Технические характеристики некоторых сварочных аппаратов

Модель	FSM-50S	S176	Type 37	X77	M90	FSU15FI
Производитель	Fujikura	Fitel / Furukawa	Sumitomo	Corning	Corning	Ericsson
Метод выравнивания ОВ	PAS	LID	Т-Ф
Затухание для SM (дБ)	0.02	0.02	0.02	0.03 / 0.05	0.02 / 0.05	0.02
Затухание для DS/NZDS	0.04	0.03-0.04	0.05	n/a
Быстродействие (с)		11-13		n/a
Вес (кг)	2.3	4.7	4.1	4.3	8.5	3.9
Автономное питание (циклов сварки)	80/160		есть	есть		есть

Подавляющее большинство моделей сварочных аппаратов рас­считано на сварку двух световодов. Известны также аппараты, кото­рые позволяют сваривать одновременно несколько световодов лен­точных кабелей. Примером может служить модель FSM-20 японс­кой фирмы Fujikura и S148M фирмы Furukawa.

Рассмотрим подробнее сварочные аппараты, на которых будет выполняться лабораторная работа.

Сварочный аппарат СОВА-12 имеет энергонезависимую память параметров процесса сварки и позволяет хранить и неограниченное число раз корректировать до 15 групп параметров (программ) процесса сварки. Каждая группа содержит следующие корректируемые параметры: ток оплавления, время оплавления, ток сварки, время сварки, зазор между торцами оптических волокон, сдвиг оптических волокон, скорость сдвига оптических волокон. Производители гарантируют затухание на создаваемом сварном соединении не более 0,1 дБ. Сварочный аппарат СОВА-12 не производит пространственного выравнивания свариваемых волокон, которые центрируются только за счет укладки в прецизионную V-образную канавку. Полуавтоматика аппаратов этой группы осуществляет только установку зазора и линейное сведение волокон. Оператор дополнительно имеет возможность ручной визуальной юстировки концов световодов в двух плоскостях с помощью микроподвижек.

Сварочный аппарат Fujikura 40S (рис. 11) Сварочный аппарат использует PAS метод юстировки, а так же специальную функцию корректировки смещения сердечников в случае не концентричности волокон ECF (Eccentricity Correct Function). Благодаря этой функции сварочный аппарат вычисляет величину поверхностного натяжения оболочки волокна, разводит волокна на такое расстояние, чтобы силы поверхностного натяжения совместили сердечники при сварке. При этом важна длительность дуги, так как несмотря на ECF более длинная дуга в конечном счете приведет к возникновению сил поверхностного натяжения оболочки, и оси сердечников не будут выровнены. Кроме того, сварочный аппарат обладает такой функцией, как дуга «доварки», которая действует уже на сваренное волокно для улучшения качества сростка.

Из-за того, что электроды в процессе сварки покрываются оксидной пленкой, они нуждаются в периодической механической чистке. После 1000 сварок необходимо сменить электроды. Если вовремя этого не сделать, то в результате сростки получатся некачественным: повышается затухание и уменьшается прочность [4].

Сварочный аппарат Corning X77 (рис. 12 а) обладает функцией автоматического распознавания типа волокна (для определения возможности дальнейшего проведения работы). С помощью LID измерений могут быть получены высококачественные сростки с затуханием от 0,1 до 10 дБ, использующиеся в качестве аттенюаторов. В соответствии с потребностями пользователя предусмотрены такие методы юстировки, как CDS и LID. Благодаря чему аппарат способен определить углы между торцевыми поверхностями, углы между осями свариваемых волокон и другую статистику процесса сварки.

Устройство обладает глобальной системой позиционирования (GPS), позволяющей определить как высоту над уровнем моря, так и координаты места сварки. Система AFC (Automatic Fusion-time Control) сводит к минимуму влияние изменяющихся условий окружающей среды (давление, температура, влажность и т.п.) и износ электродов. Благодаря чему обеспечиваются наименьшие возможные потери, вносимые сварным соединением.

Устройство снабжено запатентованными P&D электродами, которые в сравнении с обычными помогают снизить значение затухания в местах сварных соединений на 50% у стандартных волокон и до 0,02 дБ у волокон с высоким эксцентриситетом. Устойчивая дуга электродов обеспечивает максимальную точность сварного соединения и долгосрочную работу самих электродов (до 7000 высококачественных сварных соединений). Кроме того электроды не нуждаются в механической чистке и защищены от повреждений специальными крышками [5].

По окончанию сварочного процесса, для защиты места сварки можно восстановить первоначальное защитное покрытие с помощью специальных устройств – восстановителей покрытия (рис. 13). Они обладают механизмами автоматической тяги и качественными компьютерными интерфейсами, позволяющими контролировать выполняемые функции при протягивании волокна, а также представляют возможность выбирать диаметр 250, 400 и 900 мкм, также как и длину участка покрытия волокна. Основными производителями восстановителей покрытия являются фирмы Ericson и Fujikura.

2.1 Методы юстировки оптических волокон.

Перед началом сращивания концы волокон помещают в V-образные металлические или керамические направляющие канавки блока юстировки и фиксируют магнитными прижимами. Процесс установки, начальное сведение волокон и контроль качества сростка осуществляется под визуальным контролем. В качестве устройства визуального контроля может быть использован обычный или проек­ционный микроскоп, а также встроенный телевизионный мониторе размером экрана по диагонали до 4 дюймов. В случае применения встроенного монитора, как правило, устанавливается стандартный телевизионный выход для подключения к внешнему видеоконтрольному устройству. Оптическая система контрольных устройств имеет коэффициент увеличения до 200 раз. Для получения более высокой точности юстировки может использоваться уголковое зеркало или две телекамеры, позволяющие одно­временно или поочередно наблюдать свариваемые волокна в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Существуют следующие способы юстировки оптических волокон:

1. Более простой по конструкции полуавтомат не производит пространственного выравнивания свариваемых волокон, которые центрируются только за счет укладки в прецизионную V-образную канавку (рис. 14). Полуавтоматика аппаратов этой группы осуществляет только линейное сведение волокон. В полуавтоматических сварочных аппаратах российского производства оператор дополнительно имеет возможность ручной визуальной юстировки концов световодов в двух плоскостях с помощью микроподвижек.

В отличие от полуавтоматов автоматические сварочные аппара­ты минимизируют потери в точке стыка волокон за счет их дополнительного выравнивания перед сваркой по двум координатам независимыми электромеханическими подвижками с точностью подачи до 0,1 мкм и с последующим сведением после подачи электрической дуги. Обычно одна из подвижек служит для линейных перемещений вдоль оси Z в процессе юстировки и сварки, тогда как вторая выполняет котировочные перемещения по осям X и Y. В аппаратах выравниванием по оболочке аналогично полуавтоматам контроллер управляет только одной подвижкой, а юстировка производится за счет укладки в V-образную канавку. Дополнительные функции автоматики ограничены подачей волокон в зону сварки с установкой заданной величины зазора, контролем качества скола и расчетом ожидаемой величины потерь [6].

2. Непосредственное наблюдение волокон посредством зеркал или двумя взаимно перпендикулярными видеосистемами с фотоприемниками с высокой разрешающей способностью получило название HDCM- метод (High resolution Direct Core Monitoring).

3. В большинстве аппаратов применяется система выравнивания волокон по изображению в параллельном пучке света PAS- система (Profile Alignment System). При таком методе юстировки волокна освещаются сбоку параллельным пучком света так, что из-за разницы показателей преломления оболочка и сердцевина фокусируют свет, действуя как цилиндрические линзы (рис. 15). При этом формируется изображение, на котором видны границы сердцевины и оболочки волокна, что позволяет определить эксцентриситет в каждом из волокон. Анализ изображения линии, вы­полняемый с помощью телекамеры и встроенного контроллера сва­рочного аппарата, позволяет осуществить юстировку световодов. Одновременно контроллер системы управления аппарата оценивает ка­чество скола торцевой поверхности волокон и в случае выявления каких-либо дефектов прекращает процесс сварки. Такая система особенно распространена в аппаратах японских производителей. Она используется и для грубой юстировки, и для тонкой подстройки волокон.

4. У европейских производителей PAS- система используется для грубой настройки. Тонкая юстировка осуществляется по максимуму мощности излучения, передаваемого через сварное соединение LID-системой (Local Injection and Detection). Этот метод основан на вводе контрольного оптического сигнала в сердцевину первого световода и съеме его из сердцевины второго с максимизацией выходного сигнала за счет перемещения волокон микроподвижками (рис.16).

Для ввода и вывода сигналов используются изгибные ответвители. Недостаток такого подхода состоит в том, что метод LID допускает работу не со всеми типами одномодовых световодов, не позволяя применять автоматику к волокнам в буферном покрытии 0,9 мм, а использование изгибного ответвителя увеличивает риск возникновения скрытых дефектов в световоде. Однако этот метод позволяет решить проблему, связанную с тем, что силы поверхностного натяжения стремятся совместить оси оболочек, и, следовательно, развести (при наличии в волокнах эксцентриситета) оси сердцевины волокон. Как результат - дополнительные потери на шве. Поэтому при данном методе предусмотрена коррекция эксцентриситета. Оси волокон предварительно разводятся на такое расстояние, на которое согласно компьютерному расчету надо развести оси сердцевины волокон так, чтобы силы поверхностного натяжения совместили их при сварке.

5. Метод юстировки по тепловизионным изображениям основан на управлении параметрами сварки на основе данных, полученных в результате анализа тепловых фотографий места стыка. В процессе сварки волокна излучают сигнал в ИК-диапазоне. Видеокамера через систему фильтров фиксирует изображения, которые запоминаются программой аппарата. Кроме того, информация обрабатывается численными методами и по команде отображается на дисплее. Таким образом, оператор получает достоверную информацию о состоянии волокон во время сварки, а не до или после нее, как в случае аппаратов с "холодным" изображением. По тепловым фотографиям вычисляются: профиль показателя преломления, градиент деформации сердцевины, диаметр модового пятна. Все значения вычисляются по двум осям. По этим данным можно определить тип волокна, отличить, эрбиевое волокно от волокна со смещенной дисперсией.

6. Кроме того, используется уникальный метод управления в режиме реального времени (RTC), с помощью которого можно получить хорошие результаты независимо от внешних условий и типа используемого волокна. Благодаря RTC удается измерить диаметры модовых пятен свариваемых волокон и изменить режим сварки таким образом, чтобы получить наилучший результат. Метод RTC основан на юстировке волокон способом CDS (Core Detection System) и начинается с короткого импульса, очищающего волокно. Затем следует более мощный импульс, который разогревает волокно до такой степени, что сквозь оболочку волокна становится видна сердцевина. Благодаря этому можно определить смещение сердцевины друг относительно друга. Определив смещение, сварочный аппарат совмещает волокна, учитывая при этом влияние поверхностного натяжения. Затем волокна сращиваются, причем сам процесс сварки отображается на экране дисплея. Если смещение сердцевины лежит в заданных пределах, а диаметры модовых пятен равны, то на этом сварка завершается. В противном случае волокна вновь разогреваются, и вносится очередная поправка. После проведения сварки волокна и оценки в двух плоскостях, можно вывести на экран два сохраненных тепловых изображения. Эти изображения показывают волокна в то время, когда возникает дуговой разряд. Оценки потерь могут отличаться от истинных из-за того, что существует задержка по времени между снимком и малыми перемещениями волокон в процессе сварки. Для оценки потерь и, чтобы учесть все факторы, действующие на волокно в критической зоне сварки (КЗС), необходимо выбрать изображение, на котором наиболее отчетливо видна сердцевина волокна. Метод CDS (Core Detection System) наиболее быстрый. Благодаря этому методу весь процесс сварки, включая юстировку, занимает несколько секунд, при этом получается качественный сросток [5].

2.2 Процесс сварки

Целью обеспечения высокого качества сварки предусматривается визуальная, а в ряде случаев и программная проверка устойчивости дуги в процессе разряда. Так, при контроле дуга должна быть прямой и стабильной, в противном случае электроды должны быть очищены или заменены. В связи с этим важным параметром является возможность самодиагностики износа электродов.

Учитывая, что параметры дуги зависят от климатических условий, в ряде сварочных аппаратов предусматривается автоматическая компенсация интенсивности разряда в зависимости от температуры, влажности и давления окружающей среды.

Если же сварочный аппарат не имеет подобной функции, то при изменении его места положения и условий окружающей среды, необходимо сделать калибровку дуги. После чего можно приступать непосредственно к процессу сварки.

Достижение высокого качества сварки невозможно без высокоточного позиционирования, которое осуществляется пьезокерамическими двигателями при юстировке и автоподаче волокон, позволяющими достичь максимального значения люфта системы юстировки, не превышающего 1 мкм. Точность центрирования посредством V-образной канавки достигается использованием стабильных материалов, в частности, керамической основы.

В результате юстировки волокна устанавливаются на расстоянии порядка 9 мкм, после чего разогреваются до температуры размягчения кварцевого стекла (ок. 1000 ºС). Размягченные волокна вдавливаются друг в друга на 5 мкм. Движению волокон при этом противодействует сила внутреннего трения (вязкость) и способствует сила поверхностного натяжения. Вытесненное из волокон при вдавливании расплавленное кварцевое стекло образует на поверхности волокон уплотнение близкое к сферической форме. По завершению сварки в еще нагретом состоянии волокно растягивается для того, чтобы уменьшить уплотнение на сростке.

Применение в сварочных аппаратах видеосистемы позволяет перед началом сварки визуально контролировать результат центрирования, тип сердцевины, качество торцов и микрозагрязнения свариваемых оптических волокон, а по окончании сварки оценить качество свариваемых соединений. Кроме того, ряд сварочных аппаратов представляет в цифровом виде значение угла скола и сдвиге осей оболочек (сердцевины) волокон до и после сварки, а также расчетное значение потерь в месте сварки. Однако такая оценка не учитывает всех возможных факторов, приводящих к возникновению потерь. Так, например, даже при высочайшем качестве сростка возможно возникновение дополнительных потерь, вызванных неравенством диаметров модовых пятен свариваемых волокон.

Результирующее значение потерь определяется либо косвенно по результатам осевых смещений сердечников при внешнем освещении волокна, либо прямым способом, когда центрирование волокон осуществляется по излучению, проходящему через оптические волокна.

Фундаментальными предпосылками обеспечения низкого значения потерь в месте сварки является концентричность сердечника и оболочки, хорошая подготовка торцевых поверхностей волокна.

После завершения сварки полуавтоматический и автоматичес­кий аппараты проверяют прочность сростка, растягивая волокна с усилием 200-250 г (стандартный тест) или 450 г (усиленный тест).

После сплавления волокон место стыка необходимо защитить. Наиболее популярной является термоусадка с помо­щью комплекта деталей защиты сростка (КДЗС) или защитной гильзы (protection sleeve). Этот комплект представляет собой термоусаживающую гильзу длиной 40 или 60 мм, внутри которой расположена трубка из материала с высокой текучестью (сэвилена) и металличес­кий стержень диаметром 1 мм. Обычно внешняя трубка гильзы вы­полняется бесцветной, возможна поставка на заказ цветных защит­ных гильз.

Перед сваркой гильзу КДЗС надевают на один из сращиваемых концов волокна. После сваривания ее надвигают на место стыка и нагревают в печке сварочного аппарата до температуры 100...120°С на протяжении 1-1,5 минуты. Для оптимизации процессов разогрева не­которые типы сварочных аппаратов позволяют выбрать одну из не­скольких возможных управляющих программ. В процессе нагрева сэвилен расплавляется, заливая место стыка волокон и прочно сцепляясь со стеклом и буферными покрытиями, а термоусаживающая трубка плотно прижимает металлический стержень к сращенным волокнам, надежно защищая за счет этого область сростка от изгибающих воздействий. Необходимость применения металлического стер­жня, который играет роль упрочняющего элемента, обусловлена тем, что в процессе сварки из-за термического удара прочность волокон снижается примерно на 20-30 %. После выполнения усадки гильзу укладывают в организатор сплайсов настенной муфты или разделочной полки, который, наряду с механической фиксацией, обеспечивает также соблюдение заданного радиуса изгиба волокон. Для вос­становления защитных оболочек ленточных кабелей применяются специальные гильзы, рассчитанные на 6 или 12 световодов ленты [7].

Большинство моделей сварочных аппаратов имеет интегрированную в них печку для усадки защитных гильз. В некоторых конст­рукциях применяется исполнение этого модуля в виде внешнего прибора с отдельным питанием.

Вместо гильз КДЗС в некоторых случаях могут применяться механические элементы защиты стыка (Mechanical Fusion Splice Protection Cover), которые представляют собой полимерный корпус из двух половин, соединенных пружинным шарниром с защелкой. Корпус надевается на место сварки, после чего шарнир закрывается под защелку. Выпускаемый американской фирмой АСА элемент ULTRASleeve этого типа может устанавливаться как на одиночное волокно в буферном покрытии 0,25 и 0,9 мм, так и на ленточные кабели максимум с 4 световодами. Время установки элемента не пре­вышает 30 с.

При производстве волоконно-оптических компонентов, не допускающих использования КДЗС, применяют восстановитель защитного покрытия оптического волокна. Восстановитель покрытия Fujikura FSR-02 обеспечивает восстановление цветного или бесцветного защитного покрытия оптического волокна до исходного диаметра после выполнения сварки. Программируемое усилие при тестировании сварного соединения на прочность от 4 до 20 Н. Для сварного соединения, не прошедшего тест на прочность, фиксируется усилие в момент разрыва бракованных соединений. Время восстановления покрытия составляет 15 с – нанесение, 15 с – полимеризация.

3. лабораторная работа «Сварка оптических волокон»

Цель работы: изучение работы сварочных аппаратов СОВА-12, Fujikura-40S и Corning-X77, использующие принципиально разные способы юстировки и практическое изготовление неразъемных соединений.

Основные функциональные кнопки сварочных аппаратов.

Сварочный аппарат Fujikura 40S.

<SET> Кнопка запуска процесса сварки. Так же может быть использована для перехода монитора в энергосберегающий режим. Выше кнопки находится индикатор Set Led, который горит в течение процесса сварки и гаснет при переходе в энергосберегающий режим.

<RESET> Кнопка возврата к началу процесса сварки (выполняется на любом этапе процесса). Не применима для прерывания работы печи.

<X/Y> Кнопка выбора изображения, выводящегося на экран сварочного аппарата. Изображение может выводиться на экран только в сечении X плоскости,Y плоскости или одновременно в двух X, Y плоскостях.

<ARC> Кнопка включения дуги «доварки»

<HEAT> Кнопка запуска работы печи. Кнопка снабжена индикатором Heat Led, который горит в процессе нагревания и гаснет в процессе охлаждения печи.

<MENU> Кнопка выбора Главного меню

<ON/OFF> Кнопка «Включение/выключение». Кнопка снабжена индикатором Power Led.

<HELP> Кнопка выбора меню Помощь

<ENT> Кнопка выполнения команды или выбора параметра выбранного на экране.

<EXIT> Возврат системы к предыдущему разделу меню

Кнопки передвижения курсора или изменения параметра

кнопки для перелистывания страниц меню

Сварочный аппарат Corning X77.

Кнопка для дополнительной информации

Переход к предыдущему положению курсора

Переход к последующему положению курсора

Выбор

Кнопка «Включение/выключение»

Кнопка возрастания значения

Кнопка убывания значения

Кнопка выбора или выхода из Главного меню

Ход лабораторной работы.

1. Подготовить необходимые материалы и инструменты:

- стрипперы;

- скалыватель;

- безворсовые салфетки;

- спирт;

- емкость для утилизации осколков волокна;

- КДЗС.

2. Надеть КДЗС

3. При помощи стрипперов освободить волокно от всех защитных оболочек, включая эпоксиокрилатное покрытие, на 2,5 – 3 см.

4. Снять остатки лака при помощи безворсовой салфетки, смоченной спиртом, до скрипа.

5. Провести скалывание торца волокна при помощи скалывателя на расстоянии 1,2 – 1,4 см от защитного покрытия волокна.

6. Все осколки строго утилизировать.

7. Установить параметры сварки в соответствии с вариантом задания:

- выбрать тип свариваемого волокна Т

- установить максимальный угол скола волокна А

- установить максимально допустимое значение потерь К

- установит паузу П

- режим нагрева печи (размер термоусаживающей гильзы) Г

8. Открыть крышки зажимов.

9. Уложить ОВ в V-образные канавки, чуть-чуть не доводя их до электродов, так, чтобы торцы волокна не касались при укладке никаких частей сварочного аппарата для сохранения качества торцевой поверхности.

10. Нажать кнопку SET для выполнения юстировки.

11. Срисовать (или сфотографировать) изображение волокон в двух плоскостях, появившихся на экране.

12. Записать значения углов скола правого и левого волокна

13. После проведения дуги записать оценочное значение потерь.

14. Результаты занести в таблицу № 2

15. На оголенный участок волокна надеть КДЗС, так, чтобы защитное покрытие было помещено в КДЗС не менее чем на 4 мм и место сростка было в центре.

16. Комплект КДЗС со сваренным оптическим волокном уложить в печь для термоусадки. Волокно укладывается под небольшим натяжением для устранения возможности появления микроизгибов при термоусадке. Нажать кнопку HEAT для выполнения термоусадки. Признаком качественной защиты места сварки является выдавливание расплава севилена на концах КДЗС.

17. По окончании работы необходимо:

· закрыть защитные крышки сварочного аппарата

· выключить питание

· отключить кабели питания и заземления

Таблица 2