Literaturreport zum Thema Ozon beim Schweißen und bei verwandten Verfahren

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1 Literaturreport zum Thema Ozon beim Schweißen und bei verwandten Verfahren angefertigt im Rahmen eines europäischen Projekts zum Thema Ozon (2002) Autoren: Annelie Beyer Herbert Gohl Karin Hentschel Vilia Spiegel-Ciobanu

2 1 Allgemeine Informationen über Ozon und seine Bildung Ozon liegt natürlich in der Atmosphäre vor. Seine Konzentration ist in geringeren Höhen niedrig, in der Stratosphäre, in einer Höhe von km, sind die Ozonkonzentrationen jedoch höher. Die Ozonschicht erreicht ihre größte Dichte bei einer Höhe von ungefähr 25 km. Ein Teil der UV-Strahlung der Sonne wird von der Ozonschicht aufgenommen und schützt uns auf diese Weise vor schädlichen Auswirkungen übermäßiger UV-Strahlung. Die Ozonschicht in der Stratosphäre ist zum Gegenstand des Interesses geworden, seit entdeckt wurde, dass zahlreiche Substanzen, wie Freon-Gase, den dort vorhandenen Ozonanteil reduzieren können. Dies könnte zu einem Anstieg der UV-Strahlung führen, die durch die Stratosphäre dringt und schädliche Auswirkungen auf das Leben haben kann [2]. Die Bindungsenergie eines Ozonmoleküls, d.h. die Energie, die benötigt wird, um ein Sauerstoffatom von einem Ozonmolekül zu trennen, ist ziemlich gering (1 ev) im Vergleich zur Bindungsenergie eines Sauerstoffmoleküls (5 ev). Geringe Bindungsenergie heißt, dass Ozon sehr instabil ist und sich daher sehr schnell zersetzen kann. In konzentrierter Form ist Ozon explosionsfähig. Mit einer geringen Energiezufuhr können Sauerstoffatome von den Ozonmolekülen freigesetzt werden und verbinden sich unter hoher Energieabgabe (Erwärmung) wieder mit den Sauerstoffmolekülen. (siehe Anhang A. Bild A.1). Aufgrund der Tatsache, dass freie Sauerstoffatome so leicht von den Ozonmolekülen getrennt werden können, ist Ozon ein stark oxidierendes Agens. Ozon zerstört zahlreiche Materialien wie Gummi, Textilien und organische Anstrichstoffe. Ozon ist auch keimtötend und wurde deshalb als luftdesinfizierendes Mittel in Operationssälen und Labors verwendet [2]. Ozon ist instabil und neigt dazu, sich von selbst genauso schnell zu zersetzen wie es gebildet wird. Andererseits kann das durch die Lichtbogenstrahlung beim Schutzgasschweißen gebildete Ozon manchmal den verhältnismäßig niedrigen TLV-Wert (0,1 ml/m 3 ) überschreiten, selbst in einiger Entfernung vom Schweißbrenner. Beim Lichtbogenschweißen mit Schutzgas wird Stickstoffmonoxid (NO) aus dem in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoff und Stickstoff gebildet. Stickstoffmonoxid ist in der Atmosphäre instabil, oxidiert und geht in NO 2 über. Damit beschleunigt es den natürlichen Prozess der Zersetzung von Ozon. 2 Das Ozon-Problem beim Schweißen Bei der Be- und Verarbeitung von Metallen durch Schweißen entstehen gasförmige und partikelförmige Schadstoffe. Ozon ist einer der wichtigen gasförmigen Schadstoffe. Ozon (O 3 ) wird beim Schweißen durch ultraviolette Strahlung aus dem Sauerstoff in der Luft gebildet. Bei Lichtbogenschweißverfahren erzeugt der Lichtbogen UV-Strahlung, deren Stärke von der Stromstärke abhängt. Wenn die UV-Strahlung stark genug ist, wird Ozon gebildet. Bei hohen Temperaturen ist Ozon gegenüber anderen Substanzen instabil. Das Vorhandensein anderer Gase, Rauche oder Stäube in der Luft beschleunigt den Zerfall von Ozon zu Sauerstoff.

3 Besonders wegen der Instabilität von Ozon muss der Unterschied zwischen Emission und Immission (Konzentration am Arbeitsplatz) berücksichtigt werden [84]. 2.1 Emission Einflussfaktoren bei der Bildung von Ozon Die Bildung von Ozon (Emission) beim Schweißen hängt besonders von folgenden Faktoren ab [7], [19], [21], [84]: dem Prozess (z.b. MAG/MIG/WIG Schweißen) den Werkstoffen (z.b. Aluminium/Aluminium-Magnesium/Aluminium-Silizium/Chrom- Nickel-Stahl...) den Schutzgasen (z.b. Argon, Helium...) (siehe Anhang B) Für den Vergleich verschiedener Schweißverfahren, unterschiedlicher Schweißzusatzwerkstoffe, unterschiedlicher Schutzgase, verschiedener Schweißparameter usw. im Hinblick darauf, wie hoch das relative durch Ozon oder irgendeine andere Substanz bewirkte Gesundheitsrisiko ist, sind nur Messungen der Emissionsrate von Nutzen. Die Nettomenge des erzeugten Ozons hängt stark von dem Schweißverfahren (WIG, MAG oder MIG) und der Art des zu schweißenden Werkstoffs ab. Nach Mortazavi et al [67] führen die Zusätze von 1% Mg, 1%Zn und 1% Al (leicht oxidierbare Spurenmetalle) zu den Schweißdrähten zu einer Reduzierung der Ozonkonzentrationen von 99,5%, 98% bzw. 27%. Der Schweißstrom beeinflusst die Nettomenge des gebildeten Ozons. Der Zusammenhang zwischen Schweißspannung (und somit der Werkstoffübergangs- Charakteristik) und Ozonbildung wurde ebenfalls untersucht. Beim MIG-Schweißen von Aluminium wurde ein dramatischer Anstieg der Ozonbildung beobachtet, sobald die Spannung einen Wert erreicht hatte, der einen feintropfigen Werkstoffübergang ermöglicht. Eine erhöhte Ozonbildung ist charakteristisch für den glatten feintropfigen Werkstoffübergangsmodus, der bei höheren Schweißspannungen auftritt [104]. Die Länge des Lichtbogens ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. Ein Anstieg der Schutzgas-Durchflussrate kann zu einem Anstieg der sich bildenden Ozonmenge führen. Eine spitze Elektrode erzeugt einen stabileren Lichtbogen als eine stumpfe Elektrode und dadurch weniger Stickoxid und mehr Ozon. Eine kleinere Schutzgashaube gibt mehr Stickoxid ab als eine größere und dadurch auch weniger Ozon. Eine zu kleine Schutzgashaube bietet jedoch keinen ausreichenden Gasschutz [74]. Die Emissionsrate von Ozon wird auch von den Bestandteilen des Plasmalichtbogens beeinflusst.

4 Ein qualitativer Vergleich der aus dem Plasmalichtbogen austretenden ozon-aktiven Strahlung mit unterschiedlichen Gasen hat zu folgenden Ergebnissen geführt: Verglichen mit reinem Argon erzeugt reines Helium eine ozon-aktive Strahlung, die um mehrere Zehnerpotenzen schwächer ist. Das Schutzgas selbst hat Einfluss auf die für eine bestimmte Schweiß-Aufgabe gewählte Spannung. Da ein Argon-Helium Gemisch sich nach und nach mit Helium anreichert, ist es zum Beispiel erforderlich, die Schweißspannung bei festgesetztem Schweißstrom zu erhöhen, um den Mindestwert zu erreichen, bei dem der Schwellenwert für den feintropfigen Werkstoffübergang auftritt [104]. Beim WIG-Schweißen mit Helium ist die Intensität der ozon-aktiven Strahlung und dadurch die Ozonmenge nur unwesentlich geringer als beim Schweißen mit Argon. Dies weist darauf hin, dass Metalldampf aus dem Schweißbad einen großen Anteil an der Strahlung hat [75], [79]. Beim WIG-Schweißen mit einer nichtabschmelzenden Wolfram-Elektrode, gibt es keinen signifikanten Beitrag vom Metalldampf der Elektrode. Beim MIG-Schweißen hat jedoch normalerweise der Metalldampf aus dem abschmelzenden Metall der Elektrode den größten Anteil an der Strahlung. Beim MIG-Schweißen enthält das Lichtbogenplasma eine hohe Konzentration an Metalldampf. Das Schutzgas ist daher gewöhnlich von untergeordneter Bedeutung für die ozonbildende Strahlung. Aluminiumdampf im Lichtbogenplasma erzeugt sehr starke ozonbildende UV-Strahlung. Dieser Effekt führt dazu, dass die gemessene Ozonkonzentration im Fall von intermittierendem Schweißen (beim Handschweißen üblich) höher ist als bei kontinuierlichem (automatischem) Schweißen, wobei in beiden Fällen von der gleichen Lichtbogenzünddauer ausgegangen wird. Beispiele für die Ergebnisse der Ozon-Emissionsmessungen mit dem Fume-Box-Verfahren sind in Tabelle 1 aufgeführt.

5 Tabelle 1: Beispiele für Ozonemissionen beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen Prozess/Material [ml/min] Ozonemissionsrate [mg/s] MAG Schweißen nicht legierter Stahl Chrom-Nickel Stahl MAG Schweißen (Impulsschweißen) Chrom-Nickel-Stahl ~ 4 5 ~ 8 ~ 0,13 0,17 ~ 0,27 ~ ~ 0,33 0,5 MIG Schweißen AlMg4-Legierungen AlSi-Legierungen WIG Schweißen Al-Werkstoffe nicht legierter Stahl ~ 15 bis 50 ~ 1 2 ~ 3 ~ 0,5 bis 1,7 ~ 0,03 0,07 ~ 0,1 Smårs und Sipek [82] geben eine Zusammenfassung von Emissionsraten, die in einem zylindrischen Volumen um den Lichtbogen herum in einem Durchmesser von circa 30 cm für WIG (= GTWA) und circa 60 cm für MIG (= GMWA), im sogenannten Nahbereich, siehe Anhang E, Bild E.1, vorgefunden wurden. Es zeigte sich auch, dass die Ozonmenge, die außerhalb dieses Bereiches im sogenannten Fernbereich erzeugt wird, von geringerer Bedeutung ist. Wegen der geringen Menge von pro Volumeneinheit erzeugten Ozon in diesem Bereich ist die Konzentration fast immer unbedeutend, obwohl die erzeugte Ozonmenge ungefähr gleich bleibt. Beim WIG-Schweißen ist die Menge des emittierten Ozons am größten, wenn Edelstahl mit Argon geschweißt wird. Die große Spannweite der Werte, die in diesem Fall beobachtet wurde (0,2-2,6 ml/min) wird durch die Tatsache erklärt, dass die Emission stark vom Schutzgasdurchfluss abhängt und dass in diesem Fall Messungen mit sehr unterschiedlichen Gasdurchflussraten durchgeführt wurden (5-12 l/min). Es zeigte sich, dass die Ozonemission sehr stark mit dem Gasdurchfluss ansteigt. Nach Smårs und Sipek [82], erzeugt WIG-Schweißen von Edelstahl mit Helium niedrigere Emissionen als mit Argon. WIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Wechselstrom unter Verwendung von Argon ergibt niedrigere Emissionen als andere WIG-Schweißprozesse. Die Emissionswerte für das MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen erwiesen sich als mehrfach höher als die höchsten Werte, die beim MIG-Schweißen von anderen Werkstoffen erhalten wurden [44], [74], [83]. Für eine Drahtlegierung mit 5% Silizium und einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm liegt das Maximum des emittierten Ozons im Nahbereich zwischen 200 und 250 A. Der Abfall bei höheren Strömen beruht auf einem Anstieg der Stickstoffdioxid-Bildung. Eine Verlängerung des Lichtbogens um den Faktor 2 (durch Verringerung der Spannung) erhöhte die Ozon-Emission um 40-60%.

6 Draht aus einer Silizium-Legierung (AlSi5) ergibt die größte Ozonemission, während die Werte bei reinem Aluminium (Al99,5) um 15-20% niedriger sind. Draht aus einer Magnesiumlegierung ergibt näherungsweise dreimal (AlMg3) bis viermal (AlMg5) höhere Werte. Die Werkstoffe in der Platte, auf der das Schweißen ausgeführt wurde, wurden in jedem Fall der Drahtlegierung angepasst. Im allgemeinen spielt der Werkstoff der Platte bei der Ozonproduktion beim MIG-Schweißen eine untergeordnete Rolle [74]. Beim MIG-Schweißen von Aluminium wird manchmal eine Mischung von Argon und Helium als Schutzgas verwendet, in Ausnahmefällen reines Helium. Im Vergleich zu Argon ergeben Helium und heliumreiche Gemische wegen der geringeren Dichte von Helium eine schmalere Rauchfahne. Dies wurde in einem separaten Experiment mit der Schlierentechnik überprüft. Daher kann der Messpunkt bei Verwendung von Argon als Schutzgas innerhalb der Rauchfahne liegen, bei der Verwendung von Helium oder einem Helium-Gemisch jedoch außerhalb der Rauchfahne. Als Ergebnis kann an dem betreffenden Messpunkt eine viel geringere Konzentration gemessen werden, wenn Helium oder Helium- Gemische verwendet werden als bei Argon, obwohl die emittierte Ozonmenge etwa die Gleiche ist. Beim MAG-Schweißen von niedriglegiertem Stahl und Edelstahl maß E.B.Hansen Emissionsraten mit einer Anordnung und einem Verfahren, das "Brite Fume Box" genannt wird, und auf der schwedischen Fume-Box-Technik beruht, die für Messungen von sowohl Rauch als auch Gasen beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen abgewandelt wurde. Die Messungen umfassen eine große Zahl von Schweißzusatzwerkstoffen, Schutzgaszusammensetzungen und Schweißparametern. Kurzlichtbogenschweißen bei 125 A mit CO 2 (im Diagramm nicht dargestellt) ergab etwa 1 ml/min an Ozon. MAG-Schweißen von nicht-legiertem Stahl mit pulvergefüllter, Rutil-, basischer und Massivdraht-Elektrode (1,2 mm) ergab Ozon-Emissionsraten zwischen 2 und 12 ml/min. Die Ergebnisse für Edelstahl, Massivdraht 1,2 mm, pulvergefüllt 1,2 mm und metallgefüllt 1,6 mm zeigen Werte zwischen 3 und 8 ml/min und 3 bis 7 ml/min. Beim Vergleich von Massivdraht aus nichtlegiertem Stahl und Massivdraht aus Edelstahl wird deutlich, dass Edelstahl etwa zwei Mal soviel Ozon erzeugt, wenn nicht Ar + 30% He + 1% O 2 verwendet wurde. Fülldrahtelektroden ergaben deutlich mehr Ozon als Massivdrahtelektroden. Metall-Fülldrahtelektroden erzeugten z.b. beim Schweißen mit Ar + 8% CO ml/min an Ozon, während Massivdraht mit dem gleichen Gasgemisch 1,5-4 ml/min ergab. Es zeigt sich, dass die höchsten Emissionen beim Metallinertgasschweißen beobachtet werden (MIG), die gemessenen Emissionswerte für Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) im Vergleich zu MIG-Schweißen um den Faktor zehn geringer sind, während der Bearbeitung von AlSi-Werkstoffen deutlich höhere Emissionen erzeugt werden als bei der Behandlung von AlMg 4 -Werkstoffen. Die gezeigten Ergebnisse beruhen auf verschiedenen Messverfahren, z.b.: dem Fume-Box-Verfahren, das die Menge pro Zeiteinheit bestimmt (mg/s), und dem Strahlungskammer-Verfahren das die Ozonkonzentration (mg/m³) für verschiedene Abstände vom Lichtbogen bestimmt.

7 2.1.2 Verfahren zur Messung der Emissionsrate In der Literatur wird über verschiedene Verfahren zur Bewertung der Rauchemissionsrate von Lichtbogen-Schweißverfahren berichtet. Im allgemeinen beruhen sie auf einem "Fume Box"-Verfahren, d.h. dem Schweißen in einer geschlossenen Kammer [45]. Die Techniken zur Rauchprobenahme und die Prüfverfahren können in drei Gruppen unterteilt werden: a. Sammeln der Gesamtrauchmenge durch Extraktion aus der Kammer durch ein Filter b. partielle Rauchprobenahme in einer Extraktionsleitung aus der Rauchkammer durch isokinetische Probenahme c partielle Probenahme aus der Luft in der Kammer. E.B. Hansen berichtet in [45] über die verschiedenen Rauch- und Gas- Probenahmeverfahren, die in Europa und den USA angewendet worden sind. Hiernach ist das gebräuchlichste Verfahren zur Klassifizierung von Rauchen von MMA- Elektroden das als "Swedish Fume Box" bekannte Verfahren. Das Swedish-Fume-Box-Verfahren wurde ursprünglich nur für Messungen von Rauchemissionsraten von MMA-Elektroden entwickelt und Gas-Emissions-Messungen waren nicht in das Verfahren eingeschlossen. Später wurde das Swedish-Fume-Box- Verfahren in veränderten Ausführungen auch für andere Anwendungen wie das Prüfen von Rauch- und Gas-Emissionen beim Schweißen von Oberflächenbeschichtungen (Primer), MIG-, WIG-Schweißen und Löten, verwendet. Fast alle Rauchkammern, die in Europa gebräuchlich sind, beruhen auf der schwedischen Ausführung. Modifizierte Swedish-Fume-Box- und andere Rauchkammervarianten, die die gleiche Probenahmetechnik des Gesamtrauches verwenden, aber andere Ausführungen und andere automatische Schweißreinrichtungen haben, wurden bei SINTEF, an der University of Bradford und am dänischen Schweißinstitut entwickelt. Ein Verfahren zur Probenahme von Partialrauch wurde in den USA, den Niederlanden, Deutschland, Schweden und Japan verwendet. Bei dieser Technik wird der Rauch, der beim Schweißprozess entsteht aus der geschlossenen Kammer extrahiert. Ein drittes Prinzip der Rauchemissionsmessung wurde 1993 von der British Occupational Hygiene Society als Verfahren für die Rauchklassifizierung von Elektroden zum Lichtbogenhandschweißen. Das Verfahren beruhte auf dem Schweißen einer 300 mm Elektrode in einer geschlossenen Kammer mit einem Volumen von etwa 20 m³ ohne Lüftung. Der Nachteil von Filter-Sammelsystemen für Gesamtrauch ist die begrenzte Rauch- Aufnahmefähigkeit. Ein weiterer Nachteil im Vergleich zu Messungen der Gas-Emissions-Raten ist die Veränderung der Durchflussrate bei der Gesamtrauch-Probenahme Messungen der Rauch-Emissionsraten auf der Grundlage von partieller isokinetischer Rauch-Probenahme in der Abzugsleitung haben den Vorteil, dass die Abzugs-Durchflussrate aus der Kammer konstant ist und innerhalb weiter Grenzen ausgewählt werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die sehr viel kompliziertere Technik zur Rauch-Probenahme, die im allgemeinen zu einer niedrigen Reproduzierbarkeit führt.

8 Die Emission von Schadstoffgasen wird normalerweise von den Gaskonzentrationen in der Abzugsluft aus der Rauchkammer bestimmt. Durch Multiplizieren des Luftdurchflusses mit der Konzentration erhält man die Menge der jeweilig während des Schweißens emittierten Gase. Wegen des Bildungsmechanismus kann Ozon in Abhängigkeit von den Wellenlängen und der Intensität der UV-Strahlung in einiger Entfernung vom Lichtbogen gebildet werden. Um die Gesamt-Emissionsrate von Ozon zu messen, ist es vorteilhaft, eine große Rauchkammer mit Abmessungen von mindestens 2 x 2 x 2 m zu verwenden. Eine Rauchkammer dieser Größe erfordert jedoch eine sehr hohe Lüftungsgeschwindigkeit damit ein nach oben gerichteter Luftzug in der Kammer sichergestellt ist, der ausreicht, um den Partikel-Rauch aus der Schweißzone nach oben in die Probenahmeleitung zu befördern. Eine Rauchkammer mit Schweißkammerboden von mehr als 0,4 X 0,4 kann das Ozon sammeln, das sich im Nahbereich bildet, das sind im Normalfall mehr als 75% der erzeugten Gesamtmenge. Ein experimentelles Rauchkammersystem [45], das für die Messung von Rauch- und Gasemissionsraten von MIG-Schweißverfahren entwickelt wurde, ist in Anhang B, Bilder B.2 und B.3, dargestellt. Zur Bewertung der Gas-Emissionsraten wurde die Konzentration von Ozon und Stickoxiden im Luftstrom unter der Filterbefestigung gemessen. Die Aufzeichnungsgeräte waren Chemilumineszenz-Geräte. Sie wurden mit einem Recorder verbunden. Vor der Probenahme wurden die Geräte mit einem Ozon-Kalibrator und zertifizierten Gasen kalibriert. Die Filter und Rohrleitungen des Ozon-Probenahme-Systems waren alle aus PTFE gefertigt. Wegen des Einflusses der Abmessungen der Schweißkammer auf die Ozon-Ergebnisse muss der Schluss gezogen werden, dass die Fume-Box-Schweißkammer im Vergleich zur schwedischen Standardausführung vergrößert werden sollte. E.B. Hansen [45] ist der Meinung, dass das Brite -Verfahren für die Prüfung von Rauch- und Gasemissionen für MIG-Schweißverfahren sinnvoll sein kann. Dies ist eine Swedish-Fume- Box mit modifizierter Schweißkammer wie in Anhang B, Bilder B.2 und B.3 dargestellt. In dieser Kammer wird der gesamte partikelförmige Rauch, der bei den Schweißprüfungen erzeugt wird, auf 240 mm Filtern gesammelt und die Rauchemissionsraten werden berechnet. Die Gaserzeugungsraten werden mit separaten Fume-Box-Prüfungen bei einer konstanten Luftdurchflussrate in der Fume-Box gemessen. Beim Schweißen werden Gasproben aus der Abzugsluft der Rauchkammer genommen. Die Gasemissionsraten werden aus den Gaskonzentrationen im Luftstrom und der Luft-Durchflussrate berechnet. Die Gestaltung der Kammer ist vergleichbar mit der Kammer, die von AGA bei deren umfassenden Forschungen über die Ozon- und Stickoxid-Emissionen bei Lichtbogen- Schutzgasschweiß-Verfahren verwendet wurde. Wenn verschiedene Schweißverfahren in Bezug auf die gebildete Ozonmenge verglichen werden, können sie wie folgt klassifiziert werden: 1) MIG (=GMWA) von Aluminium und Aluminium-Silizium-Legierungen, bis zu ~ 50 ml/min

9 2) MIG (=GMWA) von Magnesium und Aluminium-Magnesium-Legierungen, bis zu ~ 15 ml/min 3) Synergetisches Impulsschweißen von Stahl, bis zu ~ ml/min 4) MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Metallkern-Elektrode, bis zu ~ 10 ml/min 5) MAG (=GMWA) von Edelstahl, bis zu ~ 8 ml/min 6) MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Fülldraht-Elektrode, bis zu ~ 6 ml/min 7) MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Massivdraht-Elektrode, bis zu ~ 4-5 ml/min 8) WIG (=GTAW) von Edelstahl und nicht-legiertem Stahl, bis zu ~ 3 ml/min 9) WIG (=GTAW) of Aluminium, bis zu 1-2 ml/min Eine experimentelle Untersuchung ergab, dass das Expositionsniveau (Konzentration im Atembereich) unter unvorteilhaften Luftungs-Bedingungen fast 1 ppm erreichen kann, wenn die Emissionsrate nur 3 ml/min beträgt. Einige Beispiele für Kammern zur Messung der Emissionsrate sind in Anhang B, Bilder B.2 bis B.7 dargestellt. Nach Farwer und Sroka in [38] gibt es zwei verschiedene Verfahren zur Messung von Ozon: beim sogenannten Emissions-Messverfahren wird die gesamte Atmosphäre in der direkten Umgebung des Schweißers zur Bestimmung des Kontaminationsgrades extrahiert und analysiert. Es versteht sich von selbst, dass diese Messung die Kontamination, der der Schweißer ausgesetzt ist, nicht realistisch wiedergibt: es ist ein Wert für die durchschnittliche Kontamination des gesamten Schweißbereichs und daher ein rein theoretischer Wert. Um realistische Daten zu erhalten, muss die Extraktionskammer mindestens einen Durchmesser von 2 m haben. Nach [92] und dem Normungsdokument CEN/TC 121 N810 sind für die Messung von Ozonkonzentrationen zwingend Festpunktmessungen erforderlich. 2.2 Immission (Konzentration) am Arbeitsplatz Die Konzentration von Ozon am Arbeitsplatz wird von folgenden Faktoren beeinflusst [38]: Emission Abstand vom Lichtbogen Andere vorhandene Stoffe (Gase, Teilchen) Vorhandene Schutzeinrichtungen Da die UV-Strahlung nicht auf den direkten Schweißbereich beschränkt ist, wird Ozon auch außerhalb des Lichtbogen- und Schutzgas-Bereiches erzeugt. Immissionsmessungen sollen die tatsächliche Exposition des Schweißers zeigen. Deshalb werden im Atembereich des Schweißers personenbezogene Luftproben-Messungen durchgeführt. Tabelle 2 zeigt Beispiele von typischen Messergebnissen von Ozon- Konzentrationsmessungen.

10 Tabelle 2: Beispiele von Ozon-Konzentrationen bei Schutzgas-Schweißverfahren [84] (Personenbezogene Konzentrations-Messungen) Verfahren/Werkstoff MAG-Schweißen Nicht-legierter und niedriglegierter Stahl MAG-Schweißen (Impuls- Schweißen) AlMg4,5 Mn AlSi 5 Ozon-Konzentration [ml/m³] in der Rauchsäule im Atembereich des Schweißers 0,4 0,85 0,025 0,1 ~ 3 ~ 10 ~ 0,2 ~ 0,4 TIG Schweißen Chrom-Nickel-Stahl AlMg4,5 Mn ~ 0,25 0,4 ~ 0,4 ~ 0,04 ~ 0, Metall-Aktivgasschweißen (MAG) Beim Metall-Aktiv-Gasschweißen sind im allgemeinen wegen der starken Rauchbildung niedrigere Ozon-Konzentrationen zu erwarten. Normalerweise sind die Ozonexpositionen für den Schweißer unbedeutend. Das Danish Welding Institute (Sveyscentralen) fand heraus, dass die Ozonmengen, die beim MAG-Schweißen mit dem sogenannten Kurz-Lichtbogen in der Umgebung des Lichtbogens erzeugt werden, im unteren Bereich viel höher sind, als die, die im oberen Bereich mit dem Sprühlichtbogen erzeugt werden. Dies war ein überraschendes Ergebnis: wegen der größeren UV-Strahlung beim Sprüh-Lichtbogen-Schweißen waren alle vorherigen Veröffentlichungen vom Gegenteil ausgegangen [18], [19]. Um die Beziehungen genau zu klären, wurde eine Reihe von Vergleichstests durchgeführt und es wurden über dem Lichtbogen und im Atembereich Messungen im Betrieb durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt: Brehme, Farwer, Sroka [18], [19] sind der Meinung, dass das Schutzgas (eine Mischung von Argon und CO 2 ) einen weitaus geringeren Einfluss hat als andere Schweißparameter. Sie erklären, dass die hohen Ozonwerte im Kurzlichtbogenbereich, die direkt über dem Kurz-Lichtbogen gemessen wurden, auf der Tatsache beruhen, dass in diesem Bereich verfahrensbedingt weniger Stickstoffmonoxid erzeugt wird. Im Atembereich des Schweißers sind die Verhältnisse jedoch umgekehrt: Sprühlichtbogenschweißen führt zu deutlich höheren Ozon- Verunreinigungen. Mit anderen Worten beruhen die Ozonkonzentrationen hauptsächlich auf Strahlung.

11 Tabelle 3: Beispiele für Ozon-Konzentrationen in der Rauchsäule und im Atembereich des Schweißers für unterschiedliche Schweißverfahren und -parameter [18], [19] Schweißverfahren/ Werkstoffe MAG/unlegierter Stahl MAG/unlegierter Stahl (50 % Betriebszeit) MAG/unlegierter Stahl (Sprühlichtbogen) MIG/AlMg4.5Mn WIG/CrNi Stahl (100 A) MIG/Aluminium (220 A) AlMg4.5Mn Ozon-Konzentration [ml/m³] Parameter-Variationen in der Rauchsäule im Atembereich Kurzlichtbogen 0,85 0,025 Sprühlichtbogen 0,55 0,10 Krysal 18 (82% Ar, 18% CO 2 ) 0,70 0,04 Argomix D (92%Ar,8%O 2 ) 0,70 0,05 ohne Rauchabsaugbrenner 0,65 0,08 mit Rauchabsaugbrenner 0,40 0,09 ohne Rauchabsaugbrenner 3,0 0,20 mit Rauchabsaugbrenner 1,0 0,10 Argon 0,40 0,04 Argon W 5 0,25 0,04 AlSi5 10,0 0,40 AlMg4.5Mn 1,0 0,10 MIG-Schweißen 1,0 0,10 WIG-Schweißen 0,40 0, Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) Beim Metall-Inertgas-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen muss neben dem Gesamtrauch die Bildung von Ozon (durch UV-Strahlung und die stark reflektierenden Werkstoffe) berücksichtigt werden. a) Einfluss des Werkstoffes auf die Ozonkonzentration Wie bei den Emissionsmessungen wurden die höchsten Ozon-Konzentrationen für MIG- Schweißen von AlSi-Werkstoffen gemessen (z.b. AlMgSi1 als Grundwerkstoff mit AlSi5 als Zusatzwerkstoff). Tabelle 4 zeigt den Einfluss des Werkstoffes sowie den Einfluss der Stromstärke und der Lichtbogenlänge auf die Ozonkonzentration.. Die Ozonkonzentration steigt mit steigender Stromstärke und Lichtbogenlänge an. Tabelle 4: Beispiele von Ozonkonzentrationen beim MIG-Schweißen mit reinem Argon (20 l/min) [84] Grundwerkstoff Zusatzwerkstoff Ozon-Konzentration [ml/m³] 250 A 27 V 200 A 25 V 3 : 6 mm Lichtbogenlänge 5 : 7 mm AlMg4,5 Mn S-AlMg5 3 0,5 AlMn S-Al99, AlMgSi1 S-AlSi5 >15 7 b) Einfluss der Schutzgaszusammensetzung auf die Ozonkonzentration

12 Die Verwendung eines Argon/Helium-Schutzgasgemisches beim MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen führt zu niedrigeren Ozonkonzentrationen als die Verwendung von reinem Argon als Schutzgas, gemessen unter den gleichen Bedingungen. Die Messergebnisse zeigen (siehe Tabelle 5), dass mit zunehmendem Abstand vom Lichtbogen bei konstanten Parametern, wie z.b. Werkstoff, Schutzgas, Strom, die Ozonkonzentration deutlich abnimmt. Tabelle 5: Beispiel von Ozonkonzentrationen beim MIG-Schweißen [84] (Messungen in unterschiedlichen Abständen vom Lichtbogen) Werkstoff Aluminium Schutzgas: 80 % He + 20 % Ar Stromstärke: 195 A Aluminium Schutzgas: Reines Argon 14 l/min Stromstärke: 200 A Ozonkonzentration [ml/m³] ,3 1,1 5,1 2,3 1, Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) Wegen der niedrigeren Stromstärken werden beim Wolfram-Inertgas-Schweißen geringere Ozonkonzentrationen erzeugt als beim Metall-Inertgas-Schweißen. Wie beim MIG- Schweißen steigen auch hier die Ozonwerte von Aluminium-Magnesium-Legierungen über reines Aluminium zu Aluminium-Silizium-Legierungen an [84]. Auch beim WIG-Schweißen hängt die Ozonkonzentration in erster Linie von dem verwendeten Werkstoff ab, außerdem haben die Art des gewählten Schutzgases und der Abstand vom Lichtbogen einen deutliche Einfluss auf die gemessenen Ozonkonzentrationen In Tabelle 6 sind beispielhaft Ergebnisse der Konzentrationsmessungen beim WIG- Schweißen von Aluminium-Werkstoffen aufgeführt. Ein Beispiel für die Ozonkonzentration in der Rauchfahne eines WIG-Schweißbrenners wird in Anhang C dargestellt. Hier wurde die Ozonkonzentration unter kontrollierten Luftdurchflussbedingungen gemessen. Die Ozon-Konzentration in der Rauchfahne sinkt rasch mit steigendem Abstand vom Lichtbogen [20]. Hohe Konzentrationsgradienten treten radial auf und dies ist wahrscheinlich der Grund für die stark abweichenden Ozonkonzentrationen, über die verschiedene Forscher berichten [81]. Im Allgemeinen liegen die Ozon-Konzentrationen, die beim WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen gemessen werden, zwischen 0,02 und 3,5 ml/m³, je nach Werkstoff, Schutzgas und Abstand vom Lichtbogen.

13 Beim WIG-Schweißen von Edelstahl sind die Ozon-Konzentrationen niedriger als beim WIG- Schweißen von Aluminium-Werkstoffen. Hier gibt es keine Gefährdung des Schweißers durch Ozon. Tabelle 6: Beispiele für Ozon-Konzentrationen beim Wolfram-Inertgas-Schweißen Werkstoff/Schutzgas Reines Aluminium Schutzgas: Argon 7 l/min Stromstärke: 150 A AlMg4,5 Mn mit S-AlMg5 Schutzgas: Helium 20 l/min AlMn mit S-Al99,5 Schutzgas: Helium 20 l/min AlMgSi1 mit S-AlSi5 Schutzgas: Helium 20 l/min Ozon-Konzentration [ml/m³] Abstand vom Lichtbogen (mm) ,15 0,08 0,02 0,6 3,5 2,2 Ulfvarsson et al maßen Konzentrationen im Atembereich von 45 Schweißern beim MIG- Schweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen. In fast der Hälfte der Fälle lagen die Konzentrationen über 0,1 ppm und 15 % lagen über 0,3 ppm. Bei 49 Schweißern, die WIG- Schweißen von Aluminium ausführten, lagen fast alle Konzentrationen unter 0,1 ppm. Bei 27 Schweißern, die Schutzgasschweißen von Edelstahl ausführten (20 WIG-Schweißer und 7 MIG-Schweißer), lagen die Konzentrationen in fast 20 % der Fälle über 0,1 ppm. In 10% der Fälle wurden 0,3 ppm überschritten. E.B. Hansen [44], [45] maß Ozon-Expositions-Level an 11 verschiedenen Arbeitsplätzen, an denen Hand-WIG-Produktionsschweißen von Edelstahl durchgeführt wurde. Nur beim MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminium-Legierungen finden sich außerhalb der Rauchfahne, in einem Abstand von einem Meter, nennenswerte Ozon-Konzentrationen. Daher kann Ozon ein Problem für den Schweißer und seine Helfer darstellen, nicht jedoch für andere Personen auf dem Gelände. Die Ozon-Konzentrationen im Atembereich des Schweißers wurden von Engström und Virtamo "on site" innerhalb des Schweißerschutzhelms in 24 Schweißwerkstätten gemessen. Bei verschiedenen Schutzgas-Schweißverfahren wurden 118 Kurzzeit-Messungen (5-15 min) durchgeführt. Die höchsten Konzentrationen traten wiederum beim MIG-Schweißen von Aluminium auf. Spitzenwerte bis zu 7 ppm wurden beim Schweißen ohne Arbeitsplatzlüftung gemessen [25], [26] Schlussfolgerung

14 Bei den meisten der Kombinationen von Verfahren und Werkstoff für das Schweißen liegen die (gemessenen) Ozon-Konzentrationen im Atembereich des Schweißers unter 0,1 ml/m³, dem gegenwärtigen Expositionsgrenzwert (maximale Arbeitsplatzkonzentration). Beim MIG-Schweißen von Aluminium und besonders von AlSi werden die Grenzwerte jedoch überschritten. Besonders bei der letztgenannten Kombination Verfahren/Werkstoff ist die Verwendung von wirksamen Absaugeinrichtungen erforderlich. Die Absaugeinrichtung muss so gestaltet sein, dass nicht nur der Bereich in der unmittelbaren Umgebung des Lichtbogens, sondern auch der Atembereich des Schweißers vollständig abgedeckt ist. Für vollautomatisierte Verfahren wird eine Strahlungsüberwachung empfohlen, die die Bildung von Ozon im Atembereich des Schweißers verhindert [39]. Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Bildung von Ozon beim MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumwerkstoffen zu richten. Dies heißt jedoch nicht, dass die Ozonbildung bei anderen Schweißverfahren nicht beachtet werden muss: wenn der Schweißer z.b. eine ungünstige Stellung einnehmen muss oder in engen Räumen arbeitet können auch bei anderen Schweißverfahren höhere Ozonkonzentrationen auftreten. Im Hinblick auf die Sicherheit des Schweißers ist die Messung des Ozonwertes im Atembereich das verlässlichere Verfahren. Messungen im Atembereich werden hinter dem Schweißerschutzschirm oder -schild in der Nähe des Mundes und der Nase ausgeführt. Dies ist der Bereich, auf den sich die Grenzwerte (MAK) beziehen. Das computergestützte System wurde von Farwer and Sroka [39] beim TIG-, MIG- und MAG-Handschweißen im Atembereich getestet. Die Lichtbogendauer betrug 100% (Durchlaufschweißen). Die Messungen wurden zuerst ohne Rauchabsaugung durchgeführt. Beim MIG-Schweißen von Aluminium waren die dabei erzeugten Werte unzulässig hoch, deshalb wurden zusätzliche Messungen mit Arbeitsplatzlüftung durchgeführt. In Anbetracht der Tatsache, dass die Lichtbogendauer bei diesen Laborprüfungen im allgemeinen dreimal so hoch ist wie beim Handschweißen in der Praxis sind die Absolut- Werte ebenfalls gut vergleichbar. 3 Messgeräte 3.1 Prinzipien / Messtechnik Simpson et al beschreiben in [79] zwei Messtechniken: die bewährte Chemilumineszenz- Technik und ein neueres Verfahren, bei dem die UV-Absorption genutzt wird. Die Ozon- Messungen wurden in einer geschlossenen Rauchkammer durchgeführt (siehe Anhang D, Bild D.1). Chemilumineszenz Dieses Verfahren basiert auf der Reaktion von Ozon mit Etyhlen (C 2 H 4 ) unter Bildung von Formaldehyd (HCHO) und Sauerstoff. Das HCHO wird in angeregtem Zustand gebildet, kehrt jedoch unter Abgabe eines Photon in den Grundzustand zurück. Die Anzahl der

15 Photonen ist proportional zur Ozon-Konzentration. Ein Photoelektronenvervielfacher wird zur Messung der emittierten Photonen verwendet [78]. C 2 H O 3 2 HCHO + 2 O 2 Ultraviolett-Absorption Dieses Verfahren basiert auf der Absorption von Licht durch Ozon (üblicherweise 253 nm). Eine Probe wird in eine optische Kammer gesaugt und die Absorption wird gemessen. Dann wird eine neue Probe durch einen Reiniger, der mit einer katalytischen Reaktion alles Ozon entfernt, in die optische Kammer gesaugt. Daraus ergibt sich, dass die höhere Absorption der ersten Probe nur auf dem Vorliegen von Ozon beruhen kann. Es wurde auch ein NOx-Monitor verwendet, der auf dem Chemilumineszenz-Prinzip beruht. Die Toxizität von NOx ist um eine Größenordnung niedriger als die von Ozon. Der UV-Absorptions-Monitor verwendete 0,5µm PTFE-Filter. Der Chemilumineszenz-Monitor verwendete ein a 5µm-Filter und ein Vorfilter am Probenahmepunkt, das mit einer Ozonquelle vorbehandelt wurde. Es zeigte sich, dass ein HF-Start der GTA- Schweißeinrichtung den Betrieb der Monitore störte [79]. Für genaue Messungen von Ozon und Stickoxid haben sich sogenannte Chemilumineszenz- Geräte bewährt. Ein UV-Detektor zur Messung der gesamten spektralen Strahlung wird in Anhang D, Bild D.2 dargestellt. UV-Strahlungsröhre Ein alternatives Messverfahren, die UV-Strahlungsröhre, kann ebenfalls verwendet werden. Diese Einrichtung berücksichtigt keine Wirkungen der chemischen Reaktionen mit Ozon oder Konvektionsströme. Es wird erwartet, dass die oben aufgeführten drei Verfahren unterschiedliche absolute Ozon- Konzentrationen ergeben, aber eine vergleichbare Stufung der gemessenen Werte liefern. Die verwendeten Messgeräte für die Überwachung von Ozon, Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid beruhen auf dem Chemilumineszenzprinzip. Messer Griesheim hat ein computergestütztes Analyse-System entwickelt, das alle Messungen sofort aufführt, wenn der Schweißprozess abgeschlossen ist. Das System enthält mehrere getrennte Kanäle für gleichzeitige Ozonmessungen an verschiedenen Punkten, damit den komplexen Prozessen der Ozonbildung und -zersetzung Rechnung getragen wird. Chemilumineszenz- oder UV-Absorptions-Messgeräte werden zur Analyse der verschiedenen beim Schweißen entnommenen Gasproben (Ozon, Stickoxid) verwendet. Messgeräte von Herstellern wie BENDIX (Model 8002). BECKMAN (Model 950) und PHILIPS (PW9771) arbeiten nach dem Chemilumineszenz-Prinzip. Diese Geräte erwiesen sich als geeignet für stationäre Messungen von Ozonkonzentrationen in Luft. Messprinzip von bewährten Geräten Die ozonhaltige Luftprobe wird in einer Reaktionszelle, die auch als Messkolben dient, mit einem Reagenz zur Reaktion gebracht.

16 Die bei der Reaktion als Licht freigesetzte Energie wird von einem photometrischen Detektor in ein elektrisches Signal umgesetzt. Der Prüfraum wird unter Laborbedingungen betrieben, d.h. bei ungefähr konstanten Temperaturen der Umgebungsluft, vernachlässigbaren Schwingungen, stabilen Betriebsspannungen und mit täglichen Inspektionen.

17 3.2 Geräte Ozon-Monitor 8002, (Chemilumineszenz Prinzip), Bendix [62], [99] Der Messeffekt des Bendix-Ozon-Monitors basiert auf der Chemilumineszenz-Reaktion in der Gasphase zwischen O 3 und C 2 H 4. Die Reaktion verläuft bei Atmosphärendruck und führt zu einer Photonenemission im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 600 nm (λ max 435 nm). Die Intensität des emittierten Lichtes ist ein Maß für die Konzentration von O 3 bei einem Überschuss an C 2 H 4. Das Gerät enthält: Reaktionskammer, Ozon-Generator, Nullgasfilter, PTFE Luftprobenfilter, Druckregelung, Durchflussmesser, Membranpumpe. Der Bendix-Ozon-Monitor ist ein Gerät für Immissionsmessungen mit kontinuierlicher Anzeige und einstellbaren Messbereichen. Die Chemilumineszenz-Reaktion findet in einer Reaktionskammer statt. Die Intensität der Chemilumineszenz-Strahlung wird mit einem Photoelektronenvervielfacher gemessen. Durch Bestrahlung des Nullgases mit einer UV-Lampe wird das O3-haltige Gasgemisch für die Eichung gebildet, wobei die O 3 -Konzentration durch Einstellung eines Diaphragmas an den Messbereich angepasst werden kann. Wenn dieses Diaphragma eingestellt wird, ist eine nue Eichung des Ozongenerators erforderlich. Das Gerät wird vom Hersteller mit einer Festeinstellung für den Ozongenerator geliefert, die im Datenblatt jeden Gerätes festgelegt wird. Hilfsgas: Feinstaubfilter Filtermasse für Nullgas Ethen (C 2 H 4 ); Reinheit mindestens 99,5 %; erhältlich in Gaszylindern; es wird in den Analysator mit einem Überdruck von etwa 2 bar eingeleitet. Filter aus PTFE von Bendix oder gleichwertig feinporig, gekörnte Aktivkohle, 8/14 mesh, Silikagel; Molekularsieb 0,3 nm Zur Eichung: Gereinigte Luft zum Betrieb eines externen Prüfgenerators Die durch die Reaktion von Ethen mit dem in der Probe enthaltenen Ozon erzeugte Lichtenergie wird von einem photometrischen Detektor erfasst. Es läuft folgende Reaktion ab: O 3 + C 2 H 4 HCHO + h ν - Luftdurchfluss der Probe 60 l/h - Teflon-Staubfilter - Ethen, Reinheit 99,5%, ohne polymerisierende Verunreinigungen Verbrauch 1,5 l/h

18 - Nennwerte der Messbereichsgrenzen 1) 0-0,01 ppm 5) 0-0,2 ppm 2) 0-0,02 ppm 6) 0-0,5 ppm 3) 0-0,05 ppm 7) 0-1,0 ppm 4) Einstellzeit t E90 = 11 s (t E50 = 5 s) Ozon-Monitor, Modell 950 [62] (Prinzip siehe 3.2.1) C 2 H 4 HCHO + h ν - Luftdurchfluss der Probe 48 l/h - Filter für die einatembare Fraktion (Sinter-Metall) - Ethen, Reinheit 99,5 % ohne polymerisierende Verunreinigungen Verbrauch: 1,5 l/h - Nennwerte der Messbereichsgrenzen 1) 0-0,025 ppm 5) 0 0,5 ppm 2) 0-0,05 ppm 6) 0 1,0 ppm 3) 0-0,1 ppm 7) 0 2,5 ppm 4) 0-0,25 ppm - Einstellzeit t E90 = 55 s (t E50 = 24 s) Ozon-Monitor, Modell PW 9771, Philips [62] Prinzip: Die bei der Reaktion von festem Rhodamin B mit dem in der Probe enthaltenen Ozon freigesetzte Lichtenergie wird von einem photometrischen Detektor erfasst. - Luftdurchfluss der Probe 36 l/h - Staubfilter - Rhodamin B, Pressstück, verbraucht nach etwa 3 Monaten - Nennwerte der Messbereichsgrenzen 1) 0-0,17 ppm 2) 0-0,5 ppm - Einstellzeit t E99 = 160 s Insbesondere für diese Chemilumineszenz-Verfahren müssen die Wartungsanweisungen der Hersteller zum Schutz der Messzelle vor Verschmutzung eingehalten werden. Es muss untersucht werden, ob der Staubfilter - belanden oder unbeladen - einen Einfluss auf den Ozongehalt der Luftprobe hat.

19 3.2.4 Ozon-Messungen mit Dräger-Röhrchen Das Prinzip dieser Dräger-Röhrchen basiert auf der Reaktion des Ozons mit dem Reagenzsystem des Prüfröhrchens. Wenn Ozon vorliegt, ändert sich die Farbe des Reagenz-Systems im Röhrchen über eine bestimmte Länge von hellblau nach weiß. Die Ozonkonzentration kann direkt in ppm von der Skala abgelesen werden. Luftprobe/Pumpenhub = 100 ml Durch Erhöhen der Hubzahlen kann der Empfindlichkeitsbereich des Röhrchens erweitert werden Ozon-Messungen mit dem Dräger Bio-Check Ozon Es handelt sich um ein Plaketten-Messsystem, das 10 Einzelmessungen ermöglicht min Messzeit innen Die Bestimmung der Ozon-Konzentration kann durch Vergleich der Farbe mit dem Farbcode auf dem Plakettenhalter erfolgen. Farbwert Ozon-Konzentration µg/m³ A B C innerhalb des MAK-Wertes D MAK-Wert überschritten Kalibrierung von Ozon-Messeinrichtungen mit Ozongeneratoren [97] Ozon-Prüfgas muss prinzipiell direkt vor der Verwendung hergestellt werden. Es wird vorrangig in photometrischen Generatoren durch photolytische Einwirkung von kurzwelliger ultravioletter Strahlung (λ < 220 nm) von Quecksilber-Silber-Dampflampen auf Sauerstoff, z.b. in Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen erzeugt. Zur Kalibrierung der Ozon-Messverfahren und -Analysatoren mit Ozonprüfgas sollte dieses Verfahren als Sekundärstandard betrachtet werden. Daher muss die Ozonkonzentration im Prüfgas durch parallele Bestimmung mit dem Kaliumjodid-Verfahren oder dem UVphotometrischen Verfahren als Standardverfahren bestimmt und regelmäßig überprüft werden. Die Häufigkeit dieser Überprüfungen hängt von der Langzeit-Stabilität des verwendeten Ozongenerators ab Mikro-coulometrisches Verfahren MAST RECORDER [98]

20 Die Bestimmung von Ozon nach dem Kaliumjodid-Verfahren (Standardverfahren) ist kein selektives Verfahren wie z.b. das Chemilumineszenz-Verfahren, das auf der Reaktion von Ozon mit Ethen basiert. Wie das mikrocoulometrische Verfahren ist es ein kumulatives Verfahren, das auch andere oxidierenden Stoffe, wie z.b. Peroxide registriert. Das Messergebnis wird angegeben in O 3 -Äquivalenten als Volumengehalt in ppm. Das Messprinizip des MAST-Recorders basiert auf der Reaktion von Ozon und anderen oxidierenden Stoffen mit einer KJ/KBr-Lösung in einer Mikro-Coulomb-Zelle mit einer Potentialdifferenz von 0,24 V zwischen den Elektroden Manuelles photometrisches Verfahren - Kaliumjodid-Verfahren (Standard-Verfahren) [96] Dieses Ozon-Messverfahren ist nicht selektiv, wie z.b. das Chemilumineszenz-Verfahren, sondern kumulativ, weil es auch andere oxidierende Stoffe erfasst. Zur Kalibrierung wird Ozon in reiner trockener Luft verwendet. Für selektive Ozonmessungen muss der Einfluss anderer Gase als Störgröße angegeben werden. Prinzip des Verfahrens Ozon reagiert mit Kaliumjodid in einer wässrigen Lösung nach folgender Formel: O KJ + H 2 O J 2 + O 2 + 2KOH Die Extinktion der wässrigen Lösung ist ein Maß für die Ozonkonzentration der zu analysierenden Luftprobe. - Ansprechwert der Ozonkonzentration: 20 µg/m³ oder 0,01 ppm Möglichkeiten der Verwendung Wegen des starken Einflusses von oxidierenden und reduzierenden Stoffen auf die Grundreaktion kann dieses Verfahren nur zum Kalibrieren anderer Verfahren mit reinem Ozonprüfgas verwendet werden Manuelles photometrisches Verfahren Indigo- Sulfonsäureverfahren [100] In schwach saurer wässriger Lösung reagiert Ozon mit Indigo-Sulfonsäure. Die resultierende Abschwächung der Farbintensität der blauen Reaktionslösung wird photometrisch im Bereich der maximalen Lichtabsorption (Wellenlänge λ = 600 to 630 nm) gemessen. Sie ist ein Maß für die Ozonkonzentration der untersuchten Luftprobe.

21 Direktes UV-photometrisches Verfahren (Standard-Verfahren) [101] Das direkte UV-photometrische Verfahren dient der Bestimmung des Volumengehaltes von Ozon in Prüfgasen, die in Ozongeneratoren erzeugt werden und die zur Kalibrierung von Ozonanalysatoren im Bereich zwischen 0,01 bis 1 ppm verwendet werden können Wie das Kaliumjodid-Verfahren ist dieses Verfahren ein geeignetes Standard-Verfahren. Ozon hat ein Absorptionsmaximum nahe der Resonanzlinie von Quecksilber bei 253,7 nm. Reine synthetische Luft oder gereinigte Umgebungsluft lässt Licht dieser Wellenlänge durch. Der Volumengehalt von Ozon im Prüfgas (in ppm v/v) wird aus dem gemessenen Verhältnis der Lichtstärke bei Vorliegen von Ozon und ohne Ozon, der Länge des Lichtpfades und dem Abnsorptionskoeffizienten nach dem Lambert-Beerschen Gesetz berechnet. 4 Interpretation der Messergebnisse Mit Hilfe der Messergebnisse können ozonreduzierende Maßnahmen bewertet werden: Brenner mit Rauchabsaugung und Zusätze zu Schutzgasen (NO, H 2 ) scheinen ineffektiv zu sein. Sie können sogar zu erhöhten Werten der Verschmutzung der Atemluft führen. Es gibt anscheinend keinen Zusammenhang zwischen der Verschmutzung im Lichtbogenbereich und der im Atembereich des Schweißers: die Ozonkonzentration im Atembereich kann sogar ansteigen, wenn die Bildung von Ozon im Lichtbogen abnimmt. Ein Grund hierfür kann sein, dass in der Nähe des Lichtbogens eine ozonreduzierende Reaktion zwischen Stickstoffmonoxid und Ozon stattfindet, im Atembereich jedoch nicht. Brenner mit Absaugung sind schwieriger zu handhaben und daher haben Schweißer gewisse Vorbehalte gegen sie. Trotzdem sind sie unter bestimmten Bedingungen zu empfehlen. Die Ozonmenge, der der Schweißer ausgesetzt ist kann jedoch nicht reduziert werden, weil diese Brenner nur einen Teil des in der Nähe des Lichtbogens erzeugten Ozons entfernen. Wie erwartet wird die Ozonmenge über dem Lichtbogen durch Arbeitsplatzlüftung vermindert, während die Ozonmenge im Atembereich ziemlich deutlich ansteigt. Dies ist darin begründet, dass durch die Absaugung der Rauche direkt über dem Lichtbogen die Schutzwirkung des Rauches gegen die UV-Strahlung vermindert wird. Damit steigt die Strahlung an und die Bildung von Ozon im Atembereich des Schweißers wird erhöht. Im Gegensatz zu einem Brenner mit Rauchabsaugung umfasst eine richtig dimensionierte Arbeitsplatzabsaugeinrichtung auch das Ozon, dem der Schweißer ausgesetzt ist und verringert die Giftstoffmenge im Atembereich. Vergleichsprüfungen mit Argon und einem Argon-Wasserstoff-Gemisch bestätigten, dass der Zusatz von Wasserstoff nur zu einer Reduzierung der Ozonmenge im Bereich über dem Lichtbogen führt, nicht jedoch im Atembereich des Schweißers. Der Wechsel vom MIG- zum WIG-Schweißen mit AlMg4.5Mn vermindert sowohl die Ozonwerte über dem Lichtbogen, als auch im Atembereich Im allgemeinen führt ein Anstieg oder eine Abnahme des Ozonlevels im Lichtbogenbereich jedoch nicht notwendigerweise zu einem Anstieg oder einer Abnahme im Atembereich.

22 Es ist wichtig, jeden Einzelfall zu betrachten. In der Mehrzahl der Fälle führen ozonreduzierende Maßnahmen wie die Verwendung von Brennern mit Rauchabsaugung oder Schutzgaszusätze (wie z.b. NO and H 2 ) nicht zu weniger Verschmutzung für den Schweißer, weil sie nur in der unmittelbaren Umgebung des Lichtbogens wirken. Sie können sogar zu einer Erhöhung statt zu einer Verminderung der Ozonkonzentration führen, wie in der Vergangenheit oft festgestellt wurde. Besonders für Dauerarbeitsplätze werden lokale Rauchabsaugeinrichtungen empfohlen. 5 Zusammenfassung der Literatur-Recherche Die hier vorgestellte Zusammenfassung der Literaturrecherche basiert auf einer großen Zahl von Publikationen zum Thema Schweißen und Exposition gegenüber Ozon, einem Schadstoff, der beim Schweißen erzeugt wird. Wir stellten fest, dass die meisten Autoren der hier betrachteten Veröffentlichungen nur begrenzte und unvollständige Informationen über die verwendeten Verfahren, Messinstrumente, Schweißparameter und andere wichtige Faktoren angaben. Nur einige Autoren gaben detaillierte Informationen über die untersuchten und gemessenen Schweißsituationen Allgemein können wir unterscheiden zwischen: - Veröffentlichungen zu Laboruntersuchungen, d.h. Messungen, die in verschiedenen Fume-Box-Typen durchgeführt wurden - Veröffentlichungen zu Arbeitsplatzuntersuchungen, d.h. Messungen, die in Werkstätten, in der Industrie in direktem Zusammenhang mit der Exposition des Schweißers durchgeführt wurden. Die meisten Veröffentlichungen betreffen die zweite Gruppe, d.h. Arbeitsplatzmessungen. Einige Autoren versuchen, einen Zusammenhang zwischen den festgestellen Emissionsraten und Konzentrationen zu finden und versuchen, die gegenläufigen oder manchmal nicht-linearen Ergebnisse zu erklären. Unsere Schlussfolgerung aus der Literaturrecherche entspricht den Zielen des Anwendungsbereiches dieses europäischen Projekts, nämlich: 1) es besteht die Notwendigkeit, einen Zusammenhang zwischen den bei den Laboruntersuchungen gefundenen Emissionsraten und den am Arbeitsplatz gemessenen Konzentrationen festzustellen, 2) als Messinstrumente empfehlen wir für dieses europäische Projekt und auch für die Zukunft Chemilumineszenz-Messinstrumente, weil nur dieses Prinzip für das Messen von Ozon beim Schweißen geeignet ist. Es ist das zuverlässigste Verfahren, bei dem keine Störungen durch andere Stoffe auftreten, es ist sehr schnell und hat eine kurze Reaktionszeit, es ermöglicht ein kontinuierliches Messen der Ozonwerte, kann im Labor zur Bestimmung der Emissionsraten und gleichzeitig für Arbeitsplatzmessungen verwendet werden. 3) Zur Bestimmung der Ozon-Emissionsraten (mg/s) könnte eine größere Fume-Box (z.b. das Zwei-Box-System) geeignet sein 4) Zur Bestimmung der Ozonkonzentrationen (mg/m³) am Arbeitsplatz gibt es zwei unterschiedliche interessante Messpunkte:

23 - den Atembereich des Schweißers (hinter dem Schweißer- Gesichtsschutzschirm) - den "Nahbereich" in einem festgelegten Abstand und Winkel vom Lichtbogen, typischerweise bei mm und ) Aus arbeitsmedizinischer Sicht ist die am meisten zu beachtende Prozess/Werkstoff- Kombination das MIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen, insbesondere von AlSi- Legierungen. Hier wurden sehr hohe Emissionsraten und auch sehr hohe Konzentrationen im Atembereich des Schweißers gefunden, manchmal sogar, wenn Absaugsysteme verwendet wurden Auch das Schutzgasschweißen von hochlegiertem Stahl ist im Hinblick auf die Exposition gegenüber Ozon von Bedeutung. Daher empfehlen wir auch die Prüfung folgender Prozess/Werkstoff-Kombination: MIG- und WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl. Das MAG-Schweißen erzeugt sehr hohe Rauchemissionsraten (zwischen 2 und 25 mg/s) mit Massivdraht und mehr als 25 mg/s mit Fülldraht. Dadurch wird die Zersetzung von Ozon sehr stark beeinflusst. Aus diesem Grund scheint es nicht notwendig zu sein, die Ozon-Emissionsraten und -Konzentrationen für diesen Prozess zu untersuchen. Es reicht aus, auf die Unterschiede zwischen MIG- und WIG-Schweißen hinzuweisen. 6) Wegen der begrenzten Informationen, die in der Literaturrecherche zu angemessenen Schweißparametern (Strom, Spannung), Schutzgasrate, Drahtdurchmesser für jede Prozess/Werkstoff-Kombination gegeben werden. empfehlen wir in diesem Zusammenhang, die Anweisungen der Hersteller der Elektroden und Schutzgas zu befolgen. Literaturquellen Ozone emission rates and exposure measurements [1] AHRE (ALBERTA Human Resources and Employment) WHS Bulletin (Workplace Health & Safety Bulletin): A Welder s Guide to the Hazards of Welding Gases and Fumes, Chemical Hazards CH032, March 2000; [2] Appendix 6430-T2, Assessment of and Protection from Welding Arc Radiant Hazards Rev. November 6, 1996; Jefferson Lab EH&S Manual Rev May [3] AGA Gas Division, Sweden: The problem of ozone in TIG welding, A report from AGA Gas Division research unit, Report GM 116e, 1977 [4] AGA Gas Division, Sweden: The problem of ozone in MIG welding of aluminium, Research report GIF-0050 from AGA Gas Division research unit, by Smårs, E. 1980