電弧焊弧光幅射的危害與防護

歐澤兵

(3M中國有限公司，北京 100176)

電弧焊弧光幅射的危害與防護

歐澤兵

(3M中國有限公司，北京 100176)

在分析焊接產生的紫外線、可見光和紅外線輻射特點及其危害的基礎上，依據標準要求提出防護裝備的使用要求以及通過培訓以提高焊接操作者自我防護意識的建議，從而最大限度地減少焊接弧光對焊接操作者的危害。

電弧焊接；紫外線；可見光；紅外線；危害與防護

0 前言

電弧焊接在制造業中扮演著十分重要的角色。在電弧焊接過程中操作者不可避免地面臨觸電、灼燙、機械傷害、有毒有害氣體、焊接煙塵、輻射等各種危險因素。電弧焊接中的熔滴、熔池和高溫固態金屬可看成是準黑體，發出近似黑體的輻射。黑體輻射產生連續譜線，其分布服從普朗克定律，輻射功率隨溫度的變化規律服從斯蒂芬—玻耳茲曼定律。電弧焊接過程產生的弧光輻射光譜主要包括紫外線(100～400 nm)、強光(400～780 nm)和紅外線輻射(780 nm～1 mm)，輻射對焊接作業者的眼睛、皮膚造成急性和慢性的傷害。強可見光可能引發短暫失明，甚至視網膜灼傷，造成視力下降、畏光等癥狀；紅外輻射可引發白內障和皮膚的灼傷；紫外線會對眼睛的角膜和晶狀體造成危害，急性癥狀表現為引發電光性眼炎，長時間接觸可導致白內障，甚至失明，并可能引發皮膚癌。在此基于電弧焊接輻射的特點和焊接弧光輻射的危害，提出對焊接操作者職業健康的防護建議。

1 電弧焊弧光輻射

1.1 紫外輻射

1.1.1 電弧焊接紫外輻射的特點

金屬電弧焊接時，電弧的溫度范圍一般為5000～30 000 K，電弧焊接產生的弧光中包含全譜線的紫外線。使用UV-A、UV-B型紫外輻照計(北師大光電儀器廠)現場測試氬弧焊(86 A，碳鋼)的紫外輻照情況，在距離弧柱約40 cm時，UV-A和UV-B的平均輻照值分別為1 357 μ W／cm2、1 092 μ W／cm2；在鋁合金的電弧焊接過程中，UV-A和UV-B的平均輻照值分別為1 929 μ W／cm2、1 512 μ W／cm2；輻照度隨焊接工藝、材料、保護氣等不同而有差異。對于同種焊接工藝和材料而言，隨著焊接電流的增大，紫外線輻照值呈增大趨勢；紫外線的輻照值和弧柱與測量點的距離相關，隨著距離的增大，紫外輻照度呈降低趨勢(見圖1)，測量點距弧柱距離增大一倍，紫外線輻照度下降約為2.2～2.5倍。

1.1.2 紫外線輻射的職業危害

電弧焊接的弧光輻射對眼睛的傷害已被焊接操作者廣泛認識。電焊過程中產生的紫外線會損傷眼結膜、角膜、虹膜、晶狀體等組織，特別是對角膜和晶狀體的損傷尤為突出。紫外線會引起眼睛的急性角膜炎、結膜炎和電光性眼炎等急性病癥，通常表現兩眼刺痛、眼瞼紅腫痙攣、流淚、怕見亮光，癥狀可持續1～2天，休息和治療后逐漸好轉。正是急性癥狀可以好轉這個原因使得部分焊接操作者忽視了對弧光紫外線輻射的防護和紫外線對操作者的慢性危害。

圖1 弧光紫外線平均輻照值與距離的關系

除引發電光性眼炎等急性癥狀外，長期受紫外線照射會引起晶狀體渾濁，可能引發白內障。電焊操作者晶狀體損害與職業因素有關。宋月光等人[1]的調查發現，焊接作業人員的視力低下率明顯高于非焊接作業人員，電焊作業工人晶體混濁檢出率顯著高于非電焊作業人群。孫艷翎等人[2]調查發現焊接操作者晶狀體渾濁檢出率隨工齡延長呈明顯漸進性增高趨勢，工齡20年以上多數開始出現晶狀體渾濁，26年左右出現白內障。

當未使用防護裝置時，ACGIH針對眼睛對紫外線A的接觸要求[3]：(1)持續接觸時間小于 1 000 s時，輻照量最大為1.0 J／m2；(2)持續接觸時間大于等于1 000 s時，輻照度最大為1.0mW／m2，并且對特定光化學性紫外輻射有效輻照度的持續接觸時間需符合表1要求。

自焊接面罩出現以來，電弧造成的眼傷害仍然是焊工所遭受的最大危害因素。事實上，焊接操作者不僅可能受到其自身焊接操作所發出弧光的傷害，在未安裝焊接防護屏的作業場所，超過50%的焊接操作者還會受到周圍物體反射的焊接弧光及周邊其他焊接操作發出弧光的傷害。

除對眼睛造成傷害，紫外線輻射還會引起皮膚紅斑、腫脹，甚至引發皮炎；同時會增加焊工患皮膚癌癥的風險，Anthony Dixon[4]的研究也證實了電焊弧光紫外線致癌的可能性。

1.2 電弧焊接的紅外輻射

1.2.1 電弧焊接紅外輻射的特點

表1 特定光化學性紫外輻射有效輻照度的持續接觸時間

焊接作業會產生全波長的紅外線(780nm～1mm)，包括近紅外IRA(780～1 400 nm)、中紅外IRB(140～3 000 nm)、遠紅外IRC(3 000 nm～1 mm)三個部分。紅外輻射與熱能的傳遞有關，有著明顯的熱效應；弧光輻射的光譜分布規律服從普朗克輻射定律，輻射功率隨溫度的變化規律服從斯蒂芬—玻耳茲曼定律，即溫度高于絕對零度的物體都會自發地向外發射紅外熱輻射，黑體單位表面積發射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。即當弧柱溫度有較小變化時，就將會使物體的輻射功率產生很大變化。電弧溫度越高，紅外輻射強度越大。

大氣對紅外輻射存在吸收、散射、折射等物理過程，紅外線比可見光更易于被空氣和其他介質吸收，特別是空氣濕度較大的情形。紅外線在空氣傳播的過程中會逐步衰減，大氣的消光作用與波長相關，有明顯的選擇性，弧光的紅外光譜中近紅外IRA (780～1 400 nm)部分具備極強的穿透作用，特別是在焊接作業這樣極近的距離，近紅外IRA的衰減很小。

1.2.2 紅外輻射的危害

眼睛非常容易受到紅外輻射的傷害，因為眼睛的各個組織結構都能很好地吸收紅外線。紅外輻射對眼睛傷害的頻譜范圍主要集中在近紅外IRA。紅外線波長越短，對機體產生的危害越大。紅外輻射對眼睛的傷害是不可逆的、永久性的。

目前還沒有關于眼睛對紅外輻射的職業暴露限值要求，ANSI Z136.1《激光的安全使用》[5]標準對紅外激光的接觸限值相對最具參考性，該標準建議IRA(700～1400nm)激光輻射強度小于等于0.96mW／cm2時，允許接觸時間為8 h。這個值可以作為制定紅外輻射限值的依據。

焊接弧光中的紅外輻射相對集中于近紅外波段，晶狀體長期吸收過量的紅外線后將造成晶體狀混濁，產生紅外白內障；紅外輻射被玻璃體吸收，會引起玻璃體渾濁，導致透光性下降；此外紅外輻射還能引起視網膜灼傷，形成盲點，會逐步損害操作者的視力。紅外線對眼睛的損傷是一個慢性過程。

紅外輻射對皮膚的影響主要集中在近紅外IRA部分(780～1 400 nm)，明顯的表現為皮膚灼傷、舒張毛細血管并逐漸增加色素沉積。Mateksty[6]報道，眼瞼暴露于強紅外輻射中會產生紅斑、水腫和灼痛感。溫度低于44℃～45℃時，通常不會灼傷皮膚[7]，當皮膚溫度達到44.5℃±1.3℃時開始出現疼痛感[8]，當皮膚溫度接近46℃～47℃時出現皮膚組織損壞[9]。

1.3 電弧產生的強可見光

1.3.1 可見光特點

電弧焊接過程會產生強可見光，其波長涵蓋400～700 nm范圍。焊接電弧光光亮度變化范圍大，不同焊接種類產生的可見光亮度變化約有數十倍，焊接電流大小變化引起的可見光光亮度變化約有數百至上千倍。

焊接弧光的亮度與焊接工藝相關，焊接電流越大，弧光亮度也越大。焊接電弧的可見光亮度遠遠高于肉眼能承受的光亮度，甚至達10 000倍以上，其波長涵蓋400～780nm的可見光范圍；波長為400～500 nm的藍光更需要引起重視，尤其是波長440 nm的藍光，極具穿透性。

1.3.2 強可見光的職業危害

強光照射會造成眼睛疲勞，降低眼睛的調節能力，灼傷虹膜和視網膜，從而傷害操作者的眼睛。眼睛被強可見光短時間照射后，會出現短暫的視覺失明，恢復時間的長短與入射光的強度相關。在光線條件好時，收縮的瞳孔會減少進入眼睛的光量；但在光線條件相對較差的廠房內環境，舒張的瞳孔會使更多的強光在瞬間進入眼睛，對眼睛的影響會更大。

除引起短暫失明外，強可見光特別是藍光引起的光化學反應會損害視覺細胞對光線的反應能力，這樣的損害可能是暫時的，也可能是永久性的。當長時間重復受到強可見光的照射，會灼傷視網膜，造成視力減退。強可見光和紅外輻射會損害視覺細胞，形成視網膜上的盲區，這個過程是不可逆的，而且長期的暴露可能導致眼睛失明。弧光中的藍光成分尤其需要予以重視，藍光是一種高能量的光，藍光可以穿透晶狀體到達視網膜，對視網膜造成光化學損害，加速黃斑區細胞的氧化[10]，藍光被證明是最具危害性的可見光。

強可見光對眼睛的傷害與入射光的波長、強度、暴露時間長短以及與光源的距離等因素相關。波長越短，強度越大、暴露時間越長，危害越大。

2 電弧焊弧光輻射的防護

電弧焊接弧光輻射頻譜中包括紫外線、可見光和紅外線等部分，焊接弧光是一種能夠對人體造成傷害的高能閃爍光。相關文獻多偏重于討論電光性眼炎、皮膚紅斑和過敏等急性癥狀，而對強可見光、紫外線輻射以及紅外線的長期影響和慢性的損傷關注遠遠不夠。針對某企業焊工的調查發現，部分技術熟練的中青年焊工已經出現視力下降，因視力減退造成不能充分發揮其能力，無論對個人還是社會都是無法彌補的損失。

只要采用適當的措施，就能保護操作者免受電焊弧光的傷害。防護來自弧光的危害可以從防護裝備和管理制度、提高焊工自我防護意識等多方面入手。

2.1 焊接防護裝備

長期暴露于焊接弧光輻射會對作業者的眼睛和皮膚產生嚴重的傷害，焊接作業必須使用合適的焊接面罩，以防護焊接弧光輻射的危害。對于電弧焊接作業人員眼、面部防護產品，國內外都制定了相應的焊接眼、面部防護裝備的標準。在選擇焊接用眼、面部防護用具時，務必選擇符合國標、歐標或者ISO標準要求，且滿足焊接工藝要求，適合焊接操作者的佩戴舒適的防護裝備。

GB／T 3609.1-2008《職業眼面部防護-焊接防護第1部分：焊接防護具》和《EN166個人眼護具》標準根據可見光透射比的不同，將濾光片分為1.2～16等多個遮光號；遮光號數值越大，紫外線、可見光和紅外線的透射比越小，即透過率越低。對于不同的焊接工藝，標準推薦了建議使用的遮光號。

按照工作原理，焊接面罩分為黑玻璃焊接面罩和自動變光焊接面罩。黑玻璃濾光片只有單一遮光號，隨著焊接工藝的改變，需要變更不同遮光號的濾光片。不同的遮光號對應相應的紫外線透射比、可見光透射比、紅外線透射比等參數。自動變光濾光屏具有亮態和暗態兩種狀態，部分焊接面罩的濾光片有單個或多個遮光號供選擇；其遮光號僅與可見光的透過率相關，而對紫外線和紅外線則采用獨立的阻隔片，其防護水平相當于遮光號12或13，紫外線的透射比小于2×10-6，近紅外線的透射比小于2.7×10-5。

焊接操作者根據焊接工藝的不同和操作者的個體差異，參照《GB／T3609.1焊接眼護具》或《EN166個人眼護具》和《EN169個人眼護具：焊接或相關作業防護用具》等標準選擇合適遮光號的濾光片。除遮光號參數外，濾光屏和內外保護片的光學性能、保護片和帽殼的抗沖擊性能、使用和維護的便利性也是需要重點考慮的因素。此外，在我國焊接面罩屬于特種勞動保護產品，對于境內的生產企業需要有《工業產品生產許可證》即QS認證，產品需要獲得LA(勞動安全)認證，對于使用焊接面罩的企業，則必須采購有LA標志的焊接面罩。

紫外線和紅外線輻射對身體其他部位的危害，可以通過穿戴焊接防護服和焊接防護手套來加以防護。

2.2 制定焊接安全生產管理制度

焊接安全生產管理制度是為加強焊接工作的勞動保護，保護焊工在生產過程中的安全和健康。焊接安全生產管理制度應包括焊接安全生產管理機構及職責、個體防護裝備、職業危害的預防與治療、設備和輔具的使用規范、易燃和易爆物品管理、日常事務和安全生產檢查監督工作、檢查和整改、教育與培訓等內容。

2.3 焊接職業健康與安全的培訓

對于眼面部，電弧弧光輻射的防護可以使用合適的焊接面罩、焊接防護服和焊接防護手套來完成。但是正確的防護裝備需要正確使用和維護才能發揮其應有的防護功能。

除產品的正確使用和維護及使用限制外，對焊接操作者和輔助人員(非施焊人員)的焊接職業危害與防護的培訓也是必不可少的。

培訓按以下步驟進行：(1)焊接職業危害因素辨識；(2)焊接職業危害因素對操作者的危害；(3)依據標準、法規及規范選擇正確的焊接防護裝備；(4)防護裝備的正確使用及維護，包括防護裝備的使用限制、產品的正確使用、日常檢查及維護要求、存放、零部件更換及終止使用條件等。步驟(1)、(2)有助于焊接操作者增強個人防護意識，減少職業傷害事故的發生。

3 結論

焊接弧光輻射不僅會引發電光性眼炎、皮膚紫外線過敏或灼傷等急性癥狀，還會引發白內障、皮膚癌癥等風險。焊接弧光引起的急性癥狀需要關注，更要關注其慢性的、長期的、潛在的對焊接操作者及相關人員職業健康的影響。在了解焊接弧光特點基礎上，只要選擇合適的防護用具并正確的使用和維護，提高焊接作業者自我防護意識，就能把焊接的危害因素對焊工健康的影響降到最低。

職業安全與健康是安全生產不可或缺的重要組成部分，構建焊接安全文化需要多方面的參與和推動。

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Welding arc radiation hazard and protection

OU Ze-bin
(3M China Ltd.，Beijing 100176，China)

The paper presents suggestion on welding hazards protection based on characteristics of UV，IR，visible lights and related standards.To minimize welding arc hazards via improving welders'safety consciousness by hazards analysis and protection training.

arc welding；UV；visible light；IR；hazard and PPE(personal protective equipment)

TG408

B

1001-2303(2011)11-0051-04

2011-10-19

歐澤兵(1969—)，男，湖南彬州人，高級工程師，學士，主要從事個體防護裝備的研究。