航空航天工业电线电缆紫外激光打标的基本原理

根据IOP激光技术手册，1999年，全球各行各业使用了大约22,000台激光打标机。Hexa Research预计，到2024年，整个激光市场将达到30亿美元。似乎在几年内，所有需要标记的东西都将用激光标记，包括水果和蔬菜，当然还有电线和电缆。

本文介绍了航空航天工业电线电缆紫外激光打标的基本原理及其对其他市场的适用性。

使用紫外（UV）激光器在电线和电缆上直接印刷已在航空航天工业中得到了OEM和最终用户的广泛测试和接受。它由SAE International（http://www.sae.org/ AIR5558，AIR5468B，AS5649）发布的几份文件和标准所涵盖，并反映在商业，工业和军事用途的大型和小型框架飞机的生产规范中。OEM名单包括波音，空中客车，洛克希德马丁，西科斯基，湾流，庞巴迪，皮拉图斯等。它也被国防部，美国宇航局，美国联邦航空局等政府机构使用。最终用户在定期维护和维修程序中使用紫外激光打标机。

紫外激光器在基板表面留下永久不可磨灭的高分辨率标记。要了解这种现象，我们必须考虑激光束如何与材料相互作用。例如，光束可以从表面完全反射，作为来自镜子的太阳光线，或者作为穿过透明玻璃窗的太阳光线传播而不受影响。在这些情况下，表面上不会留下任何痕迹。要标记材料，必须直接在材料表面或附近吸收至少一部分激光辐射。

根据激光和材料特性，有几种可能的情况（图1）：

被辐照的材料蒸发，在表面上留下相对锋利的边界沟。

被辐照的材料从内向外融化和溢出，在平原中间形成丘陵和山谷。

被辐照的材料加热并产生与大气氧反应的气态成分，在表面上沉积燃烧产物（如烟灰）。

颜色变化。材料会改变颜色，而不会发生任何其他可见的表面修改。

以上所有。

图例.1. 激光-表面相互作用

烧蚀是改变表面的最干净的方法，但由于受影响的区域不会改变颜色，因此标记对比度较低。更深、更宽的标记可以提高易读性，但会降低材料完整性，这对于航空航天应用来说显然是不可接受的。一种可能性是应用额外的电线日照层，然后选择性地将其去除，露出不同颜色的底漆，但这看起来也不是很实用。

熔化和燃烧打标工艺存在长期耐久性问题，因为熔化的材料和烧坏的沉积物可能无法很好地粘附在未受影响的区域。这类似于 21圣世纪烫印技术。当然，这个版本更先进，更灵活，更精确，但它仍然是热冲压，有其所有众所周知的缺陷。

在不改变材料性能、提供足够的对比度、良好的耐久性和长期稳定性的条件下，换色可以是一种极好的解决方案。航空航天电线电缆的紫外激光打标满足了所有这些要求。

图2显示了使用三星科技M-100L-FG电线打标系统加工的ETFE和PTFE绝缘电线。轮廓分明、清晰可辨的打印件即使在长时间加速热老化后也能保持完整。

图2. ETFE（顶部）和PTFE（底部）电线上的紫外激光打标

标记横截面（图3）确认变暗区在表面下延伸10-20um，确保在不物理破坏绝缘层顶层的情况下无法改变或去除标记。

图例.3. BMS13-48T10C01G022（左）和BMS13-60T44C01G022（右）的标记导线横截面

问题是浅色聚合物表面如何在激光照射下变暗而不燃烧或熔化。答案是称为二氧化钛（TiO2）的神奇物质。幸运的是，这是一种常用的颜料，电线制造商用它来使绝缘看起来是白色或其他浅色，如灰色，蓝色，绿色，黄色，粉红色等。

3.1电子伏特左右的光学带隙占TiO2对波长短于 380 纳米的紫外线辐射的强烈吸收。用紫外激光照射永久改变TiO2的颗粒从白色到蓝色/黑色。当这些颗粒嵌入基板时，也会发生同样的效果。理想情况下，激光辐射不与基材发生反应，而是自由通过基材表面。相比之下，基板内的颜料颗粒与激光束相互作用，激光束改变颗粒的结构和外观，包括颜色。例如，薄的PTFE薄膜对紫外光几乎是透明的，而小（~0.3u）TiO2随机分布在绝缘层中的颗粒强烈吸收光并改变颜色。

图4说明了空间和时间的过程。入射激光束自由穿透第一层材料层，在与原始白色TiO2颗粒相互作用时损失其总能量的一小部分（例如，1%），将它们变成黑色。同样的事情发生在第二层，依此类推，直到大部分激光脉冲能量在顶部50-100层内被吸收。实际上，该过程在时间和空间上都非常有限，因为总脉冲持续时间通常低于30ns，标记深度不超过50um左右。

图例.4. 紫外激光束通过掺有TiO2粒子的透明介质的路径示意图

短纳秒激光脉冲可防止添加剂与周围材料之间的定期热交换，从而限制了对颜料颗粒本身的任何结构和/或化学改性。显然，这个标记不容易去除，因为它的大部分分布在顶层，而不是在表面上。

强烈的紫外线照射下TiO2颗粒物究竟发生了什么的问题，不在本篇文章的讨论范围之内，但由此产生的颜色变化是不可逆的。例如，长期稳定性的紫外激光打标的TiO2掺杂的ETFE层于1990年在麦克唐纳道格拉斯研究实验室进行了研究。标记在两次热老化期间都几乎没有变化（229℃为770小时）或模拟太阳辐射（相当于亚利桑那州沙漠中17年的紫外线照射）。

标记对比度与TiO2浓度成正比;但是，过量可能会损坏绝缘层。通常2-4%足以实现良好的对比度。表1列出了在航空航天工业中常用的电线结构上通过直接紫外激光打印可以实现的典型对比度水平。

表 1.紫外激光打标电线电缆

其他电线类型也可以标记，只要它们含有魔术颜料。拥有TiO2的护套的最外层是上述标记技术的主要限制。在大多数应用中，TiO2用作白色着色剂，在紫外激光照射下会变黑。因此，只有浅色电线才能清晰地印迹。

其余的导线也可以通过图1中描述的不同机制用激光标记。然而，这些标记很可能不符合严格的航空航天标准，除非我们找到另一种神奇的颜料，例如，在绿色激光曝光时从黑色变成白色。

审核编辑 ：李倩