数码电子雷管电子引火元件发火可靠性影响因素研究

陈文基，陈姗姗，杜华善

(山东泰山民爆器材有限公司，山东 五莲 262300)

0 引言

2006 年6 月6 日，三峡三期RCC 围堰的成功拆除，拉开了电子雷管在国内爆破领域应用的序幕。 国内电子雷管的研究从20 世纪80 年代开始，由于当时技术不成熟，限制了电子雷管的推广应用。 21 世纪，随着电子技术的日趋成熟和成本价格的降低，电子雷管在安全性、可靠度、延期精度、环保等方面呈现出显著优势，国内的科研院所、起爆器材生产企业对电子雷管进行了技术引进及联合研发[1-3]。 2009 年以来，国内涌现出了大量电子控制芯片公司。 电子雷管控制精度高、延期时间可灵活设定、可“密码管控”，因此，无论是基于行业发展还是国家安全管控需求，电子雷管无疑是工业雷管发展的必然方向[4-5]。

2009 年至今，电子雷管在国内市场上的应用尚不理想，主要原因为电子雷管较传统雷管的发火可靠性低。 电子雷管的点火技术是电子雷管研究及生产过程中的一个核心技术，点火元件被称作雷管的“发动机”，其性能直接决定了电子雷管的性能[6-7]。 必须保证雷管的正常起爆，即按一定方式输入能量后，点火元件发火并激发起爆药引爆基础雷管。 针对影响电子引火元件可靠性的多种因素，结合电子雷管生产实际，对数码电子雷管电子引火元件的发火可靠性进行论述。

1 影响数码电子雷管电子引火元件发火可靠性的重要因素

目前，国内外数码电子雷管均采用电容放电起爆方式，其基本流程为:芯片接受指令→打开电子开关→起爆电容放电→电流流经桥丝→桥丝将电能转化热能→热能快速传递给引火药→引火药接受一定的能量→引火药燃烧转至爆燃→引爆起爆药→完成电子雷管起爆。 在这一过程中，点火元件的发火可靠性受到引火药剂的类型和配方、桥丝材质和直径、电容的能量大小和输入方式等因素的影响。 同时，引火药的原材料、引火头与PCB 板的对焊质量及能量聚集元件等因素均对点火元件的发火可靠性起到至关重要的作用。

2 数码电子雷管电子引火元件发火可靠性影响因素分析

2.1 电容放电电压与桥丝直径之间的关系

引火药剂主要为苦味酸钾系和DDNP 系列，桥丝材质选用国内雷管生产厂家普遍使用的镍铬合金丝，电容选用100 μF 的电容放电器，测试仪器采用RIGOL DS1104Z 数字示波器。 将示波器的捕捉端子分别夹在引火头两端，用电容放电器起爆引火头，示波器将捕捉到引火头发火过程中两端的电压变化，然后测量桥丝断裂和电容放电的时间。 通过试验，找到电压、桥丝直径和引火药剂三者之间最佳的匹配参数，以确保电子引火元件发火可靠。

引火药头选用DDNP-Pb3O4-Si 系，桥丝直径选用ø0.016 mm 和ø0.025 mm 的镍铬合金桥丝，采用可调电压0 ～25 V、100 μF 的电容放电器与数字示波器(DS1104Z)，在不同放电电压下进行桥丝的熔断时间和发火可靠性测试，其试验结果见表1。

表1 两种直径的桥丝在不同电压下的熔断时间与发火率

电容起爆时，能量以脉冲形式输入桥丝，其功率远大于直流电源，因此，用电容器作为起爆器时，发火能量和发火时间均比用直流电源时要小得多。根据比热容定义，桥丝吸收的热量Q吸=cmΔT，得出桥丝温升与桥丝直径的关系，桥丝温升与桥丝直径的平方成反比，如式(1)所示。 在温升保持不变的条件下，桥丝直径减小，吸收的热量降低。

式中:ΔT为桥丝温升；Q吸为桥丝吸收的热量；L为桥丝长度；ρ为桥丝密度；c为桥丝比热容；d为桥丝直径。

桥丝被加热到一定温度且持续一定时间后，产生的热积累达到引火药的爆发点，从而引燃引火药。 电容放电时，在桥丝直径为0.016 mm，电压为8 V 的条件下，电容电压过小，产生的热积累未达到引火药的爆发点。 电压为13 V 时，电容电压越大，升温越快，很快达到桥丝的熔断温度，桥丝在64 μs 时熔断，熔断时间极短。 虽然温度到达一定值，但热积累产生的热量低于其激发能量，未达到其爆发点，因此，引火药未被引燃。

在11 V 的放电电压下，桥丝直径为0.016 mm 的发火可靠性较高，而直径为0.025 mm 的桥丝发火可靠性较低，其原因为直径越小，温升越高，产生的热积累越多。 直径为0.025 mm 的桥丝在11 V 的电压下温升较低，热积累的能量没有达到引火药的爆发点。

2.2 桥丝直径与不同药剂配方之间的关系

国内引火药剂的种类较多，公司现在生产的引火药剂有KP 系及DDNP 系。 其中，KP 系点火药是以苦味酸钾-高氯酸钾-硫化梯为配方，苦味酸钾作为热感度敏化剂，其5 s 延滞期爆发点为390 ℃；DDNP 系点火药是以DDNP-Pb3O4-Si 配方，DDNP作为热感度敏化剂，其加热到130 ℃时，热分解速度加快，180 ℃左右发生爆炸，其5 s 延滞期爆发点是170 ～173 ℃。 为探究桥丝直径与药剂配方之间的关系，进行试验，试验结果见表2。

表2 引火药在不同的桥丝直径和电压下的发火率

根据试验结果可知，在不考虑桥丝和焊接点差异及热损失的情况下，同一电压作用下，同一桥丝温升相同，其药剂接受的输出能量相等。 在电压13 V，桥丝直径为0.025 mm 的情况下，DDNP 系引火药需要的能量较小，较容易满足其发火条件，因此，发火率达到100%。 KP 系引火药需要的发火能量较高，故其发火可靠性不高。 不同的药剂达到发火点所需的能量不同，因此，药剂材料的选择也不同。 从电子引火元件的发火时间角度考虑，同一药剂，桥丝直径越小，电压越高，热积累的速度越快，其发火时间越短。 但是，桥丝直径减小，不仅其生产加工工艺要求高，桥丝直径和电阻率一致性变差，导致其发火电压波动较大，发火一致性不理想。因此，数码电子雷管在选择参数时，要综合考虑各种影响因素和条件。

2.3 引火药原材料及生产工艺

表3 DDNP 系引火药原材料参数控制

KP 系引火药感度相对较低，安全性好，符合国内民爆产品的基本发展方向，但是应用于数码电子雷管的电子引火元件，其发火一致性不高，极大地影响了数码雷管的发火可靠性及延期精度。 通过试验结合生产实际发现，在苦味酸钾、高氯酸钾2 种组分的点火药中增加硫化锑组分，可以略提高KP 系引火药的感度。 KP 系引火药采用的苦味酸钾通常由工业苦味酸与氢氧化钾反应生成，晶型与纯度未进行有效控制，若将苦味酸重结晶后与氢氧化钾反应，得到的针状结晶较为规整，且假密度较小，机械感度相对于未经重结晶的苦味酸钾较高，较大程度地提高了点火药的点火能力与发火一致性。 苦味酸重结晶反应如式(2)、式(3)所示:

2.4 引火头与PCB 板的对焊质量

PCB 板的质量、引火头与PCB 板的对焊质量直接影响到电子引火元件的质量及发火可靠性，PCB 板强度较低时，无法有效保护基础电路，尤其当芯片切片位置处分布有基础电路时，在生产和运输过程中，机械损伤将会影响电路的整体稳定性，从而影响起爆器或注册机与芯片之间的通信稳定性。

目前，国内电子雷管生产厂家在引火头与PCB板对焊时，仍借助于人工锡焊，因此，易受操作人员操作水平的影响。 为了提高电子引火元件中脚线的耐磨性与抗拉性能，对脚线绝缘层材质及结构进行了调整优化，但芯线大多采用镀锌钢芯线，将镀锌钢芯线与PCB 板进行锡焊时，钝化层锡焊困难，影响了焊接质量。 通过采用镀锡铜包钢芯线能够有效改善焊接质量，但镀锌钢芯线的钝化性能略优于镀锡铜包钢芯线，因此，芯线的材质选择也影响了电子引火元件的对焊质量。 不同脚线类型对焊接质量的影响结果见表4。

表4 不同脚线类型对焊接质量的影响

2.5 保护措施

在国内，传统的刚性或弹性引火头、脚线分别与芯片对焊后，一般直接与基础雷管进行卡口装配，组装为成品电子雷管。 与普通电雷管相比，电子引火元件加入电子芯片，增加了卡口塞至引火头之间的距离，在装配过程中，容易出现“偏心”现象，易造成引火头与管壳接触或装配过程中造成引火头破裂。 电子引火元件在生产、运输过程中未增加保护，易与金属管壁等发生碰撞、摩擦，造成引火头损坏或产品误引爆。 因此，在引火头外部增加保护元件，如防静电、阻燃等材料，可以进一步加强对静电等外界不利因素的防护。 通常，在引火头外部装配柔性保护套，如硅胶套、改性PVC 套等，如图1所示。 增加保护元件后，也可以保证电引火药爆燃后的能量较集中地释放，从而提高数码电子雷管的发火可靠性[8]。

图1 增加保护套后的电子引火元件

3 结论

1)当电压、桥丝直径、焊接点差异固定的情况下，桥丝向引火药剂上输出的能量相同，桥丝熔断时间基本一致，但发火可靠性和一致性与引火元件的热损失系数和药剂的热感度有关，加大桥丝直径和提高电压有利于提升发火可靠性。

2)当引火元件的药剂、桥丝直径、焊接点差异固定的情况下，电压越高，温升越快，桥丝熔断时间越短；不同参数的引火元件，其发火可靠性分别对应一个最佳范围。

3) 电引火药的工艺配方、生产工艺参数、引火药头与PCB 板对焊质量、保护措施等直接影响电子引火元件的发火可靠性。

由于电子雷管的结构特性所限，电容储能和电压必须控制在一定的范围，设计时，桥丝也要考虑易加工、易焊接等因素。 因此，在一定范围内，需严格控制桥丝直径、电容电压和药剂三者之间的匹配性关系。 控制引火药剂原材料及生产工艺过程，提高PCB 板的质量及焊接工艺水平，结合相应的保护措施，从而保证电子引火元件的发火可靠性。