電纜絕緣材料表面打標優(yōu)化及激光打標技術研究

國網(wǎng)重慶市電力公司市南供電分公司 陳 鐵 馮德倫 吳文勤 夏 榮

激光打標機是用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，光纖激光打標機近年來成為激光物理研究的一個熱門，被一致認為是有可能全面替代固體激光器的新一代產(chǎn)品。光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數(shù)反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。

1 電纜絕緣材料表面打標技術優(yōu)化

1.1 現(xiàn)有噴墨打標技術的困境

以前通常使用的是絕緣分色，絕緣表面印字及噴墨打標技術，這種噴墨打標技術差的原因在于所采用的油墨在絕大數(shù)電纜絕緣表面附著性差。這門技術的原理是供電系統(tǒng)將流出來的墨水進行充電，讓他們帶有電并將帶電墨水通過磁場作用滴落在電纜絕緣材料上，這樣就能形成一個打標。但使用的油墨材料是極性材料，因此附著力很差，由于太容易被擦掉，電纜上的標識很難通過相關國家抽檢和電纜絕緣材料表面印字耐擦實驗[1]。

1.2 壓印打標技術

壓印打標技術是采取壓印打標機，通過凹印方式直接在電纜絕緣表面上進行壓印打標。這項技術唯一的美中不足在于，如電纜厚度過薄則很有可能是電纜絕緣表面被擊穿，這樣使得絕緣表面破裂、無法使用。因此這項技術不太夠采用，因為無法追蹤，需采用更好的技術來解決這個問題。那么經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，激光打標技術能夠更好解決這個問題，且這門技術具有打標效果良好、生產(chǎn)效率高等特點。

1.3 導體激光打標技術

在這種情況下會遇到一些問題。如：我國電纜生產(chǎn)廠家中電纜材料品種多、顏色多，如果用同一款激光打標技術會無法跟所有電纜配合默契，也就沒有什么好的作用。如需購買配套激光打標機，首先每款機器參數(shù)不同、比較復雜，另外機器的成本過高，很少廠家會購買，須使激光打標技術變得更加成熟，使用性更高。對激光打標技術與一種噴墨式打標技術進行對比：

對比兩者是否可能會直接影響絕緣材料電性能及機械動力學性能，結果顯示都為否、且這種噴墨式打標技術跟一種噴墨式打標相關。在這一點上兩者都是合格的；兩者同時在油墨中進行耐擦性試驗相比，噴墨打標技術打印的標識代碼已模糊不清，但激光打標技術打印的標識是通過利用高能量密度的激光脈沖輸出對著銅線局部進行照射，通過瞬間形成上萬度的高溫留下痕跡、完成打標，所以在擦拭實驗中它的產(chǎn)品信息完好無損，因此激光打標的耐擦效果更好。

對比兩者的生產(chǎn)效率及進度，雖然噴墨打標速度較快，而激光打標技術前期需確認位置、解決怎么固定等問題，且要計算出打標參數(shù)等，針對這個問題也作出了相應的解決方式，并經(jīng)多次試驗也確保了質量，同時可將激光打標速度提高了200m/min；對比兩者的價格。噴墨打標技術是屬于消耗性的，因為需油墨才能來完成，經(jīng)實驗需用到的油墨大概是60桶/年，每桶60元也需3000元成本，但噴墨打標技術因為會出現(xiàn)被擦拭模糊不清、無法確認來源等原因，且一旦送去抽檢或不合格又是一筆損失。與其相比激光打標技術屬于無耗性，雖設備成本較大，但后續(xù)費用基本為零，且打標信息不會輕易被擦拭，被送去抽檢也不會造成不合格問題，且客戶使用更好，這樣更多的客戶去購買也能給廠家?guī)砀玫慕?jīng)濟利益。

2 激光打標技術研究

設備主要由主機控制部分、激光控制部分、夾具部分、平整打磨部分、電源供電、外型機構部分六大部分組成，該產(chǎn)品是貫徹科技創(chuàng)新、提高作業(yè)效率的理念，主要針對電力電纜本體制作標識標記開發(fā)的一款電纜本體現(xiàn)場打標系統(tǒng)，該設備主要采用光纖激光器原理方式制作，由220V 移動電源供電（也可采用220V市電供電）?？稍陔娏Ψ啪€現(xiàn)場、電纜溝道、電纜井、電纜接頭、端頭等不同的電纜場所進行作業(yè)，電纜本體現(xiàn)場打標系統(tǒng)可滿足在25～400mm2等規(guī)格的電纜上進行標識標記。

激光打標設備參數(shù)：設備尺寸800 mm×600mm×350mm，設備功率≤500W，設備重量50kg，電源要求220V/50Hz，工作電流≤2A，工作環(huán)境干凈、灰塵較少的地方，工作溫度13～45℃，功率調整范圍5～10 0%，冷卻系統(tǒng)風冷，編譯方式USB 接口輸入或在線編譯，激光重復頻率20～80kHz，延長范圍5m，激光功率35W，激光波長1060nm，打標范圍140mm×50mm，最小字符0.2mm×0.2mm，刻度深度0.01～0.05mm（材質決定），最小線寬0.013mm，打標速度≤12000mm/s。

該設備內部有便攜式移動箱體、主機（內置激光發(fā)生器，電腦主板，顯卡等）、內置式液晶觸摸顯示屏、無線鼠標和無線鍵盤（備用）、手持式激光打標頭、光纖電纜、220V 戶外用移動電源、激光定距工裝、電纜外徑適配器等部件。主機控制部分包含主要由輸入設備、聲光設備、主控電腦、顯示操控設備等組成。該裝置已經(jīng)申請發(fā)明專利，專利號202011184853.7。

3 激光打標技術的效益及使用前景

3.1 效益

電纜本體現(xiàn)場打標系統(tǒng)的使用不僅降低了施工作業(yè)的勞動強度，且加強了線纜標識的規(guī)范化管理。現(xiàn)場作業(yè)時無需拖動線纜查看標簽來分辨線纜，減少了線纜磨損、降低了誤操作的風險、提升了現(xiàn)場作業(yè)與線纜運行的安全性。以往攜帶標簽給電纜打標時，平均每根線纜的打標時間約65分鐘/條，電纜本體現(xiàn)場打標系統(tǒng)使用后平均打標時間為23分鐘/次，提高工效65/23=2.8倍。根據(jù)以往電纜標簽尋找電纜需耗時約15分鐘/條，電纜本體現(xiàn)場打標系統(tǒng)使用后辨識電纜僅需3分鐘/條，提高功效5倍。

為提高激光打標技術應用效果需試驗很多方面，如激光波長的選擇、電纜絕緣材料的顏色等問題。由于不同絕緣材料對波長敏感度不一樣，可能某一處對波長較敏感，那么燒灼痕跡就會加深、打標效果就會更好。但在目前市場中我們的激光打標機只能選定一個波長，所以需通過非極性絕緣材料的分子結構和吸光率的分析來確定一個最適合的波長，還能滿足激光打標更好的效果。市場上絕緣材料種類偏多、不是單一的材料，因此這項試驗是需不斷測試才能得出結論。

3.2 使用前景

電纜溝道內部堆疊大量電纜，存在電纜標識打標困難且標簽較易磨損的現(xiàn)象，目前無有效可靠的措施對光纜進行打標處理，該裝置可在電力行業(yè)廣泛使用，極具推廣價值。該裝置可廣泛適用于集成電路芯片、電腦配件、工業(yè)軸承、鐘表、電子及通訊產(chǎn)品、航天航空器件、各種汽車零件、家電、五金工具、模具、電線電纜、食品包裝、首飾、煙草以及軍用事等眾多領域圖形和文字的標記，以及大批量生產(chǎn)線作業(yè)。

采用激光做加工手段與工件間沒有加工力的作用，具有無接觸、無切削力、熱影響小的優(yōu)點，保證了工件的原有精度。同時對材料的適應性較廣，可在多種材料表面制作出非常精細的標記且耐久性非常好。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工和特殊面加工，且加工方式靈活，既可適應實驗室式單項設計的需要，也可滿足工業(yè)化大批量生產(chǎn)的要求。