浅谈超声波封口技术在震源药柱生产线的应用

浅谈超声波封口技术在震源药柱生产线的应用

邱宇

湖北凯龙化工集团股份有限公司（湖北荆门，448000）

摘要：文章就超声波封口技术与传统封口技术的对比情况进行了论述，介绍超声波封口技术在震源药柱生产线应用的优势及其推广性。

关键词：超声波封口 震源药柱 新技术

1 引言

震源药柱生产线封口工序一般采用热焊封口技术以及热熔胶封口技术。其中热焊封口技术在生产过程中需要搭配硅油使用，且需要人工清理热焊封口盘；而热熔胶封口技术则容易在温差较大的区域出现封口开裂的情况。基于上述问题，公司拟定课题来研究开发超声波间断焊接封口技术及装备。

2 实施情况

公司自主设计开发双头立式超声波封口机用于试验，在对震源药柱进行多次封口试验，封口质量稳定，封口时间快。根据双头立式封口机的试验情况，决定在震源药柱生产线原有卧式热焊封口机的基础上改成10头卧式超声波封口机进行进一步试验，论证卧式封口机的效果，为下一步震源药柱生产线整体改造提供依据。后经夹药封口试验，确定了乳化炸药、热塑震源药柱内装药、TNT、硝酸钠等材料均不影响封口质量，且封口后的药柱壳体温度不高70℃（热焊封口后的药柱壳体温度可达150℃）。并请陕西应用物理化学研究所对试验设备进行安全检测、评估。

3 装备技术及性能要求

制作的整套设备要求防爆、防水，且符合民爆规范要求；并要求将熔接气压表、人机界面触摸屏、超声波控制器全部集中放置在另外的集中防爆控制箱内，防爆控制箱上安装人机界面触摸屏采用PLC控制方式，实现全部动作的人工或者自动操作，箱体上尽量不要穿孔安装机械式开关和按钮；对安装在箱外的电器元器件要采用防爆型或者防水IP6.5级型（小型的低压传感器除外），符合民爆规范要求；焊接运行气缸速度可调旋钮放在箱外，便于操作；封口模具间距小于等于100mm。

每次待焊接封口的二发产品可以实现单发单独或者双发同时封口操作，操作顺序为：人工将二发产品放置在夹具上后，再转向防爆控制箱上人机界面触摸屏进行封口操作。要能对车间产品各种规格壳体进行封口，并保证封口质量;要完成封口密封性试验，让塑料壳体与配套雷管座进行封口，封口时壳体不装任何填充物，完成封口且焊接处完全冷却后，让已封口的壳体从1m高处自由跌落（各个方向朝下），然后在装满水的压力试验罐中（设定压力为0.3MPa）打压1h，重量没有明显变化判定为封口合格。

4 装备安全性检测

辐射频谱试验结果为“从超声波封口装置电磁辐射频谱可以看出，该主要频谱集中在800MHz-2.5GHz之间，其主频集中在1.85GHz左右。”；试验结果与经验安全限值对比分析，药剂类产品的典型电磁辐射安全限值如上图所示，其中在800MHz-2500MHz频率范围内，电磁辐射安全限值从10V/m-32V/m。其中1.85GHz的频率对应的安全限值为26.66V/m，而通过分析，1-24测试点电磁场主要来源于1.85GHz频率的贡献，因此通过对比1-24个测试点与26.66V/m限值，可以看出测试点13、19-30满足限值的要求，这几个测试点对应的距离下，超声波封口装置对药剂类产品无潜在隐患。

进行仿真模型构建，根据空间采样定律，为了完整解析不同频率电磁场，最大网格尺寸必须小于等于0.2倍电磁波波长。然而，当网格数量太多时，计算成本将大幅提高。因此，为了保证准确度，在进行网格划分时，需要根据具体的电磁波频率进行合理地网格划分。频率为1.85GHz时使用不同网格最大尺寸的网格质量，可以发现网格质量在这两种情况下基本一致。通过上述分析可以发现，当网格大小取为0.14倍电磁波波长即可准确给出仿真结果，因此本模型中将网格最大尺寸设置为0.14倍电磁波波长。

通过宏观分析，温度由表及里逐渐升高，在近表面处，温度的分布仍不均匀，此时温度最高的区域同时分布于目标物质的上下半区，呈现出对称分布特性。 药剂由电磁波导致的加热呈现出了极大的不均匀性，最高温度分布的区域根据频率而变化，但都主要集中于目标物质表面，这验证了理论阶段分析的高导电率的物质使得电磁波难以穿透。由于射入表面的电磁波能量较小，且损耗角正切较小，因此研究对象的温度整体提升不明显。

通过微观分析，药剂在几何优化达到收敛精度设置后，加入幅值为154V/m的电磁波对模型进行6个不同频段的分子动力学仿真。由于电磁辐射的作用，使得分子间受到电场力的作用，在经历了一定周期的电磁波作用后，分子整体结构能量相较于没有电磁辐射作用时有明显增加，得出分子动力学的模拟结果；从分子动力学仿真结果来看，在加入同一幅值大小电磁波的作用下，在存在电磁波辐射的情况下时，药剂分子结构模型总能量都显著增加。这是由于在电磁波的作用下，微观模拟结构中的分子在时变电场作用下振动有所加强，也就是分子体系吸收了部分电场能转化为了分子动能，但此部分能量非常小。

通过仿真分析，在宏观温度效应和微观分子动力学方面，当施加1.85GHz以及实测最大电磁场154V/m 可以看出，对于药剂类产品电磁场属于弱耦合效应，产生温升不明显；同时虽然药剂分子吸收了电磁波， 产生了分子运动，但是吸收能量较低，不足以使药剂分子产生剧烈效应（适用于乳化炸药、硝酸铵、TNT、黑索金、太安等）。

4 效益分析

超声波焊接封口技术相较于传统封口技术主要优点如下：（1）封口质量更高：由封口药柱壳体的解剖图可见，超声波封口的壳体与雷管座的接触面均熔融在一起，即使75kg的人踩跳在封口后的空壳体上封口处也不会被破坏，而热焊封口技术的壳体与雷管座只有最外表黏在一起，用手即可撕开。（2）封口时间更短：单次封口时间为5~8s，选用更高功率发生器，封口时间还可以更短。（3）能源消耗更低：热焊封口技术在封口过程有大量的热辐射到空气中，而超声波封口技术原理是让焊封的两个部件通过高频震动熔融在一起，能源使用效率更高。（4）无需人工清理药柱壳体封口端面：通过夹药试验论证了超声波封口不会受夹药的影响，但热焊封口过程需要人工清理干净药柱壳体封口端面。（5）取消硅油的使用：每年节约硅油约3450t，节省费用约15万。

该项技术已申报2项实用新型专利，计划在行业内推广实施。

[参考文献]

[1] 塑料超声波焊接的研究[J]. 杨刚.科学技术创新,2018(02)

[2] 塑料零件超声波焊接的关键技术[J]. 董海东.航空精密制造技术,2013(05)

[3] 塑料超声波焊接中的安全与防护[J]. 田修波,杨士勤.化工劳动保护,1997(01)

[4] 热塑性塑料的超声波焊接[J]. 李少先.塑料工业,1981(03)

[5] 塑料的超声波焊接[J]. 明谏.现代化工,1982(03)