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振鏡在火工產(chǎn)品激光打標技術應用中的安全控制

來源:科信激光  發(fā)布時間:2020-01-17

   為了便于火工產(chǎn)品在生產(chǎn)、流通、應用等領域的控制和管理,根據(jù)有關要求,在各種雷管表面必須有永久的標記。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(chǎn)品的作用機理及結(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。 
    實驗表明: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,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(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)品的作用時間,就可以確保安全。此方案已經(jīng)在實際生產(chǎn)中證明是切實可行的。
    火工產(chǎn)品意外爆炸的原因分析
    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、燃燒和爆轟三種形式。

    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(chǎn)生機械作用也就是不會產(chǎn)生爆炸而引發(fā)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(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。由于熱傳導作用,熱分解放出的熱會不斷散失到周圍介質(zhì)中。當熱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(chǎn)生,主要有兩個條件,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(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到高壓或高溫而引起炸藥的熱分解而導致爆炸,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介質(zhì)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(~10-5秒),不可能有熱量的積累。經(jīng)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,而激光仍然正常輸出時,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(nèi)達到危險的溫度,使炸藥發(fā)生熱分解,引發(fā)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的控制原理。
    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。圖1說明了激光打標機的基本工作原理。
    激光器產(chǎn)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(zhì),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,關閘關閉,激光束關斷。激光束輸出到受計算機控制的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,在工件表面實現(xiàn)二維掃描運動,產(chǎn)生痕跡,這些痕跡的產(chǎn)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(chǎn)生。
    在正常情況下,只要有激光輸出,振鏡就在工作。一旦打標機出現(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,從而強行關閉激光呢?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(chǎn)的安全。作者查閱大量有關資料,并結(jié)合實際的激光打標設備進行了大量實驗,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(chǎn)生放電和靜電現(xiàn)象就行了。
    結(jié)論
   經(jīng)過試驗,根據(jù)上述原理搭建的控制電路完全滿足要求。經(jīng)過實際使用,達到了很好的效果,解決了當激光打標設備出現(xiàn)故障時,激光與火工產(chǎn)品作用時間過長的問題,從而杜絕了由此引發(fā)的事故,提高了激光打標技術在火工產(chǎn)品應用的安全性。
    特別需要說明的是,激光打標技術應用于火工產(chǎn)品,絕不僅僅是解決上述一個問題就可以完全解決安全問題的。