激光切割在汽车软内饰领域的应用

赵霖

摘 要：随着汽车行业的不断发展，整车厂汽车内饰件的质量要求也在不断提升，尤其是软内饰件，其切割工艺关系到零件之间的匹配效果，甚至会影响到最终整车的内饰体验。因此汽车零部件企业在选择切割工艺时往往会从各维度综合考虑，慎重选择。近些年激光切割作为较新颖的工艺，已经在很多行业得到了应用并推广，但在汽车内饰领域还没有得到大范围普及，本文将介绍一种国外引进的激光切割设备，在汽车内饰仪表板的制造应用，并分析其优缺点，给出其使用推广的一些意见。

关键词：汽车内饰件 激光切割

Application of Laser Cutting in the Field of Automotive Soft Interior Decoration

Zhao Lin

Abstract：With the continuous development of the automotive industry， the quality requirements of automotive interior parts of OEMs are constantly improving， especially for soft interior parts. The cutting process is related to the matching effect between parts， and even affects the final integration and the interior experience of the car. Therefore， auto parts companies often consider comprehensively from various dimensions when choosing a cutting process， and choose carefully. In recent years， laser cutting， as a relatively new process， has been applied and promoted in many industries， but it has not been widely popularized in the field of automotive interiors. This article will introduce a laser cutting equipment imported from abroad， which is used in automotive interiors， the manufacturing and application of the dashboard， and analyze its advantages and disadvantages， and give some opinions on its use and promotion.

Key words：automotive interior parts， laser cutting

1 引言

随着汽车行业的不断发展，汽车整车厂对于零部件尤其是内饰件的质量要求也在不断提升，零件之间的相互匹配除了对成型模具的精度和成型工艺的要求有所提高外，对于一些成型后需要后切割加工的工艺要求也在不断提升，切割工艺的制造精度和稳定性直接影响到零件之间的间隙、面差匹配。目前绝大部分汽车零部件生产厂商使用到的切割工艺主要有冲切、水刀切割、铣刀切割以及激光切割。冲切是一种精度和稳定性相对较好的一种切割工艺，但成本又受制于冲切设备及冲切胎模，一般都是用在量高、节拍要求较快的车型上。水刀、铣刀及激光切割是一种使用工业机器人或数控机床对零件进行切割的工艺，只是切割使用的能量源不同，但整体成本投入和柔性化都较冲切具有一定的优势，只是切割的精度及稳定性不及冲切工艺。以下主要就激光切割工艺做一下相关论述，并与另三种切割工艺做一个简单的优劣势对比。

2 工艺概述

激光切割是利用一种高密度的激光束（一般由激光发生器产生），对工件指定位置进行聚焦照射，迅速将材料加热至几千摄氏度，使其气化，并通过高压气体将气化物从切缝中吹走并经处理排出，以达到切割产品目的的一种工业技术。

激光切割与传统的切割技术的主要差异点，是其激光头的机械部分不与产品接触，不会对产品施加任何外界力，也不会对工件表面造成划伤;激光切割的速度较快，切口较平整，切割热影响区较小，板材变形小，切口没有机械应力，无剪切毛刺。其加工精度和重复精度均较传统切割工艺如铣刀或水刀切割工艺好，且不损伤材料表面。

激光切割的几项关键技术主要由以下两点：

（1）焦点位置的控制。一般激光的焦点是其能量最高的区域，透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小，其切割的能量就会越集中，因此控制焦点在材料表面的位置十分重要。（2）激光喷嘴设计及气流控制技术。激光切割材料时，在被切割工件表面会产生大量的气化物，喷嘴吹出的气流不仅需要及时将气化物排出，还需要提供足够的氧气使切口材料充分进行燃烧反应，因此气流的控制技术也会显得极为重要。

3 设备硬件介绍

3.1 设备简介

设备所属公司：Jenoptik（德國）

功率：2KW

设备组成：激光发生系统、机器人系统、冷却过滤系统、安全系统。

可切割产品厚度：6mm（激光头至切割点的距离）

激光发生系统：

制造商：ROFIN

激光气体组成：Helium、Stickstoff （nitrogen）、CO2、Xenon、Sauerstoff （oxygen）、CO

机器人系统：St?ubli TX90

TX90机器人采用6自由度的多关节机械手臂，具有高度灵活性，球形工作区域可以最大限度地利用工作单元空间。史陶比尔的创造性技术，集成了无间隙的齿轮减速系统，结合了高性能的控制器，从而保证了精确的轨迹控制和最佳的过程参数管理。全封闭式的机械臂结构（防护等级IP65）适用于严苛的环境中。

主要参数

TX90机器人

自由度 6

额定负载7kg

最大负载*20kg

工作行程  1000mm

可重复精度±0.03mm

保护等级 （*手腕）IP65 （*IP67）

安装方式 置地式/壁挂式/置顶式

史陶比尔CS8系列控制器 CS8C

安全系统：除了设备很多位置设有急停开关外，激光头上另设置了防撞感应，一旦激光头和产品表面发生碰撞，operating console显示撞击报警，机器人立即停止运动。

3.2 胎具简介

胎具名称：COD仪表板激光切割胎具

Sucker：18

sensor：6

（B10、B12、B13、B15、B16、B17）

Frame point：3

（pTable1V1_0、pTable1V1_X、pTable1V1_Y）

Connector cable：1个

4 工艺过程介绍

4.1 程序解析

激光切割與传统的CNC等铣切割不同，轨迹路径如图1：

因此：（1）激光开启/关闭点并非真正的切割开始/结束点，且这段延时具体时间并不清楚。（2）在编切割程序时：在需要切割的位置前/后增加一个点，这个点即为激光开起/实际关闭点，以便切割的更精准。

例如：见图2

4.2 激光切割需要对焦距进行确认

激光切割的优点之一就是光束的能量密度高，所以焦点光斑直径会尽可能的小，以便产生极微小的切缝。因为聚焦透镜的焦深越小，焦点光斑的直径就越小。对于高质量、高精度的切割，有效焦深还与透镜直径以及被切材料有关，因此控制焦点相对于被切材料表面的位置是十分重要的。

可以从三个方面来分析切割焦点因材料和要求的不同而做不同的选择。

（1）切割焦点在工件表面，即0焦距，焦点选在贴近工件表面，这种模式下工件上下表面光滑度不一样，一般而言贴近焦点的切割面相对很光滑，而远离切割焦点的下表面显得粗糙。这种模式一般用于表面要求比较高的零件上，如一些装饰材料的切割;（2）切割焦点在工件内部，即正焦距，切割点在工件里面的模式。这种方式的一个缺点是，由于焦点远离切割表面，表面的切割槽宽会比0焦距的模式要大，同时这种模式下需要的切割气流要大，温度相对也较高，切割速度需适当放慢。因此这种焦点的选取一般用于金属件上，如不锈钢或铝材;（3）切割焦点在工件上面，即负焦距，这种方式主要应用在较厚的工件切割上。之所以将焦点定位在切割材质的上方，主要是因为厚板需要的切幅大，否则喷嘴输送的氧气极容易出现不足而致使切割温度下降。

而我们一般用于汽车内饰件的激光切割工艺，所采取的焦距是介于1和3的模式，即焦点位于零件表面略偏上方，主要考虑表面外观要求和产品壁厚较厚等要求，两者需同时兼顾。

如下是该激光切割设备焦距选取对照表。

如下图：

注意：切割轨迹中所有点都必须确定焦距，一切工艺调试均要基于焦距正确的情况下进行。（除个别特殊位置点）

5 工艺调试常见问题

5.1 切割后产品表面切割线附近有黄色粉尘，怎么办？

解决办法：可使用酒精擦拭去除;

具体分以下两种情况：

A、局部位置：

激光头至产品表面距离偏大，造成切割时吹气效果不理想。

（1）确认该位置焦距是否正确。（2）如果焦距正确且还有可调空间时，减小焦距（如：原先焦距为1mm，可调整为0.5mm）

B、如果这种黄色粉尘出现在几乎所有位置，可以先确认所有位置切割轨迹和焦距是否正确，另外在检查镜片受轻微污染（更换镜片）。

5.2 有部分位置骨架未完全切穿，但不影响卸料，怎么办？

（1）确认该位置焦距是否正确。（2）如果焦距正确且还有可调空间时，减小焦距。（3）如已无可调空间，可适当减低切割速度（如：mlaser=150，调正为140）。

5.3 泡沫烧灼明显，怎么办？

（1）确认该位置焦距是否正确;（2）适当减低切割速度;（3）适当降低切割能量。

5.4 发现切割轨迹上均有两条切割线（双眼皮现象），且产品未切穿怎么办？

（1）激光光路偏（如遇到此问题，建议联系供应商调整镜片角度）;（2）需考虑安置在机器人内部的镜片是否存在碎裂或严重污染的情况，如遇到此问题，可能需要更换镜片。

5.5 某段子程序对应位置切割偏位，怎么办？

通过frame对该子程序进行整体偏移。

路径：Menu——Val3 applications——打开子程序——Global——frame Table——frame fTable——更改其中的x.y.z数值

6 设备常见问题

6.1 激光光路偏位，怎么办？

遇到此问题，可能是两种情况导致，一是机器人在运动中，内部镜片上的冷却水管不断干涉镜片调节螺母，使镜片折射角度发生偏移，造成切割光路偏，可以考虑在管路和调节螺母之间加阻隔物，使之不再干涉;二是由于镜片调节螺母确定位置后无法锁死，故当机器人手臂发生严重撞击后，可能会导致内部镜片螺母松动、改变位置，造成切割光路偏。如果是此原因导致，目前还无有效措施，一旦问题发生，联系供应商前来调整光路，一般国内还没有可以对此种设备调节光路所需的仪器。

6.2 激光头撞击报警了，怎么办？

首先需确认激光头是否接触到切割产品：

A、如果接触到产品，则考虑在设备上进行调整，在operating console上进行切换AUTO-ROBOT，再使用示教器进行机器人复位，如碰撞严重机器人无法运动，则使用电器柜内的Robot collision protection switch由0调节至1，解除防撞报警后再进行复位，复位完成后切记将其调回0。

B、如未接触到产品，则检查激光头上防撞光纤是否有效。如出现失效问题，则更换。

6.3 过滤器粉位低报警，怎么办？

可以加入新的过滤粉，以及清除过滤后的废弃粉末。

6.4 “water flow”报警，怎么办？

更换或清洁循环冷却水过滤器（filter for coolant circulation）

6.5 激光头nozzle tip遗失，怎么办？

原因：（1）产品切割过程中，tip与仪表板表面有摩擦，导致掉落遗失。（2）tip内壁某位置长期被激光烧灼，致使螺纹烂牙，tip掉落遗失。

由于该零件遗失，会导致切割吹起效果不佳，产品表面出现黄色粉尘，影响产品表面质量，更换新激光头喷嘴。

6.6 guard报警，怎么办？

（1）检查卷帘门是否正常。（维修）

（2）检查entry guard 是否正常。（维修）

7 模具常见问题

由于激光切割后，废气污染严重，且气化物具有严重腐蚀性，除了对设备电气元器件有很大损伤，使用寿命大大减少，同样也对模具造成很大的影响。

7.1 无法感应到胎具，怎么办？

（1）当设备内仅有1副胎具时，该报警属于正常现象，消除后即可生产。（2）检查胎具内侧下部左右感应信号是否失效、松动、位置偏移。（维修）

7.2 胎具sensor失效，怎么办？

（1）查看失效sensor具体位置，维修或更换。（2）感应信号头与信号线连接位置包覆不良。

7.3 胎具内气管破损，怎么办？

由于气管排布位置正好在切割轨迹上，致使气管破损。（维修，气管从新排布定位）

7.4 真空度无法达到0.75MPa，或无真空，怎么办？

（1）气管堵塞、破损（修复）

（2）气接头松动，老化（修复）

（3）真空泵失效，老化（更换）

（4）吸盘老化，变形（更换）

（5）产品变形严重。

8 结语

8.1 激光切割优点

（1）切割速度快，目前COD总切割时间132s，相比铣刀切割360s，提升了63%。（2）切割时不接触产品，切割面无毛刺。

8.2 激光切割缺点

（1）气味性差：切割仪表板后，气味性差，废气严重;目前废气过滤仅起到部分作用。（2）易碰撞报警：由于该设备产品切割允许厚度只有6mm，切割时大部分位置激光头至产品表面距离只有1mm，如發泡件产品厚度波动稍大，就会造成撞到报警，影响生产节拍。（3）严重腐蚀性：虽然目前排气能力已大大提升，长期使用，强腐蚀性仍旧会对各电气元件及管路有很大破坏力，各备件需充足，维修成本极高，由于很多零件均需要有好的耐高温及腐蚀性要求。

8.3 激光切割与传统其它切割方式对比如下表

激光切割相比于传统的切割工艺，有其独特的优越性，如切割速度快，不接触产品无额外施力，比较适合高精度且对表面要求比较高的零件做切割。

但也有其局限性，比如气味性和设备内部的腐蚀性，因此对于汽车内饰件的应用性还有待考察，目前还没有大范围内推广使用。