GB/T 41643-2022 高功率激光制造设备安全和使用指南

　　ICS 31 . 260 CCS L 51

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41643—2022

　　高功率激光制造设备安全和使用指南

　　Guidance and safety requirements for

　　high power laser manufacturing equipments

　　2022-10-12 发布 2022-10-12 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 41643—2022

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　引言 Ⅱ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 总则 3

　　5 需考虑的因素 3

　　5 . 1 设备文件留存 3

　　5 . 2 环境安全检查 3

　　5 . 3 设备基本信息记录 4

　　5 . 4 危害评估 4

　　5 . 5 标识标记 9

　　5 . 6 控制措施 9

　　6 激光安全员 10

　　6 . 1 概述 10

　　6 . 2 宜掌握的知识和技能 10

　　7 激光安全管理委员会 11

　　7 . 1 概述 11

　　7 . 2 激光安全委员会的成员 11

　　7 . 3 激光安全委员会的职责 11

　　8 激光安全培训 11

　　8 . 1 概述 11

　　8 . 2 初级培训 11

　　8 . 3 中级培训 12

　　8 . 4 高级培训 12

　　附录 A(资料性) 附表 13

　　附录 B(资料性) 计算方法举例 16

　　B. 1 激光产品安全分类计算举例 16

　　B. 2 MPE计算举例 17

　　B. 3 NOHD计算举例 17

　　B. 4 OD计算举例 17

　　参考文献 18

　　GB/T 41643—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国机械工业联合会提出。

　　本文件由全国光辐射安全和高功率激光制造设备标准化技术委员会(SAC/TC 284)归口 。

　　本文件起草单位：北京工业大学、武汉华工激光工程有限责任公司、奔腾激光(温州)有限公司、深圳市鼎信科技有限公司、常州天正工业发展股份有限公司、浙江工业大学、大族激光智能装备集团有限公司、温州市质量技术检测科学研究院/浙江省激光与光电产品质量检验中心、浙江久恒光电科技有限公司、国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司、中车南京浦镇车辆有限公司、山东华光光电子股份有限公司、杭州银湖激光科技有限公司、度亘激光技术(苏州)有限公司、深圳市计量质量检测研究院、湖北省标准化与质量研究院。

　　本文件主要起草人：陈虹、李婷、吴让大、谢晋雄、韩立成、姚建华、曾丽霞、黄山石、吴旭浩、王璞、何玉朝、火巧英、周小庄、肖成峰、卢飞星、张艳春、黄志凡、钱辉敏、李向召、谢秋琪、张狮昊、吴金津。

　　Ⅰ

　　GB/T 41643—2022

　　引 言

　　以激光作为工具用于制造业已经带来了一系列变革，对光的了解和控制是实现激光制造产业化的关键前提。 高功率激光制造设备是激光制造领域的核心，其激光安全是不容忽视的重要环节。 通过对国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO) 和美国国家标准学会(ANSI) 等标准化组织制定的相关标准的调研，在激光危害评估、安全分类和控制措施方面，相关标准已达成国际一致。

　　本文件与 GB/T 18490 . 1—2017 和 GB/T 7247 . 5—2019 存在区别与联系，这两个标准规范了做什么，本文件为怎么做提供了指导和建议。

　　本文件中涉及激光产品安全分类的计算按照 GB 7247 . 1—2012 的相关条款执行;涉及最大允许照射量 MPE值，及以 MPE值为计算依据的相关参数的计算，按照 ANSI Z136 . 1—2014 的相关条款执行。

　　本文件预期将有助于高功率激光制造设备使用的规范管理和提质增效。 遇到问题时，做到责任认定清晰，上能溯源、下能追底、免责有据。

　　Ⅱ

　　GB/T 41643—2022

　　高功率激光制造设备安全和使用指南

　　1 范围

　　本文件提供了高功率激光制造设备安全运行程序的指导和建议。 给出了设备文件及记录，安装和使用环境检查评估，激光辐射危害评估，非光辐射危害评估，标识标记检查，控制措施检查，以及激光安全员、激光安全管理委员会和安全培训等环节中与需考虑要点有关的信息。

　　本文件适用于预期用于工业制造以及预期不用于工业制造，但可能会被用户在合理条件下用于制造的 3B类或 4 类激光产品，包括嵌入 3B类或 4 类激光光源的制造设备。 本文件不适用于包括娱乐、演示、校准、测量、教育和医疗等用途的激光产品。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 7247 . 1—2012 激光产品的安全 第 1 部分：设备分类、要求

　　GB/T 7247 . 5—2017 激光产品的安全 第 5 部分：生产者关于 GB 7247 . 1 的检查清单

　　GB/T 7247 . 13—2018 激光产品的安全 第 13 部分：激光产品的分类测量

　　GB/T 15313—2008 激光术语

　　IEC 60825-1 : 2014 激光产品 的安全 第 1 部分：设备分类、要求 (Safety of laser products— Part 1 : Equipment classification and requirements)

　　3 术语和定义

　　GB 7247 . 1—2012、GB/T 15313—2008、GB/T 7247 . 13—2018 和 IEC 60825-1 : 2014 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　可达发射 accessibleemission;AE

　　在某个位置使用孔径光阑(AEL 以瓦特或焦耳为单位)或限制孔径(AEL 以 W/m-2 或 J/m-2 为单位)根据 GB 7247 . 1—2012 第 9 章确定的辐射量。

　　[来源：GB 7247 . 1—2012 , 3 . 2,有修改]

　　3.2

　　可达发射极限 accessibleemissionlimit;AEL

　　所定类别内允许的最大可达发射。

　　[来源：GB 7247 . 1—2012 , 3 . 3]

　　3.3

　　光束直径 beam diameter

　　光束宽度 beam width

　　du

　　1

　　GB/T 41643—2022

　　在垂直于光轴的测量平面上，圆内激光功率(或能量)为该平面上总激光功率(或能量)的 u%的最小圆直径。

　　注 1 ：本文件采用d63 。

　　注 2：光束束腰为光束直径最小的位置。

　　注 3：国际单位：m。

　　注 4：由于定义不同，这个光束直径的定义不适用于确定表观光源对向角 α。然而，如果表观光源能量密度为高斯分布，d63可以用来确定表观光源对向角。 对于非高斯分布表观光源的对向角，采用 IEC 60825-1 : 2014 中 4 . 3 d )描述的方法确定。

　　注 5：对于高斯光束，d63等于光强降低到峰值 1 / e 的点对应的圆的环围能量。

　　注 6：二阶矩定义的光束直径(ISO 11146-1 定义)不适用于剖面具有中心高辐射峰值和低背景的激光束。 例如，由非稳腔产生的远场激光束。 使用二阶矩定义的光束直径和用高斯光束剖面假设计算功率时，通过孔径的功率会被显著低估。

　　[来源：IEC 60825-1 : 2014 , 3 . 13]

　　3.4

　　光束发散角 beam divergence

　　φ

　　由光束直径d63相对于光束传播方向上由最临近的束腰中心而形成的锥形远场平面全角。

　　注 1 ：如果间距为 r的两点的光束直径是d63和d’63 ,则光束发散角以式(1)计算：

　　…………………………( 1 )

　　注 2：国际单位：rad。

　　注 3：二阶矩定义的光束发散角(ISO 11146-1 定义)不适用于剖面具有中心高辐射峰值和低背景的激光束。 例如，由非稳腔产生的远场激光束，该光束剖面表现为由限制孔径或孔径光阑引起的衍射图样。

　　[来源：IEC 60825-1 : 2014 , 3 . 14]

　　3.5

　　高功率激光制造设备 highpowerlasermanufacturingequipment

　　预期用于工业制造以及预期不用于工业制造，但可能会被用户在合理条件下用于制造的 3B 类或4 类激光产品(含嵌入 3B类或 4 类激光光源的制造设备)。

　　3.6

　　激光安全员 lasersafetyofficer;LSO

　　具备评估激光辐射危害和控制措施知识，并负责监督所辖区域内光辐射安全的人员。

　　[来源;IEC 60825-1 : 2014 , 3 . 50]

　　3.7

　　激光安全运行程序 lasersafetyoperationalprocedures;LSOP

　　激光安全员在所辖区域内，负责高功率激光制造设备安全使用的全流程管理程序。

　　3.8

　　最大允许照射量 maximum permissibleexposure;MPE

　　正常情况下人体受到激光照射不会产生不良后果的激光辐射水平。

　　[来源：GB 7247 . 1—2012 , 3 . 56,有修改]

　　3.9

　　标称眼危害距离 nominalocularhazarddistance;NOHD

　　光束辐照度或辐照量等于角膜相应最大允许照射量(MPE)的距离。

　　如果 NOHD包括通过光学辅助器观看激光束的可能性，则定义为“扩展 NOHD(ENOHD)”。

　　[来源：GB 7247 . 1—2012 , 3 . 62]

　　2

　　GB/T 41643—2022

　　3 . 10

　　标称眼危害区域 nominalocularhazardarea;NOHA

　　光束辐照度或辐照量超过角膜相应最大允许照射量(MPE) 的区域，其中包括可能出现的激光束意外指错方向的情况。

　　如果 NOHA包括通过光学辅助器观看激光束的可能性，则定义为“扩展 NOHA”。

　　[来源：GB 7247 . 1—2012 , 3 . 61]

　　3 . 1 1

　　透射(光)密度 transmittance(optical)density;OD

　　透射比的倒数取以 10 为底的对数，以式(2)计算：

　　OD=log10τ(λ) …………………………( 2 )

　　3 . 12

　　高斯光束耦合参数 gaussianbeam couplingparameter

　　η

　　在给定测量位置使用孔径光阑或限制孔径确定的辐射能量与总辐射能量的比值，以式(3)计算：

　　2

　　D

　　f

　　η = 1 - e-D …………………………( 3 )

　　式中：

　　Df —孔径光阑或限制孔径的直径，单位为厘米(cm) ;

　　DL— 给定测量距离 L 处的光束直径，单位为厘米(cm)。

　　注 1 ：不论光束的总能量多大，仅考虑通过给定测量距离处孔径光阑或限制孔径内的能量。

　　注 2：公式中 DL值是给定测量距离 L 处可达激光辐射总能量中心能量的 63%(相当于 1/e) 的光束直径。

　　[来源：GB/T 7247 . 13—2013 , 7 . 8 . 8]

　　4 总则

　　良好、完整的高功率激光制造设备安全运行程序，完善的设备信息记录、正确的危害评估、有效的控制措施、全面的文件留存，以及合适的教育和培训，对于高功率激光制造设备的使用是至关重要的。

　　高功率激光制造设备安全运行程序宜覆盖设备全生命周期，且宜有专人负责执行和维护，确保程序得到妥善的执行，并根据实践得到反馈和改进。

　　5 需考虑的因素

　　5 . 1 设备文件留存

　　宜留存备案的设备文件包括但不限于：

　　a) 高功率激光制造设备制造商的明细信息，包括但不限于制造商名称、地址、联系电话等;

　　b) 激光加工机床制造商的明细信息;

　　c) 使用说明书或用户手册;

　　d) 购买文件;

　　e) 年中检查、年度检查、随访检查记录;

　　f) 培训记录;

　　g) 医疗检查记录;

　　h) 事故处理记录。

　　5 . 2 环境安全检查

　　高功率激光制造设备环境安全检查宜包括但不限于：

　　3

　　GB/T 41643—2022

　　a) 温度 ;

　　b ) 湿度 ;

　　c) 环境整洁度，环境内的其他气化物、灰尘或其他气体;

　　d) 环境内的电磁或其他无线电频率;

　　e) 动力源;

　　f) 高功率激光制造设备准入范围及授权人员;

　　g) 人员站立或坐着操作时传输光路不与人眼水平;

　　h) 工作场所窗户挂有窗帘或者窗户由滤光材料制成;

　　i ) 设备周围镜面或者镜面反射物体。

　　5 . 3 设备基本信息记录

　　高功率激光制造设备基本信息宜包括安全类别(3B 类或 4 类)、泵浦源、工作方式、光束波长、最大输出能量(或功率)、光束模式、光束直径、光束发散角等信息。 附录 A 中表 A. 1~表 A. 3 给出了帮助记录基本信息的建议。

　　5 . 4 危害评估

　　5 . 4 . 1 激光辐射危害评估

　　5 . 4 . 1 . 1 激光辐射危害评估通则

　　在激光辐射危害评估时，考虑建立危害评估流程。 附录 A 给出了帮助记录评估激光辐射危害评估及防护的建 议。 附 录 B 给 出 了 激 光 辐 射 危 害 评 估 适 用 参 数 的 计 算 示 例。 一 般 情 况 下，在 依 据GB 7247 . 1—2012 和 GB/T 7247 . 5—2017 相应条款对高功率激光制造设备进行正确分类、验证的基础上，选择适用的激光辐射危害参数进行进一步评估，帮助建立准入制度或采取合适的防护措施。 激光辐射危害参数宜包括但不限于：

　　a) 可达发射;

　　b ) 最大允许照射量;

　　c) 眼标称危害距离或眼标称危害区域;

　　d) 透射光密度。

　　5 . 4 . 1 . 2 可达发射的计算建议

　　可达发射(AE)的计算是为了通过与可达发射极限(AEL)对比，以确定激光产品的安全类别。 建议通过给定的测量距离、计算在测量距离 L处的光束直径DL、计算 η 系数来确定可达发射。

　　DL 以式(4)计算：

　　DL=槡D0(2) + L2 φ2 …………………………( 4 )

　　式中：

　　D0 —光束束腰直径，单位为厘米(cm) ;

　　L — 给定的测量距离，单位为厘米(cm) ;

　　φ —光束发散角，单位为弧度(rad) 。

　　在测量距离 L 处，AE 以式(5)计算：

　　AE=η× Q …………………………( 5 )

　　式中：

　　Q— 总辐射能量(或功率)，单位为焦(J)或瓦(W) 。

　　5 . 4 . 1 . 3 最大允许照射量的计算建议

　　MPE 的计算是为了确定人眼受到激光照射的安全极限值。 建议通过确定激光波长、根据表 1 选择

　　4

　　GB/T 41643—2022

　　最大可预期照射持续时间，再根据表 2~表 5 确定 MPE。

　　表 1 计算最大允许照射量(MPE)时建议的最大可预期照射持续时间(连续和脉冲a)

　　波长范围nm

　　漫反射观察s

　　束内观察s

　　180~<400

　　30 000

　　100 b

　　400~<700

　　600

　　0 . 25 b

　　700~<1 400

　　600

　　10

　　1 400~106

　　10

　　10

　　a 单脉冲激光(PRF<1 Hz)使用实际脉冲持续时间。

　　b 仅适用于意外照射情况。 对于其他情况，采用有意照射的时间基准。

　　表 2 点光源激光辐射眼部最大允许照射量(MPE)( 180 nm~700 nm)

　　光谱

　　波长 (λ) nm

　　照射持续时间(t)

　　s

　　最大允许照射量(MPE)(热效应)

　　J/cm2

　　W/cm2

　　紫外光

　　180~<302 . 5

　　10- 9 ~<10

　　0.56t0.25

　　—

　　10~3 × 104

　　—

　　—

　　302 . 5~<315

　　10- 9 ~<10

　　0.56t0.25

　　—

　　10~3 × 104

　　—

　　—

　　315~<400

　　10- 9 ~<10

　　0.56t0.25

　　—

　　10~3 × 104

　　—

　　—

　　可见光

　　400~<450

　　10 - 13 ~<10- 11

　　1.0 × 10- 7

　　—

　　10- 11 ~<5 × 10- 6

　　2.0 × 10- 7

　　—

　　5 × 10- 6 ~<10

　　1.8t0.75 × 10- 3

　　—

　　10~<100

　　1.0 × 10- 2

　　—

　　100~3 × 104

　　—

　　CB × 10- 4

　　450~<500

　　10 - 13 ~<10- 11

　　1.0 × 10- 7

　　—

　　10- 11 ~<5 × 10- 6

　　2.0 × 10- 7

　　—

　　5 × 10- 6 ~<10

　　1.8t0.75 × 10- 3

　　—

　　10~

　　—

　　1 . 0 × 10 - 3

　　T1 ~<100

　　CB × 10- 2

　　—

　　100~3 × 104

　　—

　　CB × 10- 4

　　500~<700

　　10 - 13 ~<10- 11

　　1.0 × 10- 7

　　—

　　10- 11 ~<5 × 10- 6

　　2.0 × 10- 7

　　—

　　5 × 10- 6 ~<10

　　1.8t0.75 × 10- 3

　　—

　　10~3 × 104

　　—

　　1 . 0 × 10 - 3

　　5

　　GB/T 41643—2022

　　表 3 点光源激光辐射眼部最大允许照射量(MPE)(700 nm~ 1 400 nm)

　　光谱

　　波长(λ) nm

　　照射持续时间(t)

　　s

　　最大允许照射量(MPE)(热效应)

　　视网膜

　　角膜

　　J/cm2

　　W/cm2

　　J/cm2

　　W/cm2

　　近 红 外 光

　　700~<1 050

　　10 - 13 ~<10- 11

　　1.0 × 10- 7

　　—

　　—

　　—

　　10- 11 ~<5 × 10- 6

　　2.0CA × 10- 7

　　—

　　—

　　—

　　5 × 10- 6 ~<10

　　1 . 8CAt0.75 ×10-3

　　—

　　—

　　—

　　10~3 × 104

　　—

　　CA × 10 - 3

　　—

　　—

　　1 050~<1 200

　　10 - 13 ~<10- 11

　　1.0CC × 10- 7

　　—

　　—

　　—

　　10- 11 ~<13 × 10- 6

　　2.0CC × 10- 6

　　—

　　—

　　—