電焊機(jī)使用過程環(huán)保健康的主要關(guān)注點(diǎn)

陽宜均，黃 震，李 濤，陳 凱，楊慶軒

成都三方電氣有限公司，四川 成都 610051

0 前言

電焊機(jī)屬于傳統(tǒng)熱加工設(shè)備之一，用于焊接加工時(shí)的用電量很大，國內(nèi)外都比較關(guān)注其能源利用率，也出臺(tái)了相應(yīng)的指令或標(biāo)準(zhǔn)。在焊接過程中，電焊作業(yè)產(chǎn)生的有害物質(zhì)可分為兩類：高溫電弧光產(chǎn)生的線外線、紫外線；焊接煙塵的成分，如固態(tài)的各種金屬鐵、錳、鋁、鉻、鎘、鎳和放射性元素等［1］，若防護(hù)不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的健康。

我國政府明確了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的時(shí)間表［2］，并積極推行綠色制造和智能制造，同時(shí)也高度關(guān)注環(huán)境、健康和生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、創(chuàng)造美好的環(huán)境、確保身體健康和生產(chǎn)安全是每一位國人的責(zé)任。目前，大多數(shù)人已高度關(guān)注焊接煙塵、弧光、噪聲、廢氣、殘?jiān)惋w濺等對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)人體健康的危害。眾多研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究，鄒婧［3］借助氣流組織仿真模擬計(jì)算，研究高大廠房焊煙治理系統(tǒng)氣流組織形式，通過合理布置出風(fēng)口風(fēng)向，將出風(fēng)口處的風(fēng)引入室內(nèi)，使?jié)崈艨諝庥筛咛幭蛳麓迪驈S房內(nèi)部，使得逃逸后的煙塵能夠被有效地第二次捕捉。韓宗杰［4］等人針對(duì)無鉛釬料，詳細(xì)討論了Sn-Ag系、Sn-Cu系和Sn-Ag-Cu系等三大系列的無鉛釬料，指出我國必須重視無鉛釬料產(chǎn)品的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)打下基礎(chǔ)。

本文著重從電焊機(jī)能源利用率、電磁兼容性和電磁場(chǎng)、煙塵自吸式焊槍和配套的煙塵凈化器焊接煙塵吸出率測(cè)試等幾個(gè)方面對(duì)電焊機(jī)使用過程中的綠色環(huán)保問題提出探討。

1 電焊機(jī)能源利用率

一般的電焊機(jī)產(chǎn)品使用壽命為8～10年，在用電焊機(jī)的數(shù)量龐大，每年的電量消耗也很大，折算的碳排放也高。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的方法就是節(jié)能降耗，提高能源利用率（簡(jiǎn)稱：能效），減少用電損耗是節(jié)能電焊機(jī)的發(fā)展方向。電弧焊機(jī)能效包括效率、功率因數(shù)、空載電流與額定輸入電流的占比；電阻焊機(jī)能效包括短路損耗、空載電流、空載損耗。

國家非常重視電焊機(jī)的能源利用率。2008年，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局下達(dá)質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——《電弧焊機(jī)能效的研究》（200810729），在研究項(xiàng)目成果的基礎(chǔ)上，由全國電焊機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制定了《電弧焊機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2012年正式頒布，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB 28736，屬于國家前置性標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過研究和實(shí)踐，2019年對(duì)GB 28736-2012《電弧焊機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》進(jìn)行修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電阻焊機(jī)的能效也提出了要求，并于2019年頒布了GB 28736-2019《電焊機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》。該標(biāo)準(zhǔn)屬于國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，低于3級(jí)能效的電焊機(jī)產(chǎn)品不得銷售。

為了進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能電焊機(jī)的發(fā)展，工信部組織評(píng)審后發(fā)布《節(jié)能機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》，電焊機(jī)行業(yè)的一部分企業(yè)及其部分產(chǎn)品被評(píng)選進(jìn)入兩批《節(jié)能機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》。為了方便電焊機(jī)生產(chǎn)企業(yè)投標(biāo)，中國質(zhì)量認(rèn)證中心（CQC）開展了電焊機(jī)的節(jié)能認(rèn)證。歐盟在2021年發(fā)出公告［5］，自2023年1月1日起，三相電源供電直流焊機(jī)的效率不得低于85%、單相電源供電直流焊機(jī)的效率不得低于80%、交流焊機(jī)的效率不得低于80%，空閑狀態(tài)的功耗不得超過50 W。逆變焊機(jī)特別是單相逆變焊機(jī)基本上呈現(xiàn)出諧波越大，能效指標(biāo)越低；要使產(chǎn)品的能效指標(biāo)有很大地提高，可從加裝功率因數(shù)校正（PFC）電路、加裝無源LDC濾波電路、合理選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面考慮［6］。

2 電磁兼容性（EMC）和電磁場(chǎng)（EMF）

電氣設(shè)備的“電磁”涉及電磁兼容性（Electro‐magnetic Compatibility，EMC）和電磁場(chǎng)（Electro‐magnetic Field，EMF）兩個(gè)方面。EMC的主要目的是關(guān)注設(shè)備，其含義是“設(shè)備和系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力”，包含兩個(gè)方面的意思：首先是設(shè)備應(yīng)能在一定的電磁環(huán)境下正常工作，即該設(shè)備應(yīng)具備一定的電磁抗干擾（Electron‐magnetic Susceptibility，EMS）能力；其次是設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）不能對(duì)其所在環(huán)境的其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生過大的影響。EMC主要是為了保障電子產(chǎn)品的正常工作，是為了研究電子產(chǎn)品發(fā)射出的噪聲對(duì)其他電子產(chǎn)品的影響，或者不受其他電子產(chǎn)品的影響。EMF要求即電磁場(chǎng)輻射要求。研究表明，人體若長期處于高劑量電磁輻射環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的神經(jīng)衰弱癥候群，如頭痛，嘔吐，頭暈乏力等不適，記憶力降低以及一些潛在生物破壞，危害人體鍵康［7］。不同于EMC，EMF是為了保證人身安全，關(guān)注電子產(chǎn)品發(fā)射出的電場(chǎng)、磁場(chǎng)噪聲對(duì)人體的影響，要求電磁場(chǎng)輻射值不得超標(biāo)。

世界衛(wèi)生組織（WHO）于1996年5月設(shè)立了一個(gè)國際性項(xiàng)目，集中對(duì)電磁場(chǎng)的健康影響進(jìn)行全面評(píng)估，該項(xiàng)目即“國際電磁場(chǎng)計(jì)劃”（WHO's Interna‐tional EMF Project）。支持并參與此計(jì)劃的國際組織包括：歐洲委員會(huì)（EC）、國際腫瘤研究機(jī)構(gòu)（IARC）、國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）、國際電工委員會(huì)（IEC）、國際勞工組織（ILO）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）等。世界衛(wèi)生組織“國際電磁場(chǎng)計(jì)劃”明確推薦將國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）于1998年發(fā)布的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)曝露（300 GHz以下）導(dǎo)則》和美國IEEE于2002年發(fā)布的C95.6《IEEE關(guān)于人體曝露于0～3 kHz電磁場(chǎng)的安全水平標(biāo)準(zhǔn)》作為形成全球標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)的曝露標(biāo)準(zhǔn)，這兩項(xiàng)曝露標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人體曝露于工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)環(huán)境中電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的允許限值分別作出規(guī)定，2010年國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)發(fā)布了《限制時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)曝露的導(dǎo)則》（1 Hz～100 kHz），提出磁感應(yīng)強(qiáng)度職業(yè)曝露限值1 000 μT，公眾曝露限值為200 μT。

由于電磁污染和傷害是無形的，在沒有儀器設(shè)備的情況下無法察覺電磁的污染或傷害，所以人們必須對(duì)電磁污染或傷害有足夠的重視，世衛(wèi)組織、歐盟和我國都有相關(guān)的指令和標(biāo)準(zhǔn)。2007年，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局下達(dá)質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——《焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)人體影響程度的研究》（10-171）。目前，與電焊機(jī)“電磁”相關(guān)有4項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 15579.10《弧焊設(shè)備第10部分：電磁兼容性（EMC）要求》、GB/T 31251.2《電阻焊設(shè)備第2部分：電磁兼容性要求》、GB/T 25312《焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)操作人員影響程度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》和GB/T 25313《焊接設(shè)備電磁場(chǎng)檢測(cè)與評(píng)估準(zhǔn)則》，其中，GB/T 15579.10和GB/T 31251.2分別對(duì)弧焊設(shè)備和電阻焊設(shè)備的電磁抗擾（EMS）能力和電磁騷擾（EMI）現(xiàn)值作出規(guī)定，重點(diǎn)關(guān)注的是焊接設(shè)備；GB/T 25312重點(diǎn)關(guān)注焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)操作人員影響和評(píng)價(jià)；GB/T 25313是關(guān)注焊接設(shè)備電磁場(chǎng)檢測(cè)與評(píng)估。

《焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)人體影響程度的研究》（10-171）的成果和GB/T 25312、GB/T 25313兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)涉及到了焊接設(shè)備電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)、檢測(cè)與評(píng)估、焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)操作人員的影響和評(píng)估等內(nèi)容，對(duì)焊接設(shè)備安裝的相對(duì)位置、擺放角度、焊接電纜擺放位置、操作人員與焊接設(shè)備、焊接電纜、電阻焊焊鉗等焊接電流輸出或傳輸?shù)脑O(shè)備或部件相對(duì)位置關(guān)系的設(shè)置都有一定的參考價(jià)值。這些成果和標(biāo)準(zhǔn)為減少焊接設(shè)備電磁場(chǎng)對(duì)操作人員健康的影響提供了理論依據(jù)，也是焊接設(shè)備使用單位的參考資料?？赡芤蛐麄骱屯茝V不力的原因，GB/T 25312和GB/T 25313的應(yīng)用并不廣泛。

目前，家電產(chǎn)品在出口歐洲時(shí)一般要同時(shí)滿足LVD、EMC和EMF三個(gè)CE認(rèn)證指令要求。從近一年的信息分析，歐洲個(gè)別國家開始對(duì)焊接設(shè)備的EMF提出要求，這個(gè)也值得電焊機(jī)制造企業(yè)關(guān)注。

3 焊接煙塵自處理方式——自吸式焊槍及其配套的煙塵凈化器

目前，采用焊接煙塵凈化器設(shè)備或車間整體除塵是工廠廣泛采用的凈化焊接煙塵方法，也達(dá)到了一定的效果。近幾年，以唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司、濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司、唐山開元電器集團(tuán)有限公司為代表，先后開發(fā)出自吸式MIG/MAG焊槍、自吸式MIG/MAG焊槍+配套的煙塵凈化器和自吸式焊槍專用煙塵凈化器。這種自吸式焊槍與配套的煙塵凈化器同時(shí)工作，其吸煙口均布于焊槍槍體外圍，除能完成正常的焊接工作，還能同步吸走焊接過程產(chǎn)生的煙塵，從源頭上阻止其向周圍空間的擴(kuò)散。相比于固定工位的吸風(fēng)罩，吸煙焊槍所需風(fēng)量更小，可降低能耗、節(jié)約成本。尤其重要的是，吸煙焊槍隨焊接過程同步移動(dòng)同步吸塵，可進(jìn)行多位置多場(chǎng)所工作，特別適用于自動(dòng)化和智能化焊接［8］。

2012年前后，唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司研發(fā)出了自吸式MIG/MAG焊槍，當(dāng)時(shí)與其配套的焊接煙塵凈化器較少，影響了自吸式MIG/MAG焊槍的市場(chǎng)推廣。近幾年，唐山開元電器集團(tuán)有限公司開發(fā)出與唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司的自吸式MIG/MAG焊槍配套的專用焊接煙塵凈化器。

2018年，濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司正式推出其與荷蘭Translas BV合作開發(fā)的自吸式MIG/MAG焊槍及其配套的煙塵凈化器，是一套完整的焊接煙塵系統(tǒng)解決方案。2018年6月，濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司邀請(qǐng)中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)電焊機(jī)分會(huì)、中國焊接協(xié)會(huì)焊接設(shè)備分會(huì)、中國焊接協(xié)會(huì)教育與培訓(xùn)委員會(huì)、中國焊接學(xué)會(huì)焊接環(huán)境健康與安全委員會(huì)、天津市焊接學(xué)會(huì)、電焊機(jī)行業(yè)的部分生產(chǎn)企業(yè)及國外專家等位代表在濟(jì)南召開了“環(huán)保焊槍技術(shù)應(yīng)用交流會(huì)”。

黃勇［9］采用吸煙焊槍和吸煙系統(tǒng)進(jìn)行藥芯焊絲CO2氣保焊，研究不同吸煙功率和焊槍傾角下吸煙焊槍的吸煙行為及其對(duì)焊接過程和焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明焊接煙塵能被有效吸入吸煙焊槍，其煙塵擴(kuò)散形態(tài)整體呈錐形，并隨吸煙功率的增加，其氣流挺度增加，吸塵效果增強(qiáng)。吸煙雖使熔滴過渡頻率稍有增加，焊接電流有所波動(dòng)，但仍能得到表面成形良好、無缺陷的焊縫。

雖然目前企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了針對(duì)自吸式焊槍及其配套的煙塵凈化器，也形成了焊接煙塵系統(tǒng)解決方案，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和焊接煙塵吸出率檢測(cè)方法滯后，不利于這類產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

（1）關(guān)于自吸式MIG/MAG焊槍的名稱。雖然產(chǎn)品已經(jīng)研發(fā)出來，而且也上市應(yīng)用，但這種焊槍的關(guān)鍵指標(biāo)——焊接煙塵吸出率需要標(biāo)準(zhǔn)支撐，要制定標(biāo)準(zhǔn)就必須確定產(chǎn)品的書面名稱。相關(guān)部門和機(jī)構(gòu)對(duì)此有不同的看法，究竟名稱是“自吸式”，還是“環(huán)保型”，有待進(jìn)一步確認(rèn)。

（2）自吸式MIG/MAG焊槍的焊接煙塵吸出率檢測(cè)方法。國際上出現(xiàn)了關(guān)于類似產(chǎn)品或設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)ISO 21904-1、-2、-3、-4，國內(nèi)也有AQ 4237《焊接煙塵凈化器通用技術(shù)條件》、CWAN 0002《焊接車間煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等類似標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過初步研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍與自吸式MIG/MAG焊槍不一致或其方法的可操作性不強(qiáng)。

采用煙塵檢測(cè)儀對(duì)焊接電弧附近某一個(gè)點(diǎn)的焊接煙塵進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，但采用積分器在給定時(shí)間內(nèi)對(duì)焊接煙塵量進(jìn)行積分，得到相同時(shí)間間隔內(nèi)的煙塵總量基本穩(wěn)定。保證焊接煙塵檢測(cè)相對(duì)穩(wěn)定，在相同的焊接規(guī)范、焊接時(shí)長、吸塵風(fēng)量和相同采樣點(diǎn)等前提下，分別檢測(cè)自吸式MIG/MAG焊槍吸塵開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下的總煙塵量，計(jì)算其差值，可以得到吸出量，也可以計(jì)算其吸出率。這種檢測(cè)方法減少了其他標(biāo)準(zhǔn)涉及的溫度、濕度、大氣壓（或海拔）、風(fēng)管橫截面積、風(fēng)速、質(zhì)量稱重等多個(gè)參數(shù)帶來的誤差，可提高吸出率檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

必須說明，本文介紹的自吸式MIG/MAG焊槍的焊接煙塵吸出率檢測(cè)方法只能檢測(cè)吸出率這個(gè)相對(duì)量，不能準(zhǔn)確檢測(cè)焊接煙塵的絕對(duì)量值。所以，這個(gè)方法并不與目前的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沖突，也沒有背離這些標(biāo)準(zhǔn)。

目前，成都三方電氣有限公司與濟(jì)南諾斯焊接輔具有限公司、唐山開元電器集團(tuán)有限公司等企業(yè)正在對(duì)自吸式MIG/MAG焊槍的焊接煙塵吸出率檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期結(jié)果，將申請(qǐng)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

電焊機(jī)的能量源利用率、電磁兼容性與電磁場(chǎng)、焊接煙塵吸出率檢測(cè)等環(huán)境、健康和生產(chǎn)安全相關(guān)的工作是由政府統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，部門依法監(jiān)管，企業(yè)全面負(fù)責(zé)，社會(huì)監(jiān)督支持的系統(tǒng)工作。其中，指標(biāo)的量化再現(xiàn)方法還需多家企業(yè)、機(jī)構(gòu)共同合作才能實(shí)現(xiàn)。