振鏡在火工產(chǎn)品激光打標(biāo)技術(shù)應(yīng)用中的安全控制
為了便于火工產(chǎn)品在生產(chǎn)、流通、應(yīng)用等領(lǐng)域的控制和管理,根據(jù)有關(guān)要求,在各種雷管表面必須有永久的標(biāo)記。在目前所有實(shí)用的標(biāo)記手段中,激光打標(biāo)技術(shù)不僅可以滿足雷管標(biāo)記的要求,而且還有著許多獨(dú)特的優(yōu)勢,采用激光打標(biāo)技術(shù)對雷管進(jìn)行標(biāo)記是一個(gè)很好的途徑,但是,激光與火工產(chǎn)品的作用機(jī)理及結(jié)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。
實(shí)驗(yàn)表明: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(biāo),激光與各種雷管常用炸藥作用的安全是有保證的。
考慮萬一情況:當(dāng)激光標(biāo)記工作正在進(jìn)行,而激光打標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障,且激光正常輸出時(shí),如何保證生產(chǎn)的安全?
為此,作者經(jīng)過深入研究,提出了解決這一問題的思路:只要控制激光與雷管產(chǎn)品的作用時(shí)間,就可以確保安全。此方案已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中證明是切實(shí)可行的。
火工產(chǎn)品意外爆炸的原因分析
炸藥的突出特點(diǎn)是具有燃燒和爆轟兩種形式的化學(xué)變化能力。炸藥的化學(xué)變化形式分為緩慢的熱變化、燃燒和爆轟三種形式。
很多炸藥在無外殼的情況下,燃燒時(shí)生成氣體緩慢,因而壓力提高不大,實(shí)際上不會產(chǎn)生機(jī)械作用也就是不會產(chǎn)生爆炸而引發(fā)危險(xiǎn)事故。
在進(jìn)行激光標(biāo)記作業(yè)時(shí),標(biāo)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(shí)間夠長,最終積累的結(jié)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(chǎn)生熱分解現(xiàn)象,熱分解放出熱量。由于熱傳導(dǎo)作用,熱分解放出的熱會不斷散失到周圍介質(zhì)中。當(dāng)熱分解放出的熱量大于散失的熱量時(shí),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(dǎo)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(gè)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(chǎn)生,主要有兩個(gè)條件,一是高壓,二是高溫。對于雷管的激光標(biāo)記來說,高壓是不存在的,只要能避免高溫的產(chǎn)生,就可以使炸藥不產(chǎn)生熱分解,或最多使炸藥的熱分解過程進(jìn)行到延滯期,從而避免爆轟現(xiàn)象的產(chǎn)生。
很多外在因素可以達(dá)到高壓或高溫而引起炸藥的熱分解而導(dǎo)致爆炸,例如: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(shí)間的激光作用所帶來的熱量是很小的,完全可以因熱傳導(dǎo)作用而散失到周圍介質(zhì)中,帶給雷管殼體的溫升是極其微小的。長時(shí)間的照射,會使熱量積累,在局部位置達(dá)到危險(xiǎn)的高溫。
正常情況下,激光與雷管表面同一位置的作用時(shí)間是瞬間的(~10-5秒),不可能有熱量的積累。經(jīng)過測算,激光制作一個(gè)雷管標(biāo)記所需的時(shí)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(shè)雷管殼體處在理想絕熱環(huán)境,溫升約6~10℃,考慮管殼內(nèi)的起爆藥以及周圍介質(zhì)的散熱,溫升小于2℃,這個(gè)溫升是絕對安全的。
但是當(dāng)激光打標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障,而激光仍然正常輸出時(shí),就有可能使激光長時(shí)間作用在一點(diǎn),從而使這一點(diǎn)的溫度迅速升高,在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到危險(xiǎn)的溫度,使炸藥發(fā)生熱分解,引發(fā)危險(xiǎn)事故。
看來問題的關(guān)鍵是當(dāng)激光打標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),如何避免激光束長時(shí)間照射在一點(diǎn)。要回答這個(gè)問題,就必須了解激光打標(biāo)機(jī)的控制原理。
激光打標(biāo)機(jī)控制原理
激光打標(biāo)機(jī)是一個(gè)光、機(jī)、電一體化的綜合設(shè)備,靠控制激光束在工件表面的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)標(biāo)記功能。圖1說明了激光打標(biāo)機(jī)的基本工作原理。
激光器產(chǎn)生的激光束,受到Q開關(guān)的控制。Q開關(guān)的主要作用是為了改善激光束的品質(zhì),提高激光束的峰值功率,但在這里,可以把Q開關(guān)考慮為一個(gè)光閘,光閘打開,激光束輸出,關(guān)閘關(guān)閉,激光束關(guān)斷。激光束輸出到受計(jì)算機(jī)控制的X(Y)振鏡,經(jīng)過振鏡所帶反射鏡的反射,再經(jīng)過F-θ聚焦物鏡聚焦后,在工件表面實(shí)現(xiàn)二維掃描運(yùn)動,產(chǎn)生痕跡,這些痕跡的產(chǎn)生是在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)的,這些痕跡組成我們需要的標(biāo)記。
問題的解決
由前述,我們知道,不管打標(biāo)機(jī)處在何種狀態(tài),只要振鏡在運(yùn)動,激光束就不會停留在一點(diǎn)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(chǎn)生。
在正常情況下,只要有激光輸出,振鏡就在工作。一旦打標(biāo)機(jī)出現(xiàn)故障,振鏡就有可能不工作,激光束就有可能停留在一點(diǎn)上。能否當(dāng)打標(biāo)機(jī)處在打標(biāo)狀態(tài),但由于故障原因而振鏡沒有正常工作時(shí),關(guān)閉激光電源或控制Q開關(guān),從而強(qiáng)行關(guān)閉激光呢?如果能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),就不會造成激光束長時(shí)間停留在一點(diǎn)而引起溫升了。
要想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),首先必須檢測振鏡的工作狀況,同時(shí)檢測激光打標(biāo)機(jī)的工作狀況,一旦出現(xiàn)激光打標(biāo)機(jī)處在工作狀態(tài)而振鏡處在停止?fàn)顟B(tài)超過預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí),立即停止激光輸出。
首先分別對X振鏡和Y振鏡進(jìn)行采樣,取出其速度信號;然后對放大后的信號進(jìn)行窗口比較,將比較后的兩路信號同時(shí)送到比較觸發(fā)電路,當(dāng)兩個(gè)振鏡同時(shí)滿足預(yù)設(shè)條件,且打標(biāo)機(jī)處在工作狀況時(shí),觸發(fā)器輸出信號,關(guān)閉激光電源(或Q開關(guān)),強(qiáng)行中斷激光輸出。
振鏡運(yùn)動速度信號的正確取出,是實(shí)現(xiàn)這一設(shè)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(shè)法對振鏡進(jìn)行監(jiān)測,從而取出速度信號。作者經(jīng)過對振鏡驅(qū)動原理及運(yùn)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(yù)設(shè)條件的給出是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。條件過于苛刻,則正常的標(biāo)記作業(yè)難以進(jìn)行;條件過于寬松,則難以保證標(biāo)記生產(chǎn)的安全。作者查閱大量有關(guān)資料,并結(jié)合實(shí)際的激光打標(biāo)設(shè)備進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),得出了合適的預(yù)設(shè)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(chǎn)生放電和靜電現(xiàn)象就行了。
結(jié)論
經(jīng)過試驗(yàn),根據(jù)上述原理搭建的控制電路完全滿足要求。經(jīng)過實(shí)際使用,達(dá)到了很好的效果,解決了當(dāng)激光打標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),激光與火工產(chǎn)品作用時(shí)間過長的問題,從而杜絕了由此引發(fā)的事故,提高了激光打標(biāo)技術(shù)在火工產(chǎn)品應(yīng)用的安全性。
特別需要說明的是,激光打標(biāo)技術(shù)應(yīng)用于火工產(chǎn)品,絕不僅僅是解決上述一個(gè)問題就可以完全解決安全問題的。