電焊機使用過程環保健康的主要關注點

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

電焊機屬于傳統熱加工設備之一，用于焊接加工時的用電量很大，國內外都比較關注其能源利用率，也出臺了相應的指令或標準。在焊接過程中，電焊作業產生的有害物質可分為兩類：高溫電弧光產生的線外線、紫外線；焊接煙塵的成分，如固態的各種金屬鐵、錳、鋁、鉻、鎘、鎳和放射性元素等［1］，若防護不當，會嚴重影響操作人員的健康。

我國政府明確了“碳達峰”和“碳中和”的時間表［2］，并積極推行綠色制造和智能制造，同時也高度關注環境、健康和生產安全，實現“雙碳”目標、創造美好的環境、確保身體健康和生產安全是每一位國人的責任。目前，大多數人已高度關注焊接煙塵、弧光、噪聲、廢氣、殘渣和飛濺等對環境的影響和對人體健康的危害。眾多研究人員對此進行了研究，鄒婧［3］借助氣流組織仿真模擬計算，研究高大廠房焊煙治理系統氣流組織形式，通過合理布置出風口風向，將出風口處的風引入室內，使潔凈空氣由高處向下吹向廠房內部，使得逃逸后的煙塵能夠被有效地第二次捕捉。韓宗杰［4］等人針對無鉛釬料，詳細討論了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品的研究開發與產業化，為實現“雙碳”目標打下基礎。

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

1 電焊機能源利用率

一般的電焊機產品使用壽命為8～10年，在用電焊機的數量龐大，每年的電量消耗也很大，折算的碳排放也高。實現“雙碳”目標的方法就是節能降耗，提高能源利用率（簡稱：能效），減少用電損耗是節能電焊機的發展方向。電弧焊機能效包括效率、功率因數、空載電流與額定輸入電流的占比；電阻焊機能效包括短路損耗、空載電流、空載損耗。

國家非常重視電焊機的能源利用率。2008年，國家質量監督檢驗檢疫總局下達質檢公益性行業科研專項——《電弧焊機能效的研究》（200810729），在研究項目成果的基礎上，由全國電焊機標準化技術委員會制定了《電弧焊機能效限定值及能效等級》國家標準，并于2012年正式頒布，標準號為GB 28736，屬于國家前置性標準。經過研究和實踐，2019年對GB 28736-2012《電弧焊機能效限定值及能效等級》進行修訂，修訂后的標準對電阻焊機的能效也提出了要求，并于2019年頒布了GB 28736-2019《電焊機能效限定值及能效等級》。該標準屬于國家強制性標準，低于3級能效的電焊機產品不得銷售。

為了進一步推動節能電焊機的發展，工信部組織評審后發布《節能機電設備（產品）目錄》，電焊機行業的一部分企業及其部分產品被評選進入兩批《節能機電設備（產品）目錄》。為了方便電焊機生產企業投標，中國質量認證中心（CQC）開展了電焊機的節能認證。歐盟在2021年發出公告［5］，自2023年1月1日起，三相電源供電直流焊機的效率不得低于85%、單相電源供電直流焊機的效率不得低于80%、交流焊機的效率不得低于80%，空閑狀態的功耗不得超過50 W。逆變焊機特別是單相逆變焊機基本上呈現出諧波越大，能效指標越低；要使產品的能效指標有很大地提高，可從加裝功率因數校正（PFC）電路、加裝無源LDC濾波電路、合理選擇電路拓撲結構等方面考慮［6］。

2 電磁兼容性（EMC）和電磁場（EMF）

電氣設備的“電磁”涉及電磁兼容性（Electro‐magnetic Compatibility，EMC）和電磁場（Electro‐magnetic Field，EMF）兩個方面。EMC的主要目的是關注設備，其含義是“設備和系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力”，包含兩個方面的意思：首先是設備應能在一定的電磁環境下正常工作，即該設備應具備一定的電磁抗干擾（Electron‐magnetic Susceptibility，EMS）能力；其次是設備自身產生的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）不能對其所在環境的其他電子產品產生過大的影響。EMC主要是為了保障電子產品的正常工作，是為了研究電子產品發射出的噪聲對其他電子產品的影響，或者不受其他電子產品的影響。EMF要求即電磁場輻射要求。研究表明，人體若長期處于高劑量電磁輻射環境中，會產生比較嚴重的神經衰弱癥候群，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，關注電子產品發射出的電場、磁場噪聲對人體的影響，要求電磁場輻射值不得超標。

世界衛生組織（WHO）于1996年5月設立了一個國際性項目，集中對電磁場的健康影響進行全面評估，該項目即“國際電磁場計劃”（WHO's Interna‐tional EMF Project）。支持并參與此計劃的國際組織包括：歐洲委員會（EC）、國際腫瘤研究機構（IARC）、國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）、國際電工委員會（IEC）、國際勞工組織（ILO）、國際電信聯盟（ITU）、聯合國環境規劃署（UNEP）等。世界衛生組織“國際電磁場計劃”明確推薦將國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）于1998年發布的《限制時變電場、磁場和電磁場曝露（300 GHz以下）導則》和美國IEEE于2002年發布的C95.6《IEEE關于人體曝露于0～3 kHz電磁場的安全水平標準》作為形成全球標準基礎的曝露標準，這兩項曝露標準對人體曝露于工頻電場、磁場環境中電場強度與磁感應強度的允許限值分別作出規定，2010年國際非電離輻射防護委員會發布了《限制時變電場和磁場曝露的導則》（1 Hz～100 kHz），提出磁感應強度職業曝露限值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，在沒有儀器設備的情況下無法察覺電磁的污染或傷害，所以人們必須對電磁污染或傷害有足夠的重視，世衛組織、歐盟和我國都有相關的指令和標準。2007年，國家質量監督檢驗檢疫總局下達質檢公益性行業科研專項——《焊接設備電磁場對人體影響程度的研究》（10-171）。目前，與電焊機“電磁”相關有4項國家標準分別為GB/T 15579.10《弧焊設備第10部分：電磁兼容性（EMC）要求》、GB/T 31251.2《電阻焊設備第2部分：電磁兼容性要求》、GB/T 25312《焊接設備電磁場對操作人員影響程度的評價準則》和GB/T 25313《焊接設備電磁場檢測與評估準則》，其中，GB/T 15579.10和GB/T 31251.2分別對弧焊設備和電阻焊設備的電磁抗擾（EMS）能力和電磁騷擾（EMI）現值作出規定，重點關注的是焊接設備；GB/T 25312重點關注焊接設備電磁場對操作人員影響和評價；GB/T 25313是關注焊接設備電磁場檢測與評估。

《焊接設備電磁場對人體影響程度的研究》（10-171）的成果和GB/T 25312、GB/T 25313兩項國家標準涉及到了焊接設備電磁場的分布狀態、檢測與評估、焊接設備電磁場對操作人員的影響和評估等內容，對焊接設備安裝的相對位置、擺放角度、焊接電纜擺放位置、操作人員與焊接設備、焊接電纜、電阻焊焊鉗等焊接電流輸出或傳輸的設備或部件相對位置關系的設置都有一定的參考價值。這些成果和標準為減少焊接設備電磁場對操作人員健康的影響提供了理論依據，也是焊接設備使用單位的參考資料。可能因宣傳和推廣不力的原因，GB/T 25312和GB/T 25313的應用并不廣泛。

目前，家電產品在出口歐洲時一般要同時滿足LVD、EMC和EMF三個CE認證指令要求。從近一年的信息分析，歐洲個別國家開始對焊接設備的EMF提出要求，這個也值得電焊機制造企業關注。

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，也達到了一定的效果。近幾年，以唐山松下產業機器有限公司、濟南諾斯焊接輔具有限公司、唐山開元電器集團有限公司為代表，先后開發出自吸式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生的煙塵，從源頭上阻止其向周圍空間的擴散。相比于固定工位的吸風罩，吸煙焊槍所需風量更小，可降低能耗、節約成本。尤其重要的是，吸煙焊槍隨焊接過程同步移動同步吸塵，可進行多位置多場所工作，特別適用于自動化和智能化焊接［8］。

2012年前后，唐山松下產業機器有限公司研發出了自吸式MIG/MAG焊槍，當時與其配套的焊接煙塵凈化器較少，影響了自吸式MIG/MAG焊槍的市場推廣。近幾年，唐山開元電器集團有限公司開發出與唐山松下產業機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解決方案。2018年6月，濟南諾斯焊接輔具有限公司邀請中國電器工業協會電焊機分會、中國焊接協會焊接設備分會、中國焊接協會教育與培訓委員會、中國焊接學會焊接環境健康與安全委員會、天津市焊接學會、電焊機行業的部分生產企業及國外專家等位代表在濟南召開了“環保焊槍技術應用交流會”。

黃勇［9］采用吸煙焊槍和吸煙系統進行藥芯焊絲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焊接過程和焊接質量的影響，結果表明焊接煙塵能被有效吸入吸煙焊槍，其煙塵擴散形態整體呈錐形，并隨吸煙功率的增加，其氣流挺度增加，吸塵效果增強。吸煙雖使熔滴過渡頻率稍有增加，焊接電流有所波動，但仍能得到表面成形良好、無缺陷的焊縫。

雖然目前企業已經開發了針對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解決方案，但相關標準和焊接煙塵吸出率檢測方法滯后，不利于這類產品的推廣應用。

（1）關于自吸式MIG/MAG焊槍的名稱。雖然產品已經研發出來，而且也上市應用，但這種焊槍的關鍵指標——焊接煙塵吸出率需要標準支撐，要制定標準就必須確定產品的書面名稱。相關部門和機構對此有不同的看法，究竟名稱是“自吸式”，還是“環保型”，有待進一步確認。

（2）自吸式MIG/MAG焊槍的焊接煙塵吸出率檢測方法。國際上出現了關于類似產品或設備的標準ISO 21904-1、-2、-3、-4，國內也有AQ 4237《焊接煙塵凈化器通用技術條件》、CWAN 0002《焊接車間煙塵衛生標準》等類似標準，但經過初步研究和實踐發現這些標準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。

采用煙塵檢測儀對焊接電弧附近某一個點的焊接煙塵進行檢測，數據波動非常大，但采用積分器在給定時間內對焊接煙塵量進行積分，得到相同時間間隔內的煙塵總量基本穩定。保證焊接煙塵檢測相對穩定，在相同的焊接規范、焊接時長、吸塵風量和相同采樣點等前提下，分別檢測自吸式MIG/MAG焊槍吸塵開啟和關閉兩種狀態下的總煙塵量，計算其差值，可以得到吸出量，也可以計算其吸出率。這種檢測方法減少了其他標準涉及的溫度、濕度、大氣壓（或海拔）、風管橫截面積、風速、質量稱重等多個參數帶來的誤差，可提高吸出率檢測結果的準確度。

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方法只能檢測吸出率這個相對量，不能準確檢測焊接煙塵的絕對量值。所以，這個方法并不與目前的國際、國內標準沖突，也沒有背離這些標準。

目前，成都三方電氣有限公司與濟南諾斯焊接輔具有限公司、唐山開元電器集團有限公司等企業正在對自吸式MIG/MAG焊槍的焊接煙塵吸出率檢測方法進行驗證，若驗證達到預期結果，將申請制定相關標準。

4 結論

電焊機的能量源利用率、電磁兼容性與電磁場、焊接煙塵吸出率檢測等環境、健康和生產安全相關的工作是由政府統一領導，部門依法監管，企業全面負責，社會監督支持的系統工作。其中，指標的量化再現方法還需多家企業、機構共同合作才能實現。