浅谈激光的应用领域

   近几年，固体激光在工业领域的应用随着激光器技术的提高得到迅猛发展，特别是在激光切割和激光焊接应用方面更为突出。无论是传统的Nd：YAG灯泵浦激光器(波长1064nm)，还是近几年普及的光纤激光器(波长1070～1090nm)，随着功率的增大和光束质量的提高，激光加工技术及装备在汽车、航空航天、机械、电子等行业的应用正逐渐替代传统加工工艺，成为新的制造工艺标准。

　　与此同时，激光加工的安全也备受重视。固体激光由于其波长范围的特点，更易对人体造成伤害——位于近红外光波段的固体激光对视力有很大影响，人眼将激光束聚焦到视网膜上会对视网膜造成损伤，这与用放大镜将太阳光聚焦可在纸上烧洞的原理是一样的，而且聚焦在视网膜上的激光功率密度是角膜上激光功率密度的10万次方倍，视网膜烧洞或损伤均会对视力造成永久性伤害甚至失明。对大多数激光器而言，通常一秒钟的时间就会造成伤害。当人体面对这样的激光束，连眨眼的时间都来不及。一般情况下，皮肤比眼睛更能忍受较长时间的激光辐射，但固体激光红外光辐射对皮肤的伤害较大，能使皮肤烧焦、烧伤、晒黑，若激光功率很高还会使皮下器官受损。

　　为了保证激光加工的安全，一方面要求激光设备制造商设计制造安全性高的激光设备，另一方面使用激光设备的用户需要严格遵守激光设备的安全操作规范。

　　具体而言，激光加工安全可分为以下几类：激光器辐射安全、设备防辐射装置、设备安全设计、安全操作规范及工程技术管理。

　　1.激光器辐射安全

　　激光器自身的辐射安全是第一步，大多数固体激光器采用全封闭式设计，就是为了避免直接激光辐射。激光出光接口也必须做密封设计，如各种光纤传导接口都制定了统一的接口标准，就是为了激光器和激光头能够无缝对接，避免对外辐射，佩戴激光防护眼镜也有效防护激光的辐射伤害。

　　2.设备防辐射装置

　　激光加工设备常分为机床结构和机器人结构两种。设备的激光辐射主要来自于激光头和加工工件之间的反射。机床类激光设备主要采用一体化防护罩和专业防护玻璃来减少辐射。

　　防护罩和机床整体设计，通常采用不透光的钣金材料，有效阻断了激光辐射对操作者可能带来的伤害，也能够隔离机床和人体，防止高速运动对人身的可能性撞击。

　　专业防护玻璃常安装在防护罩的观察窗口位置，便于操作员观察机床运行情况。防护玻璃要求过滤掉一定波长范围的激光辐射，所以二氧化碳激光和固体激光设备使用的防护玻璃类型是不同的，前者主要过滤吸收10600nm波长的激光，后者则主要过滤1070nm左右的激光。

　　3设备安全设计

　　设备安全设计更多的是通过对激光的控制来实现。

　　防护罩：每个激光产品必须装有防护罩以防止人员接触超过1类的激光辐射。

　　挡板和安全联锁：可接触的发射水平不低于给定类别的可达发射极限AEL值，激光产品需要安全联锁，安全联锁的设计必须能防止挡板移开。

　　钥匙控制器：属于3B类和4类的任何激光系统必须安装钥匙控制器，钥匙控制器是指用钥匙操作的总开关。钥匙必须是可取下的,并要由专人保管,钥匙也可以是磁卡、密码系统。

　　对于4类激光产品宜采用遥控操作，避免工作人员直接进入激光辐射区域。

　　激光安全连锁控制、防护门开关和安全光栏设计能有效提高设备的安全等级，求激光的出光控制信号必须同机床急停按钮和防护门开关信号联合，并通过安全继电器控制。激光安全连锁控制可防止激光误输出，确保急停按钮按下后、或防护门打开后立即关闭激光输出。防护门打开或安全光栏触发后，除激光输出被禁止外，机床也会暂停运行。安全继电器是独立于设备主控制系统以外的控制单元，它通过实时监控急停按钮、防护门开关等信号，对激光出光控制信号进行连锁控制，确保激光控制安全可靠。

　　4、安全操作规范

　　操作激光器的工作人员必须接受专业教育和培训，必须熟悉激光系统整个工作过程，操作过程中做好个人防护，正确执行危害控制程序，正确使用警告标记，建立事故报告程序，了解激光对眼和皮肤的生物效应。

　　5、工程技术管理管理使用激光器必须由专业专职人员来进行，未经培训人员不得擅自开启使用激光器。在激光设备的触发系统上装设联锁钥匙开关，确保只有用钥匙打开联锁开关后才能触发启动，拔出钥匙就不能启动。在安放激光器的房间要有明亮的光线，人在明亮光线的环境下，眼睛瞳孔会缩小，能在激光光束射入眼睛时减少透射到视网膜上的进光量。对于安放激光器的高度，激光束路径应避开正常人站立或坐着时的视线水平位置，眼睛的视轴不能与出光口平行。

　　另外，按照设备操作规范来操作设备是保证人身和机器安全的关键所在。机器操作者和观察者必须佩戴1.06μm波长的OD8防护眼镜，这样可保护眼睛不受辐射，同时防止飞溅物溅入眼睛;操作者应配备手套，以防在工作台上握加工材料时被切伤或烫伤;操作者还应配备钢靴以防加工材料掉下打伤脚;为保护其它部位，操作者最好穿上工作服或全棉衣物;在高压气体切割时，操作者要戴上耳罩，防止产生耳鸣。

　　激光切割或焊接是一种热处理过程，存在火灾隐患，如果采用的辅助气体为氧气则风险更大，因此必须在就近的无障碍处设置灭火器装置。同时，还需开启设备系统，减少激光加工过程中产生的废气对人身的伤害。

　　机器上有高压电，操作人员在维护期间，靠近电缆或在电气柜内操作时一定要格外小心。

　　用激光切割任何一种新材料之前，操作者必须仔细了解材料制造商或供货商提供的材料数据表，从而预计切割时是否会有某些危险的副产物，或提前采取安全应急措施以确保切割区域内操作者及其他人员的安全。以下是常见的几种切割材料注意事项：

　　用激光加工镀锌或电镀金属时会产生气状氧化锌，若人体吸入较多可能会引起中毒。

　　激光切割不锈钢时，会产生氧化铬，对皮肤有刺激性和腐蚀性，甚至很可能致癌。

　　激光加工特氟纶(PTFE)时，材料会释放出有毒气体氟化氢，危害很大，若没有严格的保护措施和良好的抽烟除尘系统，决不能进行特氟纶加工。

　　用激光进行来克桑(聚碳酸脂)和ABS(丙烯碃)塑料加工时，均会释放出具有刺激性的有毒浓烟，因此在加工此种类型材料时一定要采用良好的抽风除尘系统。

　　进行PVC(聚氯乙稀)激光切割时会产生HCl剧毒气体，此气体溶解于水即成盐酸，对金属和组织均有破坏作用。

　　激光切割石棉时会产生大量灰尘，建议任何环境下都不要在激光设备上直接进行石棉加工。

　　另外，有些材料上的涂层或涂油在激光加工时会产生有害毒烟，塑料上的纸质层会燃烧。

　　华工激光作为国家激光标准秘书处承担单位，筹建了“全国光辐射安全和激光设备标准化委员会大功率激光器应用分技术委员会”，并牵头组织制定相关激光国家标准。我们呼吁全球关注激光安全问题，共同营造健康安全的激光加工环境，推动激光行业健康发展。

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