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    振镜在火工产品激光打标技术应用中的安全控制

    来源:科信激光  发布时间:2020-01-17

       为了便于火工产品在生产、流通、应用等领域的控制和管理,根据有关要求,在各种雷管表面必须有永久的标记。在目前所有实用的标记手段中,激光打标技术不仅可以满足雷管标记的要求,而且还有着许多独特的优势,采用激光打标技术对雷管进行标记是一个很好的途径,但是,激光与火工产品的作用机理及结果存在许多未知因素,这些未知因素势必成为引发事故的隐患。 
        实验表明:在正常情况下,只要控制好激光输出的波形、脉宽、功率等指标,激光与各种雷管常用炸药作用的安全是有保证的。
        考虑万一情况:当激光标记工作正在进行,而激光打标设备出现故障,且激光正常输出时,如何保证生产的安全?
    为此,作者经过深入研究,提出了解决这一问题的思路:只要控制激光与雷管产品的作用时间,就可以确保安全。此方案已经在实际生产中证明是切实可行的。
        火工产品意外爆炸的原因分析
        炸药的突出特点是具有燃烧和爆轰两种形式的化学变化能力。炸药的化学变化形式分为缓慢的热变化、燃烧和爆轰三种形式。

        很多炸药在无外壳的情况下,燃烧时生成气体缓慢,因而压力提高不大,实际上不会产生机械作用也就是不会产生爆炸而引发危险事故。
        在进行激光标记作业时,标记对象为各种雷管,炸药,均处于密封壳体之中,缓慢的热变化和燃烧的作用会积累,只要时间够长,最终积累的结果必然引发爆轰现象。
        炸药在外界因素(这里主要指受热)的作用下,会产生热分解现象,热分解放出热量。由于热传导作用,热分解放出的热会不断散失到周围介质中。当热分解放出的热量大于散失的热量时,在炸药中就会形成热积累,使温度不断升高,热分解速度不断加快,最后导致炸药爆炸。
        在微观状况下,观察炸药爆炸的全过程,存在以下几个阶段:延滞期、加速期、等速期和降速期。引起炸药热分解现象的产生,主要有两个条件,一是高压,二是高温。对于雷管的激光标记来说,高压是不存在的,只要能避免高温的产生,就可以使炸药不产生热分解,或最多使炸药的热分解过程进行到延滞期,从而避免爆轰现象的产生。
        很多外在因素可以达到高压或高温而引起炸药的热分解而导致爆炸,例如:加热、火焰、针刺、撞击、摩擦、振动、冲击波、静电、光(激光)、高能粒子等。在这里我们只讨论激光的作用。
        短时间的激光作用所带来的热量是很小的,完全可以因热传导作用而散失到周围介质中,带给雷管壳体的温升是极其微小的。长时间的照射,会使热量积累,在局部位置达到危险的高温。
        正常情况下,激光与雷管表面同一位置的作用时间是瞬间的(~10-5秒),不可能有热量的积累。经过测算,激光制作一个雷管标记所需的时间不超过0.15秒,带给雷管的热量约为1.8卡,对于小尺寸的雷管壳体,假设雷管壳体处在理想绝热环境,温升约6~10℃,考虑管壳内的起爆药以及周围介质的散热,温升小于2℃,这个温升是绝对安全的。
        但是当激光打标设备出现故障,而激光仍然正常输出时,就有可能使激光长时间作用在一点,从而使这一点的温度迅速升高,在几秒钟内达到危险的温度,使炸药发生热分解,引发危险事故。
        看来问题的关键是当激光打标设备出现故障时,如何避免激光束长时间照射在一点。要回答这个问题,就必须了解激光打标机的控制原理。
        激光打标机控制原理
        激光打标机是一个光、机、电一体化的综合设备,靠控制激光束在工件表面的相对运动实现标记功能。图1说明了激光打标机的基本工作原理。
        激光器产生的激光束,受到Q开关的控制。Q开关的主要作用是为了改善激光束的品质,提高激光束的峰值功率,但在这里,可以把Q开关考虑为一个光闸,光闸打开,激光束输出,关闸关闭,激光束关断。激光束输出到受计算机控制的X(Y)振镜,经过振镜所带反射镜的反射,再经过F-θ聚焦物镜聚焦后,在工件表面实现二维扫描运动,产生痕迹,这些痕迹的产生是在计算机的控制下实现的,这些痕迹组成我们需要的标记。
        问题的解决
        由前述,我们知道,不管打标机处在何种状态,只要振镜在运动,激光束就不会停留在一点上,也就不会造成激光束引起的雷管表面局部温升,从而避免了高温引起炸药热分解的产生。
        在正常情况下,只要有激光输出,振镜就在工作。一旦打标机出现故障,振镜就有可能不工作,激光束就有可能停留在一点上。能否当打标机处在打标状态,但由于故障原因而振镜没有正常工作时,关闭激光电源或控制Q开关,从而强行关闭激光呢?如果能实现这一点,就不会造成激光束长时间停留在一点而引起温升了。
        要想实现这一点,首先必须检测振镜的工作状况,同时检测激光打标机的工作状况,一旦出现激光打标机处在工作状态而振镜处在停止状态超过预设时间时,立即停止激光输出。
        首先分别对X振镜和Y振镜进行采样,取出其速度信号;然后对放大后的信号进行窗口比较,将比较后的两路信号同时送到比较触发电路,当两个振镜同时满足预设条件,且打标机处在工作状况时,触发器输出信号,关闭激光电源(或Q开关),强行中断激光输出。
        振镜运动速度信号的正确取出,是实现这一设想的第一步,振镜本身没有这一信号输出,需要增加检测电路,设法对振镜进行监测,从而取出速度信号。作者经过对振镜驱动原理及运动形式的分析,在不影响振镜正常工作的前提下,顺利地取出了需要的速度信号。

        在窗口比较中,预设条件的给出是一个比较关键的问题。条件过于苛刻,则正常的标记作业难以进行;条件过于宽松,则难以保证标记生产的安全。作者查阅大量有关资料,并结合实际的激光打标设备进行了大量实验,得出了合适的预设条件。
        电路的其他部分,都是常规形式,没有什么特别的,只要注意避免产生放电和静电现象就行了。
        结论
       经过试验,根据上述原理搭建的控制电路完全满足要求。经过实际使用,达到了很好的效果,解决了当激光打标设备出现故障时,激光与火工产品作用时间过长的问题,从而杜绝了由此引发的事故,提高了激光打标技术在火工产品应用的安全性。
        特别需要说明的是,激光打标技术应用于火工产品,绝不仅仅是解决上述一个问题就可以完全解决安全问题的。

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