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CN113213751B - 光纤种棒以及光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法 - Google Patents

光纤种棒以及光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法 Download PDF

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CN113213751B
CN113213751B CN202110614408.8A CN202110614408A CN113213751B CN 113213751 B CN113213751 B CN 113213751B CN 202110614408 A CN202110614408 A CN 202110614408A CN 113213751 B CN113213751 B CN 113213751B
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butt joint
tail handle
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张俊逸
周慧
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Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
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Zhongtian Technology Advanced Materials Co ltd
Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
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Abstract

本申请提出一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其包括：加热软化步骤：加热所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接端至软化；挤压步骤：驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动，以使两者的对接端相互挤压至两者对接处径向扩大形成凸环的状态；拉伸步骤：在所述挤压步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相互远离至使两者对接处被拉伸成直径小于各自初始直径的状态；恢复步骤：在所述拉伸步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动至使所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到初始水平。该对接方法能够较大限度避免对接对芯棒内光学芯层形状的影响。本申请还提供对接设备和制得的光纤种棒。

Description

光纤种棒以及光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法
技术领域
本申请涉及光纤制造技术领域，尤其涉及一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法和设备，以及制得的光纤种棒。
背景技术
在一些工艺中，光纤预制棒在制造时需要在芯棒端部连接作为被夹持结构的尾柄，形成种棒，然后进行后续操作(如采用外部化学气相沉积法(OVD)在种棒外周沉积形成外包层)。
已知技术中，在对接芯棒和尾柄时，采用加热软化和挤压对接、然后对因挤压而凸起的对接处进行机械磨平操作的方式实现对接。然而，该对接方式会对芯棒内光学芯层的形状造成不利影响。
发明内容
鉴于上述状况，本申请提供一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法和设备，以及制得的光纤种棒，通过加热软化、挤压、拉伸和恢复的操作步骤，能够较大限度避免对接对芯棒内光学芯层形状的影响。具体地：
本申请的实施例提供一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其包括：
加热软化步骤：加热所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接端至软化；
挤压步骤：驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动，以使两者的对接端相互挤压至两者对接处径向扩大形成凸环的状态；
拉伸步骤：在所述挤压步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相互远离至使两者对接处被拉伸成直径小于各自初始直径的状态；
恢复步骤：在所述拉伸步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动至使所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到初始水平。
在一些实施例中：
在所述加热软化步骤和/或所述挤压步骤和/或所述拉伸步骤和/或所述恢复步骤中，使所述光纤预制棒芯棒和/或所述尾柄绕自轴周转。可选地，所述光纤预制棒芯棒和所述尾柄均绕自轴周转，且两者的转动方向和转速相同。
在一些实施例中：
在所述加热软化步骤中，对所述光纤预制棒芯棒与尾柄的对接端加热至使两者的对接端面呈轻微圆弧的状态之后，再进行所述挤压步骤。
在一些实施例中：
在所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤中，保持对所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接处加热。
在一些实施例中：
用于加热所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的加热设备随所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接面位置的移动而移动，且加热设备的加热中心偏向所述尾柄一侧设定距离。
在一些实施例中：
控制所述挤压步骤的挤压程度在1.10-1.35之间；
其中，所述挤压程度由所述挤压步骤中形成的所述凸环的最大直径D和所述光纤预制棒芯棒的初始直径d之间的比值D/d表征。
在一些实施例中：
所选尾柄的直径d1和所述光纤预制棒芯棒的直径d的大小关系满足公式d1＝(1±1/10)×d。
在一些实施例中：
在使所述尾柄位于和所述光纤预制棒芯棒相距初始距离处后，开始采用一加热设备进行所述加热软化步骤，加热设备的加热范围覆盖所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接端；
在所述挤压步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V1向靠近所述光纤预制棒芯棒方向移动距离L1后停止挤压；用于加热的加热设备同步地以速度V1/2同向移动距离L1/2；
在所述拉伸步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V1向远离所述光纤预制棒芯棒的方向移动距离L2后停止拉伸；用于加热的加热设备同步地以速度V2/2同向移动距离L2/2；其中，L2>L1；
在所述恢复步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V3向靠近所述光纤预制棒芯棒的方向移动距离L3后停止；用于加热的加热设备同步地以速度V1/2同向移动距离L3/2；其中，L3＝(0.9-1.1)×L1。可选地，在所述恢复步骤中，还包括测量所述光纤预制棒芯棒在对接处部分的直径，确保所述恢复步骤停止于测得直径大致等于所述光纤预制棒芯棒初始直径的状态。
在一些实施例中：
在所述恢复步骤之后，还包括后处理步骤；
所述后处理步骤包括对对接处进行抛光和/或退火处理。
本申请的实施例还提供一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备，其包括：
第一夹持结构和第二夹持结构，用于分别夹持所述光纤预制棒芯棒和所述尾柄，并能够受驱带动所述光纤预制棒芯棒和所述尾柄执行前述的所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法中的所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤。
不失一般性，所述光纤预制棒芯棒夹持于第一夹持结构，尾柄夹持于第二夹持结构。在夹持状态下，可使所述光纤预制棒芯棒和所述尾柄同轴正对，以提高后续对接的对中度，确保对接后结构的同轴度；同时，对于采用的尾柄直径略大于或略小于光纤预制棒芯棒的情形，采用同轴正对的布置可正常适用，对对接质量无明显影响。
本实施例中，光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备还包括驱动器，驱动器传动连接第一夹持结构和/或第二夹持结构，以提供动力。驱动器可以是常见的电机、气缸等动力提供件，例如为提供直线位移驱动，可以采用直线电机或直线气缸。当然，也可采用旋转电机和丝杆螺母结构的组合来提供直线运动。即，驱动器只需最终能够提供直线运动即可。
为实现上述步骤，对接设备还可设置控制器，控制器电连接所述驱动器，并能够控制所述驱动器驱动第一夹持结构和第二夹持结构带动所述光纤预制棒芯棒和所述尾柄执行前述光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法中的所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤。
本实施例中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备可以为自动数控对接车床。
本申请的实施例还提供一种光纤种棒，包括光纤预制棒芯棒和连接于所述光纤预制棒芯棒端部的尾柄，所述芯棒和所述尾柄之间采用前述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法实现对接，使对接后的所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到对接前的初始水平。
本申请提供的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法和设备能够方便地实现对接操作，且对接操作对芯棒内光学芯层影响小，能够避免现有对接方法造成的光学芯层形变较大的问题。
附图说明
图1为本申请实施例一中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法的流程图；
图2为本申请实施例一中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备对接尾柄和芯棒的示意图；
图3为本申请实施例一中的光纤种棒的结构视图；
图4为图3的光纤种棒的部分详细视图；
图5为对比例一中的光纤种棒的部分详细视图；
图6为本申请实施例二中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备的示意图；
图7为本申请实施例二中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法的流程图；
图8为本申请实施例二中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法中对接过程的部分状态图；
图9为光纤预制棒的制作视图。
主要元件符号说明：
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在已知技术中，单模光纤预制棒的制造性价比最高的方法是全合成法工艺，其中外包层通常采用外部化学气相沉积法(OVD)制作。
OVD外包沉积前，需将种棒夹持到沉积设备的两侧卡盘上，种棒以一定速度旋转。沉积开始后，沉积喷灯中氢氧焰与SiCl4原料反应生成SiO2，在种棒表面沉积所需的外包层粉末。种棒由芯棒和两端的石英尾柄在玻璃车床的氢氧焰高温下对接组成，用尾柄替代昂贵的芯棒用于夹持，尾柄在沉积、烧结后变为无效部分，切除后可重复利用，这样可以降低生产成本。目前常规的芯棒与尾柄的对接为人工辅助对接，一般在火焰灼烧下根据经验判断芯棒和尾柄的软化程度，再将夹持尾柄的卡盘座往芯棒侧移动一定的距离，使尾柄与芯棒挤压对接。对接后，接口处玻璃凸起由扁平石墨辊在玻璃软化状态下将接口抹平，防止在后续OVD外包沉积时接口凸起处沉积的粉末密度不均，发生剥落和开裂。但是，人工辅助对接芯棒和尾柄时，尾柄与芯棒的对接挤压程度通常由经验判断，挤压过量会造成对接口附近芯棒的光学芯层出现形变，石墨辊抹平接口时并不能恢复光学芯层的形变；挤压不足又会造成接口不牢靠，在后续OVD外包沉积时发生接口断裂。并且，石墨辊抹平的接口总是难以完全平滑，OVD外包沉积在接口附近的粉末容易发生剥落和开裂。
模场直径是单模光纤最重要的光学参数之一，其定义为光场强度降低到轴心处最大光强的1/e2时的宽度，它反映的是光场在空间的分布情况。将光场简化为高斯分布时，模场直径可以用式和式/>进行计算。其中，2w为模场直径，2a为纤芯直径，V为光纤归一化频率，λ为光源波长，n1为纤芯折射率，△为芯包相对折射率差。在一定的拉丝条件下，n1和△相对稳定，因此综合可得，在固定波长的光源条件下，模场直径与光纤芯径有直接正相关性。因此，目前人工辅助对接芯棒和尾柄的种棒经过OVD外包沉积后制得的光棒在拉丝时容易出现模场直径参数波动和报废，造成拉丝成本上升。
下面提出本申请的一些实施例，能够改善上述问题。
实施例一
请参见图1，本实施例提供一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法(下文可简称为对接方法)，其包括：
S1：加热软化步骤：加热所述光纤预制棒芯棒(下文可简称为芯棒)与所述尾柄的对接端至软化；
S2：挤压步骤：驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动，以使两者的对接端相互挤压至两者对接处径向扩大形成凸环的状态；
S3：拉伸步骤：在所述挤压步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相互远离至使两者对接处被拉伸成直径小于各自初始直径的状态；
S4：恢复步骤：在所述拉伸步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒43与所述尾柄相向运动至使所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到初始水平。
本实施例中，通过加热软化、挤压、拉伸和恢复的操作步骤，能够较大限度避免对接对芯棒内光学芯层形状的影响。
请配合参见图2，本实施例还提供一种对应的光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备10(下文可简称为对接设备10)，其包括第一夹持结构13和第二夹持结构16，用于分别夹持所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46，并能够受驱带动所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46执行如实施例一中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法中的所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤。
本实施例中的对接设备10还可包括一加热设备19，用于执行所述加热软化步骤。加热设备19可采用喷灯20，喷灯20喷出氢气和氧气点燃后燃烧提供加热所需的热量。喷灯20可采用天然气替代氢气，且采用天然气作为燃料的喷灯20对对接处附近光棒拉丝的水峰性能有一定改善。加热设备19也可采用通过红外加热等无火焰的加热设备19。当然，加热软化步骤也可由对接设备10之外的附加加热设备19提供。
通过上述对接设备10，能够实现上述对接方法，实现光纤预制棒芯棒43与尾柄46的可靠对接。
请配合参见图3和图4，本实施例还提供一种光纤光纤种棒42，包括光纤预制棒芯棒43和连接于所述光纤预制棒芯棒43端部的尾柄46，所述芯棒43和所述尾柄46之间采用前述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法实现对接，使对接后的所述光纤预制棒芯棒43及其光学芯层44在对接处48的直径恢复到对接前的初始水平。
对比例一
请参见图5，该对比例中，采用对芯棒43和尾柄46对接端加热软化和挤压对接、然后对因挤压而凸起的对接处进行机械磨平操作的方式实现对接。需要说明的是，图示的对接处芯棒43和尾柄46的外周因被磨平而不再有凸起部分。
该对接方式对芯棒43内的光学芯层44的形状造成了显著的不利影响，参见图4，芯棒43内光学芯层44靠近尾柄46一端出现了直径明显扩大的形变部分45。该形变部分45将影响光学芯层44的使用性能。而采用本方案得到的结构(见图4)并不存在该问题。
实施例二
配合参见图6，本实施例提供一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接设备10(下文可简称为对接设备10)，其为在实施例一中的对接设备10的进一步设计而得。
本实施例中的对接设备10包括工作台11、夹持组件12、加热设备19、测量设备23和总控制器27。
其中，夹持组件12包括第一夹持结构13和第二夹持结构16，用于分别夹持所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46，并能够受驱带动所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46执行如实施例一中的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法中的所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤。
不失一般性，所述光纤预制棒芯棒43夹持于第一夹持结构13，尾柄46夹持于第二夹持结构16。在夹持状态下，可使所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46同轴正对，以提高后续对接的对中度，确保对接后结构的同轴度；同时，对于采用的尾柄46直径略大于或略小于光纤预制棒芯棒43的情形，采用同轴正对的布置可正常适用，对对接质量无明显影响。
其中，第一夹持结构13和第二夹持结构16可分别设置在工作台11上。第一夹持结构13包括用于安装在工作台11上的第一卡盘座14和设置在第一卡盘座14上的第一卡盘15，第一卡盘15具有水平方向的夹持口，用于夹持芯棒43。第二夹持结构16包括用于安装在工作台11上的第二卡盘座17和设置在第二卡盘座17上的第二卡盘18，第二卡盘18具有水平方向的夹持口，用于夹持尾柄46。在装夹状态下，尾柄46和芯棒43同轴相对，且两者的对接端相互靠近。
为实现第一夹持结构13和第二夹持结构16之间的相对运动，本实施例中选择设定第一夹持结构13位置固定地安装在工作台11上，设置第二夹持结构16可活动地安装在工作台11上，并能够受驱相对靠近或远离第一夹持结构13。当然，第一夹持结构13在工作台11上的固定位置最好设置为可调整。
本实施例中的对接设备10的加热设备19用于提供对接构成中所需的热量。加热设备19可采用喷灯20，喷灯20由一气体供应柜22供应氢气和氧气。喷灯20喷出氢气和氧气点燃后燃烧提供加热所需的热量。喷灯20安装在一可移动设置在工作台11上的喷灯台21上，以实现位移。加热设备19也可采用通过红外加热等无火焰的加热设备。
当然，加热软化步骤也可由对接设备10之外的附加加热设备提供。
本实施例中的测量设备23用于测量芯棒43和尾柄46对接处的直径。该测量设备23包括测径仪24和测径仪座25。测径仪24安装在测径仪座25上，测径仪座25可活动地设置在工作台11上并能够受驱移动以使测径仪24始终对应于尾柄46和芯棒43的对接处，方便其监控对接处的直径和圆跳动。
本实施例中，第二夹持结构16的移动、喷灯20座的移动、测量设备23的移动均可采用同一个或多个驱动器26提供动力。驱动器26可以是常见的电机、气缸等动力提供件，例如为提供直线位移驱动，可以采用直线电机或直线气缸。当然，也可采用旋转电机和丝杆螺母结构的组合来提供直线运动。在一些实施例中，驱动器26还可采用传动带/传动皮带等结构实现。图示驱动装置直接耦合于工作台11上。本实施例中，驱动器26只需最终能够提供直线运动即可。
本实施例还提供一总控制器27，前述第二夹持结构16的运动、加热设备19的移动、测量设备23的移动均可由该总控制器27控制。具体地，可将各驱动器26电性连接于该总控制器27，通过总控制器27向对应驱动器26发送指令，以控制各部件的移动速度、移动距离等参数。
加热设备19的气体供应也可由总控制器27控制。具体可通过将气体供应柜22电性连接于总控制器27，总控制器27控制气体供应柜22的气体供应速度等参数。
本实施例中，测量设备23也可电性连接至总控制器27，从而使其测得的直径、圆跳动等数据也可传送至总控制器27供总控制器27分析处理。
本实施例中的总控制器27可采用一数控电柜，其可设置为包括用于显示各受控部件状态的显示屏28，便于使用者对各部件状态的监视。总控制器27还可设置输入模块29，用于使用者输入设定参数，如输入各部件所需的速度和位移、气体供应速度等。输入模块29可采用触摸屏输入或按键输入等。总控制器27可以根据使用者输入的参数对各部件进行控制。
本实施例中的对接设备10可以为一具有上述功能和结构的自动数控对接车床。
请配合参见图7，本实施例提供一种更为具体的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其可采用本实施例提出的对接设备10实施。该对接方法包括下述步骤：
S10：尾柄46选择步骤，其包括：
S11：尾柄46材料选择。尾柄46可选用石英等材料制成。用成本较低的石英材料制作的尾柄46替代昂贵的芯棒43用作后续加工过程中的夹持端，能够降低材料成本，避免直接夹持芯棒43对芯棒43部分破坏产生的芯棒43浪费，提高芯棒43利用率。尾柄46在后续工序(如沉积、烧结步骤)后变为无效部分，切除后可重复利用，进一步降低成本。
S12：尾柄46尺寸选择。通常，可选取与所需对接的芯棒43直径相当的尾柄46。例如，可控制两者的直径差不超过芯棒43直径的1/10，即，所选尾柄46的直径d1和所述光纤预制棒芯棒43的直径d的大小关系满足公式d1＝(1±1/10)×d。该设置具有防止过大的直径差造成对接时两侧的软化程度不同、影响对接的效果。直径差可通过事先的直径测量确定。尾柄46的长度只需适配其夹持结构即可。
S20：装棒步骤，其包括：
S21：清洁。将芯棒43和所选的尾柄46的表面用酒精(纯度≥99％)浸湿的无尘纸擦拭干净，尤其注意确保两者的对接端面擦拭干净，以防止对接端面的杂质影响两者粘接，进而影响对接效果。
S22：装夹。配合参见图6，将需要对接的芯棒43和尾柄46分别夹持在第一卡盘15和第二卡盘18。为了减少夹持对芯棒43和尾柄46表面的磕损，可以用铝皮等包覆材料(图中未示出)在受夹持部位进行包裹。本实施例图6和图7示出的情形中，芯棒43装夹于位于左侧的第一卡盘15，尾柄46装夹于位于右侧的第二卡盘18。
S23：跳动控制和调节。配合参见图6金额图7，开启第一卡盘15和第二卡盘18旋转，转速为20～50rpm，测径仪24在线测量芯棒43和尾柄46的中心位置，计算出旋转跳动值。由于此跳动会影响对接效果，因此，在跳动值过大时需要调整夹持来减小跳动值。一般可以用橡胶锤轻轻敲击跳动部位至跳动值符合要求为止；或重新夹持以减小跳动，尽量提高保持芯棒43和尾柄46的同轴度。
S24：芯棒43和尾柄46间距调节。调整第一卡盘座14在工作台11上的固定位置，以调整第一卡盘15和第二卡盘18之间的间距，使芯棒43和尾柄46的堆积端面相距1-5mm。
S30：对接步骤，其包括：
S31：对接前准备。配合参见图8的第一状态，移动喷灯台21的位置，使喷灯20的中心正对芯棒43和尾柄46的缝隙中心；再次移动喷灯台21的位置，使喷灯20的中心偏向尾柄46侧1-3mm。这是因为芯棒43中通常掺杂了锗、氟等元素，导致其熔点低于高纯石英材质的尾柄46。喷灯20中心偏向尾柄46侧可以将灼烧时尽量将芯棒43和尾柄46的软化和变形程度接近，有利于对接的进行。移动测径仪座25，用测径仪24测量芯棒43和尾柄46的对接端面附近50mm内的直径，芯棒43的直径均值为d。
S32：对接操作。配合参见图7和图6，对接操作可采用内置于对接设备10的总控制器27内的对接程序自动控制运行。其包括：
S321：加热软化步骤。加热所述光纤预制棒芯棒43(下文可简称为芯棒43)与所述尾柄46的对接端49至软化。具体地，参见图6的第一状态，气体供应柜22向喷灯20通入氢气(200～300L/min)和氧气(110～180L/min)并点火，灼烧芯棒43和尾柄46的对接端，由测径仪24测量芯棒43和尾柄46的直径至自动计算灼烧至软化所需时间，或至对接端面软化至出现轻微圆弧50的状态。数据表明，灼烧至该出现轻微圆弧的状态有利于对接端面内气泡的排出。该处所说的轻微圆弧指，端面凸出较小的弧形结构。
S322：挤压步骤。参见图8的第二状态，驱使所述光纤预制棒芯棒43与所述尾柄46相向运动，以使两者的对接端相互挤压至两者对接处径向扩大形成凸环47的状态；具体地，在加热软化步骤后进行挤压步骤。夹持芯棒43的第一卡盘座148位置保持固定，夹持尾柄46的第一卡盘座14往左侧移动，使芯棒43与尾柄46挤压对接。同时，测径仪24在线测量对接面处直径，一般即为凸环47最大直径D处。当直径达到设定值时，第二卡盘座17和喷灯台21同时停止。该过程中，第二卡盘座17移动距离为L1，移动速度为V1；喷灯台21移动距离为L1/2，移动速度为V1/2。其中V1可取值10-40mm/min。
S323：拉伸步骤：在所述挤压步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒43与所述尾柄46相互远离至使两者对接处被拉伸成直径小于各自初始直径的状态。具体地，配合图8的第三状态，第二卡盘座17以速度V1往右侧移动，移动距离为L2＝2L1，同时喷灯台21以速度V1/2往右侧移动，移动距离L2/2，即L1。此拉伸步骤能够将对接口拉细充分加热，增强对接口粘合力，提升对接后强度。
S324：恢复步骤：在所述拉伸步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒43与所述尾柄46相向运动至使所述光纤预制棒芯棒43在对接处的直径恢复到初始水平。具体地，参见图8的第四状态，第二卡盘座17以速度V1往左侧移动，同时喷灯台21以速度V1/2往左侧移动。测径仪24移动至对接口左侧5mm处在线测量芯棒43直径，当对接口左侧芯棒43外径达到d时，第二卡盘座17和喷灯台21同时停止，完成对接。右卡盘座移动距离为L3，喷灯台21移动距离为L3/2，一般L3＝(0.9～1.1)×L1。此步骤的作用是将对接后的芯棒43和尾柄46的外径挤压恢复到对接之前的状态。同时，采用该对接步骤的对接方式下，在芯棒43和尾柄46的外径挤压恢复到对接之前的状态时，其内部的光学芯层44的直径也恢复至初始水平，而不会出现明显的形变。该处所说的恢复到初始水平，指直径大致还原，允许有较小的偏差，如直径偏差小于5％。
需要说明的是，上述第二卡盘座17、喷灯台21的移动速度还可根据需要设置为不相同。
S33：对接后处理。其包括：
S331：抛光。对接步骤完成后，可进行抛光操作，去除对接过程产生的SiO2白灰，防止其在后续OVD外包沉积和烧结的高温条件下会变为SiO2结晶杂质，导致拉丝裸光纤外径波动超标。所谓抛光，即用一定流量和移速的火焰将对对接处两侧的白灰灼烧干净。抛光过程的工艺参数与对接过程不同，主要是喷灯20的气体流量和移动速度不同。本实施例中，效果较好的抛光步骤工艺参数是气体流量为对接时的50～80％，喷灯20的移速为对接时的2～4倍。气体流量方面，若流量过小，白灰无法被灼烧去除；若流量过大，原白灰会被灼烧去除，但新的白灰会随着火焰的移动在棒表面再次产生，不能达到去除白灰的目的。移动速度方面，若移速过快，白灰无法被灼烧去除；若移速过慢，易出现棒内应力发生变化，导致开裂。
S332：退火。对接步骤或抛光后若直接关火，结构进入自然降温阶段，其表层和内层的温度差会产生结构差异和永久应力，带有应力的接口在外包沉积棒的剪切力下容易发生断裂，造成损失。因此，本申请在抛光后设置退火步骤，通过逐步降低对接处火焰的气体流量，减小降温阶段玻璃表层和内层的温度差，减少应力。本实施例的退火步骤是先用中火流量气体(对接流量的30～50％)使对接处结构处于1500～1600℃，持续退火3～10min；再用小火流量气体(对接流量的10～30％)使对接处结构处于1200～1300℃，持续退火3～10min；最后关火，完成全部对接流程。
本实施例中，可选地，在所述加热软化步骤和/或所述挤压步骤和/或所述拉伸步骤和/或所述恢复步骤中，使所述光纤预制棒芯棒43和/或所述尾柄46绕自轴周转。可选地，所述光纤预制棒芯棒43和所述尾柄46均绕自轴周转，且两者的转动方向和转速相同。通过绕自轴周转，能够更好地确保结构的周向受热均匀性，避免周向受热不均对结构和形状的影响。
本实施例中，可选地，在所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤中，保持对所述光纤预制棒芯棒43与所述尾柄46的对接处加热。对接处可认为包括对接端附近的区域。
当然，在一些情形下，也可在加热软件步骤中将芯棒43和尾柄46加热到较高的温度，然后较快地实施后续的挤压步骤、拉伸步骤和恢复步骤，而不维持加热。
需要说明的是，上述各步骤除非明确表示，其行文的先后顺序或步骤标号顺序并不暗示各步骤的先后关系。
本实施例中，控制所述挤压步骤的挤压程度在1.10-1.35之间，优选地，挤压程度在1.20-1.25之间。其中，所述挤压程度由所述挤压步骤中形成的所述凸环47的最大直径D和所述光纤预制棒芯棒43的初始直径d之间的比值D/d表征。
对于本方案的对接方法，前述实施例一和实施例二中挤压步骤挤压得到的凸环47的最大外径D是一重要的工艺参数。下面对该参数进行专项分析。
发明人研究发现，挤压步骤中不同的最大外径D对对接效果影响显著，是该工艺的一重要工艺参数。该尺寸一定程度其决定了卡盘和喷灯台21的后续移动距离。尽管挤压后有拉伸和恢复步骤，但芯棒43直径也难以100％恢复对接前的状态，总会存在少许形变，通常越靠近接口形变量越大。芯棒43和尾柄46的对接挤压量越大，芯棒43直径和接口直径波动越难以恢复，但是减少对接挤压量又会使得对接后芯棒43和尾柄46之间的粘合力不足，在OVD外包沉积时无法承受预制棒纵向剪切力而增加断裂概率，造成损失。
研究中，安排对接8组(每组10根，共计80根)相同尺寸的芯棒43(直径长度1800mm)，控制每组的挤压程度D/d为1.05～1.40，在同一台OVD外包沉积设备沉积外包棒，沉积保持相同的设备条件和工艺参数，再在后续工序和拉丝时保持相同的设备和工艺参数。最后，通过记录这80根棒后续外包沉积时接口发生粉末剥落和断裂的数量，并测试其成品棒所拉制光纤起始50km内模场直径的标准偏差(50km光纤等分5段，分别测量，进行计算)和超标长度来表征优劣程度。表1是挤压时不同接口外径D下对接效果的比较，随着D/d的增大，对接后接口断裂情况逐步改善，当D/d达到1.20时，接口不再断裂；但是与此同时，所拉制光纤模场直径的标准偏差逐渐增大，说明芯层形变量受到挤压程度的影响变得明显。当D/d达到1.25时，模场直径的波动开始产生超标，并且挤压程度越大，超标长度越长。当D/d达到1.30并继续增大时，挤压程度过大导致后续沉积时接口粉末出现剥落。可以看出，挤压程度D/d为1.20时，芯棒43和尾柄46对接后接口状况较好，沉积粉末不剥落，接口不断裂，且所制光纤模场直径波动较小，不产生超标。由此可以确定挤压时的接口外径D，进而确定卡盘座的挤进距离L1。研究结果参见下表1：
表1对接挤压程度对光纤模场直径和接口断裂率的影响
综合以上描述，本申请实施例提供的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法和对接设备通过加热软化、挤压、拉伸和恢复的操作步骤，能够较大限度降低对接对芯棒43的内光学芯层44形状的影响的有益效果。
对比例二
安排有经验的技师进行人工辅助对接50根芯棒43，再采用本申请实施例的方法对接50根芯棒43(挤压程度D/d控制为1.20)，这100根芯棒43的尺寸(直径长度1800mm)相同，然后在同一台OVD外包沉积设备沉积外包棒，沉积保持相同的设备条件和工艺参数，再在后续工序和拉丝时保持相同的设备和工艺参数。最后，通过记录这100根棒后续外包沉积时接口发生粉末剥落和断裂的数量，并测试其成品棒所拉制光纤起始50km内模场直径的标准偏差(50km光纤等分5段，分别测量，进行计算)和超标长度来表征优劣程度。
表2是本发明与人工辅助对接的效果比较，可以看出采用本申请实施例的对接方法，通过控制挤压程度，并将对接后对接口形变进行恢复，使接口更为牢靠且外观更为平整，对接后OVD外包沉积时接口断裂几率降低，接口附近沉积粉末剥落和开裂几率降低；并且减少了对接后芯层形变量，使后续沉积预制棒拉制光纤的模场直径波动和报废更低。
表2本实施例与人工辅助对接的效果比较
分析其原因，通过人工辅助对接芯棒43和尾柄46时，尾柄46与芯棒43的对接挤压程度通常由经验判断，若挤压过量会造成对接口附近芯棒43的光学芯层44出现形变，后续OVD外包沉积后制得的光棒在拉丝时容易出现模场直径参数波动和报废，造成拉丝成本上升。若挤压不足会造成接口不牢靠，在后续OVD外包沉积时容易发生接口断裂，造成报废。并且人工辅助对接时，对接口由石墨辊抹平，总是难以完全平整，在后续OVD外包沉积时接口附近的粉末容易发生剥落和开裂，造成报废。
因此，采用本申请提供的对接方法和对接设备10能够得到质量更高的对接效果。
因此，本申请实施例提出的对接方法和对接设备10至少具有以下有益效果之一：
1.采用自动数控车床和对接工艺进行芯棒43和尾柄46的对接作业时，可通过量化对接过程参数及接口恢复步骤，使对接后芯层形变量降低，所沉积预制棒拉制光纤的模场直径波动和报废降低；
2.采用自动数控车床和对接工艺进行芯棒43和尾柄46的对接作业，通过量化对接过程参数，使接口更为牢靠，对接后OVD外包沉积时接口断裂几率降低；
3.采用自动数控车床和对接工艺进行芯棒43和尾柄46的对接作业，通过量化对接过程参数及接口恢复步骤，使接口外观更为平整，对接后OVD外包沉积时接口附近沉积粉末剥落和开裂几率降低。
实施例三
配合参见图9，对于每一个芯棒43，一般需要在其两端分别执行实施例一或实施例二中的对接方法，从而在芯棒43的两端分别对接一个尾柄46形成一光纤种棒42。
后续OVD外包沉积操作中，可将光纤种棒42以两端的尾柄46分别安装于OVD实施设备30的两个OVD卡盘31中，光纤种棒42以一定速度旋转。沉积开始后，沉积喷灯32中氢氧焰与SiCl4原料反应生成SiO2，在芯棒43表面沉积所需的外包层41粉末，得到所需的光纤预制棒40。
本申请实施例提出的技术可广泛应用于涉及石英玻璃的加工行业。
本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于，包括：
加热软化步骤：加热所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接端至软化；
挤压步骤：驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动，以使两者的对接端相互挤压至两者对接处径向扩大形成凸环的状态；
拉伸步骤：在所述挤压步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相互远离至使两者对接处被拉伸成直径小于各自初始直径的状态；
恢复步骤：在所述拉伸步骤之后，驱使所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄相向运动至使所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到初始水平；
控制所述挤压步骤的挤压程度在1.10-1.35之间；
其中，所述挤压程度由所述挤压步骤中形成的所述凸环的最大直径D和所述光纤预制棒芯棒的初始直径d之间的比值D/d表征；
在使所述尾柄位于和所述光纤预制棒芯棒相距初始距离处后，开始采用一加热设备进行所述加热软化步骤，加热设备的加热范围覆盖所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接端；
在所述挤压步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V1向靠近所述光纤预制棒芯棒方向移动距离L1后停止挤压；用于加热的加热设备同步地以速度V1/2同向移动距离L1/2；
在所述拉伸步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V1向远离所述光纤预制棒芯棒的方向移动距离L2后停止拉伸；用于加热的加热设备同步地以速度V2/2同向移动距离L2/2；其中，L2>L1；
在所述恢复步骤中，保持所述光纤预制棒芯棒位置固定，使所述尾柄以速度V1向靠近所述光纤预制棒芯棒的方向移动距离L3后停止；用于加热的加热设备同步地以速度V3/2同向移动距离L3/2；其中，L3＝(0.9-1.1)×L1。
2.根据权利要求1所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于：
在所述加热软化步骤和/或所述挤压步骤和/或所述拉伸步骤和/或所述恢复步骤中，使所述光纤预制棒芯棒和/或所述尾柄绕自轴周转。
3.根据权利要求1所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于：
在所述加热软化步骤中，对所述光纤预制棒芯棒与尾柄的对接端加热至使两者的对接端面呈轻微圆弧的状态之后，再进行所述挤压步骤。
4.根据权利要求1所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于：
在所述挤压步骤、所述拉伸步骤和所述恢复步骤中，保持对所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接处加热。
5.根据权利要求4所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于：
用于加热所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的加热设备随所述光纤预制棒芯棒与所述尾柄的对接面位置的移动而移动，且加热设备的加热中心偏向所述尾柄一侧设定距离。
6.根据权利要求1所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法，其特征在于：
在所述恢复步骤之后，还包括后处理步骤；
所述后处理步骤包括对对接处进行抛光和/或退火处理。
7.一种光纤种棒，包括光纤预制棒芯棒和连接于所述光纤预制棒芯棒端部的尾柄，其特征在于：
所述芯棒和所述尾柄之间采用权利要求1-6任一项所述的光纤预制棒芯棒与尾柄对接方法实现对接，使对接后的所述光纤预制棒芯棒在对接处的直径恢复到对接前的初始水平。
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