整体式安全气囊线激光弱化工艺
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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。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0.2 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。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（Airbag line）。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 骨架
发泡层
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（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；
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，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。 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10.6m，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。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：
