无缝安全气囊线的加工工艺.doc

整体式安全气囊线的激光弱化工艺延锋伟世通汽车饰件系统有限公司 范松鹤、武文光一 概述随着汽车技术的不断发展，对仪表板这样的集安全性、功能性、舒适性与装饰性于一身的零件的要求越来越高，特别是它的安全性。按照安全性来分，仪表板可分为无气囊仪表板和附气囊仪表板（针对付驾驶）。目前国内只有少数中高档次的轿车配备气囊仪表板，随着人们对安全性的重视，客户对附加气囊的仪表板的需求加大，主机厂也将此作为买点之一。为气囊的正常开启，在气囊上方多设计有气囊盖板，在打开时释放气囊。在与仪表板匹配处存在可视装接线，现有的国内的车型主要有PASSAT B5系列，SAIL系列，SAIL系列，通用的GL8等等。为美观起见，近年越来越多车型的仪表板被设计为整体式安全气囊（Integrated airbag）仪表板，既无可视装接线，又能保证气囊正常开启。其中有一种在仪表板本体上加工出一条安全气囊线的无缝气囊仪表板，在大众去年推出的新车型POLO和即将投产的Touran，以及上海通用新近推出的凯越（EXCELLE）均得到了采用。将来，这种无缝安全气囊仪表板的应用会越来越广泛，因此，其加工工艺将成为仪表板专业厂商必须掌握的关键技术。无缝安全气囊线的加工工艺有许多种，比如注塑成型、热刀、金属或超声波冷刀、冷铣和激光等，其中激光弱化工是近年刚刚兴起的，更为先进的工艺。右图即为德国JENOPTIK公司用于弱化安全气囊线的激光弱化系统。二工艺简介激光弱化工艺就是使用利用激光所具有的高能，加工无缝安全气囊线的工艺。激光发生器将所产生的激光聚焦在约0.2 mm 的范围内，形成具有高能量的激光束，激光束通过激光头，以定频脉冲的形式，打在仪表板上，其焦点处的材料在吸收激光的高能后迅速汽化，形成穿透或不穿透（根据需要）的小孔，这些小孔区域的材料厚度变薄，断裂强度降低，从而能在受到外界冲击时，优先断裂。许多这样的顺序排列的微孔的组合，就是我们通常说的安全气囊线（Airbag line）。安全气囊线的剖面示意图如下所示：表皮发泡层骨架当安全气囊爆炸时，气囊盖板将沿着这条强度相对低的线顺利打开，气囊从打开位置冲出仪表板。下面是几个安全气囊线的剖面图实例： PVC/ABS表皮（击穿） PVC表皮 PP硬塑之所以使用激光，是因为它具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度。激光弱化工艺就是用聚焦而成的高能量激光束将材料熔化或汽化，并用辅助气体将熔化或氧化物吸出而形成加工面。此工艺具具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源和材料、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，特别是能方便地加工易碎、脆、软、硬材料和合成材料。目前所使用的激光发生器主要是大功率二氧化碳激光器，因为大多数的工程塑料材料对这种激光辐射都有很好吸收。激光弱化工艺适用于现行通用的绝大部分材料。例如，硬塑仪表板材料多使用PP，仪表板骨架的材料主要有PC/ABS、PP、SMA、PPO（PPE）等的改型材料；仪表板常用的改性PP、PC/ABS和PP等，真空成型表皮材料PVC/ABS； 搪塑表皮材料PVC、TPO、PU等等。既可以加工由单一材料如用PP注塑成形的仪表板上体，也可以加工如由骨架，发泡层和表皮固化成的搪塑仪交联表板上体。三 弱化工艺原理 在详细描述激光弱化工艺过程前，需要了解一些关于仪表板材料和安全气囊打开方面的知识。首先，仪表板常用的工程塑料对激光的透过率是有差异的。根据透过率的高低，弱化工艺分为两种形式：固定残留厚度弱化和微穿孔弱化。 固定残留厚度形式适用于对激光波长有足够透过率的材料的切割（如TPO）。由穿过材料的激光透过量来控制生产过程。 微穿孔切割适用于对激光波长不透明或只有很少透过率材料（如PU）。实际上，之所以根据材料选择不同的弱化方式的根本原因在于，系统需要对弱化过程实时控制。而传感器发出的反馈信息是系统采取何种措施的依据，是实时控制的前提条件。对于透过率比较好的材料，在激光脉冲还没有完全击穿材料的时候，工作传感器就已经接到了信号，并可以发送反馈信息；而对于透过率不好的材料，激光脉冲要打到底，击穿材料，才能使传感器接收到能量信号。所以说，材料的特性决定采用那种弱化方式。材料透过率和弱化形式的关系如下图所示：其次，整体式安全气囊上方的气囊盖板是和仪表板上体紧密连接的。当安全气囊爆炸时，气囊将给气囊盖板以瞬间巨大的力，推着气囊盖板沿着安全气囊线打开，此后，气囊从仪表板打开处冲出。在这个过程中，可能出现的最大的问题就是仪表板上的碎片随气囊冲出而一起飞出。这些碎片的速度非常快，动能很大，不但容易划伤安全气囊，造成气囊失效，而且很容易对人体造成伤害，以至于出现“安全气囊不安全”的情况。特别是在低温状态下，用于仪表板制造的绝大部分的高分子材料处于玻璃态，材料很硬很脆，连泡沫碎屑也很硬，塑料碎片还会有许多不规则锐角！造成的后果会更加严重。因此，安全气囊在爆炸过程中应该杜绝材料碎片和泡沫碎屑的飞出。安全气囊线各处的断裂强度是影响其的非常重要的因素之一。如果各处的断裂强度不一致或太大，就容易造成仪表板的打开时把周边的材料撕扯下来，形成碎片或不规则撕裂边缘。所以，气囊线中的每一个孔的尺寸都必须非常精确。精度必须控制0.01mm。明确以上几点，我们再来看看激光弱化工艺是如何精确加工安全气囊线的。假设面板在理想状态下（主要指仪表板各处厚度一致，密度一致），并且激光功率保持恒定，激光的打开和关闭没有时间延迟，在这种情况下，打每个孔所需要的激光脉冲个数应该也是恒定不变的。但在实际生产过程中，这种假设是不存在的，主要有以下的不稳定因素： 激光功率不恒定，一直是在微小范围内连续波动； 激光的打开和关闭需要时间延迟； 加工表面和激光头之间的距离在小范围内波动； 仪表板的厚度存在微小变化，（比如表面有皮纹）； 仪表板内的各层密度也不断发生变化（例如泡沫层密度不一致；注塑骨架中存在的气泡、杂质等）。以上任何一种不稳定因素都可能造成剩余厚度的超差（精度为0.01mm）。如何消除这些不确定因素的影响呢？JENOPTIK公司的方案很好的解决了这个难题，并且获得专利。其方法就是将激光发射过程根据功率大小分为前后两个阶段：q 第一阶段，使用大功率激光脉冲，脉冲数量恒定；q 第二阶段，使用小功率的脉冲，脉冲数量实时变化。以下是激光在工作过程中的功率变化情况：注释：上图为激光脉冲功率变化示意图。l 黑实线表示理想状态下的激光功率变化；l 虚线表示实际状态下的激光功率变化；l P laser1表示第一阶段的激光脉冲功率；l P laser2表示第二阶段的激光脉冲功率；下图为工作传感器接受到的能量变化示意图。l 黑线表示工作传感器实际接受到的能量的大小；由上图可知，激光束按照恒定的频率发射，每次发射激光束之间的时间间隔为0.2ms，激光束能量大小从0-100。在第一阶段，激光的功率为80%，这样的大功率脉冲的数量是4个，发射完毕后，激光功率迅速下降为30%，数量为8个，进入了第二阶段，但功率实际变化和理想状态下的变化不一致，呈曲线下降，逐渐递减的形式。当发射了8个小功率脉冲后，工作传感器接受到的能量达到了规定的1.25V，立即向控制中心反馈，控制中心据此发出关闭激光盖的指令。虽然如此，激光功率仍然不会立即为零，会呈衰减状态，直到完全关闭。在这个过程中，微孔在激光作用下仍然在加深，工作传感器接受到的信号也不断增强，直到峰值2.2V。至此，一个完整的孔就打好了。IA1（10）表示大功率激光脉冲的个数；IA2（8）表示小功率激光脉冲的个数。为什么这样的方式就可以很好的消除了不稳定因素呢？请看下图：在第一阶段，大功率的激光脉冲已经将孔打到了接近规定的深度，而第二阶段的小功率激光脉冲是针对现有深度和规定深度之间的差距所使用的。此阶段的脉冲个数IA2，是控制中心根据工作传感器发回的反馈信号决定的。当使用小功率脉冲打孔的时候，工作传感器接收到激光能量会随着孔的不断深入而逐渐加大，在没有收到设定的能量数值前，工作传感器将要求继续发射激光脉冲，达到了规定数值后，传感器告诉控制中心停止发射，控制中心立即关闭激光盖。在这个过程中，如果材料密度较小（或中间有气孔），厚度较小，有的脉冲功率较小，所需要的IA2将比理想状态下所需要的少；如果材料密度较大（或正好有大密度的杂质），厚度较大，有的脉冲功率较大，所需要的IA2就相对较多。因此，每个孔所需要的IA2是根据聚焦处的材料以及激光脉冲的实际情况来确定的，每个孔所需要的IA2是实时变化的，系统真正实现了实时控制。而且，小功率激光相对于大功率激光更容易关闭，其所产生的影响也小的多。通过这样的方式，便可以很好的把剩余厚度的误差控制在很小的范围内。四设备简介下面就以POLO硬塑仪表板上体的安全气囊线的弱化工艺为例，简单介绍所用设备情况。POLO硬塑仪表板上体的安全气囊区域激光弱化所用的设备是德国JENOPTIK公司的VOTAN A型激光系统。型号为LSA 46（右图所示）。整个激光设备由这几大系统组成。供电稳压系统、激光发生系统、激光冷却系统、压缩气体供应单元、废气过滤系统、机器人系统、控制单元等。系统工作原理如下图所示：激光发生器激光发生器采用的是世界最大的激光发生器制造商ROFIN公司的二氧化碳激光发生器，型号为DC 015，产生激光波长为10.6mm，额定功率1500W，频率为2-5000HZ。激光发生器的功率大小是由所加工的材料的所决定的。一般来说，材料吸收激光能量容易，弱化深度浅，材料的熔点低，可选用额定功率小的发生器，反之，为了提高效率，则需要选择大功率的发生器。VOTAN A型激光系统有1000W、1500W、2000W三种发生器供选择。发生器所使用的发生气体是以二氧化碳为主的混合气体，气瓶容积为1500L，其中6是CO，94主要是CO2和少量的He、Xe、N等成分。系统将每72小时换一次气，每次换气消耗量为0.3L。机器人机器人是ABB公司的铰接机器人，型号为IRB4400。其主要功能有三点：a) 抓牢工件；b) 根据所安装的夹具的不同，选择不同的程序并运行（共32组可选）；c) 控制PLC单元和工业计算机的数据交换。机器人的机械臂上装有可更换的夹具，不同的夹具有特定的代码，机器人就是通过识别不同的代码来识别待加工的工件的。机器人的程序是可以说是整个程序的“神经”，PLC和工业计算机子程序的运行和数据的调用，都是根据机器人所处的状态决定的，比如，激光的发射，安全门的打开等等。在POLO程序中，机器人主要的位置包括以下几个： Home position: 机器人的起始位置，同时也是结束工作后所回到的位置； Load position: 在这个位置时，机器人等待操作工取放工件； Precut position: 是介于Nozzle load position和Load position 之间的一个位置，在这个位置，主要是进行数据交换和存取； Nozzle load position:弱化开始的起始位置，此时工件已经介于激光头和工作传感器之间。注意，此时的位置并不是安全气囊线的起始位置。在以上几个位置上，激光都是关闭的，激光的发射是在以下两个移动过程中打开的： Cutting: 机器人根据安全气囊线的形状所走的路径。此时，激光发生。完成弱化。 Additional cut: 判断工件是是否合格，合格则在仪表板上打个工艺孔，不合格则击穿安全气囊线。机器人顺序运行的过程示意如下：Precut positionLoad positionHomePosition Cutting and Additional cut Load positionPrecut positionNozzle load position 蓝色的注释：循环表示机器人做一个工件所走的路径；蓝色的 循环表示连续加工时所走的路径。注意：在调试设备的时候，机器人子程序的选择很重要。在手动状态下控制机器人的时候，千万不能将顺序搞错，否则，机械臂可能撞到激光头，造成严重事故！机器人还有一个重要的设定参数是在弱化路径上的移动速度。移动决定了相邻微孔之间的距离，速度快，孔距大；反之，孔距小。所以，机器人的移动精度非常重要。反馈系统系统的反馈系统主要包括三条路径的信息反馈。除了上面提到的机器人反映工件所处的位置的信息反馈外，控制中心还收到来自工作传感器（working sensor）和参照传感器（Reference sensor）的反馈信息。工作传感器和参照传感器的控制原理示意如下：工作传感器反馈的是其收到激光能量的大小。控制中心据此决定每个孔需要发射多少的脉冲，以及何时关闭激光。参照传感器的接收的是1%的激光能量，控制中心根据反馈来的这1%的能量大小，计算出用于弱化的99%的激光能量实际大小，并做适时的调控。水冷却系统。激光所产生的大量的热量通过水循环带走。水冷系统包括两个水循环：一个是冷却激光的内循环，在发生器的内部，所使用的水是经过层层过滤的去离子水（传导性30mS/cm）；还有一个外循环，冷却内循环水，使用的是纯净水（里面添加了防锈剂和防冻剂）。当激光盖关闭的时候，激光无法发射出去，所产生的激光就被用来加热内部的循环水，内部循环水再通过热传导的形式把热能传递给外部循环水。外部循环水最后通过大功率风扇把热能散发到外界环境中去。因此，激光发生器必须配备高可靠性、大功率的水冷却系统。排气和过滤系统。由于被加工的工程塑料多是高分子材料，这些物质的分子在吸收了激光的高能后迅速和空气中的物质发生化学反应，生成微量的不饱和芳香烃，酚类等物质，这些物质有些是有毒的，必须要经过处理以后才可以排放到大气中。一般来说，针对不同的材料通常采取不同的处理措施，VOTAN A型激光系统使用的是最常用的吸附、过滤介质氢氧化钙和活性炭。排气和过滤系统从工作位置吸出有毒气体，经过介质过滤后，再排入大气中。需要特别注意的是，如果表皮是PVC材料做的话，在激光弱化的过程中会产生HCL气体，它具有强腐蚀性，对设备非常有害，因此，对设备本身还要增加特别的防护。安全保护系统。用于激光弱化工艺的激光是二级激光，在国际上，是被定义为能对人体产生严重伤害的等级的激光。轻者灼伤皮肤，严重的甚至造成人眼永久性失明！因此，在激光工作时，对操作人员的保护显得非常的重要。首先，在激光发射的路径必须严格密闭，避免激光未聚焦前就散射出来；其次，在激光头附近的一定的空间范围内，必须使用低透过率的材料将整个空间封闭起来，与外界隔离，禁止操作人员靠近；最后，必须配备严密的，反应迅速的急停系统，以防在误操作时，及时、有效的关闭激光。安全气囊线的形式根据设计的需要各有不同，通常的是以下几种形式：CBAA. 这个安全气囊线由许多小单元（Web）组成，每个单元有固定数量的微孔，每组微孔之间有固定的间隔，但是间隔比较小。B. 这种安全气囊线的连续性要比A型强，在主要的四周都是连续的，在拐角处有较大的间隙，段与段之间的距离明显比A型大。C. 连续的安全气囊线，最小单元就是每个微孔。以上几种常见形式VATAN A型激光弱化系统都可以做。方法是将整条线分成几个相对独立的部分，每部分是由机器人的程序定义。以POLO安全气囊线为例，整个线就是机器人在cutting过程中所走的路径，这个路径被分为三个部分，分别定义为ID（identification address）1-ID3（一共可以定义为四个，ID0-ID3），每个ID在控制中心分别对应一组激光脉冲参数组合。控制中心根据机器人发回的反馈信号，决定调用哪组激光参数组合。请看下图中的各种不同的激光参数：由上图可知，Web是形式固定的由一定数量的微孔组成的单元体。在一段Web width中（一共10个孔位），大了8个，2个没有打，这样的多个Web就组成了A形式的安全气囊线；如果每个Web width 包括100个微孔，25个没有打，这样的多个Web就组成了B形式的安全气囊线；在C形式中，则取消了Web的设置，这样打出来的就是一条连续的线。VOTAN A型激光弱化系统还增加了一种附加的弱化形式，叫“预切割”形式。一如果所需弱化的搪塑仪表板的骨架很厚或透过率不好，这时候现可以使用“预切割”形式，在弱化路径上用一定功率的连续的激光快速切割一遍，降低骨架厚度或穿透骨架。综上所述，根据设计需要，确定机器人的ID的区域，在针对每个ID选择必要的激光参数，就可以加工出所需的安全气囊线形式。以下是POLO的安全气囊线的剖面图： PP硬塑四 工艺对产品质量的影响激光弱化工艺最大的优点是对过程100监控，每个微孔都受到工作传感器发出的反馈信息受到精确控制，因此，精度很高。只要设备正常，设定的参数正确，就不会出现缺陷。参数的选择很重要，因为剩余厚度和孔距的数值对安全气囊爆破的成功有否影响很大。至于如何选择参数，这是个经验值。针对不同的仪表板，需要做大量的爆破试验，经过不断调整，才能确定合适的参数值。POLO的剩余厚度是0.160.05mm；孔距是0.450.03mm。小结综上所述，激光弱化工艺是一种先进的加工工艺。虽然它的工艺复杂，设备昂贵，对控制人员要求比较高，但是，相对其他加工工艺，其精度高，零缺陷的特点优势明显，能够很好的满足整体式安全气囊线的加工。结束语本文简单介绍了用于加工整体式安全气囊线的激光弱化工艺，此工艺在国外已经很普遍了，但是在国内，由于车型落后或使用CKD件组装等因素，应用的非常少。也比较的陌生。写此文的目的除了简单介绍外，更主要的原因是想起到“抛砖引玉”的作用，希望能够激发更多的工程技术人员的兴趣去钻研激光工艺，提高我们延锋仪表板的工艺技术水平，保持延锋在技术上的核心竞争力，从容面对进入WTO以后的更为激烈市场竞争！最后，由于能力有限，再加上国内相关资料太少，又得不到国外的核心资料，所以，文章本事还存在很多的不足之处。敬请谅解！谢谢！ 激光所产生的大量的热量一般是通过水循环带走的。水冷系统包括两个水循环：一个是冷却激光的内循环，在发生器的内部，所使用的水是经过层层过滤的去离子水（传导性30mS/cm）；还有一