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近年来,激光技术在金属板材切割领域得到广泛应用,国产数控激光切割机发展迅速。但与此同时,生产厂家对激光切割加工金属板材产生的烟尘及对人体与环境的危害,一直缺少认识和研究。不仅少见有关报道及论述,政府和行业组织对此也缺少相应的规范。
激光切割原理及烟尘分析激光切割原理金属板材激光切割原理有熔化切割及氧化熔化切割两种。熔化切割的机理可以概括为:当入射的激光束功率密度超过某一阈值后,光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这种小孔形成,它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围,然后,与光束同轴的惰性辅助气流把孔洞周围的熔融材料驱除带走。随着工件与光束之间的相对移动,即形成割缝。氮气作为辅助气体切割不锈钢板就是这种机理。氧化熔化切割为使用氧气作为辅助气体,材料在激光束照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应释放出大量的能量而产生另一种热源,因此,氧化熔化切割过程存在两个热源,即激光照射能和氧气与金属化学反应释放能。切割碳钢板时,化学能约占切割所需能量的 60%。氧化熔化切割能获得较快的速度。碳钢板主要采取氧气熔化切割。
激光切割烟尘组分熔化切割机理下,所释放的烟尘主要为板材金属尘埃及烟雾。氧气熔化切割机理下,根据材料的不同,所释放的烟尘主要为氧化铁、氧化锌等金属氧化物颗粒。根据切割工艺的需要,切割前有时需要在板面上喷油,大多采用普通润滑油,这样切割时,将会产生十分复杂的碳氢化合物复合气体及尘埃。通常有:甲苯、二甲苯、甲醛、乙苯、乙酸盐、丙酮、丙酮醛、丁醇、丁乙酸盐、癸烷等等。在切割表面贴聚乙烯保护膜板材时,主要释放出脂族及烯烃化合物,会感到明显的异味。
激光切割加工烟尘颗粒大小金属材料激光切割时,释放出烟尘颗粒大小可分为尘埃(颗粒大小超过 1μm)、气溶胶(颗粒小于 1μm,气溶胶是一种含有细微分布的固体或液体气体)及气体,其中 97%的颗粒直径小于 5.7μm。激光切割烟尘排放量烟尘排放量取决于金属材料加工时切削速度和切削气压的参数,参数设置最佳则排放量最小。除切削参数外,工件材料对排放量有显著的影响。以切割6mm 厚低碳钢板为例,每切割 1m 烟尘排放量为440mg;切割 6mm 厚铬镍材料或镀锌钢板,每切割1m 烟尘排放量为 2000mg,后者烟尘排放量为前者的四倍多。以切割 6mm 厚低碳钢板为例,切割速度为 1.5m/min 时,每小时可释放 39.6g 烟尘,以每天工作 16h 计,每月可释放 19kg 烟尘进入生产环境。如果没有除尘装置或除尘效果不好,工作环境中的颗粒浓度将大大超出 《大气污染物综合排放标准》GB16297 -1996 中 规 定 ———颗 粒 物 排 放 最 大 值150mg/m3。4 激光切割烟尘对人体危害激光切削金属板材时,产生的气溶胶和尘埃,97%的直径小于 5.7μm,这意味着绝大多数烟尘可被人体吸入体内。根据切割材料的不同,有的烟尘还会产生铬酸盐等致癌物质,如不锈钢切割。同时,由于板面喷油及板面贴聚乙烯膜产生的复杂碳氢化合物均会伤害人体及破坏环境。
激光切割加工现场尘埃防护现状目前,在国产激光切割机切割操作现场,除尘系统极不完善,从业人员基本没有关于呼吸道的防护用品。加之国产激光切割机应用范围小、操作人员流动性大,对从业人员的职业病防治及认定,仅仅限于眼睛、皮肤等辐射伤害。迄今为止,操作人员呼吸道疾病的防治,还没有提上议事日程。国产激光切割机除尘系统与国外相比差距大,大大影响了国产激光切割机在国际市场的竞争力,这种情况目前有进一步恶化的趋势,业内人士必须有清醒认识。国内激光切割机用户对激光切割烟尘危害了解和认识不够,需要加大宣传与引导,充分了解烟尘的危害,抵制无除尘系统或低成本除尘系统的机床进入市场。呼吁政府和相关行业组织尽快制定相应的激光加工生产规范,制定激光加工职业病防治标准和具体实施条例。