專利名稱：用來制造石英玻璃體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來制造石英玻璃體的方法，它借助于將SiO2顆粒附著在圍繞自身縱向軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱芯棒的圓柱外表面上借此形成一個(gè)帶有內(nèi)孔穴并基本呈圓筒狀的多孔坯件，及取走芯棒并燒結(jié)坯件。
該石英玻璃體的特征為，它是一個(gè)合成玻璃制成的中空?qǐng)A筒或棒，或者是一個(gè)用于光學(xué)玻璃纖維制品的預(yù)成型件。石英玻璃中空?qǐng)A筒在光學(xué)和化學(xué)工業(yè)的多種零件中被用作中間產(chǎn)品。通常，石英玻璃中空?qǐng)A筒的制造方法為將SiO2顆粒附著在一根細(xì)長(zhǎng)的棒狀或管狀載體(芯棒)上從而形成一個(gè)多孔的中空?qǐng)A筒狀坯件(積炭體)，并在最終制造階段燒結(jié)該坯件。載體在燒結(jié)之前或之后被取走。為了從坯件制造出棒或者預(yù)成型件，在燒結(jié)過程期間或者在本方法的一個(gè)單獨(dú)的步驟中收縮該坯件的孔穴。多孔坯件或已燒結(jié)的中空?qǐng)A筒還能被收縮到一根預(yù)制棒上。通常，在收縮前需要進(jìn)行處理，以便清理內(nèi)表面和/或使內(nèi)表面平滑。一種已知的用來將處理氣體引入孔穴的工藝采用埋入端部處的夾持器構(gòu)件以及一根焊接在坯件上的所謂的筒管。
從DE-A1 197 51 919可以得知一種用來制造上述類型石英玻璃體的方法。在這種方法中，使用一把火焰水解(作用)噴槍來將多個(gè)SiO2顆粒層附著在一根稍呈圓錐形的芯棒表面上，該芯棒的兩端被夾緊在一臺(tái)車床中并且圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)，結(jié)果在此工序中由于沿著芯棒縱向軸線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而生成一個(gè)SiO2顆粒的縱向多孔坯件。
為了在附著SiO2顆粒以后的處理步驟中保持和搬運(yùn)多孔坯件，多個(gè)石英玻璃夾持器構(gòu)件被結(jié)合到坯件的端部之中。為此目的，芯棒穿過襯套狀?yuàn)A持器，而且在附著階段期間該夾持器變?yōu)椴糠致袢胝谶B續(xù)形成的坯件之中。為了在坯件和兩個(gè)夾持器之間提供堅(jiān)固和穩(wěn)定的連接，鄰近坯件端部的區(qū)域用輔助噴槍進(jìn)行加熱，從而有效地收縮坯件。附著一旦完成，就取走芯棒，并燒結(jié)和收縮坯件。在這些處理步驟中夾持器構(gòu)件能使坯件保持按鉛垂方向懸掛或者按水平方向支承。
根據(jù)這種已知方法制造的兩端夾持器構(gòu)件相當(dāng)費(fèi)工，成本高昂。通常，方便的做法是不使用埋入的夾持器構(gòu)件，而是在端部焊接一根石英玻璃制成的所謂的筒管，處理氣體能通過筒管送入內(nèi)部孔穴。為了將筒管焊接在端部上，只需要加熱坯件的相應(yīng)端部并軟化石英玻璃即可。然而，當(dāng)石英玻璃軟化時(shí)孔穴的內(nèi)部可能閉合，在其內(nèi)直徑相當(dāng)小時(shí)尤其如此，這意味著內(nèi)孔穴幾乎不可能再造，因而該坯件必需廢棄。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)已知的制造石英玻璃體的方法，致使筒管能方便地焊接到坯件的端部。
本發(fā)明在上文提及方法的基礎(chǔ)上解決了這項(xiàng)任務(wù)，其方法為，用一個(gè)與芯棒同速旋轉(zhuǎn)的成形構(gòu)件圍繞正在連續(xù)成形的坯件一端處的芯棒，這個(gè)成形構(gòu)件被設(shè)計(jì)成具有一個(gè)面對(duì)坯件的芯區(qū)，該芯區(qū)變?yōu)橹辽俨糠值芈袢胝谶B續(xù)成形的坯件的端部?jī)?nèi)并呈可拆卸連接形式。因此，當(dāng)該成形構(gòu)件在燒結(jié)步驟之前被取走時(shí)，就已經(jīng)有效地?cái)U(kuò)大了與成形構(gòu)件芯區(qū)相配的內(nèi)孔穴。
在本發(fā)明方法中，坯件內(nèi)孔穴變?yōu)樵诙瞬刻帞U(kuò)大，因此能減少石英玻璃在內(nèi)孔穴被加熱和軟化時(shí)閉合的危險(xiǎn)，從而簡(jiǎn)化了筒管在坯件相應(yīng)端部處的安裝工作。
擴(kuò)大坯件端部借助于一個(gè)成形構(gòu)件，該成形構(gòu)件全部或部分地埋入在將SiO2顆粒附著到正圍繞自身縱向軸線旋轉(zhuǎn)的芯棒圓柱表面期間連續(xù)成形的坯件端部之中。然而，為了在后期處理時(shí)容易取走成形構(gòu)件，埋入的成形構(gòu)件被安裝成可取消連接的形式，不與坯件進(jìn)行牢固連接。
一旦取走成形構(gòu)件，坯件內(nèi)孔穴的擴(kuò)大后形狀就顯露出來。該孔穴擴(kuò)大部分的幾何形狀與成形構(gòu)件芯區(qū)埋入坯件范圍的形狀互補(bǔ)。芯區(qū)能變成全部或部分地埋入坯件。
無論成形構(gòu)件由單獨(dú)零件或幾個(gè)零件制成并不重要，關(guān)鍵在于在附著和取走該構(gòu)件之后，坯件的內(nèi)孔穴已被擴(kuò)大。
芯區(qū)的外部幾何圖形決定坯件端部處內(nèi)孔穴擴(kuò)大區(qū)域的形狀。最好是，芯區(qū)被設(shè)計(jì)成是圍繞芯棒縱向軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，以致于內(nèi)孔穴擴(kuò)大部分也是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，借此為在加熱期間溫度分布也旋轉(zhuǎn)對(duì)稱作好有效的準(zhǔn)備，這簡(jiǎn)化了將筒管焊接到坯件的工序。
如果成形構(gòu)件芯區(qū)被設(shè)計(jì)成朝該成形的坯件逐漸變細(xì)，這樣埋入正在連續(xù)成形的坯件的成形構(gòu)件就容易被取走。芯區(qū)可以是連續(xù)或漸次地，即呈臺(tái)階形地逐漸變細(xì)。
作為一種非常令人滿意的方法，成形構(gòu)件的芯區(qū)被成形為類似于一個(gè)圓錐體。截頂圓錐形圓錐體芯區(qū)也已被證實(shí)是非常合適的。這種類型的成形構(gòu)件制造方便并且特別容易從坯件中取出。
成型構(gòu)件能或者以外形配合或者以摩擦密封方式與芯棒連接。例如一種外形配合連接被做成具有一根從成形構(gòu)件朝坯件逐漸變細(xì)的芯棒從而允許成形構(gòu)件這樣地壓靠圓錐體以致于成形構(gòu)件和芯棒能同時(shí)從芯棒拉出。然而，由于實(shí)施方便和操作安全，成形構(gòu)件和芯棒的摩擦密封連接已被證明更為適合。
形成摩擦密封連接的一種最佳方法是在成形構(gòu)件和芯棒之間插入一個(gè)可模塑材料制成的張緊構(gòu)件。用于此目的的一種適合的張緊構(gòu)件由一種塑料——例如聚四氟乙烯(PTFE)制成——如果在附著期間受到的溫度影響不足以造成該張緊構(gòu)件的塑性變形的話。但為了防止這種弊病，彈性構(gòu)件最好安置在遠(yuǎn)離坯件的成形構(gòu)件區(qū)域。
在一個(gè)適當(dāng)?shù)膶?shí)施例中，成形構(gòu)件被設(shè)計(jì)成具有一個(gè)從正在連續(xù)成形的坯件內(nèi)孔穴突出的外區(qū)。在這個(gè)實(shí)施例中，成形構(gòu)件不會(huì)變成全部而只是部分地埋入在坯件之中，因而一個(gè)外區(qū)從成形構(gòu)件芯區(qū)沿軸向突出。這個(gè)外區(qū)被堅(jiān)固地連接到成形構(gòu)件的芯區(qū)并形成一個(gè)用來安裝上述張緊構(gòu)件的最佳位置，以致于借助于簡(jiǎn)單地抓握把持外區(qū)就能方便地從內(nèi)孔穴拉出成形構(gòu)件。
此外，具有一個(gè)適當(dāng)形狀的外區(qū)使成形構(gòu)件界線準(zhǔn)確地埋入坯件更為簡(jiǎn)單。為此目的，該構(gòu)件被設(shè)計(jì)成在其外區(qū)和芯區(qū)之間具有一個(gè)邊緣，以致于當(dāng)沿著芯棒的縱向軸線觀察時(shí)外區(qū)沿徑向突出在芯區(qū)上。這種邊緣能被設(shè)計(jì)為例如一個(gè)臺(tái)階形狀。該邊緣的功能之一是防止咬邊——例如由于正在附著的SiO2顆粒內(nèi)部的擾動(dòng)——它可能導(dǎo)致在坯件和成形構(gòu)件之間產(chǎn)生一種直接連接，這會(huì)使在以后取走成形構(gòu)件更加困難。
一個(gè)適當(dāng)?shù)貞覓煲员隳苎刂景艨v向軸線滑動(dòng)的成形構(gòu)件，能獨(dú)立于芯棒而被取走。
一種使用石英玻璃制造的成形構(gòu)件已被證明是適當(dāng)?shù)?。石英玻璃的特征為，它?duì)熱和化學(xué)影響的抵抗力強(qiáng)，以及它的純度高，因此能有效地防止坯件被污染。
下面借助于一個(gè)實(shí)施例和附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。該圖為簡(jiǎn)化的示意圖。


圖1描述用來制造光學(xué)纖維預(yù)成型件的一個(gè)工藝步驟。
圖1顯示這樣一個(gè)工藝步驟，在其中多孔石英玻璃中空?qǐng)A筒3的內(nèi)部孔穴通過使用一個(gè)成形圓錐體5而擴(kuò)大。為了便于描述，成形圓錐體5被畫成大于實(shí)際比例。
多個(gè)SiO2顆粒層借助于一個(gè)火焰水解噴嘴(未畫出)的作用而附著在一根氧化鋁載體管1上，該載體管能圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)，使多孔中空?qǐng)A筒3得以形成。
載體管1的外直徑為8mm。載體管1的一個(gè)自由端4穿過一個(gè)整體參考編號(hào)標(biāo)為5的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱石英玻璃成形圓錐體。成形圓錐體5包括一個(gè)襯套7，從襯套中突出一個(gè)插入物6，其形狀象一個(gè)朝中空?qǐng)A筒3削尖的截頂圓錐。襯套7和截頂圓錐6連接以便形成一個(gè)單元。截頂圓錐6包括一個(gè)孔穴，該孔穴相對(duì)于縱向軸線2同軸延伸并包圍著載體管1。該截頂圓錐朝中空?qǐng)A筒3的方向逐漸變細(xì)，在14mm范圍內(nèi)從最大外直徑約20mm變?yōu)樽钚⊥庵睆?2mm。襯套7的長(zhǎng)度約為80mm而且其外直徑為27mm。截頂圓錐6和襯套7的一部分埋入中空?qǐng)A筒3的前端8。
成形圓錐體5和載體管1之間的連接呈緊密摩擦方式。這用位于襯套7內(nèi)側(cè)的兩個(gè)半圓PTFE插入物9來實(shí)現(xiàn)，所述插入物9將載體管1穩(wěn)固地保持在應(yīng)有位置。
下面利用圖1作為例子詳細(xì)描述本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例。
借助于PTFE半圓盤9將截頂圓錐體5按照此圖描述的方向安裝在載體管1上。在載體管1的相對(duì)端部安裝一個(gè)襯套狀的石英玻璃夾持器(圖1中未畫出)，它與上文提及的DE-A1 197 51 919中描述的夾持器類似。隨后，將載體管1夾入一臺(tái)車床并圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)。借助于火焰水解噴嘴沿著載體管1的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將SiO2顆粒層附著在載體管1和與該管同速旋轉(zhuǎn)的成形圓錐體的表面上(以及所述襯套狀?yuàn)A持器上)。在此加工期間，成形圓錐體5和夾持器的端部變成埋入正在連續(xù)形成的中空?qǐng)A筒3之中。盡管中空?qǐng)A筒3和夾持器之間在一個(gè)端部上生成牢固的連接不僅是符合要求而且是必需的，但在中空?qǐng)A筒3和成形圓錐體5之間要防止形成機(jī)械連接。
在該附著工序完成時(shí)，從中空?qǐng)A筒3中拉出載體管1，并一齊取走成形圓錐體5。由于截頂圓錐的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及圓錐形狀，成形圓錐體5是容易取走的。如果需要，用鋸沿點(diǎn)狀線10加工中空?qǐng)A筒3。為了摒棄這個(gè)步驟，本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施例被設(shè)計(jì)成在點(diǎn)狀線10的位置具有一個(gè)邊緣，該邊緣足夠高以至于在附著工序期間能阻止中空?qǐng)A筒3從截頂圓錐體5生長(zhǎng)到襯套7的圓柱表面上。
一旦取走載體管1和成形圓錐體5，在中空?qǐng)A筒3的端部8處的內(nèi)孔顯示出與截頂圓錐6的外部幾何形狀互補(bǔ)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱幾何形狀，并且在從內(nèi)到外逐漸擴(kuò)大。接著，中空?qǐng)A筒3要經(jīng)受清理并在含鹵素氣氛下進(jìn)行干燥過程，然后進(jìn)行燒結(jié)。在這些步驟期間，中空?qǐng)A筒3利用上文提及的夾持器按鉛垂方向懸掛保持在一個(gè)處理室(在圖中未畫出)中。在燒結(jié)之后，內(nèi)部孔穴具有大約3mm的內(nèi)直徑；而在這些過程期間擴(kuò)大的內(nèi)孔穴維持同樣的收縮率。
隨后，將已玻璃化的石英玻璃管(原先的中空?qǐng)A筒3)的前端(原先的端部8)焊接到一根筒管上。為此目的，將石英玻璃管(3)的前端(8)加熱到軟化溫度。由于在此工序前該前端已被擴(kuò)大，內(nèi)孔穴的軟化區(qū)域此時(shí)不會(huì)崩塌。一旦焊上筒管，石英玻璃管的內(nèi)孔穴就可以進(jìn)行其它廣泛知曉的用來產(chǎn)生光學(xué)纖維預(yù)成型的處理步驟，例如引入清理氣體清理內(nèi)表面。
權(quán)利要求
1.一種用來制造石英玻璃體的方法，它在形成一個(gè)帶有內(nèi)孔穴的基本呈圓筒狀的多孔坯件期間將SiO2顆粒附著在圍繞其縱向的軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱芯棒的圓柱表面區(qū)域上，并取走所述芯棒及燒結(jié)所述坯件，其特征為，所述芯棒(1)在正在形成的所述坯件(3)的一個(gè)端部(8)區(qū)域內(nèi)被一個(gè)與所述芯棒(1)同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的成形構(gòu)件(5)包圍，這種成形構(gòu)件(5)具有一個(gè)面對(duì)所述坯件(3)的芯區(qū)(6)，所述芯區(qū)(6)至少可移去地部分埋入所述正在形成的坯件(3)的端部?jī)?nèi)，并且在形成一個(gè)與所述芯區(qū)(6)相配合的所述坯件(3)內(nèi)孔穴擴(kuò)大部分之后，該芯區(qū)(6)在燒結(jié)之前被移去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，所述芯區(qū)(6)與所述芯棒(1)的縱向軸線(2)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征為，所述芯區(qū)(6)沿著所述正在形成的坯件(3)方向逐漸變細(xì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征為，所述芯區(qū)(6)呈圓錐形。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，其特征為，所述成形構(gòu)件(5)被摩擦接合地連接到所述芯棒(1)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為，所述摩擦接合用在所述成形構(gòu)件(5)和所述芯棒(1)之間插入一個(gè)由可模塑材料做的張緊構(gòu)件的方法來產(chǎn)生。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，其特征為，所述成形構(gòu)件(5)具有一個(gè)從所述正在形成的坯件(3)伸出的外區(qū)(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征為，在所述外區(qū)(7)和所述芯區(qū)(6)之間以這樣一種方法提供一個(gè)臺(tái)階(9)，以致于沿著所述芯棒的縱向軸線(2)觀察，所述外區(qū)(7)沿徑向升高在所述芯區(qū)(6)之上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)的方法，其特征為，所述成形構(gòu)件(5)沿著所述芯棒縱向軸線(2)可滑動(dòng)地布置。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，其特征為，插入一個(gè)石英玻璃的成形構(gòu)件(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來制造石英玻璃體的方法,它在形成一個(gè)帶有內(nèi)孔穴的基本呈圓筒狀的多孔坯件期間將SiO
文檔編號(hào)G02B6/00GK1364147SQ01800506
公開日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月14日
發(fā)明者J·維爾納, C·施米特, G·科圖拉, W·克羅克 申請(qǐng)人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司