DE68925262T2

DE68925262T2 - Schweissmethode für relativ kleine Teile

Info

Publication number: DE68925262T2
Application number: DE68925262T
Authority: DE
Inventors: Richard James Coyle; Jaroslav Mracek
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2009-10-06
Also published as: JPH02151384A; CA1324820C; JPH0773793B2; EP0365180A3; EP0365180A2; US4859827A; ES2081306T3; KR900006064A; EP0365180B1; HK119096A; DE68925262D1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schweißen relativ kleiner Teile und insbesondere Verfahren zum Anschweißen einer Außenmuffe an eine Glasfaserhülse.

Stand der Technik

Jüngste Fortschritte in Lasern, optischen Bauteilen und Glasfasern zur Übertragung con Informationen in der Form von Lichtwellen haben zu Vorschlägen für verallgemeinerte Lichtwellenkommunikationssysteme geführt. Die hier vorgeschlagene Verwendung von Lichtwellenkommunikation als allgemeine Alternative zu Fernsprechkommunikationen setzt eine Fähigkeit voraus, kleine optische Bauteile in Massen und mit großer Genauigkeit herzustellen. Ein Grundbauteil solcher Systeme würde der optische Koppler zur Übertragung von Informationen auf eine Glasfaser und Entnahme von Informationen aus der Glasfaser sein, so wie er beispielsweise in den am 21. August 1979 gewährten und Bell Telephone Laboratories, Inc. eerteilten US-Patent von DiDomenico et al. Nr. 4, 165,496 beschrieben ist. Der Zusammenbau eines solchen optischen Kopplers erfordert die korrekte Ausrichtung und Positionierung zweier aneinanderstoßender Glasfasern.
Das Positionieren einer Glasfaser mit kleinem Durchmesser in bezug auf einen optischen Koppler wird heute typischerweise durch Anbringen der Glasfaser in einer Hülse durchgeführt. Die Hülse wird in eine Muffe eingepaßt, die axial in eine korrekte Lage gebracht wird, und die Hülse wird dann an die Außenmuffe angebondet. Danach wird die Muffe am Koppler befestigt und gedreht, um der Glasfaser eine korrekte Winkelausrichtung zum Koppler zu erteilen.
Glasfasern werden normalerweise durch Epoxidharz in der Hülse eingebondet, was sich als zufriedenstellend herausgestellt hat. Es ist jedoch schwierig, die Hülse an die Außenmuffe anzubonden, nachdem die erforderliche Axialverstellung durchgeführt worden ist. Für ein solches Bonden ist die Laserschweißung das praktischste Verfahren, aber es wirft Probleme auf, da es für die Durchschmelzung der Gesamtstärke der Außenmuffe praktisch nicht anwendbar ist. Ein solches Schweißen und die begleitende Wärme würde dazu neigen, die Elemente zu verzerren. Daher sind Versuche angestellt worden, an der Grenzlinie zwischen der Muffe und der Hülse mit Laser zu bonden, was aufgrund der erforderlichen genauen Positionierung des Lasserstrahls schwierig ist. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Anschweißen der relativ kleinen Muffe einen die Glasfaserhülse auf eine Weise, die sich leicht für die Masenherstellung verwenden läßt.
In EP-A-286 319 wir ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 offenbart.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Erfindungsgemäaß wird das Laserschweißen einer außenmuffe an eine innere Faserhülse dadurch sehr beschleunigt, indem zuerst ein dünnergemachtes Gebiet im Außendurchmesser der Muffe bearbeitet wird. Nach Einfügung der Hülse in die Muffe erlaubt das dünnergemachte Gebiet dem Laser, die Muffe durchzuschmelzen und einen Teil der Hülse zu zchmelzen, so wie es für die Laservermehr im einzelnen später besprochen, wird das dünnergemachte Gebiet vorzugsweise durch Verwendung einer Drehschneidemaschine zum Einschneiden eines sich axial erstreckenden Schlitzes in die Außenmuffe hergestellt, der sich nicht durch die gesamte Außenmuffe erstreckt. Damit kann durch eine Folge von Laserschweißstellen in einer axialen Richtung im Schlitz eine verläßliche Verschmelzung zwischen der Hülse und der Außenmuffe erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden dünnergemachte Gebiete auf gegenüberliegenden Seiten der außenmuffe hergestellt und die Laserschweißung wird gleichzeitig auf beiden Seiten der Muffe durchgeführt, um durch Wärmespannungsasymmetrien verursachte Verzerrungen zu vermeiden.
Diese und andere aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus einer Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung besser verständlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist eine Schnittansicht eines verfahrens zur Laserverschweißung einer Außenmuffe mit einer Faserhülse;
figur 2 ist eine Schnittansicht eines Verfahrens zur Laserverschweißung einer Außenmuffe mit einer Faserhülse nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 ist eine Draufsicht der Baugruppe der Figur 2.

Detaillierte Beschreibung

Nunmehr bezugnehmend auf Figur 1 ist dort eine in einer zylindrischen Hülse 12 angebrachte Glasfaser 11 dargestellt. Mit der Hülse 12 kann die Faser an anderen Elementen befestigt werden und wird typischerweise mit einem Epoxidklebstoff sicher an die Faser angebondet. Zur Anbringung der Faser in einem optischen Koppler ist es typischerweise notwendig, die Hülse 12 in einer Metallmuffe 14 gleitbar anzubringen. Die Muffe 14 wird dann an dem (nicht gezeigten) Koppler angebracht.
Eine derartige anbrringung im Koppler erfordert normalerweise, daß die Faser sowohl in den axialen als auch den Drehrichtungen korrekt positioniert bzw. ausgerichtet ist. Dies läßt sich am besten so durchführen, daß zuerst die Faserhülse axial in der Muffe 14 in eine korrekte Position geschoben und danach die Muffe 14 dauerhaft mit der Hülse 12 verbunden wird.
Danach können Muffe, Hülse und Faser als eine Einheit zur korrekten Drehausrichtung gedreht werden. Es hat sich herausgestellt, daß nach der axialen Ausrichtung das Laserschweißen das beste Verfahren zum Verbinden der Muffe mit der Hülse ist. so wie es in dem am 22. Müarz 1988 gewährten und der American Telephone und Telegraph Company erteilten US-Patent von Cruickshank et al., Nr. 4,733,047, das durch Bezugnahme hier aufgenommen ist, beschrieben wird, wird das Laserschweißen kleiner Teile, deren korrekte Ausrichtung beibehalten werden muß, am besten durch Aufspalten des Laserstrahls und Zuführung desselben mit zwei Glasfasern durchgeführt, um gleichzeitiges Schweißen an gegenüberliegenden Seiten des Gegenstand zu erlauben. In der Figur 1 werden Laserschweißstellen 15 und 16 gleichzeitig mit zwei von einem gemeinsamen gepulsten Laser abgegebenen Laserstrahlen hergestellt.
Ein wesentliches Problem, das sich bei der Herstellung der in der Figur 1 gezeigten Baugruppe herausgestellt hat, ist die Schwierigkeit, Schweißstellen 15 und 16 so durchzuführen, daß sie die Muffe 14 und Hülse 12 zuverlässig zusammenschmelzen. Jede leichte Fehlausrichtung des Laserstrahls bewirkt unzureichendes Schmelzen entweder der Muffe oder der Hülse. Es ist unpraktisch, die gesamte Stärke der Muffe 14 durchzuschmelzen, da die für eine solche Operation erforderliche Wärme und Leistung die Ausrichtung der verschiedenen Elemente verzerren würde.
Bezugnehmend auf Figur 2 werden nach einer Ausführungsform der Erfindung diese Probleme durch das Bilden von dünnergemachten Gebieten 18 und 19 an gegenüberliegenden Seiten der ringförmigen Muffe 14 gelöst. Damit wird es möglich, Laserschweißstellen 21 und 22 auf gegenüberliegenden Seiten der Muffe 14 zu bilgen, die sich verläßlich durch die Muffe hindurch erstrecken, um Teile der Hülse 12 zu verschmelzen, so wie es zum Verbinden der Hülse mit der Muffe erforderlich ist. Wie in der Figur 1 wird jede der Schweißstellen 21 gleichzeitig mit einer Schweißstelle 22 an der gegenüberliegenden Seite der Muffe hergestellt. Dies wird vorzugsweise durch Verwendung des in dem oben erwähnten Patent von Cruickshank et al. beschriebenen Laserstrahlübertragungssystems zur Herstellung von gleichzeitigen Schweißstellen durchgeführt, die zu Wärmespannungen führen, die symmetrisch sind und damit die Elemente mit geringerer Wahrscheinlichkeit deformieren. Die Laserstrahlen werden einem einzigen Laser entnommen und über Glasfasern 23 den Schweißorten zugeliefert. Bei Dünnermachung der Außenmuffe und gleichzeitigem Schweißen auf diese Weise hat sich herausgestellt, daß die Schweißstellen 21 und 22 verläßlich mit einem Laserstrahl hergestellt werden können, dessen Leistung niedrig genug ist, schadhafte Wärmespannungen an den Elementen zu vermeiden. Weiterhin beschädigen die Laserstrahlen nicht die Faser 11 und verdampfen auch nicht den Epoxidklebstoff, was sich ebenfalls als nachteilig für die Lichtübertragungseigenschaften der Faser erweisen würde. In der Figur 3 ist eine Draufsicht der Baugruppe der Figur 2 gezeigt, die die drei Laserschweißstellen 21 in dem dünner gemachten Teil 18 zeigt.
Die Abmessungen aller Elemente der Figur 2 sind sehr klein: die Glasfaser 11 kann einen Durchmesser von 0,1 cm aufweisen; der Außendurchmesser der Hülse 12 kann 0,3 cm betragen; der Außendurchmesser der Muffe 14 kann 0,726 cm betragen. Schweißstellen 21 und 22 können einen Mittenabstand von 0,064 cm aufweisen. Es ist ganz leicht, aufeinanderfolgende Schweißstellen inj einer geraden Linie auf diese Weise unter Anwendung bekannter Impulslaserverfahren durchzuführen. Andererseits ist die Herstellung aufeinanderfolgender Schweißstellen um eine kreisförmige Grenzlinie herum, wie in der Figur 1 dargestellt, technisch viel schwieriger. Der Laser kann typischerweise ein Neodymlaser sein: ein Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) Impulslaser mit 50 Watt Nennleistung, der jedem Schweißort 5 Joule pro Impuls zuführt, wobei jeder Impuls eine Dauer von 5 Millisekunden aufweist. Unter diesen Umständen führt ein Einzelimpuls zu einer ausreichenden Durchdringung, um eine verläßliche Schweißstelle wie gezeigt zu ergeben. Wie bekannt ist, ergibt ein von einer Glasfaser 23 gelieferter Laserimpuls gewöhnlich eine etwas tiefere Durchdringung als dies sonst der Fall sein würde.
Die dünner gemachten Teile 18 und 19 können mit einer inder Technik als Woodruff-Schneider bekannten Drehschneidemaschine mit einem typischen Radius von 1,09 cm hergestellt werden. Während des Schneidens liegt die Ebene der Drehschneidemaschine parallel zur Mittelachse der Muffe 14, wodurch die dünnergemachten Gebiete in der Form von Schlitzen wie in der Figur 3 gezeigt hergestellt werden. Damit wird die Wandstärke der Muffe 14 typischerweise von 0,064 cm auf einen typischen Wert zwischen 0,0254 cm und 0,036 cm verringert. Die dünergemachten Gebiete derart zu bilden ist sehr zweckdienlich, da es ermöglicht, daß die Muffen 14 aus Stangenmaterial hergestellt werden, die dann einzeln an gegenüberliegenden Seiten geschnitten werden. Es hat sich herausgestellt, daß ein derartiges Schneiden die Fähigkeit, die Außenmuffe 14 für nachfolgende Drehausrichtung wie oben beschrieben im optischen Koppler anzubringen, nicht beeinträchtigt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung nach Figuren 2 und 3 besteht darin, daß sie für Massenherstellungsverfahren geeignet ist. Das heißt, die dünner gemachten Teile 18 und 19 können automatisch bearbeitet werden und drei aufeinanderfolgende Schweißstellen auf gegenüberliegenden Seiten können nach axialer Positionierung automatisch auf einer Fertigungsstraße gebildet werden. Dies ist von wesentlicher Bedeutung, da in Verbindung mit jedem komplexen Glasfaserkommunikationssystems- Herstellungsprogramm viele optische Koppler in Massenfertigung herzustellen sein würden.
Die gezeigten Ausführungsformen sollen nur die Grundsätze des erfindungsgemäßen Konzepts beschreiben. Obgleich die Erfindung durch eine Notwendigkeit, Glasfaserhülsen an Außenmuffen zu befestigen, angeregt wurde, läßt sich das offenbarte Verfahren in jeder Umgebung verwenden, bei der Laserschweißen zur gegenseitigen Befestigung von relativ kleinen Teilen benötigt wird.

Claims

1. Verfahren zum Zusammenbau einer optischen Einrichtung mit folgenden Schritten: Anbringen einer Glasfaserhülse (12) in einer Metallmuffe (14) mit einer Mittelachse; Orientieren der Hülse in der Muffe, um eine gewünschte Orientierung der Glasfaser (11) zur Muffe zu erreichen; und Verwenden eines Laserstrahls zum dauerhaften Verschweißen der Hülse mit der Muffe, wobei vor der Anbringung ein Gebiet (18) der Muffe bedeutend dünner als der Rest der Muffe gemacht wird, wobei das dünner gemachte Gebiet eine kürzere Axiallänge als die der Muffe aufweist, und der Schweißschritt den Schrritt des Richtens des Laserstrahls auf den dünner gemachten Teil der Muffe umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das dünner gemachte Gebiet so gebildet wird, daß es quer zu seiner Länge eine viel kürzere Breite als der Umfang der Muffe aufweist, wodurch in jedem Schnitt quer zur Mittelachse die Stärke der Muffe entlang eines Großteils ihres Umfangs gleich der Stärke der Muffe vor dem Verdünnungschritt ist, und nur ein geringer Teil dieses Umfangs durch ein dünner gemachtes Gebiet definiert wird, wodurch ein sich axial erstreckender Schlitz gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt, einen Teil der Muffe bedeutend dünner zu machen, den Schritt der Verwendung einer Drehschneidemaschine zum Einschneiden mindestens eines Schlitzes in die Metallmuffe umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Axiallänge des dünner gemachten Gebiets größer ist als seine Breite, und entlang einer im wesentlichen parallel zur besagten Mittelachse liegenden Linie eine Mehrzahl von Schweißstellen hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei vor der Anbringung zwei diametrisch gegenüberliegende Gebiete (18, 19) der Muffe dünner als der Rest der Muffe gemacht werden, und der Schweißschritt den Schritt des gleichzeitigen Richtens von Laserstrahlen auf beide dünner gemachte Teile der Muffe umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zum Schneiden der Muffe zur Herstellung jedes der zwei dünner gemachten Teile eine Drehschneidemaschine benutzt wird, und während die jeweiligen derartigen Schneideoperation die Drehschneidemaschine in einer zur Mittelachse der Muffe parallelen Ebene angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei sich die Muffe nach dem Schweißschritt in Rotationsausrichtung in einem optischen Koppler befindet und am optischen Koppler efestigt ist.