自动变光焊接滤光片关键性能指标研究

发布时间：2010-05-13 17:03 来源：本站 作者：admin

1、 焊接作业中的眼面防护要求

焊接是制造业中的一项关键加工工艺，在冶金化工、机械制造、精密仪器、医疗器械、航天航空等行业中广泛运用，对工业化国家的各类产品质量保障起重要作用。美国焊接就业人数在1996年就超过200万，占全美制造业总人数的10%以上。考虑到美国制造业工业产值为我国4-5倍，人均劳动生产率为我国25倍的状况，及两国焊接生产水平方面的因素，按保守方法估算，目前我国焊接行业就业人数应在一千万人左右^[1]。近几年我国用于手工焊接的电焊条年产量约为80-90万吨，占整个焊料产量的80%-90%左右^[2]，说明我国人工焊接比例相当高，作业者受焊接作业伤害的危险较高。

焊接作业中的主要危害因素为焊接弧光。弧光是焊接时设备与工件之间产生的强光，包含紫外线、可见光、红外线；产生的职业安全健康危害包括暂时性失明、电光性眼炎、职业性白内障（俗称焊工眼）等。这些职业健康安全危害给作业者带来痛苦，对受伤者劳动能力造成极大影响，对生产造成损失，因此焊接作业中的眼面防护得到相当程度的重视，产生了各类焊接眼面防护装备。

2、 焊接眼面防护装备现状

焊接眼面防护装备主要包括焊接眼镜、焊接面罩等。能降低焊接弧光对眼部的伤害。焊接眼面护具的防护能力用遮光号表示，遮光号越高，对应的可见光透射比越低，防护能力越强。实现防护功能的关键部件是焊接滤光片，分为被动与主动两种。传统的被动式焊接滤光片一般为玻璃材质，应用镀膜等工艺，使其可以吸收或反射特定波长的光能量，起到滤光作用；以液晶技术、传感器及自动控制技术为基础的主动式滤光片可以根据不同作业情况调整明暗，被称为自动变光焊接滤光片，关键技术指标为响应时间。

传统焊接滤光片的优点为：成本低廉、易于更换；缺点为：适用范围窄、须针对不同焊接工艺选择不同滤光片、未起弧时作业者无法看清工件、需频繁摘戴以确保焊接质量、需要用手操作，不适用于高处作业等应用场合。

随着液晶工艺、传感器及自动控制技术的发展，自动化焊接眼面防护装备大量涌现，其核心部件为自动变光焊接滤光片。这种滤光片可监测焊接作业现场光强，自动调整滤光片明暗。

自动变光焊接滤光片与传统光片相比较，优点在于：一块滤光片可对应多种焊接工艺需求；焊弧未点燃，滤光片未变暗时，不影响作业者观察作业现场。在欧美发达国家，以自动变光焊接滤光片为核心部件生产的焊接防护装备已成为市场主流。我国是工业大国，焊接工艺应用于各种生产过程中，自动变光焊接滤光片也有充分市场需求。目前一些国内企业已掌握自动变光焊接滤光片生产技术，但生产的产品多数出口到欧美国家。

3、 自动变光焊接眼面护具防护原理

       自动变光焊接滤光片的主要部件为：液晶光阀、光电传感器、控制电路等^[3]（图1）。光电传感器监控焊接作业现场的光强、控制电路依据光强变化情况对液晶光阀加控制信号、液晶光阀明调整可见光透过率，实现防护功能。传统被动式焊接滤光片的可见光透过率一直保持在一个非常低的水平，焊弧末点燃时，很难透过滤光片对作业情况进行观察。自动变光焊接滤光片在明态（低遮光号）时间可见光通过率较高，只在焊弧点燃时降低透过率，因此透过率由高降低的速度非常重要，决定了滤光片是否能够真正有效保护人眼。这项指标以响应时间衡量。

 

图1 自动变光焊接滤光片结构图

 

4、 响应时间与产品性能要求

4.1 响应时间定义

   响应时间是衡量自动变光焊接滤光片防护性能的最主要指标，用以表示自动变光焊接滤光片在焊弧点燃时由明态（高透过率）转化为暗态（低透过率）的过程（图2），按照式1计算：

 

图2 响应时间

    式1中r₁ 液晶光阀的明态透射比，r₂ 为焊接滤光片的暗态透射比。以焊弧点燃时刻为起始时刻，液晶光阀透射比下降到暗态透射比的3倍时为终止时刻，对起变光过程的透过率进行积分，并除以明态透过率。这种定义方法考虑了整个变光过程中的透过率变化过程，可以较为准确的衡量滤光片对人眼的保护作用。

4.2 自动变光焊接护具产品响应时间特性分析

        欧美已经形成了一系列自动变光焊接滤光片相关产品及测试标准，欧洲标准BS EN 166:2002-Personal eye protection- Specifications（个人眼部防护-规范）中规定：自动变光焊接滤光片的响应时间应符合 EN379:2003 Personal eye – protection- Automatic welding filters （个人眼部防护-自动变光焊接滤光片）^[4] 要求（表1）^[5] 。

表1 欧洲标准中响应时间技术要求

 

5、 响应时间影响因素分析

5.1 自动变光焊接滤光片的工作过程：

焊弧末点燃时，滤光片处于明态（透过率高）；焊弧点燃时，控制电路检测到光电传感器输出信号的上升，通过电压信号调整液晶光阀的透过率，滤光片转换为暗态（透过率低），实现对眼睛的保护。弧光熄灭后，控制电路撤去电压信号，滤光片恢复为明态，便于作业者观察焊接效果。

5.2 滤光片的主要功能部件

   （1）液晶光阀

液晶光阀是实现透过率控制的关键部件（图3、图4），由基片、液晶材料、导电氧化物薄膜组成。

图3 液晶光阀

图4 液晶光阀的结构

基片由镀膜玻璃制成，有紫外线和红外线防护作用，两层基片之间注入液晶材料，形成液晶光阀的主体。对基片进行摩擦处理，使液晶分子有向排列，形成取向表面（图5）。光束入射时，由于液晶分子的阻挡，部分偏振分量无法通过液晶层，这样就阻挡了一部分光束能量透过。通过在两块玻璃基片上镀透明导电氧化物薄膜的方式，可在液晶层两端施加电压，改变液晶分子的排列方式，对透过率进行调整。

（2）光电传感器及控制电路

滤光片上集成的光电传感器将作业现场的光信号转化为电信号，控制电路对光电传感器输出（作业现场光强度变化）进行监测，并控制液晶光阀明暗态转换。起弧时对液晶光阀加一时序脉冲电压信号（图6），使光阀转换为暗态（透过率低），脉冲信号终止时液晶光阀切换回明态（通过率高）。

图5 液晶分子的排布

图6 控制信号

 

5.3 滤光片响应时间影响因素

影响滤光片响应时间的因素主要有：滤光片光电传感器特性、控制电路性能、液晶光阀响应速度。

光电传感器特性：光电传感器负责检测作业现场光强，其性能对滤光片的响应时间会产生较大影响。光电传感器的表现，与其原理、制作工艺、最大敏感波长有关。由于焊弧点燃时会产生较高的红外辐射，因此红外传感器在自动变光焊接滤光片上广泛采用。红外传感器具有灵敏、抗干扰性好等优点，成本较低，工艺成熟。

控制电路性能：滤光片上的控制电路主要负责光电传感器的输出电信号进行监测，以及调节液晶层端电压，一般采用单片机控制电路。控制电路性能，对滤光片是否能稳定工作及响应时间影响很大。由于焊接滤光片体积有限，因此对生产商电路设计水平提出较高要求，是不同自动变光焊接滤光片响应时间差异的主要原因之一。

液晶响应速度：液晶光阀接受控制电压信号之后的响应速度，直接影响焊接滤光片的变光快慢，进而影响响应时间。液晶光阀的响应速度与液晶材料、温度、驱动电压有关。TN材料常被用作液晶光阀材料，温度降低时液晶光阀的响应速度会受到一定影响，而升高驱动电压则可以改善液晶光阀的响应特性。

6、  总结

自动变光焊接防护装备由于适用作业范围宽、防护自动化，提升了使用便利性和安全性。已被欧美发达国家广泛采用，我国焊接作业企业也正在越来越多的应用自动变光焊接防护装备。自动变光焊接滤光片的核心元件是自动变光焊接滤光片，其关键技术指标是响应时间，目前国内缺乏响应时间的快速测试技术，应尽快开发响应时间的快速测试技术，以促进先进技术在个体防护装备领域的应用。提升安全生产水平、为国家进行产品质量监督提供技术支持。

参考文献

[1]张金娟，王磊，宋伟，我国焊接行业的现状及与发达国家的差距《黑龙江科技信息》2009（27）

[2]陈苏雷，李艳，电弧焊焊接材料的发展现状及趋势《太原科技大学学报》2005年2期

[3]United States Patent Number:5，189,735

[4]BS EN 166:2002 Personal eye- protection- Specification

[5]BS EN 379：2003 Personal eye-protection- Automatic welding filters

 

 

 

来源：《中国个体防护装备》