焊接作业的呼吸防护

欧泽兵

3M中国有限公司

焊接是一项非常重要的金属加工工艺，在美国、日本和中国分别有约70万、40万[1]及400万人从事焊接及相关作业。焊接作业会产生强可见光、红外辐射、紫外辐射、有毒有害气体、噪声和焊接烟尘等职业伤害风险，而焊接烟尘和有害气体是焊接作业面临的重要职业危害风险因素。有害气体可能引发支气管炎症和肺水肿等症状；焊接烟尘可能导致急性中毒、金属烟热、哮喘等呼吸系统疾病以及神经系统疾病，甚至可能引发焊工尘肺。企业对降低因焊接职业伤害引发的工时损失、提高员工产出率和有效服务年限的期望显得尤其突出。袁建国的研究发现采取必要的工艺改进措施，焊工尘肺及焊接烟尘中毒事故大幅降低，可以为企业降低因焊接职业危害带来的巨额经济损失[2]。但是焊工依然存在伤害风险，焊接作业的呼吸保护问题亟待解决。在了解焊接过程中产生的烟尘和有害气体的来源和形态基础上，找出适合相应焊接操作的呼吸防护手段，将有利于降低焊工职业伤害风险，延长焊工有效的焊接作业工龄，降低企业的综合成本。

1 焊接烟尘及其健康影响

焊接烟尘来源包括两个部分，其一为在电弧高温作用下因过热而汽化的部分填充金属、表面涂覆材料及少量焊接母材，在脱离电弧区域和保护气区域后即被迅速氧化并冷凝成悬浮在空气中细小的固态分散性粒子或细小的固态凝集性粒子；其二是在使用药芯焊丝或药皮焊条进行焊接操作时，药皮或药芯材料在电弧高温作用下汽化，脱离保护气区域后冷凝形成的化合物。焊接材料的不同，焊接烟尘的成分也不一样。

Zimmer和Biswas的研究发现，在氩弧焊过程中被焊合金成分对于焊接烟尘颗粒的尺寸分布以及焊接烟尘的形态和化学结构有显著的影响，而且焊接烟尘颗粒粒径的分布呈多形态且随时间发生空气动力学变化。一次焊接烟尘是一种粒径非常小的颗粒物，在电弧区产生几率较高的是0.01μm量级的粒子。基于不同的焊接工艺，粒径大于1μm的烟尘量通常介于10%～30%总量之间[3]。对铝合金焊接的烟尘测试发现，大部分焊接烟尘的粒径均小于1μm，见表1，烟尘的粒径分布与焊接材料、保护气氛围、热输入率和焊接方法相关。同样的焊接材料和保护气氛围条件下，低热输入率将导致颗粒物数量的分布中径相对偏向小的方向。

表1 铝合金焊接烟尘的分布

不同焊接方法、保护气氛围、极性的改变、电流电压的变化、焊接材料、表面涂覆情况以及送丝速度等都会对产尘率（见表2）和焊接烟尘的化学成分产生影响[4]。在其他因素不变的情况下，烟尘总量和输入的能量有明显的正相关联系。作业环境中焊接烟尘浓度不仅与产尘率相关，而且受环境、工程控制措施等系列因素的影响，见表3。基于焊接烟尘的扩散特性，焊接作业者接触的焊接烟尘浓度往往高于作业工段环境中烟尘的平均浓度，如图1、2。

表2 不同焊接方法的产尘率

表3 某造船厂作业场所测定的焊接烟尘浓度

图1 平面焊接作业

图2 分段焊接作业

暴露于焊接烟尘会刺激作业者的呼吸系统，引发生理性的刺激反应。含锌、锰、铜等成分的焊接烟尘会导致焊工“金属烟热”，严重者可能出现血压下降、呼吸困难、昏迷甚至呼吸衰竭现象。焊接烟尘中部分成分还会沉积在人体的骨骼和血液中，可能引发癌症，尤其是近年来大量使用的含有Cr、Mn、Ni等成分的焊接材料[5]。

呼吸道黏膜由于长时间受焊接烟尘的刺激，粘膜下层粘液腺分泌减少，引发电焊工多种咽部灼热干燥感、疼痛、发痒及异物不适感等，长期在焊接烟尘环境下作业的焊接操作人员患有慢性支气管炎等呼吸道疾病的比例明显高于其他人员。焊接烟尘还会增加焊工患尘肺的风险，焊工尘肺是肺组织在焊接烟尘作用下逐渐纤维化的一种不可逆的病变。结构轻量化要求更多地使用合金材料，尤其是铝、不锈钢材料的大量焊接需求进一步增加了焊工罹患职业病的风险[6-7]。钍钨电极是常用的电极材料，打磨钍钨电极或使用钍钨电极进行焊接操作时，会产生具有放射性的氧化钍烟尘，被吸入后会导致人体的内辐射，从而对人体造成长期的电离辐射危害风险，见表4。尽管焊接烟尘的成分复杂，空气动力学粒径很小，且某些成分具有相对高的毒性，甚至具有放射性，但焊接烟尘是细颗粒物。

表4 TIG焊及电极磨削操作中的粉尘浓度[8]

2 焊接过程产生的有害气体

在焊接高温和紫外线等因素作用下，焊接过程中会产生臭氧、氮氧化物等多种有害气体。焊接产生的有害气体种类及产出量受焊接方法、焊接工艺参数、保护气组分、保护剂组分及表面涂覆物等因素的影响。氮氧化物具有不同程度的毒性，吸入气体当时可无明显症状，存在眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等。接触大剂量的氮氧化物经6～7h潜伏期后可出现迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征，可能并发气胸及纵膈气肿。一氧化碳易与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧能力，造成组织窒息，严重时可导致死亡。臭氧是一种浅蓝色、具有刺激性腥臭味气体。臭氧主要刺激呼吸系统和神经系统，可引发胸闷、咳嗽、头晕、全身无力和食欲不振等症状，严重时可发生肺水肿与支气管炎。

通常在高温和强紫外辐射条件下会产生臭氧，不同的焊接工艺有害气体的产出量存在很大的差异，尤其是存在较强紫外辐射的氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊和等离子焊或切割作业中臭氧浓度相对较高。Hiroyuki Saito等在焊工呼吸区测得的臭氧、一氧化碳等有害平均浓度高于职业暴露限值，见表5。在铝合金材料进行氩弧焊操作时，焊工呼吸区的臭氧平均浓度相对更高，见表6。臭氧和氮氧化物等有害气体对焊工的影响不容忽视。

表5 二氧化碳气保焊焊工呼吸区的有害气体浓度(ppm)[9]

表6 氩气保护焊焊工呼吸区的臭氧平均浓度(ppm)

使用药皮焊条或药芯焊丝焊接除了会产生臭氧、氮氧化物外，还可能产生少量的氟化氢等有害气体。此外在罐体、船舱、地下空间等有限空间环境中进行焊接及相关作业时，除污染物浓度迅速上升及可能的缺氧风险外，还应对焊接保护气的逸散予以足够重视。

3 焊接及相关作业的呼吸防护

焊接作业的呼吸危害源于焊接过程产生的烟尘和有害气体，以及有限空间焊接作业带来的风险。为了保证焊接作业人员的健康，所有焊接、切割及有关的操作必须要在足够的通风条件下进行，但是受制于焊接工艺要求的限制，通风及局部排尘等控制措施不可能完全消除焊接烟尘和有害气体对焊工的影响。焊接作业者的呼吸保护应考虑烟尘、有害气体等因素，同时考虑作业环境特点和焊工个体差异的影响。

当作业环境的焊接烟尘浓度小于10倍职业暴露限值时，焊接作业的呼吸防护可以使用过滤式防护口罩或橡胶面罩与过滤棉的组合（指定防护因数为10）；基于焊接烟尘的成分、理化性质和粒径分布，对于焊接用途的防护口罩或滤棉的过滤效率应当不低于95%，即选用GB2626KN95（或KP95）或更高效率。考虑焊接过程产生的臭氧、氮氧化物等有害气体的影响，可选用活性炭口罩或者橡胶面罩加滤毒盒及过滤棉的组合，以降低有害气体对作业者的健康影响。选用口罩或面具作为焊工呼吸防护时，需要考虑焊接面罩与口罩或面具的兼容性，互不影响各自的正常使用。

当烟尘浓度大于或等于10倍职业暴露限值时，可使用电动送风式焊接面罩或者长管供气式焊接面罩，如图3，送风式焊接面罩可以用于较高焊接烟尘浓度的环境，具有移动便利和良好舒适度的特点，尤其适合长时间的焊接作业及高风险焊接烟尘的环境。在有限空间进行焊接作业时，随作业时间的延伸，作业空间的电焊烟尘浓度不断升高、氧气浓度可能降低，过滤式呼吸器的使用受到限制，依据有限空间作业规程应当实时监控环境有害气体情况，强制向作业空间送风和焊接工位局部排尘结合的方式，同时给焊工配置长管供气式焊接面罩，并安排监护及救援人员和必要的应急救援设施，如图4。

图3 送风式焊接焊接面罩

选择呼吸防护装置时，首先应当考虑是否满足防护效能，在此基础上充分考虑焊接工艺特点、作业环境的不同以及焊工个体差异，选择舒适度更好的呼吸防护产品。有呼气阀的口罩能迅速把热湿空气排出到口罩外，口罩内部温度明显低于没有呼气阀的口罩，如图5，尤其适合长时间及湿热环境条件下的焊接作业人员防护。

图4 有限空间焊接作业者的安全防护措施

图5 无呼气阀口罩（左）和有呼气阀口罩（右）的对比

正确选择的防护用品必须被正确使用才能起到应有的防护效能。周志俊等对某汽车制造厂铝焊接作业人员的调查发现，工人使用过滤式口罩并没有明显影响尿铝的含量，职业性铝接触的累计时间及工人使用的焊接材料的长度可以显著影响尿铝的水平，过滤式口罩没有起到应有防护效果。首要原因是焊工仅在焊接操作时才使用呼吸防护用品，其他大部分时间非焊接操作时未全时佩戴呼吸防护用品[10]；其次是所选用的过滤式口罩是否满足相应标准要求、满足特定作业环境的防护需求，是否有足够的使用舒适度和是否适合特定的作业者；第三，正确的防护用品是否被正确使用，以及在整个焊接作业中是否全程佩戴呼吸防护用品。第四，员工的安全知识和安全意识欠缺也是造成防护失效的重要因素，如看到作业场所已经安装了整体通风和局部排尘装置，进而产生不需要使用呼吸保护措施的错误认知。

4 结束语

焊接烟尘和有害气体会危及焊工及相关人员的职业建康，增加企业的用工成本，影响和谐社会建设。企业应从人的因素和物的因素两个维度考虑焊接作业的呼吸防护方案。优先使用低尘及低毒焊接材料、优化焊接操作规范、提高焊接的自动化水平，改进作业区域的通风条件和局部排尘设施，降低作业人员的暴露水平。同时基于法律、法规和标准的相关要求，建立和规范企业的焊接安全管理制度和焊工职业健康与安全制度，认真落实并予以严格监督。加强对从事焊接相关的科研、管理和操作人员的职业健康与安全教育，提高相关人员自我防护意识，降低人因因素的影响。为焊接作业人员配置满足相关标准要求、适合使用者个体差异和符合作业及环境特点的呼吸防护装备，并督促正确的使用及维护，最大限度地降低焊接烟尘带来的职业危害的风险。

[1] National Institute for Occupational Safety and Health(1988)Criteria for a Recommended Standard：Welding,Brazing and Thermal Cutting[S].DHHS(NIOSH),1988：88-110

[2] 袁建国.焊接工艺改造前后卫生效果及经济效益分析[J].中国卫生工程学,2002,1(3)：158-159

[3] 沈晓勤,蒙继龙,宋永伦.焊接过程中有害物质问题的研究及其进展[J].焊接,2005,(7)：5-8

[4] Voitkevich V. Welding Fumes-formation,Properties and Biological Effects.Cambridge[M]：Abington Publishing,1995

[5] 欧泽兵.关注焊工的职业健康[J].金属加工,2012,5(10)：60-62

[6] Gunilla Wastensson,Gerd Sallsten,Rita Bast-Pettersen et al.Neuromotor Function in Ship Welders after Cessation of Manganese Exposure[J].Int Arch Occup Environ Health,2012,85(6)：703-713

[7] James M.Antonini,Robert W.Clarke,G.G.Karisshna Murthy.Fresh Generated Stainless-steel Welding Fume Induce Greater Lung Inflammation in Rats as Compared to Aged Fume[J]．Toxicology Letter,1998,(98)：77-86

[8] Hiroyuki Saito,Naomi Hisannaga,Yukiko Okada etl.Thorium-232 Exposure during TIG Welding and Electrode Sharping[J].Industrial Health,2003,41：273-278

[9] Hiroyuki Saito,Jun Ojima,Mitsutoshi Takaya,etal. Laboratory Measurement of Hazardous Fumes and Gases at a Point Corresponding to Breathing Zone of Welder during a CO2Arc Welding[J].Industrial Health.2000,38：69-78

[10] 周志俊,S.Letzel,G.Lehnert.铝焊接工人尿铝影响因素及口罩防护效果评价[J].中华劳动卫生职业病杂志,1998,16(3)：147-150