华能（泰安）光电科技有限公司 山东新泰 271200
摘要：自20世纪70年代末以来，美国Corning公司开发了适合光纤大规模生产的管外汽相沉积法（OVD）工艺。其后，OVD工艺得到不断改进，目前已开发出第7代工艺，使生产效率得到极大的提高，生产成本有效降低。日本NTT公司推出了汽相轴向沉积法（VAD）工艺，早期光纤预制棒的生产均采用“一步法”，即通过选定的工艺技术直接进行光纤预制棒芯层及包层的生产，该方法受外围技术设备和工艺技术本身的制约，所生产的光纤预制棒单棒可拉丝长度受到极大的限制，阻碍了生产效率的提高。目前，光纤预制棒的生产一般采用“两步法”复合工艺技术，即先制造光纤预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造外包层或直接套管，在不影响光纤性能的同时，增加光纤预制棒单棒可拉丝长度，提高生产效率，降低光纤的生产成本。
关键词：光纤预制棒；取棒装置；应用
引言
光纤预制棒是生产石英系列光纤的原材料，而光纤预制棒的生产技术落后是制约我国光纤产业发展的瓶颈。为了摆脱生产工艺落后的被动局面，提高产品的市场竞争力，国内光纤生产企业越来越重视生产工艺的改进和生产管理的自动化、信息化。目前，国内外石英光纤预制棒的制备工艺主要包括：电熔制备法、气炼制备法、直接合成制备法、间接合成制备法和高频等离子沉积制备法（简称PSOD）。
1光纤预制棒取棒装置
根据光纤预制棒取棒装置的功能任务需求，暂定光纤预制棒取棒装置由4大模块组成，分别是机架及移动模块、升降机构模块、旋转机构模块和夹持机构模块。如图1所示，各个模块的功能动作及结构在设计上是独立的。
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图1结构设计方案
光纤预制棒取棒装置是在包层沉积工序后使用的装置设备。主要作用是将沉积完成的预制棒疏松体从沉积设备中取出，转入烧结炉或储存箱。其工作原理如下：待预制棒疏松体在沉积系统中沉积完成后，首先取棒装置对中，支撑夹持部分送入沉积系统腔体；之后调整好高度，预制棒夹持锁紧，卸棒，装置后退，取出疏松体；然后升降系统升高到指定高度，拔掉水平安全销，旋转预制棒到垂直位置，插上垂直安全销；再然后预制棒疏松体被送入烧结炉，或是临时储存箱中；最后装置复位到原始位置，完成1次取棒过程，准备下次拆卸工作。
2光纤预制棒取棒装置结构设计及制造工艺
2.1旋转和升降系统
升降机构通过滑块滑轨和T型丝杆完成升降过程。升降机构安装在机架上的2条固定滑轨上，并由丝杆驱动上下移动，有效保证了传动精度和自锁特性。由于工作模式不同，疏松体手动升降功能除了考虑动作的平稳性，还要兼顾快速升降和慢速调整，所以综合工艺和操作的便利性，确定丝杠导程为5mm，以使升降机每转动1圈，疏松体升高5mm。疏松体的旋转机构安装在升降机构上，旋转机构和升降机构是2个独立功能单元，工作时互不干扰。旋转机构主要完成沉积疏松体的旋转过程。考虑操作的便利性，确定旋转减速机手动每旋转1圈，疏松体旋转15°。
2.2疏松体支撑夹持系统
疏松体通过把手管被装载在夹持部件上，而夹持部件安装在装置的运动系统上。装置拆卸棒功能的可靠性是由夹持系统和支撑部件实现的。工作时，疏松体夹持系统需要送入到沉积腔体内，沉积腔体内时常会有残存的HCl和Cl2，所以该部件就需要拥有一定的耐酸性能。设计时优先选用了压铸铝合金材质，表面阳极氧化处理。内部V型垫块选用耐高温、耐酸及具有冷流性的聚四氟乙烯材质。保证夹持系统的安全、高寿命使用。由于装置支撑轴所承载的径向剪切力矩较大，容易导致支撑轴变形。为了保证支撑系统在夹持疏松体过程中受压变形小，在结构设计中增加了相应的辅助支撑。在结构设计中，除了尽量减少装置的自身重量，疏松体支撑轴必须具有良好的刚度和强度性能。为了同时满足以上2方面的工艺需求，疏松体支撑轴材料选择高强度的42CrMO轴承钢作为基础材料，然后在其表面进行防酸腐镀层处理。
2.3设备机架及移动系统
为了减少装置的维修及对环境的影响，装置的轮子采用静音硅胶轮，其他部件材料大多采用强度高、耐腐蚀的金属材料。但由于OVD车间内可能会有SiCl4和Cl2等腐蚀性气体泄漏事故的发生，所以装置材料采用耐腐蚀材料或外表面喷塑处理。由于取棒装置是人工移动的设备，其质量大小、重心位置对设备的稳定性影响很大，故在满足强度和刚度要求的同时，质量应尽可能小，重心尽可能低。根据对接设备的使用空间，使用Solid-Works三维软件对各零件不断地进行优化设计、迭代计算。减少了设备的总重，降低设备的重心，加大了机架底盘设计，避免了配重块的使用。
3光纤预制棒取棒装置影响因素
光纤预制棒经过高温烧结后，由体积较大的光纤预制棒疏松体转变为直径小、体积小的光纤预制棒玻璃体。在烧结过程中，SiO2颗粒收缩团聚，颗粒和颗粒之间的间隙有气体残留，由于烧结速度较快，在光纤预制棒内，颗粒和颗粒之间的小气泡不能及时从光纤预制棒内部运动出来。此外，在烧结过程中通入大量氦，随着光纤预制棒的体积收缩和气孔闭合，也有部分氦残留在光纤预制棒内部。因此，需要在高温环境下进行退火处理，从而去除残余应力和内部残留的小气泡。
（1）在1050℃下，光纤预制棒变软，其粘度和强度均降低，并且具备一定流动性。在烧结过程中，没有完全逸出的氦分子，在1050℃长时间保温情况下，从光纤预制棒内部逐渐运动至表面，随后逸出。在OVD烧结结束后，由于芯层和包层的掺杂不同，其粘度和热膨胀系数也均不相同。在熔缩过程中，由于芯层和包层之间热膨胀系数不同导致形成了内部压力。由于温度很高，这种压力会通过粘度扩张释放，造成芯层、包层界面的起伏。当光纤预制棒的温度降至一定值时，芯层和包层的粘度增强导致不能再进一步释放任何压力，残余压力被封在光纤预制棒内部。通过长时间的保温退火处理，可以有效地释放参与应力。对比不同退火时间处理的光纤预制棒应力结果、拉丝对接尾管炸裂的情况和拉丝气泡统计结果，随着退火时间从12h延长至24h，光纤预制棒的残余应力逐渐减小，在对接尾管时炸裂的概率明显降低，拉丝气泡降低至0。
（2）芯棒或者光纤预制棒退火结束后，降温速度太快会导致芯棒表面或者光纤预制棒芯层和包层界面出现大量的白色异物。在VAD沉积和烧结结束后，经过拉伸工序获得芯棒，在拉伸过程中会产生一些缺陷；此外，在运输和对接过程中，芯棒表面会有破损或其他杂质附着，经过OVD沉积、烧结后，光纤预制棒芯层和包层的界面由于缺陷和杂质的存在，导致在退火冷却的过程中产生晶体析出。在冷却速度太快的情况下，当温度冷却至300℃左右时，SiO2由β-方石英转变为α-方石英，同时体积增大。因此，在芯棒表面有杂质和缺陷的位置容易出现析晶现象，导致退火结束后在芯包界面有白色异物出现。
结语
光纤预制棒取棒装置是针对预制棒疏松体在沉积设备内空间狭小、工序产品脆弱、劳动力需求较大等技术问题，设计出的一种设计合理、成本低廉，能较好对接下道工序的设备装置。光纤预制棒取棒装置投入使用后，运行可靠稳定，减少了纯人工操作劳动力及危险概率。为OVD技术双轴沉积系统拆卸疏松体提供了较好的解决方案。在光纤光缆行业具有广泛的推广和应用价值。
参考文献：
[1]李斌，李诗愈.光纤预制棒复合工艺的研究[J].光通信研究，2003（3）：35-37.
[2]简晓松，陈海斌，李秀鹏，等.VAD法高速沉积制备芯棒的研究[J].现代传输.2015（1）：34-36.