DIE AUTOREN STICHWÖRTER ABSTRACT. KEYWORDS safety at work

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1 Vergleichende Untersuchungen zur Charakterisierung ultrafeiner Partikel in Rauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Teil 1: Grundlagen der Untersuchung Diskussionen um die Festlegung von Luftgrenzwerten für Schweißrauche und die darin enthaltenen ultrafeinen Partikel (UFP) sowie neuere Erkenntnisse über die Eigenschaften von Partikeln im Nanogrößenbereich veranlassten den berufsgenossenschaftlichen Fachausschuss Metall und Oberflächenbehandlung dazu, Untersuchungen über Art und Menge sowie über Kenngrößen dieser Partikel durchführen zu lassen, die für eine spätere Beurteilung der möglicherweise pathogenen Wirkung dieser herangezogen werden können. Ziel war insbesondere, von den derzeit gängigen Schweiß-, Schneid- und Lötverfahren und Werkstoffen diesbezüglich vergleichbares Datenmaterial zu erhalten. DIE AUTOREN STICHWÖRTER Dr. Gerhard Pohlmann Fraunhofer Institut für für Toxikologie und Experimentelle Medizin, Hannover, Abteilung Aerosoltechnologie Dipl.-Ing. Karl Holzinger ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der Technischen Hochschule Aachen Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu Vorsitzende des Expertenkreises Schadstoffe in der Schweißtechnik im FBHM der DGUV, Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit 1 Einleitung Angeregt durch die Diskussionen um die Festlegung eines spezifischen Grenzwerts für Schweißrauche und der darin enthaltenen ultrafeinen Partikel (UFP) wurde vom FAMO, Sachgebiet Schadstoffe in der Schweißtechnik die Notwendigkeit gesehen, eine Charakterisierung dieser Schweißrauchfraktionen durchzuführen. Es wurde angestrebt, eine Darstellung der möglichen Gefahrenpotenziale durch Schweiß-, Löt- und Schneidprozesse vorzunehmen und zu dokumentieren. Zur Vermeidung von gesundheitlichen Belastungen beim Arbeiten mit gesundheitsgefährdenden Stoffen ist die Einhaltung von Grenzwerten dieser Stoffe in der Atemluft notwendig. Für viele Arbeitsprozesse sind diese Grenzwerte und ihre Schutzstrategien bekannt, so auch beim Schweißen und verwandten Verfahren. Was jedoch kaum oder überhaupt nicht vorhanden ist, sind Daten über dabei entstehende Anteile ultrafeiner Partikel in den Schweißrauchen. Forschungsziel war daher die vergleichende Untersuchung der Schweißrauchdaten bei praxisrelevanten Verfahren. Neben der gleichzeitigen Erfassung von Schweißrauchemission, Art und Menge der A- und E-Fraktion und deren mengenmäßiger sowie chemischer Charakterisierung sollten die physikalischen Kenngrößen der UFP ermittelt werden. Durch den Schweißvorgang werden gas- und partikelförmige Nebenprodukte erzeugt. Die potenziell toxikologisch relevanten physikalischen Eigenschaften des Schweißrauchs sind unter anderem der Diffusionsäquivalentdurchmesser der Agglomerate, die Anzahl und der geometrische Durchmesser der Primärpartikel und de- ABSTRACT Comparative investigations in order to characterise ultrafine particles in fumes in the case of welding and allied processes - Part 1: Fundamentals of the investigation Discussions about the stipulation of limiting values for welding fumes in the air and for the ultrafine particles (UFPs) contained in them as well as recent findings about the properties of particles in the nano size range caused the Metal and Surface Treatment expert committee in the employers liability insurance association to have investigations conducted into the type, quantity and parameters of these particles. These investigations can be used for a subsequent assessment of the possibly pathogenic effect of these particles. In particular, the objective was to obtain data material which was comparable in this regard from the currently common welding, cutting and brazing processes and materials. KEYWORDS safety at work Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5 267

2 ren biologisch aktive Oberfläche. Untersucht werden sollte, inwieweit grundsätzliche Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung und -morphologie zwischen verschiedenen Standardverfahren bestehen. Relevant für die physikalische Charakterisierung der Schweißrauche sind die Parameter Masse, Oberfläche, Anzahl und Morphologie. Die Massenemissionen bei den Schweißverfahren sind relativ gut untersucht. Demgegenüber sind keine umfassenden Aussagen über die Massengrößenverteilung, die Oberfläche, die Anzahlkonzentration, die Anzahlgrößenverteilung und die mikroskopische Morphologie bekannt. Bei Kenntnis der mikroskopischen Struktur der Partikel kann gleichzeitig eine Aussage über die Partikeloberfläche gewonnen werden. Man erhält somit ein recht vollständiges Bild der ultrafeinen Partikel (UFP): Anzahl und Größenverteilung der Primärpartikel und der Agglomerate sowie näherungsweise die geometrische Oberfläche. 1.1 Stand der Kenntnisse zu Wirkungsweisen und Untersuchungsmethoden zum Zeitpunkt der Durchführung der Arbeiten In der Bundesrepublik Deutschland waren im Juni 2005 laut Statistik der Bundesagentur für Arbeit Personen im Bereich Schweißer/Brennschneider sozialversicherungspflichtig beschäftigt. Es ist davon auszugehen, dass eine weitere nicht unerhebliche Anzahl von Beschäftigten neben ihrer Haupttätigkeit in bedeutendem Ausmaß auch Schweißarbeiten durchführt. Epidemiologische Studien in verschiedenen Ländern haben gezeigt, dass Schweißer an unterschiedlichsten Arten von Atemwegserkrankungen leiden können. An Ganztagsschweißern festgestellte Atemwegserkrankungen reichen von der Bronchitis [1] über Atemwegsirritationen und Lungenfunktionsänderungen bis zu einer möglichen Zunahme des Aufkommens von Lungenkrebs [2]. Lungeninfektionen treten in Bezug auf Schweregrad, Dauer und Häufigkeit unter Schweißern vermehrt auf [3]. Obwohl epidemiologische Studien eine Zunahme an Lungenkrankheiten nach Exposition gegenüber Schweißrauch gezeigt haben, existieren wenig Informationen über Kausalität, Dosisantwort und mögliche zugrunde liegende Mechanismen, die die Inhalation von Schweißrauchen betreffen [4]. Bis auf wenige Aussagen leiden die meisten epidemiologischen Studien an der ungenügenden Charakterisierung der Exposition, sodass eine verfeinerte Aussage über potenziell relevante Partikelkenngrößen (Masse, Anzahl, Oberfläche) nicht gemacht werden kann. Wie weitere Untersuchungen zeigen, hat die Exposition gegenüber Schweißrauch einen Einfluss auf die Lungenclearence, was auf fibrotische Veränderungen im Lungengewebe und eine Erhöhung der Anzahl alveolarer Makrophagen zurückgeführt wird [5]. Diese Einschätzung wird zum Beispiel auch durch die Versuche von Sung u. a. [6] unterstützt. Auch wird der Exposition gegenüber Schweißrauchen eine Erhöhung der Inzidenz von Herz- Kreislauf-Erkrankungen zugeschrieben [7]. Iarmarcovai u. a. [8] finden bei der Untersuchung von Schweißern im Vergleich zu unbelasteten Personen gesteigerte Metallkonzentrationen in biologischen Flüssigkeiten, DNS-Brüche und chromosomale Schäden an Lymphozyten. Die Tatsache, dass tierexperimentelle Untersuchungen ergeben haben, dass neben Dieselruß auch andere unlösliche Partikel bei entsprechend hoher Dosierung in Rattenlungen Tumore oder auch andere gesundheitsschädliche Effekte erzeugen können [9; 10], lenkte die Aufmerksamkeit auf die Feinpartikel. Schon seit ungefähr einer Dekade wird eine intensive Diskussion über das Postulat geführt, feine Partikel hätten generell ein kanzerogenes Potenzial und seien unter anderem zusätzlich für akute Erkrankungen im Herz- und Lungenbereich mitverantwortlich. Letzterer Effekt soll mit zunehmender Feinheit der Partikel gefördert werden [11]. Auch aus der retrospektiven Aufarbeitung älterer epidemiologischer Studien ergeben sich Hinweise darauf, dass neben der Masse der Feinheitsgrad (Anzahl, Oberfläche) inhalierter Aerosole ursächlich mit deren Wirkung zusammenhängt [12]. Insgesamt wird daraus eine starke Gefährdung der exponierten Personen insbesondere durch feine Partikel abgeleitet. Aufgrund ihrer geringeren Abscheideneigung gelangen kleinere Partikel tiefer in die Lunge. An der Oberfläche dieser Partikel angelagerte Gase oder andere aktive Spezies werden dadurch weiter transportiert als sie aufgrund ihres Abscheideverhaltens normalerweise gelangen würden. So finden Johnston u. a. [13], dass Polytetrafluoroethylen-Dämpfe, die aus einer großen Anzahlkonzentration von ultrafeinen Partikeln und niedrigen Konzentrationen von toxischen Gasen bestehen, schwerwiegende akute Lungenschäden verursachen können. Bei weiteren Untersuchungen finden sie, dass die ultrafeinen Teflonpartikel, erzeugt unter Argonschutzgas, ohne Begleitung toxischer Gase unter sonst gleichen Expositionsbedingungen nicht toxisch reagieren. Ebenso reagieren die Teflondampfgasphasenbestandteile ohne Partikel nicht toxisch. Nur die Kombination beider Phasen, die bei der Erzeugung unter Lufteinfluss entstehen, verursacht starke toxische Effekte. Die Autoren schlagen deshalb als mögliche Ursache die Existenz von Radikalen auf der Oberfläche oder einen Transportmechanismus der ultrafeinen Partikel für adsorbierte Gase oder eine Kombination beider Mechanismen vor. Oberdörster [14] geht davon aus, dass die Oberflächeneigenschaften (Oberflächenchemie) eine wichtige Rolle bei der Toxizität ultrafeiner Partikel spielen. Zur Wirkung der ultrafeinen Partikel trägt ihm zufolge auch ihre sehr hohe größenspezifische Abscheidung, insbesondere wenn sie als Einzelpartikel und nicht als Agglomerate auftreten, bei. Es scheint auch, dass die ultrafeinen Partikel nach Abscheidung in der Lunge im Wesentlichen den alveolaren Makrophagen entkommen und Zugang zum Lungeninterstitium finden. Schwerlösliche Stäube stellen bei chronischer Exposition ein Gesundheitsrisiko dar, das im Wesentlichen auf die Überforderung der Reinigungsmechanismen der Lunge zurückgeführt wird. Die MAK-Kommission hat den allgemeinen Staubgrenzwert für den einatembaren und alveolengängigen Staub neu festgelegt, dabei aber die so- 268 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5

3 genannten ultrafeinen Partikel (UFP), wie sie auch im Schweißrauch vorkommen, explizit ausgenommen. Die UFP sind Teilchen mit einem diffusionsäquivalenten Durchmesser kleiner als 100 nm sowie deren Agglomerate und Aggregate. Den UFP wird offensichtlich eine über die Staubwirkung hinausgehende spezifische Wirkung beigemessen. Diese Einschätzung basiert vornehmlich auf Befunden tierexperimenteller Studien, aus denen eine Größenabhängigkeit der biologischen Wirkung der in der Lunge deponierten Partikel abgeleitet wurde. Effekte wie die entzündungsfördernde Wirkung durch eine hohe Anzahl von Partikeln, das heißt eine Interaktion mit einer großen Anzahl von Zellen bzw. einer großen gegebenenfalls biologisch aktiven Oberfläche im Lungenmilieu, sowie die Fähigkeit der schnellen Penetration durch die Epithelschicht, verbunden mit einer systemischen Verfügbarkeit, werden dabei in Zusammenhang mit UFP diskutiert. Darüber hinaus weisen die UFP eine vergleichsweise hohe pulmonale Depositionseffizienz auf. (Im Rahmen von Nano-Care werden zurzeit weitere Untersuchungen unternommen.) Das Gefährdungspotenzial des Schweißrauchs ist jedoch auch geprägt von den enthaltenen chemischen Noxen. Der Schweißrauch stellt dabei ein einzigartiges Gemenge dar. Es gibt am Arbeitsplatz wahrscheinlich kein Material, das bezüglich Komplexität in Struktur und Zusammensetzung vergleichbar mit Schweißrauch ist. Aufgrund der zuvor beschriebenen synergistischen Effekte zwischen Gas- und Partikelphase reicht nach neueren Erkenntnissen zur Risikoabschätzung die rein massenbezogene chemische Charakterisierung der Schweißrauche nicht aus. Wenn die ultrafeinen Partikel ein spezifisches Problem am Arbeitsplatz darstellen, stellt sich insbesondere die Frage nach der geeigneten Beurteilungsgröße (Dosismetrik). Ist die Masse die richtige Messgröße, oder sind Anzahl bzw. Oberfläche der Partikel besser geeignet? Wie ist die Oberfläche zu charakterisieren? Welche Bedeutung muss der Löslichkeit der Partikel beigemessen werden? Diese Kenntnislücken machen eine quantitative, arbeitsmedizinisch relevante Beurteilung der UFP zum jetzigen Zeitpunkt sehr schwierig. 2 Ziel Die durch den Schweißvorgang erzeugten gas- und partikelförmigen Nebenprodukte bestehen aus einer komplexen Mischung aus Metallen und deren chemischen Verbindungen, zum Beispiel Metalloxiden und anderen chemischen Stoffen, die aus der Verdampfung des Basismetalls der Legierung, der Schweißelektrode oder des Flussmittels stammen und tief in die Lunge eindringen können [15]. Über die massenbezogene chemische Zusammensetzung von Schweißrauchen in Abhängigkeit von Schweißverfahren, Basismetall und Elektroden steht eine Vielzahl von Informationen zur Verfügung [16]. Die potenziell toxikologisch relevanten physikalischen Eigenschaften der Schweißrauche sind unter anderem der Diffusionsäquivalentdurchmesser der Agglomerate, Anzahl und geometrischer Durchmesser der Primärpartikel und deren biologisch aktive Oberfläche. Die Ober- GÜTE G A R A N T NEU: EN 1090 Lichtbogen-Schweißtechnik mit zertifizierbarer Schweißnahtqualität Lieferung der Schweißstromquellen QINEO Pulse und QINEO Tronic inklusive Kalibrierzeugnis Schweißdaten jederzeit reproduzierbar Maßanfertigung durch konfigurierbares Produktkonzept *Aktion gültig in Deutschland bis Jetzt QINEO ordern und Weiterbildung in einer DVS Kursstätte i. W. v. 250 sichern!* Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5 Carl Cloos Schweißtechnik GmbH

4 Bild 1 Versuchsstand für die Messungen beim MSG-Schweißen. fläche ist insofern von besonderer Bedeutung, da man davon ausgehen kann, dass wie unter anderem die Untersuchungen von Jenkins [17] zeigen die eingeatmeten Schweißrauche in der Lungenflüssigkeit wieder in die Primärpartikel zerfallen können. Der Agglomeratdurchmesser der UFP ist nach MAK-Definition nur insofern von Bedeutung, als dass er die Alveolengängigkeit der Teilchen und deren Abscheideneigung in der Lunge bestimmt. (Auch Agglomerate, deren Diffusionsäquivalentdurchmesser deutlich größer als 100 nm ist, zählen nach MAK Definition zu den UFP, wenn ihre primären Bestandteile nur kleiner als 100 nm sind.) Die anderen genannten Parameter beeinflussen die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Lungenmilieu und sollten daher eher für die den UFP zugeschriebenen spezifischen Wirkungen verantwortlich sein. In Bezug auf die genannten Parameter werden für den Schweißrauch in der Literatur stichprobenartige Untersuchungen an ausgesuchten Schweißverfahren (zum Beispiel [ ]) und der Einfluss von Betriebsparametern auf diese Größen beschrieben [23]. Eine systematische Erfassung der physikalischen Kenngrößen der Schweißrauche wie Anzahl, Oberfläche, Größenverteilung und Morphologie in Abhängigkeit vom Schweißverfahren stand jedoch vor Abschluss der hier beschriebenen Arbeiten noch aus. Ziel des Projekts war die Untersuchung der grundsätzlichen Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung und -morphologie zwischen den verschiedenen Standardverfahren. Dazu sollte das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der Technischen Hochschule Aachen eine Liste der am häufigsten genutzten praxisrelevanten Verfahren zusammenstellen. Die Partikelkenngrößen sind neben dem Verfahren abhängig von Betriebsbedingungen, unter denen das Schweißen durchgeführt wird [23]. Da aus Zeit- und Kostengründen bei der Vielzahl von untersuchten Verfahren nur jeweils eine Betriebsbedingung untersucht werden konnte, war vom ISF für jedes Verfahren eine typische Betriebsbedingung für die Messungen festzulegen. Parallel zu diesen Arbeiten wurde am Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) eine Zusammenstellung zu bereits aus anderen Untersuchungen bekannten Ergebnissen bezüglich der Partikelkenngrößen erarbeitet. Sie ist in Kapitel 1.1 zusammenfassend wiedergegeben. Nach Abschluss dieser Recherche wurden, unter Einbeziehung des Lenkungskreises die Parameter für das Partikelmessprogramm festgelegt. Als relevant für die physikalische Charakterisierung der Schweißrauche wurden die Parameter Masse, Oberfläche, Anzahl und Morphologie festgelegt. Da bis heute keine umfassenden Aussagen über Massengrößenverteilung, Oberfläche, Anzahlkonzentration, Anzahlgrößenverteilung und mikroskopische Morphologie bekannt sind, wurde dies im Rahmen dieses Projekts untersucht, um die genannten Lücken abdecken zu können. Bei Kenntnis der mikroskopischen Struktur der Partikel kann gleichzeitig eine Aussage über die Partikeloberfläche gewonnen werden. Man erhält somit ein recht vollständiges Bild der UFP: Anzahl und Größenverteilung der Primärpartikel und der Agglomerate sowie näherungsweise die geometrische Oberfläche. Die Kombination eines Thermalpräzipitators zur Sammlung mit dem modernen hochauflösenden bildgebenden Verfahren der Transmissionselektronenmikroskopie wurde miteinbezogen, um die Eignung zur Beurteilung von UFP an Arbeitsplätzen zu untersuchen. Um die von Rödelsperger u. a. [24] ( Charakterisierung von ultrafeinen Partikel für den Arbeitsschutz -BAuA-Bericht.) beschriebenen Nachteile der Sammlung von Stäuben mittels herkömmlicher Thermalpräzipitatoren und gleichzeitig die bekannten Nachteile bei der Sammlung auf Kernporenfiltern zu vermeiden, wurde vom Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ein spezieller Thermalpräzipitator entwickelt und gebaut. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er strukturerhaltend und repräsentativ abscheidet. 3 Versuchsaufbau und Durchführung Zur Probennahme und zur Bestimmung der Emissionsraten und der chemischen Analyse wurden im Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik entsprechende Anlagen bereitgestellt und mit einer geeigneten Fume-box nach DIN EN ISO [25] ausgerüstet. Für die jeweiligen Verfahren wurden passende Parameterfenster ausgewählt. Für jede angewandte Füge- oder Schneidaufgabe mussten die Messeinrichtungen zur Bestimmung der ultrafeinen Partikel des Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin adaptiert werden. Diese Messungen wurden durch das ITEM vorgenommen. Gleichlaufend wurden Konzentrationsbestimmungen im Atembereich von Schweißern und die chemische Analyse der Schweißrauche durchgeführt. Bild 1 zeigt den verwendeten Versuchsaufbau. Zu sehen ist die Fume-box zur Erfassung der Schweißrauche von Prozessen mit abschmelzender Elektrode. Sie besteht aus einem feststehenden Brenner, einem Dreh-Schweißtisch sowie einer Absaughaube mit 150 mm Filter. Weiterhin gehören eine Schweißstromquelle Fronius TPS 450 mit Drahtvorschub sowie eine normgerechte Absauganlage zum Aufbau. 270 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5

5 Bild 4 Die mobile Rauchkammer (unten: Skizze für Adaption an das Widerstandspunktschweißen). Bild 2 Fume-Box für das Lichtbogenhandschweißen. Bild 3 Lötraupen vom Metall-Inertgaslöten. Zur Erfassung von Schweißrauchen beim Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden wurde eine Fume-box nach SS (ehemalige Schwedische Norm [26]) verwendet, Bild 2. Beim MIG-Löten entspricht der Versuchsaufbau dem MSG-Schweißen. Das Abschmelzen der Drahtelektrode erfolgt meist im Impulslichtbogen. Ähnlich wie beim Metall-Schutzgasschweißen sind die Versuche auch beim MIG-Löten mit der stationären Fume-Box durchgeführt worden. In Bild 3 sind die Lötraupen der Versuche deutlich zu erkennen. Um die Versuche auf andere Verfahren (Laserstrahlschweißen, Laserstrahl-MIG-Hybridschweißen, Elektronenstrahlschweißen unter Atmosphäre, Widerstandspunktschweißen, Brennschneiden) ausdehnen zu können, war die Entwicklung einer mobilen Rauchkammer erforderlich. Diese Fume-box, Bild 4, mit dazugehörigem Seitenkanalverdichter musste ebenfalls der Norm entsprechen und sichere Ergebnisse gewährleisten. 4 Untersuchte Verfahren und Werkstoffe Es wurde eine Vielzahl von praxisrelevanten Schweiß-, Schneid- und Lötverfahren verglichen, die erfahrungsgemäß sowohl als schadstoffreich wie auch als schadstoffarm gelten. Insgesamt wurden folgende Verfahren für einen Vergleich in die Untersuchung einbezogen: Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden, Metall-Schutzgasschweißen (MSG), Metall-Aktivgasschweißen (MAG), Metall-Inertgasschweißen (MIG), Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), Widerstandspunktschweißen (stichprobenartig), Widerstandspunktschweißkleben (stichprobenartig), Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre (NVEBW), Laserstrahlschweißen, Laserstrahl-MIG-Hybridsschweißen, MIG-Löten, Weich- und Hartlöten, Thermische Schneidverfahren, Plasmaschmelzschneiden, Brennschneiden, Laserstrahlschneiden (stichprobenartig). Als Werkstoffe dienten unlegierte und niedriglegierte Zusatzwerkstoffe, hochlegierte Zusatzwerkstoffe, Kupferbasislegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen. Als Schutzgase wurden vorwiegend Mischgase mit Kohlendioxid, Argon, Helium und Sauerstoff verwendet. 5 Probenahme für die Aerosolmessungen Die Messungen wurden so durchgeführt, dass die Verweilzeit der Stäube zwischen Entstehung und Erfassung bei möglichst allen untersuchten Schweißverfahren vergleichbar sind. Zur Absaugung wurden je nach Probenahmevolumenstrom verschiedene Probenahmestutzen, Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5 271

6 6 Charakterisierung der Schweißrauchemissionen 6.1 Massenemissionsraten Für die Bestimmung der Emission wurden Sartorius Glasfaserfilter SM mit 150 mm Durchmesser verwendet. Zur Auswertung wurden die Filter vor und nach der Probennahme gewogen und aus der Differenz die Emissionsrate in mg/s oder μg/s bestimmt. Bild 5 Schematische Darstellung der Anordnung der Probenahme für die Aerosolmessungen am Beispiel der Fume-box für das Handschweißen. Bild 5, eingesetzt, sodass eine nahezu isokinetische Probenahme gewährleistet wurde. Die Regelung des Absaugvolumenstroms (V. ) erfolgte dabei über die Messung des Druckabfalls an einer Messblende und Einstellung eines Ringkanalgebläses mittels PID-Regler und Frequenzumrichter. 6.2 Chemische Zusammensetzung Die eingewogenen Stäube wurden abhängig von den Grund- und Zusatzwerkstoffen mit den folgenden Verfahren aufgeschlossen: Königswasseraufschluss, Perchlorsäure-, Salpetersäure- und Flusssäureaufschluss, Bombenaufschluss (Königswasser/Flusssäure-Aufschluss im Stahlautoklaven). Nach dem Aufschließen wurden die Elemente per Atomabsorptionsspektrometer bestimmt. Anhand der chemischen Zusammensetzung der Zusatzwerkstoffe wurden die Elemente ausgewählt, die zu bestimmen waren. Die Ergebnisse wurden in Massenanteilen [%] angegeben. Diese beziehen sich auf die eingewogene Masse. 6.3 Partikelgrößenverteilung Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung (Massengrößenverteilung) erfolgte mit einem Niederdruck- Aus der Reihe DIN-DVS-Taschenbücher DIN-DVS-Taschenbuch 191 Schweißtechnik 4 jetzt in der 10. Auflage Auswahl von Normen für die Ausbildung des schweißtechnischen Personals Die Normensammlung ist speziell auf die Ausbildung des schweißtechnischen Personals abgestimmt. Sie richtet sich an Schweißer, Schweißfachmänner, Schweißtechniker und Schweißingenieure, ist aber auch für Studierende und verantwortliche Mitarbeiter in den Schweißbetrieben von Bedeutung. Das DIN-DVS-Taschenbuch enthält Normen der Bereiche: Verständigungsgrundlagen; Schweißzusätze; Werkstoffe; Qualitätsanforderungen; Schweißrichtlinien; Prüfung des schweißtechnischen Personals, der Verfahrensbeherrschung und der Schweißverbindungen sowie zur Bemessung und Ausführung von Stahlbauten Auflage, 2009, 784 Seiten, ca Bilder Seiten, u. broschiert Abb. / 183 Tabellen Best.-Nr. Art.-Nr.: , , erschienen: Preis: 158,00 Februar 2012 DVS Media GmbH Aachener Straße Düsseldorf Tel: +49 (0) 211/ Fax: +49 (0) 211/ Mail: media@dvs-hg.de Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5

7 Berner-Impaktor. Mit dieser Sammeleinrichtung werden die Partikel in zehn aerodynamisch unterschiedlichen Größenklassen auf Aluminiumfolien gesammelt und anschließend gravimetrisch bestimmt. Der Größenbereich erstreckt sich, aufgeteilt in logarithmisch äquidistante Klassen, von 0,03 bis 16 μm. 6.4 Agglomeratanzahlemissionsraten Die Agglomeratemissionsraten (Ṅ) wurden aus den Anzahlkonzentrationen, gemessen mit einem Kondensationskernzähler (CPC, condensationparticlecounter) und dem fest eingestellten Absaugvolumenstrom (V. ) nach (1) bestimmt. Der CPC ist das am häufigsten eingesetzte Gerät zur Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration. Im CPC wird das zu untersuchende Aerosol zunächst bei erhöhter Temperatur mit Dampf, normalerweise Butanol, im Sättiger gesättigt. Durch anschließende Abkühlung im Kondensor wird der Dampf übersättigt und kondensiert auf die Partikel. Diese wachsen dadurch auf ungefähr 10 μm an und können dann mit optischen Methoden einfach gezählt werden [27]. Die benötigte Übersättigung nimmt mit abnehmendem Partikeldurchmesser zu (Kelvin-Effekt) und ist zudem abhängig von der Partikelbeschaffenheit und -zusammensetzung. Die dadurch bedingte Nachweisgrenze bezüglich des Partikeldurchmessers liegt für heutige CPCs im Bereich von 3 bis 20 nm. Diese Grenze stellt für Schweißrauchpartikel im Allgemeinen kein großes Problem dar, Primärpartikel können aber durchaus kleiner sein. Bei Kondensationspartikelzählern sind zwei Konzentrationsbereiche zu unterscheiden: Ein Bereich geringerer Konzentrationen (unter 10 4 Partikel/cm3), in dem jedes Partikel mittels der optischen Anordnung einzeln gezählt wird, sowie ein Bereich höherer Konzentration, in dem zur Konzentrationsbestimmung die integrale Streulichtintensität benutzt wird. Um im Streulichtmodus ausreichend genaue Konzentrationen zu erhalten, müssen alle Partikel möglichst auf einen genau definierten, gleich großen Durchmesser anwachsen. In diesem Modus ist eine Kalibrierung nötig, und die Messergebnisse sind generell ungenauer als im Einzelzählmodus. Ist im Einzelzählmodus der durch den CPC gesaugte Aerosolvolumenstrom genau bekannt und liegen die Partikeldurchmesser oberhalb der Nachweisgrenze bezüglich des Partikeldurchmessers, kann der CPC durchaus als Anzahlkonzentrationsreferenz angesehen werden. Die im Projekt eingesetzten CPCs werden nur im Einzelpartikelmodus betrieben. Bild 6. Aufbau des eingesetzten Thermophoreseabscheiders. 6.5 Primärpartikelanzahlemissionsraten Die Sammlung der Agglomerate muss so schonend erfolgen, dass die zum Teil sehr filigrane Struktur für die weiteren Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop erhalten bleibt. Aus diesem Grund wurde bereits vor einiger Zeit am ITEM ein Thermophoreseabscheider, Bild 6, entwickelt, welcher dem zugrunde liegenden Depositionsmechanismus nach strukturerhaltend und repräsentativ abscheidet. Die zu sammelnden Partikel werden im Präzipitator einem Temperaturgradienten derart ausgesetzt, dass sich die Oberfläche eines TEM-Netzes (Kohlefilm auf 3,05-mm-200- mesh-kupfernetz, Plano GmbH, Wetzlar) auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet als das über das Netz strömende Aerosol. Aufgrund des Ungleichgewichts des Impulstransfers durch die Gasmoleküle auf die Partikel wandern diese in Richtung der niedrigeren Temperatur, also in Richtung des Kupfernetzes. Die thermophoretische Kraft, die auf die Partikel wirkt, ist gegeben durch. (2) Darin ist p der Druck, λ g die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle, d p der Partikeldurchmesser und T die absolute Temperatur. Für die Bestimmung der Primärpartikelemissionsrate (ṅ p ) ist zunächst die mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat (ṅ p ) für die verschiedenen untersuchten Schweißverfahren zu bestimmen. Mit der Agglomeratemissionsrate (Ṅ) kann schließlich ṅ p bestimmt werden (3) Zur Bestimmung der mittleren Primärpartikelzahl werden von den mit dem Thermophoreseabscheider auf den Kupfernetzen abgeschiedenen Agglomeraten mit einem Transmissionselektronen-Mikroskop (TEM, LEO 910/Carl Zeiss, Oberkochen) Aufnahmen angefertigt. Für die Bestimmung der Primärpartikelanzahl und der geometrischen Ausdehnung der Primärpartikel in den Agglomeraten wurde zunächst nach einem automatischen Verfahren gesucht. Da aber kein Verfahren existiert, welches den Anforderungen entspricht, wurde ein eigenes Programm zur manuellen Auszählung der Partikel entwickelt. Das Auswerteprogramm wurde in MATLAB (Software zur Lösung mathematischer Probleme und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse) entwickelt und erlaubt die manuelle Auszählung der Primärpartikel der Agglomerate sowie Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 5 273

8 deren Größenbestimmung am Bildschirm. Die Konturen der Primärpartikel wurden markiert und das entsprechende Partikel vermessen. Basierend auf der Vergrößerung der TEM-Aufnahme werden die Koordinaten und der Durchmesser des gezählten Partikels erfasst und abgespeichert. Das Programm erlaubt das Heranzoomen von Bildausschnitten, die Veränderung der Helligkeit sowie zur besseren Wahrnehmung den Einsatz von Falschfarben. (Fortsetzung in Teil 2: Ergebnisse und Diskussionen.) Literatur [1] Sferlazza, S. J. u. W. S. Beckett: The respiratory health of welders. Am. Rev. Respir. Dis. 143 (1991), S. 1134/48. [2] Becker, N.: Cancer mortality among arc welders exposed to fumes containing chromium and nickel. J. Occup. Environ. Med. 41 (1999), H., S. 294/303. [3] Howden, D. G., u. a.: Respiratory hazards of welding: occupational exposure characterization. Am. Rev. Respir. Dis. 138 (1988), S. 1047/48. [4] Antonini, J. M.: Health effects of welding. 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