激光剥线工艺研究及应用

2024-03-16张红梅袁润清包金龙

科学技术创新 2024年6期

张红梅，袁润清，包金龙

（太原航空仪表有限公司，山西太原）

引言

当前航空电子产品具有结构紧凑、体积小、装配密度高等特点，通常在印制板级和子系统级中多以导线进行互联，整机级和整机间以电缆进行互联[1]。所用导线以聚四氟乙烯（PTFE）为主，该类导线具有优异的电气绝缘性能和机械物理性能，且有体积小、重量轻、阻燃、耐冲击、耐热老化、耐化学腐蚀、耐高温、耐低温、耐酸碱油及其它溶剂侵蚀等优异特点，可在-65 ℃～+250 ℃范围内长期使用。

导线剥线是线束、电缆组件装配必不可少的工序，剥线质量直接关系线束、电缆装配质量。由于导线类型、线径不一，剥线量大，完全依靠手工作业，很难保证质量一致性。

1 剥线工艺

剥线是使用专用工具剥开电缆的绝缘层和屏蔽层，露出内部芯线。通常分为冷剥和热剥两种方法。

脱头操作和剥线较为相似，是指用热剥法将电缆芯线的绝缘外皮脱去，露出芯线内部的金属丝，为后面的焊接工作做准备。航空电子产品的导线剥线应使用热控型剥线工具，限制使用机械（冷）剥线工具[2]，防止损伤芯线。

剥线的要求：

（1）根据接线端子使用要求预留出相应的剥线尺寸。

（2）剥线过程中不得损伤电缆线芯及后面的屏蔽层，不得破坏内部的双绞关系。

目前常用的方法是采用热剥器，根据导线线径选择剥刀对应孔，调节温度档位，通电加热，将导线绝缘层熔断剥离，示意见图1。

图1 热剥器操作示意

M-10 型导线热剥器温度档位设置1～10 档可选，用对应线规刀口加持导线，保持数秒熔断绝缘层，但随着使用时间增加，出现手柄松动，内部摩擦片接触变薄，制热效果下降，无法完全熔断导线绝缘层的问题，作业效率低、维护费用高、剥线质量差，需研究新的剥线方式。

2 激光剥线

2.1 激光剥线原理

激光剥线机是一种利用激光的热分解效应或破坏分子链效应，对需要剥除的材料进行加工的设备，是激光在材料加工中的一项新应用。目前行业内常用的激光剥线类型为CO2激光剥线和YAG 激光剥线，对应的激光器包括CO2激光器、YAG 激光器[3]。示意见图2。

图2 激光剥线机示意

CO2激光剥线机一般用来剥除非金属外层及绝缘内层，CO2激光剥线机工作时，导线绝缘层对其波长10.6 μm 吸收率高，高达95%以上，吸收的能量在导线绝缘层表面产生高热量，使导线绝缘层快速达到气化状态，因非金属材料绝缘层对CO2激光波长吸收系数高，而金属材料对CO2激光波长吸收系数低，激光绝大部分被反射，因此在整个剥线过程中不会损伤到导线内部金属芯线，剥线质量高，电气信号传输更可靠性。YAG 激光剥线机一般用来切割金属材料，如金属丝、金属屏蔽包层。

本文主要使用SP0201-CO2-30 型激光剥线机对聚四氟乙烯导线绝缘层进行剥线工作，各类材料对CO2激光的吸收率见表1。

表1 聚四氟乙烯导线对CO2 激光的吸收率

2.2 激光剥线参数设置

剥线机配有二维工作台装置，通过运动控制卡控制X 轴电机、Y 轴电机来完成运动，X 轴电机、Y 轴电机和激光同步工作。

在启动激光剥线机工作前，先通过操作手柄确定定位精度，X=0.01 mm、Y=0.01 mm，设置切割程序和剥线参数，SP0201-CO2-30 型激光剥线机输出激光功率30 W，切割导线绝缘层时，可调参数共有以下3 个参数用于调节: 加工速度、功率、切割次数。见表2。

表2 激光剥线机参数

参数设置完成后使用剥线机进行绝缘层剥线操作，为了得出影响导线剥线质量的关键参数设置要求，对常用的各类聚四氟乙烯导线规格进行统计，导线规格信息见表3。

表3 常用导线规格统计

通过调节激光剥线机切割功率、加工速度和切割次数对不同规格导线进行剥线试验，为防止激光穿透屏蔽层损伤内部导线绝缘层，激光参数选定时，以速度最快和功率最低为原则，减少气化时间与控制气化层数[4]。

对试件开展质量检查，判定是否完全剥除绝缘层，分析得出最佳参数设置，切割次数设置为1，常用导线规格其余切割参数设置见表4。

表4 常用导线规格参数设置

2.3 激光剥线工装设计

SP0201-CO2-30 型激光剥线机原自带导线放置工装是一块加工深度为1 mm 的多个V 形槽金属板，示意见图3，剥线时需将导线一根一根人工手动放置在工装槽内，且导线放置后易变形，导线剥线时绝缘皮端切割后切口不平整问题发生频繁，导线剥线效率低，剥线质量不稳定。

图3 自带剥线工装

为提升操作效率，提高剥线质量。对其夹具进行重新设计，改进后夹具工装设计见图4。

图4 激光剥线工装

在改进后的夹具中采用连杆结构，通过压板实现导线的夹紧功能，保证导线在作业过程中不会产生相对移动。同时在装置前端设置有导线挡板，移动平台两侧带有尺寸刻度，用于调节待剥导线的剥线长度，更加直观、便捷。在进行剥线操作时，将数显调节至所需的长度，并紧固两侧螺钉，保证重复操作的一致性，再将导线放入后，待剥端顶齐至导线限位挡板，使用压板压紧即可保证所有导线剥线长度一致。

为减少人员操作，进一步将压板结构进行优化，见图5，将其采用气缸驱动压紧，仅需通过一个控制阀，即可实现导线的压紧与释放，气缸带有调节功能，可以调节压紧力度、压紧释放速度，以适应不同规格的导线，并能够保持压力，防止导线在作业过程中滑脱、变形。

图5 压板结构优化示意

夹具自带的剥线工装（图3）是放在图4 中序号6移动平台上，原有的移动平台为一块整体铝合金金属板，示意见图6，在放置导线时，无法一次将多根导线同时放置平整，同时也为方便人员操作，让放置导线更加平顺，在原有平台基础上增加放置槽，操作者在放置导线时，手部有更大的空间，不会因操作空间限制，导致导线放置时产生翘曲，更改后的移动平台见图7。同时增加前端槽口，可以保证待剥导线剥线位置与平台边缘保持齐平，提高一致性。