激光剝線工藝研究及應用

張紅梅，袁潤清，包金龍

（太原航空儀表有限公司，山西 太原）

引言

當前航空電子產品具有結構緊湊、體積小、裝配密度高等特點，通常在印制板級和子系統級中多以導線進行互聯，整機級和整機間以電纜進行互聯[1]。所用導線以聚四氟乙烯（PTFE）為主，該類導線具有優異的電氣絕緣性能和機械物理性能，且有體積小、重量輕、阻燃、耐沖擊、耐熱老化、耐化學腐蝕、耐高溫、耐低溫、耐酸堿油及其它溶劑侵蝕等優異特點，可在-65 ℃～+250 ℃范圍內長期使用。

導線剝線是線束、電纜組件裝配必不可少的工序，剝線質量直接關系線束、電纜裝配質量。由于導線類型、線徑不一，剝線量大，完全依靠手工作業，很難保證質量一致性。

1 剝線工藝

剝線是使用專用工具剝開電纜的絕緣層和屏蔽層，露出內部芯線。通常分為冷剝和熱剝兩種方法。

脫頭操作和剝線較為相似，是指用熱剝法將電纜芯線的絕緣外皮脫去，露出芯線內部的金屬絲，為后面的焊接工作做準備。航空電子產品的導線剝線應使用熱控型剝線工具，限制使用機械（冷）剝線工具[2]，防止損傷芯線。

剝線的要求：

（1） 根據接線端子使用要求預留出相應的剝線尺寸。

（2） 剝線過程中不得損傷電纜線芯及后面的屏蔽層，不得破壞內部的雙絞關系。

目前常用的方法是采用熱剝器，根據導線線徑選擇剝刀對應孔，調節溫度檔位，通電加熱，將導線絕緣層熔斷剝離，示意見圖1。

圖1 熱剝器操作示意

M-10 型導線熱剝器溫度檔位設置1～10 檔可選，用對應線規刀口加持導線，保持數秒熔斷絕緣層，但隨著使用時間增加，出現手柄松動，內部摩擦片接觸變薄，制熱效果下降，無法完全熔斷導線絕緣層的問題，作業效率低、維護費用高、剝線質量差，需研究新的剝線方式。

2 激光剝線

2.1 激光剝線原理

激光剝線機是一種利用激光的熱分解效應或破壞分子鏈效應，對需要剝除的材料進行加工的設備，是激光在材料加工中的一項新應用。目前行業內常用的激光剝線類型為CO2激光剝線和YAG 激光剝線，對應的激光器包括CO2激光器、YAG 激光器[3]。示意見圖2。

圖2 激光剝線機示意

CO2激光剝線機一般用來剝除非金屬外層及絕緣內層，CO2激光剝線機工作時，導線絕緣層對其波長10.6 μm 吸收率高，高達95%以上，吸收的能量在導線絕緣層表面產生高熱量，使導線絕緣層快速達到氣化狀態，因非金屬材料絕緣層對CO2激光波長吸收系數高，而金屬材料對CO2激光波長吸收系數低，激光絕大部分被反射，因此在整個剝線過程中不會損傷到導線內部金屬芯線，剝線質量高，電氣信號傳輸更可靠性。YAG 激光剝線機一般用來切割金屬材料，如金屬絲、金屬屏蔽包層。

本文主要使用SP0201-CO2-30 型激光剝線機對聚四氟乙烯導線絕緣層進行剝線工作，各類材料對CO2激光的吸收率見表1。

表1 聚四氟乙烯導線對CO2 激光的吸收率

2.2 激光剝線參數設置

剝線機配有二維工作臺裝置，通過運動控制卡控制X 軸電機、Y 軸電機來完成運動，X 軸電機、Y 軸電機和激光同步工作。

在啟動激光剝線機工作前，先通過操作手柄確定定位精度，X=0.01 mm、Y=0.01 mm，設置切割程序和剝線參數，SP0201-CO2-30 型激光剝線機輸出激光功率30 W，切割導線絕緣層時，可調參數共有以下3 個參數用于調節: 加工速度、功率、切割次數。見表2。

表2 激光剝線機參數

參數設置完成后使用剝線機進行絕緣層剝線操作，為了得出影響導線剝線質量的關鍵參數設置要求，對常用的各類聚四氟乙烯導線規格進行統計，導線規格信息見表3。

表3 常用導線規格統計

通過調節激光剝線機切割功率、加工速度和切割次數對不同規格導線進行剝線試驗，為防止激光穿透屏蔽層損傷內部導線絕緣層，激光參數選定時，以速度最快和功率最低為原則，減少氣化時間與控制氣化層數[4]。

對試件開展質量檢查，判定是否完全剝除絕緣層，分析得出最佳參數設置，切割次數設置為1，常用導線規格其余切割參數設置見表4。

表4 常用導線規格參數設置

2.3 激光剝線工裝設計

SP0201-CO2-30 型激光剝線機原自帶導線放置工裝是一塊加工深度為1 mm 的多個V 形槽金屬板，示意見圖3，剝線時需將導線一根一根人工手動放置在工裝槽內，且導線放置后易變形，導線剝線時絕緣皮端切割后切口不平整問題發生頻繁，導線剝線效率低，剝線質量不穩定。

圖3 自帶剝線工裝

為提升操作效率，提高剝線質量。對其夾具進行重新設計，改進后夾具工裝設計見圖4。

圖4 激光剝線工裝

在改進后的夾具中采用連桿結構，通過壓板實現導線的夾緊功能，保證導線在作業過程中不會產生相對移動。同時在裝置前端設置有導線擋板，移動平臺兩側帶有尺寸刻度，用于調節待剝導線的剝線長度，更加直觀、便捷。在進行剝線操作時，將數顯調節至所需的長度，并緊固兩側螺釘，保證重復操作的一致性，再將導線放入后，待剝端頂齊至導線限位擋板，使用壓板壓緊即可保證所有導線剝線長度一致。

為減少人員操作，進一步將壓板結構進行優化，見圖5，將其采用氣缸驅動壓緊，僅需通過一個控制閥，即可實現導線的壓緊與釋放，氣缸帶有調節功能，可以調節壓緊力度、壓緊釋放速度，以適應不同規格的導線，并能夠保持壓力，防止導線在作業過程中滑脫、變形。

圖5 壓板結構優化示意

夾具自帶的剝線工裝（圖3）是放在圖4 中序號6移動平臺上，原有的移動平臺為一塊整體鋁合金金屬板，示意見圖6，在放置導線時，無法一次將多根導線同時放置平整，同時也為方便人員操作，讓放置導線更加平順，在原有平臺基礎上增加放置槽，操作者在放置導線時，手部有更大的空間，不會因操作空間限制，導致導線放置時產生翹曲，更改后的移動平臺見圖7。同時增加前端槽口，可以保證待剝導線剝線位置與平臺邊緣保持齊平，提高一致性。

圖6 原始移動平臺示意

圖7 改進后移動平臺示意

改進后的夾具工裝單次可夾持并剝除30 根導線，剝線效率大幅提升。

3 剝線效果

目視檢查導線剝線質量，導線絕緣層切割整齊、完整，無毛刺、燒焦；脫頭后的芯線不卷曲、無加工痕跡以及斷股情況，導線剝線外觀效果見圖8。

圖8 外觀效果

采用激光剝線工藝進行導線絕緣層剝除后，通過壓接、焊接等工序，制作線束、電纜組件，生產過程經拉力測試，高低溫、振動等環境試驗，結果均合格，證明該工藝方法可行。

4 結論

聚四氟乙烯導線使用激光方法剝線，根據線徑不同選擇不同的剝線參數，分別為30%功率和40%功率，加工速度50 mm/s，切割次數1 次，在此條件下，使用改進后激光剝線工裝，將導線并排進行整體切割，相比熱剝法，效率顯著提升，且質量一致性好。

經多型產品實際應用，通過高低溫、振動等環境試驗驗證、裝機試飛等考核，線束、電纜組件工作可靠，表明激光剝線效率高，質量穩定，是用于絕緣導線的最佳剝線方法。