用等离子体沉积法生产 光纤预型件的方法和装置 【发明领域】
本发明涉及一种方法和相关装置，用于在预型件生产中既增加外部沉积速度，同时又保持沉积层的完善的玻璃质量。背景技术
由于降低光纤价格的市场压力，所以一直不断地要求提高制造工艺的总体生产效率。制造光纤工艺中最重要步骤之一是等离子体加工。这种工艺涉及借助高温等离子体火球将石英砂熔化在初始预型件上，形成沉积层，制造90％以上的玻璃预型件。
有两个参数与此工艺相关。第一个是玻璃的沉积速度(g/min)，第二个是沉积玻璃的质量。对于特定工艺，这两个参数是彼此对立的。具体是，当沉积速度增加时玻璃质量变坏。
这两个参数受到用于发生等离子火球的可用功率的影响。功率越大，沉积速度越大，而且玻璃质量越好。然而常规等离子体装置只有有限的功率容量。这种限制不是由于发生器的输出，而是由于等离子炬的热阻。当等离子炬的功率达到一定值时，等离子炬不能维持要求的温度，寿命也缩短。据估计，等离子炬只用了发生器输出量的约2/3。
常规工艺只用一个单一的等离子炬，如美国专利No.4 221 825所公开的。因此不能利用发生器的整个容量，沉积速度和玻璃质量均受到限制。发明内容
本发明的目地是利用发生器的全部能量，因此提高了总的沉积速度，同时又不牺牲玻璃质量。据估计，本发明工艺对于一定的玻璃质量沉积速度可提高约50％。采用两个或多个等离子炬装置来代替一个等离子炬装置可以达到此目的，这两个等离子炬装置由同一电源发生器供能。
因此本发明旨在一种将石英砂沉积在预型件上的工艺和装置。在预型件上进行外部沉积的工艺包括以下步骤：将预型件支承在车床上；配置具有喷管的第一和第二等离子炬装置，该喷管倾斜对着预型件；用共用发生器向第一和第二等离子炬装置供能，使等离子炬装置产生射向预型件表面的等离子体火焰；在第一等离子炬和预型件表面之间的会合处引入石英砂，使石英砂熔在预型件表面上；相对于等离子炬装置移动预型件。
按照本发明的第一方面，第二等离子炬装置配置在第一等离子炬的上游，使得在用第一等离子炬装置熔化石英砂之前预热表面。按照本发明的第二方面，第二等离子炬装置配置在第一等离子炬装置的下游，以便在第一等离子炬装置初步熔化石英砂之后再加热该石英砂。按照本发明的第三方面，在预型件表面分别与两个等离子炬之间的会合处引入石英砂，从而用第一和第二等离子炬装置二者同时熔化石英砂。
执行这种工艺的装置包括：用于支承预型件的车床；具有喷管的第一和第二等离子炬装置，该喷管斜对着预型件；发生器，用于向第一和第二等离子炬装置供能，使得等离子炬装置产生指向预型件表面的等离子体火焰；一个或多个输送器，用于向等离子炬装置中一个炬装置和预型件表面之间的会合处输送石英砂，以便将石英砂熔在预型件表面上；相对于等离子炬装置移动预型件的装置。附图描述
研究示意示于附图的本发明的例示性实施例可以更充分地看出本发明的优点、特征和各种其它的特点，这些附图是；
图1是侧视图，示出用于执行本发明外部沉积操作的例示性装置；
图2是两个等离子炬装置的透视图；
图3是透视图，示出等离子炬装置的线圈配置；
图4是透视图，示出本发明的第一方面，其中第二等离子炬装置配置在第一等离子炬装置的上游，使其在第一等离子炬装置熔化石英砂之前预热表面；
图5是透视图，示出本发明的第二方面，其中第二等离子炬装置配置在第一等离子炬装置的下游，使其在第一等离子炬装置初步熔化石英砂之后进行石英砂的后加热；
图6是透视图，示出本发明的第三方面，其中在预型件表面分别与两个等离子炬之间两个会合处引入石英砂，从而用第一和第二两个等离子炬装置同时熔化石英砂。发明详述
制造光纤的常规工艺包括第一、第二和第三步骤，第一步骤包括用改变的化学蒸气沉积法(MCVD)来形成初始预型件14，第二步骤涉及用等离子体沉积法来形成具有外部包覆层的预型件15，而第三步骤则是将预型件拉成光纤。
本发明旨在改进外部沉积步骤。如上所述，这一工艺步骤旨在增加预型件的直径，涉及将石英砂熔在起靶子作用的初始预型件14的表面上。下面参考图1至3详细说明本发明。图1是侧视图，示出执行本发明外部沉积操作的例示性装置。图2是透视图，示出两个等离子炬装置，而图3是透视图，示出等离子炬装置的线圈配置。
参考图1和2，外部沉积装置10包括其中配置初始预型件14的等离子体室。该初始预型件14被支承在常规玻璃加工车床16的卡盘之间。该车床16可使预型件绕其纵轴转动，并可纵向移动该预型件(即移入和移出图1的纸面)，还可调节炬装置和预型件之间的距离。
该沉积装置还包括位于等离子体室12内部中的两个等离子炬装置18、19。各个等离子炬装置包括感应线圈22包围的炬管20，该感应线圈电连接于高频发生器24。该等离子炬装置是水冷的或气冷的。如图所示，等离子炬装置18、19受支承，使其可沿图2中箭头方向移动。因而可沿预型件的长度方向(箭头A)和预型件的径向(箭头B)调节其位置。具体是，等离子炬装置可由绝缘部件25移动地支承，该绝缘部件可在底座部件27上形成的槽口中滑动。
石英管的端部具有喷口，常规等离子体发生气体例如空气、纯氧或其混合物可经该开口引入。围绕各管子20的线圈22在流过炬装置的空气流中形成很强的电磁场。一当用点燃装置点燃等离子体，发生器功率(例如在50至200KW的范围内)便输送到各个等离子炬装置，形成温度可达到10000℃的等离子火球。当然应当明白，本发明不限于特定型号的发生器或具体发生的功率范围。
具有管形喷射器28的颗粒物输送器26配置在等离子矩装置中的至少一个装置18的侧面，该喷射器斜对着等离子炬。该喷射器28将贮存在颗粒物输送器26中的石英砂输送到等离子炬，由此石英颗粒便迅速受到加热而熔化在转动的平移的预型件14上。此过程一直继续到在预型件上形成预定直径的玻璃层，由此形成具有外包层的预型件15。预型件的直径用照像机检测。热空气和石英烟气通过排气罩34从等离子室12中抽走。
图3是示意图，示出由共用发生器24供电的线圈22配置。该配置包括高压电极36和接地电极38，这些电极分别电连接于功率发生器24的高压端子和接地端子。这些电极上具有纵向槽口40，以便安装螺钉42而将线圈22固定于电极。该槽口40允许线圈22沿电级36、38移动，从而改变线圈之间的距离。重要的是能根据下面详细的操作模式使等离子矩装置正确地定位。
整个过程的控制包括预型件14运动的控制由大型可编程逻辑控制器(PLC)46实施，该控制器装在等离子体室的外边。
如上所述，方法效能的特点在于石英砂的沉积速度(即在预型件上沉积为玻璃的砂量)、玻璃质量以及颗粒物的产率(即预型件上沉积颗粒物的量与喷射颗粒物量之比，％)。
应用两个等离子炬装置在以下方面提高了工艺的效能。用两个等离子炬装置进行外部沉积有三个优选方法。
按照本发明的第一方面，等离子炬装置中的一个装置18配置在另一等离子炬装置19的上游，其作用是预热预型件14，然后再由该另一个下游的等离子炬19沉积石英砂。此种应用配置的例子示于图4。参照图4，使预型件沿纵向向右(见箭头方向)移动，而两个等离子炬沿纵向彼此分开。管形喷射器28向下游等离子炬装置19喷射石英砂30。不向上游等离子炬装置18输送石英砂。该上游等离子炬装置18代之以预热该预型件，从而改善下游等离子炬装置进行的外部沉积操作。
已经发现，沉积玻璃的质量在预热时比不预热时得到显著改善。预热预型件可提高沉积速度而不负面影响玻璃质量。
按照本发明的第二方面，一个等离子炬装置沉积石英砂，而另一个等离子炬装置后加热玻璃，如图5所示。与图4的实施例相反，在此实施例中，石英砂输送到上游等离子炬装置18，而不输送到下游等离子炬装置19。因此下游等离子炬装置19的作用是，在上游等离子炬装置18初步熔化石英砂之后再加热预型件表面上沉积的石英砂(即后加热已形成包覆层的预型件15)。
后加热玻璃可以提高玻璃质量，尽量减小气泡的形成。如同先前方法一样，已经确定，对于一定的沉积速度，沉积玻璃的质量用两个等离子炬装置时优于用常规单等离子炬装置的方法。与常规方法相比，可以增加沉积速度，但不负面影响玻璃质量。
按照本发明的另一方面，同时用两个等离子炬装置18、19来沉积石英颗粒物，形成具有外覆层的预型件。此方法示于图6。参考图6，管形喷射器28向各个等离子炬装置18、19输送石英砂，使得石英砂30可在不同的纵向部位同时熔化在预型件14的表面上。这样便允许对各个等离子炬装置降低颗粒物流量，从而改进玻璃质量，同时与单炬装置的方法相比又保持或增加了沉积速度。按照替代实施例，可以用不同的等离子体气体和/或不同的喷射气体同时沉积两种不同类型的颗粒物。
从上面可以看出，利用两个等离子炬装置18、19的本发明的方法和装置由于尽量增加共用发生器24的输出而显著改善了系统的效能。如上所述，在用单等离子炬装置的常规方法中的限制元件是等离子炬装置；发生器操作在相当低的功率，从而减小等离子炬装置的操作温度，由此尽量延长了等离子炬装置的寿命。由于配置两个由共用发生器供能的等离子炬装置，尽量加大发生器的输出，所以改进了方法的效率。即，发生器可以操作在较高的设计功率，等离子炬装置可以工作在满意的温度范围内，而同时又能显著增加方法的沉积速度和/或提高玻璃质量。
虽然已参考优选实施例说明本发明，但与本发明有关的技术人员在理解本发明之后可以明显看出，可以对其进行各种变型和改变而不超出如所附权利要求书确定的精神和范围。例如，应当理解到，可以采用三个或多等离子炬装置，而不是只用两个等离子炬装置。