Strahlungsfreie WIG-Elektroden - Was gibt es für Alternativen zur WTh-Elektrode?

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1 Strahlungsfreie WIG-Elektroden - Was gibt es für Alternativen zur WTh-Elektrode? Dipl.-Ing. Martin Zimmermann DVS BV Köln Gliederung 1. Vorstellung der Wolfram Industrie a) Firmengeschichte b) Standorte c) Produkte 2. Radioaktivität a) Begriffe und Arten b) Gefahren für Mensch und Natur c) Strahlender Alltag d) Thoriumoxid 3. Strahlungsfreie Alternativen a) WP b) WLa-Gruppe c) WCe20 d) WS2 e) Inostar DVS BV Köln 2 1

2 VORSTELLUNG DER WOLFRAM INDUSTRIE DVS BV Köln 3 1. Vorstellung Wolfram Industrie - Standorte Bayerische Metallwerke GmbH Leitenweg Dachau Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh Permanederstraße Traunstein Quelle: Bayerisches Staatsministerium der Finanzen, für Landesentwicklung und Heimat, zuletzt abgerufen am DVS BV Köln 4 2

3 1. Vorstellung Wolfram Industrie - Geschichte 1911 Gründung der Wolfram Drahtfabrik GmbH in Berlin 1923 Gründung der Bayerische Metallwerke GmbH 1928 Umfirmierung der Wolfram Drahtfabrik in Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh 1943 Umzug von Berlin nach Traunstein 1954 Bau neuer Produktionsgebäude in der Permanederstraße in Traunstein 1974 Die Gesellschafterin Helga Freifrau von Cetto stirbt und Ihre Tochter Marion Freifrau von Cetto wird neue Eigentümerin 1991 Erwerb der Bayerischen Metallwerke GmbH durch Marion Freifrau von Cetto jähriges Bestehen der Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh 2013 Einführung einer neuen Elektrodenlegierung (Inostar ) DVS BV Köln 5 1. Vorstellung Wolfram Industrie - Produkte BMD Wolframschwermetall (Triamet ) Wolfram-Kupfer (Tungstit ) Wolfram-Kupfer-Verbunde Wolfram-Halbzeuge WIT WIG-Elektroden Heizelemente Drähte und andere Halbzeuge aus Wolfram und Molybdän DVS BV Köln 6 3

4 RADIOAKTIVITÄT DVS BV Köln 7 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Radioaktivität (1) Bestimmte Nuklide haben die Eigenschaft sich von selbst, spontan, ohne äußere Einwirkung, umzuwandeln. Diese Eigenschaft nennt man Radioaktivität. Bei der Umwandlung wird Strahlung frei, die der Mensch mit seinen Sinnen nicht wahrnehmen kann. Radionuklide (1) Die Kerne radioaktiver Stoffe heißen Radionuklide. Bei den in der Natur vorkommenden Radionukliden spricht man von natürlicher Radioaktivität, bei den durch künstliche Kernumwandlung erzeugten Radionukliden von künstlicher Radioaktivität DVS BV Köln 8 4

5 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Element (1) Ein Element wird durch seine Ordnungszahl, sprich der Anzahl der in ihm enthaltenen Protonen, charakterisiert. Isotop (1) Jedes Element bildet eine von der Neutronenzahl unabhängige Isotopenfamilie. Die meisten natürlich vorkommenden und stabilen Isotope haben rund 20 % mehr Neutronen als Protonen im Kern. Stabile Elemente mit hohen Ordnungszahlen besitzen sogar bis zu 50 % mehr Neutronen. Zu Angabe eines Isotopes wird die Massenzahl (Summe von Protonen und Neutronen) an den Elementnamen angehangen, z. B. Caesium-137, Uran DVS BV Köln 9 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Strahlungsarten (1) α-strahlung β-strahlung γ-strahlung Teilchenstrahlung (He-Kern) geringe Reichweite Abschirmung bereits durch ein Blatt aber mitunter deutliche Schädigung des getroffenen Materials Teilchenstrahlung (Elektron oder Positron/Proton) Reichweite: bis 10 m in Luft Abschirmung durch 4 mm dickes Aluminium hochenergetische elektromagn. Strahlung Reichweite: mehrere Meter Abschirmung durch dicke Blei- oder Wolframplatten DVS BV Köln 10 5

6 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Halbwertszeit (1) Der Zeitpunkt des Zerfalls eines bestimmten Kerns lässt sich nicht vorhersagen, er ist zufällig. Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess. Man beschreibt die Abnahme der Aktivität eines radioaktiven Stoffes durch seine Halbwertszeit, die Zeit, nach der die Hälfte der Atome in einer Probe zerfallen ist. Die Halbwertszeit ist für ein gegebenes Isotop immer gleich; sie hängt nicht davon ab, wie viele Atome wir noch haben oder wie lange sie schon gelebt haben DVS BV Köln Radioaktivität Begriffe und Arten Exposition (2) Zeitlich begrenzter Aufenthalt in Reichweite einer radioaktiven Quelle. Das exponierte Gewebe nimmt dabei eine gewisse Strahlendosis auf. Das Abschirmen oder Entfernen der Quelle bedeutet das Ende der Exposition. Kontamination (2) Aufnahme von radioaktiven Stoffen in Kleidung, Nahrungsmitteln, und die damit verbundene Verunreinigung des Objekts DVS BV Köln 12 6

7 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Nachweis/Messung Radioaktive Strahlung wird aufgrund ihrer ionisierenden Wirkung mit folgenden Mitteln nachgewiesen: Geiger-Müller-Zählrohr Röntgenfilm/Leuchtschirme (γ-strahlung) Halbleiterdetektoren Quelle: Wikimedia Commons, Dirk Hünniger, CC-BY-SA 3.0 Quelle: Wikimedia Commons, Joergens.mi/Wikipedia, CC-BY-SA DVS BV Köln Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Tschernobyl April 1986 Quelle: By Carl Montgomery (Flickr) CC-BY- 2.0, via Wikimedia Commons Fukushima März 2011 Quelle: Digital Globe CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons DVS BV Köln 14 7

8 2. Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Atombombentest Romeo Quelle: By United States Department of Energy [Public domain], via Wikimedia Commons Operation Crossroads - Baker Quelle: By U.S. Army Photographic Signal Corps [Public domain], via Wikimedia Commons DVS BV Köln Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Auftreten von Fehlbildungen und Krebs bei allen Lebewesen aufgrund der erbgutschädigenden Wirkung ionisierender Strahlen und der Langlebigkeit einiger radioaktiver Nuklide Strahlenkrankheit Schädigung von Geweben Kontamination von Böden Kontamination von Pflanzen und Tieren bei Exposition mit einer extrem hohen Dosis: Tod DVS BV Köln 16 8

9 2. Radioaktivität Strahlender Alltag Kernkraftwerk Grafenrheinfeld Quelle: By Avda (Own work) CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons Bananen Quelle: By Steve Hopson, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons jodiertes Speisesalz Quelle: APPER CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons DVS BV Köln Radioaktivität Strahlender Alltag Kuchenplatte aus Uranglas Quelle: By Z Vesoulis CC-BY-SA- 2.5, via Wikimedia Commons Glühstrümpfe Quelle: By Arnoldius (Own work) CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons thorierte WIG- Elektroden DVS BV Köln 18 9

10 2. Radioaktivität Strahlender Alltag - Thoriumdioxid Aussehen/Form: geruchloses weißes Pulver Schmelzpunkt: 3390 C Siedepunkt: 4400 C Dichte: ca. 10 g cm DVS BV Köln Radioaktivität Strahlender Alltag - Thoriumdioxid Nuklid Zerfall Halbwertszeit Zerfallsprodukt 232 Th α, γ 1, a 228 Ra β 5,75 a 228 Ac β 6,15 h 228 Th α 1,9131 a 224 Ra α 3,66 d 220 Rn α 55,6 s 216 Po α 0,145 s 212 Pb β 10,64 h 228 Ra 228 Ac 228 Th 224 Ra 220 Rn 216 Po 212 Pb 212 Bi 212 Bi β 64,06 % α 35,94 % 60,55 min 212 Po 208 Tl 212 Po α 2, s 208 Tl β 3,083 min 208 Pb 208 Pb 208 Pb - Stabil - Quelle: letzter Abruf: DVS BV Köln 20 10

11 2. Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag unterschiedliche Gefährdung der Schweißer beim Einsatz thorierter Elektroden (3): Lagerung: niedrig Anspitzen (Inhalation von Staub): hoch Schweißen (Inhalation von Rauch) : hoch hohe Gefährdung, da Partikel in Lunge/Atemapparat verbleiben und über lange Zeit Zellen schädigen nach Strahlenschutzverordnung max. zulässige effektive Dosis pro Kalenderjahr 6 msv bei nicht beruflich exponierten Personen, wie z. B. Schweißer 1) 1) Ausnahme: Arbeiter/Schweißer in einem Kernkraftwerk gelten als beruflich exponiert, zulässige effektive Dosis 20 msv/a DVS BV Köln Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag Grenzwertüberschreitung (6 msv/a) beim Anschleifen und Wechselstromschweißen ohne Absaugung keine Grenzwertüberschreitung beim Anschleifen und Gleichstromstromschweißen kombiniert (AC+DC) ohne Absaugung: einzelne Überschreitungen möglich DVS BV Köln 22 11

12 2. Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag Schutzmaßnahmen nach BGI 746 (3, 4): 1. Ersatz thorierter Elektroden durch thoriumfreie Elektrode 2. wenn 1. nicht möglich, dann Einsatz einer wirksamen Absaugung 3. Überprüfung der Absaugung beim AC-Schweißen 4. angepasste Körper-/Kopfhaltung des Schweißers mit dem Ziel den Schweißrauch nicht einzuatmen 5. regelmäßige Beseitigung und Entsorgung entstandener Stäube 6. Verbot von Essen, Trinken und Rauchen am Arbeitsplatz sowie konsequente Arbeitshygiene DVS BV Köln 23 STRAHLUNGSFREIE ALTERNATIVEN DVS BV Köln 24 12

13 3. Strahlungsfreie Alternativen - WP WP reines Wolfram Zusätze: keine Farbcode: grün Schweißgut: Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen WZr8 WZr8 Zirkonoxid Zusätze: 0,8 Gew.-% ZrO 2 Farbcode: weiß Schweißgut: Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen; eingeschränkt auch Stähle (legiert/nicht legiert), Kupfer und Nickel DVS BV Köln 26 13

14 3. Strahlungsfreie Alternativen WCe20 WCe20 Ceroxid Zusätze: 2,0 Gew.-% CeO 2 Farbcode: grau Schweißgut: legierte Stähle sowie Nickel und -legierungen -> sehr gut geeignet nicht legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> gut geeignet bedingt für Magnesium und Aluminium DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen WLa10 WLa10 Lanthanoxid Zusätze: 1,0 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: schwarz Schweißgut: nicht legierter Stahl -> sehr gut geeignet Aluminium und Magnesium gut geeignet legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Nickel und -legierungen, Wolfram, Tantal -> bedingt geeignet DVS BV Köln 28 14

15 3. Strahlungsfreie Alternativen WLa15 WLa15 Lanthanoxid Zusätze: 1,5 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: gold Schweißgut: nicht legierte Stähle -> sehr gut geeignet legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Nickel- und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> gut geeignet Aluminium, Magnesium, Wolfram und Tantal bedingt geeignet DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen WLa20 WLa20 Lanthanoxid Zusätze: 2,0 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: blau Schweißgut: legierte Stähle sowie Nickel und legierungen, Tantal und Wolfram -> sehr gut geeignet nicht legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, -> gut geeignet Aluminium und Magnesium bedingt geeignet DVS BV Köln 30 15

16 3. Strahlungsfreie Alternativen WS2 WS2 Seltenerdoxidmischung Zusätze: ca. 2,0 Gew.-% Seltenerdoxide Farbcode: türkis Schweißgut: (nicht) legierte Stähle, Nickel und -legierungen, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, Aluminium und Magnesium -> sehr gut geeignet Wolfram, Tantal -> gut geeignet DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen Inostar Inostar Seltenerdoxidmischung Zusätze: ca. 2,2 Gew.-% Seltenerdoxide Farbcode: türkis- und blaumetallic Schweißgut: Edelstähle im Bereich der Lebensmitteltechnik, Pharmazie, -> sehr gut geeignet/bevorzugt (nicht) legierte Stähle, Nickel und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> sehr gut geeignet DVS BV Köln 32 16

17 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar Inostar im Vergleich zu WTh20 und WLa15 Bedingungen: Fronius MagicWave 5500 mit Fronius Robacta TTW4500 Schweißgut: rotierendes wassergekühltes Kupferrohr Parameter: 10 l/min Argon (4.6); Abstand: Spitze-Düse 5 mm, Spitze-Schweißgut 5 mm; 50 Zyklen à 1x A + 10x A; 3 s Gasvorlauf, 6 s Gasnachlauf Überwachung: Keyence VW-9000 Hochgeschwindigkeitskamera mit fps DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen Inostar 200 Strom [A] Zeit [s] DVS BV Köln 34 17

18 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar Material WTh20 WLa15 Inostar Abbrand [mg] Zündverzögerungen 36,7 % 0,9 % 0,5 % Zündaussetzer 6,7 % 0,2 % 0,0 % Spitze nach 50 Zyklen Gefüge nach 50 Zyklen DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen Inostar WTh20 Mittlere Leistung des Langzeitlichtbogens Maximalleistung des Lichtbogens kurz nach der Zündung DVS BV Köln 36 18

19 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar WTh20 WLa15 Inostar 541. Zündung 2. Zündung DVS BV Köln Strahlungsfreie Alternativen - Zusammenfassung große Palette genormter und nicht genormter Elektroden zum thoriumfreien WIG-Schweißen WS2 + WLa15 -> Allround-Elektroden WLa20 -> hohe Zündfreudigkeit Inostar -> Spezialanwendungen mit hochreinen Nähten, da geringer Abbrand, bei niedrigem Energieverbrauch DVS BV Köln 38 19

20 QUELLEN DVS BV Köln 39 Quellen (1) Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY): Internetauftritt Physik.Begreifen ( letzter Abruf: (2) Christiane Rütten: Radioaktive Strahlung messen, c t Hardware Hacks 02/2012, Heise Zeitschriftenverlag, Hannover (3) Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu: Schweißen und Schneiden Wissen kompakt Bd. 2: Schweißrauche, DVS Media Verlag, Düsseldorf, 2013 (4) BG Information 746: Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) DVS BV Köln 40 20

21 Vielen Dank! Weitere Informationen /