在目前所有實用的標記手段中,激光打標技術不僅可以滿足雷管標記的要求,而且還有著許多獨特的優(yōu)勢,采用激光打標技術對雷管進行標記是一個很好的途徑,但是,激光與火工產品的作用機理及結果存在許多未知因素,這些未知因素勢必成為引發(fā)事故的隱患。
在正常情況下,只要控制好激光輸出的波形、脈寬、功率等指標,激光與各種雷管常用炸藥作用的安全是有保證的,
萬一情況:當激光標記工作正在進行,而激光打標設備出現(xiàn)故障,且激光正常輸出時,如何保證生產的安全?
為此,對這一方案提出了解決這一問題的思路:只要控制激光與雷管產品的作用時間就可以確保安全。此方案已經在實際生產中證明是切實可行的。
火工產品意外爆炸的原因
炸藥的突出特點是具有燃燒和爆轟兩種形式的化學變化能力。炸藥的化學變化形式分為緩慢的熱變化、燒和爆轟三種形式。
很多炸藥在無外殼的情況下,燃燒時生成氣體緩慢,因而壓力提高不大,實際上不會產生機械作用也就是不會產生爆炸而引發(fā)的危險事故。
在進行激光標記作業(yè)時,標記對象為各種雷管,炸藥,均處于密封殼體之中,緩慢的熱變化和燃燒的作用會積累,只要時間夠長,最終積累的結果必然引發(fā)爆轟現(xiàn)象。
炸藥在外界因素(這里主要指受熱)的作用下,會產生熱分解現(xiàn)象,熱分解放出熱量。由于熱傳導作用,熱分解放出的熱會不斷散失到周圍介質中。當分解放出的熱量大于散失的熱量時,在炸藥中就會形成熱積累,使溫度不斷升高,熱分解速度不斷加快、最后導致炸藥爆炸。
在微觀狀況下,觀察炸藥爆炸的全過程,存在以下幾個階段:延滯期、加速期、等速期和降速期。引起炸藥熱分解現(xiàn)象的產生,只要有兩個條件,一是高壓,二是高溫。對于雷管的激光標記來說,高壓是不存在的,只要能避免高溫的產生,就可以使炸藥不產生熱分解,或最多使炸藥的熱分解過程進行到延滯期,從而避免爆轟現(xiàn)象的產生。
很多外在因素可以達到高壓或者高溫而引起炸藥的熱分解而導致的爆炸,例子:加熱、火焰、針刺、撞擊、摩擦、振動、沖擊波、靜電、光(激光)、高能粒子等。在這里我們只討論激光的作用。
短時間的激光作用所帶來的熱量是很小的,完全可以因熱傳導作用而散失到周圍的介質中,帶給雷管殼體的溫升是極其微小的。長時間的照射,會使熱量積累,在局部位置達到危險的高溫。
正常情況下,激光與雷管表面同一位置的作用時間是瞬間的(~10-5s),不可能有熱量的積累。經過測算,激光制作一個雷管標記所需的時間不超過0.15秒,帶給雷管的熱量約為1.8卡,對于小尺寸的雷管殼體,假設雷管殼體處在理想絕熱環(huán)境,溫升是絕對安全的。
但是當激光打標設備出現(xiàn)故障,而激光仍在正常輸出時,就有可能使激光長時間作用在一點,從而使這一點的溫度迅速升高,在幾秒鐘內達到危險的溫度,使炸藥發(fā)生熱分解,引起危險事故。
看來問題的關鍵是當激光打標設備出現(xiàn)故障時,如何避免激光束長時間照射在一點。要回答這個問題,就必須了解激光打標機控制原理。
激光打標機控制原理
激光打標機是一個光、機、電一體化的綜合設備,靠控制激光束在工件表面的相對運動實現(xiàn)標記功能。
激光器產生的激光束,受到Q開關的控制。Q開關的主要作用是為了改善激光束的品質,提高激光束的峰值功率。但在這里,可以把Q開關考慮為一個光閘,光閘打開,激光束輸出,光閘關閉,激光束斷開。激光束輸出到受計算機控制的X(Y)振鏡,經過振鏡所帶反射鏡的反射,在經過F-_θ聚焦物鏡聚焦后,在工作表面實現(xiàn)二維掃描運動,產生痕跡,這些痕跡的產生是在計算機的控制下實現(xiàn)的,這些痕跡組成我們需要的標記。
問題的解決
由前述,我們知道,不管打標機處在何種狀態(tài),只要振鏡在運動,激光束就不會停留在一點上,也就不會造成激光束引起的雷管表面局部溫升,從而避免了高溫引起炸藥熱分解的產生。
在正常情況下,只要有激光輸出,振鏡就在工作。一旦打標機出現(xiàn)故障,振鏡有可能不工作,激光束就有可能停留在一點上。能否當打標機處在打標狀態(tài),但由于故障原因而振鏡沒有正常工作時,關閉激光電源或控制Q開關,從而強行關閉激光?如果能實現(xiàn)這一點,就不會造成激光束長時間停留在一點而引起溫升了。
要想實現(xiàn)這一點,首先必須檢測振鏡的工作狀況,同時檢測檢測激光打標機的工作狀況,一旦出現(xiàn)激光打標機處在工作狀態(tài)而振鏡處在停止狀態(tài)超過預設時間時,立即停止激光輸出。
首先分別對X振鏡和Y振鏡進行采樣,取出其速度信號;然后對放大后的信號進行窗口比較,將比較后的兩路信號同時送到比較觸發(fā)電路,當兩個振鏡同時滿足預設條件,且打標機處在工作狀況時,觸發(fā)器輸出信號,關閉激光電源(或Q開關),強行中斷激光輸出。
振鏡運動速度信號的正確取出,是實現(xiàn)這一設想的第一步,振鏡本身沒有這一信號輸出,需要增加檢測電路,設法對振鏡進行檢測,從而取出速度信號。作者經過對振鏡驅動原理及運動形式的分析,在不影響振鏡正常工作的前提下,順利地取出了需要的速度信號。
在窗口比較中,預設條件的給出是一個比較關鍵的問題。條件過于苛刻,則正常的標記作業(yè)難以進行:條件過于寬松,則難以保證標記生產的安全。作者查閱大量有關資料,并結合實際的激光打標設備進行可大量實驗,得出了合適的預設條件。
電路的其他部分,都是常規(guī)形式,沒有什么特別的,只要注意避免產生放電的靜電現(xiàn)象就行了。
針對民爆行業(yè)標記量大、速度要求快,易爆、易然、危險性大等特點,武漢大華激光科技有限公司自主研發(fā)的雷管專業(yè)激光打標機,其中有M-SR系列和M-DPSS系列,并在保護措施上對原來的激光標記機進行了重大的改革,在系統(tǒng)上增加了多項安全保護控制專利技術,使之更適用于民爆行業(yè)特點。