激光焊接的安全与防护

    前言

    激光是受激辐射放大的光，与传统的光源相比，它的四个显著特点是方向性好、亮度高、单色性强、相干性好。激光具有良好的时空特性，聚焦后功率密度可达l05W／cm2以上，对材料的作用既可以是连续式的，又可以是准连续的，还可以脉冲式的。脉冲宽度可以短至μs、ns、甚至更短：其作用在材料上的面积、形状、功率(或能量)均可以方便调节。波长为1.06μm的YAG激光还可用光纤传输，千瓦级的YAG激光光纤传输时的光纤直径仅几百μm，激光的这些特点使其在焊接及其相关领域诸如切割、打孔、打标、熔覆等领域得到了日益广泛的应用，并受到了越来越多的关注。

    另外，激光也像一般光一样有生物效应，这种生物效应一方面可给人类带来益处，诸如育种、医疗，另一方面，无防护的大功率激光辐射，也会造成人体组织直接或间接的损害。因此，了解激光对生物体可能造成的损伤，对从事激光焊接的工作者是十分必要的。

　　1 激光的生物效应

　　激光对生物机体的效应主要有热效应、光效应、压力效应以及电磁场效应。

　　1.1热效应

　　热效应是指高功率密度的激光辐照生物体时所引起的生物体组织蛋白质的破坏、烧伤、炭化、气化、穿孔等。

　　研究表明，用100焦耳的激光照射到0.1cm3的生物体上，在几μm的时间内可升温至200℃。然而，温度下降的速度却很慢，温度的急升和缓冷会引起基因的突变。通常情况下，基因约由1000个原子组成，原子受高热会改变其位置，变成异构分子。

　　1.2光效应

　　是指激光照射生物体所引起的刺激、抑制以及分解等作用，激光对人体的光效应与激光波长、照射时间、照射剂量等有关。

　　1.2.l光敏作用

　　是指激光对生物体的刺激或抑制作用。He-Ne激光的波长为0.6328μm，mw级的He一Ne激光照在人体上几乎没有温升的感觉，然而，却能刺激酶的活性，增强血液中的吞噬细胞、红血球和血色素的含量。

　　l.2.2光致损伤

　　高度单色性的激光会使分子里的化学键受激发而引起分子分解。例如核糖酸吸收0.25～0.26.μm的紫外光会引起细胞死亡。

　　1.2.3压力效应

　　光照射在物体上，把光的动量传递给物体即形成光压，光压与功率密度成正比。激光的压力来自两个方面，一是辐射压力，当功率密度为：108 W/cm 2时，辐射压力可达3400 Pa，二是功率密度超过人体损伤的阈值时，组织蒸发、气化产生的冲击压力。辐射压力和冲击压力构成了总压力。

　　l.2.4电磁场效应

　　正常机体细胞和组织有一定的游离电荷储备，存在一特殊的生物场。激光作为一种很强的电磁波，其照射人体组织时，其电磁场会对人体组织的生物场产生干扰，影响其生理状态。

　　激光光波的电磁场主要影响机体的原子和分子状态，进而影响生物电位，生物电位对神经脉冲传递有重要作用，所以，激光辐照会引起神经脉冲传递受刺激、抑制或破坏。

　　2激光焊接引起的危害

　　激光焊接时，工作人员处于强激光的附近，如防护不好，可能会对眼睛、皮肤以及神经系统引起危害。

　　2.1激光对眼睛的危害

　　人对物体的视觉形成过程是：物体发出的可见光刺激视网膜上的感光细胞，然后经视神经传给大脑。

　　我国规定的眼睛直视激光束的最大允许照射量见表1。

　　2.2激光对神经的影响

　　激光对神经的影响系通过电磁效应而产生。激光可通过皮肤对神经末梢起作用，国外许多从事相关研究的专家通过对家兔、豚鼠的研究证实了这一点。

　　2.3激光对皮肤的损伤

　　当视网膜受到光强很大的激光照射时，轻则使视神经发痛，重则使视网膜损坏。

　　人的眼睛作为一个生物聚焦系统，聚焦后作用在视网膜上的功率密度较进入角膜前可提高2～5×105倍。显然，高度平行的激光对人眼可能引起的损伤必须高度重视。

　　激光对眼睛的损伤与激光波长、功率或能量、脉宽、环境等有关。

　　功率越大，波长越短，损伤越严重；夜间或在暗室时，瞳孔大，进入眼睛的能量大，危害大。

　　激光对皮肤的损害主要是烧伤。研究表明，深色皮肤较浅色皮肤的吸收率高；皮肤对CO2激光的吸收率高：吸收的能量主要沉积在皮肤浅层。

　　我国规定的激光照射皮肤的最大允许照射量见表2。

　　表3是美国食品与药物组织(FDA)1993年公布的对人眼和皮肤安全的不同波长激光束的剂量和最大允许的曝光时间。

　　3激光辐射时危害的控制

　　为了确保激光焊接时的安全与防护，对激光危害必须严加控制，控制方法主要是工程控制、个人防护以及安全管理等。

　　3.1工程控制

　　工程控制是指对激光器或激光加工系统在结构上所采取的安全措施，主要包括：

　　(1)防护罩：用以防止工作人员接受超过最大允许照射量。

　　(2)安全连锁：是指与防护罩相连的、在移开防护罩时可避免辐射的自动装置。

　　(3)钥匙开关：这是一个广义概念，泛指取下钥匙时，激光器转。

　　(4)安全光路：对辐照可能引起燃烧或次级辐射的光路予以封闭。

　　(5)光束终止：为了使激光束不超越受控的加工作业区，可使用光束终止器或衰减器。

　　3.2个人防护

　　个人防护主要是指：

　　(1)配戴激光防护眼镜：激光防护眼镜的滤光片选择性地衰减特定的激光波长，并尽可能多地透过非防护的可见辐射。激光防护眼镜可分为普通眼镜型、边框不透光的防侧光型以及边框部分透光的半防侧光型。

　　(2)配戴激光防护面罩：主要用于紫外激光源，激光防护面罩不仅可以保护眼睛，尚可保护面部皮肤。

　　(3)激光防护手套：高功率、高能量的激光无论直射或散射均会造成损害，因而，佩戴激光防护手套也是必要的。

　　(4)穿戴激光防护服：对工作人员皮肤可能受到最大允许照射量的岗位，应提供防护服，防护服应耐火、耐热。

　　3.3安全管理

　　安全管理主要包括设置专门机构或人员，明确职责、权利：包括安全培训以及医学监督等。