CN103771698A

CN103771698A - 一种精密玻璃毛细管的制备方法

Info

Publication number: CN103771698A
Application number: CN201410013429.4A
Authority: CN
Inventors: 冯振华; 王建军; 周举文; 李普杰; 黄巍; 周娟
Original assignee: WUHAN I-BORON PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN I-BORON PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明涉及一种精密玻璃毛细管的制备方法。包括以下步骤：（1）采用精密玻璃管冷加工技术对原始坯管进行外磨内镗制成外径公差、椭圆度不大于1.5%，内孔公差、椭圆度不大于1%，同心度不大于1mm的外套管；（2）将外套管一端加热拉制成锥状，另一端焊接一段内径比外套管稍大的延长管；（3）选用若干玻璃丝和玻璃管进行堆积、排列后从接有延长管一端插入外套管中组装成毛细管预制棒；（4）对玻璃毛细管预制棒进行拉丝；实时监测所拉制的玻璃毛细管内、外径及椭圆度，并完成切割。本发明解决了硼硅玻璃毛细管尺寸精度难以保证的问题，同时实现外径大于50mm、外内径比灵活可调节的玻璃毛细管预制棒的制备及拉丝。

Description

一种精密玻璃毛细管的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤固定和连接用精密玻璃毛细管的制备方法，属于光通信无源器件技术领域。

背景技术

光器件是构建光通信网络通信系统的基础，无论是高速光传输设备、长距离光传输设备、光接入系统，还是最近广泛受关注的智能光网络，它们的发展都取决于光器件技术的进步和产品的更新换代的速度，随着光纤通信技术的不断发展和关键技术的突破，光器件正向小型化、集成化、低复杂度、低功耗、低成本的方向发展。光纤固定座、光纤准直器等光器件为光纤通信系统及光纤传感系统中的基础光学元器件，而在这些基础元器件中都离不开精密光纤定位和连接用的玻璃毛细管（以下简称为玻璃毛细管），以实现无源光器件和有源光电器件的光信号在光纤介质中的传输。

光器件用玻璃毛细管的结构一般具有如下特征：内孔至少包括便于光纤穿入的孔径渐变区（以下简称为喇叭口）和间隙配合方式固定光纤包层的均匀孔径区；外形特征根据固定方式一般为圆形、方形、或带平行面和弧形面的形状。根据单根玻璃毛细管所固定光纤的数量，常用的玻璃毛细管有单纤型（如圆对称型）和多纤型（如跑道型、阵列型）。由于光纤本身尺寸小，而要求的定位精度非常高，所以对固定光纤用的玻璃毛细管有着严格的要求，通常衡量玻璃毛细管产品质量的主要指标为插入损耗、内孔椭圆度、外径一致性、极限环境下使用寿命。如单纤毛细管的毛细孔尺寸公差一般要求在0.126（-0.000，+0.003）mm，椭圆度小于0.005mm。

制备带喇叭口的玻璃毛细管一般采用两步法：第一步采用拉伸技术把预成型的玻璃毛细管预制棒拉制成满足或接近玻璃毛细管几何规格的均匀玻璃管，在线或离线切割成毛细管坯料；第二步对毛细管内孔进行端部喇叭口扩孔。可以看出，玻璃毛细管的内孔和外径的精度主要取决于第一步玻璃毛细管预制棒的制备和毛细管的拉制技术。

国内已有部分专利公示了采用相关的拉丝设备和方法来制备玻璃丝或玻璃管。如专利CN1347393A，报道了一种圆柱形石英玻璃部件拉制方法。采用该方法可以有效避免拉制的圆柱体产生翘曲和偏离理想形状的误差。但是该方法只适用于几何尺寸比较理想的石英玻璃坯管的拉制，当坯管的尺寸偏差较大时，所拉制的玻璃圆柱体的尺寸一致性难以保证。一般的光通信器件用玻璃管坯管是采用拉伸技术拉制出来的，高温拉制出来的原始硼硅玻璃坯管内外径尺寸的一致性和椭圆度很难保证，因此专利CN1347393A所述的方法并不适用于坯管尺寸偏差比较大的玻璃坯管的拉制；另一方面，该方法只涉及圆柱形的玻璃部件的拉制，并不能确保方形玻璃毛细管的拉制效果，因而具有一定的局限性。又如专利CN202881089U中提出的一种玻璃毛细管拉丝机，可以精确控制毛细管内外径尺寸。但是专利中并没有提供如何制作玻璃毛细管预制棒，由于实际中通过拉丝的方法难以产生外径大于50mm的，同时满足外内径比大于10的硼硅玻璃坯管，因而该方法并不具有实用性。在日本专利JP4021537A说明书中公开了一种毛细管制备方法，将气体输入玻璃管内，综合采集加热炉，气体输入源阀门，驱动轮电机数据后经反馈处理以实现精确控制毛细管内径和外内径比的效果。但该专利涉及的材质为石英，其加热温度比硼硅玻璃温度高出1000摄氏度以上，并且在高温拉丝过程中，玻璃毛细管温度、内径等参数变化，使得通往管内的实际气体压力难以控制，导致内径控制不够精确，因而拉出的毛细管内外径一致性难以满足实用要求。

本发明的一些术语的定义为：

为了方便描述，做以下定义：

预制棒：用于玻璃材料拉丝的核心原材料，即用于拉丝的玻璃特种预制大棒；

椭圆度：椭圆或类圆的最大直径与最小直径之差；

外内径比：圆柱体的外圆直径和内圆直径大小的比值，本专利中指毛细管、玻璃管或套管的外径与内径的比值；

等效外内径比：组装成的预制棒等效成一个带孔的柱体后所计算得到的外径和内径的比值。

外套管：原始硼硅玻璃坯料经精密机械加工后的大尺寸、高几何精度的柱状玻璃管，其外内径比一般不超过3；

中心玻璃管：毛细管预制棒中用于填充套管内孔的外径均匀的中间空心的玻璃管。

填充区域：毛细管预制棒中中心玻璃管与外套管之间可以用来填充实心玻璃丝或玻璃管的部分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种精密玻璃毛细管制备方法，解决硼硅玻璃毛细管尺寸精度难以保证的问题，同时实现外径大于50mm、外内径比灵活可调节的玻璃毛细管预制棒的制备及拉丝，以解决玻璃毛细管产品一致性不好的问题。

为解决硼硅玻璃毛细管尺寸精度难以控制问题，本发明从两个方面进行努力：首先，利用精密冷加工技术对硼硅玻璃坯管进行外磨和内镗，以制备外径公差、椭圆度不大于1.5%，内孔公差、椭圆度不大于1%，同心度不大于1mm，沿长度方向一致性良好、光洁度良好的外套管。通过减小原材料的公差来消除其对毛细管内外径尺寸的影响，可以有效加强毛细管尺寸一致性；另一方面，在拉丝过程中，采用严格的温度和压强控制，保证拉丝过程中加热炉内的气流场和温度场恒定，可以有效减小拉丝过程中毛细管丝径的波动，并且有效的在线监测手段及时为毛细管内外径测量提供反馈信息，可以实时调节牵引速度来稳定毛细管外径。

为解决外内径比可调的大外径毛细管预制棒制备难的问题，本发明利用精密冷加工技术制备的大外径高精度的外套管，以基于组装法的光子晶体光纤拉丝作为原型，通过在外套管内嵌套置入中心玻璃管和玻璃丝填充物来实现大外径的预制棒的组装，利用在填充区域内抽负压处理，可以实现间隙的较好融合。这样，大棒工艺可以提高毛细管的产能和产品批次一致性；改变中心玻璃管的内径和外套管的外径可以实现不同等效外内径比的预制棒，从而可以灵活实现不同型号的毛细管的拉制。

本发明包括以下步骤：

（1）采用精密玻璃管冷加工技术对原始坯管进行外磨内镗制成外径公差、椭圆度不大于1.5%，内孔公差、椭圆度不大于1%，同心度不大于1mm，沿长度方向一致性良好的外套管；

（2）采用高温拉伸技术将外套管一端加热拉制成锥状，另一端焊接一段内径比外套管稍大的延长管；

（3）选用若干玻璃丝和玻璃管按照一定规则进行堆积、排列后从接有延长管一端插入外套管中组装成毛细管预制棒；

（4）采用控温控压拉丝技术，对玻璃毛细管预制棒进行拉丝；

（5）拉丝过程中，实时监测所拉制的玻璃毛细管内、外径及椭圆度，并完成切割、挑选、分类。

作为进一步优选的，用于外套管焊接的延长管的外径不大于外套管的外径，内径不应小于外套管的内径，焊接温度范围：900℃～1100℃。作为进一步优选的，所述毛细管预制棒是由材质相同的外套管、中心玻璃管及填充区域构成。其中包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充区域可选择性的填充或不填充玻璃丝。中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm，有效横截面积占外套管有效横截面积的1%～10%，内孔椭圆度小于0.5%，长度大于外套管的长度；填充区域边界与外套管内孔的间隙不大于5mm；外套管可为圆筒形玻璃管也可为其它形状的柱状体，如外方内圆的套管，套管外径：30mm-80mm；预制棒的等效外内径比：3～25。

作为进一步优选的，用于拉制玻璃毛细管的坯管、中心玻璃管、填充区域材料均是硼硅酸盐玻璃材料，其理化性质满足：质量成分：SiO₂：78%～82%；B₂O₃：11%～15%；Na₂O、K₂O：3%～5%；Al₂O₃：1.5%-2.5%；Fe/Zr/Ca氧化物：<1%；线膨胀系数（20～300℃）：（3.3±0.1）*10^-6/K；退火温度；560±20℃；软化温度：820±20℃；转化温度；1230±20℃；

作为进一步优选的，用于制造玻璃毛细管的拉丝温度为870℃～940℃，中间区域压力绝对值范围是0-0.05Mpa。

作为进一步优选的，所述的切割、挑选、分类的基准为：切割长度为：700-1200mm，按外径大小、内径合格与否、椭圆度大小对毛细管进行挑选，分为一等品、二等品、不合格品。

本发明的特点和产生的积极效果为：

首先对玻璃坯管进行精密冷加工，有效消除原始坯管椭圆度不好、内外径尺寸波动大对毛细管精度的影响，实现一致性良好的大外径外套管，再利用堆积组装工艺制备玻璃毛细管预制棒，容易制作出外内径比为3-25的玻璃毛细管预制棒，使得生产不同型号的毛细管的设计更加简单灵活。大棒的制备技术可以有效提高拉出毛细管产品的产能和产品批次一致性，并且在拉丝过程中采用在线丝径监测可以有效实现高精度的毛细管拉丝。整套工艺简单、方法灵活，适合低成本、大批量生产外径波动小、内孔形状、批次一致性良好的玻璃毛细管，方便实现光纤与器件的连接、固定，提高稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明用于制造高精度玻璃毛细管的方法流程图。

图2是本发明玻璃毛细管预制棒堆积组合横截面示意图。

图3是本发发明玻璃毛细管预制棒剖视图。

图4为本发明实施案例1的毛细管预制棒结构横截面示意图。

图5为本发明实施案例2的毛细管预制棒结构横截面示意图。

1：中心玻璃管2：外套管3：填充区域4：堵头上出气孔；5：密封用堵头6：拉锥焊接后的外套管7：填充玻璃管A8：填充玻璃管B9：填充玻璃丝10：中心玻璃管A11：中心玻璃管B

具体实施方式

以下参照附图以实例对本发明做更详细的描述：

实施例一：1.8*0.126单孔毛细管制备实施例

按本发明方法，表1列出一种典型硼硅酸盐玻璃原材料的物化性能指标。

表1硼硅酸盐玻璃原材料性能指标

根据本发明方法，首先选用外径约为61mm，内径约为32mm的原始硼硅玻璃材料坯管，采用外镗内磨冷加工工艺将坯管成外径为60±0.5mm，椭圆度<0.5mm，内径30.5±0.3mm，椭圆度<0.3mm，同心度<0.5mm，长度为700mm，沿长度方向外径波动<0.3mm的外套管。然后先利用水平拉锥方式在1000℃左右将打磨好的外套管的一端进行拉锥，锥区长度为80-130mm，接着利用焊接机床用1000～1100℃的温度在外套管的另一端焊接一根外径为60mm，内径为48mm，长度为350mm的玻璃管作为焊接后外套管2。选用外径为8.5±0.05mm，内径4.2±0.03mm，椭圆度<0.03mm，长度为115mm的精密玻璃管作为中心玻璃管1；选用一根外径为29.5±0.3mm，内径15.5±0.15mm，椭圆度<0.15mm，长度为850mm的精密玻璃管作为填充玻璃管7；选用一根外径为14.5±0.15mm，内径8.8±0.05mm，椭圆度<0.05mm，长度为850mm的精密玻璃管作为填充玻璃管8。按照附图3和附图4所示方式完成玻璃管的嵌套排列组合固定好后，从焊接有延长管的一端口插入外套管中，组装成毛细管预制棒。注意，为保证拉丝毛细管的同心度，需要保证中玻璃管刚好对准外套管锥区中心开口处。

按照本发明方法，将上述组装好的毛细管预制棒放入拉丝炉中加热拉丝，拉丝温度为935℃。拉丝时，需要注意控制预制棒内外套管与中心玻璃管之间填充部分间隙外的压强为-0.1MPa。这样，在拉丝温度下，间隙部分能够很好的融合，而无结构缺陷，保证内孔无气线，外表光洁度良好。利用高倍光学显微镜实时监测毛细管的内孔尺寸及椭圆度大小，并根据内孔大小调节拉丝牵引速度以增大或减小外径来成比例的改变毛细管的内孔，优先使毛细管内孔尽快稳定在要求范围内，待毛细管外径和内径稳定后开始按长度为850～1000mm切割毛细管。结合测径仪实时测量毛细管的丝径图，将外径小于产品要求值（1.8mm）的毛细管直接纳入不合格品，外径大于或等于1.8mm和毛细管按照内孔椭圆度的大小将合格品毛细管划分为一等品（椭圆度≤0.005mm）和二等品（椭圆度＞0.005mm），（内孔小于产品要求值（0.126mm）的毛细管直接纳入不合格品），并且对于一等品和二等品的毛细管再按照外径大小每间隔0.01mm分成不同子类。

根据本发明方法，本例最后的拉丝典型值为毛细管外径约1.80～1.81mm，内孔直径约为0.126-0.128mm，椭圆度约为0.003mm。

实施例二：1.0*0.126双孔毛细管制备实施例

根据本发明方法，首先选用外径约为33mm，内径约为16mm的原始硼硅玻璃材料坯管，采用外镗内磨冷加工工艺将坯管成外径为32±0.2mm，椭圆度<0.2mm，内径16.7±0.15mm，椭圆度<0.15mm，同心度<0.15mm，长度为700mm，沿长度方向外径波动<0.2mm的外套管。然后先利用水平拉锥方式在1000℃左右将打磨好的外套管的一端进行拉锥，锥区长度为80-130mm，接着利用焊接机床用1000～1100℃的温度在外套管的另一端焊接一根外径为30mm，内径为20mm，长度为350mm的玻璃管作为焊接后外套管2。选用两根相同的，外径为7.11±0.05mm，内径4.0±0.02mm，椭圆度<0.02mm，长度为115mm的精密玻璃管作为中心玻璃管10、11；选用113根外径为1.2±0.01mm，椭圆度<0.01mm，长度为850mm的精密填充玻璃丝9作为填充区域3的填充材料；按照附图3和附图5所示方式完成玻璃管的嵌套排列组合固定好后，从焊接有延长管的一端口插入外套管中，组装成毛细管预制棒。

按照本发明方法，将上述组装好的毛细管预制棒放入拉丝炉中加热拉丝，拉丝温度为930℃左右。拉丝时，需要注意控制预制棒内外套管与中心玻璃管之间填充部分间隙外的压强为-0.1MPa。这样，在拉丝温度下，间隙部分能够很好的融合，而无结构缺陷，保证内孔无气线，外表光洁度良好。利用高倍光学显微镜实时监测毛细管的内孔尺寸及椭圆度大小，并根据内孔大小调节拉丝牵引速度以增大或减小外径来成比例的改变毛细管的内孔，优先使毛细管内孔尽快稳定在要求范围内，待毛细管外径和内径稳定后开始按长度为850～1000mm切割毛细管。结合测径仪实时测量毛细管的丝径图，将外径小于产品要求值（1.8mm）的毛细管直接纳入不合格品，外径大于或等于1.8mm和毛细管按照内孔椭圆度的大小将合格品毛细管划分为一等品（椭圆度≤0.005mm）和二等品（椭圆度＞0.005mm），（内孔小于产品要求值（0.126mm）的毛细管直接纳入不合格品），并且对于一等品和二等品的毛细管再按照外径大小每间隔0.01mm分成不同子类。

根据本发明方法，本例最后的拉丝的典型值为毛细管外径约1.0～1.08mm，内孔直径约为0.126-0.128mm，椭圆度约为0.003mm，两个内孔间距约为0.220-0.230mm。

Claims

1.一种精密玻璃毛细管制备方法，它包括以下步骤：

（1）、采用精密玻璃管冷加工技术对原始坯管进行外磨内镗制成外径公差、椭圆度不大于1.5%，内孔公差、椭圆度不大于1%，同心度不大于1mm，沿长度方向一致的外套管；

（2）、采用高温拉伸技术将外套管一端加热拉制成锥状，另一端焊接一段内径比外套管稍大的延长管；

（3）、选用若干玻璃丝和玻璃管进行堆积、排列后从接有延长管一端插入外套管中组装成毛细管预制棒；

（4）、采用控温控压拉丝技术，对玻璃毛细管预制棒进行拉丝；拉丝过程中，实时监测所拉制的玻璃毛细管内、外径及椭圆度，并完成切割。

2.根据权利要求1所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：用于外套管焊接的延长管的外径不大于外套管的外径，内径不应小于外套管的内径，焊接温度范围：900℃-1100℃。

3.根据权利要求1所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：所述毛细管预制棒是由材质相同的外套管、中心玻璃管及填充区域构成。

4.根据权利要求1或3所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：所述毛细管预制棒包含至少一根外套管及至少一根中心玻璃管，填充区域选择性的填充或不填充玻璃丝。

5.根据权利要求1所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：中心玻璃管的壁厚不小于0.5mm，有效横截面积占外套管有效横截面积的1%-10%，内孔椭圆度小于0.5%，长度大于外套管的长度；填充区域边界与外套管内孔的间隙不大于5mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：外套管为圆筒形玻璃管或其它形状的柱状体，套管外径：30mm-80mm；预制棒的等效外内径比：3-25。

7.根据权利要求6所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：外套管的截面为圆形或六方形。

8.根据权利要求1所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：用于拉制玻璃毛细管的坯管、中心玻璃管、填充区域材料均是硼硅酸盐玻璃材料，其理化性质满足：质量成分：SiO₂：78%-82%；B₂O₃：11%-15%；Na₂O、K₂O：3%-5%；Al₂O₃：1.5%-2.5%；Fe/Zr/Ca氧化物：<1%。

9.根据权利要求1所述的一种精密玻璃毛细管制备方法，其特征是：用于制造玻璃毛细管的拉丝温度为870℃-940℃，中间区域压力绝对值范围是0-0.05Mpa。