CN105217951B - 一种光纤预制棒的垂直拉伸方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤预制棒的垂直拉伸方法及设备。该方法是将大直径光纤预制棒夹紧，开始对光纤预制棒进行预处理，提前获得拉伸时的关键参数值，再控制上、下夹紧装置同步旋转，通过加热装置将大直径光纤预制棒加热到半熔融状态，在垂直方向上通过上夹紧装置给定大直径光纤预制棒一个向上运动的速度V₃，同时加热装置以向上的速度V₂移动，其中拉伸前后的外径满足V₃×D₁ ²＝V₂×(D₁ ²‑D₂ ²)关系。本发明可以有效避免普通实时反馈调节方式所存的滞后性，可以最大程度的降低大直径光纤预制棒的几何尺寸对拉伸结果的影响，提高拉伸控制精度，进一步提高加工效率。

Description

一种光纤预制棒的垂直拉伸方法及设备

技术领域

本发明涉及一种光纤预制棒的垂直拉伸方法及设备。

背景技术

1970年，美国康宁首先采用气相沉积方法制备出预制棒并拉出低衰耗的光纤以来，目前已经有多种制作用于拉制光纤的玻璃预制棒的加工方法。这些加工方法包括：外气相沉积法(OVD),气相轴向沉积法(VAD)，内气相沉积法(IVD),改进化学气相沉积法(MCVD),等离子激活化学气相沉积法(PCVD)。

经过几十年的技术发展，不论是光纤预制棒还是预制棒的核心材料芯棒的生产能力都已经由开始的十几毫米细小棒子变成现在我们经常看到的一百五十多毫米的大棒子，目前长飞公司的预制棒最大可以达到200mm以上，长度可以达到3m。然而，在预制棒拉丝或者芯棒和套管组合制作预制棒的过程中，由于工艺需求或则设备需求，需要规格为的60～120mm的预制棒或者是尺寸为10～60mm的芯棒。

那么利用拉伸技术将大直径的200mm预制棒或者120mm左右的芯棒拉伸成为一种直径较小的预制棒或者芯棒可以很好的解决以上的技术问题。专利文献CN 1890189A公开了一种水平方向拉伸光纤基材的方法设备，但采用该方法在拉伸过程中由于棒体自身重力的作用预制棒的弓曲度不能很好控制，对光纤拉丝过程会造成较大的麻烦。而专利文献CN102627399B公开了一种垂直方向拉伸光纤基材的方法设备，但采用该方法在拉伸过程中由于只关注拉伸后棒子的尺寸，并且达到80mm以上的棒子在加热时要融透非常慢，当检测到拉伸效果不佳，才会对拉伸的相关参数进行调整时，由于调整相关参数后，其产生的影响体现到拉伸后的效果上时，很有一个很大的滞后性；同时拉伸炉在加热的过程中炉内热场的不均匀性导致母棒拉伸时受热不均，会对整个拉伸后预制棒的尺寸、圆度与弓曲度控制产生很大的影响，从而导致拉伸效率和拉伸后预制棒或者芯棒几何及光学性能下降，这导致生产成本的增加同时，对预制棒原材料也造成很大的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种拉伸质量好、加工工艺稳定的光纤预制棒的垂直拉伸方法及设备。

本发明所采用的技术方案为：一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于：将大直径光纤预制棒(包括芯棒)垂直安装在拉伸设备上，大直径光纤预制棒的上端由上端夹紧装置夹持，其穿过加热装置后，下端由下端夹紧装置夹持；

先对光纤预制棒进行预处理，即控制系统通过测量装置采集光纤预制棒的各个位置段的尺寸信息，再根据采集到的光纤预制棒的尺寸信息确定加热装置向上移动的速度V₂和上端夹紧装置向上的拉伸速度V₃；

预处理完成后，使上端夹紧装置和下端夹紧装置夹紧光纤预制棒开始以V1转速同步旋转；

然后开启加热装置对光纤预制棒下端设定的起始拉伸加热段进行加热，使其渐变为半熔融状态后，开始对光纤预制棒进行拉伸处理，其中，上端夹紧装置以V₃的速度向上运动，同时加热装置以速度V₂向上移动，由此形成自下而上延伸的小直径光纤预制棒，所述的大直径光纤预制棒的直径D₁为20～200mm，所述的小直径光纤预制棒的直径D₂在10～120mm，在整个拉伸过程中满足：V₃×D₁ ²＝V₂×(D₁ ²-D₂ ²)；

其中，在拉伸过程中在线测量预制棒直径的装置连续或间断的对熔融变细的小直径光纤预制棒直径D₂进行测量，通过数据反馈系统来调整V₃或/和V₂，从而实现对D₂的实时调整。

按上述技术方案，所述在线测量预制棒直径的装置与加热装置相连，并设置在加热装置的下端。

按上述技术方案，预处理过程中，光纤预制棒的整个位置段的尺寸信息由在线测量预制棒直径的装置进行采集，其中，加热装置缓慢上下移动，在线测量预制棒直径的装置进行采集数据。

按上述技术方案，所述的大直径光纤预制棒为实芯光纤预制棒，或芯棒，或玻璃套管与芯棒的组合；在实芯光纤预制棒或芯棒的上、下端均焊接直径较小的玻璃延长棒或玻璃延长管作为夹持端，或在玻璃套管的上、下端焊接直径较小的玻璃延长管作为夹持端。

按上述技术方案，所述的加热装置为石墨电阻炉或电感应炉，加热温度控制在1800-2100℃，加热时在加热区域有惰性保护气体。

按上述技术方案，所述上端夹紧装置包括上夹紧机构、上旋转机构和上下移动机构；所述加热装置包括石墨电阻炉或电感应炉和加热装置移动机构；下端夹紧装置包括下夹紧机构和旋转机构。

一种光纤预制棒的垂直拉伸设备，其特征在于，它包括上夹紧装置、加热装置、下夹紧装置和控制系统，上夹紧装置的上方配置抽真空系统，所述加热装置配置惰性气体吹气口，在加热装置的下端配置在线测量预制棒直径的装置；所述上端夹紧装置包括上夹紧机构、上旋转机构和上下移动机构；所述加热装置包括石墨电阻炉或电感应炉和加热装置移动机构；下端夹紧装置包括下夹紧机构和旋转机构。

按上述技术方案，所述在线测量预制棒直径的装置的测量通道径向设置，在该装置上设置有用于隔热的石墨隔热环和冷却的冷却水通道。

按上述技术方案，在加热炉内位于小直径光纤预制棒的两侧对称设置有棱镜，所述在线测量预制棒直径的装置的测量通道轴向设置，与棱镜的光通道相对应，在该装置上设置有用于隔热的石墨隔热环和冷却的冷却水通道。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明采用立式垂直向上拉伸方式，上、下端夹紧装置进行同步旋转，在拉伸前通过对大直径光纤预制棒(或芯棒)各个位置段的尺寸进行扫描并提前计算出拉伸过程中的相关参数，在拉伸的过程中上夹紧装置和加热装置以此计算值作为拉伸的依据进行垂直竖向移动，并结合拉伸后通过在线测量预制棒直径的装置检测到的结果，对后边的拉伸过程进行提前细微的校正，这种处理方式，可以有效避免普通实时反馈调节方式所存的大滞后性，可以最大程度的降低大直径光纤预制棒的几何尺寸对拉伸结果的影响。

2、本发明方法在拉伸前通过在线测量预制棒直径的装置对大直径光纤预制棒各个位置段的尺寸进行扫描，在拉伸后再检测小直径光纤预制棒的尺寸并进行实时的反馈，这种方式在拉伸过程中，变化参数相对较少，可以简化控制模型，提高拉伸控制精度。

3、在拉伸过程中，上下夹紧装置进行同步旋转，使光纤预制棒在加热装置内受热均匀，进一步提高拉伸效率和拉伸后预制棒或者芯棒几何及光学性能，大幅降低生产成本，提高预制棒原材料的利用率。

4、垂直向上拉伸方法及装置可以避免光纤预制棒在拉伸时因重力作用产生弓曲度，使预制棒拉伸后的同轴度得到保证；同时向上拉伸可以有效避免在拉伸过程中由于密封问题而对拉伸后的预制棒产生二次污染，拉伸后的光纤预制棒几何形状均匀性更好，精度更高，拉伸可靠性高。

5、拉伸设备结构简单、运行可靠性高，使用方便，可以兼容实芯和玻璃套管与芯棒的组合预制棒或芯棒，使得设备的使用性能大大提高。

6、通过线测量预制棒直径的装置上设置有用于隔热的石墨隔热环和冷却的冷却水通道，使测径仪满足正常工作环境温度，一方面可以在线测量拉伸后的预制棒直径，精确的实时得到拉伸后的棒径；另一方面延长测径仪及相关联零件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的实施对象为大直径光纤预制棒，包括实芯光纤预制棒，或芯棒，或玻璃套管与芯棒的组合。实施过程是将大直径光纤预制棒拉伸成为小直径光纤预制棒，所述的大直径光纤预制棒的外径在20～200mm之间；所述的小直径光纤预制棒的外径在10～120mm之间。

本发明实施过程中所涉及到的一种光纤预制棒的垂直拉伸设备，它包括上夹紧装置1、下夹紧装置4、控制系统，上夹紧装置1的上方配置抽真空系统，在上、下夹紧装置之间安设加热装置3并配置惰性气体吹气口，所述上端夹紧装置1包括上夹紧机构、上旋转机构和上下移动机构，其中上下移动机构包括导轨和传动驱动机构；所述加热装置3包括石墨电阻炉或电感应炉和加热装置移动机构，其中加热装置移动机构包括导轨和传动驱动机构；下端夹紧装置4包括下夹紧机构和旋转机构。在加热装置3的下端配置在线测量预制棒直径的装置5；用于在预处理过程中扫描大直径光纤预制棒的各个段的尺寸信息和测量拉伸后小直径光纤预制棒的直径。其中，在线测量预制棒直径的装置5的测量通道径向设置，在该装置上设置有用于隔热的石墨隔热环和冷却的冷却水通道。

本发明提供的上述光纤预制棒的垂直拉伸设备，其拉伸的过程和操作步骤为：

所述大直径光纤预制棒2在尾部焊接有外径小于预制棒外径的延长棒或延长管，所述延长棒或者延长管为石英玻璃，在高温下与大尺寸光纤预制棒熔接在一起，其目的在于减少拉伸过程中辅助材料的消耗，同时提高光纤预制棒的玻璃利用率，而且由于辅助玻璃材料外径变小，使得焊接变得容易，从而也降低了焊接成本。本实施例中提供的小直径延长棒外径与大直径光纤预制棒直径的差值25～65mm。所述的小直径延长棒与大直径光纤预制棒同轴线联接，大直径光纤预制棒与小直径延长棒的对接方式有平直对接，过渡锥对接或过渡圆弧对接。

将大直径光纤预制棒垂直安装在拉伸设备上，大直径光纤预制棒的上端由上端夹紧装置1夹持，其穿过加热装置3的石墨电阻炉或电感应炉后，下端由下端夹紧装置4夹持；当实施对象为玻璃套管和芯棒的组合的大直径光纤预制棒时，将抽真空系统打开；当实施对象为实芯光纤预制棒或芯棒时，无需打开抽真空系统。

两端夹紧后，开始对光纤预制棒进行预处理，即控制系统通过上下移动加热装置3尾端设置的在线测量预制棒直径的装置5来采集光纤预制棒的各个位置段的尺寸信息，控制系统依据采集到的光纤预制棒的尺寸信息确定加热装置向上移动的速度V₂、上端夹紧装置向上的拉伸速度V₃；

预处理完成后，将加热装置移动到大直径光纤预制棒的下端设定的起始拉伸加热段处，关闭密封装置对加热炉口进行密封处理，密封处理工作完成后，上、下夹紧装置开始以V₁ 速度同步进行旋转，其中V₁的转速范为5Rev/Min～20Rev/Min；

再通过加热装置3对光纤预制棒的拉伸段的下端起点段持续进行加热，加热时在加热区域有惰性保护气体。当加热装置内热场温度为1950℃左右时，加热装置内部的预制棒或芯棒达到基材溶化温度后，热场中心部分的棒子处于半熔融状态，此时，启动上端夹紧装置1向上拉伸大直径光纤预制棒，即开始对预制棒或者芯棒进行拉伸处理。

拉伸过程中，下端夹紧装置4固定在一个位置，只进行旋转，而不进行任何纵向移动；大直径光纤预制棒的加热装置依据预处理的预制棒或者芯棒的外形几何尺寸或者芯层几何尺寸，以一个可变的速度V₂进行向上运动，以便给大直径光纤预制棒的不同位置段加热，同时上端夹紧装置1同样依据预处理的预制棒或者芯棒的外形几何尺寸或者芯层几何尺寸以V₃速度向上运动，由此形成自下而上延伸的小直径光纤预制棒；在拉伸过程中加热装置下方设置的在线测量预制棒直径的装置连续对熔融变细的小直径光纤预制棒D₂进行测量，将采集的数据传送至控制系统的运算控制单元，并通过数据反馈系统反馈给上夹紧装置1和加热装置3的控制系统，由V₃×D₁ ²＝V₂×(D₁ ²-D₂ ²)的关系来实时的调节上夹紧装置1向上移动的速度V₃和加热装置向上移动的速度V₂，从而实现对D₂的实时调整，直至拉伸结束。

本实施例中，也可以选择在加热装置3的内部设置棱镜6，所述在线测量预制棒直径的装置5的测量通道为轴向设置，与棱镜6的光通道相对应，这种设置方式，可以实时的反馈拉伸后小直径光纤预制棒的直径，实时的对后边的拉伸过程进行提前细微的校正，可以最大程度的降低大直径光纤预制棒的几何尺寸对拉伸结果的影响。

本实施例中，以制造的100～150mm外径预制棒芯棒基材到目标10-60mm外径的预制棒芯棒。按上述在拉伸过程中的关键参数如下：

其记录结果如下：

Claims (6)

1.一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于：

将大直径光纤预制棒垂直安装在拉伸设备上，大直径光纤预制棒的上端由上端夹紧装置夹持，其穿过加热装置后，下端由下端夹紧装置夹持；

先对光纤预制棒进行预处理，即控制系统通过测量装置采集光纤预制棒的各个位置段的尺寸信息，再根据采集到的光纤预制棒的尺寸信息确定加热装置向上移动的速度V₂ 和上端夹紧装置向上的拉伸速度V₃ ；

预处理完成后，使上端夹紧装置和下端夹紧装置夹紧光纤预制棒开始以V1 转速同步旋转；

然后开启加热装置对光纤预制棒下端设定的起始拉伸加热段进行加热，使其渐变为半熔融状态后，开始对光纤预制棒进行拉伸处理，其中，上端夹紧装置以V₃ 的速度向上运动，同时加热装置以速度V₂ 向上移动，由此形成自下而上延伸的小直径光纤预制棒，所述的大直径光纤预制棒的直径D₁为20~200mm，所述的小直径光纤预制棒的直径D₂在10~120mm，在整个拉伸过程中满足：V₃×D₁ ²= V₂×（D₁ ²-D₂ ²）；

其中，在拉伸过程中在线测量预制棒直径的装置连续或间断的对熔融变细的小直径光纤预制棒直径D₂ 进行测量，通过数据反馈系统来调整V₃或/和V₂，从而实现对D₂ 的实时调整。

2.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于，所述在线测量预制棒直径的装置与加热装置相连，并设置在加热装置的下端。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于，预处理过程中，光纤预制棒的整个位置段的尺寸信息由在线测量预制棒直径的装置进行采集，其中，加热装置缓慢上下移动，在线测量预制棒直径的装置进行采集数据。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于，所述的大直径光纤预制棒为实芯光纤预制棒，或芯棒，或玻璃套管与芯棒的组合；在实芯光纤预制棒或芯棒的上、下端均焊接直径较小的玻璃延长棒或玻璃延长管作为夹持端，或在玻璃套管的上、下端焊接直径较小的玻璃延长管作为夹持端。

5.根据权利要求1或2所述的一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于，所述的加热装置为石墨电阻炉或电感应炉，加热温度控制在1800-2100℃，加热时在加热区域有惰性保护气体。

6.根据权利要求1或2所述的一种光纤预制棒的垂直拉伸方法，其特征在于，所述上端夹紧装置包括上夹紧机构、上旋转机构和上下移动机构；所述加热装置包括石墨电阻炉或电感应炉和加热装置移动机构；下端夹紧装置包括下夹紧机构和旋转机构。