Сварка волокон с неровными сколами

Данный материал датируется 24 января 2008 года, он был создан специально для того, чтобы оправдать качество сколов скалывателей Sumitomo FC-6S, которое оставляло желать лучшего. Подробно описывается влияние формы скола на качество сварного соединения. Даются ЦУ (целевые указания), какие сколы допускается сваривать. Материал представляет ценность из-за реальной статистики по формам скола, приводящейся под конец. Большая часть наглядных иллюстраций и текста собраны и записаны в 2011 году в сервисном центре Файбертул. 


Перед вами классическая функциональная схема любого ординарного скалывателя оптических волокон. По этой схеме работают скалыватели Sumitomo FC-6S, Fujikura CT-30, Fitel S325, Jilong KL-21, DVP-105, VF-77, VF78 и многие, многие другие. Год производства не имеет значения, скалыватель Fitel S321 и современный Fitel S325 построены по одному и тому же принципу. Несмотря на такое видовое разнообразие, основные моменты везде одинаковы. Лезвие подвижной каретки расположено посредине между прижимами, а над ней также симметрично стоит наковальня. Центр наковальни и лезвия расположен по одной вертикальной линии, строго говоря, они должны совпадать. Любой люфт (колебания) каретки или наковальни вносит в скол погрешность. Ещё один важный момент: волокно должно быть натянуто, это обязательное условие хорошего скола. Натяжение обеспечивается зажимом волокна между прижимами. Волокно должно пересекать оба прижима, а усилие зажима должно быть таким, чтобы потянув за волокно можно было сдвинуть скалыватель с места. Воздушный зазор между прижимами недопустим, так как это вызовет резкое ухудшение углов скола (часто причиной тому бывают мелкие осколки волокон, застрявшие в резиновой подушке прижима). 

Важность натяжения волокна перед сколом иллюстрируется таким примером. Если попытаться разрезать арамидные нити (кевлар, например) обычными ножницами, то нити замнутся. Если же пучок нитей натянуть, то он легко разрежется. Принцип действия ординарного скалывателя таков, волокно зажимается и при этом натягивается, лезвие слегка подсекает его снизу, а сверху по этому месту бьет наковальня, и волокно ломается. При такой технологии волокно почти никогда не скалывается ровно поперек. На краю всегда есть брак, скол скола, если хотите. Образуются выступы, впадины, нарушается форма. На английском языке это называется crack, трещина. В Великом и Могучем есть слово, великолепно описывающее ситуацию. Это слово — выщерблина. Оно означает щербатый, ущербный, поврежденный и отколотый по краешку. Последнее в самую точку, мы будем говорить о волокнах, у которых поверхность поперечного скола отбилась по краешку. Мы говорим о волокнах с выщерблинами или по-другому, о волокнах с неровными краями скола. 

Форма скола оптического волокна на экране сварки 

Два одномодовых волокна поворачивали на небольшой угол и снимали скриншоты с одного и того же микроскопа MSX сварочного аппарата Sumitomo type-39. На первых двух картинках оба волокна расположены к объективу ровным краем, скол практически идеальный. Окаймляющий его нимб (полукруглый ореол), это на самом деле видимый с данной точки зрения край торцевой поверхности скола (нам очень нравится термин «экран местности»). Этот экран ровный, однородный и симметричный. Мы наблюдаем участок поверхности, который не имеет ущерба.  

    
На следующих снимках мы видим те же самые волокна, только повернутые вокруг своей оси и заново уложенные в V-канавку. Ореол правого волокна несимметричен, его форма искривляется сверху. Форма скола нарушена из за того, что кусок волокна отломился с краю, образовалась выщерблина.

 

Вы наверное заметили, что разница между наибольшим и наименьшим значением угла скола по оценке сварочного аппарата составила 0,5 градуса для левого волокна и 0,2 градуса для правого. Сварка не может оценить скол абсолютно точно, её погрешность очень велика, поэтому любой скалыватель, выдающий по оценке сварочного аппарата скол от 0 до 1 градуса, считается готовым к работе, а при оценке качества скола, его форма иногда важнее угла. 

Классическая схема оптической системы 

Перед вами оптическая система сварочного аппарата Sumitomo type-37 и Sumitomo type-39. Аналогично построены оптические системы многих других сварок оптики (различия могут быть в расположении микроскопов X и Y и соответствующих светодиодов). Монитор расположен со стороны шарнира ветрозащитной крышки, то есть слева. луч красного цвета бьет из светодиода и отражается от зеркала ветрозащитной крышки. Светодиодов как и зеркал два, направление света показано стрелками разных цветов. Отразившись от зеркала, свет проходит сквозь волокно и объектив микроскопа, попадая на матрицу, где и формируется изображение.


Микроскоп любого сварочного аппарата состоит из нескольких линз, как правило, их не больше пяти. Увеличение микроскопа не превышает 20 крат, поэтому когда говорят о увеличении волокон, допустим, в 320 раз, то имеют в виду цифровое увеличение. Между последней линзой объектива и матрицей находится воздушный зазор сантиметров 5. Выход из строя хотя бы одной линзы вызывает необратимое ухудшение изображения, ремонту такой узел не подлежит, его можно только заменить. 

Как аппарат видит выщерблины на сколе 

Микроскопы смотрят на волокна с двух взаимно перпендикулярных точек зрения. Следует помнить, что мы видим волокна на просвет, смотрим сквозь них. Ниже изображен скриншот с Sumitomo Type-39. В обоих полях сердцевины повреждены.


Если сфотографировать те же волокна с торца, то станет видно, что на самом деле сердцевина цела, а поврежден край волокна.

 


Просто волокна оказались ориентированы таким образом, что выщерблина попала на светлую сердцевину, и мы ее увидели. Точный угол скола волокна можно определить только взглянув на поперечный скол с помощью интерферометра. Каждая линия на поперечном сечении соответствует примерно 0,15 градуса.

 

11 линий означают угол скола 1,65 градуса, а три линии 0,45 градуса. Существует и такой вариант развития событий, выщерблина вообще может пройти незамеченной, для этого ей достаточно попасть на темный участок отражающей оболочки волокна. А ещё краевой скол волокон может показаться больше, чем он есть на самом деле. Действительно, волокно состоит из стекла и вполне может увеличивать изображение выщерблины. Это иллюстрируется на примере стеклянной палочки, на одной стороне которой черным маркером написана буква «A». При повороте на 180 градусов буква «А» увеличивается в размерах.

 

Любому монтажнику очень трудно поверить, что сердцевина волокна цела и невредима, ведь на мониторе всё выглядит иначе. В таких случаях вспоминайте, что отламывается волокно почти всегда на краю, а диаметр отражающей оболочки в 10 раз больше диаметра сердцевины. Волокну, чтобы добраться до сердцевины, нужно выкрошиться чуть ли не до самого центра, что бывает довольно редко.


Проиллюстрируем всё вышесказанное. Вот те же самые волокна, повернутые вокруг своей оси и вновь уложенные в аппарат.

Теперь сердцевина выглядит чистой, а выщерблина стала невидимой, потому что угодила на темную часть волокна. И только в одном поле заметно, что снизу край волокна отломился.


Если эти волокна теперь сварить, то результат скорее всего будет хорошим.


В каких случаях следует перекалывать волокно? Заграничные источники рекомендуют делать это, если край волокна откололся более чем на треть окружности волокна. Трудность в том, что оценить размер отколотого края сложно, потому что он почти никогда не виден целиком.



Реально размер выщерблины оценить трудно, тем более что монтажник не таскает с собой интерферометр (даже если бы он у него был), а обычные микроскопы для голого волокна бесполезны, да и времени на это уходило бы очень много, быстрее переколоть волокна, чем диагностировать их. Принятие решения остается за инсталлером (человеком), а единственной информацией — визуальная, которую дает монитор сварочного аппарата. Ну и сама сварка может забраковать форму скола, тогда волокна можно переложить или проигнорировать предупреждение и сварить принудительно. 

Как это работает, наглядная демонстрация 

 На мониторе Sumitomo Type-36 левый скол несомненно перекалываем, так как волокно отломилось вдоль.


Если его повернуть, то картинка изменится, тем не менее, перекалываем однозначно. Край скола явно деформирован, а изображение сердцевины искажено, значит на краю большая выщерблина. Эта выщерблина на третьем скриншоте попала в невидимую область, но она простирается слишком глубоко вдоль волокна. Тут все понятно.


Следующие скриншоты показывают одни и те же волокна на разных оптических сварках. Впервые можно посмотреть, как выглядит одинаковый скол на Fitel S178 и Fujikura FSM-60S.

 
Великолепная иллюстрация. Кажется, что волокно отломилось прямо в середине, на самом деле из второго скриншота понятно, что отломился краешек волокна, а до сердцевины очень далеко. Такие сколы уже можно варить. хотя аппарат скорее всего забракует их. Те же самые волокна на фуджикура fsm60 выглядят похоже. Причем сварка информирует, что форма скола плохая. Также видно, что скол отбит по краешку.

   

Заметьте, углы очень хорошие, а нарекания вызывает только форма скола.


Сварим эти волокна. Во время дуги в проблемных местах расплав заполняет пустоты и выходит за границы волокон, потом он «возвращается» в нормальные пределы. По величине выплеска можно сделать вывод о степени ущербности сколов.


Сварной стык получился качественным и выглядит хорошо. Большинство сколов, где волокно отбито по краю, варится нормально. Конечно, при условии, что дуга оптимизирована, и нет других недочетов.


Статистика по неровным сколам на разных скалывателях Данный сабж особенно ценный, так как степень его достоверности велика. Японцы провели испытания на данную тему в связи с претензиями к качеству сколов и настройке самих скалывателей. Вкратце дело было так, наши хаяли скалыватель Sumitomo FC-6S за неровную форму сколов и большие углы, а в качестве причин называли прлохую заводскую настройку и несимметричность наковальни относительно лезвия. Дескать, нож подсекает волокно в одном месте, а наковальня бьет совсем в другом, и углы получаются большие. Чтобы развеять эти домыслы, японские инженеры протестировали скалыватели и послали результат в Лондон, Якину Пателу (Yakeen Patel), заодно поручив ему объяснить русским, что они не правы. Якин с задачей справился отлично, он начал с простого предположения: скалыватель, работающий по классической функциональной схеме с наковальней и подвижной кареткой, в принципе должен оставлять неровности на краях волокна, от этого никуда не деться. Перед тем как продолжать, мы еще раз расскажем, что такое наковальня скалывателя.

Так выглядит наковальня скалывателя FC-6S. По-английски узел называется «anvil», в переводе наковальня. Лезвие находится внизу, на каретке, а наковальня соответственно сверху. Лезвие и наковальня расположены строго друг над другом, они как бы делятся пополам одной и той же вертикальной линией. Наковальня движется сверху вниз, раньше человек нажимал кнопку, а теперь при движении каретки вперед срабатывает пружина. Помимо основного движения сверху вниз, наковальня имеет небольшой люфт в перпендикулярном направлении, он необходим для плавного движения. Этот люфт очень мал у скалывателей японского и корейского производства. У китайского Kl-21B до недавнего времени (конец 2011 года) наковальня заметно шаталась, но и допуск на угол скола там был до 3-х градусов. Начиная с ноября 2011 года, наковальню китайского скалывателя модернизировали, сильно уменьшив ее колебания, такие скалыватели получили к названию прицеп в виде буквы «H», и стали называться KL-21B-H. 

На следующих фото показано, где именно устанавливается наковальня Sumitomo FC-6S.




Наковальню можно снимать и ставить обратно, не боясь, что скалыватель расстроится, пространства для настройки там нет, наковальня просто садится на свое место, и всё. Если наблюдается несоосность наковальни и лезвия, то спасаются тем, что двигают всю крышку скалывателя целиком, а на старых моделях (Fitel S321, S323, Fujikura CT-07) смещали каретку с лезвием, закладывая справа или слева тонкие металлические прокладки. 

Внимание! Данный текст публикуется впервые! 

 Градации высоты при подсчете ресурса лезвия. 

Недавно (10 января 2008 года) в SEI закончили серию испытаний, связанных с уровнем высоты лезвия. Они пришли к выводу что низкое положение лезвия (20 мкм) по сравнению с 40 мкм приводит к незначительной разнице в количестве наблюдаемых трещин, однако есть большая вероятность, что скалыватель не сколет больше волокон в положении 20 мкм, чем в положении 40 мкм, так как лезвие изнашивается. К ресурсу лезвия, подсчитанному как 1000 сколов на каждый уровень высоты (20мкм, 40мкм итд), мы относимся весьма скептически. Качество сколов на затупленном лезвии не ухудшается, зато количество «холостых» сколов начинает расти. Гарантированное количество приемлемых сколов на одной позиции лезвия скалывателя составляет минимум 1000, независимо от высоты ножа. При увеличении числа сколов качество их сильно рознится от одного случая к другому. 

Использовалось волокно в буфере 250мкм и штатный скалыватель Sumitomo FC-6S, принадлежащий сервисному центру. На определенной позиции лезвия делалось 10 сколов, затем лезвие поворачивали, делали еще 10 итд, всего 40 сколов: по 10 на четырех позициях лезвия. Затем нож поднимали и аналогично проделывали новую серию испытаний. Волокно закладывалось в аппарат по нескольку раз, с поворотом на 90 градусов, чтобы «поймать» в объектив выщерблину. Количество волокон с неровными сколами для различной высоты лезвия мы свели в диаграмму. Светлый цвет означает долю испытаний, во время которых сама сварка сигнализировала о ошибке формы скола (Cut Error). Использовался аппарат для сварки оптоволокна Sumitomo Type-37. Полученные данные позволяют сказать, что низкая высота лезвия (20мкм и 40мкм) не гарантируют хорошего качества формы скола, а на большой высоте лезвия (80мкм и 100мкм) количество брака повышается незначительно. Таким образом, требовать от завода, чтобы все скалыватели приходили настроенными на высоту 20мкм, не имеет смысла.

СкалывательFC-6S
Число сколов на каждой высоте лезвия 40
Высота лезвия 20мкм 40мкм 80мкм 100мкм
Сколы с хорошей формой 17 22 19 15
Ущербные сколы, забракованные сваркой (Ошибка скола) 3 3 11 6
Сколы с ущербом, но пропущенные сваркой 20 15 10 19
Всего ущербных сколов 23 18 21 25
Доля ущербных сколов, забракованных аппаратом, в % 7.5% 7.5% 27.5% 15%
Доля ущербных сколов, пропущенных аппаратом, в % 50% 37.5% 25% 47.5%
Общая доля ущербных сколов, в % 57.5% 45% 52.5% 62.5%


На рисунках, которые вы прислали в качестве примера, мы увидели набор сколов со следами царапин от лезвия и незначительно завышенными углами скола. Пожалуйста вспомните, что спецификация устанавливает типовой угол скола равный 0,5 градуса, но не значит что все сколы должны быть близки к этому значению. Угол скола в полградуса это так называемый «типичный» скол, значение 0,5 градуса не является гарантируемым. Раковины и царапины, возникающие на сколах, вызваны принципом работы скалывателя и могут влиять на качество, но только если они очень велики. Вообще говоря, если сварочный аппарат находит трещину (Он не всегда обнаруживает её, так как волокно бывает вложено по-разному) и не останавливает процесс сварки, то потери должны быть в допуске. Большинство пользователей ошибаются, когда считают, что необходимы «отличные сколы» и не допускают сварок со сколами, если видят, что на них есть хотя бы маленькая трещина. Они считают, что это повлияет на качество сварки, хотя фактически влияния это не оказывает. 

Замечание: Большие углы обычно появляются, если есть воздушный зазор между прижимами, когда крышка скалывателя закрыта. Трещины к большим углам скола не имеют отношения. Грязь на лезвии: при правильном использовании грязь на кромку лезвия может попасть только при контакте с волокном. Никакие другие части кромки лезвия не касаются. Мы допускаем, что время от времени лезвие нужно протирать ватной палочкой, смоченной изопропанолом. И наконец, инженеры SEI (Sumitomo Electric Industries) сказали, что положение наковальни скалывателя проверяется в процессе сборки, чтобы убедиться, что она расположена по центру лезвия. Если верхние и нижние прижимы скалывателя выровнены (они должны ровно прилегать), если смотреть на скалыватель сбоку, то и наковальня соосна с лезвием. Редко бывает, что смещена только одна наковальня. 

Статистика нарушений формы скола у разных скалывателей. 

Рассмотрим, статистику, собранную по четырем видам скалывателей: Sumitomo FC-6S, Fujikura CT-30, Furukawa S323 и Ilsin Cl-03. На каждом скалывателе сколото 40 волокон, по 10 волокон на 4-х позициях лезвия. Высота ножа везде одинакова и равна 60мкм. Для проверки формы скола использовался сварочный аппарат Sumitomo Type-37. Визуальный контроль каждого волокна проводился несколько раз, с поворотом волокон на 90 градусов, чтобы трещины, если они есть, попали в кадр.

Производитель скалывателя Sumitomo Furukawa Fujikura ILSIN
Модель FC-6S S323 CT-30 Cl-03
Высота лезвия 60мкм
Число сколов на каждом скалывателе 40
Сколы с хорошей формой 18 16 23 24
Ущербные сколы, забракованные сваркой (Ошибка скола) 6 11 4 9
Сколы с ущербом, но пропущенные сваркой 16 12 14 8
Всего ущербных сколов 22 23 18 17
Доля ущербных сколов, забракованных аппаратом, в % 15% 27.5% 10% 22.5%
Доля ущербных сколов, пропущенных аппаратом, в % 40% 30% 35% 20%
Общая доля ущербных сколов, в % 55% 57.5% 45% 42.5%

В результате теста больших различий между сравниваемыми образцами не отмечено. Так выглядел фотоотчет японского сервисного центра по обоим испытаниям:

Материал относится по времени к январю 2008 года, работа проводилась в Японии инженерами технической поддержки Sumitomo Electric (на скриншотах японские ироглифы). Степень достоверности материала высокая. Надеемся, что вам понравилось.
акция сервис-центра написать нам скачать каталог заказать звонок