智能制造技術(shù)在安全氣囊發(fā)生器產(chǎn)品激光焊接中的應(yīng)用

肖輝，張朝林，劉燕雯，李珂珂，許健坤，吳志強(qiáng)，張浩軍，王平

1.湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力科技有限責(zé)任公司 湖北襄陽(yáng) 441103

2.應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北襄陽(yáng) 441103

1 序言

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，交通事故的發(fā)生越來(lái)越頻繁，安全氣囊作為車(chē)輛被動(dòng)安全系統(tǒng)也越來(lái)越受到重視，因此氣體發(fā)生器作為安全氣囊系統(tǒng)中核心功能性部件獲得快速發(fā)展。氣體發(fā)生器主要由金屬殼體、電爆管、點(diǎn)火藥和產(chǎn)氣藥等構(gòu)成。其作用機(jī)理是當(dāng)氣體發(fā)生器接收到碰撞電信號(hào)后，發(fā)生器內(nèi)部的電爆管起爆燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量依次將點(diǎn)火藥、產(chǎn)氣藥點(diǎn)燃，產(chǎn)氣藥燃燒產(chǎn)生的大量氣體迅速將安全氣囊充滿展開(kāi)，從而達(dá)到保護(hù)乘客安全的目的。

在氣體發(fā)生器的生產(chǎn)過(guò)程中，需要將電爆管、點(diǎn)火藥和產(chǎn)氣藥等分裝在金屬殼體中，然后將金屬殼體通過(guò)激光焊接形成一個(gè)整體，其焊接質(zhì)量及強(qiáng)度直接決定著安全氣囊是否能夠安全快速地展開(kāi)，從而保護(hù)乘客。氣體發(fā)生器需進(jìn)行大小環(huán)縫兩次激光焊接，本文以小環(huán)縫激光焊接為例進(jìn)行說(shuō)明。

2 激光焊接技術(shù)現(xiàn)狀

激光焊接技術(shù)在制造行業(yè)，尤其是汽車(chē)、電子、電器、航空及冶金等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門(mén)有著非常廣泛的應(yīng)用。激光焊接是將具有高能量的激光束輻射至金屬殼體表面，金屬吸收激光能量熔化后冷卻結(jié)晶形成焊縫[1-3]，如圖1所示。因發(fā)生器產(chǎn)品起爆燃燒過(guò)程需產(chǎn)生較大內(nèi)壓，對(duì)產(chǎn)品金屬件強(qiáng)度和焊縫強(qiáng)度提出了較高要求，具體強(qiáng)度數(shù)值根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)1.5計(jì)算而得，常見(jiàn)焊接強(qiáng)度要求≥60MPa，熔深3～4mm，焊縫無(wú)氣孔，表面無(wú)凹坑、夾渣等缺陷。

圖1 小環(huán)縫激光焊接

激光焊接技術(shù)現(xiàn)狀存在以下不足[4]：

1）焊接熔深需抽取每班焊接過(guò)程中的首中末產(chǎn)品進(jìn)行破壞性試驗(yàn)顯影檢測(cè)，如圖2所示。抽檢試驗(yàn)存在隨機(jī)性，產(chǎn)品不能做到100%全檢，易造成不合格產(chǎn)品流出，無(wú)法做到全面質(zhì)量管控。

圖2 破壞性熔深檢測(cè)

2）焊縫表面質(zhì)量需依靠操作人員目視檢查，存在主觀判斷現(xiàn)象，易造成誤判。

3）人員目視無(wú)法從焊縫表面檢出焊縫內(nèi)部氣孔，如圖3所示。焊縫氣孔對(duì)焊接強(qiáng)度存在隱患。

圖3 顯影檢測(cè)焊縫存在氣孔

3 激光焊接技術(shù)升級(jí)

激光焊接技術(shù)智能升級(jí)充分貫徹“自動(dòng)化減人、質(zhì)量全面控制”的理念，通過(guò)最優(yōu)設(shè)計(jì)，充分利用機(jī)器人控制、視覺(jué)檢測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等成熟技術(shù)，提高自動(dòng)化水平，完善過(guò)程質(zhì)量控制能力。

（1）系統(tǒng)組成 激光焊接技術(shù)智能升級(jí)系統(tǒng)路線為上料→掃碼→激光焊接→清潔→同心度檢測(cè)→表面質(zhì)量檢測(cè)→下料。

（2）工作原理 根據(jù)系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)如圖4所示激光焊接工作站，由三軸工作站、激光焊接頭、焊接卡盤(pán)、機(jī)器人、LWM及視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)等部分組成。

氣體發(fā)生器激光焊接步驟如下：

1）機(jī)器人抓取待焊接發(fā)生器，掃描標(biāo)識(shí)碼，記錄焊接信息。

2）將發(fā)生器放至焊接卡盤(pán)中進(jìn)行固定。

3）三軸工作站帶動(dòng)激光焊接頭調(diào)整至設(shè)定焊接位置。

圖4 激光焊接工作站

4）焊接卡盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，激光焊接頭出光進(jìn)行焊接。

5）焊接結(jié)束，機(jī)器人抓取發(fā)生器放至轉(zhuǎn)盤(pán)中。

6）轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次清潔焊縫表面煙塵、檢測(cè)焊縫同心度及表面質(zhì)量。

7）系統(tǒng)根據(jù)激光焊接過(guò)程及檢測(cè)結(jié)果判斷合格與否，機(jī)器人抓取發(fā)生器下線。

激光焊接工作站全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，精準(zhǔn)定位，生產(chǎn)效率高，且無(wú)需操作人員。

（3）焊接信息追溯 每只發(fā)生器均有一個(gè)唯一的身份標(biāo)識(shí)碼，激光焊接全過(guò)程的數(shù)據(jù)信息都將永久儲(chǔ)存在這個(gè)標(biāo)識(shí)碼中，見(jiàn)表1。RFID技術(shù)可追溯信息實(shí)時(shí)采集、跟蹤、監(jiān)控，便于工藝質(zhì)量人員對(duì)激光焊接狀態(tài)進(jìn)行分析優(yōu)化，提升產(chǎn)品生產(chǎn)水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)在產(chǎn)品產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)實(shí)現(xiàn)快速追溯。

表1 焊接數(shù)據(jù)信息

（4）焊接過(guò)程質(zhì)量檢測(cè) 激光焊接是一種復(fù)雜的加工工藝。焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性受到很多因素的影響，如激光功率、保護(hù)鏡片潔凈程度、工裝夾具定位精度、重復(fù)精度、不同批次工件、工件表面清潔程度、保護(hù)氣流量變化等。任何一個(gè)因素的變化都可能導(dǎo)致產(chǎn)品存在焊接缺陷。因此，應(yīng)在做好焊接前準(zhǔn)備工作的同時(shí)，引入焊接過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行全檢。

1）LWM質(zhì)量檢測(cè)。LWM（Laser Welding Monitor）質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)是能夠?qū)附舆^(guò)程穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)控并且對(duì)異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警的系統(tǒng)，由LWM傳感器、監(jiān)視器、ASLR放大器及控制柜等組成。通過(guò)對(duì)焊接熔池部分的等離子體、背反射、溫度、功率信號(hào)進(jìn)行采樣比對(duì)，可以對(duì)異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在焊接過(guò)程中，等離子體、背反射、溫度、功率以波動(dòng)曲線的形式實(shí)時(shí)顯示，LWM系統(tǒng)能夠把整個(gè)焊接過(guò)程以數(shù)據(jù)圖表的形式存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中（見(jiàn)表2）。焊接數(shù)據(jù)圖表與該發(fā)生器產(chǎn)品唯一標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，后續(xù)可以對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的焊接信息進(jìn)行追溯。

通過(guò)試驗(yàn)分析確定，當(dāng)產(chǎn)品焊接過(guò)程中存在氣孔時(shí)，LWM檢測(cè)數(shù)據(jù)中等離子體曲線會(huì)存在波動(dòng)，不滿足設(shè)定要求，如圖5所示。LWM質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接氣孔的檢測(cè)判斷。

圖5 焊接存在氣孔LWM檢測(cè)數(shù)據(jù)（標(biāo)記1處為曲線波動(dòng)）

2）IDM熔深檢測(cè)。焊縫的熔深是衡量焊接質(zhì)量的一個(gè)非常重要的參數(shù)，熔深不足或燒穿都會(huì)影響產(chǎn)品的焊接強(qiáng)度，對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。IDM熔深檢測(cè)系統(tǒng)可在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量產(chǎn)品焊縫熔深，并進(jìn)行分析判斷得出結(jié)論。系統(tǒng)同樣將整個(gè)焊接過(guò)程熔深數(shù)據(jù)以圖表的形式存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，如圖6所示。

圖6 熔深檢測(cè)數(shù)據(jù)

IDM系統(tǒng)引入過(guò)程能力分析工具SPC，對(duì)系統(tǒng)中所采集的熔深數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程能力分析，科學(xué)地區(qū)分出焊接過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量的異常波動(dòng)，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的異常趨勢(shì)提出預(yù)警，以便生產(chǎn)管理人員及時(shí)采取措施，消除異常，恢復(fù)過(guò)程的穩(wěn)定，從而達(dá)到提高和控制質(zhì)量的目的。焊縫熔深SPC過(guò)程能力分析如圖7所示。

表2 LWM檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 熔深SPC過(guò)程能力分析

LWM及IDM檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量的100%監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)預(yù)警焊接異常情況的發(fā)生，保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

（5）視覺(jué)檢測(cè)技術(shù) 焊接結(jié)束后，焊縫可能存在焊縫同心度偏差、夾渣、凹坑等不滿足焊接要求的情況，如圖8所示。

圖8 焊縫質(zhì)量缺陷

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)采用工業(yè)相機(jī)代替人眼去完成識(shí)別、測(cè)量、定位等功能。其系統(tǒng)由相機(jī)、鏡頭和光源等部件組成，可代替人工完成條碼字符識(shí)別、包裝完整性判斷、產(chǎn)品外觀夾渣、凹陷的檢測(cè)等任務(wù)。

引入視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品焊接后焊縫表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，如圖9所示。

1）焊縫同心度檢測(cè)。使用相機(jī)對(duì)焊接產(chǎn)品拍照，系統(tǒng)根據(jù)照片分析確定金屬結(jié)構(gòu)件基準(zhǔn)圓Ⅰ及圓心a的位置，再以圓心a定位，繪制同心圓Ⅱ。在區(qū)域Ⅰ同Ⅱ范圍內(nèi)尋找焊縫Ⅲ，由焊縫Ⅲ確定圓心b，如圖10所示。系統(tǒng)計(jì)算并比對(duì)圓心a與b偏差，從而判斷焊縫同心度是否符合技術(shù)要求。

圖9 視覺(jué)檢測(cè)

圖10 同心度檢測(cè)

2）焊縫外觀檢測(cè)。在焊縫區(qū)域中，系統(tǒng)通過(guò)繪制焊縫輪廓基準(zhǔn)模型線，計(jì)算焊縫實(shí)際超出基準(zhǔn)模型線區(qū)域面積，并進(jìn)行比對(duì)判斷，以此確認(rèn)是否存在凹坑、夾渣等外觀缺陷。如圖11所示，通過(guò)計(jì)算輪廓基準(zhǔn)模型線Ⅰ與輪廓線Ⅱ之間凸出區(qū)域面積a，系統(tǒng)比對(duì)判斷是否存在夾渣缺陷；同理，計(jì)算輪廓線Ⅰ與輪廓線Ⅲ之間凹陷區(qū)域面積b，系統(tǒng)比對(duì)判斷是否存在凹坑缺陷。

圖11 焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)能有效提高生產(chǎn)流水線的檢測(cè)速度和精度，大幅提高產(chǎn)品產(chǎn)量，降低人工成本，并可同時(shí)防止因人眼疲勞產(chǎn)生的誤判，提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

（6）安全防護(hù)技術(shù) 激光焊接工位設(shè)置全面考慮了“以人為本”的理念。

設(shè)置獨(dú)立的焊接封閉區(qū)域，焊接全過(guò)程中無(wú)需操作人員參與。且當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)到報(bào)警并將設(shè)備停機(jī)。焊接過(guò)程中激光、設(shè)備等可造成人員傷害的情況能夠全部規(guī)避。

焊接保護(hù)氣體也進(jìn)行了單獨(dú)區(qū)域設(shè)置，將焊接過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲、煙塵、電離輻射等環(huán)境污染對(duì)人的影響降至最低。

4 智能升級(jí)前后對(duì)比

通過(guò)引入焊接信息追溯技術(shù)、LWM檢測(cè)技術(shù)、IDM熔深檢測(cè)技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)及安全防護(hù)技術(shù)等智能化手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊縫熔深數(shù)據(jù)的100%自動(dòng)檢測(cè)、焊接無(wú)人化操作等，使產(chǎn)品焊接的穩(wěn)定性和可靠性得到有效保證[5]（見(jiàn)表3）。

表3 智能升級(jí)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

借助完善的汽車(chē)制造管理體系，以智能升級(jí)為向?qū)В\(yùn)用過(guò)程控制方法，將先進(jìn)的智能制造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)生器生產(chǎn)線的激光焊接過(guò)程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，全面提升了發(fā)生器產(chǎn)品的焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量，滿足了工業(yè)4.0后對(duì)生產(chǎn)線提出的智能化、柔性化要求。