Principle of preparation and parameters test of polarization-maintaining fiber
-
摘要: 为了研制工作波长为1310 nm的保偏光纤，采用改进的化学气相沉积工艺制备了保偏光纤预制捧和应力棒，经加工、拼接、清洗、拉丝工艺后，得到几何尺寸精确的高质量保偏光纤；同时搭建了高效测试系统，采用折射近场法、远场扫描法、视频灰度技术(传输近场)，分别测量了预制棒的折射率分布和几何尺寸，保偏光纤模场直径、数值孔径、几何尺寸等关键参数。结果表明，此标准化测试系统操作流程简单、结果精确；模场直径为6.26 μm，数值孔径为0.23，包涂直径80 μm/135 μm/165 μm(精度±0.7 μm)；终检测试合格的光纤成品随机抽样16.25%，高低温老化实验后拍长、串音变化小。所研制的保偏光纤性能稳定，几何尺寸精确、结构均匀、损耗低，具有优良保偏性能，已广泛应用于实际生产中。Abstract: In order to develop a polarization-maintaining fiber with a working wavelength of 1310 nm, the prepare preform and stress rod of polarization-maintaining(PM) fiber were prepared by a modified chemical vapor deposition process. The high-quality PM fiber with precise geometric size was produced after processing, splicing, cleaning, and drawing. At the same time, an efficient test system was set up to measure the refractive index and geometry of preform, mode-field diameter (MFD), and numerical aperture(NA), and geometry of PM fiber by technologies such as the refractive near-field method, far-field scanning and, video gray scale technology (transmission near field). The results show that the standardized test system has simple operation and accurate results, and MFD is 6.26 μm, NA is 0.23, and cladding and coating diameter is 80 μm/135 μm/165 μm (accuracy ±0.7 μm). After the final test, 16.25% of the qualified fiber products are sampled randomly for high and low temperature aging, and the beat length and crosstalk change little after the experiment. The PM fiber developed in this design has stable performance, precise geometric size, uniform structure, low loss, and excellent polarization maintaining performance, which has been widely used in practical production.
-
0. 引言
球墨铸铁重量低、减震性好、成本低等特点，广泛应用于工业领域的重要构件中，如车辆发动机、船舶发动机和大型曲轴等[1]。钢在强度和韧性方面优于球墨铸铁，此外钢更容易进行表面加工处理。因此，将球墨铸铁和钢组合一起应用在汽车减速器中，可实现汽车生产效益最大化。传统的汽车减速器由球墨铸铁(齿圈)和低碳钢(减速器壳)两种材料通过螺栓连接而成，需要额外的装配零件法兰来确保螺栓连接的空间，并且在螺栓连接之前需要孔制造过程，增加了生产成本。新能源汽车销量占汽车总销量20%的目标预计在2025年实现，当前螺栓连接方法将不能满足新能源汽车未来的生产需求和轻量化小型化的设计理念，迫切需要通过焊接的方式来减低新能源汽车重量和生产周期，提高续航里程实现轻量化生产，增长企业生产效率，同时也为未来减速器的优化设计节约设计空间。
在搅拌摩擦焊焊接中实现了球墨铸铁和低碳钢的良好焊接，但焊接尾部匙孔的存在，使得在封闭的环形焊接线路上的推广应用仍存在问题[2]。采用镍电极对灰铸铁进行保护金属极电弧焊中，使用镍电极有助于碳以石墨的形式沉淀，阻止马氏体相的生成，但受其冷却速度的影响，界面处的石墨呈现枝晶形状[3]。电弧焊的高热输入容易导致焊接件严重变形，同时形成的熔化区和热影响区较为宽大，限制其在高精度的焊接上的生产应用。通过研究焊接次数对球墨铸铁和低碳钢的电子束焊影响，发现单道焊接方式生成细密的马氏体组织，双道焊接由于冷却速率减缓，形成较为粗大的马氏体组织，但焊接接头的抗拉强度均不太理想[4]。电子束焊接真空环境的创建能够避免外界环境对熔池的影响，获得优质的焊接件，随之而来的问题是焊件的尺寸受限于真空室的规模，同时抽真空环节所损耗的时间是在生产应用中不得不权衡的问题。而激光焊具有与电子束焊相似的优点，同时激光焊接能够在室温环境进行，无需真空环境的创建[5-6]。在对铁素体基体和珠光体基体的灰铸铁激光焊接实验中，通过镍基材料的填充，可获得微裂纹或者无裂纹的试样件[7]。硬脆相组织的出现是裂纹产生的主要原因。镍基材料的填充可扩大稳定系共晶温度区间，碳原子扩散能力增强，通过促进石墨化进程来抑制碳元素向熔池中扩散，进而改善焊接质量[8]。
本文中研究激光功率和焊接速度对球墨铸铁和低碳钢激光焊接接头组织与性能影响，在此基础上进一步研究镍基材料优化焊接质量，探究了不同焊接方式对球墨铸铁和低碳钢的影响，为后续球墨铸铁与低碳钢高功率激光焊接工艺优化提供理论依据和数据支撑。
1. 实验
1.1 实验材料
实验中采用低碳钢20CrMnTi与球墨铸铁QT450-10的材料进行平板对接焊，试样材料尺寸均为100 mm×50 mm×5 mm，母材的化学成分见表 1所示。
表 1 母材的化学成分(质量分数w)/%Table 1. Chemical composition of base metal(mass fraction w)/%material w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Fe) 20CrMnTi 0.17~0.23 0.17~0.37 0.18~1.10 ≤0.03 ≤0.03 balance QT450-10 3.70~3.90 2.40~2.60 0.15~0.30 ≤0.04 ≤0.02 balance 对试样件进行填粉或填丝焊接时，试样件开Y型坡口，钝边长度为1 mm，坡口角度为15°。填充镍基粉末和镍基焊丝的化学成分如表 2所示。
表 2 填充粉末和焊丝的化学成分(质量分数w)/%Table 2. Chemical composition of filler powder and wire(mass fraction w)/%material w(C) w(Si) w(Mn) w(Cr) w(Mo) w(Nb) w(Fe) w(Ni) Ni201 0.02 0.10 0.40 15.50 15.50 0.31 0.70 balance ERNiCrMo-4 0.009 0.12 0.05 21.9 8.65 3.70 0.40 balance 1.2 实验设备与方法
采用德国Trumpf公司的TruDisk8002型激光器(波长1.06 μm)。焊接过程中采用流量为8 L/min的氩气作为焊接保护气体，以防止在焊接过程中产生不利于连接性能的氧化，具体焊接参数如表 3所示。
表 3 焊接参数Table 3. Welding parameterssample power/W speed/(m·min-1) defocus/mm weldmethod 1 3500 2.4 -2 not filler 2 3750 2.4 -2 3 4000 2.4 -2 4 4250 2.4 -2 5 4500 2.4 -2 6 4000 1.2 -2 7 4000 1.8 -2 8 4000 2.4 -2 9 4000 3.0 -2 10 4000 3.6 -2 11 2500 1.2 -2 filler powder 12 3000 1.2 -2 filler wire 实验完成后，使用电火花线切割将所有试样件切割成14 mm×7 mm×5 mm的金相测试样。使用200~2000粒度的砂纸机型对镶嵌好的金相试样件进行研磨抛光处理后，选择4 mL HNO3+ 96 mL酒精的金相腐蚀液对抛光后的金相试样件进行观测前腐蚀。随后使用光学金相显微镜对腐蚀件进行了显微组织观测与分析。采用电子万能试验机以1 m/min的拉伸速率对试样进行了力学性能测试，拉伸试样形状和尺寸如图 1所示。试样的拉伸断口形貌则使用扫描电镜观察并分析。
2. 结果与分析
2.1 焊接接头的宏观形貌
从图 2(对应表 3中的试样件1~5)和图 3(对应表 3中的试样件6~10)中观测到，随着激光功率逐渐增加或焊接速率逐渐变缓，焊接接头的截面形貌从未熔透状态的“Y”型向熔透状态的类“X”型转变。当激光功率较低或焊接速率过快时，由于热输入不足导致焊接件未焊透。随着热输入的提升，熔池从未熔透状态逐渐向熔透状态转化。临近焊件表面处的热对流的存在是试样件焊接接头的截面形貌呈现“Y”型和类“X”型的主要原因[9-10]。试样件上部分的熔宽与热输入呈正比关系，随着热输入的增加，在单位时间内熔化的材料增多，加剧涡流的流动使得热传导加快。
![图 2 不同激光功率下焊接接头的截面形貌]()
图 2 不同激光功率下焊接接头的截面形貌Figure 2. Section morphology of welded joints under different power![图 3 不同焊接速率下焊接接头的截面形貌]()
图 3 不同焊接速率下焊接接头的截面形貌Figure 3. Section morphology of welded joints under different speeds2.2 焊接接头的微观组织
图 4中列出了在球墨铸铁侧热影响区内产生的3种壳体结构。分别是双壳结构(见图 4a)、单壳结构(见图 4b)以及无核结构(见图 4c)。热影响区在冷却过程中发生2种相变 [11-13]：液体→莱氏体；奥氏体→马氏体。当激光束照射工件表面时，熔池处集中了大量热量，热量随时间不断向基体扩散，石墨吸热后快速熔解和扩散，石墨周围碳含量快速升高，由于激光焊接过程中较大的冷却速度，在球铁侧热影响区易形成莱氏体和马氏体相[14-16]。因此在球铁侧热影响区内形成3种壳体结构：双壳结构、单壳结构和无核结构[17]。石墨形核过程中对周围碳产生了吸附作用，使石墨周围存在贫碳区域，且在冷却过程中，石墨散热作用使周围温度梯度变缓，从而在该区域生成包裹石墨球的马氏体薄壳。而在马氏体壳外侧，由于温度的降低和碳的扩散距离有限，加上缺少石墨的散热作用及马氏体形成区域的阻隔，最终形成了从内到外石墨球+薄壁马氏体组织+莱氏体组织的双壳结构。单壳结构的产生是由于最高温度超过奥氏体转变温度，但低于共晶转变温度，在该区域达不到莱氏体组织形成条件，在冷却作用下形成被马氏体包围的单壳结构。无核结构中缺少石墨球，石墨受热分解向四周扩散，局部的碳含量不足以产生形核效果，同时该处满足莱氏体的产生条件而形成了类似包含莱氏体的球形结构。
20CrMnTi侧热影响区组织主要由马氏体组织构成，如图 5所示。在球墨铸铁和低碳钢激光焊接过程中，20CrMnTi侧热影响区温度超过奥氏体转变温度，因此在20CrMnTi侧热影响区观察到马氏体组织。由树枝晶组织、少量的莱氏体组织和马氏体组织构成的焊缝区还可观测到石墨球的残留。同时在焊缝区域存在少量微裂纹，这是由于局部石墨的吸附集聚作用，在焊接过程中存在富碳区域，在冷却过程中易形成马氏体和莱氏体组织，导致残余应力较大，进而导致微裂纹的形成[18]。
2.3 焊接接头的力学性能分析
由图 6和图 7中观测到，当激光功率逐渐增加或焊接速率逐渐变缓时，试样件焊接接头的抗拉强度表现出先升高后减低的变化趋势。当焊接功率为4250 W、焊接速率为2.4 m/min时，试样件焊接接头的抗拉强度处于极值400 MPa。当热输入不足时，材料吸收的能量不足以将焊接件焊透，从而导致焊接接头的力学性能严重下降。在激光功率过大或焊接速率过小的情况下，球墨铸铁侧热影响区脆硬相的存在(马氏体和莱氏体)是影响断裂的主要原因[19]。碳向四周扩散的速度随着热输入的增大而增快，在激光焊接快速冷却的作用下，球墨铸铁侧热影响区易产生莱氏体和马氏体组织，形成硬脆区域。值得强调的是：尽管焊缝区出现微小裂纹，但这并不是拉伸断裂的主要因素，脆硬相和石墨球的存在是拉伸断裂的主导因素。
图 8为实验扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)断口局部图。可观察到解理面，试样件发生脆性断裂，同时在断面中发现石墨球和与基体剥离的石墨球残留下的空洞。热影响区石墨球的残留，在石墨球周围形成马氏体和莱氏体等高脆硬相的组织，石墨球周围应力集中较大，在残余应力和脆硬相加速作用下，裂纹从石墨球处萌发扩散相连直至试验件断裂[18]。
2.4 添加镍基材料
图 9和图 10分别为焊缝能谱仪(energy dispersive spectrometer, EDS)分析图与实验焊接接头硬度分布曲线。由图可知，镍通过提高共晶转变温度和减低共析转变温度的方式减缓热影响区硬脆相的形成，但是不能阻止热影响区内原有的微观结构转变，如马氏体和莱氏体等脆性相的产生，这也解释了不同的焊接方式下硬度变化规律基本相同的原因。最大硬度值出现在球墨铸铁侧热影响区, 均超过1000 HV0.5。QT450-10侧热影响区宽度相对于20CrMnTi侧热影响区较窄，这与母材的热传导率有关。
镍基材料有效地阻挡母材中的石墨球向焊缝的扩散作用，消除了因焊缝处硬脆相生成而诱发的裂纹，获得如图 11所示的无裂纹焊缝。合金元素在室温条件下对试样件的抗拉强度影响甚微[20]，但使用镍基填充材料能够一定程度减低硬脆相生成的机率，使填充镍基材料试样件的抗拉强度整体均高于直接焊接，最大差值为40 MPa，如图 12所示。
3. 结论
(a) 在激光功率为4250 W、焊接速率为2.4 m/min的条件下，试样件焊接接头的强度处于极值400 MPa。试样件抗拉强度随着热输入的增加, 呈现先增加后减小的变化趋势。
(b) 直接焊接方式在焊缝区出现微裂纹，添加镍基材料能够阻止碳向熔池中扩散，消除了因焊缝处硬脆相生成而诱发的裂纹，获得无裂纹焊缝。硬脆相是拉伸断裂在热影响区的主要因素。
(c) 3种焊接方式的焊接接头硬度呈M型分布。镍基材料不改变热影响区内原有的微观结构转变。在球墨铸铁侧热影响区内形成双壳结构、单壳结构和无核结构。球墨铸铁侧热影响区由莱氏体和马氏体组织等组成，最大值出现在球墨铸铁侧热影响区，均超过1000 HV0.5。
-
![]()
图 3 保偏光纤远场扫描及模场直径和数值孔径测试结果图
Figure 3. Far-field scanning of PM fiber and test results of MFD and NA
表 1 特征参数测试结果
Table 1 Test results of characteristic parameters
type of test diameter/
μmnon-circularity/
%concentricity/
μmcladding 79.437 0.906 — core(25.0%) 6.134 1.109 0.095 rod C1 23.269 1.107 16.555 rod C2 23.237 3.259 16.629 primary 134.334 0.310 0.212 secondary 165.142 0.280 0.013 
下载: 导出CSV
表 2 高低温实验结果
Table 2 Test results of high and low temperature aging
serial number 25 ℃ -55 ℃ 80 ℃ beat length/mm attenuation/dBm crosstalk/dB attenuation/dBm crosstalk/dB attenuation/dBm crosstalk/dB 1 -13.71 -21.8 -11.98 -23.3 -12.01 -20.0 2.21 2 -12.75 -22.1 -12.68 -23.0 -12.58 -20.5 2.24 3 -14.81 -22.0 -14.91 -22.7 -15.06 -19.4 2.25 4 -12.34 -23.9 -12.24 -23.8 -12.06 -21.5 2.22 5 -13.81 -23.3 -13.44 -22.6 -13.49 -20.8 2.20
下载: 导出CSV
表 3 各公司参数测试结果
Table 3 Test results of parameters of each company
company fiber loss/
(dB·km-1)beat length/
mmcrosstalk/
dBYOEC 0.36 2.29 -20.6 the 46th Research Institute 0.42 2.15 -24.9 Jiangsu Fasten Optoelectronics 0.46 2.09 -19.6 Yangtze 0.53 2.39 -19.4 Fenghuo communication 0.54 1.58 -29.6
下载: 导出CSV
-
[1] 郑勇, 肖旺, 朱正伟. 一种大量程光纤弯曲损耗型线性位移传感器研究[J]. 光学学报, 2020, 40(12): 1206002. ZHENG Y, XIAO W, ZHU Zh W. Researd on an optial fiber linear displacenent sensor based on bending loss for use over large range[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(12): 1206002(in Chinese).
[2] 贺兴龙. 高功率掺镱全光纤激光器关键单元技术研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2018: 26-28. HE X L. Research on key cell technology of ytterbium doped high power with all-fiber structure[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2018: 26-28(in Chinese).
[3] 赵楠. 高功率掺镱光纤激光器中光子暗化效应研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2018: 25-27. ZHAO N. The study on photo-darkening effect in ytterbium doped high power fiber lasers[D]. WuHan: Huazhong University of Science and Technology, 2018: 25-27(in Chinese).
[4] SCHREIBER T, RÖSER F, SCHMIDT O, et al. Stress-induced single-polarization single-transverse mode photonic crystal fiber with low nonlinearity[J]. Optics Express, 2005, 13(19): 7621-7630. DOI: 10.1364/OPEX.13.007621
[5] 谢璐. 1018 nm掺镱光纤激光器[D]. 武汉: 华中科技大学, 2014: 16-19. XIE L. 1018 nm Yb-doped fiber laser[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2014: 16-19(in Chinese).
[6] 长飞光纤光缆有限公司. 保偏光纤的制造方法: 200410012671.6[P]. 2004-12-29. YANGTZE OPTICAL FIBRE AND CABLE Co., Ltd. Manufacturing method of polarization maintaining optical fibe: 200410012671.6[P]. 2004-12-29(in Chinese).
[7] 沈小平, 崔德运, 杨意, 等. 一种改善预制棒应力的退火装置和方法: 110818238A[P]. 2020-02-21. SHEN X P, CUI D Y, YANG Y, et al. An annealing device and method for improving stress of prefabricated rod: 110818238A[P]. 2020-02-21(in Chinese).
[8] NADERI S, DAJANI I, GROSEK J, et al. Theoretical and numerical treatment of modal instability in high-power core and cladding-pumped Raman fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2016, 24(15): 16550-16565. DOI: 10.1364/OE.24.016550
[9] 马静, 陈坚盾, 冯高锋, 等. 气相沉积与非气相沉积制造光纤预制棒[J]. 现代传输, 2015(6): 36-38. MA J, CHEN J D, FENG G F, et al. Vapor deposition and non-vapor deposition fabrication of optical fiber prefabricated rod[J]. Modern Transmission, 2015(6): 36-38(in Chinese).
[10] 廖延彪, 黎敏, 夏历. 光纤光学[M]. 第3版. 北京: 清华大学, 2021: 199-205. LIAO Y B, LI M, XIA L. Fiber optics[M]. 3rd ed. Beijing: Tsinghua University, 2021: 199-205(in Chinese).
[11] 许剑, 黄俊鹏, 张屹修, 等. 小弯曲半径下光纤宏弯损耗测试的拟合方法研究[J]. 电子元器件与信息技术, 2022, 6(1): 120-121. XU J, HUANG J P, ZHANG Y X, et al. Research on fitting method of photored macro variable loss test under small bending radius[J]. Electronic Components and Information Technology, 2022, 6(1): 120-121(in Chinese).
[12] 李虎, 郭子龙, 杨文婷, 等. 空芯光纤多模干涉型光纤液位传感技术研究[J]. 激光技术, 2022, 46(1): 120-124. DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.012 LI H, GUO Z L, YANG W T, et al. Research of the liquid level sensing technology based on a hollow fiber multimode interference optical fiber[J]. Laser Technology, 2022, 46(1): 120-124(in Chinese). DOI: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.01.012
[13] 赵耀, 高业胜, 韩正英, 等. 保偏光纤拍长与折射率测量技术研究[J]. 计量与测试技术, 2022, 49(3): 20-25. ZHAO Y, GAO Y Sh, HAN Zh Y, et al. Research on the measurement of beat length and refractive index of polarization-maintaining fiber[J]. Metrology and Measurement Technology, 2022, 49(3): 20-25(in Chinese).
[14] 广东亿源通科技股份有限公司. 一篇文章了解保偏光纤原理、快慢轴、保偏拍长、消光比[EB/OL]. (2021-04-15)[2022-11-10]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/365064484. HYC Co., Ltd. An article to understand the principle of polarization-maintaining fiber, fast and slow axis, polarizing beat length, extinction ratio[EB/OL]. (2021-04-15)[2022-11-10]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/365064484 (in Chinese).
[15] 刘军号, 李瑞辰. 高精度干涉式光纤陀螺热漂移分析[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 333-343. LIU J H, LI R Ch. Themal drift analysis of high-precision interferometric fiber optic gyroscop[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 333-343(in Chinese).
[16] JAIN D, JUNG Y, BARUA P, et al. Demonstration of ultra-low NA rare-earth doped step index fiber for applications in high power fiber lasers[J]. Optics Express, 2015, 23(6): 7407-7415. DOI: 10.1364/OE.23.007407
[17] 刘峰, 史毅, 葛镇昂, 等. 基于双向瑞利散射的单模光纤多参数同时测量方法[J]. 激光与电子学进展, 2023, 60(7): 0712004. LIU F, SHI Y, GE Zh A, et al. Muti-parameter measurement method of single mode fiber based on bidirectional Reyleigh scattering[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(7): 0712004(in Chinese).
[18] 无锡法尔胜光电科技有限公司. 一种保偏光纤的制备方法: 110746109A[P]. 2020-02-04. FALSON OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co., Ltd. A preparation method of polarization maintaining fiber: 110746109A[P]. 2020-02-04(in Chinese).
[19] 烽火通信科技股份有限公司, 锐光信通科技有限公司. 一种保偏光纤: 108845389B[P]. 2020-05-05. FENGHUO COMMUNICATION TECHNOLOGY Co., Ltd., RUI GUANG COMMUNICATION TECHNOLOGY Co., Ltd. A polarization-maintaining fiber: 108845389B[P]. 2020-05-05(in Chinese).
[20] 薛梦驰, 左琼华. 光纤微弯损耗的新测试方法仿真算法及验证[J]. 光学学报, 2021, 41(18): 1806001. XUE M Ch, ZUO Q H. Simulation algorithm and verification for new test methods of microbending loss in optical fibers[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(18): 1806001(in Chinese).
[21] 王学勤, 张彤, 梁兰菊, 等. 光纤环偏振耦合分布及绕环光纤拍长测试技术[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(23): 230602. WANG X Q, ZHANG T, LIANG L J, et al. Test technique of pola-rization-coupling distribution of fiber coil and beat length of used fiber[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(23): 230602(in Chinese).
-
期刊类型引用(1)
1. 陈帅帅，张文东，刘祥环，陈启云，李博洋，崔双好，刘黎明，王红阳. 球墨铸铁QT500与合金钢20MnCr5同轴双激光焊接工艺及组织性能研究. 中国激光. 2024(16): 20-28 . 
百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 3
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 14
- 被引次数: 2