Подготовка оптических волокон к сварке

Процесс сварки оптического волокна содержит следующие основные этапы:

Снятие защитного покрытия с концов сращиваемых оптических волокон. Выполняется с помощью стриппера для зачистки оптоволокна, который позволяет быстро и просто удалять защитное покрытие с оптического волокна любого типа с внешним диаметром оболочки от 0,25 до 0,9 мм, а затем зачищенный конец обезжиривается салфеткой смоченной специальной жидкостью или спиртом. Для осуществления успешной сварки необходимо как можно реже допускать контакты с волокном.

Подготовка торцов оптического волокна (скалывание). Скалывание оптического волокна осуществляется прецизионным скалывателем, который скалывает волокно на необходимую длину таким образом, чтобы угол по перпендикулярности торцов соединяемых волокон составлял не более 0,3 градуса. Скалыватель применяется для работы с одномодовым и многомодовым волокном, особенно в случаях, когда предъявляются повышенные требования к сварным соединениям.

Установка оптического волокна в сварочный аппарат и их юстировка. Юстировка оптических волокон осуществляется в автоматическом режиме, хотя метод управления процессом в режиме реального времени позволяет оператору вмешаться в режим сварки с целью получения наилучшего результата.

Сварка оптического волокна электрической дугой между двумя электродами. Режим сварки с выравниванием нагретых сердечников для одномодовых волокон с коррекцией эксцентриситета, обеспечивает стабильную центровку волокон и их последующую сварку.

Контроль качества сварки оптического волокна. Информация волокон обрабатывается численными методами и отображается на дисплее, что дает оператору возможность следить за процессом сварки. По тепловым изображениям, которые получаются в процессе сварки, вычисляется профиль показателя преломления сердцевины, градиент деформации сердцевины и диаметр модового пятна. Все значения даются по двум осям и используются для оптимизации результата сварки. Метод оценки потерь на сварном шве позволяет оценить затухание на шве с высокой точностью.

Защита и укладка сварного соединения оптического волокна. Для механической защиты волокна в месте сварки используют восстановители покрытия или термоусаживаемые гильзы — втулки из термоусаживаемого материала с упрочняющим элементом (металлический стержень или кварцевая оправка) для предотвращения изгиба волокон. Гильза надевается на одно из волокон до сварки, а затем сдвигается на нужное место и нагревается (до 90-150 градусов в течение одной минуты) во встроенной в сварочный аппарат печке для усадки гильз. Затем остывшую гильзу помещают в специальный паз сплайс–пластины оптического кросса или муфты для дополнительной защиты, а волокна укладываются вокруг гильзы.

1.1 Снятие защитного покрытия

Снятие защитного покрытия сращиваемых оптических волокон выполняется с помощью стриппера для зачистки оптического волокна, который позволяет быстро и просто удалять защитное покрытие с оптического волокна любого типа с внешним диаметром оболочки от 0,125 до 0,9 мм.

При зачистке стриппер держат под углом 45° к волокну и снимают защитное покрытие с конца волокна, оставляя при этом оголенное волокно длиной до 4 см.

Механическая зачистка нашла широкое применение при подготовке торцов волокон в полевых условиях. Но при таком методе очистки нельзя исключить возможность повреждения волокон режущими лезвиями.

Вследствие плохой зачистки волокна в зоне сварки могут возникнуть инородные вкрапления, что может ослабить механическую прочность шва, а если оно расположено в области сердцевины, то привести к дополнительным потерям.

Для химической зачистки применяются растворители красок, которые содержат в качестве активного вещества метилен хлорид. После замачивания концов стекловолокон в емкости с растворителем в течение минуты происходит размягчение первичного защитного покрытия, которое при незначительных усилиях снимается с волокна. При заводском способе зачистки в качестве активного вещества с соответствующими предосторожностями применяют горячую серную кислоту.

Применение химических стрипперов обеспечивает наивысшую прочность сварки до 25 Н.

Применение термо–стрипперов обеспечивает высококачественную зачистку оптического волокна, включая ленточное волокно, от защитного покрытия. В отличие от механических стрипперов не повреждает волокно, что значительно повышает надежность сварного соединения. Возможность регулировки температуры позволяет устанавливать оптимальный режим в зависимости от типа волокна и внешних условий.

После зачистки с волокна необходимо удалить остатки защитного покрытия, что можно сделать с помощью безворсовой салфетки, смоченной спиртом, или ультразвукового очистителя волокна.

1.2 Подготовка торцов волокон

Необходимым подготовительным мероприятием для соединения оптических волокон между собой является подготовка торцов волокон (скалывание), применяющееся для получе­ния торцевой поверхности световода с отклонением от перпендику­ляра не более 0,5-1° и минимальной шероховатостью. Наличие та­кой поверхности является необходимым условием для достижения малой величины потерь в сростке неразъемного соединителя.

Существует три основных метода: метод засечки и обламывания, использование автоматического устройства скола и метод шлифовки и полировки. Методика засечки и обламывания и автоматический скол используются для соединения стеклянных волокон, тогда как шлифовка и полировка применяется для пластиковых волокон и коннекторов.

Метод засечки и обламывания.

На очищенной стеклянной оболочки делается засечка с помощью твердого режущего материала, обычно алмаза, сапфира или лезвия их карбида вольфрама. Волокно удерживается под умеренным давлением пока по нему проходит режущее лезвие, затем давление возрастает и волокно обламывается. К такому методу относят пластину и ручку-скалыватель. Свое название последний получил из-за внешнего сходства с авторучкой. Он снабжается обычным или завинчивающимся колпачком, защищающим резак и имеющим зажим для крепления в кармане. Наиболее распространенные ручки выпускаются в двух модификациях: с ножевидным жалом из твердосплавного металла или керамики и с острием из синтетического корунда [1].

Ручки-скалыватели не позволяют получить высокое качество скола, и потому были разработаны более сложные и точные устройства.

Автоматическое устройство скола.

Скалывание выполняется полуавтоматическим или ручным инструментом. Принцип действия прецизионного скалывателя основан на нанесении на поверхность волокна, предва­рительно очищенную от защитных оболочек и обезжиренную спир­том, неглубокой насечки с последующим приложением к этой обла­сти растягивающего или изгибающего усилия. Под воздействием создаваемой нагрузки происходит рост трещины и ровный пер­пендикулярный оси скол световода в месте насечки.

Известны электронные, ультразвуковые и механические устрой­ства скола волокна, причем существуют варианты для обработки как одиночного волокна, так и группы волокон ленточного кабеля сра­зу. На практике получили распространение механические устрой­ства, которые обрабатывают один световод, они реализованы по двум основным кинематическим схемам: с поворотным и продольно-сколь­зящим резаками.

Скалыватели с поворотным резаком имеют две основные конструктивные разновидности.

В первой из них использовано гибкое пластинчатое основание и скрепленная с ним на оси подпружиненная крышка с резаком. Для получения скола волокно, очищенное от защитных покрытий на длину 20...30 мм, укладывают на основание в V-образную направ­ляющую канавку, фиксируют прижимом, опускают крышку, делая при этом насечку на оболочке, после чего изгибают пластинку осно­вания для получения скола.

Во втором варианте скалывателей с поворотным резаком световод фиксируют зажимами в двух точках. Второй зажим выполнен подвижным. После надсекания волокна этот зажим тянут в осевом направлении. Необходимая для нормальной работы прибора ориен­тация волокна задается трубчатой направляющей.

В конструкциях с продольно-скользящим резаком разделанное волокно сначала укладывают в V-образную канавку с двумя концевы­ми опорами, фиксируют на этих опорах и в V-образной канавке вспо­могательной и основной опускающимися крышками (последняя снаб­жена магнитным фиксатором), надсекают снизу между опорами дисковидным резаком из твердосплавного материала, закрепленным на подвижных салазках, а потом обламывают верхним подвижным при­жимом. Для создания оптимальных условий удержания волокна в ра­бочем положении использован магнитный фиксатор основной крыш­ки. Скалыватель снабжен также открывающим механизмом, срабаты­вающим после скола волокна при дальнейшем нажатии на подвижный прижим. В некоторых конструкциях для открывания основной крышки используется дополнительный рычаг.

2. Основное оборудование, использующегося при подготовке волокна и процессе сварки.

Основной причиной уменьшения качественных характеристик волокна является возникновение трещин в материале, которое происходит в процессе сварки. Даже небольшой контакт с незащищенным волокном может привести к возникновению в нем микротрещин. В связи с этим разрабатывается и совершенствуется оборудование для подготовки волокна к сварке.

Процесс подготовки волокна к сварке может начинаться с помещения его в волоконные держатели для повышения прочности будущего сварного соединения. Так как основная цель: избежать трещин и сколов независимо от их размеров и местоположения (в защитных оболочках или в самом волокне), – существуют держатели, разработанные таким образом, чтобы сделать минимально возможным усилие зажима волокна. Также с волокнами, помещенными в держатели, существенно легче и реальнее выполнять все последовательности операций без каких-либо контактов с ними.

Снятие защитной оболочки является одним из наиболее критических шагов в процессе сварки, так как именно на этом этапе могут происходить наибольшие повреждения волокна. Существует множество разновидностей стрипперов. Самыми распространенными являются: стриппер типа Claus и стриппер типа Miller.

Автоматические механические стрипперы (рис. 4). Особенность этих приборов заключается в наличии у них специально разработанного очищающего лезвия и автоматической тяги, что позволяет проводить снятие защитной оболочки без риска повредить волокна [2].

Рис. 4. Автоматический механический стриппер Ericsson EFS-10.

Термо-стриппер обеспечивает высококачественную зачистку оптического волокна, включая ленточное волокно, от защитного покрытия (рис.5а). В отличие от механических стрипперов он не повреждает волокно, что значительно повышает надежность сварного соединения. Число зачищаемых одновременно волокон 1 – 12, толщина защитного покрытия 250 – 400 мкм. Зачищаемая длина составляет 35 мм. Возможность регулировки температуры позволяет устанавливать оптимальный режим в зависимости от типа волокна и внешних условий.

Кроме этого существуют устройства для химической очистки (рис. 5 б). При использовании такого очистителя волоконный держатель помещается в кювету с этанолом или пропанолом, и через заданное время получится чистое подготовленное волокно с отсутствием трещин. При этом для качественной сварки необходимо помнить об обеспечении каждый раз одинаковой глубины погружения волокна в раствор.

Для последующей очистки волокна от остатков защитного покрытия могут применяться ультразвуковые очистители волокна (рис. 6), поскольку даже применение тампонов из хлопка или безворсовых салфеток не может гарантировать защиту от микроповреждений. Ультразвуковая волна (частотой 50 кГц и выходной мощностью 6 Вт) очищает оптическое волокно от грязи и остатков защитного покрытия без повреждения, упрощая подготовку волокна к сварке и значительно повышая ее качество [2].

Типичным примером скалывателейявляются уст­ройства серии фирмы Fujikura. Эти скалыватели производятся в нескольких конструктивных модификациях, отличающихся друг от друга возможностью обработки волокна в буферных покрытиях раз­личного диаметра и получения скола разной длины. Наибольшее распространение получила модель СТ-07, которая позволяет обра­батывать волокно в буферном покрытии 0,9 и 0,25 мм, для чего име­ет две параллельные V-образные канавки различной глубины и снабжена линейкой для установки длины скола световода в пределах 6-20 мм с точностью до 0,5 мм.

Устройства серии СТ несколько проигрывают скалывателям пред­шествующей группы по массогабаритным показателям, однако суще­ственно превосходят их по качеству скола (отклонение от перпенди­куляра 0,5° против 1,5° у аналога) и долговечности, так как затупив­шаяся кромка резака (долговечность порядка 600-1000 сколов) легко меняется на острую простым поворотом режущего диска на 30°.

Отечественной промышленностью выпускается устройство для скола оптического волокна «Алмаз», которое является аналогом скалывателя СТ и отличается от него применением ножевидного алмаз­ного резака вместо круглого металлического.

Сварочный аппарат является одним из основных технологических приборов для работы с оптоволокном. Его применение дает наи­большую производительность труда при изготовлении неразъемных соединителей в сочетании с минимальными потерями в изготавли­ваемом сростке и его наибольшей надежностью.

Принцип действия аппарата основан на расплавлении предва­рительно отъюстированных концов сращиваемых волокон электри­ческой дугой с последующим их сведением и слиянием. Возникаю­щие при сведении волокон силы поверхностного натяжения допол­нительно уменьшают смещение осей сращиваемых волокон. Каче­ство сварного сростка сильно зависит от состояния торцевой поверх­ности свариваемых световодов. Не менее важным является состояние боковой поверхности волокон. Для ее очи­стки и удаления возможных трещин используется предварительное оплавление за счет подачи короткого электрического разряда.

В настоящее время разработано большое количество моделей сварочных аппаратов. Их классификация представлена на рис.8. По принципу выравнивания светово­дов перед выполнением сварки аппараты делятся на ручные, полу­автоматические и автоматические. В настоящее время аппараты первого типа почти полностью вытеснены из практического использо­вания, что объясняется нестабильностью характеристик изготавли­ваемых на них сростков и невозможностью сращивания одномодовых волокон с гарантированным малым затуханием в соединении. Небольшая величина потерь, а также стабильность и хорошая пов­торяемость параметров сростков, изготовленных на полуавтомати­ческом и автоматическом сварочном аппарате, достигнуты за счет применения в их конструкциях встроенного блока микропроцессор­ного управления. Последний осуществляет регулировку тока оплав­ления и сварки, времени подачи электрической дуги в различных режимах, скорость и величину сближения волокон и другие пара­метры.

Рис.8. Типы сварочных аппаратов

Рис. 9. Полуавтоматический сварочный аппарат FSM-05VII

В зависимости от типа свариваемых волокон все многообразие сварочных аппаратов подразделяется на специализированные сварочные аппараты, предназначенные для сварки определенного типа волокон, и универсальные, которые производят сварку оптических волокон различных типов. Сварка всех типов одномодовых и многомодовых оптически волокон, включая волокна с тонкой сердцевиной, волокна со смещенной дисперсией, волокна легированные эрбием осуществляется автоматическими сварочными аппаратами. Эти аппараты позволяют производить просто сварку и сварку с внесением заданного значения потерь и работают как от 220 вольт, так и от аккумулятора 12 вольт, что удобно при монтаже ВОЛС вне досягаемости электрической сети.

Полуавтоматический сварочный аппарат часто представляет собой весьма малогабаритный прибор. Например, устройство FSM-05VII фирмы Fujikura (рис. 9) при габаритах 178x127x125 мм весит всего 2,5 кг и позволяет сваривать как одномодовые, так и многомодовые свето­воды с потерями не более 0,1 дБ.

При выборе параметров сварки некоторые типы автоматичес­ких аппаратов осуществляют учет температуры, атмосферного дав­ления и влажности. Кроме того, оператор имеет возможность выбора одной из нескольких стандартных программ сварки (от 8 до 30 для разных аппаратов), а также создания индивидуальных программ, параметры которых заносятся во внутреннюю память прибора. Туда же записываются режимы выполненных сварок и величины потерь. Хранящиеся в памяти параметры могут быть считаны на экран встроенного дисплея или на внешнее устройство. Для выполнения последней операции используется стандартный интерфейс RS-232C.

Для обеспечения возможности работы в полевых условиях сва­рочные аппараты снабжаются встроенным или внешним никель-кад­миевым аккумулятором, емкости которого достаточно для выполне­ния от 40 до 120 сварок и усадки соответствующего количества за­щитных гильз. Предусматривается также возможность подключения к 12-вольтовому аккумулятору (непосредственно или через гнездо прикуривателя автомобиля).

С эксплуатационной точки зрения сварочные аппараты должны обеспечивать:

1. Простоту эксплуатации, даже в неблагоприятных для этого условиях;

2. Оперативное представление значения потерь;

3. Гарантированное воспроизведение результатов процесса сварки;

4. Удобство интерактивного взаимодействия.

Все эти условия достигаются с помощью автоматизации процесса сварки, путем введения в сварочный аппарат системы автоматического управления (рис. 10). Управление системой юстировки осуществляется микропроцессором, обрабатывающим сигналы фотоприемников в соответствии с используемым алгоритмом. Задание необходимых исходных данных и программы математической обработки указанных сигналов осуществляется с терминала сварочного аппарата при контроле цифровой и графической информации о введенных данных, процессе и результате сварки посредством ЖКИ дисплея [3].

Рис. 10. Схема системы управления автоматического сварочного аппарата.

На российском рынке наибольшее распространение получили сварочные аппараты фирм Fujikura, Furukawa, Sumitomo, Siemens, Ericsson и Aurora Instruments. Параметры некоторых типов аппара­тов приведены в таблице 1.

Таблица 1