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激光剥线技术在航空电缆上的应用

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激光剥线技术在航空电缆上的应用

发布日期:2019-11-11 作者: 点击:

1976 年,NASA 推出了激光剥线技术[1] ,为机械剥线工具提供了一种替代解决方案,由于该技术没有划伤或刮削导体的风险,从而降低了质量控制的难度。此技术亦可用于切割横截面圆整度不高的屏蔽电缆的外护套。NASA 使用了连续波(CW)二氧化碳(CO 2 )激光器和 Nd:YAG 激光器。目前,CO 2激光技术已经应用于航空航天等领域。与此同时,一种利用半导体激光器的新技术也在兴起。


激光器的种类[1 -2]


激光器包括 CO 2 激光器、Nd:YAG 激光器、半导体激光器[4] 、准分子激光器、连续波激光器、脉冲激光器等。CO 2 激光器是最早开发的气体激光器之一,激光介质是由二氧化碳、氮气、氢气和氦气组成的气体混合物。CO 2 激光器产生一束红外线,主要波段的光波长以 9. 4 μm 和 10. 6 μm 为中心。Nd:YAG 激光器是最常见的固态激光器之一,激光 介 质是钇铝石 榴 石 ( YAG) 晶 体 掺 杂 钕。Nd:YAG 激光器使用闪光灯或激光二极管进行光学泵浦,此类激光器在近红外光谱中发射波长为1. 064 μm 的光。


半导体激光器也称为二极管激光器或激光二极管,是一种固态激光器激光介质,由类似于发光二极管中的半导体二极管的 p-n 结形成。准分子激光器是在紫外线范围内发射的气体激光器。他们使用惰性气体(氩、氪或氙)的组合和反应性气体(氟或氯)作为激光介质。连续波激光器是以恒定功率发出稳定光束的激光器。脉冲激光器以给定的重复率和峰值,发出一系列短持续时间的发光脉冲。


激光剥线工具和技术

激光剥线简介


激光剥线的原理是以垂直方式将激光束聚焦到电线或电缆的绝缘层表面,然后以受控速度移动激光束。绝缘层吸收光束能量,因此被蒸发和烧蚀。激光束基本上被金属导体或屏蔽层反射。非反射能量传递到导体上,由于导热性高,能量很快被释放,可多种设备配套使用。可旋转的光学单元可用于产生圆周切口,一个光束(或多个光束)绕电线旋转,或在旋转电线的同时固定激光束。第二种方法是引导具有相反方向的两个单独的光束并将它们聚焦到电线中心的一个点,该光束垂直于导线移动,同时切断两侧的绝缘层。还可以使用固定光束并移动电线,沿线方向的纵向切口可用于帮助已剥绝缘层的剥出,两个主要的剥线参数是激光束功率和移动速度。

CO 2 激光剥线机

CO 2 激光器以大约 10 μm 的波长发射红外线,大多数绝缘材料吸收该特定波长范围的红外线并很快表现出损伤,它们可在低激光功率密度下烧蚀。金属具有高反射率并且在该波长处不易损伤,激光剥线机中使用的 CO 2 激光器具有典型的平均值功率 10 W ~50 W,可以在连续波或脉冲的方式下工作。脉冲方式能减少出现在某些类型的电线上的热影响范围。CO 2 激光器的优势在于它的多功能性(在兼容的绝缘类型的数量)和生产力(更高功率的机器可以批量处理电线,而不是逐个处理电线)。

半导体激光剥线机

最近激光剥线装置中出现了紫色和蓝色连续波半导体激光器。很多类型的绝缘层散射可见光和近红外光,但是能显著地吸收紫色或蓝色区域的光,因此即便使用低功率激光束也能进行有效的切割。该技术的主要优点是免维护操作,低功耗,而且设备具有非常高的紧凑性。

其他激光剥线机

光纤连续波 Nd:YAG 激光剥线机已通过 NASA的测试和使用。它们可用于有限范围的绝缘皮的剥除,因为在近红外范围内绝缘材料通常具有高光散射,但已被证明切割聚酰亚胺绝缘线的方法是有效的。在紫外线范围内发射的准分子激光剥线机可通过解离分子而不是通过分离来切断电线绝缘层,这对于处理非常细的线特别理想,但这些激光源非常大,需要经常排掉有毒的混合气体。由于极高的峰值功率,使用短脉冲准分子激光器时必须特别小心,因为很容易损坏金属导体或屏蔽层。

过程安全控制

金属导体和屏蔽层的完整性激光剥线技术提供了非接触式剥离电缆的解决方案,而且损坏导体或屏蔽层的风险极小。因此,激光技术的选择必须保证不会对航空航天电缆造成损坏。美国 宇 航 局 对 连 续 波 CO 2 激 光 器 ( 波 长10. 6 μm)和连续波 YAG 激光器(波长 1. 06 μm)进行了研究,通过调整激光束的参数以切断电线绝缘层。他们注意到导体或屏蔽层并没有受到损伤,用激光切割绝缘层所需的功率密度水平远低于金属本身的损伤阈值。航空航天行业所使用的电线和电缆,较典型的导体或屏蔽层材料为铜镀锡、铜镀银、铜镀镍等铜合金。选择激光技术时应考虑几个参数:连续波或脉冲、脉冲宽度、电线表面的功率密度(光束功率和焦斑尺寸)、相应波长下的金属材料吸收性能。尽管金属在这个波长的反射率很高,但是非常短的脉冲宽度(几纳秒或几十纳秒)通常提供了巨大的峰值功率。特别是 YAG 激光器通常用于划线和标记金属,不得用于剥线。屏蔽电缆-内部导线绝缘层的完整性激光剥线机特别适合切割横截面非圆形的屏蔽电缆的外护套,因为这种类型的电缆用机械手段处理非常棘手,稍有疏忽就会损坏内部金属屏蔽层下面的导线,而激光束则不会对其造成损害。航空电缆使用不同类型的屏蔽层,包括编织屏蔽层和螺旋屏蔽层。编织屏蔽层的覆盖率通常占80% ~90%。螺旋屏蔽的覆盖密度较高,但通常不会保证 100%。由于金属屏蔽层对激光束无法完全反射,因此必须采取措施防止激光束损坏内部导线的绝缘层。屏蔽电缆通常有两种不同类型的护套:挤出外护套或绕包外护套。挤出外护套多芯线

挤出外护套厚度变化很小,因此可以进行调整激光剥离参数以提供足够的切割深度,并同时保留一层薄薄的绝缘层不被割透,从而保护内部的导线。只需稍微弯曲电缆便可完全剥除护套。绕包外护套多芯线对于由聚酰亚胺和 PTFE 包裹带制成的绕包外护套,绝缘层厚度变化可能很大,找到合适的剥离参数并不容易。解决方案是在剥线的过程中实施监控并实时设置激光参数。


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关键词:激光剥线技术,剥线机,CO2激光剥线机

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