數(shù)碼電子雷管電子引火元件發(fā)火可靠性影響因素研究

陳文基，陳姍姍，杜華善

(山東泰山民爆器材有限公司，山東 五蓮 262300)

0 引言

2006 年6 月6 日，三峽三期RCC 圍堰的成功拆除，拉開了電子雷管在國內(nèi)爆破領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。 國內(nèi)電子雷管的研究從20 世紀80 年代開始，由于當時技術(shù)不成熟，限制了電子雷管的推廣應(yīng)用。 21 世紀，隨著電子技術(shù)的日趨成熟和成本價格的降低，電子雷管在安全性、可靠度、延期精度、環(huán)保等方面呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，國內(nèi)的科研院所、起爆器材生產(chǎn)企業(yè)對電子雷管進行了技術(shù)引進及聯(lián)合研發(fā)[1-3]。 2009 年以來，國內(nèi)涌現(xiàn)出了大量電子控制芯片公司。 電子雷管控制精度高、延期時間可靈活設(shè)定、可“密碼管控”，因此，無論是基于行業(yè)發(fā)展還是國家安全管控需求，電子雷管無疑是工業(yè)雷管發(fā)展的必然方向[4-5]。

2009 年至今，電子雷管在國內(nèi)市場上的應(yīng)用尚不理想，主要原因為電子雷管較傳統(tǒng)雷管的發(fā)火可靠性低。 電子雷管的點火技術(shù)是電子雷管研究及生產(chǎn)過程中的一個核心技術(shù)，點火元件被稱作雷管的“發(fā)動機”，其性能直接決定了電子雷管的性能[6-7]。 必須保證雷管的正常起爆，即按一定方式輸入能量后，點火元件發(fā)火并激發(fā)起爆藥引爆基礎(chǔ)雷管。 針對影響電子引火元件可靠性的多種因素，結(jié)合電子雷管生產(chǎn)實際，對數(shù)碼電子雷管電子引火元件的發(fā)火可靠性進行論述。

1 影響數(shù)碼電子雷管電子引火元件發(fā)火可靠性的重要因素

目前，國內(nèi)外數(shù)碼電子雷管均采用電容放電起爆方式，其基本流程為:芯片接受指令→打開電子開關(guān)→起爆電容放電→電流流經(jīng)橋絲→橋絲將電能轉(zhuǎn)化熱能→熱能快速傳遞給引火藥→引火藥接受一定的能量→引火藥燃燒轉(zhuǎn)至爆燃→引爆起爆藥→完成電子雷管起爆。 在這一過程中，點火元件的發(fā)火可靠性受到引火藥劑的類型和配方、橋絲材質(zhì)和直徑、電容的能量大小和輸入方式等因素的影響。 同時，引火藥的原材料、引火頭與PCB 板的對焊質(zhì)量及能量聚集元件等因素均對點火元件的發(fā)火可靠性起到至關(guān)重要的作用。

2 數(shù)碼電子雷管電子引火元件發(fā)火可靠性影響因素分析

2.1 電容放電電壓與橋絲直徑之間的關(guān)系

引火藥劑主要為苦味酸鉀系和DDNP 系列，橋絲材質(zhì)選用國內(nèi)雷管生產(chǎn)廠家普遍使用的鎳鉻合金絲，電容選用100 μF 的電容放電器，測試儀器采用RIGOL DS1104Z 數(shù)字示波器。 將示波器的捕捉端子分別夾在引火頭兩端，用電容放電器起爆引火頭，示波器將捕捉到引火頭發(fā)火過程中兩端的電壓變化，然后測量橋絲斷裂和電容放電的時間。 通過試驗，找到電壓、橋絲直徑和引火藥劑三者之間最佳的匹配參數(shù)，以確保電子引火元件發(fā)火可靠。

引火藥頭選用DDNP-Pb3O4-Si 系，橋絲直徑選用?0.016 mm 和?0.025 mm 的鎳鉻合金橋絲，采用可調(diào)電壓0 ～25 V、100 μF 的電容放電器與數(shù)字示波器(DS1104Z)，在不同放電電壓下進行橋絲的熔斷時間和發(fā)火可靠性測試，其試驗結(jié)果見表1。

表1 兩種直徑的橋絲在不同電壓下的熔斷時間與發(fā)火率

電容起爆時，能量以脈沖形式輸入橋絲，其功率遠大于直流電源，因此，用電容器作為起爆器時，發(fā)火能量和發(fā)火時間均比用直流電源時要小得多。根據(jù)比熱容定義，橋絲吸收的熱量Q吸=cmΔT，得出橋絲溫升與橋絲直徑的關(guān)系，橋絲溫升與橋絲直徑的平方成反比，如式(1)所示。 在溫升保持不變的條件下，橋絲直徑減小，吸收的熱量降低。

式中:ΔT為橋絲溫升；Q吸為橋絲吸收的熱量；L為橋絲長度；ρ為橋絲密度；c為橋絲比熱容；d為橋絲直徑。

橋絲被加熱到一定溫度且持續(xù)一定時間后，產(chǎn)生的熱積累達到引火藥的爆發(fā)點，從而引燃引火藥。 電容放電時，在橋絲直徑為0.016 mm，電壓為8 V 的條件下，電容電壓過小，產(chǎn)生的熱積累未達到引火藥的爆發(fā)點。 電壓為13 V 時，電容電壓越大，升溫越快，很快達到橋絲的熔斷溫度，橋絲在64 μs 時熔斷，熔斷時間極短。 雖然溫度到達一定值，但熱積累產(chǎn)生的熱量低于其激發(fā)能量，未達到其爆發(fā)點，因此，引火藥未被引燃。

在11 V 的放電電壓下，橋絲直徑為0.016 mm 的發(fā)火可靠性較高，而直徑為0.025 mm 的橋絲發(fā)火可靠性較低，其原因為直徑越小，溫升越高，產(chǎn)生的熱積累越多。 直徑為0.025 mm 的橋絲在11 V 的電壓下溫升較低，熱積累的能量沒有達到引火藥的爆發(fā)點。

2.2 橋絲直徑與不同藥劑配方之間的關(guān)系

國內(nèi)引火藥劑的種類較多，公司現(xiàn)在生產(chǎn)的引火藥劑有KP 系及DDNP 系。 其中，KP 系點火藥是以苦味酸鉀-高氯酸鉀-硫化梯為配方，苦味酸鉀作為熱感度敏化劑，其5 s 延滯期爆發(fā)點為390 ℃；DDNP 系點火藥是以DDNP-Pb3O4-Si 配方，DDNP作為熱感度敏化劑，其加熱到130 ℃時，熱分解速度加快，180 ℃左右發(fā)生爆炸，其5 s 延滯期爆發(fā)點是170 ～173 ℃。 為探究橋絲直徑與藥劑配方之間的關(guān)系，進行試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 引火藥在不同的橋絲直徑和電壓下的發(fā)火率

根據(jù)試驗結(jié)果可知，在不考慮橋絲和焊接點差異及熱損失的情況下，同一電壓作用下，同一橋絲溫升相同，其藥劑接受的輸出能量相等。 在電壓13 V，橋絲直徑為0.025 mm 的情況下，DDNP 系引火藥需要的能量較小，較容易滿足其發(fā)火條件，因此，發(fā)火率達到100%。 KP 系引火藥需要的發(fā)火能量較高，故其發(fā)火可靠性不高。 不同的藥劑達到發(fā)火點所需的能量不同，因此，藥劑材料的選擇也不同。 從電子引火元件的發(fā)火時間角度考慮，同一藥劑，橋絲直徑越小，電壓越高，熱積累的速度越快，其發(fā)火時間越短。 但是，橋絲直徑減小，不僅其生產(chǎn)加工工藝要求高，橋絲直徑和電阻率一致性變差，導(dǎo)致其發(fā)火電壓波動較大，發(fā)火一致性不理想。因此，數(shù)碼電子雷管在選擇參數(shù)時，要綜合考慮各種影響因素和條件。

2.3 引火藥原材料及生產(chǎn)工藝

表3 DDNP 系引火藥原材料參數(shù)控制

KP 系引火藥感度相對較低，安全性好，符合國內(nèi)民爆產(chǎn)品的基本發(fā)展方向，但是應(yīng)用于數(shù)碼電子雷管的電子引火元件，其發(fā)火一致性不高，極大地影響了數(shù)碼雷管的發(fā)火可靠性及延期精度。 通過試驗結(jié)合生產(chǎn)實際發(fā)現(xiàn)，在苦味酸鉀、高氯酸鉀2 種組分的點火藥中增加硫化銻組分，可以略提高KP 系引火藥的感度。 KP 系引火藥采用的苦味酸鉀通常由工業(yè)苦味酸與氫氧化鉀反應(yīng)生成，晶型與純度未進行有效控制，若將苦味酸重結(jié)晶后與氫氧化鉀反應(yīng)，得到的針狀結(jié)晶較為規(guī)整，且假密度較小，機械感度相對于未經(jīng)重結(jié)晶的苦味酸鉀較高，較大程度地提高了點火藥的點火能力與發(fā)火一致性。 苦味酸重結(jié)晶反應(yīng)如式(2)、式(3)所示:

2.4 引火頭與PCB 板的對焊質(zhì)量

PCB 板的質(zhì)量、引火頭與PCB 板的對焊質(zhì)量直接影響到電子引火元件的質(zhì)量及發(fā)火可靠性，PCB 板強度較低時，無法有效保護基礎(chǔ)電路，尤其當芯片切片位置處分布有基礎(chǔ)電路時，在生產(chǎn)和運輸過程中，機械損傷將會影響電路的整體穩(wěn)定性，從而影響起爆器或注冊機與芯片之間的通信穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)電子雷管生產(chǎn)廠家在引火頭與PCB板對焊時，仍借助于人工錫焊，因此，易受操作人員操作水平的影響。 為了提高電子引火元件中腳線的耐磨性與抗拉性能，對腳線絕緣層材質(zhì)及結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整優(yōu)化，但芯線大多采用鍍鋅鋼芯線，將鍍鋅鋼芯線與PCB 板進行錫焊時，鈍化層錫焊困難，影響了焊接質(zhì)量。 通過采用鍍錫銅包鋼芯線能夠有效改善焊接質(zhì)量，但鍍鋅鋼芯線的鈍化性能略優(yōu)于鍍錫銅包鋼芯線，因此，芯線的材質(zhì)選擇也影響了電子引火元件的對焊質(zhì)量。 不同腳線類型對焊接質(zhì)量的影響結(jié)果見表4。

表4 不同腳線類型對焊接質(zhì)量的影響

2.5 保護措施

在國內(nèi)，傳統(tǒng)的剛性或彈性引火頭、腳線分別與芯片對焊后，一般直接與基礎(chǔ)雷管進行卡口裝配，組裝為成品電子雷管。 與普通電雷管相比，電子引火元件加入電子芯片，增加了卡口塞至引火頭之間的距離，在裝配過程中，容易出現(xiàn)“偏心”現(xiàn)象，易造成引火頭與管殼接觸或裝配過程中造成引火頭破裂。 電子引火元件在生產(chǎn)、運輸過程中未增加保護，易與金屬管壁等發(fā)生碰撞、摩擦，造成引火頭損壞或產(chǎn)品誤引爆。 因此，在引火頭外部增加保護元件，如防靜電、阻燃等材料，可以進一步加強對靜電等外界不利因素的防護。 通常，在引火頭外部裝配柔性保護套，如硅膠套、改性PVC 套等，如圖1所示。 增加保護元件后，也可以保證電引火藥爆燃后的能量較集中地釋放，從而提高數(shù)碼電子雷管的發(fā)火可靠性[8]。

圖1 增加保護套后的電子引火元件

3 結(jié)論

1)當電壓、橋絲直徑、焊接點差異固定的情況下，橋絲向引火藥劑上輸出的能量相同，橋絲熔斷時間基本一致，但發(fā)火可靠性和一致性與引火元件的熱損失系數(shù)和藥劑的熱感度有關(guān)，加大橋絲直徑和提高電壓有利于提升發(fā)火可靠性。

2)當引火元件的藥劑、橋絲直徑、焊接點差異固定的情況下，電壓越高，溫升越快，橋絲熔斷時間越短；不同參數(shù)的引火元件，其發(fā)火可靠性分別對應(yīng)一個最佳范圍。

3) 電引火藥的工藝配方、生產(chǎn)工藝參數(shù)、引火藥頭與PCB 板對焊質(zhì)量、保護措施等直接影響電子引火元件的發(fā)火可靠性。

由于電子雷管的結(jié)構(gòu)特性所限，電容儲能和電壓必須控制在一定的范圍，設(shè)計時，橋絲也要考慮易加工、易焊接等因素。 因此，在一定范圍內(nèi)，需嚴格控制橋絲直徑、電容電壓和藥劑三者之間的匹配性關(guān)系。 控制引火藥劑原材料及生產(chǎn)工藝過程，提高PCB 板的質(zhì)量及焊接工藝水平，結(jié)合相應(yīng)的保護措施，從而保證電子引火元件的發(fā)火可靠性。