DE4235924C2 - Gasbrenner zum Verschweißen von Lichtleitfasern - Google Patents

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 und im Bereich der Verbindungsstelle auf den zu verschweißenden optischen Fasern abgelagert werden können. Diese abgelagerten Fremdpartikel stellen Verunreinigungen im Bereich der Ver­ bindungsstelle für die blanken optischen Lichtwellenleiter dar und führen zu Festigkeitseinbußen der miteinander ver­ schweißten 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 einer ersten Lösung der Erfindung bei einem Gasbrenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Brennerrohr zumindest im Flammbereich als Material Glas aufweist.

Indem für das Brennerrohr zumindest in denjenigen Berei­ chen, die am stärksten der Gasflamme des Gasstromes ausge­ setzt sind, d. h. im Flammbereich des Gasbrenners liegen Glas vorgesehen ist, können festere Spleißverbindungen hergestellt werden. Da nämlich während des Zündvorganges und/oder während des Schweißvorganges möglicherweise abge­ löste Glas-Partikel dann den Lichtleitfasern ähnliche Ma­ terialeigenschaften aufweisen, können sie auf den Licht­ leitfasern in der Umgebung und/oder an deren Spleißstelle auch nicht als Fremdpartikel bzw. Verunreinigungen störend wirksam werden. Selbst wenn also Glas-Partikel während des Zündvorganges und/oder des Schweißvorganges vom Brennerrohr abgespalten, vom Gasstrom in den Bereich der Spleißstelle der Lichtleitfasern transportiert und dort abgelagert wer­ den, bleibt dort die "Sauberkeit" der Glasfasern weitgehend gewährleistet. Da die mikrosko­ pischen Ablagerungen ähnliche Materialeigenschaften wie die 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 vermieden. Möglicherweise abgelöste Glas-Partikel stellen also keine störenden Fremdpartikel, sondern vielmehr ver­ wandte Partikel oder sogar "Eigenpartikel" dar.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung wird für das Brennerrohr Quarzglas gewählt. Insbesondere abge­ spaltene Quarzglaspartikel werden besonders gut in die be­ stehende Quarzglas-Struktur der Lichtleitfasern eingebun­ den.

Gemäß einer zweiten Lösung wird die vorstehend genannte Aufgabe der Erfindung bei einem Gasbrenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für das Brennerrohr zu­ mindest im Flammbereich als Material Keramik mit einem temperaturabhängigen Längenausdehnungs-Koeffizienten vor­ gesehen ist, der mit dem des Mantelglases der Lichtleit­ fasern ähnlich oder weitgehend identisch ist.

Dieser Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er zum ei­ nen sehr temperatur- und/oder chemikalienbeständig ist, wodurch von vornherein Materialabspaltungen weitgehend vermeidbar sind. Zum anderen weist der Keramik-Werkstoff einen temperaturabhängigen Längenausdehnungs-Koeffizienten auf, der mit dem des Mantelglases der Lichtleitfasern ähn­ lich oder weitgehend identisch ist. Etwaige vom Brennerrohr abgelöste Keramikpartikel führen deshalb weit weniger zu Festigkeitseinbußen im Bereich der Spleißstelle der beiden Lichtleitfasern.

Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüche wiedergegeben.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, die ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasbrenners zeigt. In der Figur ist schematisch ein Gasbrenner GB dargestellt, mit dem zwei Lichtleitfasern LF1 und LF2 zweier Lichtwel­ lenleiter LW1 und LW2 an einer Spleißstelle SP miteinander verschweißt werden sollen. Die beiden Lichtwellenleiter LW1 und LW2 sind dazu im Bereich ihrer Spleißstelle SP von ihrer äußeren Umhüllung (Coating) CT1 und CT2 befreit, so daß sich ihre beiden zugehörigen Licht­ leitfasern LF1 und LF2 blank, d. h. sauber herausgelöst, gegenüberstehen. Zum Ausrichten der beiden Lichtleitfasern LF1 und LF2 ist der Lichtwellenleiter LW1 in eine Führungs­ nut FN1 einer beweglichen Haltevorrichtung HV1 sowie der Lichtwellenleiter LW2 in eine Führungsnut FN2 einer zwei­ ten Haltevorrichtung H2 eingelegt. Die Führungsnuten FN1 und FN2 weisen zur seitlichen Lageführung der Lichtwellen­ leiter LW1 und LW2 einen etwa V-förmigen Querschnitt auf, dessen Querschnittsbreite etwa dem Durchmesser der beiden Lichtwellenleiter LW1 bzw. LW2 entspricht. Mittels dieser beiden Haltevorrichtungen HV1 und HV2 werden die beiden stirnseitigen Enden der Lichtleitfasern LF1 und LF2 nahezu ideal fluchtend an ihrer Spleißstelle SP auf­ einander ausgerichtet. Die beiden Enden der Lichtleitfasern LF1 und LF2 stehen sich zweckmäßigerweise dabei mit einem definierten 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 oder 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 Zuführ­ kanal 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 auf, daß die Lichtleitfasern LF1 und LF2 links und rechts von und an ihrer Spleißstelle SP in einem Teilbe­ reich erfaßt werden. Vorteilhaft ist dort für den Gasstrom GS eine Breite zwischen 4 und 8 mm, insbesondere zwischen 4 und 6 mm gewählt. Zweckmäßigerweise wird für den Gasstrom GS eine möglichst schlanke, flache ellipsenartige Strö­ mungsfeld-Form gewählt, so daß die Gefahr vermindert ist, daß Verunreinigungen von außen in den Gasstrom GS mit hin­ eingezogen werden und somit auf die Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 gelangen können. Die axiale Länge für den Gas­ strom 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 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, d. h. quer zum Gasstrom GS. Etwaige von einer Elektrode abgerissene Par­ tikel haben somit eine auf die Gegenelektrode gerichtete Bewegungskomponente. Damit ist ein Transport dieser Parti­ kel bereits während des Zündvorganges zur Spleißstelle SP hin weitgehend vermieden.

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) oder ein Keramikwerkstoff gewählt, der einen temperaturab­ hängigen Längen-Ausdehnungskoeffizienten ähnlich oder weitgehend identisch dem des Mantelglases der Lichtleit­ fasern aufweist.

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 im Flammbereich beson­ ders 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 G auf die blanken Lichtleitfasern LF1 und LF2 als mikroskopisch kleine Ablagerungen transportiert werden, weisen sie nun dort nahezu die gleichen wesent­ lichen 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 Partikeln 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 oder lokale Spannungsfelder z. B. im Bereich der Oberfläche der Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 vermieden sind. Rißbildungen aufgrund unterschiedlicher temperaturabhängiger Längenausdehnungs-Koeffizienten von Partikeln und dem Mantelglas der Fasern LF1 bzw. LF2 sind dadurch 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 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 aus solchen Materialien wie z. B. Quarzglas oder Keramik hergestellt sein. Auch Kombinationen von Quarzglas und Keramik können vorteil­ haft eingesetzt werden.

Möglicherweise auf den Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 abge­ lagerte Glas- oder Keramik-Partikel mit einem dem Mante­ lglas ähnlichen temperaturabhängigen Längen-Ausdehnungs­ koeffizienten werden weitgehend vollständig in die Quarz­ glasoberfläche der Lichtleitfasern LF1 bzw. LF2 integriert, wobei ein weitgehend homogenes Mantelglas auch im mikrosko­ pischen Bereich resultiert. Die Lichtleitfasern weisen vor­ teilhaft nach dem Verschweißen eine Zugfestigkeit von min­ destens 30%, insbesondere zwischen 50 und 100%, der ur­ sprünglichen Faserfestigkeit auf.

Claims (16)

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) als Material Glas vorgesehen ist.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) Glas verwendet ist, das einen den zu verschweißenden Lichtleitfasern (LF1, LF2) ähnlichen Längenausdehnungs-Koeffizienten aufweist.

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

4. 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) als Material Keramik mit einem temperaturabhängigen Längenausdehnungs-Koeffizienten vorgesehen ist, der mit dem des Mantelglases der Lichtleitfasern (LF1, LF2) ähn­ lich oder weitgehend identisch ist.

5. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) mit einem Überzug aus Glas oder Keramik versehen ist.

6. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) vollständig aus Glas oder Keramik besteht.

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

8. Gasbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr (BR) einen Rohrdurchmesser für den Gasstrom (GS) zwischen 0,2 und 0,5 mm, aufweist.

9. 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.

10. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Brennerrohr (BR) im Austrittsbereich des Gas­ stroms (GS) das Glas- oder Keramikmaterial auf einer Länge zwischen 1 und 5 mm vorgesehen ist.

11. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Flammbereichs (FB) des Brennerrohres (BR) zwischen 500°C und 800°C gewählt ist.

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

13. 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.

14. Gasbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl des Glas- oder Keramik-Materials so vorgenommen ist, daß die Lichtleitfasern (LF1, LF2) nach dem Verschweißen eine Zugfestigkeit von mindestens 30%, der ursprünglichen Faserfestigkeit aufweisen.

15. Gasbrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl des Glas- oder Keramik-Materials so vorgenommen ist, daß die Lichtleitfasern (LF1, LF2) nach dem Verschweißen eine Zugfestigkeit zwischen 50 und 100% der ursprünglichen Fasertätigkeit 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.