Wie heiß ist der Funke, der beim Schweißen aufblitzt? Schmilzt er Glas?
Der “Funke”, den man beim Faserspleißen sieht, wird physikalisch als Lichtbogenentladung (Arc Discharge) bezeichnet. Hier ist die Antwort auf Ihre Frage aus der Perspektive der Physik und Materialwissenschaft:
1. Wie heiß ist der Entladungsbogen?
Faserspleißgeräte erzeugen einen lokalen Plasma-Lichtbogen, indem sie Luft zwischen zwei Hochspannungs-Wolfram-Legierungselektroden durchschlagen:
- Temperatur des Plasmas im Lichtbogenzentrum: Kann typischerweise 2000^\circ\text{C}\sim 3000^\circ\text{C} oder sogar höher erreichen.
- Temperatur des erhitzten Bereichs der Faserenden: Das Spleißgerät steuert die Stärke des Entladungsstroms und die Dauer der Entladung (normalerweise einige zehn bis einige hundert Millisekunden) präzise, um die momentane Temperatur des lokal auf die Faserenden wirkenden Bereichs zwischen 1800^\circ\text{C}\sim 2000^\circ\text{C} zu halten.
2. Schmilzt es das Glas?
Ja, der physikalische Kernmechanismus des Spleißens besteht darin, das Quarzglas kurzzeitig zu schmelzen.
- Physikalische Eigenschaften des Materials: Die Hauptkomponente von Quarzfasern für die Telekommunikation ist hochreines Siliziumdioxid (\text{SiO}_2). Die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 1100^\circ\text{C}\sim 1200^\circ\text{C}, der Erweichungspunkt bei etwa 1650^\circ\text{C}\sim 1700^\circ\text{C} und die Schmelztemperatur liegt über 1710^\circ\text{C}.
- Spleißprozess:
- Vorschmelzen (Cleaning Arc): Vor dem eigentlichen Spleißen wird eine extrem kurze, schwache Entladung verwendet, um geringfügige Verunreinigungen zu entfernen, die auf den Endflächen zurückbleiben.
- Hauptschmelze (Main Arc): Die Lichtbogenentladung bringt das Quarzglas an den Stoßflächen der beiden Fasern augenblicklich in einen erweichten/geschmolzenen Zustand (Zähflüssigkeit).
- Vorschieben und Verschmelzen (Push/Overlap): Ein präziser Mikroschrittmotor schiebt die beiden Faserenden präzise nach innen, und das geschmolzene Glas verschmilzt unter dem kombinierten Einfluss von Oberflächenspannung und mechanischem Vorschub zu einer Einheit.
- Abkühlen und Verfestigen: Nachdem der Lichtbogen erloschen ist, kühlt die Spleißzone schnell ab und verfestigt sich, wodurch eine kontinuierliche, nahtlose Struktur des Glascores und des Mantels entsteht.
3. Wichtige Punkte der technischen Steuerung
Die Lichtbogenenergiesteuerung des Spleißgeräts ist sehr streng:
- Wenn die Temperatur zu niedrig/die Entladung unzureichend ist: Das Glas schmilzt nicht vollständig, und am Spleiß entstehen Mikroluftblasen, Risse oder eine schlechte Verbindung mit hohem Verlust.
- Wenn die Temperatur zu hoch/die Entladung übermäßig ist: Das Glas verdampft übermäßig oder verformt sich, was zu einer Verformung der Kernstruktur (Core Deformation) führt und ebenfalls die zusätzliche Einfügedämpfung des optischen Signals erheblich erhöht.