一种高品质套管熔融光纤束制备装置的制作方法

1.本实用新型涉及熔融光纤制备技术领域，具体涉及一种高品质套管熔融光纤束制备装置。


背景技术：

2.光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等，其中不可避免的是在使用时，会产生较高的功率输出，因此对光纤的要求大大提高。
3.而熔融光纤束则是一种能够满足使用要求的结构，熔融光纤束由一束非常细(直径约100～600μm)的石英纤维丝组成，通过与外部套设的玻璃管熔融形成传输端头，然后再在外部使用金属件对玻璃光纤束进行保护，得到成品接头。
4.光纤束的熔融端头质量直接影响着使用质量，现有熔融光纤束制备后的成品具有较多的杂质和气泡，熔融效果较差，并且还需要借助辅助胶水等物质才能够制备完成，这些因素在高能环境中使用时，极易出现光纤损伤，并且熔融光纤束的研究主要以国外特种光纤供应商为主，因此我司提出了一种新的高品质制备解决方案同时提供一种配套的制备装置。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是提供一种高品质套管熔融光纤束制备装置，结构简便，能够高效的辅助生产光纤束，品质优，适合高能环境使用。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高品质套管熔融光纤束制备装置，包括操作平台，所述操作平台上设置有竖向支架，所述竖向支架顶部设置有升降电机和旋转电机，所述竖向支架表面设置有与升降电机连接的升降丝杆组件，所述旋转电机与六角柱一端连接，所述六角柱另一端通过端板与竖向支架连接，所述丝杆升降组件上设置有升降平台，所述升降平台上设置有升降底座，所述升降底座上设置有主动皮带轮和从动皮带轮，所述主动皮带轮与升降底座之间以及从动皮带轮与升降底座之间均设置有轴承，所述主动皮带轮通过内部设置的六角内腔套设在六角柱上，所述主动皮带轮通过传动皮带与从动皮带轮连接，所述从动皮带轮下方还设置有钻头夹，所述从动皮带轮与钻头夹同步转动且贯通设置，所述从动皮带轮一侧的升降底座与竖向支架之间还设置有导向滑轨。
7.进一步地，所述从动皮带轮上方设置有气体旋转接头，所述气体旋转接头与从动皮带轮之间设置有从动管，所述气体旋转接头通过固定架安装在竖向支架上。
8.进一步地，所述气体旋转接头与从动皮带轮上均设置有中空塞头，两个中空塞头配合塞入从动管两端内并固定。
9.进一步地，所述中空塞头包括金属环，所述金属环外周上套设有环形橡胶套，所述
环形橡胶套外表面设置有防滑凸部。
10.进一步地，所述操作平台上设置有熔融支架，所述熔融支架用于固定火焰枪，所述火焰枪与氢氧焰机连接，所述氢氧焰机固定设置在操作平台上。
11.进一步地，所述钻头夹下方的操作平台上设置有接料盒。
12.进一步地，所述接料盒与竖向支架之间还设置有定中板，所述接料盒上设置有第一定中磁铁，所述定中板上设置有第二定中磁铁，所述第一定中磁铁和第二定中磁铁配合定位接料盒的位置。
13.进一步地，所述竖向支架侧边上还通过铰链与挡板连接。
14.本实用新型的有益效果：
15.1、采用竖向布置的方式进行熔融，不会产生因熔融后自重导致的下垂问题，有效提高熔融质量。
16.2、旋转电机固定设置在竖向支架上，从而保证升降底座上承载重量大大降低，从而使得升降移动稳定，也减少磨损，提高使用寿命。
17.3、钻头夹能够快速且可靠的夹持套管，操作便捷，制备成本低，并且置中效果好。
附图说明
18.图1是本实用新型的整体结构示意图；
19.图2是本实用新型的从动管连接处示意图；
20.图3是本实用新型一实施例中熔融支架结构示意图；
21.图4是本实用新型的快速反应盒结构示意图；
22.图5是本实用新型设置弹片的结构示意图；
23.图6是本实用新型光洁度对比实验图；
24.图7是本实用新型火头大小对比实验图；
25.图8是本实用新型收缩前后对比图；
26.图9是本实用新型60根光纤与石英管无气泡熔融图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
28.参照图1和图2所示，本实用新型的高品质套管熔融光纤束制备装置的一实施例，包括操作平台1，操作平台上设置有竖向支架2，竖向支架顶部设置有升降电机3和旋转电机4，竖向支架表面设置有与升降电机连接的升降丝杆组件5，旋转电机与六角柱6一端连接，六角柱另一端通过端板与竖向支架连接，丝杆升降组件上设置有升降平台，升降平台上设置有升降底座7，升降底座上设置有主动皮带轮8和从动皮带轮9，主动皮带轮与升降底座之间以及从动皮带轮与升降底座之间均设置有轴承，主动皮带轮通过内部设置的六角内腔套设在六角柱上，主动皮带轮通过传动皮带与从动皮带轮连接，从动皮带轮下方还设置有钻头夹10，从动皮带轮与钻头夹同步转动且贯通设置，从动皮带轮一侧的升降底座与竖向支架之间还设置有导向滑轨11。
29.在熔融时，先通过升降电机带动升降平台下降，即升降底座下降，下降时，主动皮
带轮和从动皮带轮一并下降，由于六角柱的设置，主动皮带轮下降无阻碍，下降主要为了便于安装，下降到位后将光纤丝穿入套管内，然后将穿入的整体从从动皮带轮中心下放直至穿过钻头夹，然后调节钻头夹将套管夹紧，实现固定，固定后通过升降电机将升降底座抬升，使得熔融部位位于合适位置上，随后采用氢氧焰对该位置进行熔融即可，在熔融的同时，旋转电机动作，旋转电机带动六角柱转动，六角柱则带动主动皮带轮转动，主动皮带轮通过传动皮带带动从动皮带轮转动，从动皮带轮的转动即带动钻头夹转动，从而实现均匀受热的效果。
30.为了提高制备质量，对熔融过程中的套管内进行真空吸附，具体结构为：在从动皮带轮上方设置气体旋转接头12，气体旋转接头与从动皮带轮之间设置有从动管13，气体旋转接头通过固定架安装在竖向支架上，通过从动管罩设在熔融光纤束上进行抽真空，从动管在光纤束转动的同时一并转动，安全可靠，并且从动管还能够对伸出套管的光纤丝进行保护，提高制备后的成品良率。具体的，气体旋转接头与从动皮带轮上均设置有中空塞头14，两个中空塞头配合塞入从动管两端内并固定，中空塞头包括金属环15，金属环保证固定强度，金属环外周上套设有环形橡胶套16，环形橡胶套则保证密封效果的稳定性，环形橡胶套外表面设置有防滑凸部，在密封的同时达到固定牢固的效果，能够同步转动。具体安装时，在钻头夹将套管夹紧后，从动管先套设在光纤丝束上，然后下端部插设在对应的中空塞头上实现初步固定，随后在升降底座上升过程中对准上端部对应的中空塞头，通过升降底座上升时的推力，将从动管插上端部设在对应中空塞头上，随后停止上升，从动管的尺寸根据制备的长度以及熔融位置确定即可。
31.上述的操作平台上设置有熔融支架17，熔融支架用于固定火焰枪，火焰枪与氢氧焰机18连接，氢氧焰机固定设置在操作平台上。竖向支架侧边上还通过铰链与挡板连接，当进行火焰枪熔融时，高温容易出现意外事故的发生，因此通过挡板能够在火焰枪喷射方向上进行阻挡保护，并且铰链能够保证挡板能够移动，在维修维护以及安装套管时不碍事儿。
32.还在上述的钻头夹下方的操作平台上设置接料盒19，用于承接上方熔融过程中掉落的物体，保证整体制备环境的整洁度，方便清理。并且在接料盒与竖向支架之间还设置定中板20，接料盒上设置有第一定中磁铁，定中板上设置有第二定中磁铁，第一定中磁铁和第二定中磁铁相互吸合时，即可定位接料盒的位置，其中第二定中磁铁是固定位置不变的，而第一定中磁铁则能够随接料盒移动，从而当位置出现偏差时，无法吸附，当摆放位置置中时，即可快速的被吸附固定，从而通过接料盒的状态能够快速确定摆放位置的正确性，并且还能够避免意外碰撞而导致接料盒掉落的问题。
33.在一实施例中，参照图3所示，为了更好的辅助制备，还提供了一种便于调节的熔融支架，熔融支架包括开关式磁性底座21，开关式磁性底座上设置有手动两轴移动平台22，手动两轴移动平台上设置有前后微调螺杆23和左右微调螺杆24，手动两轴移动平台顶部还设置有微型升降机25，微型升降机包括平行设置的底板26和顶板27，底板和顶板之间设置有升降导向模块28和升降微调螺杆29，顶板表面设置有夹持底座210，夹持底座上开设有水平夹持通孔211，夹持底座顶部设置有螺旋下压旋钮212，夹持底座通过螺旋下压旋钮将火焰枪本体固定在水平夹持通孔内。使用时，直接将开关式磁性底座放置在平台上，然后打开开关，使得开关式磁性底座牢牢地固定，保证上部结构不会晃动，随后将火焰枪伸入水平夹持通孔内，转动螺旋下压旋钮，使得螺旋下压旋钮转动压紧火焰枪，从而实现固定，操作简
单，随后根据熔融位置，对前后微调螺杆、左右微调螺杆以及升降微调螺杆进行调节，当然也可以点火后或者熔融过程中调节。上述操作在调节时，由于底部吸附稳定，因此安全可靠，不会在熔融过程中意外碰触而倾倒，并且熔融时也不会晃动，提高制备质量。
34.参照图3和图4所示，由于熔融采用人工操作，当由于疏忽或者需要快速的撤离火源时，还设置了快速反应机构，避免操作不当带来损失，在顶板与夹持底座之间还设置快速反应盒213，快速反应盒底部设置有支撑底脚214，快速反应盒内设置有旋转柱215，旋转柱顶部穿过快速反应盒顶部并与夹持底座连接，旋转柱底部穿过快速反应盒底部并与限位底板216连接，旋转柱与快速反应盒内部之间还设置有扭簧，旋转柱表面设置有扭转限位柱217，扭转限位柱对应的快速反应盒表面设置有转动限位槽218，扭转限位柱设置在转动限位槽内限制旋转柱的转动角度，转动限位槽包括依次连接的上限位槽219、斜向滑道220和下滑道221。使用时，扭转限位柱位于上限位槽内，此时扭簧被扭转蓄力，其扭力能够将扭转限位柱限制在上限位槽内，无法旋转，当需要撤离火源时，直接拍击螺旋下压旋钮，螺旋下压旋钮挤压夹持底座下行，即旋转柱下移位置，下移后会带着扭转限位柱也向下移动，脱离上限位槽内，由于没有上限位槽侧壁的限制，扭簧的扭转力得到释放，使得旋转柱转动，带动扭转限位柱旋转移动至斜向滑道、下滑道内后停止移动，即旋转了一定角度，有效的将火源撤离；操作简单，能够快速得到反映，触发位置位于顶部，方便操作，大大缩短撤离时效。
35.参照图5所示，为了避免误触导致撤走火源，在快速反应盒内还设置有弹片222，弹片设置方向与斜向滑道的倾斜方向一致且位于扭转限位柱下方，在被误触下压时，弹片提供了一个下压的反力，误触时下压力不会特别大，因此弹片足够将扭转限位柱保持在上限位槽内而不脱出，因此当误触下压力消失时，扭转限位柱即可被弹片挤压复位至上限位槽内，使用稳定可靠。当下压力持续且下压形成大于上限位槽后，扭转限位柱即脱离出上限位槽并进入斜向滑道内，此时，扭转限位柱被扭簧带动转动，同时弹片还具有弹力，能够将扭转限位柱朝向斜向滑道内推动，形成加强旋转的效果，提高撤离效果。因此上述弹片不仅可以保持扭转限位柱误触滑动，还可以在解锁后辅助移动。
36.因此上述熔融支架的开关式磁性底座具有较强的吸力，固定稳定可靠，与磁铁相比，具有拆卸方便的效果，在移动过程中，不需要用力将磁铁拔出，直接关掉开关即可；通过摆放的形式可以进行粗调整，随后通过三个微调螺杆可以在空间自由调整，调整幅度小，精度高，不存在因手动掰动调节幅度大难以调节的问题；微型升降机结构简单，具有较小的高度，避免整体高度过高而无法满足熔融高度的问题。
37.本实用新型还公开一种高品质套管熔融光纤制备工艺，采用上述的制备装置辅助加工，具体步骤如下：
38.先物料准备；根据内芯数量选择光纤丝根数，然后用酒精灯烧光纤丝一端去涂覆，去涂覆长度可以为6
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7mm,改长度能够满足烧熔尺寸，也能够便于浸泡,将烧完后的光纤丝放入盛有硫酸的烧杯中浸泡去杂质,用清水冲洗硫酸泡过的光纤，并用气枪吹干，最后用洁净纸沾酒精擦试，备用；随后将石英管放入盛有酒精的超声机中清洗，然后用气枪吹干，备用；
39.随后进行穿管，将备用的光纤丝的去涂覆端部穿入备用的石英管中；先将光纤丝的去涂覆端部抵在平面板上进行端部找平，然后用细线对光纤丝进行捆绑，保证捆绑密实，然后将去涂覆端部穿入石英管内并从另一端穿出，穿出后将细线拆除；
40.进行熔融准备；将穿管后的石英管固定在制备装置的钻头夹上，然后启动旋转电机，钻头夹匀速转动，具体使用步骤参照制备装置内的描述进行。接着打开氢氧机，使用点火器对火焰枪点火待用；
41.准备结束后进行熔融工序；将火焰枪的火焰直或倾斜对准套管下端，并保持适当距离，首先用外焰进行均匀预热，即来回匀速烧石英管表面，使水蒸气迅速排出，在预热的同时，需要进行抽真空，排出的水蒸气不会聚集在套管内，能够快速的被抽走，预热结束后继续用外焰对露出石英管外的光纤丝进行烧熔，待光纤丝融为一体后，再集中对光纤丝与石英管交接处进行烧熔，此时火焰由外焰逐渐转为内焰烧熔，当火焰出现赤白色时，证明石英管与光纤丝已经完全烧熔；为了避免快速降温导致光纤受损，因此进行退火工序，通过对火焰枪火焰的控制进行保温，且保证慢慢降低至室温，结束后移开火焰，停止烧熔，得到半成品。
42.将半成品的端头截断，然后对截断端头研磨、抛光后得到成品。
43.具体的，还通过有效的实验对比深入理解上述工艺方案：
44.实验一
45.将14根已经去涂覆端的光纤穿入石英管中，石英管选用低熔点石英管(熔点在1500℃左右)，其熔点低于光纤包层的熔点。光纤规格为fip400/440/480，聚酰亚胺涂覆，光纤包层掺氟，芯径纯石英，数值孔径0.22。
46.使用专用的火焰枪点火，形成氢氧焰，进行加热。实验过程中所用氢氧火火焰的出射火头内孔可选直径为φ0.3mm、φ0.6mm、φ0.9mm，加热过程中不断旋转样品，使其均匀受热收缩。石英管后部增加真空吸头，这样在烧熔过程中，由于空气被吸走，管内产生负压，进一步将烧熔过程中产生的气体排出，能够有效避免或减少烧熔过程中气泡的产生。
47.在实验过程中，发现第一个影响因素是光纤洁净度问题。实验前用酒精灯烧去光纤涂覆层，再用洁净纸沾酒精擦拭，但是烧熔过程中有许多气泡产生。考虑光纤烧涂覆的过程中，有部分涂覆层未彻底烧干净，之后用洁净纸沾酒精擦拭也未擦掉，但人眼观测不到，因此在酒精烧涂覆后用硫酸泡。因为光纤涂覆层是一种高分子材料，用浓硫酸浸泡，可以将涂覆层快速氧化分解，最终达到彻底去除涂覆层的目的。参照图6所示，左侧为未使用酸泡制备的效果图，右侧为使用硫酸泡制的制备效果图。因此，之后的光纤经酒精灯烧去涂覆后，用硫酸泡约3min，然后用清水冲洗，再用沾酒精的洁净纸擦拭，最后穿管备用。
48.第二个影响因素是火头大小问题。由于所采用的氢氧机配套有氢氧焰量不同的大小火头。实验中我们对大小火头的烧熔情况做了对比实验。首先用小火头进行烧熔，如图7左侧试图所示，气泡很多，因为小火头火焰比较聚集，温度高，再烧蚀过程中，温度很难控制，因此温度过高导致光纤包层被烧爆了，而且外石英管已经烧熔，因此气泡无法排出，导致气泡迅速聚集。之后用大火头进行烧熔，大火头火焰比较分散，温度相对较低，比较好控制，温度介于光纤包层熔点之下和石英熔点之上为最佳，如图7右侧试图所示，大火头烧熔过程中气泡明显减少。
49.第三个因素是内外火焰问题。我们进行烧熔实验时发现，火焰的内外焰对烧熔过程中也有很大的影响。内焰烧熔过程中，冲击力比较大，导致石英管的热应力等发生变化，热缩不均匀，因此会有较多的气泡被熔缩在管与光纤之间，并且还存在弯曲等问题。当用外焰进行烧熔时，火焰冲击力比较小，对石英管的热应力等几乎无影响，因此选用外焰进行烧
熔，气泡减少。
50.第四个因素是烧熔的顺序。在选取上述四个因素的最佳参数后，对石英管和光纤进行烧熔。实验中发现，用氢氧焰直接烧光纤和保护管的接触处时，会有气泡产生，因为石英管未经预热，氢氧焰产生水蒸气，在熔融过程中被封在管中。而在烧熔前对保护管进行预热，且先熔管外露出的光纤，再熔保护管与光纤接触处，可明显看见，光纤与保护管可实现几乎无气泡熔融，如下图所示。这是因为石英管经过预热后，水蒸气被排出，而且先将露出的光纤熔合，再熔光纤与保护管接触处，可以使熔融过程中产生的气体均匀沿着管的内壁向上排出，达到无气泡效果。
51.我们可以得出影响烧熔的因素主要有四个，对这个四个因素进行大量实验后总结出烧熔工艺，即选用低熔点石英管，实验前用装有酒精的超声机清洗约1min；裸纤用酒精灯去涂覆后，用硫酸泡约3min，之后用沾有酒精的洁净纸擦拭；且选用大火头外焰先均匀预热，之后烧熔露出石英管外的光纤，最后集中烧管与纤的结合处，并且此时火焰由外焰逐渐缓慢向内焰移动，出现赤白光停止烧熔，制备后的成品包裹紧密，参照图8所示。采用此工艺，我们成功烧制出了无气泡完全熔融的光纤束，光纤数量60根，如图9所示，可以看出，光纤已经完全熔缩在一起了。单根光纤端面变形，有效传输面积变小，传输功率密度增加，熔缩后光纤束输出功率密度与原光纤束输出功率密度之比约为1.2～1.3倍，而功率密度等于功率除以有效面积，因此可用光纤芯径来表征功率密度，即光纤芯径缩小为原来芯径的根号下1.2～1.3倍即可满足指标要求。原光纤芯径为192um，计算可知，熔缩后芯径在168um～175um即为合格。利用显微镜随机选三根光纤进行芯径测量，数值分别为170um、170um、174um，证明熔合的光纤束完全符合指标要求。
52.以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。