焊接环境下电磁场的检测及安全评估

1、.焊接环境下电磁场的检测及安全评估彭超 1, 张军 1, 宋永伦 1, 杨庆轩 2, 支楠 2, 苏东 2(1.北京工业大学, 北京 100022; 2.成都电气检测所, 四川 成都 610052)Measur ement and safety assessment of electr omagnetic fields fr om welding pr ocessPENG Chao1, ZHANG Jun1, SONG Yong-lun1, YANG Qing-xuan2, ZHI Nan2, SU Dong2(1.Beijing University of Technology, Beiji

2、ng 100022, China; 2.Chengdu Electrical Appliance Inspection Institute,Chengdu 610052, China)Abstra c t : The adverse influence has had broad attention regarding the exposure of welders to the risks arising from electromagnetic fields from welding process.To establish the standardization for welder e

3、xposure to electromagnetic fields and safety evaluation, EMF measurements experiment were carried out for arc and resistance welding.By analyzing the reference levels and biological effects from the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP) guidelines, safety assessment o

4、f EMF was worked out effectively. The results of experiment show that the reference value is exceeded in many cases.Key words: electromagnetic field (EMF); low- frequency magnetic field; safety assessment; ICNIRP专题讨论焊接环境下的电磁场对焊接操作者的影响0前言焊接是制造业的传统基础工艺, 是材料连接的限值作为英国电磁防护的国家标准; 澳大利亚对工频磁场的限值规定也与 ICNIRP 导

5、则相同。目前, 我 国对焊接环境电磁安全问题的研究仍处于起步阶 段, 正在开展对有关标准的起草准备工作。据此根据 弧焊现场测试数据, 并参考当前国外的有关标准对 焊接环境电磁检测及安全评估进行了初步研讨, 进 而在此基础上, 制定并建立起符合中国国情的、便 于实际工业环境或生产现场检测与风险评估的实 施方法、标准或规范, 将会具有重大的经济与社会 效益。主要手段。焊接工人在实施焊接过程中, 直接暴露于焊接设备所产生的电磁场中, 其人身安全和健康情 况将会受到现场电磁环境的不利影响。而且随高功 率和高频率电子元器件在焊接设备中的大量使用, 其电流波形和调制方法也出现多样化, 这使得作业 人员遭受

6、更严重和更复杂的电磁暴露。国际非电离 辐射防护委员会(ICNIRP)向世界各国推荐了电磁 辐射限值的导则, 已被许多国际组织如世界卫生组 织(WHO)、国际劳工组织(ILO)认可1- 2。欧洲电工标准 化委员会(CENELEC)以该导则为蓝本规定了焊接环 境的电磁安全防护标准已被部分欧盟国家采纳3- 5, 并计划于 2008 年在整个欧盟国家推行。德国是由 国家立法采用 ICNIRP 限值的第一个国家; 英国国 家辐射防护委员会(NRPB)2004 年建议将 ICNIRP焊接中的电磁场辐射11.1 焊接环境电磁辐射源焊接环境中主要的电磁辐射源是焊接设备和 辅助配件。焊接设备的种类很多, 本次测

7、试与研究主要针对最为常见的电弧焊和电阻焊两种设备。弧焊电源输出侧一端以焊接线缆接至焊枪, 另一端通过 地线接至工件, 其输出电流有直流、交流、脉冲等多 种形式, 大小从几十安培到几百安培不等。不同的焊收稿日期: 2006- 11- 23作者简介: 彭 超(1981), 男, 河 北 沧 州 人, 在 读 硕 士 , 主要 从事焊接过程检测及自动化方面的研究工作。12 Electric Welding M a chine EMI()摘要: 焊接过程产生的电磁场对操作人员健康的影响已得到日益广泛的关注。为建立符合我国国情的焊接操作人员电磁防护与安全的相关标准, 开展了对弧焊与点焊作业现场电磁场的测

8、量试验。分析了 国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)提出的低频电磁场安全限值以及电磁生物效应, 并在此基础上 对焊接作业现场的电磁环境进行了安全性评估。评估结果表明, 在较多的焊接作业场合电磁辐射量超 过了目前国际相关安全标准。该结果对建立焊接行业电磁安全标准具有重要意义。关键词: 电磁场(EMF); 低频磁场; 安全评估; ICNIRP中图分类号: TG408 文献标识码: A 文章编号: 10 01- 2303(2007)02- 0012- 06*;彭 超等: 焊接环境下电磁场的检测及安全评估第 2 期专题讨论接设备的输出电流大小和谐波情况也截然不同。弧焊过程的复杂性决定了弧焊环境的干

9、扰源多种多 样, 但主要干扰源包括弧焊电源和输出线缆。当电流通过焊接线缆时, 根据电流大小和波形 的不同会在线缆周围产生强度不同的电磁场。作业 时通常距离线缆较近, 甚至紧贴身体, 所以输出线 缆周围的时变磁场是弧焊过程中的主要干扰源, 并 且将对人身安全构成威胁。电阻焊工艺的主要形式是点焊, 主要用于焊接 薄壁零件。电阻点焊是由两电极将焊件压紧, 然后与 变压器相连的电极通过强大的焊接电流, 从而在焊 件接触面上形成焊点并随通电加热的进行而不断 扩大。点焊过程中电极上流过的电流值很大, 电流波 形多样化, 这使得在点焊电极周围产生强烈而复杂 的电磁场。对于大型点焊机通常采取手工操作的方式进行

10、, 焊工距离电极很近, 使作业人员遭受到了 比弧焊过程更为严重的电磁暴露。辐射源情况:(1)辐射源类型和辐射功率;(2)辐射源数目, 如果多个辐射源存在, 应确定 是否属于同种辐射源, 可否进行叠加;(3)相关的时域和频域特性, 以选取相对应的探 头类型;(4)辐射源到测试点的距离。测量应该在辐射源正常工作时间内进行, 同时 要考虑电磁场对身体各个部位的影响。对于焊接设备(弧焊设备和点焊设备)以及焊接过程中产生的磁 场。为了准确地评估磁场对作业人员安全与健康的影响, 在测试过程中尽量模拟焊接现场环境, 正确选取焊工的典型作业位置(包括焊枪附近、线缆周 围、电极附近等)。这样才能真实地反映作业人

11、员所处 位置的磁场大小。焊枪所连接输出线缆距离身体最近, 其产生的 电磁场对人体影响最大。工作人员现场作业时焊接 线缆通常是紧贴身体, 所以选取距离线缆 10 cm、20 cm、50 cm 分别进行测量其磁感应强度, 用来模拟 线缆紧贴身体情况。焊接电源本身也是辐射源, 虽然电源外部机箱 能起到一定的磁场屏蔽作用, 但是由于屏蔽材料选取不当和机箱设计不合理等因素的存在势必降低 其屏蔽性能。由此产生的电磁辐射直接作用于人体,对人身安全造成了威胁。选取距焊机水平距离 10 cm、20 cm、50 cm、80 cm、100 cm 处分别进行测量其磁感 应强度综合值, 用来模拟焊工在焊机周围的情况。

12、点焊设备的电极通过的电流较大, 可达到几万安培, 所以在电极周围将产生很大的磁场。工作人 员实施焊接时距离电极较近, 由此产生的电磁辐射 直接作用于人体头部、胸部、手臂。电极附近的磁场强 度可能超出测量设备的量程, 为了保证设备的安全, 所以选取距离电极水平距离 25 cm、50 cm、100 cm 进行测量。实际 焊 接 时 人 体 与 电 极 距 离 通 常 小 于25 cm。2.2 焊接环境电磁场测量结果专题讨论1.2时变电磁场生物效应焊接设备工作时, 输出电流很大, 电压较低。在近场区电场强度非常小, 不足以危害到作业人员。但是由于输出电缆和电极上的电流较大, 会在周围产 生时变磁场,

13、 该磁场将与人体发生耦合作用, 从而 对现场人员安全与健康构成威胁。伴随焊接过程产生的低频磁场作用于人体, 会 在表面和体内产生感应电流, 与电场感应情况相比, 磁感应电压通常较低, 而磁感应电流较高, 这会对 神经细胞、组织细胞、心脏有刺激作用, 当达到一定 强度时将引起电击和灼热感。长期暴露于大于 100 kHz 高频电磁场会使人体产生不均匀的能量沉积和吸 收, 这会导致组织器官温度升高即热效应。电磁场和电磁波作为一种物质形态主要用场 强分布、频率、波长、波形、功率密度和作用时间等 参数描述。因此, 电磁辐射的生物效应与电磁波的场 强、频率、波长、波形、功率密度和作用时间等因素 有关。在作

14、用机制上, 当前电磁辐射生物效应的热效 应已经获得普遍接受, 对电磁辐射生物效应的非热 效应的认识是当前研究和关注的热点。焊接环境下的电磁场对焊接操作者的影响2.2.1弧焊电源测量结果弧焊电源正常工作时会在周围空间产生电磁辐射, 机箱设计、屏蔽材料、电子元器件、输出电流 波形等因素均影响焊机周围的电磁场分布。为了清楚 地了解焊机附近的电磁环境, 选择一款 IGBT 逆变 式 MIG 焊机进行了实际测试, 分别测量不同电流大 小、有无脉冲情况下距焊机不同距离的磁感应强度。 Electric Welding M a chine 13 2焊接环境电磁场测量2.1测量方法在测试前, 应尽可能地了解焊接

15、条件下电磁辐 射源的性质和传播特性, 这有利于适当的选取测试 仪器和准确的进行测量。以下是测量前需要了解的 EMI()图 1 不同输出电流的磁场分布与距离的关系Fig.1 Relationship of magnetic field and distance at var ious cur r ent图 2 线缆测量示意Fig.3 Diagr am of welding cable testing电焊机第 37 卷专题讨论测量环境是焊接工业现场, 测试仪距地高度 50 cm。采用德国 NARDA 公司的 ELT- 400 电磁场测 试仪, 可测频率范围 1400 000 Hz, 量程 80 m

16、T, 选 用各向同性 100 cm2 磁场探头。磁感应强度值为三方 向综合值, 每个测量点数据经 20 s 采样求均方根所 得, 如图 1 所示。使得磁场分布产生畸变。(1)不同类型弧焊电源线缆周围的磁场分布。几种不同弧焊电源输出电流有效值为 100 A 时的线缆附近磁感应强度对比如表 1 所示, 表中综 合值为三方向磁感应强度矢量和经过 20 s 采样并 求均方根所得。由表 1 可知, 相同电流情况下交流方 波电源输出线缆周围的磁场最大, 在垂直方向距线 缆 10 cm 处达到 428 T; 直流 CO2 焊电流 100 A 时, IGBT 逆变电源比晶闸管电源所产生的电磁干扰更 为严重;

17、同时国外焊机的电磁兼容性明显优于国产 焊机, 线缆附近的磁场较小。(2)不同电流形式线缆周围的磁场分布。表 1 电流 100 A 时不同焊机测量结果的对比 Tab.1 Magnetic field measur ements for var ious welding sour ce at 100 A专题讨论该焊机为直流逆变电源, 分别测量其输出电流100 A 无脉冲、250 A 无脉冲、100 A 有脉冲、250 A有脉冲四种状态下, 距离焊机 10 cm、20 cm、50 cm、80 cm、100 cm 处的磁感应强度。由图 1 可知, 距焊机 水平 10 cm 处的磁场较大, 250 A

18、加脉冲情况达到55.8 T; 当距离大于 50 cm 时, 磁场强度很弱, 通 常小于 5 T, 一般不会对人体构成危害。所以工作人员作业时要尽量远离焊机, 避免由焊机产生的电磁干扰对人体造成不利影响。2.2.2 输出线缆测量结果弧焊电源的输出线缆通过不同波形、不同大小 的电流时, 将在线缆附近产生不同的电磁场分布。通常操作人员距离输出线缆较近, 尤其是焊条电弧焊 操作人员, 线缆通常紧贴其身体, 长时间处于线缆 产生的高场强区势必对人身安全与健康造成不利 影响。焊接输出线缆是弧焊环境的主要辐射源。实际焊接现场输出线缆往往错综复杂, 不便进行测量。为 了准确地评估线缆周围的磁场分布, 避免其他

19、因素 的干扰, 将线缆远离焊机和其他辐射源并置于木制 支架上以模拟线缆绕过人体肩膀情况, 如图 2 所示。图 2 中两个木制支架高 120 cm, 间距 50 cm, 采 用 PMM8053A 主机加 EHP- 50 工频电磁场探头进行测量, 针对不同的电流输出波形选择不同的频率范围, 所选取的频带越窄测量的分辨率越高, 测量 数据也越精确。同时测量人员应远离线缆避免人体焊接环境下的电磁场对焊接操作者的影响表 2 为 DC 逆变电源与交流方波电源线缆附近磁场对比, 其中交流方波频率为 50 Hz, 表 2 中电 流值均为有效值。由表 2 可知, 交流方波电源产生的 电磁辐射明显强于 DC 逆变

20、电源, 同时随电流的增 大, 交流方波电源产生的磁场增幅较大。表 2 不同电流线缆周围的磁场分布Tab.2 M a gn et ic field m ea su r em en t s for b en d ca b le a t100 A and 250 A(3)线缆周围磁场的频域分析。14 Electric Welding M a chine EMI()线缆距离L/cmx, y, z 三方向磁感应强度综合值 B/TDC 逆变电源100 A250 A交流方波电源100 A250 A50789417144720102241258645102352764281 102线缆距离L/cmx, y,

21、z 三方向磁感应强度综合值 B/T国外 CO2国产 CO2国外 CO2国产交流 晶闸管 逆变 逆变 方波5065782317120115102292581019723540428图 3 ICNIRP 参考限值曲线1Fig.3 Refer ence levels fr om ICNIRP彭 超等: 焊接环境下电磁场的检测及安全评估第 2 期专题讨论由于电磁安全限值与频率有关, 不同频率的磁场与人体作用将产生不同的影响, 如静磁场环境人 体可承受较大的磁感应强度, 随频率的增加, 磁场 安全限值将会减小。所以从频域角度讨论电磁安全 显得非常必要, 可以对时域信号进行快速傅氏变换, 选取幅值较大的频

22、率成分计算三方向综合值, 所得 结果可以与不同标准各个频率的安全限值作对比。表 3 为交流方波 TIG 焊的时域信号经 FFT 变 换后的测量数据, 表中 100 A、250 A 为输出电流有 效值, 频率 50 Hz 无脉冲情况; 150250 A 为电流基 值 150 A, 峰值 250 A, 脉冲频率 1 Hz 情况。经 FFT 变 换后磁感应强度幅值在工频和倍频处较大。由表 3 可 知, 交流方波 TIG 焊线缆周围的磁场主要表现为工 频磁场, 同时奇次谐波量值也较大; 150250A 加脉 冲和 250 A 无脉冲两种情况各频率上的磁感应强 度相当。表 3 交流方波 TIG 焊线缆周

23、围的磁感应强度Tab.3 Magnetic field measur ements for bend cable, ACsquar e wave power sour ce间电极周围的磁场非常强。表 4 交流座式点焊机数据Tab.4 Data of AC spot welding machine电磁辐射安全防护的标准和对测量3结果的评估3.1ICNIRP 的安全评估限值国际非电离辐射防 护 委 员 会(ICNIRP)向 世 界 各国推荐了电磁辐射限值, 分别针对职业人员与公 众规定了参考限值标准, 如图 3 所示。磁感应强度限 值与频率不是固定值而是呈某种函数关系。专题讨论焊接环境下的电磁场对

24、焊接操作者的影响目前国际上大部分国家趋向于采用 ICNIRP 导则给出的限定值, 因此, 本研究以 ICNIRP 规定的电 磁安全参考标准为例来说明焊接环境电磁安全问 题。由图 3 可知, 限值在小于 820 Hz 范围内不是常数 而是与频率呈函数关系, 并且随着频率的增加参考 限值不断减小。3.2 测量数据与标准参考限值的比较由于焊接电流存在高次谐波, 所以将时域信号 进行傅氏变换, 选取幅值大的频率作为特征频率记 录并与相应频率的限值作比较。图 4、图 5 分别为有 效值 100 A 和 250 A 时交流方波 TIG 焊, 距输出线 缆不同距离时各频率分量的场强对比。由图 4 可知, 两

25、种位置各频率处的幅值均没有 超出参考限值, 但输出电流的基频和高次谐波均产 生了磁场, 并且不同频率的磁场对人体组织的作用 Electric Welding M a chine 15 2.2.3点焊设备测量数据点焊设备输出电流很大, 从几千安培至几万安 培。电流形式也多种多样, 有工频、中频、冲击波等。本 次测量的是交流座式阻焊机, 电流 7.2 kA。分别选取 距电极 25 cm、50 cm、100 cm 处进行测量, 由于点焊 电极周围磁场很大, 采取从远到近的方式测量以免 造成测试设备的损害。用 ELT- 400 电磁场测试仪和各向同性 100 cm2 磁场探头进行测量, 分别测量电极长

26、时间通电和瞬 时通电两种状态的磁感应强度, 数据如表 4 所示。 表 4 中综合值为电极持续通电情况下三方向 磁感应强度综合值, 采样为 20 s。起动峰值为正常点 焊时电极通电瞬间的磁感应强度最大值。由表 4 可 知, 两种情况的数据不在同一个数量级上, 通电瞬 EMI()线缆距离 电流L/cmI/Ax, y, z 三方向磁感应强度综合值 B/T50 Hz100 Hz 150 Hz 200 Hz100161510750250438164617脉冲 1502504292141241002288241120250633264328脉冲 150250659186627100320132920102

27、501 0884110849脉冲 1502501 0453010044距电极水平距离 L/cm综合值 B/T起动峰值 B/mT100489.205020010.982594511.74图 6 交流方波脉冲 TIG 焊 B 值比较Fig.6 Compar ison of magnetic flux density r esults for pulsedTIG, AC squar e wave power sour ce图 4 100 A 时几种不同位置的 B 值比较Fig.6 C om p a r ison of m a gn et ic flu x d en sit y r esu lt s

28、a t var ious position , 100 A图 5 250 A 时几种不同位置的 B 值比较Fig.5 C om p a r ison of m a gn et ic flu x d en sit y r esu lt s a t var ious position , 250 A电焊机第 37 卷专题讨论3.3 低频电磁场诱发的感应电流不同标准所规定的参考限值通常用于实际的 电磁安全暴露评估, 但低频电磁场环境直接和已确定的健康影响相关的是感应电流密度, 高频电磁场 用比吸收率和功率密度等参数来衡量。这类直接影 响人体安全与卫生的参数通常叫做基本限值。参考 限值是基本限值加以一

29、定安全裕度得到的, 满足参 考限值可以保证基本限值不超标, 但是当测量数据超出参考限值时并不能说明其一定超出基本限值。研究表明, 在 41 000 Hz 范围内电流密度达到100 mA/m2 时, 中枢神经系统会发生急剧变化和其他 严重反应, 此频段内 ICNIRP 基本限值是 10 mA/m2, 可见标准所规定的基本限值也包含适当的安全因子。对低频电磁场在人体组织内部诱发的感应电 场和感应电流进行准确测量是电磁安全评估最直 接的方式。由于感应电流非常微弱, 干扰因素很多, 难 以采用电子设备测量, 因此, 研究人体内诱发的感 应电流, 通常采用理论模拟计算获得。感应电流的 理论计算取决于人体

30、模型的模式建立和算法的实 现。如国外研究者建立的简单人体三维模型, 将头部 看成球体形, 脖子、躯体、腿部都看作是半径不等的 圆柱体, 并认为人体组织是均匀、各向同性介质, 导 电率和相对介电常数分别为 0.1 s/m 和 105, 采用电 荷模拟的方法, 计算人体表面的诱发感应电流。但是上述简单几何体和体内组织各向同性的 简单人体模型并不能准确地对身体不同部位和组 织进行评估, 计算结果误差较大不能完全应用于实际安全评估。随着生物医学和计算科学的发展, 用于 评价电磁场在人体诱发感应电流的人体建模技术 取得了较快的发展, 此类技术多基于人体解剖学模专题讨论焊接环境下的电磁场对焊接操作者的影响

31、效果是可以叠加的。虽然单独频率下都不超过参考限值, 但将不同频率实测值与限值的比值进行累加 可能会大于 1, 从而导致超标, 图 4 中 10 cm 处的累 加值为 1.03, 超出了安全标准。电流 250 A 时 50 cm 处同样出现这种情况, 其基频幅值 438 T, 小于参 考限值 500 T, 但计权值达到 1.35。可见, 电流高次 谐波分量在电磁场安全评估时通常不能忽略。由图 5 可知, 电流 250 A 时 20 cm、10 cm 处 50 Hz分量均超出参考限值 500 T, 各频率的累加值达到1.85 和 3.38, 严重超过导则规定的安全标准。图 6 为交流方波脉冲 TI

32、G 焊的测量数据。由图6 可知, 20 cm 和 10 cm 处基频幅值超出限值, 累加 值分别为 2.00 和 3.16。50 cm 处幅值较小, 但累加值 同样超出安全标准, 达到 1.08。交流座式点焊机电极通电电流 7.2 kA 时的实 测数据由表 4 给出, 电流频率 50 Hz。ICNIRP 规定的50 Hz 频率下参考限值为 500T。由表 4 可知距离电 极 25 cm 处的场强值达到 945 T, 几乎两倍于参考限值。除此之外, 由通电瞬间产生的脉冲磁场以及电流谐波产生的高频磁场更为严重, 这势必对操作人 员的安全与健康带来更大的威胁。型而建立, 已经将人体头部模型细化P a

33、 ge 5 216 Electric Welding M a chine EMI()电焊机第 37 卷研究与设计壳和外壳的缝隙、设备间的连接电缆、装配不好的连接器、生锈的零件表面、编制屏蔽层的泄漏, 严格 的讲甚至是一根导线本身等。传导干 扰 和 辐 射 干 扰常常是相伴产生的, 并且在干扰吸收体上相互转 化2。在 TIG 焊机和 CO2 激光器复合之后焊接时, TIG 起弧瞬间激光高压开关便发生自锁, 根本无法实现 复合焊接。经查找原因, 焊机起弧过程中高频干扰强 烈, 不仅从电网中, 而且在空间范围内都有电磁干 扰。所以为把高频干扰程度降到最低, 必须从以上两 个方面进行预防。(3)对 焊

34、 接 电 缆 采 用 金 属 软 管 进 行 屏 蔽(见 图4), 最后接地。焊机的高频振荡器通过焊接电缆输出高频电 压, 该高频电压将在周围产生高频电磁场, 必须对焊接电缆进行屏蔽, 最后通过接地释放高频干扰电磁波。经现场检验, 这一措施对减弱高频干扰最为 有利。(4)合理的布线。母材侧电缆和焊接电缆走向尽量平行, 使两条 电缆产生的感应电压能互相削弱, 降低高频干扰。(5)降低高频引弧过程中高频的频率和振幅。 调节焊机电流上升时间设定按钮, 延长电流上升时间, 使起弧时电流上升斜率缓和, 从而降低了 高频引弧过程中高频的强度。高频干扰的消除根据上述对高频干扰原因的分析, 在激光- TIG

35、复合焊接过程中, 高频干扰不仅以传导的方式, 而且 还以辐射的方式干扰周围的电器设备。在此采取如下 五种措施极好地解决了高频引弧对周围电器设备 的干扰问题, 成功地实现了激光与电弧的复合焊 接。(1)将焊机电源与激光器电源分离, 杜绝高频电 源对激光器电网的污染。(2)焊机机壳和焊接试件分别单独接地。在焊接过程中, 由于高频感应, 机壳和焊接试 件将成为新的高频发射天线, 通过接地使其表面上 的高频感应电压通过大地被释放掉, 从而削弱了其在空间发射的高频干扰波。34结论在激光- 电弧复合焊接过程中, 分析研究高频引弧对焊接电源和激光器的干扰途径, 通过采取相应的措施有效地消除了高频干扰问题, 成功实现了激 光和电弧的稳定复合。参考文献:1GRAF T, STAUFER H.Laser- Hybird WeldingJ.WeldingJounal, 2003(1): 42- 48.王克争, 孙洪源, 李国金, 等. 高频焊接设备电磁兼容性 的研究J.电焊机, 1999, 29(1): 20- 23.2!为头皮、头骨、内部大脑组织等, 各组Ionizing Radiation Protection, Guidelines for limiting exposurei