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激光弱化

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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。

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。

图1

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: 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

图2

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:

图3

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;

图4

 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:

图5

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

图6

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