CN101274815A - 用于将初始预型体与二氧化硅棒焊接起来的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将初始预型体的一端与具有不同属性的二氧化硅棒的一端焊接起来的方法，该方法包括步骤：在等离子体焰炬下将二氧化硅颗粒投射并熔融在初始预型体的末端上和二氧化硅棒的末端上；以及使初始预型体的末端与二氧化硅棒的末端相接触，以便在初始预型体的末端与二氧化硅棒的末端之间形成焊接区域。二氧化硅棒可以是用于将给初始预型体涂上包层的玻璃制品加工车床支架的支撑二氧化硅棒。通过本发明，可以以较低成本将初始预型体固定在玻璃制品加工车床支架上，同时限制了焊接点破损的风险。

Description

用于将初始预型体与二氧化硅棒焊接起来的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在制造光纤预型体期间将初始预型体的一端与具有不同属性的二氧化硅棒的一端焊接起来的方法。
背景技术
光纤是通过在拉伸塔上拉伸预型体来制作的。预型体通常包括由纯的或掺杂的二氧化硅的二氧化硅管所构成的初始预型体，其中已经连续地沉积了掺杂的和/或纯的二氧化硅层以形成光纤的内包层和中央光学内芯。接着，给该初始预型体涂包层或装上套管以增加其直径并形成可在拉伸塔上使用的最终预型体。在本文中，术语内包层用于指在二氧化硅管的内侧形成的光学包层，而外包层用于指在二氧化硅管的外侧形成的光学包层。同位相似(homothetic)光纤拉伸操作包括将预型体垂直放到塔中以及从预型体的一端来拉伸光纤条(strand)。出于这种目的，对预型体的一端局部地施加高温直到二氧化硅软化为止，接着在拉伸操作期间持久地控制光纤拉伸速度和温度，因为它们将确定光纤的直径。
通常，光纤包括光学内芯和光学包层，光学内芯的功能是传输并可选地放大光信号，而光学包层的功能是将光信号限制在光学内芯内。出于这种目的，光学内芯的折射率nc和光学包层的折射率ng是这样：nc＞ng。众所周知，单模光纤中的光信号的传播分解成在光学内芯中传导的基模以及在光学内芯-光学包层组合体中的某个距离上传导的次模，次模也被称为包层模。
这种二氧化硅管可以根据在文献US 3,907,536中所描述的方法来制作。管子中的沉积可以是化学气相沉积类型，其由首字母缩略词CVD来指明。这种类型的沉积是通过在管子中注入气体混合物以及通过电离所述混合物来实现的。CVD类型的沉积包括改进化学气相沉积(MCVD)、熔炉化学气相沉积(FCVD)和等离子增强型化学气相沉积(PCVD)。例如，在US 4,145,456中描述了管子中的PCVD沉积。
在沉积了对应于光学内芯和内包层的各层之后，二氧化硅管在所谓的塌陷操作中闭合在其自身上。于是，获得了包括二氧化硅杆的初始预型体。接着，给该初始预型体涂包层以增加直径，因为成本的原因通常用天然二氧化硅颗粒来涂包层。
US 2003/0019245公开了一种提纯二氧化硅并将所述二氧化硅沉积在光纤预型体上的方法。可以通过等离子沉积来实现涂包层，其中天然二氧化硅颗粒被投射在初始预型体上，并且用2300°量级的温度的等离子体焰炬来熔融，从而在初始预型体的外周形成玻璃状以形成光学外包层。使初始预型体绕着其纵轴旋转，而等离子体焰炬或初始预型体或者二者彼此相对地纵向移动，以便在初始预型体的整个外周上提供均匀的二氧化硅沉积。
需要将初始预型体连接到或固定到涂包层设备，诸如玻璃制品加工车床，并允许它绕着其纵轴旋转。通常，这种连接是通过将初始预型体的末端焊接到例如保持在涂包层设备中的适当位置中的二氧化硅棒来实现的。涂包层操作通常是在具有受控气压的封闭仓室中实现，从而提供抗电磁微扰以及等离子体焰炬所发出的臭氧释放的保护。
JP 57111255公开了在两个石英预制杆之间同轴地焊接有色石英盘片，以形成差别悬殊的层，目的是在拉伸光纤期间检测预制杆的连接部分。
US 6,178,779公开一种通过加热待连接的预型体的末端并且将被加热的末端按在一起，从而将两个光纤预型体端对端地组装在一起的方法。
DE 912 622公开一种通过使用中间玻璃块(intermediate pieces ofglass)来组装具有不同熔点的两根玻璃杆的方法。
US 4,407,667公开了一种通过在拉伸塔中一个接一个地插入预型体以及在焊接站处端对端地焊接它们来制造光纤的连续过程。
US 6,305,195公开了一种用于端对端地焊接预型体的等温等离子体焰炬技术。
EP 1 690 836公开了一种用于通过将末端彼此靠近并且加热两个末端并连接它们来连接光纤预型体的方法。
图1示出用于给光纤预型体涂包层的传统装置。使初始预型体100的第一末端焊接到通过夹具225固定在第一玻璃制品加工车床支架205上的第一二氧化硅棒215。例如，预型体100的该第一末端是通过手工用H2/O2喷灯焊接到二氧化硅棒215的。这种喷灯焊接操作实现起来时间相当长，因为它是由操作员手工地完成，并且因为喷灯的高热量的原因，它应当在排气罩下实现以满足安全规程。接着，初始预型体100应当被放置在玻璃制品加工车床上，该玻璃制品加工车床包括通过夹具220固定在玻璃制品加工车床支架200上的另一二氧化硅棒210。提供心轴以驱动二氧化硅棒210旋转，从而使预型体100绕着其纵轴旋转。
用于附接预型体100的二氧化硅棒210、215所使用的二氧化硅是低成本的非掺杂的二氧化硅，并且常包含诸如灰尘颗粒或水之类的杂质。另一方面，初始预型体100的二氧化硅杆中的二氧化硅可以被掺杂，并且当预型体是用来生产单模光纤或色散补偿光纤时甚至可以是高掺杂的。预型体100中的二氧化硅与二氧化硅棒210、215中的二氧化硅之间的掺杂差异导致了两种材料之间的显著差异，特别是在粘性和热膨胀方面的显著差异。在本文中，初始预型体100与玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215的焊接是精密的。使用喷灯将初始预型体100的第一末端精密地焊接到第一二氧化硅棒215。通过缓慢且逐渐地加热，可以生产紧密的焊接，但是这种操作费时且生产成本大。因此，有利的是使用涂包层装置中可用的等离子体焰炬来将初始预型体100的第二末端焊接到第二支撑二氧化硅棒210。第一末端需要手工地进行焊接，以便将初始预型体100附接到玻璃制品加工车床支架200。应当理解，如果在形成第一焊接点期间具有可用于将初始预型体固定在恰当位置的装置则还可以使用涂包层装置来将初始预型体100的两个末端焊接到第一和第二二氧化硅棒210、215。当将所述燃烧器对准制作焊接点的区域或者从那移开时，使用手工固定的焊炬导致二氧化硅的突然加热或冷却。这种突然加热或冷却增强了热行为的差异，也即在所焊接的两种材料之间的膨胀或收缩的差异，使得初始预型体100的第二末端与第二棒215的焊接点质量较低，也即易碎。另外，在焊接过程中，初始预型体100的末端与二氧化硅棒210、215的末端二者都被加热并软化，并且前面所提及的二氧化硅棒210、215中存在的污染物可扩散进初始预型体100的末端。该污染物的扩散是导致在焊接之后初始预型体100的末端不再与焊接之前具有相同的组成的原因。因此，被焊接的外部末端不能再被用于光纤拉伸。因此，对于使用该过程的光纤拉伸，初始预型体100的一部分丢失了。
这样的将光纤预型体焊接起来的方法是公知的，其中将被端对端地焊接的两个预型体通常性质相同(也即旨在拉伸相同的光纤)，并且每个都包括包含着基本相同的掺杂物浓度的二氧化硅。
US-A-6 178 779描述了一种端对端地装配两个光纤预型体的方法。两个预型体被纵向对准地安装在玻璃制品加工车床上并开始旋转；燃烧器加热将以轴向相对运动进行装配的两个末端，以便均匀地加热每个末端。接着，使预型体的两个被加热的末端靠得更近并进行焊接。
US-A-6 098 429描述了一种光纤拉伸方法，其中光纤预型体被连续地拉伸。预型体在拉伸塔中通过伺服控制的激光器端对端地进行焊接，目的是与在塔中的预型体同时移动激光器，从而减少受焊接影响的区域。
对在粘性和热膨胀方面具有基本相同属性的二氧化硅棒210、215实现光纤预型体100的这种焊接，因为由此被焊接的预型体100具有相同的掺杂物浓度，因为它们旨在用于拉伸相同的光纤。由此，焊接点通常是干净且牢固的。
另一方面，当焊接具有相当不同的属性的二氧化硅棒210、215时，例如在将常包含各种浓度的掺杂物的初始预型体100与作为非掺杂的二氧化硅且常常被强污染的玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215进行焊接的情况下，被焊接的材料之间的属性差异导致焊接点变脆并且破损常常是导致非常昂贵的初始预型体100的落价(fall)和破坏的原因。在焊接具有非常不同的掺杂物浓度的两个预型体的情况下，例如焊接高掺杂的预型体和轻微掺杂的预型体的情况下，也可能遇到这种情况。
由此，需要一种用于将初始预型体100的一端与具有不同属性的二氧化硅棒210、215的一端焊接起来的方法，所述二氧化硅棒210、215诸如是玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215或第二初始预型体，该方法可以被容易且快速地实现而没有任何破坏风险。
发明内容
本发明提出一种用于借助等离子体焰炬以及通过在加热预型体100的末端和二氧化硅棒210、215的末端的操作期间投射二氧化硅颗粒来将初始预型体100的一端与具有不同属性二氧化硅棒210、215的一端焊接起来的方法，其中所述二氧化硅棒210、215诸如是玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215或第二初始预型体。于是，掺杂梯度出现在初始预型体100和二氧化硅棒210、215的相应末端上。接着，这些末端可以被焊接，其破损风险被最小化，因为沉积在每个焊接端处的二氧化硅具有相同的性质。
本发明更具体地提出一种将初始预型体100的一端与具有不同属性的二氧化硅棒210、215的一端焊接起来的方法，该方法包括步骤：在等离子体焰炬300下将二氧化硅颗粒投射并熔融在初始预型体100的末端上和二氧化硅棒210、215的末端上；以及使初始预型体100的末端与二氧化硅棒210、215的末端相接触，以便在初始预型体100的末端与二氧化硅棒210、215的末端之间形成焊接区域150。
根据一个实施例，二氧化硅棒是用于给初始预型体涂包层的玻璃制品加工车床支架的支撑二氧化硅棒。
根据另一实施例，二氧化硅棒是第二初始预型体。
根据一个实施例，被投射在初始预型体的末端上和支撑二氧化硅棒的末端上的二氧化硅颗粒是天然二氧化硅。
根据一个实施例，投射二氧化硅颗粒的步骤与使预型体100末端和二氧化硅棒210、215末端相接触的步骤同时被执行。
根据一个实施例，形成几立方厘米(优选的是1到5立方厘米)的焊接区域150。
附图说明
当阅读以下对仅作为示例给出的本发明各实施例的详细描述并参考附图时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图中：
已描述过的图1示出公知的用于给光纤预型体涂包层的装置；
图2示出根据本发明的方法将初始预型体焊接到玻璃制品加工车床支架的支撑二氧化硅棒的示图；
图3示出根据本发明的用于给光纤预型体涂包层的装置的示图。
具体实施方式
现在，将参考实施例描述本发明，其中必须将初始预型体焊接到玻璃制品加工车床支架的支撑二氧化硅棒。然而，下面所提供的解释也适用于将初始预型体与具有属性不同于预型体的属性的任何二氧化硅棒进行焊接，例如焊接两个不同掺杂的初始预型体。
图2和图3示出初始预型体100以及固定的玻璃制品加工车床支架200，其带有通过夹具进行固定的二氧化硅棒210并且适合于固定初始预型体100以给它涂包层从而形成可用在拉伸塔上的最终预型体。
初始预型体100是高纯度二氧化硅；它是根据任何公知技术例如通过二氧化硅管中的PCVD沉积来制成的。通常，初始预型体100具有至少一个掺杂区域并且常常具有若干不同掺杂的环形区域。
玻璃制品加工车床支架200的支撑二氧化硅棒210被调整，目的是固定初始预型体100的一个末端从而在涂包层的操作期间驱动它绕着其纵轴旋转。初始预型体100的另一端已经被焊接到玻璃制品加工车床支架205的支撑二氧化硅棒215。如前面所解释，支撑二氧化硅棒210中的二氧化硅常常被污染并且是非掺杂的。初始预型体100中的二氧化硅与支撑二氧化硅棒210中的二氧化硅之间的材料差异导致不同的热行为，其使将初始预型体100焊接到支撑二氧化硅棒210变得复杂。
本发明提出将二氧化硅颗粒投射并熔融在待焊接的每个末端上，也即在支撑二氧化硅棒210的末端上和在初始预型体100的待焊接的末端上。已经在适当位置的涂包层装置可用于实现这种对二氧化硅颗粒的投射。实际上，涂包层可通过对二氧化硅颗粒进行等离子沉积来实现。以本身就公知的方式，在靠近等离子体焰炬300处提供用于馈送二氧化硅颗粒的管道。
根据本发明，在沿着初始预型体进行涂包层的操作之前，通过等离子体焰炬300将二氧化硅颗粒投射并熔融到待焊接的初始预型体100的末端上以及到支撑二氧化硅棒210的末端上。出于成本考虑，所投射的颗粒优选地是天然二氧化硅颗粒，但是例如在预型体自身是高度掺杂的条件下也可以使用轻微掺杂的二氧化硅颗粒。所投射的颗粒被熔融在加热的初始预型体100的末端上。于是纯二氧化硅颗粒与初始预型体100的末端中的掺杂二氧化硅进行混合，其中初始预型体100的末端中的掺杂二氧化硅因为受热的原因而软化。由此，在初始预型体100的一个末端上以及在支撑二氧化硅棒210的末端上，也即在待焊接的每个部分上，生成了二氧化硅中的掺杂梯度150。这种掺杂梯度150确保了待焊接的材料基本上具有相同的热属性。因此，将初始预型体100焊接到支撑二氧化硅棒210上是通过该生成了掺杂梯度的焊接区域150来实现的，其提供了牢固且可靠的焊接点。如前面所讨论，使用根据现有技术的方法，因为污染物扩散的原因，损失了初始预型体100的被焊接的末端，其不能用于进行光纤拉伸。在根据本发明的方法中，初始预型体的被颗粒覆盖的末端也不能用于进行光纤拉伸。因此，无论应用了什么焊接方法，相同量的初始预型体100不能用于进行光纤拉伸。因此，通过应用本发明由此没有导致对初始预型体材料的任何额外的浪费。
在本发明的一个实施例中，首先在初始预型体100的末端上和在支撑二氧化硅棒210、215的末端上形成了焊接区域150，并且在第二步骤中使焊接区域150接触以促成焊接。
在本发明的另一实施例中，可以在生成焊接区域150的同时实现将初始预型体100焊接到支撑二氧化硅棒210。这可以例如通过自动机械来完成，该自动机械将初始预型体100朝着支撑二氧化硅棒210、215移动以使初始预型体100的末端更靠近支撑二氧化硅棒210、215的末端，而与此同时等离子体焰炬300将已投射的二氧化硅颗粒熔融到初始预型体100的末端上和支撑二氧化硅棒210、215的末端上。
为了形成在初始预型体100与支撑二氧化硅棒210之间形成强粘结所需的焊接区域150而投射的二氧化硅颗粒量是有限的并且由此形成根据本发明的这种焊接点的成本也是有限的。出于说明的目的，图2和图3中的图示出相对较大的焊接区域150，但是焊接区域150量为数立方厘米，优选的是1到5立方厘米，就足够用于确保将初始预型体100合适地粘着到支撑二氧化硅棒210。例如，对于33毫米直径的初始预型体100，大约3立方厘米的二氧化硅颗粒量就足够用于形成焊接区域150。
在根据本发明的方法已经将初始预型体100附着到玻璃制品加工车床支架200、205之后，可通过使用本身已公知的技术来对初始预型体涂包层，诸如通过投射二氧化硅颗粒，其被熔融在初始预型体100的表面上直到达到了最终预型体的目标直径为止。
一旦对初始预型体100涂上了包层并且完成了其他可能的处理步骤，则通过加热在根据本发明的将初始预型体100与玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215焊接起来的方法期间所形成的焊接区域150，将最终预型体从玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215分开。在加热焊接区域150之后，在与焊接区域150的接头处将最终预型体从玻璃制品加工车床支架200、205拉开。这种加热和拉开操作在最终预型体的末端处形成锥形物，该锥形物将被用作在拉伸塔上拉伸光纤的开始点。
本发明的方法被用于可用的涂包层设备。等离子体焰炬300和二氧化硅颗粒馈送管道是可获得的，因为需要它们用于对初始预型体100涂包层。另外，用于将初始预型体100焊接到玻璃制品加工车床支架200的支撑二氧化硅棒210的步骤可以由在控制程序中做了稍微改变的专门进行涂包层操作的自动机械来整体地控制。由此，焊接操作不需要许多人力资源并且提高了生产率。另外，因为与玻璃制品加工车床支架200、205的支撑二氧化硅棒210、215的劣质焊接的原因所造成的初始预型体100的破损风险被显著降低了。
本发明的方法不限于所描述和所说明的例子和实施例；本发明的方法特别地适用于焊接具有不同成分(例如导致显著的粘性差异的不同掺杂浓度)的任何二氧化硅棒。

Claims (6)

1.一种用于将初始预型体(100)的一端与具有不同属性的二氧化硅棒(210、215)的一端焊接起来的方法，所述方法包括步骤：
在等离子体焰炬(300)下将二氧化硅颗粒投射并熔融到所述初始预型体(100)的末端上和所述二氧化硅棒(210、215)的末端上；以及
使所述初始预型体(100)的末端与所述二氧化硅棒(210、215)的末端相接触，以便在所述初始预型体(100)的末端与所述二氧化硅棒(210、215)的末端之间形成焊接区域(150)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述二氧化硅棒(210、215)是用于给所述初始预型体(100)涂包层的玻璃制品加工车床支架(200、205)的支撑二氧化硅棒(210、215)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述二氧化硅棒(210、215)是另一初始预型体。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的方法，其中投射到所述初始预型体(100)的末端上和所述支撑二氧化硅棒(210、215)的末端上的所述二氧化硅颗粒是天然的二氧化硅。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，其中将所述初始预型体(100)的末端朝着支撑二氧化硅棒(210、215)的末端移动，与此同时所述等离子体焰炬(300)将所投射的二氧化硅颗粒熔融到所述初始预型体(100)的末端和所述支撑二氧化硅棒(210、215)的末端上。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的方法，其中形成了1cm3至5cm3的焊接区域(150)。
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