激光安全防护知识

1.激光加工危险知识

1. 激光加工危险分类

根据《激光加工机械安全要求》(GB/T18490—2001),使用激光加工设备时可能导致两 大类危险：第一类是设备固有的危险；第二类是外部影响(干扰)造成的危险。危险是引起  身伤害或设备损坏的原因。

1)设备固有危险

激光加工设备固有危险一共有8个大类。

(1)机械危险：机械危险包括激光加工设备运动部件、机械手或机器人运动过程中产生 的危险，主要包含以下几个方面。

① 设备及其运动部件的尖棱、尖角、锐边等的刺伤和割伤危险。

② 设备及其运动部件倾覆、滑落、冲撞、坠落或抛射危险。

例如，激光加工设备上的机械手可能会把防护罩打穿一个孔，可能损坏激光器或激光传 输系统，还可能会使激光光束指向操作人员、周围围墙和观察窗孔。

(2)电气危险：激光加工设备总体而言属于高电压、大电流的设备，电气危险首先可能是 高电压、大电流对操作人员的伤害和对设备造成的损坏，其次是在极高电压下无屏蔽元件产 生的臭氧或X 射线，它们都会直接造成触电等人身伤亡事故。

(3)噪声危险：使用激光加工设备时常见的噪声源有吸烟雾用的除尘设备运转喧叫声、 抽真空泵的马达噪声、冷却水用的水泵马达噪声、散热用的风扇转动噪声等。

在无适当防护的情况下，当噪声总强度超过90 dB 时可引起头痛、耳鸣、心律不齐和血 压升高等后果，甚至可致噪声性耳聋。

激光加工设备整机噪声声压级不应超过75 dB(A) 。 声 压 级 测 量 方 法 应 符 合 GB/T

167692008的规定。

(4)热危险：在使用激光加工设备时可能导致火灾、爆炸、灼伤等热危险，热危险可分为 人员烫伤危险和场地火灾危险两大类。

激光加工设备爆炸源主要有泵浦灯、大功率玻璃管激光器、电解电容等。

山热危险导致烧穿激光加工设备的冷却系统和工作气体管路以及传感器的导线，可能 造成元器件损毁或机械危险产生。

激光光束意外地照射到易燃物质上也可能导致火灾。

(5)振动危险。

(6)辐射危险的分类和后果如下。

① 辐射危险种类；辐射危险与热危险密不可分，它可以分为三类。

●直射或反射的激光光束及离子辐射导致的危险。

●激光光束作用使工件发出二次辐射(其波长可能不同于原激光光束的波长)导致的危险。

② 辐射危险后果：辐射危险会引起聚合物降解和有毒烟雾气体，尤其是臭氧的产生，会 造成可燃性物料的火灾或爆炸，会对人形成强烈的紫外光、可见光辐射等。

(7)设备与加工材料导致的危险的分类及副产物。

① 危险种类：设备与加工材料导致的危险的分类及副产物。

●激光设备使用的制品(如激光气体、激光染料、激活气体、溶媒等)导致的危险。

●激光光束与物料相互作用(如烟、颗粒、蒸气、碎块等)导致的火灾或爆炸危险。

●促进激光光束与物料作用的气体及其产生的烟雾导致的危险，包括中毒和氧缺乏危险。

② 各类激光加工时常见的副产物与危险。

●陶瓷加工：铝(Al)、镁(Mg)、 钙(Ca)、硅(Si)、铍(Be) 的氧化物，其中氧化铍(BeO) 有 剧毒。

●硅片加工：浮在空气中的硅(Si)及氧化硅的碎屑可能引起硅肺病。

●金属加工：锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、铝(Al)、锌(Zn)、铜(Cu)、铍(Be)、铅 (Pb)、锑(Sb)等金属及其化合物对人体是有影响的。

其中Cr、Mn、Co、Ni对人体致癌，Zn、Cu金属烟雾引起发烧和过敏反应，金属Be 引起肺 纤维化。

在大气中切割合金或金属时会产生较多重金属烟雾。 金属焊接与金属切割相比，产生的重金属烟雾量较低。

金属表面改性一般不会发生，但有时也会产生重金属烟雾。

低温焊接与钎焊可能会产生少量的重金属蒸气、焊剂蒸气及其副产物。

●塑料加工：切割加工、温度较低时产生脂肪族烃，而温度较高时则会使芳香族烃(如苯、 PAH) 和多卤多环类烃(如二氧芭、呋喃)增加。其中聚氨酯材料会产生异氰酸盐、PMMA   会  产生丙烯酸盐，PVC 材料会产生氧化氢。

氰化物、CO、苯的衍生物是有毒气体，异氰酸盐、丙烯酸盐是过敏源和刺激物，甲苯、丙烯 醛、胺类刺激呼吸道，苯及某些 PAH物质会致癌。

在切割纸和木材时会产生纤维素、酯类、酸类、乙醇、苯等副产物。

(8)设备设计时忽略人类工效学原则而导致的危险。

① 误操作危险。

② 控制状态设置不当。

③ 不适当的工作面照明。

2)设备外部影响(干扰)造成的危险

设备外部影响(干扰)造成的危险是指激光加工设备外部环境变化后所造成的设备状 参数变化而导致的危险状态，也可以分为以下8类。

(1)温度变化。

(2)湿度变化。

(3)外来冲击和振动。

(4)周围的蒸气、灰尘或其他气体干扰。

(5)周围的电磁干扰及射电频率干扰。

(6)断电和电压起伏。

(7)由于安全措施错误或不正确定位产生的危险。

(8)由于电源故障、机械零件损坏等产生的危险。

上述两大类共计16小类危险程度在不同材料和不同加工方式中的影响程度是不同的， 表1-3列出了用CO₂  激光器切割有机玻璃时可能产生危险程度分类。读者可以根据上述方 法分析激光焊接、激光打标时可能遇到的主要危险，在激光设备和制定加工工艺时应该采取 措施来防范以上这些危险。

表1-3 CO₂  激光器切割有机玻璃时可能产生危险程度

2. 激光辐射危险分级

激光辐射危险是激光加工时的特有和主要危险，必须重点关注。

评价激光辐射的危险程度是以激光光束对眼睛的最大可能的影响(maximal possible effect,MPE) 做标准，即根据激光的输出能量和对眼睛损伤的程度把激光分为4类，再根据不 同等级分类制定相应的安全防护措施。

国标GB/T  18490—2001规定了激光加工设备辐射的危险程度，与国际电工委员会 (IEC) 的标准(IEC60825)、美国国家标准(ANSIZ136) 或其他相关的激光安全标准相同。

根据国际电工技术委员会IEC60825.1:2001 制定的标准，激光产品可分为下列几类，如 表1-4所示。

表14 激光辐射危险分级

(1)1类激光产品：1类激光产品的波长范围为400～700 nm, 输出激光功率小于0.4 mW,又可以分为普通1级和1M 级激光产品两类。

普通1级激光产品不论何种条件下对眼睛和皮肤的影响都不会超过MPE 值，即使在光 学系统聚焦后也可以利用视光仪器直视激光光束，在保证设计上的安全后不必特别管理，又 可称无害免控激光产品。

1M 级激光产品在合理可预见的情况下操作是安全的，但若利用视光仪器直视光束，便 可能会造成危害。典型的1类激光产品有激光教鞭、CD 播放设备、CD-ROM设备、地质勘探 设备和实验室分析仪器等，如图1-44所示。

图1-441类激光产品举例

(2)2类激光产品：2类激光产品激光的波长范围为400～700 nm, 能发射可见光，设备 激光功率输出在0.4~1 mW, 又可称为低功率激光产品。2类激光产品也可以分为普通2级 和 2M 级激光产品两类。人闭合眼睛的反应时间约为0.25 s, 普通2级激光产品可通过眼睛 对光的回避反应(眨眼)提供足够保护，如图1-45所示。

图1-45 普通2级激光产品举例

2M 级激光产品的可视激光会导致晕眩，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不要直接在光束内观察激光，也不要用激光直接照射眼睛，避免用远望设备观察激光。

典型应用如课堂演示、激光教鞭、瞄准设备和测距仪等，如图1-46所示。

(3)3类激光产品：3类激光产品激光的波长范围为302.5～1064 nm, 为可见或不可见

的连续激光，输出激光功率为1～500 mW之间，又可称中功率激光产品。3类激光产品分为 3A 级和3B级产品。

3A 级产品为可见光的连续激光，输出为1～5mW的激光光束，光束的能量密度不超过

25   W/mm²,要避免用远望设备观察3A 级激光。3A级激光产品的典型应用和2级激光产品 有很多相同之处，这类产品的发射极限不得超过波长范围为400～700 nm 的 2 类产品的5倍，在其他波长范围内亦不许超过1类产品的5倍。

3B 级产品输出为5～500 mW的连续激光，直视激光光束会造成眼损伤，但将激光改变  成非聚焦、漫反射时一般无危险，对皮肤无热损伤。3B级激光的典型应用有半导体激光治疗 仪、光谱测定和娱乐灯光表演等，如图1-47所示。

图1-462M级激光产品举例                图1-473类激光产品举例

(4)4类激光产品：4类激光产品波长范围为302.5 nm 至红外光，为可见或不可见的连 续激光，输出的激光功率大于500 mW,  又可称大功率激光产品。

4类激光产品不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤相当严重，其漫反射光也 可能给眼造成损伤，并可灼伤皮肤及酿成火警，扩散反射也有危险。

大多数激光加工设备，如激光热处理机、激光切割机、激光雕刻机、激光标记机、激光焊 接机、激光打孔机和激光划线机等均为典型的4类激光产品。激光外科手术设备和显微激光 加工设备等也属于4类激光产品，如图1-48所示。

2. 激光加工危险防护

1. 激光辐射伤害防护

1)激光辐射伤害防护主要措施

(1)操作人员应具备辐射防护知识，配戴与激光波长相适应的防护眼镜，如图1-49所示。

(2)激光加工设备应具备完善的激光辐射防护装置。

(3)激光加工场地应具备完善的激光防护装置和措施。

图1-48 4类激光产品举例

图1-49 激光防护眼镜

2)激光防护眼镜类型与选用

激光防护眼镜可全方位防护特定波段的激光和强光，防止激光对眼的伤害。其光学安 全性能应该完全满足《激光防护镜生理卫生防护要求》(GJB 1762—93)及《RoHS 标准》。

(1)激光防护眼镜类型有以下几种。

① 吸收型激光防护眼镜：吸收型防护眼镜在基底材料PMMA 或 P.C  中添加特种波长 的吸收剂，能吸收一种或几种特定波长的激光，又允许其他波长的光通过，从而实现激光辐 射防护。

吸收型防护眼镜只能防护可见光和近红外光谱中极小的一部分，其优点是抗激光冲击 能力优良，对激光衰减率较高，表面不怕磨损，即使有擦划，也不影响激光的安全防护，缺点 是由于吸收激光能量容易导致本身破坏，同时它的可见光透过率不高，影响观察。

② 反射型激光防护眼镜：反射型激光防护眼镜是在基底上镀多层介质膜，有选择地反射 特定波长的激光，而让在可见光区内的其他邻近波长的激光大部分通过。

市面上能够买到的防护眼镜大部分是反射型激光防护眼镜。由于是反射激光，它比吸 收型防护眼镜能够承受更强的激光，可见光透过率高，同时激光的衰减率也较高，光反应时 间快小于10-⁹ s; 缺点是多层涂膜对激光反射的效果随激光入射角的变化而变化，如果对激 光防护要求很高，需要的涂层就会较厚，这对玻璃透光性影响很大。另外，镀的介质层越厚 越容易脱落，且脱落之后不易肉眼观察，这是非常危险的。

③ 复合型激光防护眼镜：复合型激光防护眼镜是在吸收式防护材料表面上再镀上反射 膜，既能吸收某一波长的激光，又能利用反射膜反射特定波长的激光，兼有吸收式和反射式两种激光防护眼镜的优点，但可见光透过率相对于反射式材料有很大程度的下降。

④新型激光防护材料：新型激光防护材料基于非线性光学原理，主要利用非线性吸收、 非线性折射、非线性散射和非线性反射等非线性光学效应来制造激光防护眼镜。

例如，碳—碳高分子聚合物(C)   制成的激光防护眼镜，可使透光率随入射光强的增加而降低。又如，全息激光防护面罩是采用全息摄影方法在基片上制作光栅，对特定波长的激光 产生极强的一级衍射，是一种新型防护装备。

(2)激光防护眼镜选用的原则及指标。

①激光防护眼镜的选择原则：选择防护眼镜时，首先根据所用激光器的最大输出功率 (或能量)、光束直径、脉冲时间等参数确定激光输出最大辐照度或最大辐照量，而后，按相 应波长和照射时间的最大允许辐照量(眼照射限值)确定眼镜所需最小光密度值，并据此选 取合适防护眼镜。

②选择激光防护眼镜的几个指标如下。

●最大辐照量 Hm(J/m²) 或最大辐照度Ema(W/m²);

●特定的激光防护波长；

●在相应防护波长的所需最小光密度值ODmin。

光密度(optical     density,OD),是一个没有量纲的对数值，表示某种材料入射光与透射光 比值的对数或者说是光线透过率倒数的对数。计算公式为OD=lg  (入射光/透射光)或 OD =lg(1/ 透光率),它有0,1,…,7个等级，对应的光透过率(或衰减系数)如表1-5所示。OD数值越大，激光防护眼镜的防护能力越强。

表1-5 光密度、光透过率和衰减系数之间的关系

●镜片的非均匀性、非对称性、入射光角度效应等。

●抗激光辐射能力。

●可见光透过率 VLT(visible light transmittance);激光防护眼镜的VLT 数值低于 20%,所以激光防护眼镜需要在良好照明的环境中使用，保证操作人员在佩戴激光防护眼镜

后视觉良好。

●结构外形和价格。包括是否佩戴近视眼镜、人员的面部轮廓。

③激光防护眼镜实例，如图1-50所示。

【产品名称】:激光防护眼镜

【产品型号】: SK-G16  【防护波长】:1064 nm 【光密度OD】:64

【可见光透过率】:85%

【防护特点】:反射式全方位防护

【适合激光器】:四倍频Nd:YAG 激光器、

准分子激光器、Ho-Cd 激光器、YAG激光器、 半导体激光器

图1-50 激光防护眼镜实例

3)激光加工设备上的激光辐射防护装置

(1)设备启动/停开关：激光加工设备启动/停开关应该能使设备停止(致动装置断电), 同时，或者隔离激光光束，或者不再产生激光光束。

(2)急停开关：急停开关应该能同时使激光光束不再产生并自动把激光光闸放在适当的 位置，使加工设备断电，切断激光电源并释放储存的所有能量。

如果几台加工设备共用一台激光器且各加工设备的工作彼此独立无关，则安装在任意 一台设备上的紧急终止开关都可以执行上述要求，或者使有关的加工设备停止(致动装置断 电),同时切断通向该加工设备的激光光束。

(3)隔离激光光束的措施：通过截断激光光束和/或使激光光束偏离实现激光光束的隔 离。实现光束隔离的主要器件有激光光束挡块(光闸)。

(4)激光加工场地激光防护装置和措施。

① 防护要求：在操作激光设备时，排除人员受到1类以上激光辐射照射。在设备维护维 修时，排除人员受到3A 级以上激光辐射照射。

② 防护措施：当激光辐射超过1类时，应该用防护装置阻止无关人员进入加工区。 用户的操作说明中应该说明要采用的防护类型是局部保护还是外围保护。

局部保护是使激光辐射以及有关的光辐射减小到安全量值的一种防护方法，例如，固定 在工件上光束焦点附近的套管或小块挡板。

外围保护是通过远距离挡板(如保护性围栏)把工件、工件支架以及加工设备，尤其是运 动系统封闭起来，使激光辐射以及有关的光辐射减小到安全量值的防护方法。

2. 非激光辐射伤害防护

激光加工时的非激光伤害主要有触电危害、有毒气体危害、噪声危害、爆炸危害、火灾危 害、机械危害等。

1)触电伤害防护措施

(1)培训工作人员掌握安全用电知识。

(2)严格要求激光设备的表壳接地良好，并定期检查整个接地系统是否真正接地。

(3)不准使用超容量保险丝和超容量保护电路断开器。

(4)检修仪器时注意首先用泄漏电阻给电容器放电。

(5)经常保持环境干燥。

2)防备有毒气体危害的安全措施

(1)激光设备的出光处必须配备有足够初速度的吸气装置，能将加工有害烟雾及时吸掉、抽走并经活性炭过滤后排到室外。

(2)工作室要安排通风排气设备，抽走弥散在工作室内的残余有毒气体。

(3)平时保持工作室通风和干燥，加工场所应具备通风换气条件。

(4)场地排烟系统设计一般规则如下。

① 排烟系统应安装在车间外部。

② 抽风设备应以严密的排风管连接，风管的安装路径愈平顺愈好。

③ 为避免振动，尽量不要使用硬质排风管连至激光加工设备。

3)防备噪声危害的安全措施

(1)采购低噪声的吸气设备。

(2)用隔音材料封闭噪声源。

(3)工作室四壁配置吸声材料。

(4)噪声源远离工作室。

(5)使用隔音耳塞。

4)防备爆炸危害的安全措施

(1)将电弧灯、激光靶、激光管和光具组元件封包起来，且具有足够的机械强度。

(2)正在连续使用中的玻璃激光管的冷却水不能时通时断。

(3)经常检查电解电容器，如果有变形或漏油，则应及时更换。

5)防备火灾危害的安全措施

(1)安装激光设备(尤其是大电流离子激光设备)时，应考虑外电路负载和闸刀负载是否 有足够容量。

(2)电路中应接入过载自动断开保护装置。

(3)易燃、易爆物品不应置于激光设备附近。

(4)在室内适当地方备有沙箱、灭火器等救火设施。

6)防备机械危害的安全措施

(1)设备部位不得有尖棱、尖角、锐边等缺陷，以免引起刺伤和割伤危险。

(2)在预定工作条件下，设备及其部件不应出现意外倾覆。

(3)激光系统、光束传输部件应有防护措施并牢固定位，防止造成冲击和振动。

(4)设备的往复运动部件应采取可靠的限位措施。

(5)各运动轴应设置可靠的电气、机械双重限位装置，防止造成滑落的危险。

(6)联锁的防护装置打开时，设备应停止工作或不能启动，并应确保在防护装置关闭前 不能启动。例如，成形室的门打开时，设备不能加工，以防止运动部件高速运行时造成冲撞的危险。

(7)在危险性较大的部位应考虑采用多重不同的安全防护装置，并有可靠的失效保护机 制。如高温保护措施，光束终止衰减器、挡板、自动停机机构等光机电多重保护装置。

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