도 5a는 용접선이 너무 빨리 냉각되는 것을 방지하기 위해 수평 선반에 설치된 브릭 하우스 인클로저의 전면도이다;
도 5b는 도 5a에 도시된 브릭 하우스 인클로저의 측면도이다;
도 6a는 브릭 하우스 인클로저를 사용하지 않는 용접선의 냉각을 예시한다;
도 6b는 비교를 위해 브릭 하우스 인클로저를 사용하는 용접선의 냉각을 예시한다;
도 7은 인클로저 내부에서 두 유리 컴포넌트들을 함께 용접하기 위해 필요한 열을 제공하는 적절한 가열 토치를 예시한다;
도 8a는 토치로 보다 용이한 화염 연마를 위해 용접을 평활화 하는데 사용된 패들(paddle)의 상면도이다;
도 8b는 도 8a에 예시된 패들의 측면도이다;
도 9a는 지면 영역과 화염 연마 표면 영역을 강조하는, 두 개의 용접된 중공 실린더들을 예시한다;
도 9b는 도 9a에 도시된 실린더들의 중심축에 따른 거칠기 및 표면 수산화물 값들을 예시한다;
도 10은 퍼지 가스(purge gas)를 장치로 전달하는 가스 라인 및 관련 퍼지 지원 시스템을 포함하는 장치의 실시예를 예시한다;
도 11은 해당 퍼지 지원 시스템의 퍼지 장치를 체결 및 고정하는 도 10에 예시된 퍼지 지원 시스템의 연결부를 도시한다;
도 12는 도 10에 예시된 퍼지 지원 시스템의 피벗 아암(pivot arm)이 해당 퍼지 지원 시스템의 수직 스트러트(strut)를 중심으로 피벗될 수 있는 방법을 도시한다;
도 13은 해당 퍼지 지원 시스템의 휠들과 하부 트랙 사이의 체결을 강조하는 도 10에 예시된 퍼지 지원 시스템의 후면도이다;
도 14는 도 11에 도시된 퍼지 장치의 예시적인 실시예의 사시도이다; 그리고
도 15는 핸들을 실리더에 용접하기 위한 예시적인 공정의 각 단계 동안 서로에 대해 그리고 브릭 하우스 인클로저에 대해 핸들, 실린더 및 두 토치들의 위치를 개략적으로 예시한다.

이제 도면을 포함하는 다양한 그림들에 걸쳐 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 지칭하는 도면을 참조하면, 도 1은 일 실시예에 따른 광섬유 프리폼(또는 광섬유)을 생산하는 장치(10)를 도시한다. 장치(10)는 유리 클래딩(glass cladding) 내부에 배치된 도파 광섬유 코어(waveguiding optical fiber core)를 형성하는 유리 심봉(a glass core rod)(1)을 포함한다. 보다 구체적으로, 클래딩은 바람직하게는 심봉(1)을 방사상으로 감싸도록 심봉(1) 위에 형성된다. 클래딩은 단일 튜브로 형성되고, 또는 도 1에 예시된 바와 같이, 유리의 내부 튜브(2)와 외부 튜브(3)로 형성될 수 있다. 심봉(1), 내부 튜브(2) 및 외부 튜브(3)의 종방향 축들은 전체 장치(10)의 수직 배향 중심축(4)에 동축인 방향으로 각각 연장된다. 심봉(1)과 내부 튜브(2) 사이에 제1 갭(gap)(5)이 처음 존재한다; 내부 튜브(2)와 외부 튜브(3) 사이에 제2 갭(6)이 처음 존재한다. 클래딩은 외부 직경("OD")을 갖는다.

클래딩은 순수한 석영 유리일 수 있거나 최소 85%의 Si0₂ 함량을 갖는 도핑된 석영 유리일 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 클래딩은 고순도 석영 유리이다. 심봉(10)은 바람직하게는 주로 순수한 석영 유리이다. 석영 유리는 낮은 열팽창 계수에 의해, 넓은 파장 범위에 걸친 광학 투명도에 의해, 그리고 높은 화학적 및 열적 저항성으로 구별된다. 고순도 석영 유리는 불순물 Li, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Ni, Cr 및 Mn의 총 함량이 중량으로 10 ppm 미만인 석영 유리로 정의된다.

클래딩 및 심봉(1)은 용융 석영 또는 내부 기상 증착, 외부 기상 증착 및 기상축 증착을 포함하는 하나 이상의 유형들의 화학 기상 증착(CVD)과 같은, 임의의 적절한 공정에 의해 각각 형성될 수 있다. 심봉(1)의 물질은 일반적으로 프리폼으로부터 인발된 섬유를 통과하는 광 신호들의 내부 반사를 가능하게 하기 위해 주변 클래딩의 물질의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지며, 그 결과 효율적인 도파관이 된다.

도 1로 돌아가면, 제1 홀더(14)(때로는 "더미 튜브(dummy tube)"라고 함)가 외부 튜브(3)의 상부 단부에 조인, 융합 또는 용접된다. 제1 홀더(14)는 일반적으로 심봉(1) 또는 클래딩보다 낮은 품질과 낮은 비용의 석영 유리(예컨대, 많은 양의 불순물들, 기포들 등을 함유하는 석영 유리)로 만들어진 실린더이다. 제1 홀더(14)는 심봉(1) 또는 클래딩보다 더 얇고, 외부 직경이 더 작으며, 내부 직경이 거의 동일하다. 제1 홀더(14)는 외부 튜브(3)가 고정되고 이동되는 그리퍼(gripper)를 위한 수용체 역할을 하는 주변 직사각형 그루브(15)를 갖는다. 그리퍼는 외부 튜브(3)가 중심축(4)을 가로지르는 방향으로 실장된 짐벌(gimbal)을 중심을 피벗할 수 있도록 짐벌되며, 이는 신장 공정(elongation process) 동안 셀프-센터링(self-centering)에 기여한다.

제1 홀더(14)의 상부 단부는 가스 라인(18)이 통과되고, 외부 튜브(3)의 내부 보어 및 이에 따른 내부 튜브(2)의 내부 보어도 비워질 수 있으며, 퍼징 가스가 도입될 수 있는 리드(lid)(17)로 폐쇄된다. 추가 석영 유리 피스(piece)(19)가 심봉(1) 및 내부 튜브(2)의 상부 단부들에 위치된다. 피스(19)는 또한 피스(19)를 통해 내부 튜브(2)의 내부 보어로 진공을 통과하기 위한 슬롯들 또는 보어들을 갖는다. 신장 공정 동안 심봉(1)이 플로팅되는 것을 방지하는 지지봉(support rod)(20)이 피스(19)와 리드(17) 사이에서 연장된다.

장치(10)의 대안적인 실시예가 도 2에 예시된다. 도 1과 대조적으로, 도 2에 따른 실시예는 작은 개방(1c)에 의해 분리된 상부 심봉 부분(1a) 및 하부 심봉 부분(1b)로 분할된 심봉(1)을 도시한다. 각각의 상부 심봉 부분(1a) 및 하부 심봉 부분(1b)은 약 3 m의 길이를 가질 수 있다. 이 실시예는 내부 튜브(2) 상에 상부 심봉 부분(1a)의 현수식 마운팅(suspended mounting)을 허용한다. 내부 튜브(2)는 내부 튜브(2)의 상부 단부에 조인, 융합 또는 용접된 석영 유리의 제2 홀더(14a)에 의해 고정된다. 그렇지 않으며, 내부 튜브(2)에 대한 제2 홀더(14a)의 구성은 내부 튜브(3)에 대한 제1 홀더(14)의 구성과 유사하다. 따라서, 도 2에 도시된 장치(10)의 실시예는 복수의 홀더들이 광학 프리폼을 제조하는 공정 동안 복수의 유리 컴포넌트들에 부착될 수 있음을 예시한다.

상부 심봉 부분(1a)의 현수식 마운팅은 내부 튜브(2)의 상부 단부에서 벽을 통해 그리고 상부 심봉 부분(1a)의 상부 단부를 통해 연장되는 석영 유리 핀(7)에 의해 달성된다. 이를 위해, 상부 심봉 부분(1a)은 핀 축을 중심으로 약간의 피벗성(pivotability)을 보장하는 피팅 보어(fitting bore)가 냉각 상태로 제공된다. 하부 심봉 부분(1b)은 내부 튜브(2)의 하부 단부에서 벽을 통해 연장되는 추가 석영 유리 핀(8)에 놓인다. 심봉 부분들(1a, 1b) 사이에 작은 개방(1c)이 유지된다. 내부 튜브(2)의 내부 보어의 진공 기밀성(Vacuum tightness)은 외부 튜브(3)에 의해 보장된다.

장치(10)의 추가 실시예들(도시되지 않음)은 도 1에 예시된 실시예의 일부 양태들 및 도 2에 예시된 실시예의 일부 양태들을 포함한다. 예를 들어, 도 2에 예시된 실시예의 특성인 상부 심봉 부분(1a)의 현수식 마운팅 대신, 추가 실시예는 핀들(7, 8)을 도 1에 예시된 실시예의 특징인 리드(17), 피스(19) 및 지지봉(20)으로 교체한다. 따라서, 제1 홀더(14) 및 제2 홀더(14a)의 상부 부분들은 (가스 라인(18)이 선택적으로 통과할 수 있고, 외부 튜브(3)의 내부 보어 및 이에 따라 내부 튜브(2)의 내부 보어도 비워질 수 있으며, 퍼징 가스가 도입될 수 있는) 리드(17)로 폐쇄된다. 피스(19)는 도 1에 예시된 실시예와 달리 상부 심봉 부분(1a)의 상부 단부에만 위치되며, 제2 홀더(14a)가 부착되는 내부 튜브(2)의 상부 단부에는 위치되지 않는다. 지지봉(20)은 신장 공정 동안 상부 심봉 부분(1a)이 플로팅되는 것을 방지하고 피스(19)와 리드(17) 사이에서 연장된다.

다른 실시예(도시되지 않음)에서, 제1 홀더(14)(또는 대체 홀더)는 심봉(1)에 부착될 수 있다. 따라서, 별개의 홀더들이 각각 심봉(1), 내부 튜브(2) 및 외부 튜브(3)에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 두 개의 홀더들이 심봉(1)에 부착될 수 있는데, 즉 심봉(10)의 각 단부에 하나의 홀더가 부착될 수 있다.

실시예에 관계없이, 장치(10)는 일반적으로 하부 개방 단부; 예열 절연 구역; 가열 구역; 후열 냉각, 어닐링 및 오븐 가스 퍼징 구역; 및 하부 개방 단부에 대항하는 상부 개방 단부를 갖는다. 가열 구역은 가열 엘리먼트(일반적으로 오븐 또는 퍼니스(furnace))에 의해, 바람직하게는 500 ℃ 내지 2,300 ℃, 보다 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,300 ℃, 또한 가장 바람직하게는 1,500 ℃ 내지 2,300 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 보다 구체적으로, 가열 엘리먼트는 바람직하게는 환형(annular) 구성이다. 가열 엘리먼트는 장치(10)의 가열 구역을 형성한다. 비활성 가스(inert gas)는 산화가 프리폼의 외부 표면상에 발생되는 것을 방지하도록 고온에서 가열 엘리먼트로 주입되며, 우수한 열 전도성으로 인해 프리폼의 외부 표면에 균일한 열 온도 분포를 향상시킨다.

장치(10)를 사용하여 프리폼을 제조하는 공정이 도 1을 참조하여 설명된다. 심봉(1) 및 클래딩을 포함하는 유리 어셈블리는 광섬유 프리폼 또는 광섬유와 같은 광학 컴포넌트를 형성하기 위해 가열, 연화 및 신장된다. 보다 구체적으로, 유리 어셈블리는 유리 어셈블리가 가열 구역에서 구역-단위 방식으로 가열되는 장치(10)를 통해 상향(또는 하향) 방향으로 진행된다. 프리폼은 용융 변형 (및 공정 동안 힘들을 당기거나 압축하여 선택적 스트레칭/신장)에 의해 연속적으로 생성된다.

일 실시예에서, 유리 어셈블리는 두 개의 개별 유리 컴포넌트들인 심봉(1) 및 클래딩의 동축 어셈블리이다. 보다 구체적으로, 심봉(1)은 고체 실린더 봉 형태이고, 클래딩은 단일 중공 오버클래드 실린더 또는 도 1에 예시된 바와 같은 심봉(1)을 둘러싸는 내부 튜브(2)와 외부 튜브(3)를 포함하는 두 개의 중공 오버클래드 실린더(즉, 로드-인-실린더(rod-in-cylinder) 어셈블리) 형태이다. 동축 어셈블리에서, 심봉(1) 및 클래딩은 유리 어셈블리가 가열 구역에 진입하기 전에 함께 융합되지 않는다.

유리 어셈블리의 이 실시예의 동축 어셈블리가 장치(10)를 통해 진행됨에 따라, 심봉(1) 및 클래딩은 일체형 유리 바디를 형성하기 위해 두 개의 유리 컴포넌트들이 연화되고 서로 융합되도록 하기에 충분한 미리 결정된 온도로 가열된다. ("미리 결정된(predetermined)"이란 사전에 결정된 것을 의미하는 것으로, 어떤 이벤트에 앞서 미리 결정된 특성이 결정, 즉 선택 또는 적어도 공지되어야 한다. "일체형(integral)"이란 추가 피스들 없이 자체적으로 완전한 단일 피스 또는 단일의 일원화된 부분을 의미하는 것으로, 즉 상기 부분은 다른 부분과 일체로 형성된 하나의 모노리식 피스이다.) 보다 구체적으로, 다층 유리 어셈블리의 연속 부분들이 가열 구역에 접근하고 가열 구역에서 가열됨에 따라, 클래딩 및 심봉(1)은 연화되고 연화된 클래딩은 붕괴되고 심봉(1)과 융합된다. 그런 다음, 적어도 하나의 프리폼 및 보다 바람직하게는 복수의 프리폼 또는 광섬유는 결과적인 모놀리식 유리 바디로부터 인발될 수 있다.

바람직하게는, 어셈블리의 이 실시예의 동축 배열은 500 ℃ 내지 2,300 ℃, 보다 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,300 ℃, 가장 바람직하게는 1,500 ℃ 내지 2,300 ℃의 온도로 가열된다. 보다 바람직하게는, 심봉(1) 상의 클래딩의 연화 및 붕괴는 1,000 ℃ 내지 2,200 ℃, 더욱 바람직하게는 1,300 ℃ 내지 2,000 ℃, 가장 바람직하게는 1,600 ℃ 내지 1,800 ℃의 온도에서 발생한다. 연화된 심봉(1)과 함께 연화 및 붕괴된 클래딩의 융합은 바람직하게는 1,000 ℃ 내지 2,200 ℃, 더욱 바람직하게는 1,300 ℃ 내지 2,200 ℃, 가장 바람직하게는 1,600 ℃ 내지 2,200 ℃의 온도에서 발생한다. 그러나, 당업자는 유리 물질 조성 및 처리량과 같은 다른 팩터들이 또한 클래딩이 붕괴되고 심봉(1)과 융합되는 온도에 영향을 준다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 상기 설명된 바와 같은 2개의 석영 유리 컴포넌트들을 부착하는데 사용되는 용접 공정에 초점을 둔다. 용접 공정은 선반에서 두 석영 유리 컴포넌트들을 클램핑시키는 단계, 선반을 사용하여 석영 유리 컴포넌트들을 서로를 향해 이동시키는 단계, 두 석영 유리 컴포넌트들의 면들의 조인트 및 동시 가열 및 연화 및 용접선(weld seam)을 갖는 컴포넌트 어셈블리를 형성하기 위해 서로에 대해 연화된 면들의 후속 가압, 및 컴포넌트 어셈블리를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 필요한 경우, 흑연 패들이 연화된 외부 표면에 대해 가압되고, 특히 동일한 직경의 2개의 실린더들이 함께 용접된 경우 -- 표면이 이 공정에서 형태가 잡힌다.

석영 유리 컴포넌트들이 용접될 때, 불순물들이 주변 대기, 가열 버너로부터 또는 경계 벽들로부터 형성되거나 방출될 수 있다. 불순물들은 조인될 석영 유리 컴포넌트들, 특히 연화된 연결 표면들에 증착될 수 있다. 이러한 불순물들은 유해하며, 유리 어셈블리의 추가 처리 동안 경계면에 기포들 또는 기타 결함들이 발생하거나 심지어 파손될 수 있다. 게다가, 용접 동안 용융 구역의 영역에서 바람직하지 않은 소성 변형이 발생할 가능성이 있다. 변형은 번거로운 기계적 재작업으로 제거될 수 있지만, 일반적으로 치수 편차가 발견된다. 이러한 소성 변형은 용접 공정 동안 불규칙하고 정의되지 않은 가열 조건들에 의해 촉진된다.

이는 두 석영 유리 컴포넌트들을 함께 부착하고, 컴포넌트들의 단부들을 챔퍼링하기 위해 용접 공정을 필요로 하는 일부 응용에서 유용하다는 것이 밝혀졌다. 장치(10)로 돌아가면, 도 3a 및 3b는 프리폼으로 사용하기 위한 심봉(1) 및 제1 홀더(14) 둘 다의 엣지 부분들(또는 보다 일반적으로, 해당 유리 컴포넌트에 부착될 임의의 유리 컴포넌트 및 임의의 홀드의 엣지 부분들)을 챔퍼링하는 것을 예시한다. 챔퍼(chamfer)(9)를 갖는 심봉(1) 및 챔퍼(11)를 갖는 제1 홀더(14)는 이들 두 컴포넌트들이 부착(바람직하게는 용접에 의해)되기 전 도 3a에 예시되며, 도 3b에서 이들이 용접선(13)을 따라 고정된 후가 예시된다. 상대적으로 낮은 비용의 제1 홀더(14)는 운송을 용이하게 하고, 심봉(1)과 클래딩을 모놀리식 유리 바디로 용융 용접하는 등과 같은 단계들을 처리하기 위해 비교적 고가인 석영 유리 심봉(1)의 단부에 용접된다. 이러한 목표를 향해서, 제1 홀더(14)는 심봉(1)의 손상 위험없이 클램핑 및 조작될 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 챔퍼링된 심봉(1)과 챔퍼링된 제1 홀더(14)는 균일한 모노리식 바디(16)를 형성하기 위해 두 컴포넌트들을 가열 및 용융시킨 다음, 챔퍼링된 엣지들(9, 11)을 화살표들(12)의 방향으로 서로에 대해 직접 가압하여 함께 용융 용접된다. 챔퍼들(9, 11)은 산소/수소 버너, 프로판/산소 버너 또는 전기로를 사용하여 함께 가열 및 용융된다. 용접봉(welding rod)은 필요하지 않다. 용접 후, 필요하거나 원하는 경우, 균일한 모노리식 바디(16)의 외부 표면은 흑연 모종삽(graphite trowel) 또는 패들(paddle) 또는 유사한 성형 도구를 사용하여 외부 원주 표면을 가압함으로써 형태가 잡힐 수 있다.

예시적인 일 실시예에서, 프리폼으로서 사용하기 위한 챔퍼링된 유리 심봉(1)은 외경이 180 mm이고 내경이 50 mm이며 챔퍼링된 제1 홀더(14)는 외경이 120 mm이고 내경이 50 mm이다. 두 컴포넌트들의 용접 측면 상의 내부 엣지들은 원주 방향으로 10 mm 및 종방향으로 10 mm의 길이에 대해 챔퍼링되었다. 가장 이로운 챔퍼의 양은 심봉(1)과 제1 홀더(14)의 내경, 벽 두께 및 기타 치수들에 따라 달라지지만, 적절한 챔퍼의 양은 약 2mm 이상이나 벽 두께의 30% 이하이다.

챔퍼들(9, 11)이 형성된 후, 프리폼으로 사용하기 위한 심봉(1)의 용접 측면 상의 엣지들과 제1 홀더(14)는 소정의 발열량, 위치 관계 등을 유지하면서 약 20 분 동안 가열하여 용융되었으며, 엣지들은 도 3a의 방향 화살표들(12)에 의해 표시된 바와 같이 서로에 대해 가압되었다. 이에 따라 얻어진 모놀리식 바디(16)의 내경은 50mm이며, 이는 심봉(1)과 제1 홀더(14) 둘 다의 원래 내경을 유지하는 것으로 밝혀졌다. 정적 하중 인장 강도(static load tensile strength) 시험을 수행할 때, 3톤(또는 약 6,000 파운드)의 최대 시험 하중이 적용된 경우에도 용접선(13)에서 파손이 발생하지 않는 것으로 밝혀졌다.

예시적인 실시예가 나타내는 바와 같이, 챔퍼들(9, 11)은 용접선(13)에서의 파손 위험을 최소화하면서 높은 용접 용접 강도를 갖는 용접선(13)에서 심봉(1)과 제1 홀더(14)가 함께 용접될 수 있게 한다. 챔퍼들(9, 11)은 또한 용접 동안 가해진 가압으로 인해 팽창이 발생하더라도 심봉(1)과 제1 홀더(14)가 심봉(1)과 제1 홀더(14)의 실질적으로 일정한 내경(예에서 50mm)의 수축없이 모놀리식 바디(16)를 형성하게 한다. 챔퍼들(9, 11)은 "C- 타입 챔퍼링"으로 알려진 선형 챔퍼링 공정에 의해 형성될 수 있다. 대안으로, "R- 타입 챔퍼링"으로 알려진 비선형 챔퍼링으로 비슷한 효과가 얻어질 수 있다. C-타입 챔퍼링은 프로세싱과 같은 동작 부하를 감소시키기 때문에 바람직하다.

유리 튜브들 및 프리폼들을 부착하는데 필요한 열을 발생시키기 위해 다양한 종래의 용접 공정들이 존재한다. 이러한 네 가지 공정들이 순서대로 설명된다. 먼저, 수소 버너는 석영 유리 머플이 없는 유리 작업 선반과 함께 사용되었다. 이 구성은 다른 공정보다 더 작은 영역을 가열하고 용접부에 근처에 응력 밴드를 생성한다. 수소 버너는 제한된 전력을 제공하기 때문에, 전력 수요가 큰 어플리케이션들은 복수의 버너 어셈블리들을 필요로 한다. 결국, 복수의 버너 어셈블리들은 머플 인클로저에서 큰 개방들을 필요로 할 것이며, 이에 따라 실린더를 적절히 차폐하는 것은 비현실적이다. 추가로, 머플이 없다면 용접 컴포넌트들은 빨리 냉각되어, 응력이 높아지고 그라운드 실린더들에 적합하지 않은 구성이 된다. 현재 이용 가능한 수소 버너 구성은 외경이 200 mm이고 확실히 외부 직경이 230 mm 이하인 실린더들을 용접하기에 적합한 허용 가능한 크기 및 낮은 복잡성을 갖지 않는다. 이러한 제1 종래 공정으로 용접된 유리 보강재들(예를 들어, 프리폼, 튜브 등)은전형적으로 연마된 표면들을 갖는다.

제2 종래 용접 공정은 석영 유리 머플이 없는 유리 작업 선반과 결합된 플라즈마 용접 선반을 사용한다. 이 구성은 또한 전력 제한을 갖는다: 외부 직경이 최대 150 mm인 현재 등급의 컴포넌트들이 용접될 수 있다. 이 구성은 용접 동안 용접부에 대한 접근을 허용하지 않으며, 따라서 패들로 용접을 평활화하는 것은 불가능하다. 용접부의 작은 원주 그루브는 응력 집중점 역할을 하며, 용접 강도를 감소시킨다. 이러한 제2 종래 용접 공정의 단점들은 높은 비용, 고가의 선반 및 전원 공급 장치, 높은 자동화 등급의 요구 사항, 및 용접 동안 실내에 대한 접근 불가능성을 포함한다.

제3 종래 용접 공정은 레이저를 사용한다. 레이저 장비는 비싼 경향이 있고, 작동하기 어려울 수 있으며, 높은 유지 보수 비용을 필요로 한다. 레이저 작업자들에게는 정교한 인력 기술들 및 자격들이 필요하다. 또한, 레이저 용접은 150 mm보다 작은 직경들을 갖는 유리 컴포넌트들로 제한된다. 용접부에서 높은 응력이 유발되기 때문에, 과도한 시간 기간들 동안 고가의 레이저 장비를 점유하지 않도록 오프라인 템퍼링이 필요하다. 또한, 실린더 및 핸들의 단부들에서 이루어진 절단들은 레이저 용접을 가능하게 하기 위해 매우 정확해야 한다(즉, 컴포넌트들 사이의 극히 작은 갭들만이 허용된다).

제4 종래 용접 공정은 저항 퍼니스 또는 유도 퍼니스와 같은 퍼니스를 사용한다. 이러한 퍼니스들은 높은 장비 비용을 발생시키고 선반 상에 구현하기가 어렵다. 용접 동안 용접부가 보이지 않거나 접근할 수 없기 때문에, 용접 치수들에 대한 엄격한 사양들을 보장하는 것은 거의 불가능합니다. 퍼니스 길이는 또한 특수 어플리케이션들을 위한 더 짧은 컴포넌트들을 용접하는 것을 어렵게 한다. 퍼니스들은 수평으로 또는 수직으로 배향될 수 있다. 각 방향에는 단점이 있다. 수직 방향의 퍼니스들은 장비 및 건축 비용이 더 높고 적재하기가 어렵다. 수평 방향의 퍼니스들은 퍼니스 부분들 자체로부터의 오염 위험(산화 입자들이 유리 표면들에 떨어질 수 있음)이 있으며, 퍼니스의 적절한 밀봉을 어렵게 한다(ZrO 또는 세라믹 히터들은 오염 위험을 증가시킨다).

유리 튜브들 및 프리폼들을 부착(예를 들어, 용접)하는데 필요한 열을 발생시키기 위해, 해당 장치를 사용하여 개선된 장치 및 관련 공정에 대한 설명이 뒤따른다. 개선된 장치 및 관련 공정은 조인될 석영 유리 컴포넌트들 사이에 정확하고 재생 가능한 방식으로 고체 용접선을 생성함으로써, 불순물들이 대부분 방지된, 광섬유 프리폼을 생성한다. 도 4a는 머플 튜브 형태의 인클로저(35)를 갖는 장치(100)의 실시예의 측면도이다. 도 4b는 도 4a에 도시된 인클로저의 전면도이다. 장치(100)의 이 실시예는 컴포넌트들이 인클로저(35) 내의 상호 연결 표면들의 영역에서 가열되고 연화됨에 따라 컴포넌트들의 연결 표면들 사이에 일체형 본드를 형성함으로써 제1 및 적어도 하나의 제2 유리 컴포넌트를 조인하기 위한 용접 방법을 향상시킨다. 상기 설명된 실시예들 및 예로서, 제2 홀더(14a)는 운송, 프로세싱 등을 용이하게 하기 위해 클래딩의 중공 내부 튜브(2)에 용융 용접된다. 그런 다음, 제2 홀더(14a)를 사용하여, 내부 튜브(2)는 중공 내부 튜브(2)의 내부 보어 내로 삽입되는 심봉(1)과 결합하여 광섬유를 위한 프리폼으로 신장되거나 또는 광섬유로 직접 신장된다.

장치(100)는 척 세트(33)를 가진 선반을 포함한다. 각각의 제2 홀더(14a) 및 내부 튜브(2)의 종방향 축이 공통 중심 축(4)을 따라 놓이도록 하나의 척(33)은 제2 홀더(14a)를 클램핑시키고 다른 척(33)은 내부 튜브(2)를 클램핑시킨다. 다시 말해, 제2 홀더(14a)와 내부 튜브(2)는 서로 동축이고 용접될 각각의 전방 엣지들은 서로 대향된다. 용접될 전방 엣지들을 포함하는 제2 홀더(14a)와 내부 튜브(2)의 대향 영역들은 인클로저(35) 내부에서 가열되고 연화된다.

일 실시예에서, 인클로저(35)는 3-파트 부재(three-part member)로서 구성되며 양쪽이 모두 개방되어 있다. 중앙 파트는 2개의 가열 버너들 또는 토치들(37, 38)이 내부(39)로 투입되는 개방(36)이 측벽에 제공된다 (대안적인 실시예에서, 물론, 하나 이상의 가열 토치들(37)이 전체적으로 인클로저(35) 내부에 배열될 수 있다.) 도 4a 및 4b에 예시된 바와 같이, 가열 토치들(37, 38)은 서로 평행하다. 특정 어플리케이션은 가열 토치들(37, 38)의 수(하나, 둘 또는 그 이상)와 이들이 어떻게 배열되는지 둘 다를 지시할 것이다. 용접될 전방 엣지들의 영역에서 인클로저(35)의 벽 주위의 가열 토치들(37, 38)의 비-평행 배열은 인클로저(35)의 더 넓은 영역에 걸쳐 가열 토치들(37, 38)의 열을 분산시켜, 인클로저(35)의 열 부하가 작아진다. 가열 토치들(37, 38)은 또한 인클로저(35)의 내부(39)에서 서로 대향하여 위치될 수 있다.

선반은 회전을 사용하거나 사용하지 않고 작동될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 제2 홀더(14a) 및 내부 튜브(2)는 공통 중심 축(4)을 중심으로 회전된다. 제2 홀더(14a)와 내부 튜브(2)의 회전은 예를 들어 척(33)을 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 회전은 특히 가열 토치들(37, 38)이 선반의 일측에 위치될 때만, 제2 홀더(14a) 및 내부 튜브(2)의 원주 주위에 고른 가열을 보장한다. 가열 동안, 냉각 동안, 또는 바람직하게는 가열 및 냉각 동안 회전이 일어날 수 있다. 회전 속도는 중요한 파라미터이다. 일반적으로, 회전 속도는 0 내지 100 rpm 사이의 범위에 있다. 바람직한 회전 속도는 30 내지 50 rpm 범위에 있다.

일 실시예에서, 인클로저(35)는 불투명 석영 유리의 튜브형 바디(40)를 가지며, 이는 둥근 단면을 갖는 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG의 등록 상표 Rotosil®로 시판되고 있다. 내부(39)와 대면하는 바디(40)의 내부 측면은 고품질 석영으로 형성된 10 mm 내지 12 mm의 층 두께를 갖는 내부층(41)과 정렬될 수 있다. 내부(39)의 둥근 단면은 중심 축(4)에 동축인 가열 프로파일과, 이에 따라 또한 둥근 단면을 갖는 제2 홀더(14a) 및 내부 튜브(2)의 균일한 가열을 용이하게 한다. 게다가, 둥근 단면은 중심 축(4) 방향으로 실질적으로 라미나형 플러싱 가스 흐름(laminar flushing gas flow)(일반적으로 산소 흐름)의 조정을 단순화하고, 시간이 지남에 따라 불순물들 또는 입자들이 축적될 수 있는 데드 코너들이 방지된다.

예시적인 인클로저(35)는 약 400 mm의 내경(D) 및 팽창 조인트 역할을 하는 그 길이에 따른 종방향 슬릿을 갖는다. 가열 토치들(37, 38)에 대향되는 면에서, 인클로저(35)의 내부(39)는 고순도 석영 유리의 쉘형(shell-like) 삽입부(43)로 덮여 있으며, 이는 인클로저(35)의 중심 파트를 열로부터 보호하고, 추가로, 인클로저(35)의 열 용량을 향상시켜 인클로저(35) 내부의 온도 분포를 균일하게 만든다. 인클로저(35) 위에는 인클로저(35)의 전면 개방들을 따라 부분적으로 연장되고 인클로저(35)로부터 고온 배기 가스를 제거하는 흡입 장치(42)가 제공된다. 고순도 흑연의 지지부들(도면에 도시되지 않음)은 인클로저(35)를 위치시키고 고정시키는 역할을 한다.

제2 홀더(14a) 및 내부 튜브(2)는 가열 토치들(37, 38)의 열에 의해 인클로저(35)에서 연화된다. 인클로저(35)는 단열(thermal insulation)을 제공하고 열 저장소 역할을 한다. 이는 용접 조인트의 품질에 유리한 효과를 가지며 조인트의 재생 가능한 제조를 용이하게 하는 국부적으로 등질의 균일한 가열 프로파일을 제공한다. 인클로저(35)는 용접선(13)의 크랙들(cracks) 및 파손을 야기할 수 있는 열 응력이 최소화되도록 가열 토치들(37, 38)의 열 손실을 감소시키고 또한 함께 용접되는 컴포넌트들의 정의된 느린 냉각을 용이하게 한다. 게다가, 인클로저(35)는 부유 입자들 또는 다른 불순물들이 가열 영역으로부터 멀리 떨어져 있도록 내부(39)를 외부 환경으로부터 실질적으로 차폐시킨다.

컨트롤러는 둘 이상의 컴포넌트들 간의 데이터 흐름을 관리 또는 지시하는(즉, 통신을 용이하게 하는) 하드웨어 장치 또는 소프트웨어 프로그램이다. 장치(100)는 컨트롤러(70)를 포함한다. 컨트롤러(70)는 장치(100)의 다른 컴포넌트들 및 관련 용접 공정을 제어하기 위해 예를 들어 척(33), 인클로저(35), 토치들(37, 38) 및 흡입 장치(42)로부터 데이터를 획득하고, 해당 데이터를 사용하기 위한 능력을 제공한다. 컨트롤러(70)는 최적의 가열 및 이동 공정 레시피를 효율적으로 보장하기 위해, 당업자에게 잘 알려진 방식으로, 미리 설정된 제어 프로그램 또는 루틴을 프로그래밍 하였다. 컨트롤러(70)는 강력하고 재생 가능한 "원 버튼" 자동화 생산 공정을 보장하는 것을 돕는다.

전면도 및 측면도를 각각 묘사하는 도 5a 및 5b에 예시된 바와 같이, 브릭 하우스 인클로저(35)라고 하는 특정 유형의 인클로저(35)는 용접선(13)이 너무 빨리 냉각되는 것을 방지하기 위해 바람직하게는 수평 선반에 설치된다. 브릭 하우스 인클로저(35)는 바람직하게는 Rotosil^® 브릭으로 만들어진다. 보다 바람직하게는, Rotosil® 브릭은 등급 OFM(Opaque Fused Material)(70)으로 제작된다. OFM(70)은 순수한 모래로부터 전기적으로 용융된다. 물리적으로, 용융된 석영은 비정질적으로 응고된 실리카이다 -- 미세한 기포들과 미량의 금속 산화물들의 함유물들이 이를 희고 불투명하게 만든다. 용융은 회전 몰드에서 수행된다. 이 공정에 의해, 결과적으로 용용된 실리카 생성물의 내부 윤곽은 초기에는 원심력만으로 형성된다. 용융열은 전기 아크(electric arcs)를 내부 연소시킴으로써 제공된다. 이 공정은 매우 고르게 밀집된 벽과 내화성 내부 표면을 가진 축방향의 대칭 모양을 생성한다. 벽 두께는 전기 아크의 강도 및 연소 시간에 의해 결정된다.

OFM(70)은 부식, 고온, 열 충격 및 전기적 영향에 대한 내성이 매우 강하다. 낮은 열 팽창 계수는 빠른 가열 및 냉각을 가능하게 한다. OFM(70)은 매우 높은 온도에서도 매우 효과적인 전기 절연체이다. OFM(70)의 내부식성은 그 자체로 외부 물질이 상기 물질의 구조로부터 방출되는 것을 방지하기에 충분하다. 이 특성은 OFM(70) 자체보다 상당히 적은 미량의 불순물들을 함유하는 순수하고 투명한 용융된 실리카 유리의 내부 라이닝(inner lining)으로 OFM(70)을 제공함으로써 더욱 향상될 수 있다.

비열용량(Specific heat capacity)(또는 간단히 비열)은 질량 단위당 물질의 온도를 높이는데 필요한 에너지의 양이다. 물질의 비열용량(C)은 일반적으로 일정한 압력(C_p)에서 측정되는 물리적 특성이다. SI 단위에서, 비열용량은 1 킬로그램의 물질을 1도 켈빈으로 올리는 데 필요한 줄(joule)의 열량이며, 따라서 킬로그램(또는 그램) 당 도 켈빈 당 줄로 측정된다.

분자들을 포함하는 물질들(단원자 가스들과 구별됨)의 비열용량은 고정 상수가 아니다; 그들은 온도에 따라 다소 다르다. 따라서, 측정이 이루지는 온도도 대개 지정된다. 예를 들어, (브릭 하우스 인클로저(35)를 제조하는데 사용된) 실리카 유리의 비열용량(C_p)은 다음과 같이 온도에 따라 다르다: 1,000˚K = 1.17J/(g*K)에서의 C_p, 1,500˚K = 1.27J/(g*K)에서의 C_p, 2,000˚K = 1.49J/(g*K)에서의 C_p. 비열용량은 주어진 질량의 오브젝트(브릭 하우스 인클로저(35)와 같은)를 주어진 양만큼 가열 또는 냉각하는데 얼마나 많은 에너지가 필요한지의 표시를 제공한다. 결국, 이 에너지 요구 사항은 주어진 에너지 공급 하에서 가열 또는 냉각 공정이 소요되는 시간, 뿐만 아니라 해당 공정의 비용 효과에 대한 정보를 제공합니다.

도 5a 및 5b에 예시된 바와 같이, 브릭 하우스 인클로저(35)는 흑연 플레이트로 만들어진 베이스 또는 제1 층(46)을 갖는다. Rotosil^® 브릭의 적절한 수의 층들(48)이 제1 층(46) 상에 배치된다. 적층된 Rotosil^® 브릭의 11 개의 층들(48)이 도 5a 및 5b에 예시된다. 제1 층(46) 및 Rotosil^® 브릭 층들(48)에 적합한 치수들(밀리미터)이 또한 예시된다. 브릭 하우스 인클로저(35)는 적절한 시간 내에 용접 구역의 적절한 화염 연마(flame polishing)를 허용하는 용접선(13) 주위의 열 분포를 보장한다. 열 및 수산화물은 핸들-투-실린더 용접선(13) 주위에 고르게 분포된다. Rotosil® 브릭 하우스 인클로저(35)는 용접 물질을 이전보다 느리게 냉각시켜, 낮은 응력 용접을 생성하는 냉각 속도를 달성한다.

도 6a는 브릭 하우스 인클로저(35)를 사용하지 않는 용접선(13)의 냉각을 예시한다. 예시된 바와 같이, 용접선(13)은 약 2,100 ℃에서 650 ℃로 냉각된다. 보다 구체적으로, 용접선(13)은 약 3.33분 동안 약 1500 ℃에서 약 900 ℃(분당 약 180 ℃ 의 속도)로 냉각된다.

도 6b는 브릭 하우스 인클로저(35)를 사용하는 용접선(13)의 냉각을 예시한다. 예시된 바와 같이, 용접선(13)은 약 2,100 ℃에서 650 ℃로 냉각된다. 보다 구체적으로, 용접선(13)은 약 10분 동안 약 1500 ℃에서 약 900 ℃(분당 약 60 ℃ 의 속도)로 냉각된다.

도 6a와 도 6b 사이의 비교는 브릭 하우스 인클로저(35)를 사용하여 달성된 냉각 속도가 약 3배로 감소될 수 있음을 나타낸다. 이러한 느린 냉각 속도는 용접선(13)의 강도를 향상시킨다. 브릭 하우스 인클로저(35)는 냉각 속도와 용접 주기 시간 사이의 최적 비율을 달성한다.

상기에 설명된 바와 같은 유리한 냉각 속도는 낮은 응력 용접을 산출한다. 용접선(13)의 전체 강도는 작은 내부 직경을 갖는 200 mm OD 실린더를 용접하는 것이 가능할 정도로 충분히 높다. 개시된 공정을 사용하여 용접된 실린더는 최대 250 kg의 중량(예를 들어, OD = 210 mm, ID = 43 mm, 길이 = 3,400 mm)을 가질 수 있다. 이러한 실린더는 이중 실린더로 용접된다. 이러한 어셈블리의 배치 중량(batch weight)은 약 550 내지 600 kg의 범위에 있다. 종래 용접 공정들은 이러한 강도의 용점을 달성할 수 없다. 브릭 하우스 인클로저(35) 없이 용접 공정이 시도되면, OD가 150 mm보다 큰 실린더들에 대한 파손률은 거의 100 %이다.

브릭 하우스 인클로저(35)는 상기 설명된 석영 유리 머플 인클로저(35)로 대체될 수 있다. 그러나, 석영 유리 머플 인클로저(35)는 브릭 하우스 인클로저(35)보다 훨씬 더 비싸고, 수명이 짧으며, 더 저은 열 용량을 제공한다. 브릭 하우스 인클로저(35)는 또한 용접선(13)을 석영 울(quartz wool)로 감싸는 것으로 대체될 수 있다. 석영 울은 용접선(13)에서 오염의 위험이 높지만, 환경에서 석영 섬유의 소스를 도입한다. 석영 유리 머플 인클로저(35)도 또는 석영 울 랩(wraps)도 대량 공정들에 적합하지 않다.

브릭 하우스 인클로저(35)와 같이, 토치들(37, 38)의 선택도 용접 공정의 성공에 중요하다. 각 토치(37, 38)는 충분한 수산화물을 약 10㎛ 깊이로 도입하기에 충분한 전력을 가져야 한다. 적절한 토치(37, 38)가 도 7에 예시되며, 독일의 Messer Cutting Systems GmbH로부터 시판되고 있다. 예시된 토치(37, 38)는 전기 연마된 스테인레스 스틸 파이프들을 갖는 프로판-산소 석영 용융 토치이다. 토치 헤드는 우수한 열전도성을 갖는 물질들로 만들어진다. 각 토치(37, 38)는 바람직하게는 약 120 내지 130 kW의 전력 정격을 갖는다.

흑연 패들(50)은 토치들(37, 38)로 화염 연마를 용이하게 하기 위해 용접을 평활화하는데 사용될 수 있다. 적합한 흑연 패들(50)의 평면도 및 측면도가 도 8a 및 8b에 각각 예시된다. 패들(50)에 대한 물질로서, 약 500 ppm 미만의 회분 함량(ash content)을 갖는 SGL 등급 580 압출 흑연이 적합하다.

도 9a 및 9b는 2개의 용접된 중공 실린더들(52, 62) 및 실린더들(52, 62)의 표면 조건들을 도시한다. (일 실시예에서, 제1 실린더(52)는 제2 홀더(14a)일 수 있고, 제2 실린더(62)는 내부 튜브(2)일 수 있다.) 실린더들(52, 62)은 중심 축 (4)을 따라 동축으로 정렬된다. 각 실린더(52, 62)는 각각의 접지면(54, 64)을 갖는다. 불행하게도, 유리 강도에 대한 표면 결함들(예를 들어, 연삭(grinding)에 의해 유발됨)의 공지된 부정적인 영향이 존재한다. 따라서, 도 9a의 중심에 위치되고 두 실린더들(52, 62)이 조인트되는 용접선(130)의 영역에서, 각 실린더(52, 62)의 표면은 실질적으로 평활화된 표면을 생성하기 위해 토치들(37, 38)에 의해 화염 연마된다. 따라서, 각 실린더(52, 62)는 각 화염 연마된 표면(56, 66)을 갖는다. 유리의 인장 강도는 그라운드 표면들(54, 64)에 비해 화염 연마된 표면들(56, 66)에서 크게 증가된다.

도 9b는 실린더들(52, 62)에 대한 중심축(4)에 따른 거칠기 및 표면 수산화물 값을 도시한다. 산술 평균 거칠기(Arithmetical mean roughness)(R_a) 및 10-지점 평균 거칠기(R_z)는 다른 파라미터들의 거칠기이다. R_a는 표면의 평균 거칠기이다. R_z는 표면에서 가장 높은 피크(peak)와 가장 깊음 밸리(valley) 사이의 차이이다. 프로파일 거칠기 파라미터들은 BS EN ISO 4287:2000 영국 표준에 포함되며, ISO 4287:1997 표준과 동일하다. 실린더들(52, 62)의 지면들(54, 64)의 거칠기는 R_z ≤ 6 μm이고, 이는 화염 연마된 표면들(56, 66)에서 R_z ≤ 0.3 μm으로 감소한다.

수산화물은 공유 결합에 의해 함께 보유된 산소 원자와 수소 원자로 구성되는 이원자(diatomic) 음이온이고, 음전하를 운반하며, 화학식 OH-로 표현된다. 수산화물은 중요하지만 일반적으로 물의 작은 성분이다. 수산화물은 종종 염기(base), 리간드(legand), 친핵체(nucleophile) 및 촉매(catalyst)로 기능한다.

실린더들(52, 62)의 벌크 물질에서의 수산화물 값은 일반적으로 1 ppm 미만이고, 낮은 수산화물 기판 튜브 내부의 경우 0.1 ppm 미만이다. 실린더들(52, 62)은 용접 공정 동안 토치들(37, 38)로부터의 화염이 실린더들(52, 62)의 내부로 들어가는 것을 방지하기 위해 (예를 들어, 산소로) 퍼지된다; 따라서, 상당히 적은 수산화물이 내부 실린더 표면들에 주입된다. 토치들(37, 38)에 의해 생성된 연료 가스(프로판)의 연소에 의해 화염에서 생성된 수산화물로 인해, 수산화물은 용접 영역에서 벌크 값 이상으로 증가한다. 이 수산화물은 화염 연마된 표면들(56, 66)의 깊이 약 10㎛에 불과한 표면 영역에 위치된다. 용접선(13)에 근접하고 화염 연마된 표면들(56, 66)에 의해 약 10 ppm 이상으로, 바람직하게는 약 20-100 ppm의 범위로 정의되는 용접 구역에서 수산화물 농도 또는 레벨을 증가시키는 것이 바람직하다. 추후에 10 μm 표면 영역을 에칭함으로써, 수산화물은 원래 값, 즉 벌크 물질의 지정된 값으로 감소될 수 있다.

용접 구역의 화염 연마된 표면들(56, 66)(약 10 μm 깊이)에서 수산화물이 높을수록 물질의 점도 및 그에 따른 취성(brittleness)을 감소시킨다. 브릭 하우스 인클로저(35)가 용접 구역에서 적절한 냉각 속도를 보장함으로써 응력을 최소화하는데 사용된다는 점이 제공된다면, 거칠기가 감소됨에 따라, 용접 구역은 실제로 실린더들(52, 62)의 처리되지 않은 지면들(54, 64)보다 더 높은 강도에 도달한다.

토치들(37, 38)의 연마 효과는 실제 용접 공정이 완료된 후 화염 충돌을 계속함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 토치들(37, 38)의 동작은 흑연 패들(50)로 형성된 후 용접 구역을 화염 연마하기 위해 약 5 내지 10 분의 지속 시간 동안 계속된다. 이러한 동작은 패들링 공정에 의해 도입된 임의의 인장 강도 감소 거칠기를 제거한다.

퍼지 가스, 즉 일반적으로 산소의 사용이 상기에 언급된다. 도 10은 퍼지 가스를 장치(100)로 전달하는 가스 라인(18) 및 관련 퍼지 지지 시스템(85)을 포함하는 장치(100)를 예시한다. 퍼지 지지 시스템(85)은 둘 이상의 수직 포스트들(76)에 의해 장치(100)의 테이블(75)에 연결된다. 상부 수평 레일(77) 및 평행 하부 수평 레일(78)도 수직 포스트들(76)에 연결된다. 상부 수평 레일(77)은 상부 트랙(77a)을 정의하고 하부 수평 레일(78)은 하부 트랙(78a)을 정의한다. 상부 트랙(77a)은 도시된 바와 같이 상부 수평 레일(77)의 하부면에 정의될 수 있는 반면, 하부 트랙(78a)은 도시된 바와 같이 하부 수평 레일(78)의 상부면에 정의될 수 있다.

퍼지 지지 시스템(85)은 피벗 아암(80)에 연결된 슬라이딩 가능한 수직 스트러트(79)를 더 포함한다. 도 12에 예시된 바와 같이, 피벗 아암(80)은 수직 스트러트(79)를 중심으로 약 180 도의 아크로 피벗될 수 있다. 수직 스트러트(79)는 일반적으로 하나 이상의 휠 브래킷들을 통해 복수의 휠들(81)을 운반한다. 휠들(81)은 수직 스트러트(79)가 상부 및 하부 수평 레일들(77, 78)을 따라 슬라이딩 될 수 있도록 트랙들(77a, 78a)과 체결된다. 도 13은 휠들(81)과 하부 트랙(78a) 사이의 체결을 강조하는 후면도이다. 피벗 아암(80)은 (도시된 바와 같이) 피벗 아암(80)의 상단에 위치될 수 있는 연결부(82)를 운반한다.

도 11에 예시된 바와 같이, 연결부(82)는 퍼지 장치(90)를 체결하고 고정한다. 퍼지 장치(90)의 일 단부는 가스 라인(18)에 (일반적으로 빠른-연결 커플링을 통해) 부착될 수 있다; 퍼지 장치(90)의 다른 단부는 실린더(52)와 같은 유리 컴포넌트에 부착될 수 있다. 슬라이딩 가능한 수직 스트러트(79) 및 피벗 아암(80)의 작용을 통해, 퍼지 장치(90)는 가스 라인(18) 및 실린더(52) 둘 다에 대해 용이하게 위치될 수 있다.

도 14는 퍼지 장치(90)의 예시적인 실시예를 예시한다. 도시된 예에서, 퍼지 장치(90)는 수 엘보우(male elbow)(93) 및 포트 커넥터(94)를 통해 빠른 연결 스템(92)에 연결된 회전식 유니온(91)을 포함한다. 빠른 연결 스템(92)은 가스 라인(18)과 체결된다. 회전식 유니온(91)은 또한 결국 미립자 필터(96)를 통해 튜브(97)로 연결되는 암형 튜브 어댑터(female tube adapter)(95)에 연결된다. 튜브(97)는 예를 들어 (도 11에 도시된 바와 같이) 플러그(98)를 통해 유리 컴포넌트(예를 들어, 실린더(52))에 연결된다. 튜브(97)가 실린더(52)에 밀봉되도록 실리콘 및 흑연을 포함하여, 많은 재료들이 플러그(98)에 적합하다.

따라서, 장치(100)의 퍼지 지지 시스템(85)은 퍼지 가스를 가스 라인(18)으로부터 실린더(52)의 내부로 전달하는 기능을 한다. 퍼지 가스는 용접 공정의 성공을 용이하게 하고 용접선(13) 품질을 보장하는 것을 돕는다. 보다 구체적으로, 퍼지 가스는, 용접 강도에 악영향을 줄 수 있고 최종 제품의 특성들에 부정적인 영향을 미칠 수 있는, 입자들이 용접선(13)의 표면으로 용융되는 것을 방지하는 것을 돕는다.

예시들

다음의 예들은 본 발명의 전체 특성을 보다 명확하게 설명하기 위해 포함된다. 이러한 예들은 예시적인 것으로, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

제1 예는 (도 9a에 도시된 바와 같이) 제1 실린더(52)를 제2 실린더(62)에 용접하기 위한 용접 레시피에 관한 것이다. 각각의 실린더들(52, 62)은 큰 외경(OD) 및 작은 내경(ID)으로 정의된 초고비율(ultra-high ratio; "UHR")을 가지며, 이 초고비율은 약 3보다 크고, 더욱 바람직하게는 약 3.2보다 크다. 따라서, 실린더들(52, 62)은 바람직하게는 비교적 두꺼운 실린더 벽을 정의하는 3.2 < OD/ID의 UHR을 갖는다. UHR을 갖는 실린더들은 특히 냉각 동안 응력, 크랙 및 파손의 위험이 증가된다. 개시된 용접 공정은 유리하게는 이러한 위험을 감소시키지 않으면서 이러한 UHR 실린더들을 용접할 수 있다.

아래의 표 1은 12 단계의 예시적인 용접(즉, 버팅(butting)) 공정 또는 레시피를 요약한 것이다. "토치" 열은 상기 공정의 특정 단계 동안 하나의 토치(37)(T1)가 활성화되는지, 2개의 토치들(37, 38)(T1-T2)이 활성화되는지 또는 어떠한 토치(37, 38)가 활성화되지 않았는지 여부를 나타낸다; "타이머" 열은 개시 이후 전체 공정의 총 누적 시간(분)을 나타낸다. 예시적인 공정은 총 85 분 동안 지속되었다. "지속 시간" 열은 공정의 각 단계의 지속 시간(분)을 나타낸다; 냉각 단계는 30분 동안 지속되었다. "거리" 열은 두 토치들(37, 38) 사이의 중심선으로부터 두 실린더들(52, 62)의 단부들까지의 (각각 인치 및 밀리미터 둘 다의) 거리를 나타낸다; 거리가 0 일 때 단부들이 만난다. 토치들(37, 38)과 실린더들(52, 62) 사이의 일정한 거리는 60mm이다.

표 1에 요약된 예시적인 용접 공정은 UHR 실린더들(52, 62)을 성공적으로 용접하는데 사용되었다.

제2 예는 도 4a에 도시되지만 브릭 하우스 인클로저(35)를 사용하는 것과 같이 핸들(예컨대, 제2 홀더(14a))을 UHR 실린더(예컨대, 내부 튜브(2))에 용접하기 위한 용접 공정 또는 레시피에 관한 것이다. 아래의 표 2는 냉각 전에 예시적인 용접 공정 또는 레시피의 12 단계를 요약한 것이고, 도 15는 상기 공정의 각 단계 동안 서로에 대해 그리고 브릭 하우스 인클로저(35)에 대해 핸들(제2 홀더(14a)), 실린더(내부 튜브(2)) 및 두(1 및 2) 토치들(37, 38)의 위치를 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, 브릭 하우스 인클로저(35)는 약 640 mm의 길이를 갖는다 (그리고 그 단부들은 도 15에 도시된 두 개의 실선의 수직선에 의해 정의된다).

아래의 표 2에서, "시간" 열은 개시 이후 전체 공정의 총 누적 시간(분)을 나타낸다; 예시적인 공정은 (냉각 전) 총 60 분 동안 지속되었다. "지속 시간" 열은 공정의 각 단계의 지속 시간(분)을 나타낸다; 거리"열은 핸들의 단부로부터 실린더의 단부까지의 거리 (밀리미터)를 나타낸다; 거리가 0 일 때 단부들이 만난다. "핸들 투 토치" 열은 핸들의 단부로부터 두 토치들(37, 38) 사이의 중심선까지의 거리 (밀리미터)를 나타낸다. "실린더 투 토치" 열은 실린더의 단부로부터 두 토치들(37, 38) 사이의 중심선까지의 거리 (밀리미터)를 나타낸다. "토치" 열은 상기 공정의 특정 단계 동안 하나의 토치(37)(1)이 활성화되는지 두 토치들(37, 38)(1 및 2)이 활성화되는지를 나타낸다.

표 2에 요약되고 도 15에 예시된 예시적인 용접 공정은 핸들을 UHR 실린더에 성공적으로 용접하는데 사용되었다.

기술된 공정에 의해 제조된 (이중 실린더를 포함하는) 실린더 투 해들 용접은 매우 무겁고 비용 효율적인 배치로부터 저수산화물 기판들 및 다른 튜브들을 인발하는데 유리하다. 수산화물 함량은 무거운 배치들의 핸들링에 유리한 레벨에서의 용접 구역에 있다. 용접 구역의 외부 층 또는 표면에서 대략 20 내지 100 ppm의 수산화물 함량은 평활화된 표면과 함께 가능한 최대 용접 강도를 제공한다. 섬유 어플리케이션을 위한 수산화물의 에칭 및 제거 후, 실린더는 인발을 위해 타워로 직접 이송될 수 있다. 따라서, 기재 및 실린더 둘 다 가장 유리한 수산화물 범위에서 사용될 수 있다.

섬유 어플리케이션의 경우, 강도 고려를 위해 더 높은 수산화물 레벨들을 목표로 할 수 없다. 이는 감쇠를 증가시킬 것이며, 이는 이 어플리케이션에 유리하지 않다. 핸들 기재의 수산화물 함량은 최소10 ppm이다; 그렇지 않으면, 물질은 너무 부서지기 쉽다. 약 50 ppm보다 큰 수산화물 함량을 갖는 핸들 기재는 점도에 악영향을 미치기 때문에 선택 사항이 아니며, 형성 타워의 최종 단계가 부정적인 영향을 받을 것이다(낮은 핸들 유리 점도로 인해 마지막 실린더 부분이 너무 일찍 떨어진다). 따라서, 핸들에 대한 바람직한 수산화물 함량은 약 10 내지 50 ppm의 범위 내에 있다.

실린더 물질과 동일한 낮은 수산화물 레벨들에 대한 핸들 물질을 목표로 하는 것은 어닐링 비용이 너무 높기 때문에 유리하지 않다. 그리고 약 10 ppm보다 낮은 수산화물 레벨은 핸들 강도를 상당히 감소시킨다. 이러한 낮은 수산화물 레벨은 인발 타워에서 더 높은 핸들 헤드 파손률로 이어진다.

요약하면, 용접 공정은 (i) 선반의 척(33)에서 두 석영 유리 컴포넌트들(예를 들어, 제2 홀더(14a) 및 중공 내부 튜브(2))을 클램핑시키는 단계; (ii) 선반을 사용하여 서로를 향해 컴포넌트들을 이동시키는 단계; (iii) 컴포넌트들의 대향 단부 영역들을 함께 동시에 가열 및 연화시키는 단계; (iv) 용접선(13)을 가지는 컴포넌트 어셈블리를 형성하기 위해 서로에 대해 연화된 엔지들을 가압시키는 단계; (v) 필요한 경우, 표면을 형태를 잡도록 연화된 외부 표면에 대해 흑연 패들을 가압시키는 단계; 및 (vi) 컴포넌트 어셈블리를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 컴포넌트들은 약 20 분의 기간 동안 약 2,200 ℃ 이상, 일반적으로는 약 2,200 ℃ 내지 2,300 ℃의 공정 온도에서 가열 및 연화된다. 그런 다음, 컴포넌트들은 브릭 하우스 인클로저(35) 내부에서 공정 온도로부터 약 1,000 ℃의 온도로 최소 5 분, 일반적으로는 약 10 분의 시간 간격을 필요로 하는 동안 냉각된다.

개시된 장치 및 관련 용접 공정은 최소 100 kg의 수직으로 고정된 실린더를 지지할 수 있는 고강도 용접부를 갖는 고중량 실린더 어셈블리들을 수용할 수 있다. 수직 정렬 시스템은 그들 사이에 용접 구역이 부착된 적어도 2개의 석영 유리 컴포넌트들을 포함한다. 하부 석영 유리 컴포넌트는 최소 100 kg의 중량을 갖는다. 상부 핸들 용접부는 각각 최소 100 kg의 중량을 갖는 2개 또는 3개의 실린더들을 고정시킬 수 있다. 용접 구역은 약 10 MPa, 바람직하게는 약 15 MPa를 초과하는 인장 강도를 갖는다. 인장 시험은 핸들 헤드 강도가 약 2 MPa인 것으로 나타났다. 용접 구역의 최소 80 %는 표면으로부터 10㎛ 깊이에서 평균 약 10ppm보다 큰 수산화물 함량을 갖는다.

기술된 공정은 표면 결함없는 영역으로 용접 구역의 연마를 허용한다. 프로판 토치들(37, 38)의 이용은 유리 점도를 최적의 수준으로 유지하기 위해 표면에 적절한 수산화물 함량을 보장하며, 브릭 하우스 인클로저(35)는 용접의 응력을 최소화하기 위해 느린 유리의 냉각 속도를 허용한다. 이러한 구조적 특징들의 조합은 종래 용접 공정들과 비교하여 결함들이 최소화되는 용접을 제공한다.

구체적으로, 예를 들어, 설명된 공정에 따라 용접부들이 형성될 때, 형성 타워로 가는 길에 또는 도중에 이중 실린더 용접부들의 크랙률은 0.5 % 미만이다. 이러한 양호한 크랙률과 종래 공정들에 의해 달성된 크랙률을 비교한다. 아크 용접 공정들은 5 % 이상의 크랙률을 가지며, 열을 더 큰 표면들에 인가하기 어려운 경우 외경(OD)을 약 100mm로 줄여야 한다. 냉각 속도를 감소시키기 위해 사용되는 브릭 하우스 인클로저 및 유리 울이 없는 종래 수소 버너 설정은 약 1 %의 크랙률을 가졌다. 추가로, 수소 토치에 전력이 부족할 때 OD는 약 150mm로 감소되었다. 종래의 레이저 용접 공정에 대한 크랙률은 약 10 %보다 크고, OD는 약 150mm로 제한된다. 플라즈마 용접을 위한 OD는 약 120mm로 제한된다. 퍼니스 용접부는 오염 위험이 있는 도파관 섬유 어플리케이션의 경우 사용될 수 있다.

전 세계에 연결된 장치, 클라우드 서비스, 5G(이동 통신 표준의 주요 단계를 나타내는 5 세대 모바일 네트워크 또는 5 세대 무선 시스템) 및 산업 4.0 (또는 4차 산업 혁명인, 사이버 물리 시스템, 사물 인터넷 및 클라우드 컴퓨팅을 포함한 제조 기술들에서 자동화 및 데이터 교환의 현 추세) 및 다른 발전들은 대역폭에 대한 기하급수적으로 증가되는 수요를 이끌고 있다. 따라서, 광섬유 제조업체들은 출력과 생산성을 높여야 한다. 차세대 광섬유 제조를 위해, 고속으로 인발되는 매우 큰 프리폼이 필요하다. 넓은 단면적을 갖는 무거운 유리 프리폼을 만들기 위한 고강도 용접 공정의 결과는 여러 날 동안 중단되지 않은 광섬유 인발을 유지할 수 있는 "레디-투-드로우(ready-to-draw)" 고체 프리폼으로, 프리폼의 사용자들의 생산성과 광섬유 출력이 증가된다.

본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 앞의 설명은 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 간주되어야 한다. 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 청구 범위에 제시된 바와 같이 본 발명을 벗어나지 않으면 상기에 설명한 특징들의 다양한 변형들 및 조합들이 이용될 수 있다. 이러한 변형들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 이러한 모든 변형들은 다음의 청구 범위의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 이 문서에서 광범위하게 나열된 모든 범위는 더 넓은 범위 내에 속하는 모든 더 좁은 범위를 포함하도록 명시적으로 의도된다. 또한, 당업자에게 이해되는 바와 같이, 공정에 포함된 특정 단계들은 생략될 수 있고; 특정 추가 단계들이 추가될 수 있으며; 상기 단계들의 순서는 설명된 특정 순서로부터 변경될 수 있다.

Claims

제1 유리 컴포넌트 및 제2 유리 컴포넌트 사이의 용접 구역의 중심에서 고강도 용접선을 생성하는 장치로서, 각 유리 컴포넌트는 실린더이고, 제1 단부, 대향되는 제2 단부 및 상기 실린더의 측면인 접지면을 가지며, 상기 장치는,
상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제1 단부를 클램핑시키도록 구성된 제1 척(chuck) 및 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제1 단부를 클램핑시키도록 구성된 제2 척으로서, 상기 제1 척 및 상기 제2 척은 서로를 향해 상기 유리 컴포넌트들을 이동시키는, 상기 제1 척 및 상기 제2 척;
상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부와 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부가 서로를 향해 이동되고, 상기 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 함께 가열되고, 연화되고 용접되는 인클로저로서, 상기 인클로저는 적층된 석영 유리 브릭들의 층들을 가지며, 상기 용접 구역을 천천히 냉각되게 하여 상기 용접 구역의 응력을 방지되게 하는, 상기 인클로저; 및
상기 유리 컴포넌트들이 서로를 향해 이동함에 따라 상기 인클로저 내부로 그리고 상기 유리 컴포넌트들의 상기 제2 단부들을 향해 화염을 유도하는 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치로서, 상기 화염은 상기 유리 컴포넌트들의 상기 제2 단부들을 연화시키고 증가된 수산화물 함량을 갖는 각 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부 근처의 상기 용접 구역에서 평활화된 연마된 표면들을 생성하는, 상기 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치를 포함하며,
상기 용접 구역의 최소 80%는 상기 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 10 ppm 보다 큰 수산화물 함량을 가지며 상기 용접 구역의 인장 강도는 10 Mpa 보다 큰, 장치.
제1항에 있어서, 더 쉬운 연마를 위해 상기 용접 구역을 평활화 하고 형태가 잡히도록 구성된 패들(paddle)을 더 포함하는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 융합된 석영 브릭들로 만들어진, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 상기 용접 구역이 분당 60 ℃의 속도로 냉각되게 하는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치는 120 kw 내지 130 kw의 전력 범위를 갖는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유리 컴포넌트들 중 적어도 하나의 상기 제2 단부는 챔퍼링되는(chamfered), 장치.
제1항에 있어서, 상기 용접 구역의 최소 80%는 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 20 내지 100 ppm 사이의 수산화물 함량을 갖는, 장치.
제1항에 있어서, 상기 실린더들의 접지면들의 거칠기는 R_z ≤ 6 μm이고, 상기 평활화된 연마된 표면들의 거칠기는 R_z ≤ 0.3 μm인, 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리 컴포넌트들 중 적어도 하나는 중심 보어를 갖는 실린더이며, 상기 장치는 상기 화염이 상기 중심 보어로 진입되는 것을 방지하기 위해 퍼징 가스를 상기 중심 보어로 도입함으로써, 상기 실린더의 내부 표면의 상기 수산화물 함량이 상기 실린더의 외부 표면보다 적음을 보장하는 퍼지 장치 및 가스 라인을 더 포함하는, 장치.
제9항에 있어서, 상기 퍼징 가스는 산소인, 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리 컴포넌트들 중 하나는 광섬유용 실린더 프리폼이고, 상기 실린더 프리폼은 150 mm 보다 큰 외경, 내경을 갖는 중심 보어, 및 3 보다 큰 외경 대 내경의 비율을 갖는, 장치.
제11항에 있어서, 상기 유리 컴포넌트들 중 다른 하나는 10 내지 50 ppm 사이의 수산화물 함량을 갖는 핸들인, 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 평활화된 연마된 표면 외부의 상기 실린더 프리폼의 수산화물 함량은 1 ppm 미만인, 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 척 및 상기 제2 척은 상기 제1 유리 컴포넌트 및 상기 제2 유리 컴포넌트를 회전시키도록 구성되는, 장치.
용접 어셈블리의 제1 유리 컴포넌트 및 제2 유리 컴포넌트 사이의 용접 구역의 중심에 고강도 용접선을 생성하는 공정으로서, 상기 공정은,
(a) 각각 실린더이고, 각각 제1 단부, 대향되는 제2 단부 및 상기 실린더의 측면인 접지면을 갖는 제1 및 제2 유리 컴포넌트들을 제공하는 단계;
(b) 선반의 각 척들에 각 유리 컴포넌트의 상기 제1 단부를 클램핑시키는 단계;
(c) 상기 제1 및 제2 유리 컴포넌트들을 상기 선반을 사용하여 서로를 향해, 상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부와 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부가 상기 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 함께 가열되고, 연화되고 용접되는 인클로저로 이동시키는 단계로서, 상기 인클로저는 상기 용접 구역을 천천히 냉각되게 하여 상기 용접 구역에서 응력을 방지되게 하는, 상기 이동시키는 단계;
(d) 상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부와 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부를, 상기 유리 컴포넌트들이 서로를 향해 이동함에 따라 상기 인클로저 내부로 그리고 상기 유리 컴포넌트들의 상기 제2 단부들을 향해 화염을 유도하는 적어도 하나의 프로판 석영 용융 토치를 사용하여 상기 인클로저에서 공동으로 동시에 가열 및 연화시키는 단계로서, 상기 화염은 증가된 수산화물 함량을 갖는 각 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부 근처의 상기 용접 구역에서 평활화된 연마된 표면들을 생성하는, 상기 가열 및 연화시키는 단계;
(e) 상기 용접 어셈블리의 상기 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 서로에 대해 상기 유리 컴포넌트들의 상기 연화된 제2 단부들을 가압시키는 단계; 및
(f) 상기 용접 어셈블리를 주위 온도로 냉각시키는 단계
를 포함하며,
상기 용접 구역의 최소 80%는 상기 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 10 ppm 보다 큰 수산화물 함량을 가지며, 상기 용접 구역의 인장 강도는 10 Mpa 보다 큰, 공정.
제15항에 있어서, 상기 용접 구역에 상기 용접선을 형성하기 위해 서로에 대해 상기 유리 컴포넌트들의 상기 연화된 제2 단부들을 가압시키는 단계(e) 이후, 상기 용접 구역의 형태가 잡히도록 상기 용접 구역의 외부 표면에 패들을 가압시키는 단계를 더 포함하는, 공정.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 유리 컴포넌트들 중 적어도 하나는 중심 보어를 갖는 실린더이며, 상기 공정은 상기 제1 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부와 상기 제2 유리 컴포넌트의 상기 제2 단부를 공동으로 동시에 가열 및 연화시키는 단계(d) 동안, 상기 화염이 상기 중심 보어로 진입되는 것을 막기 위해 퍼징 가스를 상기 중심 보어로 도입시킴으로써, 상기 실린더의 내부 표면의 상기 수산화물 함량이 상기 실린더의 외부 표면보다 적음을 보장하는 단계를 더 포함하는, 공정.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계(f) 이후, 상기 용접 구역의 상기 표면으로부터 상기 10 μm 깊이를 제거하는 단계를 더 포함하는, 공정.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 냉각 단계는, 적어도 상기 냉각 단계의 일부에서 분당 60 ℃의 속도로 수행되는, 공정.
제15항에 있어서, 상기 실린더들의 상기 접지면들의 거칠기는 R_z ≤ 6 μm이고, 상기 평활화된 연마된 표면들의 거칠기는 R_z ≤ 0.3 μm인, 공정.
제15항에 있어서, 상기 용접 구역의 최소 80%는 상기 표면으로부터 10 μm 깊이에서 평균 20 내지 100 ppm 사이의 수산화물 함량을 갖는, 공정.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유리 컴포넌트들을 제공하는 단계(a)는 상기 제1 및 제2 유리 컴포넌트들 중 적어도 하나에 챔퍼링된 제2 단부를 제공하는 단계를 포함하는, 공정.