激光打标技术在非极性电缆绝缘材料印字中应用

　　[摘要]为了解决非极性电缆绝缘材料表面油墨印字附着力低、极易脱落的难题，对激光打标技术在非极性电缆绝缘材料印字中的应用进行了研究。阐述了激光打标技术原理及设备选择，重点介绍了典型非极性电缆绝缘材料———交联聚乙烯绝缘材料紫外激光打标印字工艺验证情况，打标效果优异，印字清晰且牢固，未对绝缘的机械性能和电气性能造成影响。

　　辅志辉;徐亚琴;季咏金;康冬冬;王俊;倪伟，光纤与电缆及其应用技术发表时间：2021-09-24

　　[关键词]非极性绝缘材料;电缆;激光打标技术

　　引言

　　大芯数电缆中绝缘线芯一般通过绝缘表面印刷的数字进行识别，印字方式主要有油墨轮印字和喷码机印字两种，印字材料主要是树脂型油墨。聚乙烯、交联聚乙烯、氟塑料、聚丙烯等非极性材料因电气绝缘性能优异，常被用作电缆绝缘材料[1]，而印字的油墨属极性材料，其主要成分为溶剂、颜料、胶黏剂、树脂、填充剂、稀释剂及各种添加剂等，极性材料与非极性材料两者兼容性差，经常导致非极性电缆绝缘材料表面的油墨印字附着力低、极易脱落，大部分油墨印字在后道工序生产过程中就被磨掉。

　　为了解决非极性电缆绝缘材料表面印字这个一直困扰电缆行业的难题，本文对激光打标技术在非极性电缆绝缘材料印字中的应用进行了研究。最终，通过在非极性电缆绝缘材料上激光打标印字，实现了电缆在施工过程中线芯表面印字清晰且牢固，可轻松识别。

　　1激光打标技术简介

　　1.1激光打标原理

　　所有物体在接收到光时都会发生反射、吸收和透过的现象。如果物体反射和透过的光能量越大，则物体吸收的光能量就越小，物体本身的温度越无法上升，利用升温进行物体加工的难度越大，反之亦然。激光打标是利用激光辐射，使聚合物基体内产生局部高能量，通过聚合物基体或添加剂对这些能量的吸收将其转化成热能，当热能达到一定数值时，就会引发聚合物内部的各种物理或化学变化，产生打标效果[2]。

　　1.2激光打标效果

　　激光打标效果一般有雕刻、发泡/炭化、浓缩、化学变化4种，如图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发而产生脊状沟，材料的炭化会引起沟底颜色的改变，如表面材料局部温度升高至材料的熔点以上，将使之熔化，待材料重新凝固后表面将以蚀刻的形式出现，这种形式一般不会引起颜色的变化。发泡/炭化效果是激光照射在聚合物材料表面，热效应会使材料内产生气泡，气泡被封在表层中，呈发白凸起的状态，如果持续照射更高能量，则材料分子会发生炭化而发黑。浓缩效果是激光照射在聚合物材料表面，材料吸收激光能量，材料分子密度因热效应而上升，浓缩后变成深色。化学变化效果是聚合物材料中添加色母或着色剂，利用激光能量使着色剂降解或反应，从而产生颜色变化。

　　1.3激光打标设备类型

　　根据激光波长的不同，用于聚合物材料标记的激光打标机主要有CO2激光打标机、光纤激光打标机、　　　　图1激光打标效果SHG绿激光打标机、紫外激光打标机等。表1列出了各激光打标机采用的激光波长、激光打标原理、激光打标效果[3]。可见：紫外激光打标机采用紫外光和可见光，通过光化学反应引起颜色改变和蚀刻，对聚合物材料的破坏性较小;CO2激光打标机、光纤激光打标机、SHG绿激光打标机采用红外光，通过热化学反应引起熔化、蒸发、雕刻、起泡、浓缩，对聚合物材料的破坏性较大。因此，从电缆绝缘安全性来讲，紫外激光打标机是最适用于电缆绝缘印字。

　　2激光打标技术应用

　　2.1绝缘激光打标生产线的组建

　　根据上节分析，围绕紫外激光打标机组建了绝缘激光打标生产线，如图2所示。该生产线主要由放线架、计米器、紫外激光打标机、火花机、收线架组成。该生产线所用的紫外激光打标机主要技术参数如表2所示。放线架固定需要打印标志的绝缘线芯，绝缘线芯从盘具引出经过计米器，进入激光打标机打印标志，标志打印完成后经过火花机检测，收线架驱动盘具将标志打印好的绝缘线芯收卷，流转下一工序。由于电缆绝缘是飞行打标，计米器上编码器应与激光打标机连接，同步信号，保证标志的间距。激光打标机的焦距是固定的，焦距即为镜头与绝缘线芯的间距，应根据绝缘线芯的直径调整镜头位置。

　　2.2非极性电缆绝缘材料激光打标印字工艺

　　为了研究非极性电缆绝缘材料激光打标印字工艺的可行性，选择最为常规的硅烷交联聚乙烯绝缘材料进行激光印字。电缆绝缘线芯挤出时，在硅烷交联聚乙烯中添加色母料。由于色母料的配比对硅烷交联聚乙烯绝缘材料的热延伸有影响[4]，因此选用了专用的聚乙烯色母料，基料、催化剂、色母料按照95∶5∶0.5进行配比。绝缘线芯经过温水交联后，在激光打标生产线进行印字，设置的激光打标工艺参数如表3所示，激光打标效果如图3所示，可见紫外激光打标印字清晰易辨识，非极性电缆绝缘材料激光打标印字工艺具有一定可行性。

　　2.3非极性电缆绝缘材料激光打标印字试验

　　为了研究紫外激光打标印字的牢固性，对激光打标后的各色硅烷交联聚乙烯绝缘线芯按照GJB1916标准规定，采用如图4所示的绝缘识别标志耐久性试验摩擦机对印字进行耐久性试验，试验结果显示摩擦125次后激光印字依旧清晰可见。

　　为了研究紫外激光打标印字对绝缘机械性能和电气性能的影响，对激光打标印字后的各色硅烷交联聚乙烯绝缘线芯按照产品标准进行了机械性能和电气性能试验，试验结果如表4所示。可见，激光打图3各色硅烷交联聚乙烯绝缘材料激光打标效果图4绝缘识别标志耐久性试验摩擦机标印字后的各色绝缘线芯各项性能指标均符合相关标准要求，紫外激光打标印字未对绝缘的机械性能和电气性能造成影响。

　　3结束语

　　本文对激光打标技术在电缆绝缘印字中的应用进行了分析阐述，介绍了激光打标原理及设备选择，重点介绍了典型非极性电缆绝缘材料———交联聚乙烯绝缘材料激光打标印字工艺验证情况，打标效果较为优异(同时也对聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等非极性电缆绝缘材料进行了激光打标印字工艺验证，打标效果同样较为优异)。本文采用的紫外激光打标机的输出功率为3W，如选择更高功率的设备，则打标效果以及打标速度都会有更高的提升。随着激光打标技术的发展，预计激光打标会进一步在电缆行业中普及推广，推动电缆行业的发展。