整体式安全气囊线激光弱化工艺.docx

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整体式安全气囊线激光弱化工艺

整体式安全气囊线的激光弱化工艺

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（针对副驾驶）。

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，客户对附有气囊的仪表板的需求加大，主机厂也将此作为买点之一。

为了让气囊正常开启，多在气囊上方设计一气囊盖板，在打开时释放气囊。

在气囊盖板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PASSATB5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（Integratedairbag）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。

今后，这种无缝安全气囊仪表板的应用将越来越广泛，因此，其加工工艺将成为仪表板专业制造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0.2mm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。

这样的许多顺序排列的微孔的组合，就是我们通常所说的安全气囊线（Airbagline）。

安全气囊线的剖面示意图如下所示：

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。

激光工艺具有加工对象广、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。

例如，硬塑仪表板材料常用的PP；骨架材料PC/ABS、PP、SMA、PPO（PPE）；真空成型的表皮材料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，发泡层和表皮交联固化成的搪塑仪表板上体。

三．弱化工艺原理

在详细描述激光弱化工艺原理前，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）。

∙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，根据材料的不同，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进行实时控制。

传感器的反馈信息是系统采取何种措施的依据，是系统实现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，并可以反馈之；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：

✧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公司的设计方案很好的解决了这个难题，并且获得专利。

方法是将激光发射过程根据功率大小分为前后两个阶段：

❑第一阶段，使用大功率激光脉冲，脉冲数量恒定；

❑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。

●黑实线表示理想状态下的激光功率变化；

●虚线表示实际状态下的激光功率变化；

●Plaser1表示第一阶段的激光脉冲功率；

●Plaser2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。

●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％。

第一阶段的激光功率为80%，脉冲个数为4，第二阶段的激光功率迅速下降至30%。

在第一阶段进入第二阶段的过程中，功率实际变化和理想状态下的变化不一致，呈曲线下降，逐渐递减的状态。

在第二阶段的末段，工作传感器接受到的能量逐渐增强并达到了规定的1.25V，系统接收到传感器的反馈并关闭激光，至此，发射的小功率脉冲的个数为8。

这时的激光功率仍然不会立即为零，会呈衰减状态，直到完全消失。

在关闭的过程中，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。

下图是打一个完整的孔

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。

的示意图：

第一阶段的大功率激光脉冲的作用是将孔打到接近规定的深度；第二阶段小功率激光脉冲的作用则是：

在第一阶段现有深度的基础上，打到规定深度。

其脉冲个数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，是实时变化的。

如此，系统实现了实时控制。

另外，小功率激光相对于大功率激光更容易关闭，关闭过程中所产生的影响也相对很小。

通过以上方式，系统很好的把剩余厚度的误差控制在规定范围内。

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VOTANA型激光系统。

型号为LSA46（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DC015，产生激光波长为10.6m，额定功率1500W，频率为2-5000HZ。

所选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，熔点低，弱化深度浅，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。

VOTANA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。

在POLO程序中，机器人主要的位置包括以下几个：

∙Homeposition:

机器人的起始位置，同时也是结束工作后所最后停止的位置；

∙Loadposition:

在这个位置时，机器人等待操作工取放工件；

∙Precutposition:

是介于Nozzleloadposition和Loadposition之间的一个位置，在这个位置，主要是进行数据交换和存取；

∙Nozzleloadposition:

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，激光的发射在以下两个移动过程中打开：

∙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。

∙Additionalcut:

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：

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！

还有，在Cutting的子程序中，机器人所走的路径被划分为三个相对独立的区域。

以POLO安全气囊线为例，路径被分为三个部分，分别定义为ID（identificationaddress）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。

Additionalcut对应的是ID10，它也对应一组激光参数。

另外还有一个在POLO中没有使用的程序——Precut程序，对应着ID4，它的作用是在ID0－ID3中所有使用的路径上，用一定功率脉冲预切割一遍。

如果材料透过率比较底，又比较厚，为了提高效率，就可以使用Precut程序先预切割一遍，随后再运行Cutting程序。

使用Precut程序的加工面示意图如下：

这些ID非常重要。

根据需要，使用不同的ID组合，并结合激光参数的设置，我们可以加工出符合要求的，形式多样的安全气囊线。

在后面还会结合激光参数的设置详细介绍。

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（workingsensor）和参照传感器（Referencesensor）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：

一个是吸收激光能量的内循环，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<30S/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，VOTANA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，它易溶于空气中的水，生成具有强腐蚀性的盐酸，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。

工艺参数的选用

首先，明确相关参数。

在弱化安全气囊线过程中，除了可选择使用有固定剩余厚度和穿透的孔外，还可以使用一种辅助孔——盲孔。

盲孔主要应用于带有聚氨酯发泡层的仪表板上。

由于泡沫层和表皮的强度相对骨架强度要低很多，为了提高效率，可以在保证骨架有足够的孔数的前提下，适当减少泡沫层和表皮的孔数，这时，就可以选择使用这种辅助性的盲孔。

它和固定剩余厚度孔的区别在于：

只使用固定数量的大功率脉冲，而不使用小功率脉冲。

由上图可知，整条安全气囊线是由一定数量的单元——Web组成的。

每个Web包含一定数量的微孔和孔位空隙。

在图例中显示的一段Webwidth中，共10个孔位，其中微孔有8个，孔位空隙有2个。

微孔的组成形式是一个固定剩余厚度孔接一个盲孔。

灵活设置Web的参数，并结合上文提到的机器人ID的划分，可以加工多种形式的安全气囊线。

安全气囊线常见的形式有以下几种形式：

C

B

A

A.这个安全气囊线由许多小容量的Web组成，每个Web单元有固定数量的微孔和孔位间隙。

B.这种安全气囊线的Web容量要比A型大的多，连续性较强。

C.连续的安全气囊线形式。

以上几种常见形式VATANA型激光弱化系统都可以做。

方法是整条气囊线按Web形式的不同，划分为几个ID，每个ID区域内的所有的Web形式一致。

如以A型为例，分为两个ID，一个ID内的Web是大容量的（微孔100个，孔位间隙50个）；另一个ID内的Web容量很小（微孔10个，孔位间隙5个）。

POLO的安全气囊线是连续的，并且没有使用盲孔。

其剖面图如下：

PP硬塑

用VOTANA激光系统弱化一条连续的安全气囊线需要设定的主要参数有：

✧孔距：

设定上一次激光关闭和下次再次打开的时间间隔——Spacing。

机器人的移动速度是恒定的，孔距＝机器人速度Spacing。

POLO气囊线的孔距是0.45±0.03mm。

✧激光各阶段的功率大小：

P1（％）；P2（％）。

✧大功率脉冲的数量：

spec.1

✧小功率脉冲的最大数量：

spec.2

✧工作传感器接收到的，需要作出反应的能量大小：

Toamplitude（P1）；Toamplitude（P2）

✧Additionalcut中设定的激光功率大小：

LaserpowerforAdditionalcut（%）

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，需要做大量的试验，不断调整，才能确定合适的参数值。

五．小结

本文简单介绍了用于加工无缝安全气囊线的激光弱化工艺。

虽然它的工艺复杂，设备昂贵，但是其精度高，自动化程度高，柔性高的优势明显，能够很好的满足无缝安全气囊线的加工要求。