CN1522976A - 在光纤制造中连接玻璃预型坯的方法 - Google Patents

Abstract

一种端对端装配两个光纤管预型坯的方法，不会负面地影响连接点处局部玻璃的化学性质。要连接在一起的两管的端部通过磨削进行反向缩减，从而使管壁的外侧部分比管壁的内侧部分更向外延伸。具有这种端部的两管简短地加热并送到一起，反向缩减使管要连接的部分的横截面积最小化。施加最小数量的热到管的外侧来产生连接管的预焊，其中，该最小数量的热不会显著地影响连接点的玻璃化学性质。一旦预焊到位了，就施加额外的热和真空力到管上，完成焊接点的密封。

Description

在光纤制造中连接玻璃预型坯的方法

技术领域

本发明一般涉及光纤制作，更具体地，涉及在光纤制造中连接玻璃管或柱体的方法。

发明背景

在光纤上以光脉冲形式传送信息信号的通讯和数据传送系统现在是比较常用的。由于其信号传输能力远远超过机械导体，光纤已成为远距离电话和数据通讯网络可选的物理传输介质。然而，尽管具有这些优点，要大批制造加长的、高产量的以及无误差的光纤，在其制造中仍需克服一些困难。一个这种制造问题就是，在保持适当的光纤特性的同时，还要经济地制造加长光纤。

光纤制造利用了玻璃预型坯，光纤由其而产生。玻璃预型坯在一个厚玻璃棒中复制出光纤预期的轮廓外形。在预型坯产生以后，它被载入光纤拉伸塔。预型坯的下端向下进入炉子，这样预型坯的端部熔解，直至熔融团受重力而下坠。当其下坠时，形成丝。丝随着下坠而冷却，并接受一系列的处理步骤(例如，覆层操作)，以形成最终的光纤。因此，可以发现，由这一过程所产生的光纤的组成和长度取决于光纤从其拉伸而来的预型坯的特性。

产生预型坯的基本制造步骤是本领域普通技术人员所公知的。预型坯制造的三种基本形式包括：内淀积，材料在管内增长；外淀积，淀积在一个芯棒上进行，芯棒在稍后阶段将移走；以及轴向淀积，这里淀积是直接在玻璃预型坯上轴向进行。光纤预型坯制造中，最普遍和广泛使用的过程是改进化学汽相淀积(MCVD)。通过解释，MCVD是一种制作预型坯的过程，其中覆层和芯材料的连续层淀积在基底管的内表面上。淀积材料的独立层借助于沿管长前后移动的火焰而转化成玻璃(玻璃化)。在淀积过程中，火焰装置慢慢横穿基底管的长度，同时反应气体送入管内，再从管中排出。在芯和覆层材料淀积以后，通过将其加热到比淀积高的温度，使基底管下垂，形成实心芯棒。下垂的棒形成预型坯。预型坯产生之后，在后覆层过程中，如二氧化硅的材料加入预型坯，使其直径达到预期值。该步骤可使用氢氧或等离子吹管来对预型坯进行后覆层，尽管还有其他本领域普通技术人员所知道的其他方法。在完成后覆层过程后，预型坯即可拉伸为光纤。

尽管通过上述方法形成实心芯棒预型坯在光纤制造中是较常用的，也可使用其他较为经济的由较大预型坯制成光纤的技术，如管内棒式过程。与上述方法不同，在管内棒式过程中，芯/覆层和后覆层是独立形成、之后再结合的。该过程一般可以形成较大直径的预型坯。通常，管内棒式过程包括：将作为芯/覆层材料、具有较高折射率的玻璃棒插入折射率比芯/覆层材料低的柱状后覆层材料，如石英玻璃管。然后两种材料被加热和塌缩，从而产生固态熔融的玻璃预型坯。

对于光纤制造过程，用管内棒式(rod-in-tube)方法来制造较大直径(如≥90毫米)和较长长度(＞1米)的预型坯具有一些经济方面的优点，包括能产生加长光纤，以及光纤制造设备停工期较短。更具体地，光纤拉伸期间，随着预型坯向下放入炉子，预型坯就废弃了。而中断该光纤拉伸过程、放入新的替代预型坯的需求会降低过程的效率，并减少合成光纤的一致性。更具体地，在替换新的预型坯，并进行预型坯到拉伸位置的初始下坠时，会累计出相当长的停工期。此外，在由每个新预型坯重建拉伸中，会产生相当多的浪费。因此，人们已开始寻找由单个预型坯制作出更多光纤的技术。

根据本发明，两个或更多相连接的管可用于管内棒式的光纤预型坯的制造，以产生较长的预型坯。它的优点是，相连接的管以与连续管同样的方式经过光纤拉伸操作的处理。然而，由于常见的玻璃杂质，如氯和氢氧化物从玻璃的连接表面和整块区域处挥发，管的连接过程会改变连接区周围局部玻璃的化学成分，从而改变玻璃的性质。这些局部成分的改变会改变玻璃的粘度，足以破坏光纤的拉伸过程。在光纤拉伸过程中，连接处附近的粘度改变会导致光纤断裂，从而负面地压缩产量和产率。

美国专利US6 305 195描述了一种利用等温等离子吹管技术、端对端地连接两个拉伸体，如硅预型坯的方法。根据该专利，以这种方式制造的长预型坯可使光纤的拉伸具有比普通过程较短的停工期和较少的浪费。尽管’195号专利描述了等离子吹管连接两个延伸玻璃体的用法，该专利没有描述或暗示连接两个或更多具有空心部分的玻璃管，又不改变局部玻璃化学成分的方法。美国专利US6 178 779类似地公开了一种将两个光纤预型坯端对端装配到一起的方法。该公开的方法包括，沿共用的纵向轴线对准放置柱状预型坯的步骤，用加热器加热预型坯面对端的步骤，以及平行于共用轴线，向前移动预型坯，压紧它们使其彼此靠紧，这样在冷却后端部之间就形成密切的接触。根据’779号专利，加热施加到预型坯的外围和芯部。象’195号专利一样，该方法只相对于实心预型坯(即具有芯)进行了描述。’195号专利没有公开这样的连接玻璃管的方法，它在连接处附近不会负面地影响玻璃的化学成分。

因此，需要一种连接玻璃管的方法，来产生较长的光纤，而不会改变连接处附近玻璃的化学成分，不会负面地影响光纤拉伸过程。

发明内容

本发明提供一种克服了现有技术缺点的、装配两个或更多管的方法，用来产生光纤预型坯，端对端却不会负面地影响到连接处局部玻璃的化学成分，而该化学成分的变化会负面地影响预型坯产品到光纤的制造。根据本发明，两个连接到一起的管的端部首先通过磨削、切割或等效过程来反向缩减，这样管壁外部比管壁的内侧更向外地延伸。当具有这样端部的两个管连在一起时，反向缩减会减小要连接管部分暴露到热源的横截面的尺寸。这使得施加到管端部、产生预焊来连接管的热量最小。由于该缩减还会压扁两表面，缩减又消除了连接处的空气气泡。在预焊到位之后，相结合的管在预焊周围进一步加热，以消除由反向缩减形成的缝隙，并实现管的连接。由于需要很少的热量，因此热不会太多地影响连接处的玻璃化学成分，因而使加长管保持其适当的组分性质，以确保较长预型坯不会负面地影响拉伸过程。此外，一旦预焊到位后，附加的热结合真空力施加到管上，就完成了焊接的密封。

根据本发明的一个实施例，公开了一种制作物品的方法，该方法包括，提供第一主体的步骤，第一主体具有空心部分和包括第一端面的至少一个第一端，其中第一主体包括连续的外表面和连续的内表面，构成空心部分，其中空心部分跨越第一主体的长度；还包括提供第二主体的步骤，第二主体具有空心部分和包括第一端面的至少一个第一端，其中第二主体包括连续的外表面和连续的内表面，构成空心部分，其中空心部分跨越第二主体的长度。该方法进一步包括以下步骤：成型第一主体的第一端面和第二主体的第一端面，使得主体的外表面比主体的各内表面伸出更远；定位第一和第二主体，以便其各自成型的第一端面彼此相对；加热成型的第一端面的一部分，直至各成型第一端面的一部分的粘度降低；使两个主体中的至少一个向另一主体移动，直到降低粘度的部分相连接。

根据本发明的一个方面，成型第一和第二主体的第一端面的步骤包括：成型各第一端面，使该形状包括设置成距第一端面的外缘约5度的中心端面部分。根据本发明的另一方面，提供第一主体和第二主体的步骤包括提供第一耐热电介质主体，和第二耐热电介质主体。根据本发明的又一方面，该方法进一步包括，在加热和移动步骤期间，绕第一和第二主体的公共纵轴线旋转第一和第二主体的步骤。

此外，成型第一和第二主体的第一端面的步骤可包括，成型各第一端面，使主体的外表面比主体的各内表面伸出更远，以便形成各自的凹形第一端面。该方法还可包括，在两个主体中的至少一个移向另一主体的步骤期间，对相连接主体的空心部分施加真空，直到粘度降低的其余部分相连接。

根据本发明的另一方面，该方法包括缩减已连接的主体在第一和第二主体相连接处的直径的步骤。该方法可进一步包括施加额外的热到第一和第二主体的第一端，直到端面其余部分的粘度降低的步骤。此外，该方法可进一步包括使两个主体中的至少一个移向另一主体，直到降低粘度的其余部分相连接的步骤。

根据本发明的另一实施例，公开了一种连接两个空心体的方法。该方法包括，成型第一空心体和第二空心体的各第一端，使得端部各包括一凹槽，每个凹槽具有中央凹入部分和外部突起部分；加热各第一端的至少一部分，直到端部粘度降低；以及使第一空心体和第二空心体彼此相向移动，直到其各凹槽的外侧边缘相连接。

根据本发明的一个方面，成型第一和第二空心体的第一端的步骤包括，成型各第一端面，使得凹槽包括一中央凹入部分和一外部突起部分，其中凹槽的中央凹入部分设置成距外部突起部分约5度。根据本发明的另一方面，成型步骤包括成型第一耐热电介质空心体和第二耐热电介质空心体。根据本发明的又一方面，该方法进一步包括，在加热和移动步骤期间，绕第一和第二空心体的公共纵轴线旋转第一和第二空心体的步骤。

根据本发明进一步的方面，加热步骤包括用等离子吹管加热各第一端。加热步骤还可包括用炉子加热各第一端。该方法还可包括在两个空心体中的至少一个移向另一空心体的步骤期间，对各空心体的空心部分施加真空的附加步骤。

根据本发明的另一方面，该方法进一步包括，在第一和第二空心体相连接的位置处，缩减完全连接的空心体直径的后续步骤。此外，该方法可包括，向第一和第二空心体的第一端施加额外的热的步骤，直到端部粘度降低；以及使两个空心体中的至少一个移向另一空心体的步骤，直到第一和第二空心体的第一端完全相连接。

附图说明

已经用通用术语描述了本发明，下面将参考附图来描述，该附图不是一定按比例绘制的，其中：

图1表示根据现有技术，在后覆层管内安置芯/覆层棒，来形成管内棒式过程所使用的装置。

图2表示根据本发明一个实施例的单根管的端部的截面图。

图3表示根据本发明一个实施例的具有各自端部的两根管的截面图，其中热源施加热到该端部。

图4表示根据本发明一个实施例的两根预焊管的截面图，其中热源施加热到管上。

图5表示根据本发明一个实施例的玻璃管连接方法的方块流程图。

图6A-6C表示根据本发明一个实施例，在管接合处具有几何形状变型的连接管的前视图。

优选实施例的具体描述

以下参考附图对本发明进行更全面的描述，在幅图中表示了本发明的一些实施例但不是全部。实际上，这些发明只是以许多不同形式表现，而不应该受限于在此描述的实施例；更确切地，提供这些实施例只是要使公开的内容满足法定的实用性要求。类似参考标记在全文中指代类似部件。

图1表示在管内棒式方法中所用的装置8。本领域普通技术人员可以理解，在整个本申请中所描述的装置8以及管内棒式过程，同样也适用于柱内棒式过程。因此，尽管本申请的表示指的是用于管内棒式过程的管，它也表示了柱体、和柱内棒式过程的应用，因此，术语在此可互换使用。再参照图1，装置8包括，芯/覆层棒10，以及在管12萎缩之前设置在棒10上的后覆层管12。如图1所示，棒10位于管12内，管基本上包围了棒10。管12包括下端14和上端16。棒10位于管12中，这样在棒10和管12之间具有一环形空间18(为了清楚起见，放大表示)。在管内棒式过程中，如本领域公知的，环形空间18在熔融过程中消失。熔融过程包括，用火焰或其他适当的热源，从装置8的端部20开始，之后在箭头24表示的方向上，沿管12的长度对装置8进行初始加热。在装置8通过用一车床(未示出)或类似装置发生旋转时，进行加热。一般通过一设备从装置8的上端22对环形空间进行抽吸，该设备密封环形空间18并提供与抽吸装置的适当的连接。通过这种方式，管12塌缩到棒10上，形成实心横截面的预型坯。

图2表示后覆层管12的端部24的截面图，具有空的环形空间18，芯/覆层棒还没有插入在该空间18中。图中所示的管12已制备用来与另一类似管相连接。更具体地，由横穿过管12端面26的边-边线所确定的管12的端部26，通过磨削或切割发生反向缩减，这样它就不再垂直于管的长轴，该长轴由穿过管12长度上的中轴所确定。更具体地，如图2所示，管端部26定位成与垂直于中轴28的平面30呈α角，这样，在其最远端27的管12的外侧31，比在其最远端29的管的内侧32要突出得更远。更好地，该反向缩减绕管12的外围是连续的，α角近似等于5度。如以下将具体解释地，当管与具有类似反向缩减端的管相连时，管12的反向缩减产生了均匀的、无缺口的接缝。

图3表示了根据本发明一个实施例的具有各自端部的两根管的截面图，其中热源施加热到该端部上。管12，34的面对端都根据参考图2所述的方法来制备，因此，管的端部都是反向缩减的。管12，34这样定位，即，使端面彼此直接相对放置。端面(为清楚起见，图3中放大表示)之间的距离41起初最好在1毫米到约3毫米的范围内。要实现定位，管12，34安装在玻璃制造车床(未示出)上，车床可这样操作，使管12，34绕穿过管12，34长度上的共用中心纵轴28旋转。车床还可操作用来增加或减小管12，34端部之间的距离41。这种车床在美国专利US6 178 779中公开了，其全部内容在此附带作为参考。由于车床的结构和操作是本领域普通技术人员所公知的，在这里不再对其进行描述。

再参考图3，管12，34设置成与产生等离子火焰42的等温等离子吹管(torch)44相邻。在本发明中可使用多种等温等离子。例子包括氧和含氧等离子，如氧/氩。等离子一般是不含氢的，因此在最终产品中基本上可以避免OH杂质。

如图3所示，等离子火焰42填满了管12，34端部之间的位置。随着两根管12，34由车床所拉近，等离子火焰42加热并降低了管端部的粘度。管端部的粘度应足够软使其得以熔融在一起。例如，要熔融高硅玻璃，玻璃的温度应该高于1900摄氏度。因此，端面之间的距离41随着端部由吹管44所加热而减小。由于管的外侧端27，38比管端部的其余表面更向等离子火焰42突出，因而外侧端27，38是管端部首先溶解的部分。端部快速移动直到互相接触。根据本发明的一方面，管12，34朝向彼此的移动在外侧端27，38一旦互相接触后停止。然而，根据玻璃的热量以及缩减切割的角度，在端部27，38最初的接触之后，管还可进一步推到一起。等离子火焰42不会直接与管12，34端部的实质性表面部分发生直接接触。这会减少发生在玻璃化学成分中组分变化的几率。外侧端27，28的受热、液化的玻璃的接触产生了如图4所示的预焊点45。

可以理解反向缩减减小了管连接部分横截面区域的尺寸。这使得需要加到管外侧、使端部27，38溶化的热量减少了。因此，等离子火焰42施加到管端部很短的时间，一般为30秒或更短。由于较小的热量又只施加了相对短的时间，因此预焊的发生不会影响组合管玻璃的化学成分。另外，预焊的存在还防止了等离子火焰42与包括管12，34端部在内的大部分表面之间发生直接的相互作用。此外，由于相接触的外侧端27，38的横截面积较小，在预焊点45处只产生很少的余量材料。

由于在预焊形成时，管由车床旋转48，因此预焊存在于相结合的管(即，预焊发生之后的管12，34)的整个外围。然而，由于管12，34只是沿其外表面点接在一起，管12，34还不是完全连接。图4表示图3两管12，34在预焊点45连接在一起的截面图。如图4所示，当预焊点45到位后，由于反向缩减所产生的缝隙47，管12，34还没有在相连接的管壁的整个厚度上连接在一起。要封闭该缝隙47，完成两管12，34的连接，还需由等离子吹管44沿相结合管的外侧施加附加热。对于壁厚在20-30毫米厚的，以及外径在60-100毫米的，等离子吹管应施加约5-12分钟。附加热会导致缝隙47周围的玻璃变得粘稠。随着热的施加，车床旋转48，缝隙47会消失。选择性地，要确保缝隙47被足够量的玻璃所填满，以保持环形空间具有连续的半径，管12，34可以彼此相向移动。然而，由于在管12，34之间挤压溶化材料，可能会导致在作用点产生剩余物质。尽管如此，如本领域所公知的，等离子吹管44还是可用来消除此过程所产生的所有余量材料。

仍如图4所示，真空装置58由软管56和封盖54连接到环形空间18。封盖54为软管提供了到真空装置58的适当连接，可操作用来密封相结合管的第一端52。一个塞子、封盖或类似装置50同样地插入相结合管的相对端，从而密封整个环形空间18。在加热相结合管、消除缝隙47期间，如上所述，真空装置可用来使空气排出环形空间。该真空装置有助于将管12，34的端部移动到一起，从而有助于管的连接。真空装置还有助于缝隙47周围的受热玻璃扩散到缝隙47中。可以理解真空装置是选择性的，它尤其有利于帮助厚壁管的连接处理。

图5表示根据本发明一个实施例的构成玻璃管连接方法的方框图。如方块60所示，两管的端部都反向缩减，这样管壁外侧部分比管壁内侧部分更向外延伸，具体参考图2所述。接着，随着管由车床送到一起(方框62)，对两管的端部加热，具体参考图3所述。随着两端送到一起，在相结合管的外壁周围形成预焊(方框64)，如图4所示。最后，仍参考图4所述，施加附加热以消除由反向缩减产生的缝隙，实现管的连接(方框66)。此外，对环形区域可施加真空，来帮助连接点的产生(方框66)。

由于采用上述过程只需最少的热量，热不会严重地影响连接点的玻璃化学物质，因而使加长管保持适当的组分性质，以确保加长行为不会负面地影响拉伸过程。还可以理解，用上述过程还可连接大于两根的管。例如，一系列都具有缩减端的管可在拉伸过程期间端对端产生以提高光纤产量。

图6A表示了根据本发明的在管连接点具有几何形状变型70的连接管68，目前是预型坯的透视图。几何形状的变型是选择性的，可在光纤拉伸期间，用来确保适当的流动特性。如图所示，要确保在光纤拉伸期间，具有适当的流动特性，连接点处的玻璃可绕连接管68的整个外围进行切除或刮除。根据本发明的一个实施例，进行这样的切割，使沿着连接管的整个外围产生一弧形或弓形，弧形为2厘米宽、2毫米深。图6B和6C表示几何形状变型的替换实施例，如V形72和槽口形74修改。每个这些几何形状的修改70，72，74都可将连接点所产生的流动的阻力降到最小，从而有助于确保适当的流动特性。

可以理解，图6A-6C所示的选择性的几何变型还可以在管连接之前实现。这可以通过例如切割和削剪管端部的外侧来实现，这样就在管内表面和外表面之间的管端部处产生点或突起。这能使几何变型甚至在管连接之后还存在。

本发明在此阐述的许多修改和其他实施例是本领域普通技术人员对于这些发明所能想到的，具有前面描述及相关附图所给出的教导的作用。因而，本领域技术人员可以理解，本发明以多种形式体现，不应限于上述的实施例。举个例子，尽管前面描述了等离子吹管，许多其他热源，如炉子，作为本领域技术人员所能想到的方式，也可用于上述一个或多个步骤中。进一步的一个例子，尽管上述实施例描述了环形管的使用，这里所描述的方法也可使用具有其他不同横截面形状的空心部件。因此，可以理解，本发明并不限于其所公开的特定实施例，一些修改和其他实施例也应包含在附带的权利要求的范围内。尽管这里使用了特定的术语，它们只是作为一般的、描述性的含义使用，而不是为了限制的目的。

Claims (20)

1.一种制造物品的方法，包括：

提供具有空心部分的第一主体，以及包括第一端面的至少一个第一端，其中，所述第一主体包括连续的外表面和限定所述空心部分的连续的内表面，所述空心部分跨越第一主体的长度；

提供具有空心部分的第二主体，以及包括第一端面的至少一个第一端，其中，所述第二主体包括连续的外表面和限定所述空心部分的连续的内表面，所述空心部分跨越第二主体的长度；

对所述第一主体的第一端面和所述第二主体的第一端面进行成型，从而使得所述第一和第二主体的外表面比它们各自的内表面伸出得远。

对第一和第二主体进行定位，从而使得它们各自成型的第一端面彼此相对；

加热所述第一和第二主体的成型的第一端面的一部分，直到各所述成型的第一端面的一部分的粘度下降；以及

使两个主体中的至少一个向另一个主体移动，直到所述粘度降低的部分相连接。

2.如权利要求1所述的方法，其中，成型所述第一和第二主体的第一端面的步骤包括成型所述各第一端面，从而使得其形状包括一中央端面部分，该中央端面部分自所述第一端面的外缘偏移约5度。

3.如权利要求1所述的方法，其中，提供第一主体和第二主体的步骤包括提供第一耐热电介质体和第二耐热电介质体。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在加热和移动步骤期间，绕所述第一和第二主体的公共纵轴线旋转该第一和第二主体的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其中，成型所述第一和第二主体的第一端面的步骤包括成型各第一端面，从而使得所述第一和第二主体的外表面比它们的各自的内表面伸出得远，以形成各自的凹形第一端面。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在使两个主体中的至少一个移向另一主体的步骤期间，对已连接的主体的空心部分施加真空，直到粘度降低的其余部分相连接的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：缩小已连接的主体的在第一和第二主体相连接处的直径的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其中，加热步骤包括使用等离子吹管加热所述各第一端。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述第一和第二主体的第一端施加额外的热，直到各端面的其余部分的粘度降低的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：使两个主体中的至少一个向另一个主体移动，直到粘度降低的其余部分相连接的步骤。

11.一种连接两个空心体的方法，包括：

对第一空心体和第二空心体的各第一端成型，从而使得各所述端包括一凹槽，每个凹槽具有一中央凹入部分和一外部突起部分；

加热所述各第一端的至少一部分，直到该端的粘度下降；以及

使第一空心体和第二空心体彼此相向移动，直到它们各自的凹槽的外侧边缘相连接。

12.如权利要求11所述的方法，其中，成型所述第一和第二空心体的第一端的步骤包括成型所述各第一端面，从而使得凹槽包括一中央凹入部分和一外部突起部分，其中，所述凹槽的中央凹入部分自所述外部突起部分偏移约5度。

13.如权利要求11所述的方法，其中，成型步骤包括成型第一耐热电介质空心体和第二耐热电介质空心体。

14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：在加热和移动步骤期间，绕所述第一和第二空心体的公共纵轴线旋转该第一和第二空心体的步骤。

15.如权利要求11所述的方法，其中，加热步骤包括使用等离子吹管加热所述各第一端。

16.如权利要求11所述的方法，其中，加热步骤包括使用炉子加热所述各第一端。

17.如权利要求11所述的方法，进一步包括：在使两个空心体中的至少一个移向另一个空心体的步骤期间，对各空心体的空心部分施加真空的步骤。

18.如权利要求11所述的方法，进一步包括：缩小已完全连接的空心体的在第一和第二空心体相连接处的直径的后续步骤。

19.如权利要求11所述的方法，进一步包括：对所述第一和第二空心体的第一端施加额外的热，直到该端的粘度降低的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：使两个空心体中的至少一个移向另一个空心体，直到第一和第二空心体的第一端完全连接的步骤。

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