CN111453979B - 制造具有大横截面积的重型玻璃预制件的高强度焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在两个玻璃部件之间产生高强度焊接的设备和相关方法。卡盘将所述玻璃部件的相应第一端在外壳内夹持在一起并将所述玻璃部件朝向彼此移动，其中在焊接区中将第二端加热、软化并焊接在一起。所述外壳具有堆叠的石英玻璃砖层，并允许所述焊接区缓慢冷却并避免应力。当所述玻璃部件朝向彼此移动时，丙烷石英熔化焊炬将所述外壳内部的火焰引向所述第二端。所述火焰软化所述第二端，并在具有增加的氢氧化物含量的所述焊接区中形成基本光滑的抛光表面。至少80％的所述焊接区在距所述表面10μm的深度处具有平均大于约10ppm的氢氧化物含量，并且所述焊接区的抗拉强度大于约10MPa。

Description

制造具有大横截面积的重型玻璃预制件的高强度焊接方法

技术领域

本申请总体上涉及生产拉长的玻璃部件，并且更具体地，涉及一种用于制造具有大横截面积的重型玻璃预制件的方法和设备，并且最具体地，涉及一种用于生产在第一玻璃部件与至少一个第二玻璃部件之间的焊接接头的方法和设备。

背景技术

石英玻璃部件用于许多应用，例如用于制造呈管或实心圆筒形式的光纤的半成品预制件；在灯制造中，用作在紫外、红外和可见光谱范围内的灯和辐射器的套管、灯泡、盖板或反射器托架；在化学设备构造中或在半导体制造中，呈用于处理半导体部件、夹具、钟罩、坩埚或防护罩的石英玻璃反应器和设备的形式；或简单的石英玻璃部件，包括管、棒、板、法兰、环或块。为了产生特殊性质，石英玻璃中掺杂有其他物质，例如钛、铝、硼、锗或这些物质的组合。

与光纤的设计和应用有关的应用科学和工程领域被称为纤维光学。光纤是通过将玻璃(二氧化硅)拉成直径比人类头发的直径稍厚而制成的一种可弯曲的透明纤维。光纤最常用于在纤维两端之间传输光并广泛用于光纤通信中，在光纤通信中，与电线电缆相比，光纤允许在更长距离内并以更高带宽(数据速率)传输。使用纤维代替金属线是因为信号沿着纤维传播的损耗更少。另外，纤维也不受电磁干扰的困扰，而这是困扰金属线的问题。纤维也用于照明并被捆扎成束，使得纤维可以用于承载图像，从而允许在狭窄的空间内观看，就像纤维镜一样。专门设计的纤维还用于多种其他应用，例如光纤传感器和纤维激光器。

光纤通常包括由具有较低折射率的透明包层材料围绕的透明纤芯。通过内部全反射现象将光保留在纤芯中，全反射现象使纤维充当波导。支持许多传播路径或横模的纤维被称为多模纤维；支持单模的纤维被称为单模纤维。

光纤通常以两个单独的过程制造。首先，准备预制棒，接着通过管中棒(RIT)或外包筒中棒(RIC)工艺制造预制件。其次，从制造的预制件中熔融拉制光纤。在授予Oh等人的第6,053,013号美国专利中公开了一种完成两个过程中的第一过程的用于生产光纤预制件的常规方法和设备。

具体来说，Oh等人提供了一种光纤棒外包设备。所述光纤棒外包设备包括：立式车床；安装在立式车床的每一端的卡盘；立式车床中的用于在立式车床的两端之间竖直移动的托架；安装在托架中的氧氢燃烧器；安装在托架中的熔炉；设置在立式车床端部的真空泵；将真空泵连接至立式车床端部的耦合器；以及在立式车床外部的用于控制托架的竖直移动、氧氢燃烧器的流率和卡盘的旋转的控制器。熔炉对玻璃管进行预热或加热，以用玻璃管外包预制棒。所述专利由Oh等人于2000年发布。

最近，已经生产出用于石英玻璃管、棒或塌陷的离线筒中棒(ORIC)的预制件，方法是通过将石英玻璃部件(例如，圆筒、铸锭或未塌陷的RIC)以竖直定向引入至包括加热区(例如，熔炉)的设备中，以使下端开始软化并形成股线。然后将股线放置在包括一组或多组牵引轮的牵引装置中。股线的拉制速率由牵引轮的速度控制，所述牵引轮可以根据成形区的温度或粘度以及由轮子支撑的股线的重量而施加向下或向上的力。无需模具辅助即可完成成形。因此，股线的尺寸由石英玻璃部件的进料速率、加热区的温度和牵引轮的速度控制。

如果将待拉长的石英玻璃圆筒的一端焊接至直径较小的呈假管或保持器形式的附接件上，则可以改进牵引阶段。此附接件可以缩短牵引过程，同时减少材料损耗。通常，用作保持器的石英玻璃部件焊接至待拉长的石英玻璃圆筒的上端，但是可以将保持器焊接至圆筒的下端或两端。

在代表Heraeus Tenevo GmbH提交的第WO 2007/039426号国际公开案中描述了一种适于生产此类组件的方法。为了将用作光纤的预制件的石英玻璃管对头焊接至假管或保持器上，可以在形成熔化连接之前对将彼此连接的前表面进行倒角。通过使用丙烷/氧气燃烧器或电加热炉将连接表面软化，然后将连接表面彼此压在一起。

授予Shimada等人并转让给本申请的受让人Heraeus Quarzglas GmbH&Co.KG的第6,484,540号美国专利公开了一种用于将假管焊接至石英玻璃管以用作光纤预制件的方法。所述方法包括在将石英玻璃管与假管焊接之前，对假管和/或石英玻璃管的内边缘部分进行倒角。然后将假管和石英玻璃管熔焊在一起。

授予Sattmann并转让给Heraeus Quarzglas GmbH&Co.KG的第8,161,772号美国专利公开了一种用于生产由石英玻璃制成的光学部件的方法。具有芯棒的同轴布置由石英玻璃包封管围绕，所述同轴布置在竖直方向上被引入至加热区，在加热区中分段软化，并且在形成拉丝灯泡的情况下被拉长以产生石英玻璃部件。使用一种芯棒，所述芯棒具有彼此堆叠布置的至少两个分开的芯棒区段，并且上芯棒区段的重量由设置在拉丝灯泡上方的包封管的安装或支撑区域支撑。

用常规的向下拉制系统和方法生产接近原始圆筒或包层大小的较大外径预制件存在很大困难。在所述方法开始时会浪费大量的优质预制玻璃，并且预制件的几何形状和波导性质在例如几何形状、包芯比和弯曲度的参数方面远非所要求的规格。因此，常规的预制系统和方法具有明显的缺点。

发明内容

为了解决常规预制件制造方法中固有的问题，设备和使用所述设备来生产光纤预制件(或光纤)的相关方法的第一目的是以精确且可复制的方式在待结合的石英玻璃部件之间产生实心焊缝，这可以大大避免杂质。第二目的是使常规系统和方法固有的浪费和组装问题最小化，甚至消除这些问题。第三目的是提供一种用于在石英玻璃部件之间产生焊接接头的简单、操作可靠且相对便宜的设备，所述设备特别适合于实施相关方法。

另一个目的是提供一种焊接方法，所述焊接方法产生的焊接强度高并且不会引起焊接部分的内径收缩。又一个目的有利地是焊接超高比圆筒。一个相关的目的是焊接外径与内径比大于约3.2的圆筒，同时减少(如果不能消除的话)应力、裂纹和破裂的风险-尤其是在冷却过程中。

还有一个目的是使用有限元建模来有效地开发用于焊接方法的最佳方案参数。一个相关的目的是通过减少开发过程中必要的试验次数来节省宝贵的生产能力。另一个相关的目的是允许准确地理解尤其在预制件两端的加热和玻璃流动的复杂热物理特性，在预制件两端可以“挤出”良好预制件的最终数量和光纤产量。

为了实现上述目的，提供了一种设备和使用所述设备在两个玻璃部件之间的焊接区中心形成高强度焊缝的相关方法。每个玻璃部件具有第一端、相对的第二端以及研磨表面。所述设备包括被构造成夹持第一玻璃部件的第一端的第一卡盘和被构造成夹持第二玻璃部件的第一端的第二卡盘，第一卡盘和第二卡盘将玻璃部件朝向彼此移动。所述设备中还包括外壳，优选地砖房外壳，其中将第一玻璃部件的第二端和第二玻璃部件的第二端朝向彼此移动、加热、软化并焊接在一起以在焊接区中形成焊缝，砖房外壳具有堆叠的石英玻璃砖层，并允许焊接区缓慢冷却并避免焊接区中的应力。所述设备中还包括至少一个丙烷石英熔化焊炬，当玻璃部件朝向彼此移动时，所述熔化焊炬将砖房外壳内部的火焰引向玻璃部件的第二端，火焰使玻璃部件的第二端软化，并且在具有增加的氢氧化物含量的每个玻璃部件的第二端附近的焊接区中形成基本光滑的抛光表面。至少80％的焊接区在距表面10μm的深度处具有平均大于约10ppm的氢氧化物含量，并且焊接区的抗拉强度大于约10MPa。

相关方法在焊接组件的两个玻璃部件之间的焊接区中心形成高强度焊缝。所述方法包括以下步骤：(a)提供两个玻璃部件，每个玻璃部件具有第一端、相对的第二端和研磨表面；(b)将每个玻璃部件的第一端夹持在车床的相应卡盘中；(c)使用车床将玻璃部件朝向彼此移动至砖房外壳中，其中将第一玻璃部件的第二端和第二玻璃部件的第二端加热、软化并焊接在一起以在焊接区中形成焊缝，砖房外壳具有堆叠的石英玻璃砖层，并且允许焊接区缓慢冷却且避免焊接区中的应力；(d)使用至少一个丙烷石英熔化焊炬共同地且同时地加热并软化砖房外壳中的第一玻璃部件的第二端和第二玻璃部件的第二端，所述至少一个丙烷石英熔化焊炬在玻璃部件朝向彼此移动时，将砖房外壳内部的火焰引向玻璃部件的第二端，火焰在具有增加的氢氧化物含量的每个玻璃部件的第二端附近的焊接区中形成基本光滑的抛光表面；(e)将玻璃部件的软化的第二端彼此压在一起，以在焊接组件的焊接区中形成焊缝；以及(f)将焊接组件冷却至环境温度。同样，至少80％的焊接区在距表面10μm的深度处具有平均大于约10ppm的氢氧化物含量，并且焊接区的抗拉强度大于约10MPa。

应理解，以上一般描述和以下详细描述都是示例性的，而不是限制本发明。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述最佳地理解本发明。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸会被任意扩大或缩小。附图中包括以下各图：

图1是同轴布置的一个实施方案的全貌图，所述同轴布置由芯棒、内套管和外套管组成，外套管附着有保持器以形成预制件；

图2是同轴布置的另一实施方案的全貌图，所述同轴布置由芯棒、内套管和外套管组成，其中内套管和外套管附着有单独的保持器以形成预制件；

图3a和图3b示出用作预制件的圆筒和用作保持器的圆筒的倒角边缘，图3a中示出附着这两个部件之前的图，且图3b中示出附着这两个部件之后的图。

图4a是具有呈马弗炉管形式的外壳的设备的实施方案的侧视图；

图4b是图4a所示的马弗炉管的前视图；

图5a是安装在水平车床上以防止焊缝过快冷却的砖房外壳的前视图；

图5b是图5a所示的砖房外壳的侧视图；

图6a示出在不使用砖房外壳的情况下焊缝的冷却；

图6b出于比较的目的示出使用砖房外壳的情况下焊缝的冷却；

图7示出合适的加热焊炬，所述加热焊炬提供了将两个玻璃部件一起焊接在外壳内部所需的热量；

图8a是用于使焊接光滑从而更容易使用焊炬进行火焰抛光的桨叶的顶视图；

图8b是图8a所示的桨叶的侧视图；

图9a示出两个焊接的空心圆筒，突出了研磨表面区域和火焰抛光的表面区域；

图9b示出沿着图9a所示的圆筒的中心轴线的粗糙度和表面氢氧化物值；

图10示出设备的实施方案，所述设备包括将净化气体输送至设备的气体管线以及相关的净化支持系统；

图11示出图10所示的净化支持系统的连接，所述连接接合并保持所述净化支持系统的净化装置；

图12示出图10所示的净化支持系统的枢转臂可以如何围绕所述净化支持系统的竖直撑杆枢转；

图13是图10所示的净化支持系统的后视图，突出了所述净化支持系统的轮子与下部轨道之间的接合；

图14是图11所示的净化装置的实例实施方案的透视图；以及

图15示意性地示出在将手柄焊接至圆筒的实例方法的每个步骤期间手柄、圆筒和两个焊炬相对于彼此以及相对于砖房外壳的位置。

具体实施方式

现在参考图式，其中在包括图式的各个附图中，相同的附图标记指代相同的元件，图1示出根据一个实施方案的用于生产光纤预制件(或光纤)的设备10。设备10包括玻璃芯棒1，所述玻璃芯棒形成放置在玻璃包层内部的波导光纤纤芯。更具体地，优选地在芯棒1上形成包层以径向地围绕芯棒1。包层可以由单个管形成，或者如图1所示，由玻璃内管2和玻璃外管3形成。芯棒1、内管2和外管3的纵轴分别在与整个设备10的竖直定向的中心轴线4同轴的方向上延伸。在芯棒1与内管2之间最初存在第一间隙5；在内管2与外管3之间最初存在第二间隙6。包层具有外径“OD”。

包层可以是Si0₂含量至少为85％的纯石英玻璃或掺杂石英玻璃。然而，优选地，包层是高纯度石英玻璃。优选地，芯棒1主要是纯石英玻璃。石英玻璃的特征在于较低热膨胀系数、宽波长范围内的光学透明性以及较高化学和热阻性。高纯度石英玻璃被定义为杂质Li、Na、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Ni、Cr和Mn的总含量按重量计小于10ppm的石英玻璃。

包层和芯棒1各自可以通过任何合适的方法形成，例如熔融石英或一种或多种类型的化学气相沉积(CVD)，包括内部气相沉积、外部气相沉积和轴向气相沉积。芯棒1的材料的折射率通常大于周围包层中的材料的折射率，以使得穿过从预制件拉制的光纤的光信号能够进行内部反射，从而形成有效的波导。

返回图1，第一保持器14(有时称为“假管”)结合、熔融或焊接(统称为“焊接”)至外管3的上端。第一保持器14通常是由与芯棒1或包层相比质量更低且成本更低的石英玻璃(例如含有大量杂质、气泡等的石英玻璃)制成的圆筒。第一保持器14通常更薄，具有更小的外径，并且具有与芯棒1或包层大致相等的内径。第一保持器14具有环绕的矩形凹槽15，所述矩形凹槽用作用于夹具(图中未示出)的接收器，通过所述夹具来保持和移动外管3。夹具是装有万向接头的，因此外管3可以围绕安装在垂直于中心轴线4的方向上的万向接头枢转，这有助于在拉长过程中自动定心。

第一保持器14的上端由盖17封闭，气体管线18穿过所述盖，外管3的内孔以及因此内管2的内孔可以通过所述盖进行排气，并且可以通过所述盖引入净化气体。另一个石英玻璃件19位于芯棒1和内管2的上端。零件19还具有狭槽或孔，用于使真空通过所述零件19并进入内管2的内孔中。防止芯棒1在拉长过程中浮动的支撑棒20在零件19与盖17之间延伸。

图2中示出设备10的替代实施方案。与图1相反，根据图2的实施方案示出芯棒1，所述芯棒分为间隔开小开口1c的上芯棒区段1a和下芯棒区段1b。上芯棒区段1a和下芯棒区段1b中的每一个可以具有大约3m的长度。此实施方案允许将上芯棒区段1a悬挂安装在内管2上。内管2由石英玻璃的第二保持器14a保持，所述第二保持器结合、熔融或焊接至内管2的上端。否则，第二保持器14a相对于内管2的构造类似于第一保持器14相对于外管3的构造。因此，图2所示的设备10的实施方案示出了在制造光学预制件的方法中可以将多个保持器附着至多个玻璃部件上。

上芯棒区段1a的悬挂安装通过石英玻璃销7实现，所述石英玻璃销在内管2的上端穿过其壁并穿过上芯棒区段1a的上端延伸。为此，在冷态下设置上芯棒区段1a，其中装配孔确保了围绕销轴线的某种可枢转性。下芯棒区段1b搁置在另一石英玻璃销8上，所述石英玻璃销在内管2的下端穿过其壁延伸。小开口1c保留在芯棒区段1a与1b之间。外管3确保内管2的内孔的真空密封性。

设备10的其他实施方案(未示出)包括图1所示的实施方案的一些方面和图2所示的实施方案的一些方面。例如，代替悬挂安装具有图2所示实施方案的特征的上芯棒区段1a，另一实施方案用具有图1所示实施方案的特征的盖17、零件19和支撑棒20代替销7、8。因此，第一保持器14和第二保持器14a的上端由盖17封闭(气体管线18可选地可以穿过所述盖，外管3的内孔以及因此内管2的内孔可以通过所述盖进行排气，并且可以通过所述盖引入净化气体)。与图1所示的实施方案不同，零件19仅位于上芯棒区段1a的上端，而不在第二保持器14a所附着的内管2的上端。支撑棒20防止上芯棒区段1a在拉长过程中浮动并且在零件19与盖17之间延伸。

在另一个实施方案(未示出)中，第一保持器14(或替代的保持器)可以附着至芯棒1。因此，可以将单独的保持器分别附着至芯棒1、内管2和外管3。在另一个实施方案(未示出)中，可以将两个保持器附着至芯棒1，在芯棒1的每一端上具有一个保持器。

不论实施方案，设备10通常具有下开口端；预加热隔离区；加热区；后加热冷却、退火和烘箱气体净化区；以及与下开口端相对的上开口端。加热区可以优选地通过加热元件(通常是烘箱或熔炉)加热至500℃至2,300℃，并且更优选地1,000℃至2,300℃，并且还最优选地1,500℃至2,300℃的温度。更具体地，加热元件优选地具有环形构造。加热元件形成设备10的加热区。将惰性气体在高温下注入加热元件中，以防止在预制件的外表面上发生氧化，并由于其出色的导热性而增强预制件的外表面上的均匀热温度分布。

参考图1说明使用设备10制造预制件的方法。对包括芯棒1和包层的玻璃组件进行加热、软化和拉长，以形成光学部件，例如光纤预制件或光纤。更具体地，玻璃组件在向上(或向下)方向行进通过设备10，在所述设备处以区范围的方式在加热区中加热玻璃组件。通过熔化变形(以及在所述方法中通过拉力或压缩力可选地拉伸/拉长)连续地形成预制件。

在一个实施方案中，玻璃组件是以下两个独立玻璃部件的同轴组件：芯棒1和包层。更具体地，芯棒1呈实心的圆筒形棒的形式，并且包层呈单个空心的外包圆筒的形式，或者如图1所示，两个中空的外包圆筒包括围绕芯棒1的内管2和外管3(即，筒中棒组件)。在同轴组件中，在玻璃组件进入加热区之前芯棒1和包层不熔融在一起。

随着玻璃组件的此实施方案的同轴组件行进通过设备10，芯棒1和包层被加热至预定温度，所述预定温度足以使所述两个玻璃部件软化并熔融在一起以形成一体化玻璃主体。(“预定”是指事先确定，因此必须在某个事件之前确定，即选择或至少已知预定特征。“一体化”是指单个零件或单个整体部分，本身即是整体，没有附加零件，即所述部分是与另一部分形成为单元的一个整体零件。)更具体地，当多件式玻璃组件的连续部分接近加热区并在加热区中加热时，包层和芯棒1变软化，并且软化的包层在芯棒1上塌陷并与芯棒1熔融。然后，可以从所得的整体玻璃主体中拉制至少一个，更优选地，多个预制件或光纤。

优选地，组件的此实施方案的同轴布置被加热至500℃至2,300℃，并且更优选地1,000℃至2,300℃，并且最优选地1,500℃至2,300℃的温度。更优选地，芯棒1上的包层的软化和塌陷在1,000℃至2,200℃，并且更优选地1,300℃至2,000℃，并且最优选地1,600℃至1,800℃的温度下发生。软化和塌陷的包层与软化的芯棒1熔融在一起优选地在1,000℃至2,200℃，并且更优选地1,300℃至2,200℃，并且最优选地1,600℃至2,200℃的温度下发生。然而，本领域技术人员将理解，例如玻璃材料的组成和产量的其他因素也影响包层在芯棒1上塌陷并与芯棒1熔融的温度。

如上所述，本公开集中在用于附接两个石英玻璃部件的焊接方法。所述焊接方法包括以下步骤：将两个石英玻璃部件夹持在车床上；使用车床将石英玻璃部件朝向彼此移动；结合并同时加热和软化两个石英玻璃部件的面，然后将软化后的面相对于彼此进行按压以形成具有焊缝的部件组件；以及将部件组件冷却至环境温度。如有必要，将石墨桨叶压在软化的外表面上，并在此过程中对表面进行成形-尤其是将两个相同直径的圆筒焊接在一起时。

焊接石英玻璃部件时，可能会形成杂质，或从周围大气、加热的燃烧器或从边界壁释放出杂质。杂质可能会沉积在要结合的石英玻璃部件上，特别是在软化的连接表面上。这些杂质是有害的，并可能在玻璃组件的进一步处理过程中导致边界表面上出现气泡或其他缺陷，或甚至导致破裂。此外，在焊接期间，在熔化区的区域中可能发生不希望的塑性变形。尽管可以通过麻烦的机械加工消除变形，但通常发现尺寸偏差。在焊接过程中，不规则和不确定的加热条件会促使此类塑性变形。

已经发现，在一些需要焊接方法以将两个石英玻璃部件附接在一起以对部件的端部进行倒角的应用中，这是有帮助的。返回至设备10，图3a和图3b示出对用作预制件的芯棒1和第一保持器14的边缘部分(或更一般地，任何玻璃部件的边缘部分和要附着至所述玻璃部件的任何保持器的边缘部分)进行倒角。图3a中示出附着具有倒角9的芯棒1和具有倒角11的第一保持器14(优选地通过焊接)这两个部件之前所述芯棒和所述第一保持器的图，且图3b中示出沿着焊缝13附着这两个部件之后所述芯棒和所述第一保持器的图。将相对低成本的第一保持器14焊接至相对昂贵的石英玻璃芯棒1的端部以便于运输，例如将芯棒1与包层熔焊成整体玻璃主体等的方法步骤。为了实现这些目标，可以夹持和控制第一保持器14，而没有损坏芯棒1的风险。

如图3a所示，通过加热和熔化倒角的芯棒1和倒角的第一保持器14将这两个部件熔焊在一起，然后将倒角的边缘9、11在箭头12的方向上直接彼此压在一起以形成均匀的整体式主体16。通过使用氧气/氢气燃烧器、丙烷/氧气燃烧器或电炉将倒角9、11一起加热并熔化。不需要焊棒。在焊接之后，如果需要或根据需要，可以通过使用石墨泥刀或桨叶或类似的成形工具挤压外周表面来将均匀的整体式主体16的外表面成形。

在一个示例性实施方案中，用作预制件的倒角的玻璃芯棒1的外径为180mm且内径为50mm，而倒角的第一保持器14的外径为120mm且内径为50mm。两个部件的焊接侧上的内边缘在圆周方向上倒角10mm的长度并且在纵向方向上倒角10mm的长度。尽管最有利的倒角量取决于芯棒1和第一保持器14的内径、壁厚和其他尺寸，但是合适的倒角量为约2mm或更大，但不大于壁厚的30％。

在形成倒角9、11之后，在保持预定的发热量、位置关系等的同时，通过加热约20分钟使用作预制件的芯棒1和第一保持器14的焊接侧上的边缘熔化，并且如图3a中的方向箭头12所指示，将边缘彼此压在一起。如此获得的整体式主体16的内径为50mm，发现其保持芯棒1和第一保持器14两者的原始内径。在进行静态载荷抗拉强度试验时，发现即使施加了3吨(或约6,000磅)的最大测试载荷，焊缝13也不会发生断裂。

如示例性实施方案指示，倒角9、11允许芯棒1和第一保持器14在具有高焊接强度的焊缝13处焊接在一起，并且在焊缝13处的破裂风险最小。倒角9、11还允许芯棒1和第一保持器14形成整体式主体16，而不会收缩芯棒1和第一保持器14的基本恒定的内径(在所述实例中为50mm)，即使由于在焊接中施加按压而发生膨胀也是如此。可以通过被称为“C型倒角”的线性倒角工艺来形成倒角9、11。或者，可以通过被称为“R型倒角”的非线性倒角来获得类似的效果。C型倒角为优选的，因为它减少了例如处理的操作负荷。

存在多种常规焊接方法来产生附接玻璃管和预制件所需的热量。依次描述了四个此类方法。首先，已结合没有石英玻璃马弗炉的玻璃加工车床使用氢燃烧器。与其他方法相比，此构造加热的面积较小，并在靠近焊接处产生应力带。因为氢燃烧器提供的功率有限，所以在大功率需求的应用中需要多个燃烧器组件。多个燃烧器组件又将在马弗炉外壳中需要大的开口，因此为圆筒适当地提供屏蔽是不切实际的。此外，如果没有马弗炉，焊接的组件会迅速冷却，从而产生高应力，并使所述构造不适用于研磨圆筒。当前没有可用的氢燃烧器构造具有足以焊接外径为200mm且外径肯定不会达到230mm的圆筒的可接受尺寸和低复杂度。用此第一常规方法焊接的玻璃补片(例如，预制件、管等)通常具有抛光的表面。

第二常规焊接方法结合没有石英玻璃马弗炉的玻璃加工车床使用等离子焊接车床。此构造也有功率限制：当前可以焊接外径最大为150mm的类部件。所述构造不允许在焊接期间接近焊接处，因此不可能用桨叶使焊接处平滑。焊接处的小圆周凹槽用作应力集中点，从而降低焊接强度。此第二常规焊接方法的缺点包括成本高、车床和电源昂贵、要求高自动化等级，以及在焊接期间不能进入房间。

第三常规焊接方法使用激光。激光设备往往很昂贵，可能难以操作，并且需要很高的维护成本。激光操作员必须具备熟练的人员技能和资格。另外，激光焊接限于直径小于150mm的玻璃部件。由于在焊接处会引发高应力，因此需要离线回火，以免过长时间占用昂贵的激光设备。更进一步，在圆筒和手柄的端部进行的切割必须高度精确，从而能够进行激光焊接(即，仅允许部件之间的极小的间隙)。

第四常规焊接方法使用例如电阻炉或感应炉的熔炉。此类熔炉的设备成本高并且难以在车床上实施。由于在焊接期间看不到或不能接近焊接处，因此几乎不可能保证焊接尺寸的严格规格。熔炉的长度也使得很难焊接较短的特殊应用部件。熔炉可以水平或竖直定向；每个定向都有缺点。竖直定向的熔炉的设备和建造成本较高并且难以装载。水平定向的熔炉可能会受到熔炉零件本身的污染(氧化颗粒可能掉落到玻璃表面上)，并使熔炉的正确密封更加困难(ZrO或陶瓷加热器会增加污染的风险)。

下面描述一种改进的设备，以及使用所述设备以生产附接(例如，焊接)玻璃管和预制件所需的热量的相关方法。改进的设备和相关方法通过在待结合的石英玻璃部件之间以精确且可复制的方式产生牢固的焊缝来生产光纤预制件，从而很大程度上避免了杂质。图4a是具有呈马弗炉管形式的外壳35的设备100的实施方案的侧视图。图4b是图4a所示的外壳的前视图。通过在外壳35内的相互连接表面的区域中加热和软化部件时在部件的连接表面之间形成一体键合，设备100的此实施方案增强了用于结合第一玻璃部件和至少一个第二玻璃部件的焊接方法。关于上述实施方案且作为实例，第二保持器14a将被熔焊至包层的中空内管2，以便于运输、处理等。然后，使用第二保持器14a，将内管2拉长至用于光纤的预制件中，或者将所述内管与插入至中空内管2的内孔中的芯棒1一起直接拉长至光纤中。

设备100包括具有一组卡盘33的车床。一个卡盘33夹持第二保持器14a，并且另一个卡盘33夹持内管2，使得第二保持器14a和内管2中的每一个的纵轴都沿着共同的中心轴线4定位。换句话说，第二保持器14a和内管2彼此同轴，并且其各自的待焊接前边缘彼此相对。第二保持器14a和内管2的包括待焊接的前边缘的相对区域在外壳35内被加热和软化。

在一个实施方案中，外壳35被构造为三件式构件并且在两侧都是敞开的。中心部分在其侧壁上设有开口36，两个加热燃烧器或焊炬37、38通过所述开口伸入内部39。(当然，在替代实施方案中，一个或多个加热焊炬37可以完全布置在外壳35内部。)如图4a和图4b所示，加热焊炬37、38彼此平行。特定的应用将规定加热焊炬37、38的数量(一个、两个或更多个)以及加热焊炬的布置方式。在待焊接的前边缘区域中加热焊炬37、38围绕外壳35的壁的非平行布置将加热焊炬37、38的热量分布在外壳35的较大区域上，从而使得在外壳35上的热负荷较小。加热焊炬37、38也可以在外壳35的内部39上彼此相对定位。

车床可以旋转地或不旋转地操作。然而，通常，第二保持器14a和内管2围绕共同的中心轴线4旋转。第二保持器14a和内管2的旋转例如可以通过旋转卡盘33来实现。这种旋转确保围绕第二保持器14a和内管2的圆周进行均匀加热，尤其是当加热焊炬37、38仅位于车床的一侧时。旋转可以在加热期间、在冷却期间或优选地在加热和冷却期间发生。转速是重要的参数。通常，转速范围在0rpm至100rpm之间。优选的转速范围是30rpm至50rpm。

在一个实施方案中，外壳35具有不透明石英玻璃的管状主体40，所述管状主体具有圆形截面，可以从Heraeus Quarzglas GmbH&Co.KG以注册商标

商购获得。面向内部39的主体40的内侧可以衬有由高质量石英形成的具有10mm至12mm的层厚的内层41。内部39的圆形横截面有助于与中心轴线4同轴的加热分布，从而均匀地加热也具有圆形横截面的第二保持器14a和内管2。此外，圆形横截面简化了在中心轴线4的方向上基本上层状的冲洗气流(通常为氧气流)的调节，并且避免了死角，在死角处随着时间的流逝会积累杂质或颗粒。

实例外壳35具有约400mm的内径D以及沿着其长度的用作伸缩缝的纵向缝隙。在与加热焊炬37、38相对的一侧，外壳35的内部39用高纯度石英玻璃的壳状插入件43覆盖，所述插入件保护外壳35的中心部分不受热，并且另外提高了外壳35的热容量，从而使外壳35内部的温度分布均匀。在外壳35上方设置有抽吸装置42，所述抽吸装置部分地沿着外壳35的前开口延伸，并且从外壳35去除热废气。高纯度石墨的支撑件(图中未示出)用于定位和固定外壳35。

在外壳35中通过加热焊炬37、38的热量软化第二保持器14a和内管2。外壳35既提供热绝缘又用作储热器。由此产生局部同质且均匀的加热分布，这对焊接接头的质量具有有利的影响并且有助于接头的可重复制造。外壳35减少了加热焊炬37、38的热损失，并且还促使被焊接在一起的部件的所定义缓慢冷却，从而使得可能导致焊缝13破裂和断裂的热应力最小化。此外，外壳35基本上将内部39与外部环境隔离，从而使杂散颗粒或其他杂质在很大程度上远离加热区。

控制器是管理或指导两个或更多个部件之间的数据流(即，促进通信)的硬件装置或软件程序。设备100包括控制器70。控制器70提供从例如卡盘33、外壳35、焊炬37、38和抽吸装置42获得数据并使用所述数据来控制设备100的其他部件以及相关的焊接方法的能力。控制器70已经以本领域技术人员公知的方式在其中编程了预设的控制程序或例程，以有效地确保最佳的加热和移动方法方案。控制器70有助于确保稳固的以及可再现的“一键式”自动化生产方法。

如图5a和图5b所示，分别描绘了前视图和侧视图，优选地将称为砖房外壳35的特定类型的外壳35安装在水平车床上，以防止焊缝13过快地冷却。砖房外壳35优选地由

砖制成。最优选地，/>

砖由等级不透明熔融材料(OFM)70制成。OFM 70由纯沙子电熔。从物理上讲，熔融石英是非晶态固化的二氧化硅-夹杂细小气泡和微量金属氧化物使其变成白色且不透明。在旋转模具中进行熔化。通过此方法，最初仅通过离心力形成所得的熔融二氧化硅产物的内部轮廓。熔化热量由内部燃烧的电弧提供。此方法产生具有非常均匀的致密壁和火釉内表面的轴向对称形状。壁厚由电弧的强度和燃烧时间确定。

OFM 70能高度抵抗腐蚀、高温、热冲击和电气影响。较低热膨胀系数实现快速加热和冷却。OFM 70即使在非常高的温度下也是一种高效的电绝缘体。OFM 70本身的耐腐蚀性足以防止从材料结构中释放出异物。通过为OFM 70提供纯净透明的熔融石英玻璃内衬，甚至可以进一步增强此特性，所述内衬含有的微量杂质甚至比OFM 70本身少得多。

比热容(或简称为比热)是每单位质量升高物质温度所需的能量。材料的比热容(C)是通常在恒定压力(C_p)下测量的物理性质。以SI为单位，比热容是每升高1千克1开氏度的物质所需的以焦耳为单位的热量，因此以每千克(或克)每开氏度的焦耳数进行测量。

包括分子(不同于单原子气体)的物质的比热容不是固定的常数；所述比热容根据温度而有所变化。因此，通常还规定进行测量的温度。例如，石英玻璃(用于制造砖房外壳35)的比热容(C_p)随温度变化如下：C_p在1,000°K时＝1.17J/(g*K)，C_p在1,500°K时＝1.27J/(g*K)，且C_p在2,000°K时＝1.49J/(g*K)。比热容提供了将给定质量的物体(例如砖房外壳35)加热或冷却给定量所需的能量的指示。反过来，此能量需求将提供有关在给定能量供应下的加热或冷却过程将花费多长时间以及所述过程的成本影响的信息。

如图5a和图5b所示，砖房外壳35具有由石墨板制成的基础层或第一层46。适当数量的

砖层48安置在第一层46上。图5a和图5b中示出了十一层堆叠的/>

砖层48。还示出了第一层46和/>

砖层48的合适尺寸(以毫米为单位)。砖房外壳35确保了在焊缝13周围的热分布，这允许在合理的时间量内对焊接区进行适当的火焰抛光。热量和氢氧化物均匀地分布在手柄与圆筒的焊缝13周围。/>

砖房外壳35使焊接材料的冷却速度比以前可能的速度慢，从而实现了产生低应力焊接的冷却速率。

图6a示出在不使用砖房外壳35的情况下焊缝13的冷却。如图所示，焊缝13从约2,100℃冷却至约650℃。更具体地，焊缝13在约3.33分钟内从约1500℃冷却至约900℃(每分钟约180℃的速率)。

图6b示出使用砖房外壳35的情况下焊缝13的冷却。如图所示，焊缝13从约2,100℃冷却至约650℃。更具体地，焊缝13在约10分钟内从约1500℃冷却至约900℃(每分钟约60℃的速率)。

图6a与图6b之间的比较显示出使用砖房外壳35实现的冷却速率可以减小约三倍。这样较慢的冷却速率提高了焊缝13的强度。砖房外壳35实现了冷却速率与焊接循环时间之间的最佳比率。

如上所述的有利冷却速率产生低应力焊接。焊缝13的整体强度足够高，使得可以焊接具有较小内径的200mm OD的圆筒。使用所公开的方法焊接的圆筒可以具有最多250kg的重量(例如，OD＝210mm，ID＝43mm，长度＝3,400mm)。这些圆筒被焊接成双圆筒。这种组件的批量重量在约550kg至600kg的范围内。常规的焊接方法无法实现这种强度的焊接。如果在没有砖房外壳35的情况下尝试焊接方法，则OD大于150mm的圆筒的破损率几乎为100％。

砖房外壳35可以用上述石英玻璃马弗炉外壳35代替。但是石英玻璃马弗炉外壳35比砖房外壳35贵得多、寿命更短且提供的热容量更少。也可以通过用石英棉包裹焊缝13来代替砖房外壳35。然而，石英棉在焊缝13处带来高污染风险，并且在环境中引入石英纤维的来源。石英玻璃马弗炉外壳35和石英棉包裹都不适用于大批量加工。

像砖房外壳35一样，焊炬37、38的选择对于焊接方法的成功也很重要。每个焊炬37、38的功率必须足以将足够的氢氧化物引入约10μm的深度。在图7中示出了合适的焊炬37、38，所述焊炬可以从德国的Messer Cutting Systems GmbH购得。所示焊炬37、38是具有电抛光的不锈钢管的丙烷-氧石英熔化焊炬。焊炬头由具有良好导热性的材料制成。每个焊炬37、38优选地具有约120kW至130kW的额定功率。

石墨桨叶50可以用于使焊接光滑，以便用焊炬37、38更容易地进行火焰抛光。图8a和图8b中分别示出合适的石墨桨叶50的顶视图和侧视图。灰浆含量低于500ppm的SGL级580挤压石墨适合用作桨叶50的材料。

图9a和图9b示出两个焊接的空心圆筒52、62以及圆筒52、62的表面状况。(在一个实施方案中，第一圆筒52可以是第二保持器14a，并且第二圆筒62可以是内管2。)圆筒52、62沿着中心轴线4同轴对准。每个圆筒52、62具有相应的研磨表面54、64。遗憾的是，玻璃强度的表面缺陷(例如，由于研磨引起的)存在众所周知的负面影响。因此，在位于图9a的中心且两个圆筒52、62在其处接合的焊缝13的区域中，每个圆筒52、62的表面通过焊炬37、38的热量被火焰抛光以形成基本光滑的表面。因此，每个圆筒52、62具有相应的火焰抛光表面56、66。与研磨表面54、64相比，在火焰抛光表面56、66中玻璃的抗拉强度大大提高。

图9b示出圆筒52、62沿着中心轴线4的粗糙度和表面氢氧化物值。算术平均粗糙度R_a和十点平均粗糙度R_z是粗糙度的不同参数。R_a是表面的平均粗糙度。R_z是表面最高峰和最深谷之间的差。BS EN ISO 4287:2000英国标准中包括与ISO 4287:1997标准相同的轮廓粗糙度参数。圆筒52、62的研磨表面54、64的粗糙度为R_z≤6μm，在火焰抛光表面56、66中粗糙度降低至R_z≤0.3μm。

氢氧化物是由通过共价键结合在一起的氧原子和氢原子组成的带有负电荷并且由化学式OH-表示的双原子阴离子。氢氧化物是水的重要组成部分，但通常是次要成分。氢氧化物通常用作碱、配体、亲核试剂和催化剂。

圆筒52、62的散装材料中的氢氧化物值通常远小于1ppm，并且对于低氢氧化物衬底管内部而言，小于0.1ppm。圆筒52、62在焊接方法中被净化(例如，用氧气)，以防止来自焊炬37、38的火焰进入圆筒52、62的内部；因此，注入圆筒内表面上的氢氧化物明显少。由于由焊炬37、38产生的燃料气体(丙烷)的燃烧而在火焰中产生的氢氧化物，焊接区中的氢氧化物增加，超过体积值。此氢氧化物位于火焰抛光表面56、66的表面区域中，并且仅约10μm深。希望将靠近焊缝13并由火焰抛光表面56、66限定的焊接区中的氢氧化物浓度或水平增加至约10ppm以上，优选地在约20ppm至100ppm的范围内。通过稍后蚀刻掉10μm的表面区域，可以将氢氧化物还原至其原始值，即散装材料的指定值。

焊接区的火焰抛光表面56、66(约10μm深)中的较高氢氧化物含量会降低材料的粘度，从而降低其脆性。随着粗糙度降低，焊接区实际上达到了比圆筒52、62的未经处理的研磨表面54、64更高的强度水平，前提是砖房外壳35用于通过确保焊接区中适当的冷却速率来使应力最小化。

在完成实际的焊接方法之后，继续进行火焰冲击，这可以提高焊炬37、38的抛光效果。因此，在用石墨桨叶50形成之后，将焊炬37、38的操作持续约5至10分钟的时间，以对焊接区进行火焰抛光。这种操作消除了由搅拌法引入的任何降低抗拉强度的粗糙度。

上文提及使用净化气体，通常是氧气。图10示出设备100，所述设备包括将净化气体输送至设备100的气体管线18以及相关的净化支持系统85。净化支持系统85通过两个或更多个立柱76连接至设备100的工作台75。上水平轨77和平行的下水平轨78也连接至立柱76。上水平轨77限定上轨道77a，并且下水平轨78限定下轨道78a。可以如图所示在上水平轨77的底表面中限定上轨道77a，同时如图所示在下水平轨78的顶表面中限定下轨道78a。

净化支持系统85还包括连接至枢转臂80的可滑动竖直撑杆79。如图12所示，枢转臂80可以围绕竖直撑杆79以大约180度的弧度枢转。竖直撑杆79通常通过一个或多个轮子托架承载多个轮子81。轮子81与轨道77a、78a接合，使得竖直撑杆79可以沿着上水平轨77和下水平轨78滑动。图13的后视图突出显示了车轮81与下轨道78a之间的接合。枢转臂80承载连接件82，所述连接件可以位于枢转臂80的顶部(如图所示)。

如图11所示，连接件82接合并保持净化装置90。净化装置90的一端可以附接至(通常通过快速连接联轴器)气体管线18；净化装置90的另一端可以附接至例如圆筒52的玻璃部件。通过可滑动的垂直撑杆79和枢转臂80的作用，净化装置90可以相对于气体管线18和圆筒52两者容易地定位。

图14示出了净化装置90的实例实施方案。在所示实例中，净化装置90包括旋转活接头91，所述旋转活接头通过凸形弯头93和端口连接器94连接至快速连接杆92。快速连接杆92接合气体管线18。旋转活接头91也连接至凹形管适配器95，所述凹形管适配器95又通过微粒过滤器96连接至管97。管97通过例如塞子98(如图11所示)连接至玻璃部件(例如，圆筒52)。多种材料适合于塞子98，包括硅树脂和石墨，使得管97被密封至圆筒52。

因此，设备100的净化支持系统85用于将净化气体从气体管线18输送至圆筒52的内部。净化气体有助于促进焊接方法的成功并确保焊缝13的适当质量。更具体地，净化气体有助于防止颗粒熔化至焊缝13的表面中，颗粒熔化至焊缝13的表面可能对焊接强度产生不利影响，并对最终产品的性能产生负面影响。

实例

包括以下实例以更清楚地说明本发明的整体性质。这些实例是本发明的实例性而非限制性实例。

第一实例涉及用于将第一圆筒52焊接至第二圆筒62的焊接方案(如图9a所描绘)。每个圆筒52、62具有由较大外径(OD)和较小内径(ID)限定的大于约3，且更优选地大于约3.2的超高比(“UHR”)。因此，圆筒52、62优选地具有3.2<OD/ID的UHR，其限定了相对厚的圆筒壁。具有UHR的圆筒承受应力、裂纹和破裂的风险增加，特别是在冷却方法中。所公开的焊接方法有利地可以焊接这种UHR圆筒，同时减小(如果不能消除的话)所述风险。

下表1总结了实例焊接(即对接)方法或方案的十二个步骤。“焊炬”列指示在方法的特定步骤期间是否激活一个焊炬37(T1)，是否激活两个焊炬37、38(T1-T2)，或是否未激活焊炬37、38。“计时器”列表示自全面启动以来整个方法的总累积时间(以分钟为单位)；实例方法总共持续了85分钟。“持续时间”列表示方法的每个步骤的持续时间(以分钟为单位)；冷却步骤持续了30分钟。“距离”列表示从两个焊炬37、38之间的中心线至两个圆筒52、62的端部的距离(分别以英寸和毫米两者为单位)；当距离为零时，两端会合。焊炬37、38与圆筒52、62之间的恒定距离为60mm。

表1

对接方案

表1中总结的实例焊接方法已成功用于焊接UHR圆筒52、62。

第二实例涉及用于如图4a描绘但是使用砖房外壳35将手柄(例如第二保持器14a)焊接至UHR圆筒(例如内管2)的焊接方法或方案。下表2总结了在冷却之前的实例焊接方法或方案的十二个步骤，并且图15示意性地示出了在方法的每个步骤期间手柄(第二保持器14a)、圆筒(内管2)以及两个(1&2)焊炬37、38相对于彼此以及相对于砖房外壳35的位置。如图所示，砖房外壳35具有约640mm的长度(并且其端部由图15描绘的两条实心竖直线限定)。

在下表2中，“时间”列表示自全面启动以来整个方法的总累积时间(以分钟为单位)；实例方法总共持续了60分钟(冷却之前)。“持续时间”列表示方法的每个步骤的持续时间(以分钟为单位)。“距离”列表示从手柄端部至圆筒端部的距离(以毫米为单位)；当距离为零时，两端会合。“手柄至焊炬”列表示从手柄端部至两个焊炬37、38之间的中心线的距离(以毫米为单位)。“圆筒至焊炬”列表示从圆筒端部至两个焊炬37、38之间的中心线的距离(以毫米为单位)。“焊炬”列指示在方法的特定步骤期间是否激活一个焊炬37(1)或是否激活两个焊炬37、38(1&2)。

表2

表2中总结并在图15中示出的实例焊接方法已成功用于将手柄焊接至UHR圆筒。

通过所描述方法制备的圆筒至手柄(包括双圆筒)焊接有利于从非常大量且具有成本效益的批次中拉制低氢氧化物基材和其他管。焊接区中的氢氧化物含量正好处于处理大量批次的有益水平。焊接区的外层或表面中大约20ppm至100ppm的氢氧化物含量与光滑表面结合提供最高的可能焊接强度。在蚀刻并去除用于纤维应用的氢氧化物后，可以将圆筒直接运输至塔中进行拉制。因此，基材和圆筒都可以在最有利的氢氧化物范围内使用。

对于纤维应用，出于强度考虑，不可能以较高的氢氧化物等级为目标。这将增加衰减，而这对此应用无益。手柄基材的氢氧化物含量至少为10ppm；否则，材料太脆。不选择处理氢氧化物含量大于约50ppm的基材，因为会对粘度产生不利影响，并且会对成型塔的结束阶段产生不利影响(由于较低的手柄玻璃粘度，最后的圆筒部分过早脱落)。因此，手柄的优选氢氧化物含量在约10ppm至50ppm的范围内。

将手柄材料的目标定为与圆筒材料的低氢氧化物水平相同是不利的，因为退火成本太高。并且氢氧化物水平低于约10ppm会大大降低手柄强度。那些较低的氢氧化物水平会导致拉制塔中更高的手柄头折断率。

总而言之，焊接方法包括以下步骤：(i)将两个石英玻璃部件(例如，第二保持器14a和中空内管2)夹持在车床的卡盘33中；(ii)使用车床将部件朝向彼此移动；(iii)共同地且同时地加热和软化部件的相对端部区域；(iv)将软化的前边缘彼此压在一起以形成具有焊缝13的部件组件；(v)如有必要，将石墨桨叶压在软化的外表面上以使表面成形；以及(vi)将部件组件冷却至环境温度。优选地，将部件在高于2,200℃，并且通常在约2,200℃至2,300℃之间的过程温度下加热和软化约20分钟的时间。然后当处于砖房外壳35内部时，将这些部件从过程温度冷却至约1,000℃的温度，这需要至少5分钟且通常为约10分钟的时间间隔。

所公开的设备和相关的焊接方法可以容纳具有高强度焊接的重型圆筒组件，其能够支撑至少100kg的竖直保持的圆筒。垂直对齐的系统包括至少两个石英玻璃部件，在所述两个石英玻璃部件之间附接有焊接区。下石英玻璃部件的重量至少为100kg。上手柄焊接可以容纳各自重量至少为100kg的两个或三个圆筒。焊接区的抗拉强度超过约10Mpa，且优选地约15MPa。拉伸测试表明，手柄头部强度约为2MPa。至少80％的焊接区在距表面10μm的深度处具有平均大于约10ppm的氢氧化物含量。

所描述的方法允许将焊接区抛光至无表面缺陷的区域。丙烷焊炬37、38的使用可确保表面中适当的氢氧化物含量，以将玻璃粘度保持在最佳水平，并且砖房外壳35允许缓慢的玻璃冷却速率，以最大程度地减少焊接中的应力。这些结构特征的组合产生了与常规焊接方法相比最大程度地减少故障的焊接。

具体地，例如，当根据所描述方法形成焊接时，在成形塔处或到达成形塔途中的双筒焊接的裂纹率远小于0.5％。将这种有利的裂纹率与通过常规方法获得的裂纹率进行比较。电弧焊接方法的裂纹率大于5％，并且考虑到难以将热量施加至较大的表面上，必须将外径(OD)减小至约100mm。未设置砖房外壳和用于降低冷却速率的玻璃棉的常规氢燃烧器的裂纹率约为1％。另外，考虑到氢焊炬的动力不足，OD值减小至约150mm。常规激光焊接方法的裂纹率大于约10％，且OD限制为约150mm。等离子焊接的OD限制为约120mm。考虑到存在污染风险，因此不能将熔炉焊接用于波导纤维应用。

全球连接装置、云服务、5G(表示移动电信标准的主要阶段的第五代移动网络或第五代无线系统)和工业4.0(或第四次工业革命，即包括信息物理系统、物联网和云计算在内的制造技术领域中当前自动化和数据交换的趋势)以及其他的进步正推动对带宽的需求呈指数增长。因此，光纤制造商必须提高产量和生产率。对于下一代光纤制造，需要以高速拉制的非常大的预制件。高强度焊接方法用于制造具有大横截面积的重型玻璃预制件的结果是“准备拉制”的固体预制件，其可以承受多天不间断的光纤拉制，从而提高了预制件用户的生产率和光纤产量。

本发明的优选实施方案的前述描述应视为说明而不是限制由权利要求书限定的本发明。如将容易理解，在不脱离权利要求中所阐述的本发明的情况下，可以利用上述特征的多种变化形式和组合。不认为此类变化形式脱离本发明的精神和范围，并且所有此类变化形式意图被包括在所附权利要求的范围内。明确地意图是，例如，在本文件中广泛引用的所有范围在其范围内包括落在较宽范围内的所有较窄范围。如本领域技术人员所理解，明确地意图还在于，可以省略方法中包括的某些步骤；可以添加某些附加步骤；并且步骤的顺序可以与所描述的特定顺序不同。

Claims (20)

1.一种用于在两个玻璃圆筒部件之间的焊接区的中心形成高强度焊缝的设备，每个玻璃圆筒部件具有第一端、相对的第二端，中心孔，以及研磨表面，其中两个玻璃圆筒部件中的每一个都具有外径和内径，并且其中两个玻璃圆筒部件中的每个的所述外径与所述内径之比大于3.0，所述设备包括：

被构造成夹持第一玻璃圆筒部件的所述第一端的第一卡盘和被构造成夹持第二玻璃圆筒部件的所述第一端的第二卡盘，所述第一卡盘和所述第二卡盘将所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件朝向彼此移动；

外壳，其中将所述第一玻璃圆筒部件的所述第二端和所述第二玻璃圆筒部件的所述第二端朝向彼此移动、加热、软化并焊接在一起以在所述焊接区中形成所述焊缝，所述外壳具有堆叠的石英玻璃砖层，并允许所述焊接区缓慢冷却并避免所述焊接区中的应力；以及

至少一个丙烷石英熔化焊炬，当所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件朝向彼此移动时，所述丙烷石英熔化焊炬将所述外壳内部的火焰引向所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的第二端，所述火焰使所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的第二端软化，并且在具有增加的氢氧化物含量的每个玻璃圆筒部件的所述第二端附近的所述焊接区中形成光滑的抛光表面，

其中至少80％的所述焊接区在距所述抛光表面10μm的深度处具有平均大于10ppm的氢氧化物含量，并且所述焊接区的抗拉强度大于10MPa，

其中所述外壳允许所述焊接区以每分钟60℃的速率冷却。

2.如权利要求1所述的设备，还包括桨叶，所述桨叶被构造成使所述焊接区平滑和成形以更容易地抛光。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述外壳由熔融石英砖制成。

4.如权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个丙烷石英熔化焊炬具有120kw至130kw的额定功率。

5.如权利要求1或2所述的设备，其中所述两个玻璃圆筒部件中的至少一个的所述第二端进行倒角。

6.如权利要求1所述的设备，其中至少80％的所述焊接区在距所述抛光表面10μm的深度处具有平均在20ppm与100ppm之间的氢氧化物含量。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的研磨表面的粗糙度为R_z≤6μm，并且光滑的抛光表面的粗糙度为R_z≤0.3μm。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括净化装置和气体管线，所述气体管线将净化气体引入至所述中心孔中以防止所述火焰进入所述中心孔，由此确保所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的内表面上的所述氢氧化物含量小于所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的外表面上的所述氢氧化物含量。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述净化气体是氧气。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件中的一个是用于光纤的圆筒预制件，所述圆筒预制件具有大于150mm的外径、具有内径的中心孔以及大于3的外径与内径之比。

11.如权利要求10所述的设备，其中另一玻璃圆筒部件是具有在10ppm至50ppm之间的氢氧化物含量的手柄。

12.如权利要求10至11中任一项所述的设备，其中所述圆筒预制件中的在所述光滑的抛光表面之外的所述氢氧化物含量小于1ppm。

13.如权利要求1所述的设备，其中所述第一卡盘和所述第二卡盘被构造成使所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件旋转。

14.一种用于在焊接组件的两个玻璃圆筒部件之间的焊接区中心形成高强度焊缝的方法，所述方法包括：

(a)提供第一玻璃圆筒部件和第二玻璃圆筒部件，每个玻璃圆筒部件具有第一端、相对的第二端，中心孔，和研磨表面，其中两个玻璃圆筒部件中的每一个都具有外径和内径，并且其中两个玻璃圆筒部件中的每个的所述外径与所述内径之比大于3.0；

(b)将每个玻璃圆筒部件的所述第一端夹持在车床的相应卡盘中；

(c)使用所述车床将所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件朝向彼此移动至外壳中，其中将第一玻璃圆筒部件的所述第二端和第二玻璃圆筒部件的所述第二端加热、软化并焊接在一起，以在所述焊接区中形成所述焊缝，所述外壳具有堆叠的石英玻璃砖层并且允许所述焊接区缓慢冷却且避免所述焊接区中的应力；

(d)使用至少一个丙烷石英熔化焊炬共同地且同时地加热并软化所述外壳中的所述第一玻璃圆筒部件的所述第二端和所述第二玻璃圆筒部件的所述第二端，所述至少一个丙烷石英熔化焊炬在所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件朝向彼此移动时，将所述外壳内部的火焰引向所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的第二端，所述火焰在具有增加的氢氧化物含量的每个玻璃圆筒部件的所述第二端附近的所述焊接区中形成光滑的抛光表面；

(e)将所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的软化的第二端彼此压在一起，以在所述焊接组件的所述焊接区中形成所述焊缝；以及

(f)将所述焊接组件冷却至环境温度，

其中所述焊接区以60℃/分钟的速率冷却，且

其中至少80％的所述焊接区在距所述抛光表面10μm的深度处具有平均大于10ppm的氢氧化物含量，并且所述焊接区的抗拉强度大于10MPa。

15.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：在将所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的软化的第二端彼此压在一起以在所述焊接区中形成所述焊缝的所述步骤(e)之后，将桨叶压在所述焊接区的外表面上以使所述焊接区成形的步骤。

16.如权利要求14或15所述的方法，其中在共同地且同时地加热并软化所述第一玻璃圆筒部件的所述第二端和所述第二玻璃圆筒部件的所述第二端的所述步骤(d)期间，将净化气体引入至所述中心孔中以防止所述火焰进入所述中心孔，由此确保所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的内表面上的所述氢氧化物含量小于所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的外表面上的所述氢氧化物含量。

17.如权利要求14或15所述的方法，还包括在冷却的所述步骤(f)之后，从所述焊接区的所述抛光表面去除10μm深度的步骤。

18.如权利要求14所述的方法，其中所述第一玻璃圆筒部件和所述第二玻璃圆筒部件的研磨表面的粗糙度为R_z≤6μm，并且光滑的抛光表面的粗糙度为R_z≤0.3μm。

19.如权利要求14所述的方法，其中至少80％的所述焊接区在距所述抛光表面10μm的深度处具有平均在20ppm与100ppm之间的氢氧化物含量。

20.如权利要求14或15所述的方法，其中提供两个玻璃圆筒部件的所述步骤(a)包括在所述两个玻璃圆筒部件中的至少一个上提供倒角的第二端。

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