专利名称：一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法
技术领域：
本发明一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法涉及的是一种大尺寸光纤预制棒制造过程中的移动式在线退火装置及其方法，用来消除光纤预制棒外包层沉积过程中，由于喷灯火焰灼烧产生的应力，从而改善预制棒质量，并提高生产效率。
背景技术：
为降低光纤生产成本，同时提高沉积效率，大尺寸光纤预制棒成为预制棒技术发展的主要方向。生产石英光纤预制棒芯棒的方法主要有以下四种
微波等离子体激活化学气相沉积法(PCVD- Plasma activated Chemical VapourDeposition )，改进的化学气相沉积法(MCVD-Modif ied Chemical Vapour Deposition),棒外化学气相沉积法(OVD-Outside Chemical Vapour Deposition),轴向气相沉积法(VAD-Vapour phase Axial Deposition)
外包层的制作方法则主要集中在RIT/RIC法(套管法)、Soot法(外部气相沉积法)和外部等离子喷涂法等制造技术，这也是目前大尺寸光纤预制棒的主要生产技术。RIT/RIC法是将芯棒插入套管中直接拉制光纤，或者融缩成实心预制棒后拉丝；Scx)t法和外部等离子喷涂法则直接制得实心预制棒。一般将光纤预制棒直径在IOOmm以上的称之为大直径光纤预制棒或者大尺寸光纤预制棒。外部气相沉积法(OVD)制作大直径预制棒有以下2个难点
1、沉积喷灯通过左右移动将SiO2粉末沉积到芯棒上，沉积喷灯移动到粉末棒两端时会对把棒产生灼烧使把棒产生应力，强度降低，随着粉末棒直径的增大，粉末预制棒重量增力口，把棒受到的剪切力增大，因此沉积过程中把棒断裂几率较高，会对合格率造成一定的影响；
2、沉积喷灯通过左右往返移动完成芯棒表面SiO2粉末的附着，该移动方式下，左右锥部与平行部的灼烧时间会有所相同，容易导致左右锥部的密度与平行部不均匀，沉积过程中密度的偏差会产生裂纹，裂纹扩散造成整根粉末棒的开裂报废。中国发明专利CN1606534A提供了一种OVD (外部气相沉积)法，通过在旋转芯棒的表面上沉积火焰水解物颗粒来制备光纤预制棒，该颗粒由喷灯喷射的燃气反应生成。在沉积所述火焰水解物颗粒时，通过使所述的预制棒表面上一个点的轨迹速度保持恒定或逐渐减小。该方法控制沉积在预制棒上的火焰水解物颗粒的沉积浓度，使浓度保持恒定而不随预制棒的半径而变化，或者控制沉积浓度向预制棒的外围方向逐渐增加。该方法可以制得大尺寸光纤预制棒，但随着粉末棒直径的增加，沉积重量的增大，把棒剪切力的增大会使断棒的几率增加；同时，随着粉末棒外径的增加，在保持卡盘转速一定的情况下，粉末棒外表面的线速度会逐渐提高，火焰对粉末的喷烧时间相对会减小，从而导致粉末的密度降低，沉积过程中开裂的可能性也会增加。 中国发明专利03800876. 9描述了一种用于制造光纤预制棒的外部气相沉积(OVD)装置，包括芯棒和燃烧器，所述的芯棒具有指定的长度并被驱动旋转；所述的燃烧器向芯棒表面发射燃烧气体和反应气体，使制造Si02颗粒的燃烧气体燃烧，从而使二氧化硅颗粒沉积在芯棒的表面上。该装置的沉积效率和速率较其它工艺有所提高，但是由于锥部应力无法有效去除，且锥部致密性差，把棒断裂和开裂的问题仍然存在。日本发明专利JP2000-272930A也介绍了 OVD沉积方法与装置。该装置主要是利用相对的、沿轴向移动的喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有尾柄的芯棒上，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止。该装置与方法可以沉积大尺寸的预制棒，且通过增大沉积喷灯H2、O2流量，使锥部粉末的密度趋近于均匀，降低了锥部粉末开裂的几率；但由于H2、O2流量的增加，喷灯火焰在粉末棒锥部、把棒位置灼烧产生冷热不均，更容易产生应力。随着目标外径的增加，沉积重量的增大，粉末棒发生断棒的概率会有所提升。 现有的大尺寸光纤预制棒OVD制造技术中，由于装置及工艺方面的原因，锥部设计存在缺陷，断棒和开裂的概率较高。此外，锥部粉末比较蓬松，粉末棒烧结时锥部容易产生裂纹。且烧结后的锥部由于致密性差，在棒体运输过程中断裂的几率也很高。原材料、气体、电力等为预制棒成本的主要组成部分，如果沉积临近结束发生断棒、开裂问题，直接导致了原材料等的报废，给企业带来损失。因此，发明一种装置，来解决大尺寸预制棒生产过程中的锥部断裂、开裂问题，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法，是在外包粉末棒沉积装置中添加了移动式的在线退火的装置，通过这个装置的添加，能有效地去除沉积过程中锥部把棒由于沉积喷灯灼烧产生的应力。这种装置构造简单，成本较低，安装此装置后，对沉积过程中粉末棒锥部应力的去除能起到很好的效果，大大降低了断棒的概率。本发明的另外一个目的是使粉末棒的锥部密度更加均匀，避免了锥部粉末密度不均而产生的开裂问题。同时，锥部粉末的致密也会对锥部起到更好的保护作用，避免烧结过程中锥部开裂或者搬运过程中锥部断裂等问题的发生。本发明不仅可以确保生产的正常进行，还可以优化工艺，降低断棒、开裂等问题发生的概率，为企业降低损失。一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法是采取以下技术方案实现
OVD装置是利用相对的、沿轴向移动的喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有把棒的芯棒上，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止。OVD装置本身未安装退火装置，因此，粉末棒锥部无法得到有效的退火。一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置安装在外部气相沉积(OVD)设备的左右两卡盘基座一、二上，主要用来对粉末棒的两锥部进行退火。—种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置包括固定底座一、固定底座二、气缸一、气缸二、金属喷灯一、金属喷灯二、气体流量控制器、金属气管和特氟隆管道。
所述的固定底座一、固定底座二分别与卡盘基座一、卡盘基座二配合,金属喷灯一与气缸一连接，以实现喷灯一在气缸一的控制下往复移动，金属喷灯二与气缸二连接，以实现喷灯二在气缸二的控制下往复移动；气缸一、气缸二分别安装在固定底座一、固定底座二上，固定底座一、固定底座二分别与卡盘基座一、卡盘基座二配合，对金属喷灯一、金属喷灯二进行定位；金属喷灯一、金属喷灯二分别通过特氟隆软管与金属气管相连，以实现喷灯的自由移动；气体流量控制器安装在金属管道上，实现金属喷灯气体流量的控制。
所述的气体流量控制器采用市售MFC型气体流量控制器。所述的金属喷灯一、金属喷灯二采用圆形金属喷灯。所述的金属气管用于供应H2、O2给金属喷灯一、金属喷灯二。本发明一种大尺寸光纤预制棒的在线退火方法包括以下工艺步骤 1)在芯棒两端对接把棒和把棒；
2)对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力，同时除去芯棒表面的杂质。抛光流量H2 250L/min,内 O2 :60L/min,夕卜 O2 70L/min ；
3)将对接有把棒的芯棒两端分别安装在沉积设备的卡盘基座一和卡盘基座二上；
4)对沉积石英喷灯点火，并对金属喷灯一、金属喷灯二点火；
5)按“自动运转”按钮，沉积设备卡盘基座一和卡盘基座一以40rpm的转速开始旋转，石英喷灯以200mm/min的移动速度开始在芯棒表面沉积SiO2粉末，石英喷灯流量=SiCl4 25g/min, H2 80L/min, O2 40L/min, Ar 40L/min ；
6)整个沉积过程中，金属喷灯一、金属喷灯二分别通过气缸一、气缸二的控制开始在两限位之间往复移动，移动速度25mm/min ；
7)通过气缸一、气缸二的移动，金属喷灯一、金属喷灯二对粉末棒左、右锥部，即距离尾柄端400 500mm位置进行退火，退火温度为1200°C 1300°C ；
8)通过MFC气体流量控制器，量程为O 50L/min，将金属喷灯一、金属喷灯二的H2、02流量分别控制在H2 20L/min ；02 10L/min ；
9)沉积过程中金属喷灯一、金属喷灯二对粉末棒左、右锥部移动退火，一方面去除两锥部的应力，另一方面使锥部密度更加均匀，降低粉末棒断棒、开裂的几率；
10)石英喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有尾柄的芯棒上，转速40rpm，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止；
11)粉末棒沉积结束后，沉积用石英喷灯自动熄火，金属喷灯一、金属喷灯二继续对粉末棒锥部进行退火约20min ；
12)退火结束后，金属喷灯一、金属喷灯二自动关火，沉积结束；
13)锥部致密性试验，确认是否可以后续烧结；
14)烧结后确认锥部情况，符合要求的预制棒进入后续工序继续流转。
本发明一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法设计合理，本发明是在外包粉末棒沉积装置中添加了移动式的在线退火的装置，通过这个装置的添加，能有效地去除沉积过程中锥部把棒由于沉积喷灯灼烧产生的应力。这种装置构造简单，成本较低，安装此装置后，对沉积过程中粉末棒锥部应力的去除能起到很好的效果，大大降低了断棒的概率。
本发明使粉末棒的锥部密度更加均匀，避免了锥部粉末密度不均而产生的开裂问题。同时，锥部粉末的致密也会对锥部起到更好的保护作用，避免烧结过程中锥部开裂或者搬运过程中锥部断裂等问题的发生。本发明不仅可以确保生产的正常进行，还可以优化工艺，降低断棒、开裂等问题发生的概率，为企业降低损失。
以下将结合附图对本发明作进一步说明
图1是未安装退火装置的OVD法外包层沉积示意图。图2是安装有固定式在线退火装置的OVD法外包层沉积示意图。
图3是本发明的安装有移动式在线退火装置的OVD法外包层沉积示意图。图4是本发明的金属喷灯一与气缸一安装结构示意图。图5是粉末棒主体受力简图。图6是粉末棒部分分解分析受力示意图。图7是粉末棒主体受力详图。
具体实施例方式OVD装置是利用相对的、沿轴向移动的喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有尾柄的芯棒上，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止。OVD装置本身未安装退火装置，因此，粉末棒3锥部无法得到有效的退火。参照附I 6，一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置安装在外部气相沉积(OVD)设备的左右两卡盘基座5、6上，主要用来对粉末棒3的两锥部进行退火。—种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置包括固定底座一 10、固定底座二 13、气缸一 8、气缸二 11、金属喷灯一 9、金属喷灯二 12、气体流量控制器、金属气管和特氟隆管道。所述的固定底座一 10、固定底座二 13分别与卡盘基座一 5、卡盘基座二 6配合,金属喷灯一 9与气缸一 8连接，以实现喷灯一 9在气缸一 8的控制下往复移动,金属喷灯二 12与气缸二 11连接，以实现喷灯二 12在气缸二 11的控制下往复移动；气缸一 8、气缸二 11分别安装在固定底座一 10、固定底座二 13上，固定底座一 10、固定底座二 13分别与卡盘基座一 5、卡盘基座二 6配合(见附图3),对金属喷灯一 9、金属喷灯二 12进行定位；金属喷灯一9、金属喷灯二 12分别通过特氟隆软管与金属气管相连，以实现喷灯的自由移动；气体流量控制器安装在金属管道上，实现金属喷灯气体流量的控制。
所述的气体流量控制器采用市售MFC型气体流量控制器。所述的金属喷灯一 9、金属喷灯二 12采用圆形金属喷灯。所述的金属气管用于供应H2、O2给金属喷灯一 9、金属喷灯二 12。本发明一种大尺寸光纤预制棒的在线退火方法包括以下工艺步骤
1)在芯棒2两端对接把棒I和把棒4；
2)对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力，同时除去芯棒表面的杂质。抛光流量H2 250L/min,内 O2 :60L/min,夕卜 O2 70L/min ；
3)将对接有把棒的芯棒两端安装在沉积设备的卡盘基座一5和卡盘基座二 6上；4)对沉积石英喷灯7点火，并对金属喷灯一8、金属喷灯二 9点火；
5)按“自动运转”按钮，沉积设备卡盘基座一5和卡盘基座二 6以40rpm的转速开始旋转，石英喷灯7以200mm/min的移动速度开始在芯棒2表面沉积SiO2粉末，石英喷灯7流量SiCl4 25g/min, H2 80L/min, O2 40L/min, Ar 40L/min ；
6)整个沉积过程中，金属喷灯一9、金属喷灯二 12分别通过气缸一 8、气缸二 11的控制开始在两限位之间往复移动，移动速度25mm/min ；
7)通过气缸一8、气缸二 11的移动,金属喷灯一 9、金属喷灯二 12对粉末棒左、右锥部，即距离尾柄端400 500mm位置进行退火,退火温度为1200°C 1300°C ；
8)通过MFC气体流量控制器，量程为O 50L/min，将金属喷灯一9、金属喷灯二 12的H2, O2 流量分别控制在H2 20L/min ；02 10L/min ； 9 )沉积过程中金属喷灯一 9、金属喷灯二 12对粉末棒3左、右锥部移动退火,一方面去除两锥部的应力，另一方面使锥部密度更加均匀，降低粉末棒断棒、开裂的几率；
10)石英喷灯7将石英粉末沉积在旋转的接有尾柄的芯棒2上，转速40rpm，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止；
11)粉末棒沉积结束后，沉积用石英喷灯7自动熄火，金属喷灯一 9、金属喷灯二 12继续对粉末棒3锥部进行退火约20min ；
12)退火结束后，金属喷灯一 9、金属喷灯二 12自动关火，沉积结束；
13)锥部致密性试验，确认是否可以后续烧结；
14)烧结后确认锥部情况，符合要求的预制棒进入后续工序继续流转。实施例1
采用VAD工艺制备芯棒，将芯棒延伸后，测试其折射率剖面，由测试结果计算外包层所而里。测试完成的芯棒在两端对接把棒，对接把棒后对芯棒进行抛光，去除由于对接产生的应力。抛光完成的带有把棒的芯棒称为枝棒，根据测试结果选择合适的目标重量，采用OVD法在芯棒上沉积外包层,最后制得目标外径为150mm的粉末棒。沉积设备不安装在线退火装置，沉积结束后，对粉末棒的锥部附着力进行试验，检验锥部粉末剥落所需力。观察烧结试验后预制棒锥部情况，是否存在开裂、剥落等异常。沉积正常结束，锥部粉末无剥落，烧结后锥部正常的预制棒判定为合格，进行后续工序。实施例2
沉积设备安装固定式的在线退火装置，其它采用与实施例1相同的工艺过程。沉积结束后，对粉末棒的锥部附着力进行试验，检验锥部粉末剥落所需力。观察烧结试验后预制棒锥部情况，是否存在开裂、剥落等异常。沉积正常结束，锥部粉末无剥落，烧结后锥部正常的预制棒判定为合格，进行后续工序。实施例3
沉积设备安装本发明移动式的在线退火装置，其它采用与实施例1相同的工艺过程。沉积结束后，对粉末棒的锥部附着力进行试验，检验锥部粉末剥落所需力。
观察烧结试验后预制棒锥部情况，是否存在开裂、剥落等异常。沉积正常结束，锥部粉末无剥落，烧结后锥部正常的预制棒判定为合格，进行后续工序。下面结合图示详细描述本发明的主要工艺过程。1、在线退火装置的构成 O控制退火装置移动的气缸；
2)圆形金属喷灯直径约15mm,由10个出气孔组成，内层H2,外层02。3) MFC控制气体流量，量程0 50L/min。4)连接软管
通过软管与金属管道连接，保证气体的供应。5)使用气体H2、O2;
2、在线退火方法
1)H2、02 流量配比H2 20L/min ；02 10L/min ；
2)在线退火装置位置
高度高于卡盘中轴线约60mm ；
角度距离棒体竖直水平线的垂直距离约150mm ；
火焰灼烧位置粉末棒锥部位置；
气缸移动范围距离尾柄端400 500mm。3、粉末棒受力分析
整体受力分析，粉末棒主要受重力和支撑力(如附图1所示)。分解单点受力情况，由于锥部尾柄的支撑力和粉末棒自身重力，粉末棒单点的其它力综合为一个向上的剪切力(如附图2所示)。因此，粉末棒的整体受力分解为重力、支撑力和剪切力(如附图3所示)，当重力达到一限值，超过粉末棒受力的极限，某一点在重力、剪切力的多重作用下，即可能会发生断棒。4、退火装置对比试验
O不安装在线退火装置的OVD设备A，如附图1;
2)安装固定式在线退火装置的OVD设备B，如附图2;
3)安装本发明移动式在线退火装置的OVD设备C，如附图3。5、制备大直径光纤预制棒
可以采用前述的四种芯棒制造工艺中的任一种，制备光纤预制棒的芯棒。然后将芯棒作为靶棒，采用OVD工艺在靶棒上制备外包层，最终制得的实心大直径光纤预制棒直径在100-200mm，典型的在120_150mm。沉积装置如附图4所示。6、外包粉末棒锥部致密性检测
对粉末棒的锥部粉末的附着力进行试验，检验锥部粉末剥落所需力。
权利要求
1.一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置，其特征在于包括固定底座一、固定底座二、气缸一、气缸二、金属喷灯一、金属喷灯二、气体流量控制器、金属气管和特氟隆管道； 所述的固定底座一、固定底座二分别与卡盘基座一、卡盘基座二配合，金属喷灯一与气缸一连接，以实现喷灯一在气缸一的控制下往复移动，金属喷灯二与气缸二连接，以实现喷灯二在气缸二的控制下往复移动；气缸一、气缸二分别安装在固定底座一、固定底座二上，对金属喷灯一、金属喷灯二进行定位；金属喷灯一、金属喷灯二分别通过特氟隆软管与金属气管相连，以实现喷灯的自由移动；气体流量控制器安装在金属管道上，实现金属喷灯气体流量的控制。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置，其特征在于所述的气体流量控制器采用MFC型气体流量控制器。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置，其特征在于所述的金属喷灯一、金属喷灯二米用圆形金属喷灯。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置，其特征在于所述的金属气管用于供应H2、O2给金属喷灯一、金属喷灯二。
5.一种大尺寸光纤预制棒的在线退火方法，其特征在于包括以下步骤 1)在芯棒两端对接把棒和把棒； 2)对接有把棒的芯棒进行抛光，除去对接口的应力，同时除去芯棒表面的杂质；抛光流量H2 250L/min,内 O2 :60L/min，外 O2 70L/min ； 3)将对接有把棒的芯棒两端分别安装在沉积设备的卡盘基座一和卡盘基座二上； 对沉积石英喷灯点火，并对金属喷灯一、金属喷灯二点火； 按“自动运转”按钮，沉积设备卡盘基座一和卡盘基座一以40rpm的转速开始旋转，石英喷灯以200mm/min的移动速度开始在芯棒表面沉积SiO2粉末，石英喷灯流量=SiCl4 25g/min, H2 80L/min, O2 40L/min, Ar 40L/min ； 整个沉积过程中，金属喷灯一、金属喷灯二分别通过气缸一、气缸二的控制开始在两限位之间往复移动，移动速度25mm/min ； 通过气缸一、气缸二的移动，金属喷灯一、金属喷灯二对粉末棒左、右锥部，即距离尾柄端400 500mm位置进行退火，退火温度为1200°C 1300°C ； 通过MFC气体流量控制器，量程为0 50L/min，将金属喷灯一、金属喷灯二的H2、02流量分别控制在H2 20L/min ；02 10L/min ； 沉积过程中金属喷灯一、金属喷灯二对粉末棒左、右锥部移动退火，一方面去除两锥部的应力，另一方面使锥部密度更加均匀，降低粉末棒断棒、开裂的几率； 石英喷灯将石英粉末沉积在旋转的接有尾柄的芯棒上，转速40rpm，通过重量计计量沉积量，当计量值达到设定值时，沉积结束，设备自动停止； 粉末棒沉积结束后，沉积用石英喷灯自动熄火，金属喷灯一、金属喷灯二继续对粉末棒锥部进行退火约20min ； 退火结束后，金属喷灯一、金属喷灯二自动关火，沉积结束； 锥部致密性试验，确认是否可以后续烧结； 烧结后确认锥部情况，符合要求的预制棒进入后续工序继续流转。
全文摘要
本发明一种大尺寸光纤预制棒的在线退火装置及其在线退火方法涉及的是一种大尺寸光纤预制棒制造过程中的移动式在线退火装置及其方法，用来消除光纤预制棒外包层沉积过程中，由于喷灯火焰灼烧产生的应力，从而改善预制棒质量。包括固定底座一、固定底座二、气缸一、气缸二、金属喷灯一、金属喷灯二、气体流量控制器、金属气管和特氟隆管道；所述的固定底座一、固定底座二分别与卡盘基座一、卡盘基座二配合，金属喷灯一与气缸一连接，金属喷灯二与气缸二连接；气缸一、气缸二分别安装在固定底座一、固定底座二上，对金属喷灯一、金属喷灯二进行定位；金属喷灯一、金属喷灯二分别通过特氟隆软管与金属气管相连；气体流量控制器安装在金属管道上。
文档编号C03B37/018GK103011579SQ20121057721
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者谢康, 张彬, 钱宜刚, 陈京京, 沈一春, 薛济萍 申请人:中天科技精密材料有限公司