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.

а)

б)

Рис. 5. Стрипперы а) термостриппер Fujikura HJS-02; б) химический стриппер Ericsson EUC 12

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.

Д

Рис. 6 Ультразвуковой очиститель волокна FujikuraUSC-01.

ля 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 скалывателей являются 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

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)	9	11-13	18	n/a
Вес (кг)	2.3	4.7	4.1	4.3		8.5	3.9
Автономное питание (циклов сварки)	80/160	60	есть	есть		80	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.

И

Рис. 11. Сварочный аппарат Fujikura 40S

з-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].

П

Рис. 13. Восстановитель покрытия Ericsson EFR 1000

о 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.