安全氣囊線激光弱化工藝

1、百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我安全氣囊線的激光弱化工藝概述隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)儀表板這樣的集安全性、功能性、舒適性與裝飾性于 一身的零件的要求越來(lái)越高，特別是它的安全性。按照安全性來(lái)分，儀表板可分為無(wú)氣 囊儀表板和附氣囊儀表板（針對(duì)副駕駛）。目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)中高檔次的轎車配備氣囊 儀表板，隨著人們對(duì)安全性的重視，客戶對(duì)附有氣囊的儀表板的需求加大，主機(jī)廠也將 此作為買點(diǎn)之一。為了讓氣囊正常開啟，多在氣囊上方設(shè)計(jì)一氣囊蓋板，在打開時(shí)釋放 氣囊。在氣囊蓋板與儀表板匹配處存在可視裝接線，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)的車型主要有 passat b5系列，sail系列，sail系列，通用的gl8等等。為美觀起見(jiàn)，近

2、年越來(lái)越多車型的 儀表板被設(shè)計(jì)為整體式安全氣囊（integrated airbag ）儀表板，既無(wú)可視裝接線，又、 能保證氣囊正常開啟。其中有一種在儀表板本體上加工出一條安全氣囊線的無(wú)縫氣囊儀 表板，在大眾去年推出的新車型 pol4口即將投產(chǎn)的touran ,以及上海通用新近推出的凱越（excell e均得到了采用。今 后，這種無(wú)縫安全氣囊儀表板的應(yīng)用將 越來(lái)越廣泛，因此，其加工工藝將成為 儀表板專業(yè)制造商必須掌握的關(guān)鍵技 術(shù)。無(wú)縫安全氣囊線的加工工藝有 許多種，比如注塑成型、熱刀、金 屬或超聲波冷刀、冷銃和激光等， 其中激光弱化工是近年剛剛興起 的，更為先進(jìn)的工藝。右圖為德國(guó)jenoptik

3、公司用于弱化安全氣囊線的激光弱化系統(tǒng).工藝簡(jiǎn)介/激光弱化工藝就是使用利用激光所具有的高能，加工無(wú)縫安全氣囊線的工藝。激光發(fā)生器將所產(chǎn)生的激光聚焦在約0.2 mm的范圍內(nèi)，形成具有高能量的激光束，激光束通過(guò)激光頭，以定頻脈沖的形式，打在儀表板上，其焦點(diǎn)處的材料在吸收激光的高能后迅速汽化，形成穿透或不穿透(根據(jù)需要)的小孔，這些小孔區(qū)域的材料厚度變薄，斷裂強(qiáng)度降低，從而能在受到外界沖擊時(shí)，優(yōu)先斷裂。這樣的許多順序排列的微孔的組合，就是我們通常所說(shuō)的安全氣囊線(airbag line )。安全氣囊線的剖面示意圖如下所示：骨架當(dāng)安全氣囊爆炸時(shí)，氣囊蓋板將沿著這條強(qiáng)度相對(duì)低的線順利打開，氣囊從 打開位置

4、沖出儀表板。下面是幾個(gè)安全氣囊線的剖面圖實(shí)例：15pvc/abs 表皮 / pvc表皮/pp 硬塑zz 之所以使用激光，是因?yàn)樗哂懈呦喔尚?、方向性、高?qiáng)度的特質(zhì)，很容易 獲得很高的光通量密度。激光工藝具有加工對(duì)象廣、變形小、精度高、節(jié)省能源 和材料、公害小、遠(yuǎn)距離加工、自動(dòng)化加工等顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是能方便地加工易 碎、脆、軟、硬材料和合成材料。目前所使用的激光發(fā)生器主要是大功率二氧化碳激光器，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的工程塑料材料對(duì)這種激光輻射都有很好吸收。例如，硬塑儀表板材料常用的 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、

5、tpo pu等等。既可以加工由單一材料如用pp注塑成形的儀表板上體，也可以加工如由骨架，發(fā)泡層和表皮交聯(lián) 固化成的搪塑儀表板上體。三.弱化工藝原理在詳細(xì)描述激光弱化工藝原理前，需要了解一些關(guān)于儀表板材料和安全氣囊 打開方面的知識(shí)。首先，儀表板常用的工程塑料對(duì)激光的透過(guò)率是有差異的。根據(jù)透過(guò)率的高 低，弱化工藝分為兩種形式：固定殘留厚度弱化和微穿孔弱化。?固定殘留厚度形式適用于對(duì)激光波長(zhǎng)有足夠透過(guò)率的材料的切割（如tpo） 。/?微穿孔切割適用于對(duì)激光波長(zhǎng)不透明或只有很少透過(guò)率材料（如pu）。實(shí)際上，根據(jù)材料的不同，選擇不同的弱化方式的根本原因在于，系統(tǒng)需要對(duì)弱化 過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。傳感器的反饋

6、信息是系統(tǒng)采取何種措施的依據(jù)，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控 制的前提條件。對(duì)于透過(guò)率比較好的材料，在激光脈沖還沒(méi)有完全擊穿材料的時(shí)候，工作傳感器就已經(jīng)接到了信號(hào)，并可以反饋之；而對(duì)于透過(guò)率不好的材料，激光脈沖要打 到底，擊穿材料，才能使傳感器接收到能量信號(hào)。所以說(shuō)，材料的特性決定采用那種弱 化方式。材料透過(guò)率和弱化形式的關(guān)系如下圖所示：基礎(chǔ)過(guò)程固定殘留厚度切割i微穿孔根據(jù)表皮材料透明不透明對(duì)于co,激光其次，無(wú)縫式安全氣囊上方的氣囊蓋板是和儀表板上體緊密連接的。當(dāng)安全 氣囊爆炸時(shí)，氣囊將給氣囊蓋板以瞬間巨大的力，推著氣囊蓋板沿著安全氣囊線 打開，并從儀表板打開處沖出。在這個(gè)過(guò)程中，可能出現(xiàn)的最大的問(wèn)題就是

7、儀表 板上的碎片隨氣囊沖出而一起飛出。這些碎片的速度非?？?，動(dòng)能很大，不但容 易劃傷安全氣囊，造成氣囊失效，而且很容易對(duì)人體造成傷害，以至于出現(xiàn)“安 全氣囊不安全”的情況。特別是在低溫狀態(tài)下，用于儀表板制造的絕大部分的高 分子材料處于玻璃態(tài)，材料很硬很脆，連泡沫碎屑也很硬，塑料碎片還會(huì)有許多 不規(guī)則銳角！造成的后果會(huì)更加嚴(yán)重。因此，安全氣囊在爆炸過(guò)程中應(yīng)該杜絕材 料碎片和泡沫碎屑飛出的情況的出現(xiàn)。最后，安全氣囊線各處的斷裂強(qiáng)度是影響氣囊順利打開的非常重要的因素之 一。如果各處的斷裂強(qiáng)度不一致或太大，很容易造成氣囊蓋板打開時(shí)將周邊的材 料撕扯下來(lái)，形成碎片或不規(guī)則撕裂邊緣。所以，氣囊線中的每一個(gè)

8、孔的尺寸都 必須非常精確。明確以上幾點(diǎn)，再來(lái)看看激光弱化工藝是如何精確加工安全氣囊線的。假設(shè)面板在理想狀態(tài)下（主要指儀表板各處厚度一致，密度一致），并且激 光功率保持恒定，激光的打開和關(guān)閉沒(méi)有時(shí)間延遲，在這種情況下，打每個(gè)孔所 需要的激光脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)該也是恒定不變的。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這種假設(shè)是不存在的，主要有以下的不穩(wěn)定因素：激光功率不恒定，一直是在微小范圍內(nèi)連續(xù)波動(dòng)；激光的打開和關(guān)閉需要時(shí)間延遲；加工表面和激光頭之間的距離在小范圍內(nèi)波動(dòng)；/ 儀表板的厚度存在微小變化，（比如表面有皮紋）；/儀表板內(nèi)的各層密度也不斷發(fā)生變化（例如泡沫層密度不一致；注塑骨架中存在的氣泡、雜質(zhì)等）。以上任何一種不

9、穩(wěn)定因素都可能造成剩余厚度的超差（精度為0.01mm ）。如何消除這些不確定因素的影響呢？jenoptik 公司的設(shè)計(jì)方案很好的解決了這個(gè)難題，并且獲得專利。方法是將激光發(fā)射過(guò)程根據(jù)功率大小分為前后兩 個(gè)階段：第一階段，使用大功率激光脈沖，脈沖數(shù)量恒定；第二階段，使用小功率的脈沖，脈沖數(shù)量實(shí)時(shí)變化。以下是激光在工作過(guò)程中的功率變化情況：ptawr 僧 “base4r m-xllbmt control100一匚 twmr& signalactual iser power90 -r period of high laser power60=4 pulseslucf 1 40-period of l

10、ow ttarr power 8 pulses30 一1 plwr 2 mo2010ipuhe interval. 200 9hiiiiiii1if0j 0.40.6 clb 1.0 ti 1-4 tu6 t-82 jo ?j242 620.0 ill*1 mssertfx iigzl |v| (work wmor)diagram: woiic senwr signal.c 一一 abwlute tiiiaa. 匕. evallmitioiii limrt 109 一-3 一 hole max vdlue 修a 2.2 v)2switch4ff thiuhbld (t.4. 1 明注釋：上圖為

11、激光脈沖功率變化示意圖。黑實(shí)線表示理想狀態(tài)下的激光功率變化；虛線表示實(shí)際狀態(tài)下的激光功率變化；p laserl表示第一階段的激光脈沖功率；/p laser2表示第二階段的激光脈沖功率；下圖為工作傳感器接受到的能量變化示意圖。黑線表示工作傳感器實(shí)際接受到的能量的大小;由上圖可知，激光束按照恒定的頻率發(fā)射，每次發(fā)射激光束之間的時(shí)間問(wèn)隔為，激光束能量大小從 0-100 %。第一階段的激光功率為80%,脈沖個(gè)數(shù)為 4,第二階段的激光功率迅速下降至丁/30%。在第一階段進(jìn)入第二階段的過(guò)程中，功率 實(shí)際變化和理想狀態(tài)下的變化不一致，呈曲線下降，逐漸遞減的狀態(tài)。在第二階段的末段，工作傳感器接受到的能量逐漸增

12、強(qiáng)并達(dá)到了規(guī)定的，系統(tǒng)接收到傳感器的反饋并關(guān)閉激光，至此，發(fā)射的小功率脈沖的個(gè)數(shù)為 8。這時(shí)的激光功率仍然不會(huì)立即為零，會(huì)呈衰減狀態(tài)，直到完全消失。在關(guān)閉的過(guò)程中，微孔在激光作用下仍然在加深，工作傳感器接受到的信號(hào)也不斷增強(qiáng)，直到峰值。/下圖是打一個(gè)完整的孔的示意圖：第一階段的大功率激光脈沖的作用是將孔打到接近規(guī)定的深度；第二階段小 功率激光脈沖的作用則是：在第一階段現(xiàn)有深度的基礎(chǔ)上，打到規(guī)定深度。其脈 沖個(gè)數(shù)ia2,是控制中心根據(jù)工作傳感器發(fā)回的反饋信號(hào)決定的。當(dāng)使用小功率 脈沖打孔的時(shí)候，工作傳感器接收到激光能量會(huì)隨著孔的不斷深入而逐漸加大， 在沒(méi)有收到設(shè)定的能量數(shù)值前，工作傳感器將要求繼

13、續(xù)發(fā)射激光脈沖，達(dá)到了規(guī) 定數(shù)值后，傳感器告訴控制中心停止發(fā)射，控制中心立即關(guān)閉激光蓋。在這個(gè)過(guò) 程中，如果材料密度較?。ɑ蛑虚g有氣孔），厚度較小，有的脈沖功率較小，所 需要的ia 2將比理想狀態(tài)下所需要的少；如果材料密度較大（或正好有大密度的 雜質(zhì)），厚度較大，有的脈沖功率較大，所需要的ia2就相對(duì)較多。因此，每個(gè)孔的ia 2是根據(jù)聚焦處的材料以及激光脈沖的實(shí)際情況來(lái)確定的，是實(shí)時(shí)變化的。如此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。另外，小功率激光相對(duì)于大功率激光更容易關(guān) 閉，關(guān)閉過(guò)程中所產(chǎn)生的影響也相對(duì)很小。通過(guò)以上方式，系統(tǒng)很好的把剩余厚 度的誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。四.設(shè)備簡(jiǎn)介/下面就以polo硬塑儀表板

14、上體的安全氣囊線的弱化工藝為例，簡(jiǎn)單介紹所用設(shè)備情況。/ polo硬塑儀表板上體的/安全氣囊區(qū)域激光弱化所用的設(shè)備是德國(guó)jenoptik 公司的votan a 型激光系統(tǒng)。型號(hào)為lsa 46 （右圖所示）。整個(gè)激光設(shè)備由這幾大系統(tǒng)組成：供電穩(wěn)壓系統(tǒng)、激光發(fā)生系統(tǒng)、激光冷卻系統(tǒng)、壓 縮氣體供應(yīng)單元、廢氣過(guò)濾系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、控制單元等。aibmq pa tie rncontrolcontrol cables系統(tǒng)工作原理如下圖所示：激光發(fā)生器激光發(fā)生器采用的是世界最大白激光發(fā)生器制造商一rofin公司的二氧化碳激光發(fā)生器，型號(hào)為 dc 015 ,產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為 10.6 m,額定功率1500w ,

15、 頻率為 2-5000hz 。/所選激光發(fā)生器的功率大小是由所加工的材料的所決定的。一般來(lái)說(shuō)，材料 吸收激光能量容易，熔點(diǎn)低，弱化深度淺，可選用額定功率小的發(fā)生器，反之， 為了提高效率，則需要選擇大功率的發(fā)生器。votan a、型激光系統(tǒng)有1000w、1500w、2000w 三種發(fā)生器供選擇。發(fā)生器所使用的發(fā)生氣體是以二 氧化碳為主的混合氣體，氣瓶容積為1500l ,其中6%是co, 94%主要是co2和少量的he、xe、n等成分。系統(tǒng)將每 72小時(shí)換一次氣，每次換氣消耗量為 0.3l。機(jī)器人機(jī)器人是abb公司的校接機(jī)器人，型號(hào)為 irb4400。其主要功能有三點(diǎn)：、 a) 抓牢工件； b)

16、根據(jù)所安裝的夾具的不同，選擇不同的程序并運(yùn)行(共 32組可 選)；c) 控制plc單元和工業(yè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。機(jī)器人的機(jī)械臂上裝有可更換的夾具，不同的夾具有特定的代碼，機(jī)器人就 是通過(guò)識(shí)別不同的代碼來(lái)識(shí)別待加工的工件的。機(jī)器人的程序可以說(shuō)是整個(gè)程序 的“神經(jīng)”，plc和工業(yè)計(jì)算機(jī)子程序的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的調(diào)用，都是根據(jù)機(jī)器人所 處的狀態(tài)決定的。在polo程序中，機(jī)器人主要的位置包括以下幾個(gè)：? home position :機(jī)器人的起始位置，同時(shí)也是結(jié)束工作后所最后停止 / 的位置；? load position :在這個(gè)位置時(shí)，機(jī)器人等待操作工取放工件；/? precut position 是介于

17、 nozzle load position 和 load position 之間 的一個(gè)位置，在這個(gè)位置，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存??；? nozzle load position:弱化開始的起始位置，此時(shí)工件已經(jīng)介于激光頭和工作傳感器之間。注意，此時(shí)的位置并不是安全氣囊線的起始位置。 在以上幾個(gè)位置上，激光都是關(guān)閉的，激光的發(fā)射在以下兩個(gè)移動(dòng)過(guò)程中打 開：? cutting :機(jī)器人根據(jù)安全氣囊線的形狀所走的路徑。此時(shí)，激光發(fā)生。完成弱化。? additional cut :判斷工件是是否合格，合格則在儀表板上打個(gè)工藝孔，不合格則擊穿安全氣囊線。機(jī)器人順序運(yùn)行的過(guò)程示意如下:home posit

18、ion注釋： 匚內(nèi)循環(huán)循環(huán)loadpositionprecutposition表示機(jī)器人做一個(gè)工件所走的路徑;表示連續(xù)加工時(shí)所走的路徑。注意：在調(diào)試設(shè)備的時(shí)候，機(jī)器人子程序的選擇很重要。在手動(dòng) 狀態(tài)下控制機(jī)器人的時(shí)候，千萬(wàn)不能將順序搞錯(cuò)，否則，機(jī)械臂 可能撞到激光頭，造成嚴(yán)重事故！還有，在cutting的子程序中，機(jī)器人所走的路徑被劃分為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域。以polo安全氣囊線為例，路徑被分為三個(gè)部分，分別定義為/ id(identification address ) 1-id3 (一共可以定義為四個(gè)，id0-id3 ),每個(gè) id在控制中心分別對(duì)應(yīng)一組激光脈沖參數(shù)組合。控制中心根據(jù)機(jī)器人發(fā)

19、回的反饋信號(hào)，決定調(diào)用哪組激光參數(shù)組合。additional cut對(duì)應(yīng)的是id10 ,它也對(duì)應(yīng)一組激光參數(shù)。另外還有一個(gè)在 polo中沒(méi)有使用的程序一一precut程序，對(duì)應(yīng)著id4 ,它的作用是在id0 - id3中所有使用的路徑上，用一定功率脈沖預(yù)切割一遍。如果材料透過(guò)率比較底，又比較厚，為了提高效率，就可以使用precut程序先預(yù)切割一遍，隨后再運(yùn)行 cutting 程序。使用、precut程序的加工面示意圖如下：這些id非常重要。根據(jù)需要，使用不同的id組合，并結(jié)合激光參數(shù)的設(shè)置，我們可以加工出符合要求的，形式多樣的安全氣囊線。在后面還會(huì)結(jié)合激光參數(shù)的設(shè)置詳細(xì)介紹。反饋系統(tǒng)系統(tǒng)的反饋

20、系統(tǒng)主要包括三條路徑的信息反饋。除了上面提到的機(jī)器人反映工件所處的位置的信息反饋外，控制中心還收到來(lái)自工作傳感器(workingsensor)和參照傳感器(reference sensor )的反饋信息。工作傳感器和參照傳感器的控制原理示意如下:?工作傳感器反饋的是其收到激光能量的大小。控制中心據(jù)此決定每個(gè)孔需要發(fā)射多少的脈沖，以及何時(shí)關(guān)閉激光?參照傳感器的接收的是1%的激光能量，控制中心根據(jù)反饋來(lái)的這1%的能量大小，計(jì)算出用于弱化的99%的激光能量實(shí)際大小，并做適時(shí)的調(diào)控。水冷卻系統(tǒng)。激光所產(chǎn)生的大量的熱量通過(guò)水循環(huán)帶走。水冷系統(tǒng)包括兩個(gè) 水循環(huán)：一個(gè)是吸收激光能量的內(nèi)循環(huán)，在發(fā)生器的內(nèi)部，

21、所使用的水是經(jīng)過(guò)層 層過(guò)濾的去離子水（傳導(dǎo)性30 s/cm ）;還有一個(gè)外循環(huán)，冷卻內(nèi)循環(huán)水，使 用的是純凈水（里面添加了防銹劑和防凍劑）。當(dāng)激光蓋關(guān)閉的時(shí)候，激光無(wú)法發(fā)射出去，所產(chǎn)生的激光就被用來(lái)加熱內(nèi)部的循環(huán)水，內(nèi)部循環(huán)水再通過(guò)熱傳導(dǎo) 的形式把熱能傳遞給外部循環(huán)水。外部循環(huán)水最后通過(guò)大功率風(fēng)扇把熱能散發(fā)到 外界環(huán)境中去。因此，激光發(fā)生器必須配備高可靠性、大功率的水冷卻系統(tǒng)。排氣和過(guò)濾系統(tǒng)。由于被加工的工程塑料多是高分子材料，這些物質(zhì)的分子在 吸收了激光的高能后迅速和空氣中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成微量的不飽和芳香 姓，酚類等物質(zhì)，這些物質(zhì)有些是有毒的，必須要經(jīng)過(guò)處理以后才可以排放到大 氣中。

22、一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同的材料通常采取不同的處理措施，votan a 型激光系統(tǒng)使用的是最常用的吸附、過(guò)濾介質(zhì)一一氫氧化鈣和活性炭。排氣和過(guò)濾系統(tǒng) 從工作位置吸出有毒氣體，經(jīng)過(guò)介質(zhì)過(guò)濾后，再排入大氣中。需要特別注意的是，如 果表皮是pvc材料做的話，在激光弱化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生hcl氣體，它易溶于空氣中的水，生成具有強(qiáng)腐蝕性的鹽酸，對(duì)設(shè)備非常有害，因此，對(duì)設(shè)備本身還要 增加特別的防護(hù)。安全保護(hù)系統(tǒng)。用于激光弱化工藝的激光是二級(jí)激光，在國(guó)際上，是被定義為 能對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害的等級(jí)的激光。輕者灼傷皮膚，嚴(yán)重的甚至造成人眼永久 性失明！因此，在激光工作時(shí)，對(duì)操作人員的保護(hù)顯得非常的重要。首先，在激光發(fā)射的路

23、徑必須嚴(yán)格密閉，避免激光未聚焦前就散射出來(lái)；其次，在激光頭附 近的一定的空間范圍內(nèi)，必須使用低透過(guò)率的材料將整個(gè)空間封閉起來(lái)，與外界 隔離，禁止操作人員靠近；最后，必須配備嚴(yán)密的，反應(yīng)迅速的急停系統(tǒng)，以防 在誤操作時(shí)，及時(shí)、有效的關(guān)閉激光。工藝參數(shù)的選用首先，明確相關(guān)參數(shù)。ofl盲孔正常狀態(tài) 的微孔在弱化安全氣囊線過(guò)程中，除了可選擇使用有固定剩余厚度和穿透的孔外，還可以使用一種輔助孔一一盲孔。盲孔主要應(yīng)用于帶有聚氨酯發(fā)泡層的儀表板上。由于泡沫層和表皮的強(qiáng)度相對(duì)骨架強(qiáng)度要低很多，為了提高效率，可以在保 證骨架有足夠的孔數(shù)的前提下，適當(dāng)減少泡沫層和表皮的孔數(shù)，這時(shí)，就可以選 擇使用這種輔助性的盲孔

24、。它和固定剩余厚度孔的區(qū)別在于：只使用固定數(shù)量的 大功率脈沖，而不使用小功率脈沖。由上圖可知，整條安全氣囊線是由一定數(shù)量的單元web組成的。每個(gè)web包含一定數(shù)量的微孔和孔位空隙。在圖例中顯示的一段web width中，共10個(gè)孔位，其中微孔有 8個(gè)，孔位空隙有 2個(gè)。微孔的組成形式是一個(gè)固定剩余 厚度孔接一個(gè)盲孔。靈活設(shè)置web的參數(shù)，并結(jié)合上文提到的機(jī)器人id的劃分，可以加工多種形式的安全氣囊線。安全氣囊線常見(jiàn)的形式有以下幾種形式：11txaaaaaaavmany narrow webs-wrpwr-w-w-w-w-vwfew wide webs)00000000000000000000cwebs between each processing pointa.這個(gè)安全氣囊線由許多小容量的web組成，每個(gè) web單