激光剝線技術(shù)在航空電纜上的應(yīng)用

韓沛岑 倪智煜 吳楊洋 /

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324)

0 引言

1976年，NASA推出了激光剝線技術(shù)[1]，為機(jī)械剝線工具提供了一種替代解決方案，由于該技術(shù)沒有劃傷或刮削導(dǎo)體的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了質(zhì)量控制的難度。此技術(shù)亦可用于切割橫截面圓整度不高的屏蔽電纜的外護(hù)套。NASA使用了連續(xù)波(CW)二氧化碳(CO2)激光器和Nd：YAG激光器。目前， CO2激光技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。與此同時(shí)，一種利用半導(dǎo)體激光器的新技術(shù)也在興起。

1 激光器的種類[1-2]

激光器包括CO2激光器、Nd:YAG激光器、半導(dǎo)體激光器[4]、準(zhǔn)分子激光器、連續(xù)波激光器、脈沖激光器等。

CO2激光器是最早開發(fā)的氣體激光器之一，激光介質(zhì)是由二氧化碳、氮?dú)?、氫氣和氦氣組成的氣體混合物。CO2激光器產(chǎn)生一束紅外線，主要波段的光波長以9.4 μm和10.6 μm為中心。

Nd:YAG激光器是最常見的固態(tài)激光器之一，激光介質(zhì)是釔鋁石榴石(YAG)晶體摻雜釹。 Nd:YAG激光器使用閃光燈或激光二極管進(jìn)行光學(xué)泵浦，此類激光器在近紅外光譜中發(fā)射波長為1.064 μm的光。

半導(dǎo)體激光器也稱為二極管激光器或激光二極管，是一種固態(tài)激光器激光介質(zhì)，由類似于發(fā)光二極管中的半導(dǎo)體二極管的p-n結(jié)形成。

準(zhǔn)分子激光器是在紫外線范圍內(nèi)發(fā)射的氣體激光器。他們使用惰性氣體(氬、氪或氙)的組合和反應(yīng)性氣體(氟或氯)作為激光介質(zhì)。

連續(xù)波激光器是以恒定功率發(fā)出穩(wěn)定光束的激光器。

脈沖激光器以給定的重復(fù)率和峰值，發(fā)出一系列短持續(xù)時(shí)間的發(fā)光脈沖。

2 激光剝線工具和技術(shù)

2.1 激光剝線簡(jiǎn)介

激光剝線的原理是以垂直方式將激光束聚焦到電線或電纜的絕緣層表面，然后以受控速度移動(dòng)激光束。絕緣層吸收光束能量，因此被蒸發(fā)和燒蝕。激光束基本上被金屬導(dǎo)體或屏蔽層反射。非反射能量傳遞到導(dǎo)體上，由于導(dǎo)熱性高，能量很快被釋放，可多種設(shè)備配套使用?？尚D(zhuǎn)的光學(xué)單元可用于產(chǎn)生圓周切口，一個(gè)光束(或多個(gè)光束)繞電線旋轉(zhuǎn)，或在旋轉(zhuǎn)電線的同時(shí)固定激光束。第二種方法是引導(dǎo)具有相反方向的兩個(gè)單獨(dú)的光束并將它們聚焦到電線中心的一個(gè)點(diǎn)，該光束垂直于導(dǎo)線移動(dòng)，同時(shí)切斷兩側(cè)的絕緣層。還可以使用固定光束并移動(dòng)電線，沿線方向的縱向切口可用于幫助已剝絕緣層的剝出，兩個(gè)主要的剝線參數(shù)是激光束功率和移動(dòng)速度。

2.2 CO2激光剝線機(jī)

CO2激光器以大約10 μm的波長發(fā)射紅外線，大多數(shù)絕緣材料吸收該特定波長范圍的紅外線并很快表現(xiàn)出損傷，它們可在低激光功率密度下燒蝕。金屬具有高反射率并且在該波長處不易損傷，激光剝線機(jī)中使用的CO2激光器具有典型的平均值功率10 W～50 W，可以在連續(xù)波或脈沖的方式下工作。脈沖方式能減少出現(xiàn)在某些類型的電線上的熱影響范圍。 CO2激光器的優(yōu)勢(shì)在于它的多功能性(在兼容的絕緣類型的數(shù)量)和生產(chǎn)力(更高功率的機(jī)器可以批量處理電線，而不是逐個(gè)處理電線)。

2.3 半導(dǎo)體激光剝線機(jī)

最近激光剝線裝置中出現(xiàn)了紫色和藍(lán)色連續(xù)波半導(dǎo)體激光器。很多類型的絕緣層散射可見光和近紅外光，但是能顯著地吸收紫色或藍(lán)色區(qū)域的光，因此即便使用低功率激光束也能進(jìn)行有效的切割。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是免維護(hù)操作，低功耗，而且設(shè)備具有非常高的緊湊性。

2.4 其他激光剝線機(jī)

光纖連續(xù)波Nd：YAG激光剝線機(jī)已通過NASA的測(cè)試和使用。它們可用于有限范圍的絕緣皮的剝除，因?yàn)樵诮t外范圍內(nèi)絕緣材料通常具有高光散射，但已被證明切割聚酰亞胺絕緣線的方法是有效的。

在紫外線范圍內(nèi)發(fā)射的準(zhǔn)分子激光剝線機(jī)可通過解離分子而不是通過分離來切斷電線絕緣層，這對(duì)于處理非常細(xì)的線特別理想，但這些激光源非常大，需要經(jīng)常排掉有毒的混合氣體。由于極高的峰值功率，使用短脈沖準(zhǔn)分子激光器時(shí)必須特別小心，因?yàn)楹苋菀讚p壞金屬導(dǎo)體或屏蔽層。

3 過程安全控制

3.1 金屬導(dǎo)體和屏蔽層的完整性

激光剝線技術(shù)提供了非接觸式剝離電纜的解決方案，而且損壞導(dǎo)體或屏蔽層的風(fēng)險(xiǎn)極小。因此，激光技術(shù)的選擇必須保證不會(huì)對(duì)航空航天電纜造成損壞。美國宇航局對(duì)連續(xù)波 CO2激光器(波長10.6 μm)和連續(xù)波YAG激光器(波長1.06 μm)進(jìn)行了研究，通過調(diào)整激光束的參數(shù)以切斷電線絕緣層。他們注意到導(dǎo)體或屏蔽層并沒有受到損傷，用激光切割絕緣層所需的功率密度水平遠(yuǎn)低于金屬本身的損傷閾值。

航空航天行業(yè)所使用的電線和電纜，較典型的導(dǎo)體或屏蔽層材料為銅鍍錫、銅鍍銀、銅鍍鎳等銅合金。選擇激光技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮幾個(gè)參數(shù)：連續(xù)波或脈沖、脈沖寬度、電線表面的功率密度(光束功率和焦斑尺寸)、相應(yīng)波長下的金屬材料吸收性能。

盡管金屬在這個(gè)波長的反射率很高，但是非常短的脈沖寬度(幾納秒或幾十納秒)通常提供了巨大的峰值功率。特別是YAG激光器通常用于劃線和標(biāo)記金屬，不得用于剝線。

3.2 屏蔽電纜-內(nèi)部導(dǎo)線絕緣層的完整性

激光剝線機(jī)特別適合切割橫截面非圓形的屏蔽電纜的外護(hù)套，因?yàn)檫@種類型的電纜用機(jī)械手段處理非常棘手，稍有疏忽就會(huì)損壞內(nèi)部金屬屏蔽層下面的導(dǎo)線，而激光束則不會(huì)對(duì)其造成損害。

航空電纜使用不同類型的屏蔽層，包括編織屏蔽層和螺旋屏蔽層。編織屏蔽層的覆蓋率通常占80%～90%。螺旋屏蔽的覆蓋密度較高，但通常不會(huì)保證100%。由于金屬屏蔽層對(duì)激光束無法完全反射，因此必須采取措施防止激光束損壞內(nèi)部導(dǎo)線的絕緣層。屏蔽電纜通常有兩種不同類型的護(hù)套：擠出外護(hù)套或繞包外護(hù)套。

3.2.1 擠出外護(hù)套多芯線

擠出外護(hù)套厚度變化很小，因此可以進(jìn)行調(diào)整激光剝離參數(shù)以提供足夠的切割深度，并同時(shí)保留一層薄薄的絕緣層不被割透，從而保護(hù)內(nèi)部的導(dǎo)線。只需稍微彎曲電纜便可完全剝除護(hù)套。

3.2.2 繞包外護(hù)套多芯線

對(duì)于由聚酰亞胺和PTFE包裹帶制成的繞包外護(hù)套，絕緣層厚度變化可能很大，找到合適的剝離參數(shù)并不容易。解決方案是在剝線的過程中實(shí)施監(jiān)控并實(shí)時(shí)設(shè)置激光參數(shù)。

4 處理質(zhì)量要求

AS5768規(guī)定了一般電線絕緣層剝除的性能要求[5]。激光剝線機(jī)特有性能要求在下文進(jìn)行描述。

4.1 絕緣層上受熱影響的區(qū)域

當(dāng)使用激光切割電線和電纜上的絕緣層時(shí)，絕緣層不應(yīng)在熱影響區(qū)域出現(xiàn)炭化。根據(jù)絕緣層材料，在切割邊緣處的輕微變色是可以接受的，并且變色部位應(yīng)該盡可能小。

圖1顯示激光剝除絕緣層的電線或電纜，建議“L”不超過0.039 in[1]。

圖1 受熱影響區(qū)域示意圖[1]

4.2 在導(dǎo)體或屏蔽層上的灰斑

當(dāng)用激光切割由聚酰亞胺組成的絕緣材料時(shí)，某些煙灰會(huì)出現(xiàn)在導(dǎo)體或屏蔽層上，但需做到灰斑應(yīng)盡可能少。在圖2中顯示激光剝線或電纜，建議“L”不超過0.039 in。

圖2 灰斑區(qū)域的示意圖[1]

5 屏蔽層、導(dǎo)體和電線的檢查

5.1 激光束對(duì)金屬導(dǎo)體或屏蔽層的影響

控制激光剝線機(jī)中的激光束，使其不會(huì)損壞導(dǎo)線鍍層或屏蔽層，應(yīng)至少包括三個(gè)試樣。試樣應(yīng)剝除長約0.6 in絕緣層。激光剝線機(jī)用相同的剝除絕緣層的參數(shù)，連續(xù)五次切割金屬導(dǎo)體(或屏蔽層)，間距為0.1 in，如圖3和圖4所示。

圖3 導(dǎo)線完整性測(cè)試

圖4 屏蔽完整性測(cè)試[1]

將樣品在室溫下浸入飽和鹽水溶液中放置24 h。標(biāo)本在放大40倍數(shù)下干燥并檢查，以判斷激光切割位置處的是否存在缺陷。若沒有缺口、劃傷及更嚴(yán)重的腐蝕或顏色變化即可接受激光剝線機(jī)的參數(shù)[1]。

5.2 激光束對(duì)屏蔽電纜內(nèi)部導(dǎo)線的影響

檢測(cè)激光切割屏蔽電纜外護(hù)套時(shí)，需要檢查對(duì)屏蔽下方內(nèi)部導(dǎo)線造成的潛在損壞。 試樣應(yīng)至少有5種，且至少來自2種不同的批次。對(duì)每個(gè)屏蔽電纜樣品在10個(gè)不同位置進(jìn)行激光切割，可按照激光剝線機(jī)供應(yīng)商或電纜制造商推薦的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

去除絕緣層和屏蔽層，并在10倍放大倍數(shù)下檢查內(nèi)部導(dǎo)線，由于通過屏蔽層的灰斑投射可能出現(xiàn)有些變暗了的斑點(diǎn)。如果觀察顯示表面是局部蝕刻的(挖出一個(gè)或幾個(gè)孔)，那么導(dǎo)線可能已經(jīng)損壞，此時(shí)激光剝離參數(shù)應(yīng)該被認(rèn)為不符合要求。請(qǐng)參考圖5。

圖5 屏蔽電纜的外護(hù)套剝離(不可接受的剝線效果)[1]

6 工具檢查

檢查激光剝線機(jī)時(shí)，須遵循制造商有關(guān)檢查間隔時(shí)間的說明，檢查包括激光剝線參數(shù)(位移速度和激光功率)，以保證在制造商規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)將激光剝線樣品與參考剝線樣品進(jìn)行比較。建議選擇有代表性的工作參數(shù)，而不僅僅是激光束功率。

7 用戶健康和安全

7.1 激光輻射危害

無論是手持激光剝線機(jī)還是臺(tái)式激光剝線機(jī)，應(yīng)遵守國際法規(guī)的規(guī)定，保證操作時(shí)無需使用眼睛保護(hù)裝置。

7.2 煙霧

航空航天電纜絕緣材料在蒸發(fā)時(shí)可能產(chǎn)生有毒煙霧，煙霧濃度水平取決于絕緣類型、激光剝線工具的性能和技術(shù)。建議根據(jù)當(dāng)?shù)剡m用的法規(guī)和法律，對(duì)操作空間進(jìn)行通風(fēng)或抽取煙霧。

8 結(jié)論

本文對(duì)激光剝線技術(shù)在航空電纜上的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，包括各類激光剝線機(jī)的原理、特點(diǎn)、檢查方法，以及激光剝線工藝的過程控制、效果評(píng)估和質(zhì)量要求。值得注意的是，激光剝線機(jī)適合絕緣層厚度均勻的電纜。