Kongress für betrieblichen Arbeits- und Gesundheitsschutz am in Hannover

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1 Kongress für betrieblichen Arbeits- und Gesundheitsschutz am in Hannover Schadstoffe beim Schweißen, Beurteilung der Schweißrauchexposition Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu Themenfeld Schadstoffe in der Schweißtechnik, Fachbereich Holz und Metall der DGUV, SGOS, Berufsgenossenschaft Holz und Metall, Hannover Schadstoffentstehung und Toxizität Die in der Schweißtechnik entstehenden Schadstoffe bilden sich aus Zusatzwerkstoffen, Grundwerkstoffen, Schutzgasen, Beschichtungen, Verunreinigungen und Umgebungsluft bei hoher Temperatur (des Lichtbogens oder der Flamme) durch physikalische und/oder chemische Prozesse, wie Verdampfen, Kondensation, Oxidation, Zersetzung, Pyrolyse und Verbrennen. Es entstehen sowohl partikelförmige Schadstoffe (= Schweißrauche) als auch gasförmige Schadstoffe (Gase). Beim Schweißen bilden sich vorwiegend Schweißrauche. Die Art und die Menge der gebildeten Schadstoffe sind werkstoff- und verfahrensbedingt. Die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Werkstoffe hat einen direkten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der partikelförmigen Schadstoffe. Die angewendeten Verfahren beeinflussen die Entstehung gasförmiger Schadstoffe. Weitere Faktoren, die die Schadstoffemission beeinflussen sind z. B: - Oberflächenbeschichtungen und -verunreinigungen, - Prozessparameter, wie Strom, Spannung (höhere Werte führen zu höheren Emissionen) - Elektrodendurchmesser - Art der Umhüllung - Art der Schweißung (beim Auftragschweißen treten höhere Schadstoffemissionen auf als beim Verbindungsschweißen. Die stoffspezifische Wirkung der Schadstoffe, die beim Schweißen entstehen, lässt sich in drei Gruppen unterteilen: - atemwegs- und lungenbelastend - toxisch, toxisch-irritativ - krebserzeugend. Die Schweißrauche sind alveolengängig, d.h. sie können bis zu den Alveolen (Lungenbläschen) durchdringen. Die Wirkung der jeweiligen Schadstoffe hängt von der Dosis und von der Konzentration ab. Bei Schweißrauchen spielen zusätzlich die Partikelgestalt/Morphologie sowie die Partikelzusammensetzung und -größe eine wichtige Rolle.

2 Morphologische Untersuchungen haben gezeigt, dass die einzelnen Schweißrauchpartikel keine homogene Zusammensetzung aufweisen. Neben Primärpartikeln (Einzelpartikeln) bilden sich durch Ausflocken auch Ketten und Agglomerate. Untersuchungen im Labor mit Hilfe der Fumebox zeigen Partikelgrößen kleiner als 1µm. Verfahrens-/Werkstoffbedingt bilden sich ganz kleine Partikel, die 0,1 µm Durchmesser nicht überschreiten. Diese werden als Ultrafeine Partikel bezeichnet. Eine besondere Wirkungsqualität wird insbesondere bei Partikelgrößen zwischen 20 und 50 nm angenommen, vorausgesetzt, dass diese sich im Alveolarbereich deponieren. Die Depositionswahrscheinlichkeit dieser Partikel beträgt im Alveolarbereich 50 bis 60%. Die meisten Schadstoffe beim Schweißen sind bezüglich der Wirkung auf den menschlichen Körper der zweiten Wirkungsgruppe zuzuordnen, da von ihnen eine toxische Wirkung zu erwarten ist. Je niedriger ein stoffspezifischer Grenzwert ist, desto mehr ist eine stärkere toxische Wirkung/Vergiftung zu erwarten. Vorschriften, technische Regeln, Grenzwerte Im Vordergrund steht die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) mit der Forderung nach der Beurteilung der Gefährdung. Die erforderlichen Schutzmaßnahmen ergeben sich anhand der konkreten Gefährdungen. Das bedeutet, dass abhängig von der Höhe der Gefährdung die verschiedenen Grundpflichten ( 7 GefStoffV) und Schutzmaßnahmenpakete ( 8 bis 15 GefStoffV) anzuwenden sind. Bezüglich der Grenzwerte kann unterschieden werden zwischen: - verbindlichen Grenzwerten, z.b. Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW), diese sind durch den Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) beraten und verabschiedet und in der TRGS 900 publiziert - unverbindlichen Grenzwerten, z.b. Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK), die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aufgestellt und in der MAK- und BAT- Werte-Liste, jährlich publiziert werden. Die TRGS 905 listet die Einstufung der krebserzeugenden Stoffe, die nicht in andere Listen der EU aufgeführt sind. Für einige Stoffe wurden bereits Exposition-Risiko-Beziehungen(ERB) durch den Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) erarbeitet. Die zugehörigen stoffspezifischen Akzeptanz- und Toleranzkonzentrationen sind in der Bekanntmachung zu Gefahrstoffen 910 BekGS 910 veröffentlicht. Für viele krebserzeugende Stoffe liegen aber noch keine Werte vor. Die TRGS 400 schreibt vor, dass, sofern kein Arbeitsplatzgrenzwert für einen Stoff vorhanden ist, der Arbeitgeber andere geeignete Beurteilungsmaßstäbe in eigener Verantwortung heranzuziehen hat. Zurzeit existiert keinen Arbeitsplatzgrenzwert für Schweißrauche. Bei der Beurteilung der Schweißrauchexposition wird als Obergrenze die A-Fraktion des Staubes von 1,25 mg/m 3 herangezogen. Darüber hinaus existieren stoffspezifische Grenzwerte, z.b. für Leitkomponenten im Schweißrauch, wie

3 - AGW für Mn = 0,5 mg/m³ (E), - AGW für F- = 1 mg/m³ (E) Nach Beratungen im AGS sind einige Änderungen/Herabsetzungen der folgenden Grenzwerte möglich: Krebserzeugende Stoffe Chrom(VI)-Verbindungen: Beurteilungsmaßstab (BM) 1 mg/m³ (E) Nickeloxide (NiO, Ni 2O 3, NiO 2): TK 13 mg/m³ (A), AK 6 mg/m³ (A) Toxische Stoffe Stickstoffmonoxid: MAK 0,63 mg/m³ (0,5 ppm) Stickstoffdioxid: MAK 0,95 mg/m³ (0,5 ppm) (*) Manganverbindungen: AGW 0,02 mg/m³ (A), 0,2 mg/m³ (E) Weitere verbindliche Grenz- und Richtwerte sind die EU-Werte (Grenzwerte der Europäischen Union), die für eine berufsbedingte Exposition aufgestellt sind. Diese Grenzwerte sind, wie auch die AGW und wie die MAK, Schichtmittelwerte bei 8- stündiger Exposition. Beurteilung der Gefährdung Voraussetzung für die Beurteilung der Gefährdung (siehe auch TRGS 400), sowie für die Auswahl der geeigneten Schutzmaßnahmen (siehe auch TRGS 500) bei jeder Verfahrens- /Werkstoffkombination, sind die Kenntnisse über die Emissionsrate und chemische Zusammensetzung des Schweißrauches. Da Schweißrauche komplexe Stoffgemische sind, werden bei der Beurteilung der Gefährdung die Begriffe Leitkomponente und Hauptkomponente verwendet. Der jeweils dominierende Schadstoff für eine bestimmte Verfahrens-/Werkstoff-Kombination wird als Leitkomponente bezeichnet. Tabelle 1: Beispiele für Leitkomponenten beim Schweißen Verfahren Zusatzwerkstoff Leitkomponente(n) Gasschweißen unlegierter, niedriglegierter Stickstoffdioxid Stahl 4) Lichtbogenhandschweißen unlegierter, niedriglegierter Stahl 4) Schweißrauch 1) MAG-Schweißen mit Massivdraht und Kohlendioxid (MAGC) MAG-Schweißen mit Massivdraht und Mischgas (MAGM) Metall-Inertgasschweißen (MIG) Chrom-Nickel-Stahl Chrom(VI)-Verbindungen ( 20% Cr und 30 % Ni) Schweißrauch 1) Nickel, Nickellegierungen Nickeloxid (> 30% Ni) Evtl. Kupferoxid 2) unlegierter, niedriglegierter Schweißrauch 1) Stahl 4) Kohlenmonoxid unlegierter, niedriglegierter Schweißrauch 1) Stahl 4) Chrom-Nickel-Stahl Nickeloxid ( 20% Cr und 30 % Ni) Nickel, Nickellegierungen (> 30% Ni) Nickeloxid Rein-Aluminium, Aluminium- Silizium-Legierungen Schweißrauch 1) andere Aluminiumlegierungen 3) Schweißrauch 1)

4 Folgende Faktoren werden in die Gefährdungsbeurteilung einbezogen: Verfahrensspezifische Faktoren Die Schweißverfahren können hinsichtlich der Partikel nach Emissionsraten (mg/s) in vier Klassen (Emissionsklassen 1 bis 4) eingeteilt werden. Wirkungsspezifische Faktoren Die Schweißrauche können hinsichtlich der spezifischen Wirkung ihrer Inhaltsstoffe auf den Körper in drei Klassen (Wirkungsklassen A, B, C) eingeteilt werden. Die Höhe der Gesundheitsgefährdung (niedrige bis sehr hohe) ist von verfahrens- und wirkungsspezifischen Faktoren abhängig. Eine Zuordnung zu den Schweißrauchklassen anhand von Emissionsraten und Wirkung (A 1 bis C 4) enthält Tabelle 2. Arbeitsplatzspezifische Faktoren Dazu gehören insbesondere: räumliche Verhältnisse, Lüftungssituation, Kopf- und Körperposition beim Schweißen, Schweißdauer. Tabelle 2: Beurteilung der Gefährdung anhand von Emissionsraten und Wirkung beim Schweißen Schweißverfahren Verfahren Zusatzwerkstoff Leitkomponente(n) Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) unlegierter, niedriglegierter Stahl 4) Schweißrauch 1) Chrom-Nickel-Stahl ( 20% Cr und 30 % Ni) Schweißrauch 1) Nickel, Nickellegierungen (> 30% Ni) ozone Schweißrauch 1) Rein-Aluminium, Aluminium- Silizium-Legierungen Schweißrauch 1) andere Aluminiumlegierungen Schweißrauch 1) 1) Zurzeit wird für Schweißrauche als Obergrenze der Grenzwert für die alveolengängige Fraktion des Staubes von 1,25 mg/m³ (festgelegt für eine Staubdichte von 2,5 g/cm³) verwendet. 2) Nur bei bestimmten Nickel-Legierungen mit Kupfer, Grenzwert für Kupfer-Rauch 3) Aluminium-Werkstoffe (Rein-Aluminium, Aluminium-Legierungen) Grenzwert für Aluminiumoxidrauch 4) Legierungselemente < 5% Emissionsklassen Emissions- raten (mg/s) Wirkung/Wirkungsklassen A B C Atemwegsund lungenbelastende Stoffe, z.b. Eisenoxide Toxische oder toxischirritative Stoffe z.b. Fluoride, Manganoxid, Kupferoxid Krebserzeugende Stoffe, z.b. Cr-(VI)- Verbindungen, Nickeloxid Gefährdung Gefährdung Gefährdung z.b. UP * 1 <1 n G (A1) n G (B1) n G (C1) z.b. WIG ** 1 < 1 n G (A1) m G (B1) m G (C1) z.b. Laserstrahlschweiß en ohne Zusatzwerkstoff 2 1 bis 2 m G (A2) h G (B2) h G (C2) z.b. LBH, MAG (Massivdraht), MIG, Laserstrahlschweiß 3 2 bis 25 h G (A3) h G (B3) h G (C3)

5 en mit Zusatzwerkstoff z.b. MAG (Fülldraht); Fülldraht- Schweißen ohne Schutzgas 4 > 25 s h G (A4) s h G (B4) s h G (C4) n G = niedrige Gefährdung m G = mittlere Gefährdung h G = hohe Gefährdung s h G = sehr hohe Gefährdung A1 bis C4 = Schweißrauchklassen * automatisiert ** Siehe BG-Informationen Schweißtechnische Arbeiten mit chrom- und nickellegierten Zusatzund Grundwerkstoffen (BGI 855) sowie BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach der Gefahrstoffverordnung - Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) (BGI ). Gefährdungszahl als Hilfsmittel Zusammenhang zwischen der Beurteilung der Gefährdung und der Beurteilung der Schweißrauchexposition Zur Bewertung der Gefährdung durch verschiedene Schweißrauchtypen wurde ein empirisches Modell entwickelt. Dieses basiert sowohl auf Messergebnissen aus dem Labor und vom Arbeitsplatz als auch auf arbeitsmedizinischen Erkenntnissen und Erfahrungen über die Wirkung der Schadstoffe. GZ = [E P W P + E G W G] (1/10) L R Kp I) E P Emissionsraten Faktor für partikelförmige Stoffe E G Emissionsraten Faktor für gasförmige Stoffe W P Wirkungsfaktor für partikelförmige Stoffe W G Wirkungsfaktor für gasförmige Stoffe II) L Lüftungssituation Faktor R Räumliche Verhältnisse Faktor Kp Kopf-/Körperposition Faktor Schweißzeit/Lichtbogenbrenndauer/Expositionszeit III) Expositionszeit (schichtbezogen; pro Schicht 220 pro Jahr [Stunden/Jahr (h/a)]; bei 1 Schicht und ED 40 bis 50%) 1 Schicht (8 h/schicht) ED 4 h 880 h/a Expositionszeit ¾ Schicht (6 h/schicht) ED 3 h 660 h/a Expositionszeit ½ Schicht (4 h/schicht) ED 2 h 440 h/a Expositionszeit ¼ Schicht (2 h/schicht) ED 1 h 220 h/a Expositionszeit ED: Einschaltdauer Weiter wird nur auf die Schweißrauchexposition eingegangen. Bezüglich der Beurteilung der Exposition gegenüber Gasen wurden zurzeit noch keine Faktoren und Gefährdungszahlen ausgearbeitet. Diese sind zurzeit nur anhand der jeweiligen Grenzwerte zu beurteilen, d.h. gemessene Konzentrationen sind mit den jeweiligen stoffspezifischen Grenzwert zu vergleichen. Die Exposition des Schweißers gegenüber Schweißrauchen am Arbeitsplatz hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Dazu gehören die vorher genannten Faktoren. (I) Verfahrens- und wirkungsspezifische Faktoren: (GZ)E

6 Schweißverfahren wurden nach Emissionsraten in vier Gruppen unterteilt und Korrelationsfaktoren zwischen den Verfahren (verfahrensspezifische Gefährdungszahl (GZ)E wurden festgelegt. (II) Wirkungsspezifische Faktoren Grenzwerte und Grenzwertbereiche wurden herangezogen und ähnlich wie bei den Emissionsraten wurden wirkungsspezifische Gefährdungszahlen (GZ)W definiert. Dabei wird zwischen den drei Wirkungen lungenbelastend, toxisch und krebserzeugend unterschieden. (III) Arbeitsplatzspezifische Faktoren Die bei der Beurteilung der Gefährdung genannten arbeitsplatzspezifischen Faktoren: Lüftung (L), räumliche Verhältnisse (R), Arbeitsposition, Kopfposition (K P) wurden herangezogen und ausgearbeitet. Die Berechnung der Gefährdungszahl mittels BGHM-Software kann mit folgendem Link durchgeführt werden: Tabelle 3: Gefährdungsklassen Keine Gefährdung: GZ 1 GK 1: niedrige Gefährdungszahl: 1 < GZ 10 GK 2: mittlere Gefährdungszahl: 10 < GZ 100 GK 3: hohe Gefährdungszahl: 100 < GZ 1000 GK 4: sehr hohe Gefährdungszahl: GZ 1000 Schutzmaßnahmen entsprechend der Beurteilung nach Tabelle 3

7 I. Absaugung im Entstehungsbereich der Schweißrauche (A) für 10 < GZ < 100 II. Kombination von lüftungstechnischen Maßnahmen (enthält (A), zusätzlich andere Lüftungsart) für 100 < GZ < 1000 III. Tragen von Atemschutzgeräten (als Ergänzung zu I. oder II. oder als Ersatz, wenn I. und II. technisch nicht machbar sind) für GZ > 1000 Zusammenfassung Schadstoffe beim Schweißen: Die Beurteilung der Exposition, hier insbesondere der Schweißrauchexposition, wird mit Hilfe eines Modells, das die Berechnung einer Gefährdungszahl in den Vordergrund stellt, durchgeführt. Diese Beurteilung kann ohne das Ermitteln von Verfahrens-/Werkstoffdaten (Zusammensetzung der ZW und GW, Hilfsmittel) und ohne das Ermitteln von Schweißrauchdaten (Emissionsraten und Zusammensetzung der Schweißrauche), Grenzwerte und Wirkung der Inhaltsstoffe nicht durchgeführt werden. Folgende Erkenntnisse sind für die Umsetzung in der Praxis relevant: Hohe und sehr hohe Gefährdungen, d.h. Gefährdungszahlen sind insbesondere bei hohen und sehr hohen Emissionsraten und bei krebserzeugenden Inhaltsstoffen (Leitund Hauptkomponente im SR) zu erwarten. Von emissionsarmen Verfahren, wie WIG-Schweißen, geht praktisch keine Gefährdung durch Schweißrauche (= partikelförmige Stoffe) (GZ = 0,1 bis 0,4) aus. Sogar bei der Bearbeitung von hochlegierten Stählen (Cr/Ni-Stählen) ist mit keiner Gefährdung zu rechnen, - ausgenommen sind die Schweißarbeiten in "engen Räumen", mit dem Kopf über der Rauchsäule (RS). Emissionsarme/schadstoffarme Verfahren, wenn sie in "engen Räumen" durchgeführt werden, weisen eine nicht mehr zu vernachlässigende Gefährdungszahl auf. Siehe WIG-Schweißen mit hochlegierten Zusatzwerkstoff, GZ = 25,4. Unter folgenden Voraussetzungen können selbst emissionsreiche Verfahren, wie Lichtbogenhandschweißen mit niedriglegierten Zusatzwerkstoffen, zu sehr niedrigen Gefährdungszahlen (z.b. GZ = 2,7), d.h. niedriger Gefährdung führen: - eine wirksame Absaugung im Entstehungsbereich der Schweißrauche wird eingesetzt und - die Schweißarbeit wird nicht in einem "engen Raum" durchgeführt und - der Kopf des Schweißers befindet sich außerhalb der Rauchsäule. Mit optimierten technischen Randbedingungen (siehe Pkt. vorher) kann die Gefährdungszahl (GZ), verglichen mit ungünstige Bedingungen, wie "enger Raum", keine Absaugung im Entstehungsbereich der Schweißrauche, Kopf des Schweißers über der Rauchsäule) fast um den Faktor 100 verringert werden. Die Rangfolge der Schutzmaßnahmen nach 7 GefStoffV soll eingehalten werden. Empfehlungen für die Praxis:

8 Überlegungen bezüglich schadstoffarmer Verfahren und Werkstoffe sollen im Vordergrund stehen. Die Höhe der Emissionsrate, sowie der Anteil der toxischen und insbesondere der krebserzeugenden Stoffe im Schweißrauch tragen wesentlich zur Höhe der Gefährdungszahl bei (quasi linear). Der Einfluss der drei arbeitsplatzspezifischen Faktoren L, R, K P bei der Berechnung der Gefährdungszahl steht im Vordergrund. Wir berechnen die Gefährdungszahl durch die Multiplizierung L x R x K P. Anzustreben ist GZ (arbeitsplatzspezifisch) = 1. Diese Faktoren sind umso wichtiger (z.b. beim Auftragschweißen/Aufpanzern mit hochlegierten Schweißzusätzen), wenn hohe Schweißrauch-Emissionsraten mit gleichzeitig hohen Anteilen an krebserzeugenden Stoffen auftreten und somit eine hohe/sehr hohe Gefährdungszahl (Gefährdung) vorliegt. Dem kann nur durch die Optimierung der arbeitsplatzspezifischen Faktoren begegnet werden. Bei der Beurteilung der Exposition gegenüber Schadstoffe beim Schweißen sollte neben der Beurteilung der Schweißrauchexposition auch die Beurteilung der Exposition gegenüber gasförmige Schadstoffe, wie Stickstoffoxide,, Kohlenmonoxid, die bei einigen Schweißverfahren entstehen berücksichtigt werden. Als Konsequenz sind hier die Schutzmaßnahmen entsprechend zu gestalten (z.b. Kombifilter für Gas und Partikel).