激光打標技術在非極性電纜絕緣材料印字中應用

　　[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，對激光打標技術在非極性電纜絕緣材料印字中的應用進行了研究。闡述了激光打標技術原理及設備選擇，重點介紹了典型非極性電纜絕緣材料———交聯聚乙烯絕緣材料紫外激光打標印字工藝驗證情況，打標效果優異，印字清晰且牢固，未對絕緣的機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，光纖與電纜及其應用技術發表時間：2021-09-24

　　[關鍵詞]非極性絕緣材料;電纜;激光打標技術

　　引言

　　大芯數電纜中絕緣線芯一般通過絕緣表面印刷的數字進行識別，印字方式主要有油墨輪印字和噴碼機印字兩種，印字材料主要是樹脂型油墨。聚乙烯、交聯聚乙烯、氟塑料、聚丙烯等非極性材料因電氣絕緣性能優異，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，經常導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的難題，本文對激光打標技術在非極性電纜絕緣材料印字中的應用進行了研究。最終，通過在非極性電纜絕緣材料上激光打標印字，實現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激光打標技術簡介

　　1.1激光打標原理

　　所有物體在接收到光時都會發生反射、吸收和透過的現象。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，利用升溫進行物體加工的難度越大，反之亦然。激光打標是利用激光輻射，使聚合物基體內產生局部高能量，通過聚合物基體或添加劑對這些能量的吸收將其轉化成熱能，當熱能達到一定數值時，就會引發聚合物內部的各種物理或化學變化，產生打標效果[2]。

　　1.2激光打標效果

　　激光打標效果一般有雕刻、發泡/炭化、濃縮、化學變化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而產生脊狀溝，材料的炭化會引起溝底顏色的改變，如表面材料局部溫度升高至材料的熔點以上，將使之熔化，待材料重新凝固后表面將以蝕刻的形式出現，這種形式一般不會引起顏色的變化。發泡/炭化效果是激光照射在聚合物材料表面，熱效應會使材料內產生氣泡，氣泡被封在表層中，呈發白凸起的狀態，如果持續照射更高能量，則材料分子會發生炭化而發黑。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而上升，濃縮后變成深色。化學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，從而產生顏色變化。

　　1.3激光打標設備類型

　　根據激光波長的不同，用于聚合物材料標記的激光打標機主要有CO2激光打標機、光纖激光打標機、　　　　圖1激光打標效果SHG綠激光打標機、紫外激光打標機等。表1列出了各激光打標機采用的激光波長、激光打標原理、激光打標效果[3]。可見：紫外激光打標機采用紫外光和可見光，通過光化學反應引起顏色改變和蝕刻，對聚合物材料的破壞性較小;CO2激光打標機、光纖激光打標機、SHG綠激光打標機采用紅外光，通過熱化學反應引起熔化、蒸發、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，紫外激光打標機是最適用于電纜絕緣印字。

　　2激光打標技術應用

　　2.1絕緣激光打標生產線的組建

　　根據上節分析，圍繞紫外激光打標機組建了絕緣激光打標生產線，如圖2所示。該生產線主要由放線架、計米器、紫外激光打標機、火花機、收線架組成。該生產線所用的紫外激光打標機主要技術參數如表2所示。放線架固定需要打印標志的絕緣線芯，絕緣線芯從盤具引出經過計米器，進入激光打標機打印標志，標志打印完成后經過火花機檢測，收線架驅動盤具將標志打印好的絕緣線芯收卷，流轉下一工序。由于電纜絕緣是飛行打標，計米器上編碼器應與激光打標機連接，同步信號，保證標志的間距。激光打標機的焦距是固定的，焦距即為鏡頭與絕緣線芯的間距，應根據絕緣線芯的直徑調整鏡頭位置。

　　2.2非極性電纜絕緣材料激光打標印字工藝

　　為了研究非極性電纜絕緣材料激光打標印字工藝的可行性，選擇最為常規的硅烷交聯聚乙烯絕緣材料進行激光印字。電纜絕緣線芯擠出時，在硅烷交聯聚乙烯中添加色母料。由于色母料的配比對硅烷交聯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進行配比。絕緣線芯經過溫水交聯后，在激光打標生產線進行印字，設置的激光打標工藝參數如表3所示，激光打標效果如圖3所示，可見紫外激光打標印字清晰易辨識，非極性電纜絕緣材料激光打標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印字試驗

　　為了研究紫外激光打標印字的牢固性，對激光打標后的各色硅烷交聯聚乙烯絕緣線芯按照GJB1916標準規定，采用如圖4所示的絕緣識別標志耐久性試驗摩擦機對印字進行耐久性試驗，試驗結果顯示摩擦125次后激光印字依舊清晰可見。

　　為了研究紫外激光打標印字對絕緣機械性能和電氣性能的影響，對激光打標印字后的各色硅烷交聯聚乙烯絕緣線芯按照產品標準進行了機械性能和電氣性能試驗，試驗結果如表4所示。可見，激光打圖3各色硅烷交聯聚乙烯絕緣材料激光打標效果圖4絕緣識別標志耐久性試驗摩擦機標印字后的各色絕緣線芯各項性能指標均符合相關標準要求，紫外激光打標印字未對絕緣的機械性能和電氣性能造成影響。

　　3結束語

　　本文對激光打標技術在電纜絕緣印字中的應用進行了分析闡述，介紹了激光打標原理及設備選擇，重點介紹了典型非極性電纜絕緣材料———交聯聚乙烯絕緣材料激光打標印字工藝驗證情況，打標效果較為優異(同時也對聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等非極性電纜絕緣材料進行了激光打標印字工藝驗證，打標效果同樣較為優異)。本文采用的紫外激光打標機的輸出功率為3W，如選擇更高功率的設備，則打標效果以及打標速度都會有更高的提升。隨著激光打標技術的發展，預計激光打標會進一步在電纜行業中普及推廣，推動電纜行業的發展。