Forschungsvorhaben Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen

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1 Forschungsvorhaben Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen Kurzfassung des Abschlussberichtes Dipl.-Ing. Lenz, ISF der RWTH Aachen; Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu, BGHM Hannover 1 Aufgabenstellung Angeregt durch die Diskussionen um die Festlegung eines neuen Grenzwertes für Zink und seine Verbindungen und um weitere Angaben zu Schweißrauchemissionen bei verzinkten Blechen zu gewinnen, wurde vom FBHM - Themenfeld Schadstoffe in der Schweißtechnik, die Notwendigkeit gesehen, eine genauere Charakterisierung der dabei entstehenden ultrafeinen Partikel durchzuführen. Das Projekt Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen wurde von dem Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen im Auftrag und mit finanzieller Unterstützung des Fachbereiches Holz und Metall der BGHM durchgeführt. Da aus dem vorangegangenen Projekt Vergleichende Untersuchungen bezüglich der Charakterisierung der ultrafeinen Partikel in Schweißrauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren nur wenige Werte bezüglich Emissionen zinkoxidhaltiger Schweißrauche vorhanden waren, sollten diesbezüglich weitere Erkenntnisse durch die Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen beim Schweißen verzinkter Belche erlangt werden. Dazu wurden folgende drei Verfahren ausgewählt: MIG-Löten, Widerstandspunktschweißen (WPS) und CO 2 -Laserschweißen. Es wurden vier verschiedene Werkstoffe eingesetzt, jeweils zwei feuerverzinkte und zwei elektrolytisch verzinkte Tiefziehbleche mit jeweils unterschiedlichen Beschichtungsdicken. Neben den Schweißrauchemissionen und der chemischen Analysen der Rauche, die auf Grundlage der DIN EN nach der Fume-Box-Methode erstellt wurden, wurden auch Partikelkenngrößen, wie z.b. die mittlere Partikelanzahlkonzentration und die Agglomeratanzahl-Emissionsrate bestimmt. Auf die ursprünglich geplante Abschätzung der Primärpartikelanzahl pro Agglomerat wurde verzichtet, da - entgegen den Annahmen - der Modalwert der Primärpartikelgrößenverteilung unterhalb der Messgrenze des eingesetzten FMPS lag und damit die Primärpartikeldurchmesser nicht sicher bestimmt werden konnten. Stattdessen wurde Wert darauf gelegt, die festgestellten Unterschiede in den Mobilitätsdurchmesser-Anzahl-Verteilungen bei den verschiedenen betrachteten Verfahren genauer darzustellen. Dazu wurden z.b. die Anteile der Partikelfraktionen mit einem Mobilitätsdurchmesser <20 nm, <50 nm und <100 nm ermittelt und weitere Kennwerte zur Beschreibung der Verteilungen, wie etwa der NMMD (mittlere Medianwert), der mittlere Modalwert und die geometrische Standardabweichung angegeben. Zur Ermittlung der Emissionsraten und zur Probenahme für die chemische Analyse wurden die beim Schweißen entstehenden Rauche in einer an das jeweilige Schweißverfahren

2 anzupassenden Absaughaube abgesaugt und auf Filtern gesammelt. Für die gravimetrische Bestimmung der Emissionsraten wurden dazu Glasfaserfilter verwendet. Für die Probenahme zur chemischen Analyse wurden die Stäube auf aschefreien Zellulosefiltern gesammelt. Die chemische Analyse erfolgte durch Atom-Absorptions-Spektrometrie (AAS). Die Probenahme zur Ermittlung der Partikelkenngrößen mittels FMPS (Fast Mobility Particle Sizer Spectrometer) erfolgte durch einen angepassten Messkopf zur isokinetischen Probenahme. Beim MIG-Löten wurden Auftragsnähte auf die vier unterschiedlichen, beschichteten Tiefziehbleche aufgebracht. Dabei kamen jeweils zwei unterschiedliche Zusatzwerkstoffe (CuSi3 und AlBz5Ni2) zum Einsatz. Außerdem wurden für jede Grund-/ Zusatzwerkstoff- Kombination drei unterschiedliche Parameter untersucht. Beim CO 2 -Laserschweißen erfolgte eine Schweißung auf jeweils einem einzelnen beschichteten Werkstück. Beim Widerstandspunktschweißen wurden zwei artgleiche, beschichtete Bleche miteinander verschweißt. Die Schweißparameter sollten, um den nötigen Praxisbezug zu gewährleisten, an die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden. Dazu zählten beim MIG-Löten z.b. die Blechstärke, das Abschmelzverhalten der unterschiedlichen Zusatzwerkstoffe und die unterschiedlich starke Beeinträchtigung des Lichtbogens und des Plasmas durch die verdampfende Zinkschicht. 2 Werkstoffe 2.1 Grundwerkstoffe Als Grundwerkstoffe wurden übliche elektrolytisch verzinkte und feuerverzinkte Tiefziehbleche mit jeweils zwei unterschiedlichen Schichtdicken eingesetzt. 2.2 Zusatzwerkstoffe Als Zusatzwerkstoffe wurden CuSi3 und AlBz5Ni2-Drähte mit jeweils 1 mm Durchmesser verwendet. 2.3 Schutzgase Als Schutzgas wurde zum MIG-Löten Argon 4.6 (Ar 99,996%) verwendet. Beim CO 2 - Laserstrahlschweißen wurde als Schutzgas Helium 4.6 (He 99,996%) verwendet. 3 Charakterisierung der Schweißrauchemissionen Mit Hilfe der Fumebox- Methode, auf der Grundlage der DIN EN wurden zur Charakterisierung der untersuchten Schweißrauchemissionen beim MIG-Löten, CO 2 -Laserstrahlschweißen und Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche Massen- Emissionsraten und chem. Analyse der Schweißrauche sowie folgende Partikelkenngrößen mittels FMPS ermittelt: Mittlere Partikelanzahlkonzentration Mittlere Oberflächenkonzentration Mittlere Mobilitätsdurchmesser-Anzahl-Verteilung (grafische Darstellung) Anteile von Partikelfraktionen (Mobilitätsdurchmesser <20 nm, <50 nm, <100 nm) [%] Mittlerer Modalwert der Mobilitätdurchmesseranzahlverteilung [nm] Mittlerer Medianwert der Mobilitätsdurchmesseranzahlverteilung (NMMD) [nm] Geometrische Standardabweichung (GSD) Agglomeratanzahl-Emissionsrate [Partikel/s] bzw. [Partikel/Schweißpunkt] beim Widerstandspunktschweißen

3 4. Zusammenfassung der Ergebnisse Zur Bewertung des Schweißrauch-Emissionsverhaltens von verzinkten Blechen wurden folgende drei Verfahren betrachtet: MIG-Löten, CO 2 -Laserstrahlschweißen und Widerstandspunktschweißen. Es wurden zwei feuerverzinkte und zwei elektrolytisch verzinkte Tiefziehbleche mit unterschiedlich dicken Zinkschichten hinsichtlich des Emissionsverhaltens untersucht. Dazu wurden Schweißrauch-Massen-Emissionsraten gravimetrisch bestimmt, chemische Analysen der Stäube durchgeführt und mit Hilfe eines FMPS Partikelkenngrößen bestimmt. Beim MIG-Löten verzinkter Bleche wurde festgestellt, dass die Höhe der Massen- Emissionsraten von der Zinkschichtdicke abhängt und die Schichtdicke auch einen leichten Einfluss auf die mittlere Partikelanzahlkonzentration und die mittlere Partikeloberflächenkonzentration zu haben scheint. Der hohe Zink-Anteil von 30%-60% im Lötrauch verdeutlicht den großen Einfluss der Zinkschicht auf das Emissionsverhalten. Auch bei der Agglomerat-Anzahl-Emissionsrate war eine Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke erkennbar. Beim CO 2 -Laserstrahlschweißen von verzinkten Blechen ist das Schweißrauch- Emissionsverhalten stark davon abhängig wie sauber der Prozess eingestellt wird. Die abdampfende Zinkschicht führt zur Bildung einer Plasmafackel, die die Einkoppelung des Laserstrahls ins Werkstück verhindert und dazu führt, dass ein Großteil der Strahlenergie beim Verdampfen des Zinkrauchs verloren geht. Eine unzureichend durch Schutzgas unterdrückte Plasmafackel kann zu starkem Anstieg der Emissionsraten bis über 15 mg/s führen. Bei sauber eingestelltem Prozess war eine Abhängigkeit der Emissionsraten von der Zinkschichtdicke erkennbar. Eine Abhängigkeit der Anteile der ultrafeinen Partikel, der mittleren Partikelanzahlkonzentration, der mittleren Partikeloberflächenkonzentration oder der Agglomerat-Anzahl-Emissionsrate von der Beschichtungsdicke war dagegen nicht feststellbar gewesen. Beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche war die Höhe der Emissionsraten abhängig von den eingestellten Parametern und der Zinkschichtdicke. Außerdem scheint die mittlere Partikelanzahlkonzentration von der Zinkschichtdicke beeinflusst zu werden. Eine Abhängigkeit der Partikeloberflächenkonzentration von der Beschichtungsdicke war nicht nachweisbar. Die Agglomerat-Anzahl-Emissionsrate hängt beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche scheinbar von der Beschichtungsdicke ab. 4.1 Ergebnisse beim MIG-Löten von verzinkten Blechen - Die Emissionsraten liegen zwischen 1,3 9,1 mg/s - Der Zinkanteil im Schweißrauch liegt zwischen 30% und 60%; - Die Partikelfraktion mit einem Mobilitätsdurchmesser kleiner 100 nm liegt zwischen 26% und 55% - Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von Ergebnisse beim Widerstandspunktschweißen von verzinkten Blechen - Die Emissionsraten liegen zwischen 0,07 0,18 [mg/s Schweißstromzeit]. - Der Anteil der Partikel mit Mobilitätsdurchmesser kleiner als 100 nm liegt in etwa bei 99%. - Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von

4 4.3 Ergebnisse beim CO 2 -Laserstrahlschweißen von verzinkten Blechen - Die Emissionsraten liegen zwischen 2,56 4,97 mg/s - Der Anteil der Partikel mit Mobilitätsdurchmesser kleiner als 100 nm befindet sich zwischen 40% und 55%. - Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von Gemäß den Erkenntnissen aus der vorangegangenen Studie Vergleichende Untersuchungen bezüglich der Charakterisierung der ultrafeinen Partikel in Schweißrauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren ; Holzinger, K., Pohlmann, G. - bedeutet eine Minderung der Emissionsraten - bei Verfahren mit Emissionsraten über 1mg/s - durch gezielte Schutzmaßnahmen (z.b. Prozessparameter-Optimierung) gleichzeitig auch eine Reduzierung der Primärpartikelemissionsrate und der Agglomeratemissionsrate. Bei der Gestaltung von Absauganlagen für CO 2 -Laserstrahlanlagen und der Positionierung der Absaugelemente müssen die Schutzgasströme und die Gasströme des Cross-Jets unbedingt mit berücksichtigt werden. Je nach Gestaltung des zum Schutz der Optik oft eingesetzten Cross-Jets, kann dieser eventuell auch Schweißrauch ansaugen und diesen im Raum verteilen. Die gezielte Anwendung von wirksamen Absaugsystemen, deren Erfassungselemente im Schweißrauchentstehungsbereich positioniert werden, führen zur Unterschreitung der festgelegten Arbeitsplatzgrenzwerte und somit zur Minderung der ursprünglich hohen Gefährdung durch Schweißrauche bei Verfahren mit mittleren, hohen und sehr hohen Emissionsraten. Überblick über die gemessenen Partikelkenngrößen (Tabelle 25, Abschlussbericht) MIG-Löten verzinkter Bleche Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche CO 2 -Laserschweißen verzinkter Bleche der Massenemissionsraten 1,3-9,1 [mg/s] 0,07 0,18 [mg/s] 16,2 83,7 [µg/punkt] 2,56-4,97 [mg/s] D < 20 nm 8,2 12,8 % 39,05 78,65 % 9,00 12,11% 10,65 6,78 % 81,56 95,88 % 12,99 14,98 % D < 50 nm 26,49 55,14 % 96,66 99,55 % 40,38 55,16 % D < 100 nm

5 der mittleren 5,03E+06 5,70E+05 1,21E+07 Partikel- 2,56E+07 1,75E+06 2,22E+07 anzahlkonzentration der mittleren 2,85E+12 1,92E+10 9,09E+12 Partikel- 2,61E+13 1,12E+11 1,50E+13 oberflächenkonzentration der aus 1,91E+11 1,51E+11 4,59E+11 Absaugvolumenstrom und 9,73E+11 5,28E+11 8,44E+11 Partikelanzahlkonzentration [Partikel/sec] [Partikel/Punkt] [Partikel/sec] ermittelten Agglomeratanzahl- Emissionsraten 6,88E+11 1,89E+12 [Partikel/Schweißstromzeit in sec] Literaturquelle: Olschok, S.; Lenz, K. Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen, Abschlussbericht des Forschungsvorhabens ISF der RWTH Aachen