Безопасность жизнедеятельности основы безопасности при работе с лазерным излучением. Учебное пособие

зумном соотношении универсализации и специализации технологи- ческого лазерного комплекса. Так как размер амортизационных от- числений составляет около половины стоимости 1 кВт/ч лазерной энергии, экономичность изготовления является одним из принципи- альных факторов, определяющих перспективность промышленного внедрения лазерной технологии.

Все это определяет понятие «промышленный лазер», к которому предъявляют следующие требования:

–необходимые параметры: уровень мощности, качество и ста- бильность излучения;

–экономичность эксплуатации и изготовления, выражающиеся в минимальной стоимости 1 кВт/ч энергии излучения, в величинах общего и межремонтного ресурса и надежности;

–управляемость системой автоматического управления мощно- стью и пространственным положением пучка, а также основными внутренними параметрами технологического лазера;

–он должен быть схемной и конструктивной составной частью автоматизированного лазерного комплекса;

–безопасность в эксплуатации, высокий уровень гигиеничности

идизайна;

–наличие промышленного выпуска технологических лазеров и их комплектующих деталей.

1.4.Автоматизированные лазерные технологические комплексы

Автоматизированный лазерный технологический комплекс (АЛТК) предназначен для выполнения различных операций лазерной обработки изделий как автономно, так и в составе автоматизирован- ной линии, участка и т.д. В состав АЛТК должны входить следую- щие автоматизированные системы (рис. 1.7): технологический лазер (ТЛ), система транспортировки и фокусировки излучения (СТФИ), лазерный технологический пост (ЛТП), обрабатываемое изделие, ла- зерный робот. Система автоматического управления (САУ) АЛТК предназначена для программного управления всеми системами и включает компьютер, управляющий системами автоматизированного лазерного технологического комплекса и соответствующими устрой- ствами связи. Лазерный технологический пост предназначен для от- носительного перемещения детали или пучка энергии, а также для подачи вспомогательных газов и материалов. Если в состав АЛТК

21

входит робот, то в его функции, кроме манипулирования деталью или пучком, входит снятие детали с конвейера, установка ее в мани- пулятор, снятие детали с манипулятора после обработки и передача ее на конвейер.

Рис. 1.7. Схема автоматизированного лазерного технологического комплекса: 1 – технологический лазер; 2 – система транспортировки и фокусировки излучения; 3 – лазерный технологический пост; 4 – обрабатываемое изделие; 5 – лазерный робот

1.5. Области применения технологических лазеров

Основными областями применения технологических лазеров яв- ляются сварка, резка (разделительная, поверхностная и размерная обработка) и поверхностная термообработка (закалка, плакирование, легирование, ударное упрочнение, химико-термическая обработка).

1.5.1. Лазерная сварка

Лазер используют для сварки:

–листовых материалов толщиной 60 мм;

–труб с продольным и кольцевым швом, а также для приварки фланцев и трубных досок;

–различных деталей механизмов и машин.

22

Достоинствами лазерной сварки являются:

–большая скорость, простота процесса в отличие от традицион- ных методов сварки, требующих замены оборудования для обработ- ки различных материалов; при лазерной сварке практически для всех металлов используется одна и та же лазерная оптика, те же газовые сопла и тот же защитный газ;

–отсутствие необходимости в вакууме и возможность получения сварных швов «кинжальной» формы, что имеет место при электрон- но-лучевой сварке, осуществляемой в вакуумных камерах;

–широкий класс свариваемых материалов (от алюминия до пла- стиков); возможность сварки друг с другом разнородных материалов, не свариваемых иными способами (например, стеллита с углероди- стой сталью);

–улучшенные механические свойства, что уменьшает спо- собность металлов к образованию холодных и горячих трещин и исключает деформацию и коробление (по сравнению с дуговой сваркой при лазерной сварке снижается уровень остаточных де- формаций в 3–5 раз).

Основными недостатки технологии лазерной сварки являются:

–низкий КПД;

–высокие требования к качеству сборки под сварку;

–сравнительно высокая цена технологического лазера;

–необходимость защиты персонала от прямого и отраженного излучения.

Лазерная сварка экономически целесообразна, когда необходима высокая точность сварки, высокая производительность и высокое качество сварки крупногабаритных деталей при монтаже изделий, минимальная деформация деталей и минимальное изменение свойств материала; сварка не может быть осуществлена другими методами; свариваются магнитные материалы.

1.5.2. Поверхностная и разделительная лазерная сварка

Лазерная разделительная резка используется для резки:

–тонколистовых труднообрабатываемых высокопрочных спла- вов на основе железа, титана, молибдена и т.д.;

–неметаллических материалов: пластмассы, тканей, стекла, ре- зины, дерева, керамики и их композиционных соединений;

–объемных заготовок: труб, штампованных изделий и т.д.

23

Лазерная поверхностная резка материалов используются для мар- кировки, скрайбирования и т.п.

Лазерная размерная обработка материалов используются для соз- дания в материалах отверстий, или углублений, расположенных в определенном заданном порядке.

По сравнению с механической обработкой на фрезерных станках,

при помощи ножниц, путем штамповки и т.д. лазерная разделитель- ная резка обеспечивает:

–повышение в 2 раза коэффициента использования материала листа за счет компактной раскладки деталей в раскрое;

–снижение трудоемкости изготовления, сокращение количества обслуживающего персонала за счет сокращений количества опера- ций, повышение скорости резки;

–экономию твердосплавного инструмента при резке труднооб- рабатываемых материалов;

–улучшение условий труда за счет легкости механизации и ав- томатизации процесса.

По сравнению с термическими процессами резки лазерная резка обеспечивает:

–более высокое качество (при высокой производительности) за счет снижения ширины реза, глубины зоны теплового воздействия, неперпендикулярности кромок;

–снижение трудоемкости изготовления, уменьшения обслужи- вающего персонала за счет устранения термических деформаций и последующей механической обработки кромок и правки деталей;

–универсальность процесса, т.е. возможность резки на одном и том же оборудовании не только металлов, но и любых неметалличе- ских материалов.

Основными недостатками лазерной резки являются:

–высокие эксплуатационные затраты за счет применения более дорогих, дефицитных газов и оптики, повышенного расхода электро- энергии, сравнительно высокой цены технологического лазера;

–ограниченная область использования, а именно изготовление единичных или малосерийных деталей, при опытном производстве, а также когда требуется высокая точность и качество реза без после- дующей термической обработки деталей.

24

1.5.3.Лазерная обработка поверхностей

идеталей

Косновным направлениям лазерной поверхностной термообра- ботки относят:

– закалку инструмента и штампов импульсным излучением;

– обработку ответственных участков деталей механизмов и машин, работающих в условиях трения (при массовом производ- стве деталей);

– легирование и наплавку для повышения износо- и теплостой- кости, а также для ремонта изношенных деталей сельскохозяйствен- ных машин, машин и механизмов дорожного строительства и т.д.

Кдотоинствам лазерной поверхностной обработки следует отнести:

–возможность осуществления прецизионного контроля глубины обработки;

–экономию энергии за счет селективного упрочнения только лишь необходимых участков;

–возможность использования в качестве основы при изготовле- нии деталей материалов более низкой стоимости с последующим улучшением свойств материала деталей за счет лазерной обработки;

–снижение деформации деталей и исключение в большинстве случаев необходимости доводки детали.

Лазерную поверхностную термообработку экономически целесо- образно применять в следующих случаях:

–при обработке поверхностей особо сложной конфигурации, ко- робление которых должно быть сведено к минимуму;

–при трудности подвода теплоты к обрабатываемой зоне обыч- ными методами;

–при малой поверхности обрабатываемой зоны по сравнению с размерами изделия.

25

2. ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛАЗЕРОВ

2.1. Факторы, сопутствующие эксплуатации лазерной установки

2.1.1. Первичные и вторичные факторы

Универсальные свойства лазерного излучения, к которым от- носят монохроматичность, когерентность, мощность и направ- ленность, непрерывно расширяют сферу его использования и широкого внедрения в различные технологические процессы.

При работе с лазерной техникой на производстве возникает целый комплекс опасных и вредных производственных факторов. Следует отметить, что количественные и качественные характе- ристики негативного воздействия лазерного излучения зависят от его энергетических параметров и физико-химических свойств обрабатываемого материала.

На рис. 2.1 приведена структурная схема опасных и вредных производственных факторов, воздействие которых возможно при эксплуатации лазерных установок.

При эксплуатации технологических лазерных комплексов наиболее неблагоприятными производственными факторами яв- ляются: повышенный уровень шума и загрязнения воздуха рабо- чей зоны аэрозолями и вредными химическими веществами, на- личие электромагнитного и ионизирующего излучений. В свою очередь на общую санитарно-гигиеническую обстановку сущест- венное влияние оказывают параметры микроклимата на рабочих местах эксплуатации лазеров, зависящие от подвижности и влажности воздуха в рабочих помещениях, температуры, интен- сивности тепловыделений, а также от общего фона, создаваемого работой узлов и агрегатов лазерных установок.

26

Излучение оптического диапазона

Продукты радиолиза воздуха

Ионизирующее излуче- ние

Шум, вибрация

Рис. 2.1. Опасные и вредные производные факторы, сопутствующие эксплуатации лазера (установки)

Опасные и вредные производственные факторы на рабочих мес- тах операторов лазерных установок условно делят на первичные и вторичные.

К первичным факторам опасности и вредности на рабочих местах технологических лазеров относят факторы, источниками которых яв- ляется сама лазерная установка. Вторичные факторы имеют место в результате взаимодействия процесса лазерного излучения с объектом

27

его воздействия (мишенью). К первой группе факторов относят: ла- зерное излучение, повышенное значение напряжения в электрической цепи, наличие электромагнитных полей, световое излучение импульс- ных ламп накалки или газового разряда, повышенный уровень акусти- ческих колебаний и вибрации от работы вспомогательного оборудова- ния, повышенная запыленность или загазованность воздуха рабочей зоны, наличие рентгеновского излучения при работе электровакуум- ных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторая группа факторов включает в себя отраженное лазерное из- лучение, аэродисперсные системы и акустические шумы, которые образуются в результате взаимодействия лазерного облучения с ми- шенью, а также излучение плазменного факела. Опасные и вредные факторы, источники их возникновения и перечень нормативно- технической документации (НТД), регламентирующей их воздейст- вие, представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Опасные и вредные производственные факторы, источники их возникновения и НТД, регламентирующая их воздействие

28

2.1.2. Воздействие лазерного облучения

Результаты многочисленных медико-биологических экспери- ментов свидетельствуют о сложной зависимости биологического воздействия лазерного излучения от его пространственных и энергетических характеристик, условий облучения и от индиви- дуальных особенностей биологического объекта. Механизм био- логического действия лазерного излучения до сих пор оконча- тельно не выяснен. Под влиянием воздействия лазерного излуче- ния может происходить нарушение жизнедеятельности как от- дельных органов, так и всего организма в целом. Лазерное облу- чение, в первую очередь, может представлять опасность для ра- ботающих, вызывая в его организме всевозможные патологиче- ские изменения, функциональные расстройства органов зрения, центральной нервной и вегетативной систем. В свою очередь, существенную опасность лазерное излучение представляет для функционирования внутренних органов, таких, как, печень, спинной мозг и т.д. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органов зрения, сопровождающаяся наличием поверхностного ожога, степень которого связана с пространст- венно-энергетическими и временными характеристиками данно- го излучения.

29

2.1.3. Воздействие аэрозолей и вредных химических веществ

Наличие аэрозолей и вредных химических соединений в воздухе рабочей зоны на производственных местах с применением техноло- гических лазеров объясняется их выделением из узлов лазеров или образованием при действии его излучения на обрабатываемые мате- риалы. Активные элементы при эксплуатации твердотельных и по- лупроводниковых лазеров не являются источником загрязнения воз- душной среды на рабочих местах. В жидкостных лазерах активная рабочая среда представляет собой раствор красителей или редкозе- мельных элементов в ацетоне, диметилформальдегиде, спиртах, ки- слотах и др. Особо токсичными являются селинил в присутствии че- тыреххлористого олова и оксихлорид фосфора. В газовых лазерах активной средой является азот, смеси газов в определенных соотно- шениях (азот, водород, углекислый газ, гелий, кислород и др.). В данных лазерах особую опасность представляют смеси газов САПРами металлов, брома и шестифтористой серы. В схемах хими- ческих лазеров для создания активной рабочей среды используют смеси водорода и дейтерия со фтором, хлором и бромом, а также смесь сероуглерода и кислорода. При увеличении мощности лазер- ного излучения в воздух рабочей зоны могут поступать пары нитро- бензола, сероуглерода, бромбензола, бензола.

Дополнительными источниками загрязнения воздушной среды на рабочих местах могут являться системы охлаждения лазерных установок, в которых широко используют азот, фреоны, низкоза- мерзающие водоспиртовые, водоглицериновые и этиленгликоле- вые антифризы.

При работе лазеров имеет место процесс ионизации воздуха, сопро- вождающийся образованием озона, окислов азота, окиси углерода.

В процессе взаимодействия лазера с мишенью при обработке ра- бочих поверхностей различных материалов в воздух рабочей зоны попадают вредные вещества.

При лазерной обработке (резанье, прошивка отверстий, наплавка металлами) металлов воздух загрязняется продуктами эрозии в виде металлов и их окислов. При обработке неметаллических материалов (стеклопластиков, текстолита, фенолформальдегидных смол и др.) под воздействием высоких температур и света воздух рабочей зоны загрязняется продуктами их деструкции.

30