DIE AUTOREN. STICHWÖRTER Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit ABSTRACT. KEYWORDS safety at work

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1 Vergleichende Untersuchungen zur Charakte risierung ultrafeiner Partikel in Rauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Teil 2: Ergebnisse und Diskussionen 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. 7 Erläuterungen zu den Ergebnissen 7.1 Massenemission und chemische Zusammensetzung Bei den Schweißverfahren ohne Schweißzusatzwerkstoff entstehen die Emissionen vorwiegend aus dem Grundwerkstoff. Bei den Verfahren mit Schweißzusatzwerkstoff bilden sich die Schweißzusatzwerkstoffe in der chemischen Zusammensetzung der Schweißrauche ab. Die Grundwerkstoffe zeigen hier nur einen geringen Einfluss auf die Emissionsrate und die chemische Zusammensetzung. Ebenfalls ist eine Abhängigkeit der Emissionen von den gewählten Schweißparametern erkennbar: Mit steigender Abschmelzleistung steigt auch die Emissionsrate, ebenso zeigte sich in diesen Versuchen, dass mit höherer Schweißgeschwindigkeit auch die Emissionen ansteigen. Daraus kann auf eine Abhängigkeit der Emissionen von dem erzeugten Schmelzbadvolumen geschlossen werden. Darüber hinaus lässt sich ein deutlicher Schutzgaseinfluss erkennen. DIE AUTOREN Dr. Gerhard Pohlmann Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin, Hannover, Abteilung Aerosoltechnologie gerhard.pohlmann@item.fraunhofer.de 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 derschweißtechnik im FBHM der DGUV, Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) V.Spiegel-Ciobanu@bghm.de STICHWÖRTER Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit 7.2 Massengrößenverteilungen Da die gemessenen Stäube aufgrund der hohen Konzentrationen einer raschen Alterung unterliegen (Koagulation), sind die erhaltenen Werte Momentaufnahmen und daher nur für den direkten Vergleich unter den gegebenen ABSTRACT Comparative investigations in order to characterise ultrafine particles in fumes in the case of welding and allied processes Part 2: Results and discussion 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 352 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6

2 Bedingungen geeignet. Eine Übertragung auf Größenverteilungen am Arbeitsplatz kann wegen der dort herrschenden anderen Alterungsbedingungen nicht erfolgen. 7.3 Anzahlgrößenverteilungen Für die Dynamik der gemessenen Größenverteilungen gilt das gleiche wie unter Massengrößenverteilungen aufgeführt. 7.4 Agglomeratanzahlemissionsraten Die zugrundeliegenden Anzahlkonzentrationen stellen ebenso wie die Größenverteilungen eine Momentaufnahme dar, und können allenfalls für den direkten Vergleich unter gleichen Bedingungen gemessener Emissionen verschiedener Verfahren herangezogen werden, sind hier aber nur als Zwischenergebnis zur Bestimmung der Primärpartikelemissionsrate zu betrachten. 7.5 Mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat Die mittlere Primärpartikelanzahl dient unter Zugrundelegung von Gleichung 2 (siehe Teil 1, Schweissen und Schneiden 64 (2012), H. 5, S. 267/74) zusammen mit der Agglomeratemissionsrate der Bestimmung der Primärpartikelemissionsrate. Auch hier gilt, dass die Zusammensetzung der Agglomerate von der Alterung abhängig ist. Je Schweißverfahren wurden im Mittel 60 Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Aufnahmen ausgewertet. Je nach Agglomeratgröße in der Regel bei mehr als 300 Partikeln je Agglomerat war es nötig, mehrere Aufnahmen je Agglomerat anzufertigen, um dadurch die nötige Auflösung für die Ausmessung zu erreichen. Daher wurden mit zunehmender Anzahl Primärpartikel je Agglomerat weniger als 60 Agglomerate je Schweißverfahren ausgezählt. Bei den größeren Agglomeraten war auch eine Überdeckung der Primärpartikel zum Teil in mehreren Schichten übereinander zu verzeichnen, die dazu führte, dass nicht alle Primärpartikel einzeln erfasst werden konnten. Alle diese Faktoren führen zu nicht unerheblichen Fehlern bei der Bestimmung der mittleren Anzahl der Primärpartikel je Agglomerat, die durchaus eine Größenordnung von 50% für große Agglomerate erreichen können. Trotzdem sind deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen untersuchten Schweißverfahren erkennbar. 7.6 Primärpartikelemissionsraten Die Primärpartikelemissionsraten unterliegen im Gegensatz zu den in den vorherigen Abschnitten aufgeführten Größen keiner Änderung durch Alterung in Bezug auf Koagulation und sind damit auf andere Sammelszenarien, Neuerscheinung Wissen kompakt Band 1 Elektronenstrahltechnologien Das Buch befasst sich mit den entscheidenden Zusammenhängen bei der Nutzung der Elektronenstrahltechnik zur Materialbearbeitung. Es erläutert in möglichst verständlicher Weise die naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen der Elektronenstrahltechnik, die Funktionsweisen verschiedener Maschinensysteme und die Möglichkeiten der vielfältigen Technologien. Es hilft Informationsdefizite zu Elektronenstrahltechnik und -technologien im Bereich der Materialbearbeitung abzubauen. Das Buch gibt Ingenieuren in der Industrie wie auch Studenten der Fachrichtungen Maschinenbau, Fertigungstechnik u. ä. - nicht nur Schweißtechnikern sondern vor allem auch Konstrukteuren - eine wichtige Basis zur breiten Nutzung der Potentiale dieser hochmodernen Technologien. SCHWEISSEN UND SCHNEIDEN Wissen kompakt Band 1: Elektronenstrahltechnologien Dr. Klaus-Rainer Schulze 1. Auflage 2012 Bestell-Nr.: ISBN Neue Buchreihe Preis: 22,00 Für SCHWEISSEN UND SCHNEIDEN Abonnenten nur 17, (0) 211/ (0) 211/ media@dvs-hg.de dvs-media.info Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6 353

3 Tabelle 1 Zusammenfassung der Ergebnisse des Forschungsvor - habens zum Thema ultrafeine Partikel (MMAD Mittelwert des Mobilitätsdurch - messers, GSD geo - metrische Standard - abweichung). 354 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6

4 Tabelle 1 (Fortsetzung) Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6 355

5 zum Beispiel am Arbeitsplatz, übertragbar. Aufgrund der im vorangegangenen Abschnitt aufgeführten Gründe sind auch die Primärpartikelemissionsraten mit nicht unerheblichen Fehlern belegt, dennoch lassen sich hier deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen untersuchten Verfahren erkennen. 8 Ergebnisse In Tabelle 1 sind die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zum Thema ultrafeine Partikel, gruppiert nach den jeweiligen Füge- bzw. Trennverfahren, wiedergegeben. 8.1 Schweißrauch und Koagulation Im Laufe der Durchführung der Versuche wurde zunehmend deutlich, dass die während des Probensammelns vorliegenden Anzahlkonzentrationen so hoch sind, dass die Agglomeratanzahlströme sowie Massen- und Agglomeratgrößenverteilungen im Wesentlichen koagulationskontrolliert sind. Die Koagulation ist einer der wichtigsten Mechanismen, der die Größenverteilung von Aerosolen beeinflusst. Sie führt zur Bildung größerer Einheiten und damit zu einer Verschiebung der Größenverteilung. Tabelle 1 (Fortsetzung) 356 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6

6 8.2 Statistische Betrachtungen Um mögliche gemeinsame Trends bei den untersuchten Schweißverfahren bezüglich der verschiedenen Partikelkenngrößen zu erkennen, wurde die in Tabelle 2 wiedergegebene Pearson-Korrelationsmatrix berechnet. Dazu wurden die Daten aller Verfahren ausgenommen Widerstandspunktschweißen/-schweißkleben, da sich bei der Auswertung herausstellte, dass dieses Verfahren grundsätzlich anders zu betrachten ist berücksichtigt. Signifikant positive Korrelationen (Anzahl der berücksichtigten Paare für die Korrelation N = 42, Signifikanzwert p = 0,05) wurden für die grau unterlegten Kombinationen gefunden. Erwartungsgemäß nimmt die Anzahl der gemessenen Agglomerate bei den Messungen mit der Massenemission tendenziell zu. Wegen der Koagulationsvorgänge ist aufgrund der Aerosolmechanik jedoch kein streng linearer Zusammenhang zwischen Agglomeratanzahl und Massenemission zu erwarten. Vielmehr sind die gemessenen Agglomeratemissionsraten neben der Massenemission von vielen weiteren prozess- und sammlungsspezifischen Parametern abhängig. Ebenso ist erwartungsgemäß eine Abhängigkeit des gemessenen Mobilitätsdurchmessers von der Massenemission zu beobachten. Dagegen ist für den aerodynamischen Durchmesser eine solche Abhängigkeit nicht zu sehen. Da abgesehen von der Massenemissionsrate die gerade genannten Partikelkenngrößen keinem Erhaltungssatz unterliegen, gelten die aufgeführten Abhängigkeiten nur unter den im Bericht aufgeführten Sammelbedingungen. Davon ausdrücklich ausgenommen ist die Primärpartikelemissionsrate, da hier ein Erhaltungssatz gilt. Mit einem Korrelationskoeffizienten r von 0,41 ist hier die positive Korrelation ein Hinweis darauf, dass mit steigender Massenkonzentration, zum Beispiel am Arbeitsplatz, auch generell mit einer steigenden Belastung bezüglich der Primärpartikelkonzentration zu rechnen ist. Tabelle 2 Pearson- Korrelations - matrix der ermittelten Partikelkenn - größen für die unter - suchten Schweiß - verfahren. Unser Buchtipp Praxishandbuch Stahlnormen Das Praxishandbuch enthält Auszüge aus 138 DIN-Normen, die einen Überblick über die wichtigsten Angaben zum Anwendungsbereich, zur Bestellung, zu den mechanischen Eigenschaften und zur Verarbeitung der behandelten Stähle enthalten. Mit diesem Praxishandbuch sollen Konstrukteure, Werkstofffachleute, Handwerker sowie Stahleinkäufer und Stahlverkäufer in die Lage versetzt werden, sich einen komprimierten Überblick über die Eigenschaften der in den Normen behandelten Stähle und der daraus gefertigten Halbzeuge und Fertigerzeugnisse zu verschaffen. Praxishandbuch Stahlnormen Auszüge aus DIN-Normen für Herstellung, Auswahl und Anwendung J. Eube Beuth Praxis 1152 Seiten, 3. überarbeitete Auflage 2012 Bestell.-Nr ,00 EUR +49 (0) 211/ (0) 211/ media@dvs-hg.de dvs-media.info Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6 357

7 Bild 7 Streudiagramm Primärpartikelemissionsrate Massenemissionsrate (Versuchsnummern 75 und 81 sind, weil Ausreißer, nicht mit aufgenommen). Bild 8 Streudiagramm für die Gruppenmittelwerte der Messungen (Y Steigung der Ausgleichsgeraden, r Korrelationskoeffizient). Wie schon zuvor aufgeführt unterliegen nur Massenemissionsrate und Primärpartikelemissionsrate einem Erhaltungsgesetz. Daher ist zur Beantwortung der Frage nach dem Zusammenhang zwischen Gesamtpartikeloberfläche und Masse der Umweg über die Primärpartikelemissionsrate und dem Primärpartikeldurchmesser notwendig. Aufgrund der starken Streuung der Werte sind tragfähige Aussagen nur mittels statistischer Methoden zu erzielen. Bild 7 zeigt das Streudiagramm für die Korrelation Primärpartikelemissionsrate Massenemission. Die Steigung der eingezeichneten Ausgleichsgeraden beträgt 2, Primärpartikel (P p )/mg (±14%). Bildet man für die verschiedenen Schweißverfahren Gruppenmittelwerte, so ergibt sich das in Bild 8 wiedergegebene Bild. Es ist erkennbar, dass sich ein Großteil der untersuchten Verfahren (schwarze Punkte), die eher zu den konventionellen Verfahren zu zählen sind, relativ dicht um eine Gerade mit der Steigung 2, P p /mg gruppiert. Nur die drei folgenden Verfahren unterscheiden sich deutlich von den übrigen: Das Elektronenstrahlschweißen liegt mit P p /mg noch relativ nah an der erwähnten Geraden. Das Widerstandspunktschweißen/-schweißkleben liegt mit P p /mg ungefähr zwei Zehnerpotenzen darunter. Dies liegt wahrscheinlich im Wesentlichen daran, dass bei diesem Schweißverfahren neben den typischen Agglomeraten aus den verdampften Metallen und Metalloxiden auch andere Stoffe freigesetzt werden, die eher kompakte Partikel bilden und damit deutlich weniger zu den kleinen Primärpartikeln beitragen. Die Laserstrahlschweißverfahren wiederum liegen mit P p /mg um eine knappe Zehnerpotenz über der Geraden. Eine Zunahme der Primärpartikelgröße mit abnehmendem Faktor P p /mg ist nicht feststellbar (r 2 = 0.01). Die Informationen aus den Primärpartikelemissionsraten und den Massenemissionsraten können zur Abschätzung der spezifischen Oberfläche der Schweißrauche genutzt werden. Im Streudiagramm in Bild 9 sind die aus den mittleren Primärpartikelemissionsraten und den mittleren Primärpartikeldurchmessern berechneten Oberflächenemissionsraten über der Massenemissionsrate wiedergegeben. Die dargestellten Oberflächenemissionsraten sind unter der Annahme ideal runder Primärpartikel mit einem Durchmesser, der dem Primärpartikelmediandurchmesser entspricht, abgeschätzt. Die sich daraus ergebende Partikeloberfläche multipliziert mit der Primärpartikelemissionsrate ergibt die Oberflächenemissionsrate. Die Steigung der berechneten Ausgleichsgeraden, in die die gleichen Schweißverfahren wie in Bild 8 eingehen, ergibt eine mittlere spezifische Oberfläche von 58 m2/g. Für jeden einzelnen Punkt lässt sich die spezifische Oberfläche durch Division der Oberflächenemissionsrate durch die zugehörige Massenemissionsrate ermitteln. Diese Werte sind für die weiteren, die noch nicht erfassten Verfahren berücksichtigenden Punkte in Bild 9 angegeben. Der Mittelwert der spezifischen Oberfläche für alle in Bild 9 aufgeführten Verfahren beträgt 307 m2/g. Dies entspricht der spezifischen Oberfläche eines Rostpartikels (Dichte 5 g/cm3) mit einem geometrischen Durchmesser von 7 nm oder einer Kugel der Dichte 2 g/cm3 mit einem Durchmesser von 18 nm und liegt damit in einem Bereich, der auch bei den Primärpartikeln des Schweißrauchs zu erwarten ist. 9 Diskussion Ziel des Projekts war die Untersuchung der grundsätzlichen Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung und -morphologie zwischen den verschiedenen Standard- Schweißverfahren. Als relevant für die physikalische Charakterisierung des Schweißrauchaerosols wurden die Parameter Masse, Oberfläche, Anzahl und Morphologie festgelegt. Es konnten umfassende Aussagen über Massenemissionen, Massen- und Anzahlgrößenverteilungen, Anzahlkonzentrationen und die mikroskopische Morphologie ausgedrückt als Primärpartikelemissionsraten für eine Vielzahl verschiedener Schweißverfahren gewonnen werden. Da der mittlere Primärpartikeldurchmesser und die Primärpartikelemissionsrate bestimmt wurden, ließ sich daraus auch eine Abschätzung der mittleren spezifischen Oberfläche der Schweißrauche ableiten. Aufgrund der 358 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6

8 starken Streuung der Werte sind tragfähige Aussagen nur mittels statistischer Methoden zu erzielen. Der Mittelwert der spezifischen Oberfläche entspricht Primärpartikeldurchmessern wie sie auch mittels der morphologischen Untersuchungen bestimmt wurden. Die Koagulation ist einer der wichtigsten Mechanismen, die die Größenverteilung von Aerosolen beeinflussen. Sie führt in der Regel zur Bildung größerer Einheiten und damit zu einer Verschiebung der Größenverteilungen der Agglomerate. Bei hohen Ausgangskonzentrationen, wie in den hier vorliegenden Versuchen, kann die Verschiebung der mittleren Partikelgröße selbst bei relativ kurzen Alterungszeiten sehr ausgeprägt sein. Daher werden die in den Versuchen gefundenen Größenverteilungen der Agglomerate im Wesentlichen durch die Alterungsdauer der gemessenen Rauche bestimmt. In der Durchführung der Versuche wurde deswegen auch darauf geachtet, die Alterungszeiten bei allen Tests möglichst gleich zu halten. Folgerichtig zeigen die gemessenen Massenund Mobilitätsgrößenverteilungen abgesehen von denen für das Löten (sehr hohe Ausgangskonzentrationen) im Rahmen moderater Schwankungen keine systematischen Trends. Da die Absolutwerte der aus den Verteilungen bestimmten mittleren Agglomeratpartikeldurchmesser offensichtlich hauptsächlich durch die zur Verfügung stehende Koagulationsdauer bestimmt werden, ist klar, dass die gefundenen Absolutwerte nur für definierte Alterungszeiten von Bedeutung sind. Übertragen auf Messungen am Arbeitsplatz bedeutet dies, dass bei den beim Schweißen häufig vorliegenden hohen Anfangskonzentrationen die Agglomerate, wenn sie weiter im luftgetragenen Zustand verbleiben, wie dies am Arbeitsplatz der Fall ist, mit fortlaufender Alterung weiter anwachsen. Die am Arbeitsplatz gefundenen Agglomeratgrößenverteilungen spiegeln also vornehmlich die Koagulationshistorie, also Verweildauer und Verdünnung der Schweißrauche, wider. Trotz der immensen Anzahl vermessener Primärpartikel (etwa aus rund 60 TEM-Aufnahmen je Probe) ist die benutzte Methode zur Bestimmung der Primärpartikelanzahl mit einer nicht unbeträchtlichen Bild 9 Streudiagramm für die aus der Partikelemissionsrate und dem mittleren Primärpartikeldurchmesser abgeschätzte Oberflächenemissionsrate über der Massenemissionsrate (Y Steigung der Ausgleichsgeraden, r Korrelationskoeffizient). Unsicherheit behaftet. Wiederholungen der morphologischen Untersuchungen waren bei der Menge der untersuchten Verfahren im Rahmen dieses Projekts nicht möglich. Die Unsicherheit in der bestimmten Anzahl der Primärpartikel je Agglomerat hängt zum einen damit zusammen, dass es insbesondere bei kompakten Agglomeraten aufgrund der zweidimensionalen Darstellung im TEM zur Verdeckung übereinander liegender Primärpartikel kommen kann. Zum anderen kann es bei sehr hohen Partikelkonzentrationen während des Sammelvorgangs zu einem so genannten Sol-Gel-Übergang kommen. Dieser Vorgang führt zu Agglomeraten mit praktisch unendlicher Ausdehnung und damit zu Artefakten bei der Bestimmung der Anzahl von Primärpartikeln je Agglomerat. Trotz der aufgeführten Schwierigkeiten konnten aus den Messungen grundlegende Erkenntnisse abgeleitet werden: Primärpartikel- und Oberflächenemissionsrate korrelieren prinzipiell mit der Massenemissionsrate (Ta- VERBESSERN SIE IHRE PRODUKTIVITÄT UND GEWINNEN SIE AN PRÄZISION! AMB Stuttgart EUROBLECH Hannover * Alle Schweißtische vom Marktführer sind gehärtet, antihaftbeschichtet und rostgeschützt - zu Preisen ab 975,-. *Ausnahme Basic-Programm (ab 595,- ) Bernd Siegmund GmbH Ährenstraße Großaitingen Fordern Sie unseren kostenlosen Katalog an oder besuchen Sie uns im Internet unter siegmund-group.com Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6 359

9 belle 2 und Bild 8: mittlere Primärpartikelemissionsrate etwa /mg). Diese Korrelation ist für einige Schweißverfahren, Bild 8, jedoch nur mit großer Abweichung gegeben. Erwartungsgemäß fallen Schweißverfahren, bei denen neben Metall und Metalloxidverbindungen andere leichtflüchtige Substanzen freigesetzt werden können, deutlich aus diesem Zusammenhang heraus. Aus den vorliegenden Informationen lässt sich eine Oberflächenemissionsrate abschätzen. Aus dem Verhältnis dieser Oberflächenemissionsrate zur Massenemissionsrate kann man wiederum die spezifische Oberfläche der Schweißrauche ableiten. Die mittlere spezifische Oberfläche für alle untersuchten Verfahren wurde zu 307 m2/g bestimmt. Dieser Wert entspricht in seiner Größenordnung der aus den gemessenen Primärpartikeldurchmessern zu erwartenden spezifischen Oberfläche. Zwischen den verschiedenen Schweißverfahren wurden jedoch auch durchaus deutliche Unterschiede in der spezifischen Oberfläche der freigesetzten Schweißrauche festgestellt. Für konventionelle Schweißverfahren, Bild 9 unten links, ergibt sich aus der Steigung der Geraden ein mittlerer Wert von 58 m2/g. Die Laserstrahlschweißverfahren weichen davon mit 250 und 460 m2/g (Laserstrahl-MIG-Hybridschweißen) nach oben ab. Zwischen diesen Verfahren findet sich das Elektronenstrahlschweißen mit 270 m2/g. Aus den bereits erwähnten Gründen weicht das Widerstandspunktschweißen mit 0,4 m2/g deutlich nach unten ab. Die Ergebnisse zeigen, dass die benutzten Verfahren geeignet sind, die spezifische Oberfläche von Schweißrauchen in-situ zu bestimmen. Aufgrund der Vielzahl der untersuchten Schweißverfahren und der großen Anzahl der je Probe benötigten TEM-Aufnahmen waren im Rahmen dieses Projekts Mehrfachbestimmungen zur weiteren Absicherung der Daten jedoch nicht möglich. Daher werden zusätzliche Versuche, welche sich auf die stichpunktartige Bestimmung der Primärpartikel- und Massenemissionsrate beschränken und Mehrfachuntersuchungen vorsehen, als sinnvoll erachtet. Parallel zu diesen Versuchen sollten Messungen mit inzwischen kommerziell erhältlichen Geräten zur Aerosoloberflächenmessung eingesetzt werden. Bei Übereinstimmung der Ergebnisse können die bereits vorliegenden und zukünftigen Messungen dazu genutzt werden, die Datenbasis bezüglich der spezifischen Oberfläche von Schweißrauch einfach zu erweitern. Bei den Schweißverfahren, bei denen kein Schweißzusatzwerkstoff verwendet worden ist, stellt der Grundwerkstoff bei den Emissionen den Haupteinflussfaktor dar. Bei den Verfahren mit Schweißzusatzwerkstoff bilden sich die Schweißzusatzwerkstoffe in der chemischen Zusammensetzung der Schweißrauche ab. Die Grundwerkstoffe zeigen hingegen einen geringen Einfluss auf die Emissionsrate und die chemische Zusammensetzung. Ebenfalls ist eine Abhängigkeit von den gewählten Schweißparametern erkennbar: Mit steigender Abschmelzleistung steigt auch die Emissionsrate, ebenso zeigte sich in diesen Versuchen mit Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit ein Ansteigen der Emissionen. Daraus kann auf eine Abhängigkeit von dem erzeugten Schmelzbadvolumen zu den Emissionen geschlossen werden. Darüber hinaus ist ein deutlicher Schutzgaseinfluss zu erkennen. Bild 10 zeigt einige Beispiele von Massenemissionsraten und chemischen Zusammensetzungen von Schweißrauchen. 10 Schlussfolgerung 10.1 Massenemissionsraten Beim Vergleich aller Verfahrens-Werkstoff-Kombinationen untereinander ist Folgendes feststellbar: die höchsten Massenemissionsraten entstehen beim MIG-Schweißen von AlMg-Legierungen (31,96 mg/s), beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre (31,7 mg/s) sowie beim MAG-Schweißen mit Fülldraht ohne Schutzgas (selbstschützender Fülldraht, 30,4 mg/s). Diese drei Verfahrens-Werkstoff-Kombinationen mit Emissionsraten über 25 mg/s führen ohne lüftungstechnische Maßnahmen zu einer sehr hohen Gefährdung (siehe auch TRGS 528), da eine vielfache Überschreitung der festgelegten Luftgrenzwerte zu erwarten ist (siehe auch BGI 593). Auch die Verfahrens-Werkstoff-Kombinationen MAG-Schweißen mit Fülldraht unter Schutzgas aus 82% Ar und 18% CO 2 mit einer Emissionsrate von 24,8 mg/s, MIG-Schweißen von AlMg3-Legierungen unter Schutzgas Ar mit Emissionsraten von etwa 24 mg/s gehören zur Gruppe der schadstoffreichen Verfahren. Die Anwendung dieser Verfahrens- Werkstoff-Kombinationen ist mit einer hohen Gefährdung verbunden (siehe TRGS 528 und BGI 593), da auch hier deutliche Überschreitungen der Grenzwerte auftreten können, solange keine entsprechenden lüftungstechnischen Maßnahmen am Arbeitsplatz umgesetzt werden. MIG-Schweißen von Nickel mit Emissionsraten von 1,45 mg/s und Laserstrahl-MIG-Hybridschweißen von AlSi-Legierungen mit Emissionsraten von 1,2 mg/s sind mit einer mittleren Gefährdung verbunden (siehe auch TRGS 528 und BGI 593), das heißt die zu erwartenden Konzentrationen am Arbeitsplatz im Atembereich des Schweißers liegen im Bereich der Grenzwerte oder knapp darunter. Aus der gesamten Palette der untersuchten Verfahren werden folgende Verfahren als schadstoffarme Verfahren im Hinblick auf die Massenemissionsraten bestätigt: WIG-Schweißen für alle eingesetzten Werkstoffe mit Emissionsraten von maximal 0,038 mg/s, Löten (Weich- und Hartlöten) mit Emissionsraten von maximal 1 mg/s, Widerstandspunktschweißen/-schweißkleben mit Emissionsraten von maximal 0,050 mg/s sowie thermisches Schneiden auf Wasserbad oder mit wirksamer Absaugung mit Emissionsraten von maximal 0,66 mg/s Mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat Die mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat dient zusammen mit der Agglomerationsrate der Bestimmung der Primärpartikelemissionsrate. Auch hier gilt, dass die Zusammensetzung von der Alterung der gesammelten 360 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6

10 Bild 10 Massenemissionsrate und chemische Zusammensetzung der Schweißrauche; a) MSG-Schweißen, b) Zusatzwerkstoffe, c) MIG-Löten. Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6 361

11 Agglomerate abhängig ist. Je Schweißverfahren wurden im Mittel 60 TEM-Aufnahmen ausgewertet und je nach Agglomeratgröße (in der Regel über 300 Partikel/Agglomerat) waren mehrere Aufnahmen je Agglomerat notwendig. Eine sehr hohe mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat (etwa 2600) wurde sowohl beim Laserstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff als auch beim Laserstrahl-MIG-Hybridschweißen gemessen, jedoch nicht bei allen durchgeführten Versuchen. Beim Laserstrahl- MIG-Hybridschweißen an AlSi12 sowie an verzinktem Grundwerkstoff konnten mittlere Primärpartikelanzahlen je Agglomerat zwischen 200 und 510 ermittelt werden. Beim MIG-Schweißen lag die mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat zwischen 500 und 750, jedoch wurden auch Agglomerate aus über 1000 Primärpartikeln beobachtet Agglomeratemissionsraten und Primärpartikelemissionsraten Bezüglich der Agglomeratemissionsraten weisen die meisten untersuchten Verfahren ähnliche Tendenzen der ermittelten Werte auf. Dabei wird die Größenordnung von /s nur in Ausnahmefällen überschritten. Auf Gruppenbasis ist die Agglomeratemissionsrate beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre und beim MAG-Schweißen höher und beim MIG- und WIG- Schweißen viel niedriger. Die Primärpartikelemissionsraten variieren sehr stark sowohl innerhalb der Verfahrensgruppen als auch zwischen diesen. Niedrigere Werte wurden für Löten und WIG-Schweißen berechnet, relativ hohe Werte für MAG-, MIG-, Laserstrahl-MIG-Hybridschweißen und Elektronenstrahlschweißen. 11 Fazit Die Primärpartikelemissionsraten unterliegen im Gegensatz zu den anderen Charakteristiken (Massengrößenverteilung, Agglomeratanzahlemissionsraten, mittlere Primärpartikelanzahl je Agglomerat) keiner Änderung durch Alterung und sind damit auch auf den Arbeitsplatz übertragbar. Bei gegebener Volumenkonzentration nimmt die Anzahlkonzentration der Agglomerate mit der Zeit ab, entsprechend nimmt der mittlere Agglomeratdurchmesser zu. Für die Probenahme von Schweißrauchen bedeutet dies, dass Messergebnisse bezüglich der Partikelkenngrößen der Agglomerate nur dann miteinander verglichen werden können, wenn Orte und Zeitpunkte der Probenahme identisch waren. Auch der Anzahlmedian der Mobilitätsverteilung (nm) hängt sehr stark von der Zeit ab und steigt mit zunehmender Dauer. Dies zeigt, dass das Anwachsen des mittleren Partikeldurchmessers und die Änderung der Anzahlkonzentration selbst bei relativ kurzen Alterungszeiten insbesondere bei hohen Konzentrationen sehr ausgeprägt sein können. Die in den Versuchen gefundenen Größenverteilungen werden bezüglich Masse und Agglomeratanzahl im Wesentlichen durch die Alterungsdauer der gemessenen Rauche bestimmt und hängen nur in zweiter Ordnung von den Ausgangsparametern ab. Für die meisten untersuchten Verfahren liegen die entstehenden Massenemissionsraten über 2 mg/s und erreichen sogar 32 mg/s. Somit sind diese Verfahren entsprechend der TRGS 528 und der BGI 593 schadstoffreich, und deren Anwendung am Arbeitsplatz soll nur unter Verwendung von geeigneten lüftungstechnischen Maßnahmen erfolgen, um eine Überschreitung der Grenzwerte im Atembereich des Schweißpersonals und eine Gefährdung durch Schweißrauchexposition zu vermeiden. NEU! Das Bezugsquellenverzeichnis zum Thermischen Spritzen! Der Einkaufsführer von Produkten und Dienstleistungen: THERMAL SPRAY BULLETIN Knüpfen auch Sie neue Kontakte mit einem Eintrag in unserem Bezugsquellenverzeichnis! 362 Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 6