智能制造技術在安全氣囊發生器產品激光焊接中的應用

肖輝，張朝林，劉燕雯，李珂珂，許健坤，吳志強，張浩軍，王平

1.湖北航鵬化學動力科技有限責任公司 湖北襄陽 441103

2.應急救生與安全防護湖北省重點實驗室 湖北襄陽 441103

1 序言

隨著我國汽車工業的迅猛發展，交通事故的發生越來越頻繁，安全氣囊作為車輛被動安全系統也越來越受到重視，因此氣體發生器作為安全氣囊系統中核心功能性部件獲得快速發展。氣體發生器主要由金屬殼體、電爆管、點火藥和產氣藥等構成。其作用機理是當氣體發生器接收到碰撞電信號后，發生器內部的電爆管起爆燃燒，燃燒產生的熱量依次將點火藥、產氣藥點燃，產氣藥燃燒產生的大量氣體迅速將安全氣囊充滿展開，從而達到保護乘客安全的目的。

在氣體發生器的生產過程中，需要將電爆管、點火藥和產氣藥等分裝在金屬殼體中，然后將金屬殼體通過激光焊接形成一個整體，其焊接質量及強度直接決定著安全氣囊是否能夠安全快速地展開，從而保護乘客。氣體發生器需進行大小環縫兩次激光焊接，本文以小環縫激光焊接為例進行說明。

2 激光焊接技術現狀

激光焊接技術在制造行業，尤其是汽車、電子、電器、航空及冶金等國民經濟重要部門有著非常廣泛的應用。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晶形成焊縫[1-3]，如圖1所示。因發生器產品起爆燃燒過程需產生較大內壓，對產品金屬件強度和焊縫強度提出了較高要求，具體強度數值根據行業標準安全系數1.5計算而得，常見焊接強度要求≥60MPa，熔深3～4mm，焊縫無氣孔，表面無凹坑、夾渣等缺陷。

圖1 小環縫激光焊接

激光焊接技術現狀存在以下不足[4]：

1）焊接熔深需抽取每班焊接過程中的首中末產品進行破壞性試驗顯影檢測，如圖2所示。抽檢試驗存在隨機性，產品不能做到100%全檢，易造成不合格產品流出，無法做到全面質量管控。

圖2 破壞性熔深檢測

2）焊縫表面質量需依靠操作人員目視檢查，存在主觀判斷現象，易造成誤判。

3）人員目視無法從焊縫表面檢出焊縫內部氣孔，如圖3所示。焊縫氣孔對焊接強度存在隱患。

圖3 顯影檢測焊縫存在氣孔

3 激光焊接技術升級

激光焊接技術智能升級充分貫徹“自動化減人、質量全面控制”的理念，通過最優設計，充分利用機器人控制、視覺檢測、質量檢測系統等成熟技術，提高自動化水平，完善過程質量控制能力。

（1）系統組成 激光焊接技術智能升級系統路線為上料→掃碼→激光焊接→清潔→同心度檢測→表面質量檢測→下料。

（2）工作原理 根據系統組成，設計如圖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、機器人、LWM及視覺檢測系統等部分組成。

氣體發生器激光焊接步驟如下：

1）機器人抓取待焊接發生器，掃描標識碼，記錄焊接信息。

2）將發生器放至焊接卡盤中進行固定。

3）三軸工作站帶動激光焊接頭調整至設定焊接位置。

圖4 激光焊接工作站

4）焊接卡盤順時針旋轉360°，激光焊接頭出光進行焊接。

5）焊接結束，機器人抓取發生器放至轉盤中。

6）轉盤順時針旋轉，依次清潔焊縫表面煙塵、檢測焊縫同心度及表面質量。

7）系統根據激光焊接過程及檢測結果判斷合格與否，機器人抓取發生器下線。

激光焊接工作站全過程實現自動化控制，精準定位，生產效率高，且無需操作人員。

（3）焊接信息追溯 每只發生器均有一個唯一的身份標識碼，激光焊接全過程的數據信息都將永久儲存在這個標識碼中，見表1。RFID技術可追溯信息實時采集、跟蹤、監控，便于工藝質量人員對激光焊接狀態進行分析優化，提升產品生產水平，保證產品質量，同時在產品產生質量問題時實現快速追溯。

表1 焊接數據信息

（4）焊接過程質量檢測 激光焊接是一種復雜的加工工藝。焊接質量的穩定性受到很多因素的影響，如激光功率、保護鏡片潔凈程度、工裝夾具定位精度、重復精度、不同批次工件、工件表面清潔程度、保護氣流量變化等。任何一個因素的變化都可能導致產品存在焊接缺陷。因此，應在做好焊接前準備工作的同時，引入焊接過程質量檢測，對焊接過程質量進行全檢。

1）LWM質量檢測。LWM（Laser Welding Monitor）質量檢測系統是能夠對焊接過程穩定性實時監控并且對異常情況實時報警的系統，由LWM傳感器、監視器、ASLR放大器及控制柜等組成。通過對焊接熔池部分的等離子體、背反射、溫度、功率信號進行采樣比對，可以對異常情況實時報警來保證產品質量的穩定性。

在焊接過程中，等離子體、背反射、溫度、功率以波動曲線的形式實時顯示，LWM系統能夠把整個焊接過程以數據圖表的形式存儲在本地數據庫中（見表2）。焊接數據圖表與該發生器產品唯一標識碼進行關聯，后續可以對每個產品的焊接信息進行追溯。

通過試驗分析確定，當產品焊接過程中存在氣孔時，LWM檢測數據中等離子體曲線會存在波動，不滿足設定要求，如圖5所示。LWM質量檢測系統實現了對焊接氣孔的檢測判斷。

圖5 焊接存在氣孔LWM檢測數據（標記1處為曲線波動）

2）IDM熔深檢測。焊縫的熔深是衡量焊接質量的一個非常重要的參數，熔深不足或燒穿都會影響產品的焊接強度，對最終產品質量產生重大影響。IDM熔深檢測系統可在焊接過程中實時測量產品焊縫熔深，并進行分析判斷得出結論。系統同樣將整個焊接過程熔深數據以圖表的形式存儲在本地數據庫中，如圖6所示。

圖6 熔深檢測數據

IDM系統引入過程能力分析工具SPC，對系統中所采集的熔深數據進行過程能力分析，科學地區分出焊接過程中產品質量的異常波動，從而對生產過程中的異常趨勢提出預警，以便生產管理人員及時采取措施，消除異常，恢復過程的穩定，從而達到提高和控制質量的目的。焊縫熔深SPC過程能力分析如圖7所示。

表2 LWM檢測數據

圖7 熔深SPC過程能力分析

LWM及IDM檢測系統實現了對焊接過程質量的100%監測，可實時預警焊接異常情況的發生，保證了產品焊接質量的穩定性和可靠性。

（5）視覺檢測技術 焊接結束后，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 焊縫質量缺陷

視覺檢測技術采用工業相機代替人眼去完成識別、測量、定位等功能。其系統由相機、鏡頭和光源等部件組成，可代替人工完成條碼字符識別、包裝完整性判斷、產品外觀夾渣、凹陷的檢測等任務。

引入視覺檢測技術，對產品焊接后焊縫表面質量進行檢測，如圖9所示。

1）焊縫同心度檢測。使用相機對焊接產品拍照，系統根據照片分析確定金屬結構件基準圓Ⅰ及圓心a的位置，再以圓心a定位，繪制同心圓Ⅱ。在區域Ⅰ同Ⅱ范圍內尋找焊縫Ⅲ，由焊縫Ⅲ確定圓心b，如圖10所示。系統計算并比對圓心a與b偏差，從而判斷焊縫同心度是否符合技術要求。

圖9 視覺檢測

圖10 同心度檢測

2）焊縫外觀檢測。在焊縫區域中，系統通過繪制焊縫輪廓基準模型線，計算焊縫實際超出基準模型線區域面積，并進行比對判斷，以此確認是否存在凹坑、夾渣等外觀缺陷。如圖11所示，通過計算輪廓基準模型線Ⅰ與輪廓線Ⅱ之間凸出區域面積a，系統比對判斷是否存在夾渣缺陷；同理，計算輪廓線Ⅰ與輪廓線Ⅲ之間凹陷區域面積b，系統比對判斷是否存在凹坑缺陷。

圖11 焊縫表面質量檢測

視覺檢測系統能有效提高生產流水線的檢測速度和精度，大幅提高產品產量，降低人工成本，并可同時防止因人眼疲勞產生的誤判，提高產品質量的可靠性。

（6）安全防護技術 激光焊接工位設置全面考慮了“以人為本”的理念。

設置獨立的焊接封閉區域，焊接全過程中無需操作人員參與。且當設備發生異常時，系統可自動檢測到報警并將設備停機。焊接過程中激光、設備等可造成人員傷害的情況能夠全部規避。

焊接保護氣體也進行了單獨區域設置，將焊接過程中產生的噪聲、煙塵、電離輻射等環境污染對人的影響降至最低。

4 智能升級前后對比

通過引入焊接信息追溯技術、LWM檢測技術、IDM熔深檢測技術、視覺檢測技術及安全防護技術等智能化手段，實現了對焊接過程參數的實時監控、焊縫熔深數據的100%自動檢測、焊接無人化操作等，使產品焊接的穩定性和可靠性得到有效保證[5]（見表3）。

表3 智能升級前后數據對比

5 結束語

借助完善的汽車制造管理體系，以智能升級為向導，運用過程控制方法，將先進的智能制造技術應用于發生器生產線的激光焊接過程開發設計中，全面提升了發生器產品的焊接生產效率和質量，滿足了工業4.0后對生產線提出的智能化、柔性化要求。