DE19513862C2

DE19513862C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers

Info

Publication number: DE19513862C2
Application number: DE19513862A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Lysson; Frank Dr Lisse; Robert Fenner
Original assignee: Alcatel Kabel AG and Co
Current assignee: Nexans Deutschland GmbH
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2015-04-13
Also published as: US5843199A; DE19513862A1; FR2732959A1; FR2732959B1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers, bei dem der Glaskörper von einer Halteeinrichtung gehalten und mittels eines parallel zu seiner Längsachse verschiebbaren Brenners erhitzt wird, die Oberflächentemperatur des Glaskörpers mit einer Temperaturmeßeinrichtung ermittelt wird und die Temperatur des Brenners variiert wird, bzw. von einer Vorrichtung zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers mit einer Halteeinrichtung für den langgestreckten Glaskörper, einem längs des Glaskörpers verschiebbaren Brenner, einer Temperaturmeßeinrichtung zum Ermitteln der Oberflächentemperatur des Glaskörpers und einer Einrichtung zum Variieren der Temperatur des Brenners.

In der DE 43 14 638 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers beschrieben. Ein langgestreckter Glaskörper wird in zwei drehbare Spannfutter eingespannt. Mittels eines in Längsrichtung des Glaskörpers verschiebbaren Brenners wird eine Feuerpolitur des Glaskörpers zur Verbesserung der Qualität seiner Oberfläche durchgeführt. Eine sehr homogene und kontaminationsfreie Oberfläche des Glaskörpers ist insbesondere zum Ziehen hochwertiger, mechanisch fester und reproduzierbare optische Eigenschaften aufweisender, zur Informationsübertragung verwendbarer optischer Glasfasern aus dem Glaskörper wichtig. Aus diesem Grund wird unmittelbar vor dem Faserziehen eine Feuerpolitur des langgestreckten Glaskörpers, der sogenannten Vorform, durchgeführt. Dabei wird bewußt Material an der Oberfläche des Glaskörpers abgetragen. Zur Regelung dieses Prozesses wird die Temperatur an der Oberfläche des Glaskörpers gemessen. Die gemessene Oberflächentemperatur wird als Istwert an eine Regeleinrichtung weitergegeben, die die dem Brenner zur Verfügung gestellte Gasmenge beeinflußt, um eine vorgegebene Temperatur an der Oberfläche des Glaskörpers einzustellen. Hierbei wird der Brenner mit einem konstanten Vorschub verfahren.

Bei diesem Verfahren werden mögliche mechanische Verspannungen im Glaskörper, die bei der Feuerpolitur entstehen können und die eine Bruchgefahr für den Glaskörper darstellen, nicht berücksichtigt. Für das Auftreten solcher mechanischer Verspannungen ist in der Regel eine unzureichende Durchwärmung bzw. ein zu schnelles Abkühlen des Glaskörpers verantwortlich. Durch die während der Feuerpolitur erfolgende Messung der Oberflächentemperatur des Glaskörpers sind aber keine Aussagen über die Durchwärmung bzw. den Abkühlprozeß im Glaskörper möglich. Das Auftreten von unerwünschten mechanischen Spannungen im Glaskörper wird zudem noch durch die typische Streuung des Durchmessers beispielsweise von zum Faserziehen verwendeten Vorformen von ± 5% des Sollwerts beeinflußt.

Um die Gefahr eines Risses oder Bruches der Glasvorform durch bei ihrer Abkühlung auftretende mechanische Verspannungen zu vermeiden, ist es bekannt, die Feuerpolitur im vorgewärmten Zustand der Glasvorform mittels einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme durchzuführen (Patents Abstracts of Japan, C-1247, September 8, 1994, Vol. 18/No. 482). Dazu wird die Glasvorform vor der Feuerpolitur in einer Stickstoffatmosphäre mittels eines elektrischen Ofens auf eine bestimmte Temperatur erwärmt.

In der US-Patentschrift 5,192,350 ist ein Verfahren zur Feuerpolitur von Glasvorformen beschrieben, bei dem mögliche optogeometrische Fehler der Glasvorform mittels eines geeigneten Sensors entdeckt und gemessen werden. Diese Fehler werden dann mittels eines Brenners durch Verdampfung von Glas an der Oberfläche des fehlerhaften Bereichs der Glasvorform beseitigt. Dabei können die Temperatur des Brenners durch eine geänderte Einstellung der Brennerventile sowie die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners variiert werden.

Ausgehend von dem in der DE 43 14 638 A1 angegebenen Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde, das Auftreten von unerwünschten mechanischen Spannungen in einem langgestreckten Glaskörper bei dessen Feuerpolitur aufeinfache Art und Weise zu vermeiden.

Dieses Problem wird durch die Merkmale des Anspruches 1, den mechanischen Spannungszustand im Glaskörper zu erfassen und die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners zu variieren, bzw. durch die Merkmale des Anspruches 8, eine optische Einrichtung zum Erfassen des im Glaskörper herrschenden mechanischen Spannungszustandes und eine Einrichtung zum Variieren der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners vorzusehen, gelöst.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Erfassung des im Glaskörper herrschenden Spannungszustandes und eine Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners in Abhängigkeit von diesem Spannungszustand und/oder der Oberflächentemperatur des Glaskörpers auf einfache Art und Weise beim Feuerpolieren im Glaskörper auftretenden mechanische Verspannungen wesentlich verringert werden können und dadurch die Gefahr eines Bruches des langgestreckten Glaskörpers vermieden wird. Der ermittelte Spannungszustand im Glaskörper kann darüber hinaus auch für die Einstellung der Temperatur des Brenners genutzt werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Feuerpolitur von zur Herstellung von hochwertigen Glasfasern verwendbaren Glasvorformen, wobei durch die erfindungsgemäße Feuerpolitur die Faserfestigkeit gesteigert, die Gefahr von Faserbrüchen reduziert und die optischen Eigenschaften der Glasfasern verbessert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Um die im Glaskörper auftretenden mechanischen Verspannungen besonders wirkungsvoll zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners in Abhängigkeit von dem im Glaskörper herrschenden Spannungszustand variiert wird.

Für eine möglichst genaue und für die Zwecke der Erfindung verwertbare Erfassung des im Glaskörper herrschenden mechanischen Spannungszustandes ist es von Vorteil, wenn der mechanische Spannungszustand im Glaskörper mittels einer mit dem Brenner mitgeführten optischen Einrichtung erfaßt wird.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die optische Einrichtung ein Polarisationsfilterpaar und einen Detektor aufweist. Auf diese Weise läßt sich der mechanische Spannungszustand des Glaskörpers auf besonders einfache Art und Weise ermitteln, da auftretende Farbeffekte durch Spannungsdoppelbrechung als Maß für den mechanischen Spannungszustand des Glaskörpers analysiert werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die in der Fig. beispielhaft dargestellte Vorrichtung 1 zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers 3, beispielsweise einer zum Ziehen von optischen Glasfasern zur Informationsübertragung verwendbaren Vorform, weist an ihrem einen Ende ein um eine Längsachse 19 drehbares erstes Spannfutter 5 und an ihrem gegenüberliegenden anderen Ende ein um die Längsachse 19 drehbares zweites Spannfutter 7 auf.

Der langgestreckte Glaskörper 3 besitzt beispielsweise eine zylindrische Form und hat an seinem ersten Ende 9 einen Einspannabschnitt 11 beispielsweise in Form eines angeschweißten Quarzstabes und an seinem dem ersten Ende 9 abgewandten zweiten Ende 13 eine etwa kegelförmige Spitze 15. Der Glaskörper 3 ist an seinem ersten Ende 9 mit seinem Einspannabschnitt 11 in das erste Spannfutter 5 eingespannt. An seinem zweiten Ende 13 ist der langgestreckte Glaskörper 3 mit seiner Spitze 15 so in ein dickwandiges Quarzrohr 17 eingeführt, daß der Glaskörper 3 an seinem Ende 13 teilweise in das Quarzrohr 17 ragt. Das Quarzrohr 17 besteht beispielsweise aus dem gleichen Werkstoff wie das Außenmaterial des als Vorform zum Faserziehen verwendbaren langgestreckten, z. B. schichtenförmig aufgebauten Glaskörpers 3. Das Quarzrohr 17 ist an seinem der Spitze 15 des Glaskörpers 3 abgewandten Ende in das zweite Spannfutter 7 der Vorrichtung 1 eingespannt. Auf diese Weise wird der langgestreckte Glaskörper 3, der beispielsweise durch das antreibbare erste Spannfutter 5 um seine Längsachse 19 gedreht wird, fest und sicher sowie konzentrisch zu der Längsachse 19 gehalten.

Auf einer Bank 21 der Vorrichtung 1 ist ein Brenner 23 angeordnet, der zum Erhitzen des langgestreckten Glaskörpers 3 bei der Feuerpolitur dient. Der beispielsweise mit einem Gas betriebene Brenner 23 ist auf der Bank 21 zumindest parallel zu der Längsachse 19 des langgestreckten Glaskörpers 3, beispielsweise aber auch quer dazu bewegbar. Zum Feuerpolieren des Glaskörpers 3 bewegt sich der Brenner 23 bei sich um die Längsachse 19 drehendem Glaskörper 3 beispielsweise in Pfeilrichtung ausgehend von dem Einspannabschnitt 11 bis hin zu der Spitze 15 des Glaskörpers 3, wobei ein gleichbleibender radialer Abstand zwischen dem langgestreckten Glaskörper 3 und dem Brenner 23 eingehalten wird. Durch den Materialabtrag beim Feuerpolieren erhält man einen langgestreckten Glaskörper 3 mit einer kontaminationsfreien und glatten Oberfläche, der sich sehr gut zum Ziehen von Glasfasern mit hoher Festigkeit und guten optischen Eigenschaften eignet.

Zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Glaskörpers 3 ist eine für die Messung hoher Temperaturen geeignete Temperaturmeßeinrichtung 25 vorgesehen, die beispielsweise in Längsrichtung des langgestreckten Glaskörpers 3 parallel zu der Längsachse 19 verschiebbar ist und die die Oberflächentemperatur des Glaskörpers 3 in dessen Längsrichtung in der jeweiligen Position des Brenners 23 ermittelt. Diese im Bereich des Brenners 23 an der Oberfläche des Glaskörpers 3 herrschende Temperatur wird als Istwert z. B. an eine erste Regeleinrichtung 27 gegeben. In der ersten Regeleinrichtung 27 wird der ermittelte Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert, der z. B. etwa zwischen 1400 und 1800°C liegt, verglichen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dann die Temperatur des Brenners in Abhängigkeit von der an der Oberfläche des Glaskörpers 3 ermittelten Temperatur so eingestellt, daß der vorgegebene Sollwert der Temperatur erreicht wird. Dies kann beispielsweise über die dem Brenner 23 zur Verfügung gestellte Gasmenge geschehen.

Zum Erfassen des im langgestreckten Glaskörper 3 herrschenden mechanischen Spannungszustandes ist eine optische Einrichtung 29 vorgesehen, die beispielsweise ein Polarisationsfilterpaar und einen Detektor aufweist. Die optische Einrichtung 29 wird beim Feuerpolieren mit einem vorgegebenen Abstand hinter dem Brenner 23 mitgeführt. Dieser Abstand ist so gewählt, daß eine gute Beurteilung der in dem Glaskörper 3 nach dem Erhitzen herrschenden mechanischen Spannungen bei Temperaturen unter 1050°C möglich ist und beträgt etwa 10 bis 30 cm, beispielsweise 20 cm. Als Maß für die Verspannungen in dem Glaskörper 3 werden die im Glaskörper auftretenden Farbeffekte analysiert.

Die Analyse der Farbeffekte kann z. B. mit einer entsprechenden Fotodiode erfolgen. Das durch die optische Einrichtung 29 auf diese Weise ermittelte Signal wird als Meßwert z. B. an eine zweite Regeleinrichtung 31 gegeben und dort aufbereitet. Auf Grundlage dieses Signals wird bei dem Ausführungsbeispiel die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners 23 in Abhängigkeit von dem im Glaskörper 3 herrschenden mechanischen Spannungszustand variiert, indem z. B. beim Vorliegen von Verspannungen im Glaskörper 3 die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners 23 gegenüber einem vorgegebenen Sollwert entweder reduziert oder erhöht wird. Wegen der vorhandenen Totzeit zwischen der Änderung des Vorschubes des Brenners 23 und dem Erkennen der Auswirkungen auf die in dem Glaskörper 3 herrschenden mechanischen Spannungen mittels der optischen Einrichtung 29 muß die Zeitkonstante der zweiten Regeleinrichtung 31 sehr groß gewählt werden. Die Funktion der zweiten Regeleinrichtung 31, nämlich das Erhöhen oder das Reduzieren der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners 23 in Abhängigkeit von dem im Glaskörper 3 festgestellten Spannungszustand, stützt sich z. B. auf empirisch ermittelte Werte.

Es ist ebenfalls möglich, die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners 23 in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur des Glaskörpers 3 allein oder in Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand im Glaskörper 3 und dessen Oberflächentemperatur zu regeln. Dementsprechend kann die Temperatur des Brenners 23 auch in Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand im Glaskörper 3 allein oder in Abhängigkeit von dem mechanischen Spannungszustand und der Oberflächentemperatur des Glaskörpers 3 eingestellt werden.

Werden zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners und zur Einstellung der Temperatur des Brenners sowohl der Spannungszustand im Glaskörper als auch seine Oberflächentemperatur als Eingangsgrößen verwendet, so ist es zweckmäßig, eine gemeinsame Regeleinrichtung für beide Regelgrößen vorzusehen.

Claims

1. Verfahren zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers, bei dem

- der Glaskörper von einer Halteeinrichtung gehalten und mittels eines parallel zu seiner Längsachse verschiebbaren Brenners erhitzt wird,
- die Oberflächentemperatur des Glaskörpers mit einer Temperaturmeßeinrichtung ermittelt wird, und
- die Temperatur des Brenners variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- der mechanische Spannungszustand im Glaskörper (3) erfaßt wird, und
- die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners (23) variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners (23) in Abhängigkeit von dem im Glaskörper (3) herrschenden Spannungszustand variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Spannungszustand im Glaskörper (3) mittels einer mit dem Brenner (23) mitgeführten optischen Einrichtung (29) erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für den mechanischen Spannungszustand im Glaskörper (3) die in diesem auftretenden Farbeffekte analysiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Glaskörpers (3) in der Position des Brenners (23) ermittelt wird.

6. Vorrichtung zum Feuerpolieren eines langgestreckten Glaskörpers mit

- einer Halteeinrichtung für den langgestreckten Glaskörper,
- einem längs des Glaskörpers verschiebbaren Brenner,
- einer Temperaturmeßeinrichtung zum Ermitteln der Oberflächentemperatur des Glaskörpers, und
- einer Einrichtung zum Variieren der Temperatur des Brenners, dadurch gekennzeichnet, daß
- eine optische Einrichtung (29) zum Erfassen des im Glaskörper (3) herrschenden mechanischen Spannungszustandes und
- eine Einrichtung (31) zum Variieren der Vorschubgeschwindigkeit des Brenners (23) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (29) ein Polarisationsfilterpaar und einen Detektor aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung des Glaskörpers (3) ein bestimmter Abstand zwischen dem Brenner (23) und der mit diesem mitgeführten optischen Einrichtung (29) vorgegeben ist.