CN103496847B - 一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法，包括步骤：将光纤预制棒在拉丝炉内熔融，拉出引锥并冷却至室温；利用激光测径仪扫描所述的冷却后的光纤预制棒沿轴向其引锥直径变化的数据；根据激光测径仪扫描的数据绘制引锥形状；根据绘制出来的引锥的形状曲线，绘制与之互补的磨具的形状曲线，并以此曲线加工金属磨具基体的外表面；在金属磨具基体表面镀上粒度为30~150目，厚度为2~8mm的金刚砂，制作成磨具；使用所述的磨具研磨石英套管一端，将石英套管的一端研磨制成锥头；将锥头与其直径不大于锥头最小直径的石英套管在焊接车床上对接，拉制出前锥。

Description

一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法

技术领域

本发明涉及光纤领域，尤其是涉及一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法。

背景技术

近几年来，光纤行业的竞争越来越激烈，光纤预制棒、光纤以及光缆的价格也一度下跌，成本竞争逐渐成为光纤市场竞争的首要因素，因此如何降低产品的成本已是各大公司共同关注的焦点。

套管法可生产大尺寸光纤预制棒，可显著的提高光纤的拉丝效率。但套管法生产的光纤预制棒，需要制作引锥方能提高预制棒拉丝效率，并节约材料。引锥的形状也是显著影响光纤预制棒拉丝合格率和拉丝效率一个重要因素。比如引锥的形状影响预制棒棒尖升速过程中拉丝张力变化，拉丝速度变化等。尤其在预制棒拉丝升温升速过程中容易出现裸纤直径的波动、拉丝断纤、裸纤直径，截止波长，模场直径，零色散波长超标现象。

光纤预制棒拉丝过程中棒尖拉丝合格率往往较低，这主要是由于光纤预制棒的引锥的形状所决定。在光纤拉丝过程中，拉丝炉子功率和光棒进给速率决定了拉丝张力。假定拉丝张力恒定的情况下，光纤拉丝速度                                                ，v（t）表示在t时刻的光纤拉丝速度，预制棒引锥体积变化量之间的关系可用式（1）表示：

                      （1）

其中D为光纤预制棒的外径；Vp为光纤预制棒的进给速度；d为裸光纤的直径。如果拉丝速度保持不变则，引锥的体积必须保持不变。

预制棒引锥部分单位时间净吸收热量与炉子功率P之间的关系可用式（2）表示：

                        （2）

其中k为石英品的吸热系数；C为石英的比热容；T（P）是石英加热后的温度，与炉子功率P有关。T₀是石英被加热前的温度。

石英在高温熔融状态下其粘度与温度的关系可用式（3）表示：

                          （3）

其中为石英的粘度；A为与石英相关的常数；E为活化能；R为气体常数；T（P）为石英加热后的温度，与炉子的功率P有关。

根据式（2）和式（3）可得出：

                         （4）

 若保持拉丝张力不变，石英粘度必须保持不变，因此功率将随着引锥的体积的增大而增大。由公式（1）~（4）可知，在功率不发生变化的情况下，拉丝速度和张力的波动主要是由于引锥体积变化所造成的。

而普通方法制作的光纤预制棒其引锥形状变化如图3中的实线所示。光纤预制棒的引锥从图3中实线的形状逐步熔化成虚线的形状时，其引锥的体积不断发生变化，引锥的体积先减小后增大。根据式（1）和（2），为了保证光纤直径的稳定，普通引锥的体积的变化必定会引起拉丝速度的变化。假定高温炉的功率P此时不变，由于dV的变化导致石英单位体积吸收热量的变化，进而影响石英品的粘度，最终导致拉丝张力的变化。拉丝张力的变化能够引起光纤内部应力的分布，将影响光纤的截止波长，零色散波长，模场直径等光学参数。

光纤预制棒的引锥部分在拉丝过程中，圆锥形锥头逐渐熔化成引锥101的形状，此过程中dV并不是稳定不变的，因此高温熔炉将引锥301熔化成引锥101的形状所需的热量并非是稳定的，必定引起拉丝速度波动，拉丝张力波动；预制棒棒尖拉丝合格率受此影响必然会降低。只有dV=0时，即引锥的体积和高温熔融状态下引锥的体积相同时，玻璃的粘度才能稳定，从而预制棒棒尖的拉丝张力和拉丝速度才能稳定。

公开号为CN101014545A的中国专利《用于制造石英玻璃光学元件的拉伸方法及使用施行该方法的预制品》中所提及的圆锥形引锥设计，无法克服上述的问题。锥头部分在拉丝过程中容易出现速度和张力波动，棒尖截止波长，模场直径等光纤参数不稳定。

公开号为CN102923941A的中国专利《一种光纤预制棒的拉锥加工方法》，所描述的引锥加工采用焊接车床，先将光纤预制棒对接，然后对拉的方法制作引锥。虽然可制作出与理想形状接近的引锥。由于大尺寸光纤预制棒的石英套管壁厚尺寸较大，是因材料的导热系数极小，在焊接车床上进行熔接时难以熔烧，加工时间因此大大增加，会造成拉制效率低下，燃料浪费严重。因此这种方法不适合于大尺寸光纤预制棒的引锥制作。

发明内容

本发明的目的是克服以上不足，提供一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法。使用此方法制作大尺寸光纤预制棒的引锥，可以提高大尺寸光纤预制棒引锥的制作效率，降低原材料的浪费，提高光纤拉丝效率和拉丝合格率。

本发明提供的一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法，包括以下步骤：

步骤（1）将光纤预制棒在拉丝炉内熔融，拉出引锥并冷却至室温；

步骤（2）利用激光测径仪扫描步骤（1）中所述的冷却后的光纤预制棒沿轴向其引锥直径变化的数据；

步骤（3）根据激光测径仪扫描的数据绘制引锥形状；

步骤（4）根据绘制出来的引锥的形状曲线，绘制与之互补的磨具的形状曲线，并以此曲线加工金属磨具基体的外表面；

步骤（5）在金属磨具基体表面镀上粒度为30~150目，厚度为2~8mm的金刚砂，制作成磨具；

步骤（6）使用步骤（5）中所述的磨具研磨石英套管一端，将石英套管的一端研磨制成锥头；

步骤（7）将锥头与其直径不大于锥头最小直径的石英套管在焊接车床上对接，拉制出前锥。

步骤（2）、（3）进一步包括：将冷却后的光纤预制棒的引锥部位置于激光测径仪下，沿光纤预制棒的轴向扫描引锥的直径变化，根据激光测径仪测出的直径数据转换成半径沿引锥轴向长度变化的数据，将转换之后的数据导入AutoCAD中绘制出一条半径随轴向长度变化的曲线，并绘制出引锥图形。

该方法进一步包括：使用石墨板抹平步骤（7）中的焊接面。

步骤（6）中所述研磨制成的锥头直径为80~100mm，锥头最小直径为80mm。

附图说明

图1是根据本发明的方法依照自然熔融形成的引锥的形状制作磨具的示意图。

图2A是使用普通方式的磨具来制作引锥的示意图。

图2B是使用特制磨具制作引锥的示意图。

图3是使用不同方法制作的引锥的示意图。

图4是使用不同方法制作的引锥的效果对比图。

图5是激光测径仪沿光纤预制棒轴向测得的直径变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明。

图1中，101为光纤预制棒在拉丝炉内熔融拉出引锥后的形状曲线；102为依照101的形状曲线绘制的磨具的形状曲线。

图2A中，201为普通方法制作的引锥，202为制作普通引锥所使用的磨具。

图2B中，203为使用特制磨具204制作的引锥。

图3中，301为普通方法制作的引锥的后锥部分，302为本发明制作的引锥的前锥部分，303为普通方法制作的锥头的前锥部分，304为本发明制作的引锥的后锥部分。

图4为两种方法制作的不同引锥的光纤预制棒其棒尖不合格比例的分布图。

图5为激光测径仪沿预制棒轴向测得的直径变化曲线图。

本发明主要用于套管法生产的大尺寸光纤预制棒引锥的制作。本发明涉及一种加工光纤预制棒引锥制作的方法。按照此方法，首先按照预制棒拉丝过程中自然熔融的引锥形状进行加工设计研磨引锥的磨具。再使用此磨具将石英套管磨出锥头。最后使用直径较小的石英套管与研磨形成的锥头进行对接，将直径较小的石英套管部分拉制出前锥，形成预制棒的引锥，以确保光纤在拉丝过程中，引锥101的体积保持稳定不变。

如图2A和图2B所示，先使用磨具加工光纤预制棒锥头，然后使用直径较小的石英套管焊接前锥再拉制形成引锥（如图3中虚线所示的形状）。图2B所示形状的引锥，在拉丝过程中其的体积基本不再发生变化，因此也不会引起拉丝速度及拉丝张力的变化。对光纤预制棒棒尖的合格率改善作用有显著的改善作用。

本发明的具体方法包括以下步骤：

步骤（1）将光纤预制棒在拉丝炉内熔融，拉出引锥并冷却至室温；

步骤（2）利用激光测径仪扫描步骤（1）中所述的冷却后的光纤预制棒沿轴向其引锥直径变化的数据；

步骤（3）根据激光测径仪扫描的数据绘制引锥形状；

步骤（4）根据绘制出来的引锥的形状曲线，绘制与之互补的磨具的形状曲线，并以此曲线加工金属磨具基体的外表面；

步骤（5）在金属磨具基体表面镀上粒度为30~150目，厚度为2~8mm的金刚砂，制作成磨具204；

步骤（6）使用步骤（5）中所述的磨具204研磨石英套管一端，将石英套管的一端研磨制成锥头（如203所示，锥头直径为80~100mm，锥头最小直径为80mm）；

步骤（7）将锥头与其直径不大于锥头最小直径的石英套管在焊接车床上对接，拉制出前锥。

先将直径180mm的光纤预制棒在拉丝炉内熔融，拉出引锥并冷却至室温。将冷却后的光纤预制棒的引锥部位置于激光测径仪下，沿光纤预制棒的轴向扫描引锥的直径变化（如图5所示）。根据激光测径仪测出的直径数据转换成半径沿引锥轴向长度变化的数据。将转换之后的数据导入AutoCAD中绘制出一条半径随轴向长度变化的曲线，并绘制出引锥图形101。按照引锥101的形状曲线，绘制与引锥101形状曲线互补的磨具基体的形状曲线（如图1中所示的磨具102的形状）。将磨具基体的图纸导入数控车床中对磨具基体的外表面形状进行加工。加工完成之后，在磨具基体上镀上一层粒度为50目，厚度为的5mm的金刚砂。

使用上述的磨具，将石英套管研磨成201的形状，锥头最小直径研磨至80mm。将锥头与直径80mm的石英套管在焊接车床上进行焊接，并使用石墨板抹平焊接面，然后将直径80mm的石英套管拉制出前锥302。

将芯棒预制棒与上述焊接后的石英套管进行组装，然后在拉丝塔上进行拉丝。两种不同引锥的光纤预制棒拉丝后，分别选取棒尖300km的光纤进行测试。测试结果如图4中所示，本发明制作的光纤预制棒棒尖位置的同心度，包层不圆度，1310MFD，截止波长和零色散波长所占的不合格比例远低于普通引锥的光纤预制棒。

对所公开的实施实例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明实例。对这些实施实例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实例的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明实例将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的范围。

Claims (4)

1.一种制作大尺寸光纤预制棒引锥的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）将光纤预制棒在拉丝炉内熔融，拉出引锥并冷却至室温；

步骤（2）利用激光测径仪扫描步骤（1）中所述的冷却后的光纤预制棒沿轴向其引锥直径变化的数据；

步骤（3）根据激光测径仪扫描的数据绘制引锥形状；

步骤（4）根据绘制出来的引锥的形状曲线，绘制与之互补的磨具的形状曲线，并以此曲线加工金属磨具基体的外表面；

步骤（5）在金属磨具基体表面镀上粒度为30~150目，厚度为2~8mm的金刚砂，制作成磨具；

步骤（6）使用步骤（5）中所述的磨具研磨石英套管一端，将石英套管的一端研磨制成锥头；

步骤（7）将锥头与其直径不大于锥头最小直径的石英套管在焊接车床上对接，拉制出前锥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（2）、（3）进一步包括：

将冷却后的光纤预制棒的引锥部位置于激光测径仪下，沿光纤预制棒的轴向扫描引锥的直径变化，根据激光测径仪测出的直径数据转换成半径沿引锥轴向长度变化的数据，将转换之后的数据导入AutoCAD中绘制出一条半径随轴向长度变化的曲线，并绘制出引锥图形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括：使用石墨板抹平步骤（7）中的焊接面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤（6）中所述研磨制成的锥头直径为80~100mm，锥头最小直径为80mm。