激光弱化

 时间:2018-06-30 14:23:02 贡献者:东方的傻瓜1

导读: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

汽车仪表板激光弱化(半切割)设备设计方案
汽车仪表板激光弱化(半切割)设备设计方案

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。

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。

其中有一种是在仪表板本体上加工出一条安全气囊线的无缝气囊 仪表板在许多新车型中得到了采用。

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。

右图为我公司用于弱化安 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很窄的范围内,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。

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:骨架发泡层表皮当安全气囊爆炸时,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:

其次,无缝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,并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 料碎片和泡沫碎屑飞出的情况的出现。

最后,安全气囊线各处的断裂强度是影响气囊顺利打开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,很容易造成气囊盖板打开时 将周边的材 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。

明确以上几点,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,从而影响气囊开启 时间。

为消除以上影响,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; P laser1 表示第一阶段的激光脉冲功率; 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。

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。

第一阶段是大功率激光为,脉冲 个数为 IA 1 ,第二阶段的激光功率迅速下降。

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 A ,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 IA 2 。

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 B 。

下图是打一个完整的孔的示意图: IA 1 ( 10 )表示大功率激光脉 冲的个数;IA 2 ( 8 )表示小功率激光脉冲 的个数。

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 IA 2 ,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 IA 2 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 IA 2 就相对较多。

因此,每个 孔的 IA 2 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。

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 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 。

发生器所使用的发生气体是以二氧 化碳为主的混合气体。

机器人 机器人主要功能有三点: a) b) 抓牢工件; 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:  Home position : 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;   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。

 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:

Home PositionLoad positionPrecut positionCutting and Additional cutLoad position注释:Precut positionNozzle load position循环 表示机器人做一个工件所走的路径; 蓝 色 循环 表示连续加工时所走的路径。

蓝 的 色 的在调试设备的时候,机器人子程序的选择很重要。

在手动 注意 :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 ( 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。

Additional cut 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( 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 <30  S/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,我公司的激光系统 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 HC L 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。

正常状态 的微孔盲孔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 Web width 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:

ABCA. 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。

 
 

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