JP3775548B2 - 溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバ母材用石英ガラス管とダミー管との溶接方法、さらに詳しくは大型の光ファイバ母材用石英ガラス管とダミー管との溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ特にシングルモ−ド用光ファイバは実用化に伴い大量に利用されるようになってきたが、光ファイバが長距離幹線から一般加入者系へとその利用範囲を拡大するに従い更に大量の光ファイバが必要となることが予測される。かかる利用範囲の拡大には光ファイバの量産化、低コスト化が不可欠であるが、それには大型の光ファイバ用プリフォームを作成し、それを線引きするのが最も簡便な方法である。従来実用化されてきた軸付け法（ＶＡＤ法）や外付け法（ＯＶＤ法）では、コア部もクラッド部も全てＶＡＤ法やＯＶＤ法で作成するところから、さらなる大型化を図ろうとすると、光ファイバ用母材の生産性を低下させかねないという欠点があった。また、該母材が透明ガラス化される前の多孔質体（シリカガラス微粒子が堆積したスート体のことで、以下「多孔質スート体」という）そのものを大きく形成しようとすると、クラックが発生したり、多孔質スート体の落下等のトラブルが生じ生産性が著しく低下する虞れがある。この問題点を解消する光ファイバの製造方法として断面積の８０％以上を占めるクラッド部を形成する石英ガラス管を高性能で低コスト化が可能な方法で作成し、この石英ガラス管とＶＡＤ法やＯＶＤ法等で作成したコアガラスロッドとを一体化するいわゆるロッドインチューブ法で製造する方法が特開平７−１０９１４１号公報等で提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載の製造方法にあっては、例えばその実施例にみるように光ファイバの製造コストを下げるため、高価な光ファイバ母材用石英ガラス管の先端に廉価なダミー管を溶接し、このダミー管を把持して移動、溶着一体化等を行っている。この溶接方法は、溶接棒を使用することなく、双方の管を加熱溶融してその端部同志を直接押し付けて溶接するものであり、溶接後は必要に応じて外周部をグラファイト製コテ等で抑えて外表面を整えていた。このような溶接方法では、押し付ける前の溶融が不十分であってもその欠点が見過ごされ、使用中に溶接部が脱落する等の事故が発生する危険性があった。
【０００４】
そこで、母材用石英ガラス管とダミー管との溶接端部を十分に溶融し、十分な力で押し付けることで溶接することが考えられたが、十分に溶融し、十分な力で押し付けると母材用石英ガラス管とダミー管が相互に押し込まれたり、或は角が丸くなる等、溶接部に変形が起こり、内径が縮小する一方、外径が膨張することが起った。外径の膨張は、著しく大きくならない限り問題はないが、内径が縮小すると、予定していた母材用コアガラスロッドの外径と母材用石英ガラス管の内径との差（すなわち、コアガラスロッドと石英ガラス管とのクリアランスであり、以下「クリアランス」という）では、母材用コアガラスロッドの挿入が困難となり、母材用石英ガラス管内周面を傷つけ、光ファイバ用母材の溶着界面に気泡が混入したり、最悪の場合、母材用コアガラスロッドの挿入ができず、そのままでは光ファイバ用母材の製造が不可能となることもあった。この内径の縮小に見合うクリアランスを持つように内径の大きな母材用石英ガラス管の使用も考えられるが、大きなクリアランスを採ると溶着時に均一な一体化が非常に困難となり、製造された光ファイバ用母材の偏芯が大きくなる、或は母材及び／またはコアの楕円率が高くなる可能性が増すという欠点があった。
【０００５】
こうした現状に鑑み、本発明者等は、鋭意研究を続けた結果、母材用石英ガラス管とダミー管とを溶接する前に、ダミー管及び／または母材用石英ガラス管の溶接面側の内径端部を面取りし、次いで溶融し接合をすることで、その溶接強度が高く、しかも内径の縮小が起こらない溶接ができることを見出して本発明を完成したものである。すなわち
【０００６】
本発明は、溶接強度に優れ、かつ溶接部内径が縮小することのない溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、光ファイバ母材用石英ガラス管にダミー管を溶接する方法において、前記光ファイバ母材用石英ガラス管とダミー管との溶接前に、ダミー管及び／または光ファイバ母材用石英ガラス管の溶接側の端部内径を面取りし、次いで加熱溶融し溶着することを特徴とする溶接方法に係る。
【０００８】
上記母材用石英ガラス管は、高純度の四塩化珪素、有機珪素化合物等のシロキサン化合物を酸水素火炎中で火炎加水分解して生成したシリカガラス微粒子を堆積して多孔質スート体（以下シリカガラス微粒子からなる多孔質スート体を「多孔質スート体」という）を形成し、それを透明ガラス化して得た石英ガラスインゴットまたは天然に産出する水晶を粉砕し化学処理により純化を行った水晶粉を酸水素炎によるベルヌーイ法で製造した石英ガラスインゴットを、機械的研削により石英ガラス管に成形する等の方法により作成することができる。前記母材用石英ガラス管に光ファイバ母材用コアガラスロッドを挿入し、加熱し溶着一体化する際、母材用石英ガラス管が高価であるところからその有効利用を図るためダミー管を接続することが一般的に行なわれている。このダミー管としては、前記石英ガラス管より不純物や気泡等を多く含有する等品質が低く、低廉の石英ガラス管が通常使用され、内径が前記母材用石英ガラス管と同じかまたはそれより大きく、肉厚が薄いものが使用されることが多い。前記ダミー管は、母材用石英ガラス管の両端に取り付けられるが、ダミー管の保持側は取手管やエンドダミー等と呼ばれ、また、反対側はスタートダミー等と呼ばれる。本発明においてはこれらの管を総称して「ダミー管」という。このダミー管と母材用石英ガラス管との接合には溶接棒を使用することなく、ダミー管及び／または母材用石英ガラス管の端部を酸／水素バーナー、プロパン／酸素バーナー、または電気炉で加熱溶融して溶着する。本発明の溶接方法にあっては、前記ダミー管と石英ガラス管との溶接前にダミー管及び／または光ファイバ用石英ガラス管の溶接面側の内径端部を面取りし、次いで溶融し溶着する。この場合、溶接する母材用石英ガラス管とダミー管の双方を面取りするのがよい。特に双方の管の内径が母材用石英ガラス管の内径と同じかまたはそれに近い場合には、図１のように双方の管の内径端部の面取りが必要であるが、双方の内径同士の差が大きい場合には、どちらか一方についての面取りでよく、その場合、図２に示すように内径の小さい管のみ内径端部を面取りするのがよい。具体的には、双方の管の内径差が、内径の小さい管の肉厚の２０％以上である場合には、加工等の作業負担を低減できるので、内径の小さい方の端部だけを面取りするのがよい。この面取りにより溶接のため押付けによる膨張があっても石英ガラス管の内径の縮小が起こることがない。面取りの大きさは母材用石英ガラス管やダミー管の内径や肉厚等にもよるが、２ｍｍ以上管の肉厚の３０％以下の範囲がよい。面取りが前記範囲未満では、面取り効果がなく、内径の縮小が起こり、また、前記範囲を超えるとその部分の肉厚が薄くなり、強度が低下する。なお、ガラス管等の端部面取りには、いわゆる「Ｃ型面取り」と呼ばれる直線的な面取りが用いられることが多いが、本発明においてはいわゆる「Ｒ型面取り」等の直線的でない面取りによっても同様の効果が得られるものの、加工等の作業負担を低減できる点でＣ型面取りが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例を以下に示すが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００１０】
【実施例】
実施例１
ＯＶＤ法を用い、高純度の四塩化珪素を気化し、酸水素炎中で火炎加水分解し、回転する石英ガラス棒に吹き付けて大型多孔質スート材を作成し、１６００℃で透明ガラス化し、石英ガラスインゴットを製造した。この石英ガラスインゴットの両端を切断し、外周を円筒研削装置で研削し、レーザ外径測定機で寸法測定を行い、外径の円中心を求め、この外径の円中心に合わせてコアドリル穴開け装置で開孔して石英ガラス管を作成した。前記石英ガラス管をフッ酸によるエッチング処理、純水による水洗処理、及び乾燥を行って、外径１８０ｍｍ、内径５０ｍｍの光ファイバ用母材用石英ガラス管を製造した。
【００１１】
一方、純度の低い水晶粉を用いて、外径１２０ｍｍ、内径５０ｍｍのダミー管を電気溶融法で作成した。双方の溶接面側の内径端部を円周方向に１０ｍｍ、長手方向に１０ｍｍ、Ｃ型面取りを行った。次いで前記母材用石英ガラス管とダミー管の溶接面側端部をプロパン／酸素バーナーにより、所定の火力や位置関係等を保ったまま２０分間加熱して溶融し、端面同士を図１の矢印のように押しつけて溶接した。得られたダミー管と母材用石英ガラス管との溶接部の内径は５０ｍｍであり、当初の内径を維持していた。また、静荷重引張強度試験を行ったところ、試験限界の３トンの荷重によっても溶接部の破壊が起きなかった。
【００１２】
次いで、前記石英ガラス管中に挿入するためのクリアランスを考慮して外径４６ｍｍのコアガラスロッドを用い、これを前記石英ガラス管の内周面と接触しないように注意深く挿入し、端部を溶着して真空ポンプで管内を減圧した上で、電気炉により加熱し溶着一体化して光ファイバ用母材を製造した。該光ファイバ用母材を線引きして外径１２５μｍのシングルモード光ファイバを製造したところ、０．２μｍの偏芯を有する光ファイバが得られた。
【００１３】
比較例１
実施例１で製造した母材用石英ガラス管とダミー管とを面取りを行わない以外、実施例１と同様にプロパン／酸素バーナーにより溶融したのち溶接した。溶接部内径の最小部分は４２ｍｍであった。前記溶接部の強度試験のため静荷重引張強度試験を行ったところ、試験限界の３トンの荷重によっても溶接部の破壊が起きなかった。
【００１４】
次いで、前記石英ガラス管中に挿入するためのクリアランスを考慮して外径３８ｍｍのコアガラスロッドを用い、これを実施例１と同様に前記管と溶着一体化して光ファイバ用母材を得た。この母材を線引きして得られた外径１２５μｍのシングルモード光ファイバは、偏芯が１．３μｍであり、１μｍ以下という一般規格を充たすことができなかった。
【００１５】
比較例２
実施例１において、バーナーによる加熱時間のみを１０分間とした以外、実施例１と同様にして溶接を行った。溶接部内径の最小部分は５０ｍｍであったが、静荷重引張強度試験では、１４５ｋｇで溶接部が破壊されたため、大型の石英ガラス管を安全に保持して作業を行える溶接状態ではなかった。
【００１６】
実施例２
ＶＡＤ法を用い、四塩化珪素を気化し、酸水素炎中で火炎加水分解し、回転する石英ガラス棒にシリカガラス微粒子を堆積させて大型多孔質スート体を作成した。この多孔質スート体を電気炉中、１６００℃で透明ガラス化して円柱状石英ガラスインゴットを得た。この石英ガラスインゴットの両端を切断し、外周を円筒研削装置で研削し、レーザ外径測定機で寸法測定を行い、外径の円中心を求め、この円中心に合わせてコアドリル穴開け装置で開孔して、外径２００ｍｍ、内径５０ｍｍの母材用石英ガラス管を製造した。この母材用石英ガラス管の溶接面側の内径端部を、図２のように円周方向に５ｍｍ、長手方向に５ｍｍ、Ｃ型面取りを行った。他方、実施例１と同様にして外径１７５ｍｍ、内径１１５ｍｍのダミー管を作成し、これを前記母材用石英ガラス管と図２の矢印のように押して溶接した。溶接部の内径は５０ｍｍであり、当初の内径を維持していた。また、該溶接部の強度試験のため静荷重引張強度試験を行ったところ、試験限界の３トンの荷重によっても溶接部の破壊が起きなかった。
【００１７】
比較例３
実施例２において、面取りを行わなかった以外、実施例２と同様にして溶接を行った。溶接内径は４６ｍｍに縮小しており、外径４６ｍｍのコアガラスロッドを挿入することができなかった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の溶接方法は、溶接強度に優れ、かつ溶接部内径の縮小が起こることがない溶接方法である。この溶接方法をいわゆるロッドインチューブ法の工程において用い、数十ｋｇの大型の母材用石英ガラス管をダミー管に溶接し、それに母材用コアガラスロッドを挿入し溶着一体化しても、溶接部の破壊等をまねくことがなく、大型の光ファイバ用母材が製造でき、その工業的価値は高いものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】母材用石英ガラス管とダミー管との双方の端部を面取りし溶接する説明図である。
【図２】母材用石英ガラス管の端部を面取りし溶接する説明図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ母材用石英ガラス管
２ ダミー管

Claims (3)

1. 光ファイバ母材用石英ガラス管にダミー管を溶接する方法において、前記母材用石英ガラス管とダミー管との溶接前に、ダミー管及び／または母材用石英ガラス管の溶接面側の内径端部を面取りし、次いで加熱溶融し溶着することを特徴とする溶接方法。
2. 光ファイバ母材用石英ガラス管が大型の合成石英ガラス管または天然石英ガラス管であることを特徴とする請求項１記載の溶接方法。
3. 面取り範囲が２ｍｍ以上管の肉厚の３０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の溶接方法。

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