电焊机使用过程环保健康的主要关注点

2022-11-24阳宜均杨庆轩

电焊机 2022年5期

阳宜均，黄震，李涛，陈凯，杨庆轩

成都三方电气有限公司，四川成都 610051

0 前言

电焊机属于传统热加工设备之一，用于焊接加工时的用电量很大，国内外都比较关注其能源利用率，也出台了相应的指令或标准。在焊接过程中，电焊作业产生的有害物质可分为两类：高温电弧光产生的线外线、紫外线；焊接烟尘的成分，如固态的各种金属铁、锰、铝、铬、镉、镍和放射性元素等［1］，若防护不当，会严重影响操作人员的健康。

我国政府明确了“碳达峰”和“碳中和”的时间表［2］，并积极推行绿色制造和智能制造，同时也高度关注环境、健康和生产安全，实现“双碳”目标、创造美好的环境、确保身体健康和生产安全是每一位国人的责任。目前，大多数人已高度关注焊接烟尘、弧光、噪声、废气、残渣和飞溅等对环境的影响和对人体健康的危害。众多研究人员对此进行了研究，邹婧［3］借助气流组织仿真模拟计算，研究高大厂房焊烟治理系统气流组织形式，通过合理布置出风口风向，将出风口处的风引入室内，使洁净空气由高处向下吹向厂房内部，使得逃逸后的烟尘能够被有效地第二次捕捉。韩宗杰［4］等人针对无铅钎料，详细讨论了Sn-Ag系、Sn-Cu系和Sn-Ag-Cu系等三大系列的无铅钎料，指出我国必须重视无铅钎料产品的研究开发与产业化，为实现“双碳”目标打下基础。

本文着重从电焊机能源利用率、电磁兼容性和电磁场、烟尘自吸式焊枪和配套的烟尘净化器焊接烟尘吸出率测试等几个方面对电焊机使用过程中的绿色环保问题提出探讨。

1 电焊机能源利用率

一般的电焊机产品使用寿命为8～10年，在用电焊机的数量庞大，每年的电量消耗也很大，折算的碳排放也高。实现“双碳”目标的方法就是节能降耗，提高能源利用率（简称：能效），减少用电损耗是节能电焊机的发展方向。电弧焊机能效包括效率、功率因数、空载电流与额定输入电流的占比；电阻焊机能效包括短路损耗、空载电流、空载损耗。

国家非常重视电焊机的能源利用率。2008年，国家质量监督检验检疫总局下达质检公益性行业科研专项——《电弧焊机能效的研究》（200810729），在研究项目成果的基础上，由全国电焊机标准化技术委员会制定了《电弧焊机能效限定值及能效等级》国家标准，并于2012年正式颁布，标准号为GB 28736，属于国家前置性标准。经过研究和实践，2019年对GB 28736-2012《电弧焊机能效限定值及能效等级》进行修订，修订后的标准对电阻焊机的能效也提出了要求，并于2019年颁布了GB 28736-2019《电焊机能效限定值及能效等级》。该标准属于国家强制性标准，低于3级能效的电焊机产品不得销售。

为了进一步推动节能电焊机的发展，工信部组织评审后发布《节能机电设备（产品）目录》，电焊机行业的一部分企业及其部分产品被评选进入两批《节能机电设备（产品）目录》。为了方便电焊机生产企业投标，中国质量认证中心（CQC）开展了电焊机的节能认证。欧盟在2021年发出公告［5］，自2023年1月1日起，三相电源供电直流焊机的效率不得低于85%、单相电源供电直流焊机的效率不得低于80%、交流焊机的效率不得低于80%，空闲状态的功耗不得超过50 W。逆变焊机特别是单相逆变焊机基本上呈现出谐波越大，能效指标越低；要使产品的能效指标有很大地提高，可从加装功率因数校正（PFC）电路、加装无源LDC滤波电路、合理选择电路拓扑结构等方面考虑［6］。

2 电磁兼容性（EMC）和电磁场（EMF）

电气设备的“电磁”涉及电磁兼容性（Electro‐magnetic Compatibility，EMC）和电磁场（Electro‐magnetic Field，EMF）两个方面。EMC的主要目的是关注设备，其含义是“设备和系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力”，包含两个方面的意思：首先是设备应能在一定的电磁环境下正常工作，即该设备应具备一定的电磁抗干扰（Electron‐magnetic Susceptibility，EMS）能力；其次是设备自身产生的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）不能对其所在环境的其他电子产品产生过大的影响。EMC主要是为了保障电子产品的正常工作，是为了研究电子产品发射出的噪声对其他电子产品的影响，或者不受其他电子产品的影响。EMF要求即电磁场辐射要求。研究表明，人体若长期处于高剂量电磁辐射环境中，会产生比较严重的神经衰弱症候群，如头痛，呕吐，头晕乏力等不适，记忆力降低以及一些潜在生物破坏，危害人体键康［7］。不同于EMC，EMF是为了保证人身安全，关注电子产品发射出的电场、磁场噪声对人体的影响，要求电磁场辐射值不得超标。

世界卫生组织（WHO）于1996年5月设立了一个国际性项目，集中对电磁场的健康影响进行全面评估，该项目即“国际电磁场计划”（WHO's Interna‐tional EMF Project）。支持并参与此计划的国际组织包括：欧洲委员会（EC）、国际肿瘤研究机构（IARC）、国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）、国际电工委员会（IEC）、国际劳工组织（ILO）、国际电信联盟（ITU）、联合国环境规划署（UNEP）等。世界卫生组织“国际电磁场计划”明确推荐将国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）于1998年发布的《限制时变电场、磁场和电磁场曝露（300 GHz以下）导则》和美国IEEE于2002年发布的C95.6《IEEE关于人体曝露于0～3 kHz电磁场的安全水平标准》作为形成全球标准基础的曝露标准，这两项曝露标准对人体曝露于工频电场、磁场环境中电场强度与磁感应强度的允许限值分别作出规定，2010年国际非电离辐射防护委员会发布了《限制时变电场和磁场曝露的导则》（1 Hz～100 kHz），提出磁感应强度职业曝露限值1 000 μT，公众曝露限值为200 μT。

由于电磁污染和伤害是无形的，在没有仪器设备的情况下无法察觉电磁的污染或伤害，所以人们必须对电磁污染或伤害有足够的重视，世卫组织、欧盟和我国都有相关的指令和标准。2007年，国家质量监督检验检疫总局下达质检公益性行业科研专项——《焊接设备电磁场对人体影响程度的研究》（10-171）。目前，与电焊机“电磁”相关有4项国家标准分别为GB/T 15579.10《弧焊设备第10部分：电磁兼容性（EMC）要求》、GB/T 31251.2《电阻焊设备第2部分：电磁兼容性要求》、GB/T 25312《焊接设备电磁场对操作人员影响程度的评价准则》和GB/T 25313《焊接设备电磁场检测与评估准则》，其中，GB/T 15579.10和GB/T 31251.2分别对弧焊设备和电阻焊设备的电磁抗扰（EMS）能力和电磁骚扰（EMI）现值作出规定，重点关注的是焊接设备；GB/T 25312重点关注焊接设备电磁场对操作人员影响和评价；GB/T 25313是关注焊接设备电磁场检测与评估。

《焊接设备电磁场对人体影响程度的研究》（10-171）的成果和GB/T 25312、GB/T 25313两项国家标准涉及到了焊接设备电磁场的分布状态、检测与评估、焊接设备电磁场对操作人员的影响和评估等内容，对焊接设备安装的相对位置、摆放角度、焊接电缆摆放位置、操作人员与焊接设备、焊接电缆、电阻焊焊钳等焊接电流输出或传输的设备或部件相对位置关系的设置都有一定的参考价值。这些成果和标准为减少焊接设备电磁场对操作人员健康的影响提供了理论依据，也是焊接设备使用单位的参考资料。可能因宣传和推广不力的原因，GB/T 25312和GB/T 25313的应用并不广泛。

目前，家电产品在出口欧洲时一般要同时满足LVD、EMC和EMF三个CE认证指令要求。从近一年的信息分析，欧洲个别国家开始对焊接设备的EMF提出要求，这个也值得电焊机制造企业关注。

3 焊接烟尘自处理方式——自吸式焊枪及其配套的烟尘净化器

目前，采用焊接烟尘净化器设备或车间整体除尘是工厂广泛采用的净化焊接烟尘方法，也达到了一定的效果。近几年，以唐山松下产业机器有限公司、济南诺斯焊接辅具有限公司、唐山开元电器集团有限公司为代表，先后开发出自吸式MIG/MAG焊枪、自吸式MIG/MAG焊枪+配套的烟尘净化器和自吸式焊枪专用烟尘净化器。这种自吸式焊枪与配套的烟尘净化器同时工作，其吸烟口均布于焊枪枪体外围，除能完成正常的焊接工作，还能同步吸走焊接过程产生的烟尘，从源头上阻止其向周围空间的扩散。相比于固定工位的吸风罩，吸烟焊枪所需风量更小，可降低能耗、节约成本。尤其重要的是，吸烟焊枪随焊接过程同步移动同步吸尘，可进行多位置多场所工作，特别适用于自动化和智能化焊接［8］。

2012年前后，唐山松下产业机器有限公司研发出了自吸式MIG/MAG焊枪，当时与其配套的焊接烟尘净化器较少，影响了自吸式MIG/MAG焊枪的市场推广。近几年，唐山开元电器集团有限公司开发出与唐山松下产业机器有限公司的自吸式MIG/MAG焊枪配套的专用焊接烟尘净化器。

2018年，济南诺斯焊接辅具有限公司正式推出其与荷兰Translas BV合作开发的自吸式MIG/MAG焊枪及其配套的烟尘净化器，是一套完整的焊接烟尘系统解决方案。2018年6月，济南诺斯焊接辅具有限公司邀请中国电器工业协会电焊机分会、中国焊接协会焊接设备分会、中国焊接协会教育与培训委员会、中国焊接学会焊接环境健康与安全委员会、天津市焊接学会、电焊机行业的部分生产企业及国外专家等位代表在济南召开了“环保焊枪技术应用交流会”。

黄勇［9］采用吸烟焊枪和吸烟系统进行药芯焊丝CO2气保焊，研究不同吸烟功率和焊枪倾角下吸烟焊枪的吸烟行为及其对焊接过程和焊接质量的影响，结果表明焊接烟尘能被有效吸入吸烟焊枪，其烟尘扩散形态整体呈锥形，并随吸烟功率的增加，其气流挺度增加，吸尘效果增强。吸烟虽使熔滴过渡频率稍有增加，焊接电流有所波动，但仍能得到表面成形良好、无缺陷的焊缝。

虽然目前企业已经开发了针对自吸式焊枪及其配套的烟尘净化器，也形成了焊接烟尘系统解决方案，但相关标准和焊接烟尘吸出率检测方法滞后，不利于这类产品的推广应用。

（1）关于自吸式MIG/MAG焊枪的名称。虽然产品已经研发出来，而且也上市应用，但这种焊枪的关键指标——焊接烟尘吸出率需要标准支撑，要制定标准就必须确定产品的书面名称。相关部门和机构对此有不同的看法，究竟名称是“自吸式”，还是“环保型”，有待进一步确认。

（2）自吸式MIG/MAG焊枪的焊接烟尘吸出率检测方法。国际上出现了关于类似产品或设备的标准ISO 21904-1、-2、-3、-4，国内也有AQ 4237《焊接烟尘净化器通用技术条件》、CWAN 0002《焊接车间烟尘卫生标准》等类似标准，但经过初步研究和实践发现这些标准的使用范围与自吸式MIG/MAG焊枪不一致或其方法的可操作性不强。

采用烟尘检测仪对焊接电弧附近某一个点的焊接烟尘进行检测，数据波动非常大，但采用积分器在给定时间内对焊接烟尘量进行积分，得到相同时间间隔内的烟尘总量基本稳定。保证焊接烟尘检测相对稳定，在相同的焊接规范、焊接时长、吸尘风量和相同采样点等前提下，分别检测自吸式MIG/MAG焊枪吸尘开启和关闭两种状态下的总烟尘量，计算其差值，可以得到吸出量，也可以计算其吸出率。这种检测方法减少了其他标准涉及的温度、湿度、大气压（或海拔）、风管横截面积、风速、质量称重等多个参数带来的误差，可提高吸出率检测结果的准确度。

必须说明，本文介绍的自吸式MIG/MAG焊枪的焊接烟尘吸出率检测方法只能检测吸出率这个相对量，不能准确检测焊接烟尘的绝对量值。所以，这个方法并不与目前的国际、国内标准冲突，也没有背离这些标准。

目前，成都三方电气有限公司与济南诺斯焊接辅具有限公司、唐山开元电器集团有限公司等企业正在对自吸式MIG/MAG焊枪的焊接烟尘吸出率检测方法进行验证，若验证达到预期结果，将申请制定相关标准。