DE4235924A1

DE4235924A1 - Gasbrenner zum Verschweißen von Lichtleitfasern

Info

Publication number: DE4235924A1
Application number: DE19924235924
Authority: DE
Inventors: Hans-Matthias Dipl Ing Horn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: DE4235924C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner zum Verschweißen von Lichtleitfasern mindestens zweier Lichtwellenleiter mit einem Brennerrohr, durch das ein Gasstrom geleitet ist.

Ein Gasbrenner dieser Art ist aus der DE 27 15 443 C2 be kannt. Dieser Gasbrenner ist als konzentrisch aufgebauter Plasmabrenner zum Verschweißen optischer Fasern an einer Verbindungsstelle ausgebildet. In seinem Zentrum weist er eine negative Zentralelektrode auf, die in eine Spitze ausläuft. Diese Spitze reicht in ein erstes, inneres Rohr hinein, ohne dieses zu berühren. Dieses erste Rohr bildet eine positive Elektrode gegenüber der inneren Zentralelek trode und besteht aus elektrolytischem Kupfer. Um das erste, innere Rohr herum ist ein zweites Rohr mit Abstand konzen trisch angeordnet. Im Bereich zwischen dem inneren Rohr und der Zentralelektrode sowie zwischen dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr strömt jeweils ein Gas. Zwischen der negativen Zentralelektrode und dem positiven, inneren Rohr wird ein Lichtbogen gezündet. Durch den Gasstrom im inneren Rohr wird der Lichtbogen nach außen geblasen und erzeugt ein Plasma. Bei dem bekannten Plasmabrenner besteht die Gefahr, daß während des Zündens des Lichtbogens sowie während des eigentlichen Schweißvorganges Fremdpartikel z. B. Kupfer-Partikel von der Zentralelektrode, vom inneren Rohr und/oder vom äußeren Rohr durch das durchströmende Gas ab gelöst, mitgeführt bzw. mitgerissen und im Bereich der Ver bindungsstelle auf den zu verschweißenden optischen Fasern abgelagert werden können. Diese abgelagerten Fremdpartikel stellen Verunreinigungen bzw. Schmutzpartikel im Bereich der Verbindungsstelle für die blanken optischen Lichtwel lenleiter dar und führen zu Festigkeitseinbußen der mit einander verschweißten optischen Fasern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzu zeigen, wie mit Hilfe eines Gasbrenners Lichtwellenleiter zuverlässiger miteinander verschweißt werden können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Gasbrenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für das Brenner rohr zumindest im Flammbereich ein Material vorgesehen ist, das ähnliche Eigenschaften wie die zu verschweißenden Lichtleitfasern aufweist.

Indem das Brennerrohr zumindest in denjenigen Bereichen, die am stärksten der Gasflamme des Gasstromes ausgesetzt sind, d. h. im Flammbereich des Gasbrenners liegen, Mate rialeigenschaften aufweisen, die den zu verschweißenden Lichtleitfasern ähnlich sind, können festere Spleißverbin dungen hergestellt werden. Da nämlich während des Zündvor ganges und/oder während des Schweißvorganges abgelöste Par tikel dann den Lichtleitfasern ähnliche Materialeigenschaf ten aufweisen, können sie auf den Lichtleitfasern in der Umgebung und/oder an deren Spleißstelle auch nicht als Fremdpartikel bzw. Verunreinigungen störend wirksam werden. Selbst wenn also Partikel während des Zündvorganges und/ oder des Schweißvorganges vom Brennerrohr abgespalten, vom Gasstrom in den Bereich der Spleißstelle der Lichtleitfa sern transportiert und dort abgelagert werden, ist dort die "Sauberkeit" der Glasfasern bzw. Lichtleitfasern weit gehend gewährleistet. Da die mikroskopischen Ablagerungen bzw. Partikel ähnliche Materialeigenschaften wie die blan ken Lichtleitfasern aufweisen, besitzen sie praktisch kei ne störenden Eigenschaften für die Lichtleitfasern mehr. Dadurch sind z. B. mikroskopische Spannungen vorzugsweise im Bereich ihrer Oberfläche, die zu Rißbildungen und schließlich zu Faserbrüchen führen könnten, weitgehend ver mieden. Möglicherweise abgelöste Partikel stellen also keine störenden Fremdpartikel, sondern vielmehr verwandte Partikel oder sogar "Eigenpartikel" dar.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung wird für das Brennerrohr Glas, insbesondere Quarzglas (SiO₂) und/oder Keramik gewählt. Diese Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, daß sie zum einen sehr temperatur- und/oder chemikalienbeständig sind, wodurch von vornherein Material abspaltungen vermindert sind. Zum anderen weisen sie einen Längenausdehnungs-Koeffizienten auf, der mit dem des Man telglases der Lichtleitfasern ähnlich oder weitgehend iden tisch ist. Vom Brennerrohr abgelöste Glas-, insbesondere Quarzglas- und/oder Keramikpartikel führen deshalb weit weniger zu Festigkeitseinbußen im Bereich und/oder an der Spleißstelle der beiden Lichtleitfasern. Insbesondere die abgespaltenen Quarzpartikel werden vielmehr weitgehend in die bestehende Quarzglas-Struktur der Lichtleitfasern ein gebunden bzw. integriert, stellen also keine Fremdpartikel sondern vielmehr "Eigenpartikel" dar.

Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüche wiedergegeben.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, die im Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen Gasbrenners zeigt. In der Figur ist schematisch ein Gasbrenner GB dargestellt, mit dem zwei Lichtleitfasern LF1 und LF2 zweier Lichtwellen leiter LW1 und LW2 an einer Spleißstelle SP miteinander ver schweißt werden sollen. Die beiden Lichtwellenleiter LW1 und LW2 sind dazu im Bereich ihrer Spleißstelle SP von ihrer äußeren Umhüllung bzw. Beschichtung (Coating) CT1 und CT2 befreit, so daß sich ihre beiden zugehörigen Lichtleitfasern LF1 und LF2 blank, d. h. sauber herausgelöst, gegenüber stehen. Zum Ausrichten der beiden Lichtleitfasern LF1 und LF2 ist der Lichtwellenleiter LW1 in eine Führungsnut FN1 einer beweglichen Haltevorrichtung HV1 sowie der Lichtwel lenleiter LW2 in eine Führungsnut FN2 einer zweiten Halte vorrichtung HV2 eingelegt. Die Führungsnuten FN1 und FN2 weisen zur seitlichen Lageführung der Lichtwellenleiter LW1 und LW2 einen etwa V-förmigen Querschnitt auf, dessen Querschnittsbreite etwa dem Durchmesser der beiden Licht wellenleiter LW1 bzw. LW2 entspricht. Mittels dieser bei den Haltevorrichtungen HV1 und HV2 werden die beiden stirn seitigen Enden der Lichtleitfasern LF1 und LF2 nahezu ideal fluchtend an ihrer Spleiß- bzw. Schweißstelle SP aufeinan der ausgerichtet. Die beiden Enden der Lichtleitfasern LF1 und LF2 stehen sich zweckmäßigerweise dabei mit einem defi nierten Abstand zwischen 1 und 10 µm, insbesondere 2 µm gegenüber oder berühren sich gerade.

Zum Verschweißen der Lichtleitfasern LF1 und LF2 ist ober halb der Spleißstelle SP ein Gasbrenner GB angeordnet. Ihm wird ein Gas bzw. Gasgemisch GA über eine Gasleitung GL zu geführt. Dazu wird ein Ventil VE in der Gasleitung GL ge öffnet, um das Gas GA aus einem Reservoir GV, beispielswei se einer Gasflasche, gegebenenfalls unter Druck in einen Zuführkanal ZK einströmen zu lassen. Dieser Zuführkanal ZK mündet in einen Strömkanal SK im Gehäuse GH des Gasbrenners GB. Der Einströmwinkel zwischen dem Zuführkanal ZK und dem Strömkanal SK ist dabei vorteilhaft zwischen 0 und 90° ge wählt.

In den Strömkanal SK ist ein als Kapillarrohr ausgebilde tes Brennerrohr BR eingesetzt, das nahezu senkrecht auf die Umgebung der Spleißstelle SP ausgerichtet ist. Dieses Brennerrohr BR weist z. B. einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei sein Durchmesser zweckmäßigerweise zwischen 0,2 und 0,5 mm, insbesondere um 0,3 mm, gewählt ist. Das Bren nerrohr BR weist vorzugsweise an seinem Ende eine Verjün gung auf, d. h. eine Querschnittsverminderung, so daß es den Gasstrom GS in der Art einer Düse ausströmen läßt und auf die blanken Lichtleitfasern LF1 und LF2 im Bereich ihrer Spleißstelle SP lenkt. Zweckmäßigerweise weist das Brennerrohr eine axiale Erstreckung in Hauptströmungsrich tung HS des Gasstromes GS bis 20 mm, insbesondere zwischen 3 und 10 mm, auf.

Zum Verschweißen der Lichtleitfasern LF1 und LF2 eignet sich vorteilhaft ein Kohlenwasserstoff/Sauerstoff oder Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch. Diese Gasgemische zeich nen sich vor allem dadurch aus, daß sie mit entsprechen den Zusätzen, wie z. B. CL₂ sehr rein geliefert werden können. Insbesondere eignet sich zum Verschweißen aber auch ein Propan-(C₃H₈)-/Sauerstoff O₂-Gemisch mit fol gender Reaktionsgleichung:

C₃H₈+ 5 O₂ → 4 H₂O + 3 CO₂ + Energie

Als Verbrennungsprodukte entstehen somit Wasser und Koh lendioxid. Der Vorteil des C_xH_y/O₂ Gasgemisches liegt in der vergleichsweise niedrigeren Brenngeschwindigkeit, so daß der Gasbrenner GB einfach aufgebaut werden kann. Denn die Gase können vorteilhaft vor dem Eintritt in den Gas brenner GB bereits gemischt werden, so daß nur ein Zuführkanal ZK erforderlich ist. Gegebenenfalls können auch meh rere Zuführkanäle zum Mischen des Gasstromes im Gasbrenner GB vorgesehen sein, wobei jeder Zuführkanal jeweils ge trennt ein Gas dem Strömungskanal SK zuleitet.

Aus dem Brennerrohr BR tritt der Gasstrom GS aus und um spült den Bereich die Spleißstelle SP mit einer etwa ovalen, ellipsenartigen Querschnittsform. Das Brennerrohr BR ist bezüglich seiner Austrittsöffnung zweckmäßigerweise in ei nem Abstand zwischen 2 und 7 mm, insbesondere zwischen 3 und 5 mm von der Spleißstelle SP positioniert. Dabei weist sein Gasstrom GS zweckmäßigerweise eine solche Brei te (axiale Erstreckung) auf, daß die Lichtleitfasern LF1 und LF2 links und rechts von und an ihrer Spleißstelle SP in einem Teilbereich erfaßt werden. Vorteilhaft ist dort für den Gasstrom GS eine Breite zwischen 4 und 8 mm, insbe sondere zwischen 4 und 6 mm gewählt. Zweckmäßigerweise wird für den Gasstrom GS eine möglichst schlanke, flache ellip senartige Strömungsfeld-Form gewählt, so daß die Gefahr vermindert ist, daß Verunreinigungen von außen in den Gas strom GS mit hineingezogen werden und somit auf die Licht leitfasern LF1 bzw. LF2 gelangen können. Die axiale Länge für den Gasstrom GS entlang seiner Hauptströmungsrichtung HS wird zweckmäßigerweise zwischen 3 und 10 mm gewählt.

Das Zünden des Gasstromes GS wird mit Hilfe eines Zündele mentes ZE durchgeführt. Das Zündelement ZE ist bezüglich der Spleißstelle SP in einem dem Gasbrenner GB abgewandten, insbesondere gegenüberliegenden, Bereich AZ des Gasstromes GS angeordnet, d. h. das Zündelement ZE liegt vorzugsweise hinter der Spleißstelle SP der miteinander zu verschwei ßenden Lichtleitfasern LF1 und LF2. Das Zündelement ZE ist also außerhalb eines Gasstrombereiches DZ positioniert, der zwischen dem Gasbrenner GB und der Spleißstelle SP der zu verschweißenden Lichtleitfasern LF1 und LF2 liegt. In dieser Lage bzw. Position zündet das Zündelement ZE den Gasstrom GS mittels eines Lichtbogens LB, der mittels zweier Elektroden E1 und E2 unter Zuhilfenahme einer elek trischen Hochspannungsvorrichtung HS erzeugt wird. Der Lichtbogen LB erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Längsachse der Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2, so daß eine Emission von Partikeln bereits während des Zündvorganges durch den Lichtbogen LB in Richtung auf die Spleißstelle SP weitgehend vermieden ist.

Für das Brennerrohr BR ist zumindest in einem um seine Ausström-Öffnung liegenden Flammbereich FB ein Material bzw. ein Werkstoff vorgesehen, der ähnliche bzw. verwandte Eigenschaften wie die miteinander zu verschweißenden Licht leitfasern LF1 und LF2 aufweist. Dieser endseitige Flamm bereich FB des Brennerrohres BR liegt der Spleißstelle SP am nächsten und wird dem Gasstrom GS bzw. seiner zugehöri gen Gasflamme GF am stärksten ausgesetzt. Für das Brenner rohr BR ist im Flammbereich FB vorzugsweise auf einer Län ge zwischen 1 mm und 5 mm entlang der Hauptströmungsrich tung HS des Gasstromes ein Material vorgesehen, das als Ablagerung auf den Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 relativ unkritisch ist. Besonders vorteilhaft wird als Werkstoff für das Brennerrohr BR Glas, insbesondere Quarzglas (SiO₂) und/oder ein Keramikwerkstoff gewählt.

Diese Materialien, insbesondere Quarzglas, zeichnen sich vor allem auch zusätzlich dadurch aus, daß sie besonders temperatur- und/oder chemikalienbeständig sind, so daß die Gefahr von Partikelabspaltungen besonders gering ist. Das Brennerrohr BR hält damit zumindest im Flammbereich FB Temperaturen vorzugsweise zwischen 500 und 800°C ohne allzu häufige Partikel-Abspaltungen aus.

Selbst wenn nun Partikel vom Brennerrohr BR abgelöst und vom Gasstrom GS auf die blanken Lichtleitfasern LF1 und LF2 als mikroskopisch kleine Ablagerungen transportiert werden, weisen sie nun dort nahezu die gleichen wesentlichen bzw. charakteristischen Materialeigenschaften wie das Mantelglas der Lichtleitfasern LF1 und LF2 auf, d. h. sie stellen in "Eigenpartikel" dar. Dadurch können sie weit weniger als Verunreinigungen oder als Fremdkörper z. B. auf der Glasoberfläche der blanken Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 wirksam werden. Die Partikel liegen dabei in einer Größenordnung von einigen Mikrometern, stellen also somit mikroskopisch kleine Einlagerungen bei den Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 dar.

Vorteilhaft weisen das Mantelglas und die Partikel in etwa die gleichen Längenausdehnungs-Koeffizienten auf, so daß Oberflächenspannungen bzw. lokale Spannungsfelder z. B. im Bereich der Oberfläche der Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 vermieden sind. Rißbildungen aufgrund unterschiedlicher temperaturabhängiger Ausdehnungskoeffizienten von Parti keln und dem Mantelglas der Fasern LF1 bzw. LF2 sind da durch weitgehend vermieden, so daß Faserbrüche weit weni ger häufig sind.

Das Brennerrohr BR kann im Flammbereich FB zweckmäßiger weise innenwandig und/oder außenwandig mit solch einem geeigneten Material beschichtet bzw. überzogen sein. Be sonders unkritisch für ein Abspalten von Partikeln ist es, das Brennerrohr BR über seine gesamte Länge (axiale Er streckung) mit einem den zu verschweißenden Lichtleitfa sern LF1 und LF2 ähnlichen Material innen und/oder außen auszukleiden. Schließlich kann das Brennerrohr BR vorteil haft auch massiv, d. h. vollständig aus solchen Materialien wie z. B. Quarzglas und/oder Keramik hergestellt sein. Auch Kombinationen von Quarzglas und Keramik können vorteil haft eingesetzt werden.

Abgelagerte Partikel auf den Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 werden also aufgrund ihrer ähnlichen Materialeigenschaften weitgehend vollständig in die Quarzglasoberfläche der Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 integriert, so daß ein weit gehend homogenes Mantelglas auch im mikroskopischen Bereich resultiert. Durch die Vermeidung von Schmutzpartikeln bzw. Fremdkörpern auf den blanken Lichtleitfasern können vor teilhaft besonders feste Spleißverbindungen hergestellt werden. Die Lichtleitfasern weisen vorteilhaft nach dem Verschweißen eine Zugfestigkeit von mindestens 30%, ins besondere zwischen 50 und 100%, der ursprünglichen Fa serfestigkeit auf.

Claims

1. Gasbrenner (GB) zum Verschweißen von Lichtleitfasern (LF1, LF2) mindestens zweier Lichtwellenleiter (LW1, LW2) mit einem Brennerrohr (BR), durch das ein Gasstrom (GS) geleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) zumindest im Flammbereich (FB) ein Material vorgesehen ist, das ähnliche Eigenschaften wie die zu verschweißenden Lichtleitfasern (LF1, LF2) auf weist.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) mit einem den zu verschweißenden Lichtleitfasern (LF1, LF2) ähnlichen Material überzogen ist.

3. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) aus einem den zu verschweißenden Lichtleitfasern (LF1, LF2) ähnlichen Material besteht.

4. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) ein Material verwendet ist, daß einen den zu verschweißenden Lichtleitfasern (LF1, LF2) ähnlichen Längenausdehnungs-Koeffizienten aufweist.

5. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) ein temperatur- und/oder chemikalienbeständiges Material gewählt ist.

6. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Brennerrohr (BR) Keramik gewählt ist.

7. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Brennerrohr (BR) Glas, insbeson dere Quarzglas, gewählt ist.

8. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

9. Gasbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) einen Rohrdurchmesser für den Gasstrom (GS) zwischen 0,2 und 0,5 mm, insbesondere um 0,3 mm aufweist.

10. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) eine axiale Erstreckung in Haupt strömungsrichtung (HS) des Gasstromes (GS) zwischen 3 und 10 mm aufweist.

11. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) im Austrittsbereich des Gas stroms (GS) auf einer Länge zwischen 1 und 5 mm ein Ma terial vorgesehen ist, das ähnliche Eigenschaften wie die zu verschweißenden Lichtleitfassern (LF1, LF2) aufweist.

12. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammbereich (FB) des Brennerrohres (BR) zwischen 500°C und 800°C temperaturbeständig ist.

13. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) als Kapillarrohr ausgebildet ist.

14. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (GB) bezüglich der gemeinsamen Längs achse (GLA) der miteinander zu verschweißenden Lichtleit fasern (LF1, LF2) derart angeordnet ist, daß sein Gasstrom (GS) etwa senkrecht zu deren Spleißstelle (SP) ausgerichtet ist.

15. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dimensionierung so vorgenommen ist, daß die Lichtleitfasern (LF1, LF2) nach dem Verschweißen eine Zugfestigkeit von mindestens 30%, insbesondere zwi schen 50 und 100%, der ursprünglichen Faserfestigkeit aufweisen.

16. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zugehöriges Zündelement (ZE) außerhalb eines Gas strombereiches (DZ) positioniert ist, der zwischen dem Gasbrenner (GB) und der Spleißstelle (SP) der Lichtleit fasern (LF1, LF2) liegt.