电缆绝缘材料表面打标优化及激光打标技术研究

国网重庆市电力公司市南供电分公司 陈 铁 冯德伦 吴文勤 夏 荣

激光打标机是用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光打标机近年来成为激光物理研究的一个热门，被一致认为是有可能全面替代固体激光器的新一代产品。光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。

1 电缆绝缘材料表面打标技术优化

1.1 现有喷墨打标技术的困境

以前通常使用的是绝缘分色，绝缘表面印字及喷墨打标技术，这种喷墨打标技术差的原因在于所采用的油墨在绝大数电缆绝缘表面附着性差。这门技术的原理是供电系统将流出来的墨水进行充电，让他们带有电并将带电墨水通过磁场作用滴落在电缆绝缘材料上，这样就能形成一个打标。但使用的油墨材料是极性材料，因此附着力很差，由于太容易被擦掉，电缆上的标识很难通过相关国家抽检和电缆绝缘材料表面印字耐擦实验[1]。

1.2 压印打标技术

压印打标技术是采取压印打标机，通过凹印方式直接在电缆绝缘表面上进行压印打标。这项技术唯一的美中不足在于，如电缆厚度过薄则很有可能是电缆绝缘表面被击穿，这样使得绝缘表面破裂、无法使用。因此这项技术不太够采用，因为无法追踪，需采用更好的技术来解决这个问题。那么经过研究发现，激光打标技术能够更好解决这个问题，且这门技术具有打标效果良好、生产效率高等特点。

1.3 导体激光打标技术

在这种情况下会遇到一些问题。如：我国电缆生产厂家中电缆材料品种多、颜色多，如果用同一款激光打标技术会无法跟所有电缆配合默契，也就没有什么好的作用。如需购买配套激光打标机，首先每款机器参数不同、比较复杂，另外机器的成本过高，很少厂家会购买，须使激光打标技术变得更加成熟，使用性更高。对激光打标技术与一种喷墨式打标技术进行对比：

对比两者是否可能会直接影响绝缘材料电性能及机械动力学性能，结果显示都为否、且这种喷墨式打标技术跟一种喷墨式打标相关。在这一点上两者都是合格的；两者同时在油墨中进行耐擦性试验相比，喷墨打标技术打印的标识代码已模糊不清，但激光打标技术打印的标识是通过利用高能量密度的激光脉冲输出对着铜线局部进行照射，通过瞬间形成上万度的高温留下痕迹、完成打标，所以在擦拭实验中它的产品信息完好无损，因此激光打标的耐擦效果更好。

对比两者的生产效率及进度，虽然喷墨打标速度较快，而激光打标技术前期需确认位置、解决怎么固定等问题，且要计算出打标参数等，针对这个问题也作出了相应的解决方式，并经多次试验也确保了质量，同时可将激光打标速度提高了200m/min；对比两者的价格。喷墨打标技术是属于消耗性的，因为需油墨才能来完成，经实验需用到的油墨大概是60桶/年，每桶60元也需3000元成本，但喷墨打标技术因为会出现被擦拭模糊不清、无法确认来源等原因，且一旦送去抽检或不合格又是一笔损失。与其相比激光打标技术属于无耗性，虽设备成本较大，但后续费用基本为零，且打标信息不会轻易被擦拭，被送去抽检也不会造成不合格问题，且客户使用更好，这样更多的客户去购买也能给厂家带来更好的经济利益。

2 激光打标技术研究

设备主要由主机控制部分、激光控制部分、夹具部分、平整打磨部分、电源供电、外型机构部分六大部分组成，该产品是贯彻科技创新、提高作业效率的理念，主要针对电力电缆本体制作标识标记开发的一款电缆本体现场打标系统，该设备主要采用光纤激光器原理方式制作，由220V 移动电源供电（也可采用220V市电供电）。可在电力放线现场、电缆沟道、电缆井、电缆接头、端头等不同的电缆场所进行作业，电缆本体现场打标系统可满足在25～400mm2等规格的电缆上进行标识标记。

激光打标设备参数：设备尺寸800 mm×600mm×350mm，设备功率≤500W，设备重量50kg，电源要求220V/50Hz，工作电流≤2A，工作环境干净、灰尘较少的地方，工作温度13～45℃，功率调整范围5～10 0%，冷却系统风冷，编译方式USB 接口输入或在线编译，激光重复频率20～80kHz，延长范围5m，激光功率35W，激光波长1060nm，打标范围140mm×50mm，最小字符0.2mm×0.2mm，刻度深度0.01～0.05mm（材质决定），最小线宽0.013mm，打标速度≤12000mm/s。

该设备内部有便携式移动箱体、主机（内置激光发生器，电脑主板，显卡等）、内置式液晶触摸显示屏、无线鼠标和无线键盘（备用）、手持式激光打标头、光纤电缆、220V 户外用移动电源、激光定距工装、电缆外径适配器等部件。主机控制部分包含主要由输入设备、声光设备、主控电脑、显示操控设备等组成。该装置已经申请发明专利，专利号202011184853.7。

3 激光打标技术的效益及使用前景

3.1 效益

电缆本体现场打标系统的使用不仅降低了施工作业的劳动强度，且加强了线缆标识的规范化管理。现场作业时无需拖动线缆查看标签来分辨线缆，减少了线缆磨损、降低了误操作的风险、提升了现场作业与线缆运行的安全性。以往携带标签给电缆打标时，平均每根线缆的打标时间约65分钟/条，电缆本体现场打标系统使用后平均打标时间为23分钟/次，提高工效65/23=2.8倍。根据以往电缆标签寻找电缆需耗时约15分钟/条，电缆本体现场打标系统使用后辨识电缆仅需3分钟/条，提高功效5倍。

为提高激光打标技术应用效果需试验很多方面，如激光波长的选择、电缆绝缘材料的颜色等问题。由于不同绝缘材料对波长敏感度不一样，可能某一处对波长较敏感，那么烧灼痕迹就会加深、打标效果就会更好。但在目前市场中我们的激光打标机只能选定一个波长，所以需通过非极性绝缘材料的分子结构和吸光率的分析来确定一个最适合的波长，还能满足激光打标更好的效果。市场上绝缘材料种类偏多、不是单一的材料，因此这项试验是需不断测试才能得出结论。

3.2 使用前景

电缆沟道内部堆叠大量电缆，存在电缆标识打标困难且标签较易磨损的现象，目前无有效可靠的措施对光缆进行打标处理，该装置可在电力行业广泛使用，极具推广价值。该装置可广泛适用于集成电路芯片、电脑配件、工业轴承、钟表、电子及通讯产品、航天航空器件、各种汽车零件、家电、五金工具、模具、电线电缆、食品包装、首饰、烟草以及军用事等众多领域图形和文字的标记，以及大批量生产线作业。

采用激光做加工手段与工件间没有加工力的作用，具有无接触、无切削力、热影响小的优点，保证了工件的原有精度。同时对材料的适应性较广，可在多种材料表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工和特殊面加工，且加工方式灵活，既可适应实验室式单项设计的需要，也可满足工业化大批量生产的要求。