学习情境三石英光纤拉丝

学习情境三石英光纤拉丝 幻灯片 1 光纤光缆制备 学习情境三:石英光纤拉丝?3.1 拉丝的含义光纤的拉丝工艺概念:是指在特定的环境条件下将光纤预制棒拉制成符合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的光纤的工艺。特定环境:加热炉加热，控制温度、相对湿度和拉丝环境尘埃粒子数等。符合标准:内径的大小(由模式决定)，外径 125um 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 2 光纤光缆制备光纤拉丝的方法:?双坩埚拉丝法?拉丝机拉丝法双坩埚拉丝法:由于效率较低，现在已经非常少见;拉丝机拉丝法:将制备好的光纤预制棒放置在拉丝塔拉丝。现在正在大量采用，并在不断改善之中，下面就为大家重点介绍的石英熔融拉丝就是用拉丝机拉丝法。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 3 光纤光缆制备?3.2 石英熔融拉丝原理1)石英光纤拉丝原理原理:是将制备好的光纤预制棒放置在拉丝塔的进棒系统上，并放入高温炉中，利用高温炉加热熔融(约 1900?2200?)后拉制成直径符合要求的光纤纤维，并保证光纤的芯/包直径比和折射率分布形式不变的工艺操作过程。石英光纤拉丝过程动画及讲解 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 4 光纤光缆制备光纤涂覆及固化炉系统光纤涂覆及固化炉系统主要是对从高温炉拉制出来的裸光纤涂覆聚丙烯酸树脂类涂料并进行固化，其组成如图 3-9 所示。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 5 光纤光缆制备3-9、辅助牵引、涂覆及固化系统示意图 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 6 光纤光缆制备光纤的涂覆光纤涂覆的方法:湿—干两次涂覆湿—干光纤涂覆系统结构组成:由可以 X—Y 方向滑动的加热 -10所示)、水浴加热的涂料罐(如图 3-11 模台、涂覆模具(包括导模和模具，如图 3 所示)和互联管道、压力控制单元组成。 3-10、涂覆模具示意图 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 7 光纤光缆制备 图 3-11、水浴加热的料灌光纤固化目前光纤固化大都采用 Fusion 公司的 UV 固化系统(如图 3-12 所示) 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 8 光纤光缆制备 图 3-12:UV 固化系统 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 9 光纤光缆制备固化系统的组成部件:有灯模块、安装支架、冷却风机、空气冷却软管、氮气供应系统、排烟系统和供电单元以及内联电缆等。根据光纤拉丝速度不同，可以选用不同数量的固化炉以满足光纤固化的要求。在目前的高速拉丝生产中，第一次涂覆一般采用两节固化炉，第二次涂覆一般采用 4,6 节固化炉，这样才能在高速拉丝过程中为涂覆光纤的固化提供足够能量。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 10 光纤光缆制备光纤直径测试系统光纤直径测试系统的组成?裸光纤直径的测试系统如图 3-13?涂覆光纤直径的测试系统 图 3-13、裸光纤测径仪 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 11 光纤光缆制备裸光纤直径测量系统测试方法:对拉制的光纤进行直径的测量，将测试数值与标准值相比较，得到一个偏差信号，并将偏差信号反馈给拉丝塔控制系统，对工艺参数进行调整，从而得到直径波动符合规定的光纤产品。涂覆光纤测试系统测试方法:对拉制的光纤进行直径的测量，而不进行信号反馈。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 12 光纤光缆制备光纤的牵引装置光纤的牵引装置作用:是用来控制光纤拉丝速度的，牵引轮转动的速度即为光纤拉丝的速度。牵引装置是和光纤的收丝系统连在一起的(如图 3-15 所示) 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 13 光纤光缆制备光纤的牵引装置的操作过程:通过牵引轮带动皮带运动，可以通过拉丝塔控制系统设定其运动速度。在拉丝的开始阶段，通过调节牵引轮速度，控制光纤直径并进行涂 覆，当光纤涂覆完成后，将牵引轮上的光纤引到光纤收丝筒上即可进行正常的拉丝过程。收丝系统的目的:主要是收集光纤，即将成品光纤收集到光纤收丝筒上，以备后续对光纤进行张力筛选、复绕、测试等操作工艺 。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 14 光纤光缆制备?3.4 石英光纤拉丝工艺石英光纤拉丝目的:就是将通过光纤拉丝塔石英光纤 ，预制棒的直径缩小(从大约 100mm 减小到 125μm)且保持光纤的芯/包比和折射率分布不变。石英光纤拉丝光纤拉丝与石英预制棒的制造工艺无关，无论是 MCVD、PCVD 工艺制造的预制棒还是 OVD、VAD 工艺制造的预制棒，其拉丝工艺都是基本相同的。石英光纤拉丝的工艺示意图如图 3-16 所示: 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 15 光纤光缆制备 图 3-16 石英光纤拉丝工艺示意图 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 16 光纤光缆制备?3.41 石英光纤拉丝的工艺流程石英光纤拉丝的工艺流程图 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 17 光纤光缆制备其具体描述如下:1)拉丝前的准备阶段—高温炉的清洁?拉丝前需要进行高温炉的清洁， -17 所示)必要时清洁检查石墨发热元 、保温筒等各部件的使用情况，件(如图 3 或更换，清除高温炉中残留的污染物。 图 3-17 石墨发热元件 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 18 光纤光缆制备?打开保护气(一般情况下为 Ar 气，若对光纤品质要求更高，则可选用 He 气)，对炉内气氛进行保护降低炉内氧气的含量，在氧含量下降到规定值(一般情况下其中氧气含量应小于 500ppm)后， 对光纤通道、冷却管(如图 3-18 所示)、固化炉石英管和排对炉子进行预热。? 烟管、供料系统、涂覆器等部件及收丝系统的导论、皮带等进行检查和清洁， 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 19 光纤光缆制备确认是否需要更换或清洗，保证拉丝过程中光纤运行的通道的洁净和光滑，防止对裸光纤或涂覆光纤的刮伤，并将涂覆器放置在涂覆模台上。图 3-18 光纤冷却管 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 20 光纤光缆制备高温炉的清洁需要注意的:?所有需要清洗的部件需要用洁净空气吹干; ?检查冷却风管、排气管以及排烟管是否安装完好(检查方法:从石英管下方往上看，所有石英管应该接近一条直线) 。拉丝前的准备阶段—预制棒的清洁通常采用预制棒清洗机进行，使用去离子水对石英光纤预制棒的表面进行清洗， 清除棒表面的污染物，然后需要用洁净空气将预制棒吹干。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 21 光纤光缆制备预制棒的清洁需要注意的:若清洗后的预制棒长时间不用(超过 30 分钟)，则在下次使用前需再次清洗。在清洗过程?杏Ρ苊庥檬纸哟ヂ懵兜脑ぶ瓢簦 乐乖ぶ瓢舻呐錾撕筒辽说惹榭龅姆? ?)预制棒的熔融拉制阶段?固定并对准:用送棒系统的卡爪将清洗好的光纤预制棒固定好(如图 3-19 所示)，采用手动方式将预制棒缓慢下降到炉口上方约 3,5mm 处，观察预制棒的位置是否在炉口 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 22 光纤光缆制备中心处，可以通过手动调节进行预制棒的对准。然后可以通过自动方式(设定的进棒速度和进棒长度)让预制棒进入高温炉内，再一次检查预制棒的对中情况，并将高温炉升温加热熔融预制棒。图 3-19 预制棒的安装固定 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 23 光纤光缆制备?熔融及形成玻珠:高温炉温度升高导致预制棒的尖部粘度下降，在粘度降低到一定值时，尖端的石英玻璃由于自身重力作用而逐渐下垂，并使得熔融部分的石英玻璃变细形成一个玻珠(First drop)从炉口下 。落(如图 3-20 和图 3-21 所示) 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 24 光纤光缆制备图 3-20 预制棒加热熔融图 3-21 预制棒形成玻珠 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 25 光纤光缆制备?剪断玻珠:当光纤头(玻珠)从炉中下来后，操作人员用工具将掉下的光纤头剪断并拉细(如图 3-22 所示)，用重物将光纤通过光纤通道引导辅助牵引装上。图 3-22 预制棒掉头操作过程 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 26 光纤光缆制备3)光纤的涂覆阶段?启动辅助牵引装置(见图 3-23 所示)，调整牵引轮的位置和转动速度。图 3-23 辅助牵引装置 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 27 光纤光缆制备?在光纤直径达到 100μm 左右时，将光纤剪断，迅速将裸光纤穿过涂覆模具及固化炉(如 )。图 3-24 示图 3-24 光纤涂 覆固化过程 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 28 光纤光缆制备?然后将裸光纤粘在细铁棒之类的重物上使其在重力作用下下落。将光纤缠绕在引取轮上，启动压力涂覆控制按钮，对裸光纤进行涂覆(设定模式为先涂覆第二层，后涂覆第一层) ，并通过 UV 固化炉进行固化，在光纤直径达到 250μm -国家重点建设示范性专左右时将剪断并缠绕在转动的收丝盘上。 光电子技术专业 业幻灯片 29 光纤光缆制备4)光纤的直径控制及成品光纤的拉丝阶段?调整预制棒的进棒速度(下降或上升) 、拉丝速度、高温炉的功率以及涂覆的压力，对光纤的直径进行调节。?将裸光纤的直径稳定在 125?0.5μm 范围内，一次和二次涂覆光纤的直径分别稳定在 190?5μm和 250?5μm 范围内(在此之前的光纤为废品) 。 光 进行拉丝速度电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 30 光纤光缆制备?的提升(调节进棒速度、拉丝速度、高温炉温度等参数)，根据实际情况启动自动拉丝程序控制，开始光纤成品的拉制(光纤收丝过程如图 3-25 所示)图 3-25 光纤收丝过程 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 31 光纤光缆制备?在拉丝过程中要进行工艺监控、各项工艺参数的检查和记录、设备运行情况的检查等工作，以确保拉丝工作的顺利完成，如图 3-26 所示。图 3-26 光纤收丝过程和工艺控制 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 32 光纤光缆制备?3.5 光纤张力筛选和复绕工艺流程光纤张力筛选的目的:是为了确保拉制的光纤在使用过程中具有必须的机械强度而进行的检测过程。光纤张力的标准:根据相关标准进行光纤的张力筛选时，一般要求光纤能够承受 1,2的应力并持续1s 或者更长的时间。光纤的筛选应力由应力区的两个驱动轮产生。光纤张力筛选机的结构和组成和光纤张力筛选过程分别如图3-27，3-28 所示。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 33 光纤光缆制备 图 3-28 光纤张力筛选工艺图示 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 34 光纤光缆制备光纤张力筛选的工艺流程?对筛选机及其部件进行检查和清洁，确保导轮干净无受损情况，皮带无损伤;?将拉丝后经过检查的光纤收丝筒装到筛选机的放线端，并确认光纤的开始端和结束端位置，将光纤的开始端用胶带贴牢;?设定筛选参数和筛选长度，确认张力筛选模式及所加张力大小，将按上图所示的方向依次通过每个导轮，并在收丝盘上固定好; 光电子?际踝ㄒ?国家重点建设示范性专业幻灯片 35 光纤光缆制备?在操作面板上确认光纤长度，再次检查光纤是否在导轮和皮带的正确位置上，点击开始按钮开始筛选作业，筛选到规定长度后，取下光纤盘具，并填写记录表。光纤的复绕定义:将经过张力筛选的光纤按照标准的段长或客户需要的段长复绕到光纤承绕盘上。其结构和组成如图其结构和组成如图 3-29 其基本操作和张力筛选类似，其工艺流程如 图 3-30 所示。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 36 光纤光缆制备从图中可以看出，与张力筛选相比，光纤复绕工艺只是减少了张力检测的过程。而在有的厂家生产的设备上张力筛选和复绕工艺是可以合并进行。图 3-30 光纤复绕工艺图示 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 37 光纤光缆制备?光纤冷却阶段对拉丝工艺的影响光纤冷却的优点:能防止加热炉在高温中被烧坏，并且可以防止热量外泄，保持高温炉内加热区温度的一致性。影响面:对于涂覆工艺和光纤的性能影响很大。具体影响:在高速拉丝过程中，高温炉的温度可达1900?，这些能量在降低热区预制棒的粘度使之软化的过程中， 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 38 光纤光缆制备 )。也会破坏预制棒中的分子结构(如 Si-O-Ge 键等如果光纤离开热区后骤冷，则会使这些缺陷保存下来，同时造成光纤受热不均，残余内应力累积，破坏光纤的性能。因此需要在炉口安装一节延长管或保温管，实现高温炉炉口的延伸，并通过开启下炉口光栅到适当位置，减小氧气进入高温炉的机会，以稳定高温炉内的温场分布，有效控制光纤的冷却温度。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 39 光纤光缆制备?3.63 送棒速度与拉丝速度的选择对拉丝工艺的影响影响因素:送棒速度和收丝速度达到平衡即可获得均匀的光纤直径。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业幻灯片 40 光纤光缆制备在实际工艺中，送棒速度、光纤直径在线测试值以及收线筒的速度(拉丝速度)控制和匹配非常复杂，这是光纤拉丝控制系统的关键所在。在高温炉中，预制棒熔 -34 所示: 图 3-34 预制棒熔融拉丝 光电子技术专业-国家重融拉丝过程如图所 3 点建设示范性专业幻灯片 41 光纤光缆制备从上图可知，高温炉中，预制棒直径和光纤直径的关系可以根据光纤和预制棒的体积比得到公式 1d / Dp Vp / ν f 2 (3-1) 公式 3-1 中的 D 为预制棒直径;d 为光纤直径;Vp 送 棒速度;νf 拉丝速度。随着预制棒直径的增加， 对炉子高温区的长度和中心温度的稳定性的要求也 越来越高。而拉丝速度的公式可有下式求得: ν dl / dt Fl / η A (3-2) 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业 幻灯片 42 光纤光缆制备 公式 2 中，v 为拉丝速度;F 为拉丝张力;l 为预制棒受热长度(略短于高温炉热区长度); η为石英玻璃的粘度，A 为预制棒的横截面积。 ?3.7 光纤直径的监测与控制 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业 幻灯片 43 光纤光缆制备 拉丝工艺中控制光纤直径的方法 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业 幻灯片 44 光纤光缆制备 ?通过调整高温炉中的气体流量来控制高温炉的温度来实现的。 第一种方法的缺点:但是在生产过程中通过调节气体流 量控制光纤直径可能会造成光纤直径出现一定程度的波 动，从而造成光纤直径的不稳定，在生产不常使用; ?通过调节光纤预制棒进棒速度和光纤的拉丝速度来 实现对速度的控制，在生产过程中经常使用。 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业 幻灯片 45 光纤光缆制备 用测径仪控制光纤直径的具体过程: ?生产过程中利用测径仪测出的光纤直径，计算与标 准值的偏差，输出一个偏差信号。 ?将偏差信号反馈给控制系统去控制预制棒进棒速度 和拉丝速度。 (1)当裸光纤直径变大时，由于反馈的偏差信号的作 用，控制系统减小进棒速度，增加拉丝速度，光纤直 径也随之减小; 光电子技术专业-国家重点建设示范性专业 幻灯片 46