Spawanie włókien

1. Wprowadzenie
Łączenie włókien światłowodowych jest jednym z ważniejszych procesów montażu
optycznego traktu transmisyjnego. Do łączenia wykorzystuje się następujące metody:
 łączenie „na styk”,
 klejenie,
 spawanie.
Najpowszechniej stosuje się spawanie ze względu na najwyższą jakość połączeń. W metodzie
klejenia oraz łączenia „na styk” straty połączeń są większe i nie jest zagwarantowana
niezmienności parametrów połączenia w czasie.
W procesie spawania łączone włókna zostają ze sobą stopione. W przypadku włókien ze szkła
kwarcowego (włókna typowo stosowane w sieciach i telekomunikacji) temperatura ich
topnienia przekracza 1000C. Taką temperaturę osiąga się w łuku elektrycznym. Spawarki
światłowodowe dla włókien kwarcowych są urządzeniami wyposażonymi w elektrody,
pomiędzy którymi jest wytwarzany łuk elektryczny. Precyzyjne sterowanie prądem łuku
elektrycznego pozwala na dokładną kontrolę temperatury łuku. Drugim parametrem
kontrolowanym jest czas trwania łuku elektrycznego. W procesie spawania wyróżnia się trzy
etapy:
prąd
1
1. podgrzewanie wstępne,
2
3
2. spawanie właściwe
3. wygrzewanie końcowe.
czas
Dla każdego etapu osobno definiowany jest prąd i czas łuku elektrycznego. Wartości prądu
i czas dobierane są ze względu na typ spawanych światłowodów oraz warunki otoczenia
(temperatura, wiatr, wilgotność), w których proces jest realizowany.
Jakość łącza spawanego jest uwarunkowana od:
 właściwego przygotowania włókien,
 jakości obcięcia końcówek włókien,
 precyzji ustawień,
 właściwego doboru parametrów łuku elektrycznego.
Przygotowanie włókien polega na prawidłowym zdjęciu poszczególnych warstw izolacji.
Odpowiednia długość zdejmowanych izolacji musi umożliwić montaż kabla i włókien
w poszczególnych częściach przełącznicy światłowodowej. Włókna w pierwotnej powłoce
2
(powłoka akrylowa) powinny być na tyle długie, aby swobodnie sięgały do spawarki
światłowodowej (typowo ok. 2 m). Przygotowanie końcówek włókien do procesu spawania
wymaga zdjęcia powłoki pierwotnej (ok. 3 cm).
~ 3 cm
włókno bez powłoki pierwotnej
włókno w powłoce pierwotnej
Rys.1. Koniec włókna w powłoce pierwotne przygotowywanego do spawania
Oczyszczone z drobin brudu jest obcinane przez specjalistyczny nóż zapewniający
prostopadłość płaszczyzny końca włókna do jego osi. Odchylenie od prostopadłości utrudnia
precyzyjne pozycjonowanie włókien trzymanych przez uchwyty spawarki i zarazem wpływa
na jakość połączenia. Długość włókna bez powłoki pierwotnej po obcięciu powinna być
dopasowana do rozmiarów uchwytów pozycjonujących spawarki. Obcięte końcówki włókien
trzymane w uchwytach spawarki są pozycjonowane w trzech płaszczyznach XYZ (spotyka się
rozwiązania z kontrolą dwóch płaszczyzn YZ). Jeżeli końcówki włókien podczas montażu
w uchwytach zostały zabrudzone – przykleiły się drobiny kurzu, możliwe jest ich
oczyszczenie przez chwilowe zapalenie łuku elektrycznego (prespaw). Czyste, precyzyjnie
obcięte końcówki włókien są zbliżane do możliwie minimalnej szczeliny, co pozwala na
dokładne współosiowe ułożenie obu włókien zarówno w płaszczyźnie X jak i Y. Przy
zbliżaniu i pozycjonowaniu nie należy dopuszczać do zderzenia włókien czołami, które
prowadzi do powstawania mikropęknięć i odprysków na czołowej powierzchni włókien.
W konsekwencji podczas spawania ukruszone drobiny szkła w temperaturze topnienia będą
parować deformując stapiane włókna.
W procesie spawania – w pierwszym etapie – włókna ulegają podgrzaniu do temperatury
powodującej ich uplastycznienie. W ostatniej sekundzie procesu podgrzewania włókna
zostają do siebie dosunięte na tyle, aby czołami się dotknęły. W chwili rozpoczęcia procesu
spawania właściwego – gwałtowny wzrost temperatury łuku topi czoła włókien – końce
włókien stapiają się i jednocześnie są do siebie dosuwane w celu wyeliminowania efektu
przewężenia w miejscu połączenia. Efekt przewężenia jest spowodowany częściowym
odparowaniem szkła kwarcowego ulegającemu stopieniu. Dosuwanie włókien musi odbywać
się pod stałą kontrolą, aby nie doprowadzić do przegrubienia, które wystąpi, jeżeli zbyt
3
mocno włókna zostaną dosunięte do siebie. Z chwilą rozpoczęcia procesu wygrzewania
końcowego wszelkie manipulacje przesuwu włókien już nie są dokonywane. Jeżeli podczas
spawania właściwego wystąpiły deformacje spowodowane odparowywaniem okruchów szkła
lub zanieczyszczeń jak również efektem przewężenia (przegrubienia), dopuszcza się
powtórzenie procesu spawania bez zrywania włókna. Ponowienie procesu spawania powinno
wyeliminować powstałe deformacje. Należy jednak mieć na uwadze, że powtórzenie całego
procesu będzie powodowało dalsze dyfundowanie atomów domieszki z obszaru rdzenia
włókna do obszaru płaszcza, co w konsekwencji spowoduje wzrost tłumienności połączenia.
Powstały jednorodny odcinek włókna bez powłoki pierwotnej wymaga zaizolowania
specjalną osłonką termokurczliwą, która jednocześnie osłania ten fragment włókna przed
absorpcją jonów OH oraz wzmacnia go mechanicznie. Długość osłonki musi być ponad
dwukrotnie większa od długości końcówek włókien przygotowanych do spawania. Istotne
jest, aby osłonka założona na jednorodny odcinek pospawanych włókien obejmowała
fragment powłoki pierwotnej z obu stron tego odcinka (Rys.2.). Stopienie osłony na włóknie
kończy proces trwałego połączenia włókien.
włókno w powłoce pierwotnej
włókno bez powłoki pierwotnej
osłonka termokurczliwa
Rys.2. Izolacja połączenia pospawanych włókien osłonką termokurczliwą.
Pospawane włókna umieszcza się w specjalnej do tego celu przeznaczonej kopercie
wyposażonej w grzebień uchwytów na osłonki spawów. Do koperty mocowane są włókna
w osłonach wtórnych, których końce prowadzą do kabli transmisyjnych bądź do złączy
rozłączalnych.
Ułożenie
włókien w
kopercie
wymaga
staranności
i zachowania
maksymalnych promieni gięcia włókien, aby nie wprowadzać dodatkowych strat, które
w pomiarach były by identyfikowane jako straty w spawach.
4
2. Przebieg ćwiczenia
Do ćwiczenia wymagane jest przygotowanie przeznaczonych do spawania włókien
gradientowych o średnicy rdzenia 50um lub 62,5um o długości nie mniejszej niż 40cm.
Spawanie włókien jest realizowane za pomocą spawarki FOS-2, w której pozycjonowanie
włókien jest realizowane tylko manualnie. Jakość połączenia jest weryfikowana w pomiarem
tłumienności realizowanym metodą transmisyjną. Rys.3 przedstawia schemat układu
pomiarowego po połączeniu włókien.
Krok 1.
włókno 1
FOS-2
Źródło
światła
Miernik
mocy opt.
włókno 2
Krok 2.
Źródło
światła
FOS-2
Miernik
mocy opt.
włókno 1
włókno 2
Rys.3. Pomiar tłumienności met.transmisyjną.
Kroki postępowania:
1. Przygotowanie włókna 1 do pomiaru mocy optycznej:
a. oba końce oczyścić z warstwy akrylowej za pomocą strippera na długości 3cm,
b. po oczyszczeniu z drobin resztek akrylu materiałem nasączonym izopropanolem
obciąć nożem do włókien (obcięty koniec włókna jest czysty i po obcięciu należy
umieścić go w miejscu docelowym),
zapoznaj się z zasadami posługiwania się nożem !!! (załącznik)
c. koniec podłączany do nadajnika o długości nie mniejszej niż 15mm należy uzbroić
w złącze i podłączyć do źródła światła
d. drugi koniec o długości nie mniejszej niż 10mm (typowo 12mm) po obcięciu
umieścić w złączu miernika mocy i dokonaj pomiaru mocy optycznej odniesienia,
5
e. po dokonaniu pomiaru koniec włókna 1 wyciągnąć z uchwytu miernika mocy
i zamocować w uchwycie spawarki,
2. Przygotowanie włókien do spawania z pomiarem:
a. oba końce włókna 2 oczyścić z warstwy akrylowej za pomocą strippera
na długość 3cm,
b. po oczyszczeniu z drobin resztek akrylu materiałem nasączonym izopropanolem
obciąć nożem do włókien na długość nie mniejszą niż 10mm (typowo 12mm),
c. koniec włókna umieść w uchwycie spawarki i sprawdź jego położenie obserwując
przez obiektyw mikroskopowy (włókno powinno być widoczne w dwóch
płaszczyznach i mieć możliwość przesuwania wzdłużnego),
d. drugi koniec włókna po obcięciu umieścić w złączu miernika mocy,
3. Spawanie włókien
Włącz zasilanie spawarki (CIRCUT).
Obraz włókien widziany przez obiektyw mikroskopowy w dwóch płaszczyznach.
widok w płaszczyźnie I
widok w płaszczyźnie II
a. dokonaj ustawień parametrów spawania *:
Nastawy czasu
(sek.)
Nastawy temperatury
(1-10)
wygrzewanie wstępne
5
5
spawanie główne
3
4
wygrzewanie końcowe
5
4
Proces
* Parametry spawania można zmieniać w celu zbadania ich wpływu na jakość
połączenia. Tabela zawiera wartości typowe stosowane dla wł. gradientowych.
b. Włączyć obwód wysokiego napięcia (przycisk H.V.)
c. wykonaj prespaw – naciśnij przycisk START i po 1 sek. naciśnij przycisk STOP
6
d. obserwując położenie włókien przez obiektyw mikroskopowy ustaw czoła włókien
przy pomocy przesuwów XYZ dokładnie naprzeciw siebie zachowując szczelinę
rzędu ¼ średnicy włókna – nie wolno zderzać włókien czołami (włókna mogą
zostać pokruszone)
e. odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy
odniesienia,
f. wykonaj proces spawania – uruchomienie przyciskiem START (poszczególne etapy
procesu następują po sobie automatycznie po zadanym czasie; w trakcie spawania
każda mijająca sekunda wygrzewania wstępnego sygnalizowana jest sygnałem
dźwiękowym; po 3 sygnale należy dosunąć włókna do siebie aby połączyły się
czołami; w czasie spawania głównego kontroluj grubość włókna w miejscu
połączenia i jeżeli tego wymaga koryguj średnicę włókna dosuwając lub odsuwaj
włókna do/od siebie; w czasie wygrzewania końcowego nie przesuwa się włókien)
g. odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy
odniesienia,
h. jeżeli różnica wskazań przekracza 2dB oraz w miejscu połączenia dostrzegalne są
niejednorodności materiału wówczas ponów proces spawania, po którym ponownie
odczytaj wskazania miernika mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy
odniesienia,
i.
uwolnij włókna z uchwytów spawarki i ponownie odczytaj wskazania miernika
mocy i podaj różnicę wskazań w stosunku do mocy odniesienia,
j.
oceń wytrzymałość mechaniczną połączenia dokonując rozciągania włókna, zginania
oraz skręcania współosiowego.
4. W sprawozdaniu zamieść:
a. Wartość mocy odniesienia.
b. Szkice czoła włókien umieszczonych w uchwytach spawarki gotowych do spawania
oraz kształt włókna połączonego w miejscu spawu.
c. Wartości tłumienia zmierzone przed i po spawaniu oraz po wyjęciu z uchwytów
spawarki oraz ocenę wytrzymałości mechanicznej połączenia.
d. Przeprowadź kilka procesów spawania z różnymi nastawami oraz różnym
przygotowaniem włókien (jakością cieć i czystością czoła włókien) i na podstawie
uzyskanych wyników spróbuj określić, które czynniki i w jakim stopniu decydują
o jakości połączenia.
7