激光打標(biāo)技術(shù)在非極性電纜絕緣材料印字中應(yīng)用

　　[摘要]為了解決非極性電纜絕緣材料表面油墨印字附著力低、極易脫落的難題，對激光打標(biāo)技術(shù)在非極性電纜絕緣材料印字中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。闡述了激光打標(biāo)技術(shù)原理及設(shè)備選擇，重點介紹了典型非極性電纜絕緣材料———交聯(lián)聚乙烯絕緣材料紫外激光打標(biāo)印字工藝驗證情況，打標(biāo)效果優(yōu)異，印字清晰且牢固，未對絕緣的機(jī)械性能和電氣性能造成影響。

　　輔志輝;徐亞琴;季詠金;康冬冬;王俊;倪偉，光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)發(fā)表時間：2021-09-24

　　[關(guān)鍵詞]非極性絕緣材料;電纜;激光打標(biāo)技術(shù)

　　引言

　　大芯數(shù)電纜中絕緣線芯一般通過絕緣表面印刷的數(shù)字進(jìn)行識別，印字方式主要有油墨輪印字和噴碼機(jī)印字兩種，印字材料主要是樹脂型油墨。聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、氟塑料、聚丙烯等非極性材料因電氣絕緣性能優(yōu)異，常被用作電纜絕緣材料[1]，而印字的油墨屬極性材料，其主要成分為溶劑、顏料、膠黏劑、樹脂、填充劑、稀釋劑及各種添加劑等，極性材料與非極性材料兩者兼容性差，經(jīng)常導(dǎo)致非極性電纜絕緣材料表面的油墨印字附著力低、極易脫落，大部分油墨印字在后道工序生產(chǎn)過程中就被磨掉。

　　為了解決非極性電纜絕緣材料表面印字這個一直困擾電纜行業(yè)的難題，本文對激光打標(biāo)技術(shù)在非極性電纜絕緣材料印字中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。最終，通過在非極性電纜絕緣材料上激光打標(biāo)印字，實現(xiàn)了電纜在施工過程中線芯表面印字清晰且牢固，可輕松識別。

　　1激光打標(biāo)技術(shù)簡介

　　1.1激光打標(biāo)原理

　　所有物體在接收到光時都會發(fā)生反射、吸收和透過的現(xiàn)象。如果物體反射和透過的光能量越大，則物體吸收的光能量就越小，物體本身的溫度越無法上升，利用升溫進(jìn)行物體加工的難度越大，反之亦然。激光打標(biāo)是利用激光輻射，使聚合物基體內(nèi)產(chǎn)生局部高能量，通過聚合物基體或添加劑對這些能量的吸收將其轉(zhuǎn)化成熱能，當(dāng)熱能達(dá)到一定數(shù)值時，就會引發(fā)聚合物內(nèi)部的各種物理或化學(xué)變化，產(chǎn)生打標(biāo)效果[2]。

　　1.2激光打標(biāo)效果

　　激光打標(biāo)效果一般有雕刻、發(fā)泡/炭化、濃縮、化學(xué)變化4種，如圖1所示。雕刻效果是激光照射在聚合物材料表面，引起表面材料的局部蒸發(fā)而產(chǎn)生脊?fàn)顪希牧系奶炕瘯饻系最伾母淖儯绫砻娌牧暇植繙囟壬咧敛牧系娜埸c以上，將使之熔化，待材料重新凝固后表面將以蝕刻的形式出現(xiàn)，這種形式一般不會引起顏色的變化。發(fā)泡/炭化效果是激光照射在聚合物材料表面，熱效應(yīng)會使材料內(nèi)產(chǎn)生氣泡，氣泡被封在表層中，呈發(fā)白凸起的狀態(tài)，如果持續(xù)照射更高能量，則材料分子會發(fā)生炭化而發(fā)黑。濃縮效果是激光照射在聚合物材料表面，材料吸收激光能量，材料分子密度因熱效應(yīng)而上升，濃縮后變成深色。化學(xué)變化效果是聚合物材料中添加色母或著色劑，利用激光能量使著色劑降解或反應(yīng)，從而產(chǎn)生顏色變化。

　　1.3激光打標(biāo)設(shè)備類型

　　根據(jù)激光波長的不同，用于聚合物材料標(biāo)記的激光打標(biāo)機(jī)主要有CO2激光打標(biāo)機(jī)、光纖激光打標(biāo)機(jī)、　　　　圖1激光打標(biāo)效果SHG綠激光打標(biāo)機(jī)、紫外激光打標(biāo)機(jī)等。表1列出了各激光打標(biāo)機(jī)采用的激光波長、激光打標(biāo)原理、激光打標(biāo)效果[3]。可見：紫外激光打標(biāo)機(jī)采用紫外光和可見光，通過光化學(xué)反應(yīng)引起顏色改變和蝕刻，對聚合物材料的破壞性較小;CO2激光打標(biāo)機(jī)、光纖激光打標(biāo)機(jī)、SHG綠激光打標(biāo)機(jī)采用紅外光，通過熱化學(xué)反應(yīng)引起熔化、蒸發(fā)、雕刻、起泡、濃縮，對聚合物材料的破壞性較大。因此，從電纜絕緣安全性來講，紫外激光打標(biāo)機(jī)是最適用于電纜絕緣印字。

　　2激光打標(biāo)技術(shù)應(yīng)用

　　2.1絕緣激光打標(biāo)生產(chǎn)線的組建

　　根據(jù)上節(jié)分析，圍繞紫外激光打標(biāo)機(jī)組建了絕緣激光打標(biāo)生產(chǎn)線，如圖2所示。該生產(chǎn)線主要由放線架、計米器、紫外激光打標(biāo)機(jī)、火花機(jī)、收線架組成。該生產(chǎn)線所用的紫外激光打標(biāo)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。放線架固定需要打印標(biāo)志的絕緣線芯，絕緣線芯從盤具引出經(jīng)過計米器，進(jìn)入激光打標(biāo)機(jī)打印標(biāo)志，標(biāo)志打印完成后經(jīng)過火花機(jī)檢測，收線架驅(qū)動盤具將標(biāo)志打印好的絕緣線芯收卷，流轉(zhuǎn)下一工序。由于電纜絕緣是飛行打標(biāo)，計米器上編碼器應(yīng)與激光打標(biāo)機(jī)連接，同步信號，保證標(biāo)志的間距。激光打標(biāo)機(jī)的焦距是固定的，焦距即為鏡頭與絕緣線芯的間距，應(yīng)根據(jù)絕緣線芯的直徑調(diào)整鏡頭位置。

　　2.2非極性電纜絕緣材料激光打標(biāo)印字工藝

　　為了研究非極性電纜絕緣材料激光打標(biāo)印字工藝的可行性，選擇最為常規(guī)的硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣材料進(jìn)行激光印字。電纜絕緣線芯擠出時，在硅烷交聯(lián)聚乙烯中添加色母料。由于色母料的配比對硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的熱延伸有影響[4]，因此選用了專用的聚乙烯色母料，基料、催化劑、色母料按照95∶5∶0.5進(jìn)行配比。絕緣線芯經(jīng)過溫水交聯(lián)后，在激光打標(biāo)生產(chǎn)線進(jìn)行印字，設(shè)置的激光打標(biāo)工藝參數(shù)如表3所示，激光打標(biāo)效果如圖3所示，可見紫外激光打標(biāo)印字清晰易辨識，非極性電纜絕緣材料激光打標(biāo)印字工藝具有一定可行性。

　　2.3非極性電纜絕緣材料激光打標(biāo)印字試驗

　　為了研究紫外激光打標(biāo)印字的牢固性，對激光打標(biāo)后的各色硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣線芯按照GJB1916標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用如圖4所示的絕緣識別標(biāo)志耐久性試驗?zāi)Σ翙C(jī)對印字進(jìn)行耐久性試驗，試驗結(jié)果顯示摩擦125次后激光印字依舊清晰可見。

　　為了研究紫外激光打標(biāo)印字對絕緣機(jī)械性能和電氣性能的影響，對激光打標(biāo)印字后的各色硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣線芯按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了機(jī)械性能和電氣性能試驗，試驗結(jié)果如表4所示。可見，激光打圖3各色硅烷交聯(lián)聚乙烯絕緣材料激光打標(biāo)效果圖4絕緣識別標(biāo)志耐久性試驗?zāi)Σ翙C(jī)標(biāo)印字后的各色絕緣線芯各項性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，紫外激光打標(biāo)印字未對絕緣的機(jī)械性能和電氣性能造成影響。

　　3結(jié)束語

　　本文對激光打標(biāo)技術(shù)在電纜絕緣印字中的應(yīng)用進(jìn)行了分析闡述，介紹了激光打標(biāo)原理及設(shè)備選擇，重點介紹了典型非極性電纜絕緣材料———交聯(lián)聚乙烯絕緣材料激光打標(biāo)印字工藝驗證情況，打標(biāo)效果較為優(yōu)異(同時也對聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等非極性電纜絕緣材料進(jìn)行了激光打標(biāo)印字工藝驗證，打標(biāo)效果同樣較為優(yōu)異)。本文采用的紫外激光打標(biāo)機(jī)的輸出功率為3W，如選擇更高功率的設(shè)備，則打標(biāo)效果以及打標(biāo)速度都會有更高的提升。隨著激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計激光打標(biāo)會進(jìn)一步在電纜行業(yè)中普及推廣，推動電纜行業(yè)的發(fā)展。