Forschungsstelle 2: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV Duisburg Prof. Dr.-Ing. S. Keitel Dr.-Ing. R. Winkler Dipl.-Ing. U.

Transkript

1 AiF-Thema Nr Beurteilung und Beeinflussung von Magnetfeldexpositionen beim Widerstandsschweißen Überblick über das Forschungsvorhaben und Anmerkungen zur Expositionsproblematik Forschungsstelle 1: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Institut für Elektrische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. A. Lindemann Dr.-Ing. R. Döbbelin Dr.-Ing. Th. Winkler Forschungsstelle 2: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV Duisburg Prof. Dr.-Ing. S. Keitel Dr.-Ing. R. Winkler Dipl.-Ing. U. Gärtner 1

2 Erfassung des Ist-Zustandes der Magnetfeldemission von Widerstandsschweißeinrichtungen in einem Forschungsvorhaben von IESY und SLV Duisburg. Regelungen und Vorschriften Bewertung der Feldexposition Festlegung von Mindestabständen Zielstellung Klärung der Berücksichtigung der Spezifik der Magnetfeldexposition beim Widerstandsschweißen bei der Anwendung der Normen und Vorschriften Sicherstellung der Einhaltung der relevanten Vorschriften Erarbeitung zugeschnittener technischer (aktiver und passiver) Maßnahmen zur Reduzierung der Feldexposition Vermeidung einer störenden Beeinflussung des betrieblichen Ablaufes und der Schweißparameter durch die technischen Maßnahmen 2 Hintergrund und Ziel des Forschungsvorhabens

3 1. Recherche (Literaturauswertung, Kontakte zu Medizinern und Berufsgenossenschaften) 2. Auswahl der in die Untersuchungen zu Feldminderungsmaßnahmen einzubeziehenden Verfahren und Geräte 3. Durchführung von Feldsimulationen mit dem Ziel der Ermittlung geeigneter Ausführungen für magnetische Abschirmungen 4. Aufbau, messtechnische Untersuchung und Optimierung von Musteranordnungen 5. Durchführung von Feldsimulationen mit dem Ziel der Ermittlung geeigneter Ausführungen von Gegenfelderzeugern 6. Untersuchung von geeigneten Möglichkeiten der elektrischen Speisung der Gegenfelderzeugung 7. Aufbau, messtechnische Untersuchung und Optimierung von Musteranordnungen mit Gegenfelderzeugern, konstruktive Anpassung an ausgewählte Widerstandsschweißeinrichtungen 8. Durchführung von Schweißversuchen, Untersuchung eines eventuellen Einflusses der Magnetfeldminderungsmaßnahmen 9. Auswertung der Ergebnisse 10. Erstellung des Abschlussberichtes und Veröffentlichung der Ergebnisse 3 Arbeitsplan

4 Mitglieder des Projektbegleitenden Ausschusses Herr BOTHFELD Harms & Wende GmbH, Hamburg Herr BRINCKMANN Expert Maschinenbau GmbH, Lorsch Herr DURCHSCHLAG AEG SVS Schweißtechnik, Mühlheim Herr FISCHER Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik, Köln Herr GREFE Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. ZVEI, Frankfurt/M. Frau Dr. HEINRICH 2h-engineering, Hausen Herr KLINGER Bosch Rexroth AG, Erbach Herr MOOR H. A. Schlatter AG, Schlieren (Ch) Frau Dr. NEUSCHULZ Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Ar-beitsmedizin, Berlin Herr Dr. PÖLL Matuschek Messtechnik GmbH, Alsdorf 4 PBA-Mitglieder

5 Verfahren: Die eingesetzten Leistungsteile sind bestimmend für die Form der Zeitverläufe der emittierten Magnetfelder. Ausgewählt für die Untersuchungen: - konventionelle Wechselstrommaschinen - MF-Invertermaschinen Geräte: Verwendung typischer Ausführungen von Widerstandsschweißeinrichtungen Emissionscharakteristik prinzipiell von der Ausgangsleiterschleife abhängig Für praktische Untersuchungen / Versuchsaufbau wird die Anwendung von Maßnahmen an einer Musteranordnung exemplarisch gezeigt werden (weitere Festlegungen sollten im Ergebnis der simulativen Untersuchungen erfolgen) 5 Auswahl der Verfahren und Geräte

6 Ausgangspunkt des Themas ist das durch IESY und SLV Duisburg bearbeitete Forschungsvorhaben zu Feldemissionen von Widerstandsschweiß-maschinen. Im Ergebnis liegen Messungen an einer Vielzahl von Widerstandsschweiß-einrichtungen vor: - Messmethodik - Feldverteilung an stationären Widerstandsschweißeinrichtungen und an Schweißzangen - Felder an Schweißkabeln - Durchführung der Bewertung der Magnetfelder nach BGV B11 für typische Zeitverläufe der Schweißströme Bezüglich der Einhaltung relevanter Vorschriften konnte festgestellt werden, dass diese nicht in allen Fällen gewährleistet werden kann, insbesondere in unmittelbarer Nähe zu Widerstandsschweißeinrichtungen (z.b. Handbereich). 6 Ausgangslage: Untersuchungen zur EMVU-Problematik

7 Aktueller Stand relevanter Normen und Vorschriften zu NF-Feldern ICNIRP Guidelines Vorgabe von Basiswerten und abgeleiteten zulässigen Werten, jeweils für den öffentlichen und gewerblichen Bereich BGV B11 Vorgabe von zulässigen Werten und Bewertungsverfahren für Felder an Arbeitsplätzen EU-Richtlinie2004/40/EG zur EMVU Vorgabe von Expositionsgrenzwerten und Auslösewerten für kontinuierliche Felder, nationale Umsetzung bis 2008 (als Verordnung des BMAS) pren BGI 5011 Elektromagnetische Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen (wird derzeit vom CENELEC TC26B bearbeitet). Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen Umsetzung der BGV B11 für Widerstandsschweißeinrichtungen Vorgabe von Basisgrenzwerten (z. B. Körperstromdichten) - Basiswerte beruhen auf nachgewiesenen Wirkungen - Basiswerte können im menschlichen Körper nicht gemessen werden - Basiswerte müssen eingehalten werden Angabe von abgeleiteten Werten (z. B. Magnetflussdichte) - abgeleiteten Werte beinhalten Sicherheitsfaktoren - es wird davon ausgegangen, daß bei Einhaltung der abgeleiteten Werte die Basiswerte ebenfalls eingehalten werden 7 Normen und Vorschriften zu Grenzwerten

8 Typisch für Widerstandsschweißeinrichtungen: - kurze Schweißströme ( kurze Feldexposition) - inhomogenes, mit der Entfernung stark abnehmendes Feld Viele Vorschriften zu Feldern gehen von worst case -Fall aus: - Dauerexposition - homogenes Feld Ohne Berücksichtigung der speziellen Expositionsbedingungen ist eine Überbewertung wahrscheinlich. Ansatzpunkt für Arbeiten zur Gewährleistung der Normenkonformität: Aufzeigen der Einhaltung der Basisgrenzwerte für konkrete Expositionsbedingungen. 8 Besonderheiten bei Widerstandsschweißeinrichtungen

9 Ungünstigster Fall: Ganzkörper-Exposition B In der Nähe von Widerstandsschweißeinrichtungen: Teilkörper-Exposition Induktionsgesetz: dφ U ind = n dt 2π f B A u db U ind = A dt J = = π r f γ B Abhängigkeit der Körperströme von der Größe der Leiterschleife. Festlegung von zulässigen Werten für den worst case. Nachrechnen für kleinere Leiterschleifen. Höhere Werte der Magnetflussdichte können zulässig sein. 9 Expositionssituation

10 Beispiel: Widerstandsschweißinverter Schweißstrom in ka Zeit in ms Schweißstrom 8 in ka Zeit in ms Strom in ka ,1 0,01 ICNIRP Referenzwert (berufliche Exposition) in mt Spektrum des Stromes in ka ,01 1E k 1E-3 10k Gleichanteil Frequenz in Hz 10 ICNIRP Referenzwert 1 in mt 0,1 - Spektrum des Stromes über 1 s - Vergleich mit den ICNIRP-Grenzwerten - Anwendung der Summenformel: 65kHz B 10MHz j B Bj + 1 b j= 1Hz L, j j> 65kHz (nur bis 65 khz) 10 Anwendung ICNIRP

11 für gepulste Felder: Vorgabe von Musterzeitverläufen Auslesen von Zeitkonstanten aus dem Zeitverlauf ( grafische Bewertung) Dieses Verfahren ist im Niederfrequenzbereich abgeleitet von elektrophysiologischen Grundlagen (Reaktion von Nervenzellen, Stimulation) Die Basisgrenzwerte sind dieselben wie bei ICNIRP. Die abgeleiteten Werte (Magnetflussdichte) sind für bestimmte Bereiche in Unternehmen höher - ca. 2x (Expositionsbereich 1) bis 4x (Bereich erhöhter Exposition, max. 2 h/tag) Anmerkung: Der Unterschied Dauerexposition - Kurzzeitexposition ist im Niederfrequenzbereich nur aus Vorsorgegründen festgelegt. Eine Reizwirkung tritt entweder auf oder nicht auf - unabhängig von der Zeitdauer. Eine kumulative Wirkung besteht nicht. 11 Anwendung BGV B11

12 Invertermaschine, S n = 180 kva, I 2cc = 51 ka Messung in einer horizontalen Ebene durch die Mitte des Schweißfensters Messebene / Messachse Beispiel: Messung an einer MF-Invertermaschine an der SLV Duisburg, y (cm) ,01 Maschinengehäuse Schweißelektrode 0, , ,1 40 0,2 0,05 0, , ,01 0, x (cm) B' (mt/ka) ,0 0,5 0,2 0,10 0,04 0,02 0,009 0,004 0, Messbeispiel

13 Beispiel wie zuvor, hier dargestellt Messachse seitlich des Fensters. Betrachtung aller Anteile des Zeitverlaufes des Schweißstromes hier dargestellt: expositionsrelevantester Anteil (2-kHz-Welligkeit) B' in mt / ka ,1 Abstand (Finger für Extremitäten für Körper Abstand und Hände) 0, seitlicher Abstand zur Mitte des Schweißfensters, r / cm B' i / ka Zulässige Flußdichtewerte für I = 50 ka und t S = 200 ms im Bereich erhöhter Exposition: 2-kHz-Welligkeit enter text here t / ms Beispiel: Zeitverlauf und gemessene Magnetflußdichte einer MF-Invertermaschine. 2-kHz-Welligkeit, Wert für Extremitäten (2,5fach höhere zulässige Werte) 2-kHz-Welligkeit, Wert für Finger / Hände (BGI 5011: 20- fach höhere zulässige Werte) im gezeigten Beispiel keine Überschreitung von zulässigen Werten 13 Bewertung nach BGV B11 / BGI 5011

14 20 10 B' in mt/ka 1 0,1 BGI 5011, 2 khz, Finger und Hände BGV B11, 2 khz, Extremitäten BGV B11, 2-kHz-Welligkeit, Körper ICNIRP-Grenzwert für Einzel-Frequenz von 2 khz 160 Abstand zum 140 Schweißfenster, r in cm cm 0,01 ICNIRP Summenformel 1E Abstand seitlich vom Schweißfenster, r in cm B' cm 26 cm 12 cm 0 cm Vorgehensweise wie zuvor gezeigt. Die sich jeweils ergebenden Abstände können zum Vergleich der Bewertung herangezogen werden. Im Vergleich der Bewertungsverfahren führt die Anwendung der ICNIRP-Grenzwerte/Summenformel zu einer starken Überbewertung. Anm.: Die Berücksichtigung des Phasenwinkels der Frequenzanteile bei der Summation führt zu einem etwas günstigere Ergebnis. Abstände entsprechend der jeweiligen Bewertungsvorschrift: 1 BGI 5011 für Finger / Hände 2 BGV B11 für Extremitäten 3 BGV B11 Körper 4 ICNIRP 2-kHz-Spektrallinie 5 ICNIRP Summenformel 14 Vergleich BGV B11 ICNIRP

15 Geometrie Stromdichte im Schirm (Wirbelströme) Aluminium Simulation mit dem FEM-Programm ANSYS Variation von geometrischen Parametern und Materialkennwerten, geschichtete Materialien Bei geschichteten Materialien: Kombination von hoher magnetischer und elektrischer Leitfähigkeit Magnetfeldverteilung in der Luft und Feldlinien bzw. Wirbelströme im Material als Simulationsergebnis Eisen 15 Beispiel Simulation: Schirmung

16 500 B in mt ohne Schirm Stahl Aluminium 1. Fe, 2. Al 1. Al, 2. Fe Magnifer75 Beispiel für die Wirkung unterschiedlicher Schirmmaterialien und geschichteter Materialien Derzeit laufen Untersuchungen zur Variation der Materialparameter und der Geometrie % -55.9% -63.5% -73.3% -87.5% 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x in m Widerstandsschweißmaschine, I = 40 ka (1 ~ 50 Hz) Magnetisierungskennlinie ausgewählter Materialien B in T 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Trafoblech Vacoflux 50 Stahl Magnifer 75 0, H in 10 3 A/m 16 Beispiel Simulation: Schirmung

17 Feldsimulation mit ANSYS Beispiel: Widerstandsschweißmaschine mit Werkstück, Ausladung 37 cm, Armabstand 24 cm, I S = 40 ka Feldspulen zur Magnetfeldreduzierung im Bedienbereich Arbeiten haben begonnen, noch Forschungsbedarf vorhanden. Varianten: Spulenanordnung Feldformer 17 Beispiel Simulation: Kompensation

18 Keine berufsbedingten Erkrankungen durch NF-Magnetfelder an Schweißeinrichtungen dokumentiert. Mögliche Gefahrenquellen sind dort anderer Art (Verbrennung, Schweißrauch, Dämpfe, Lärm, mechanische Verletzung) Bewertungsproblematik: Basiswerte nicht veränderbar Optimierungspotential bei Anwendung abgeleiteter Werte. Wichtig: das muss bei der Festlegung von Richtlinien / Normen berücksichtigt werden. Schirmung: Wirbelströme / Leitung magnetischer Felder Geschichtete Medien zeigen gute Wirkung Untersuchungen werden fortgeführt Gegenmagnetfelder: Erste orientierende Simulationen Mehrere Grundanordnungen möglich Versuchsaufbau: Erfolgt nach systematischer Analyse mittels FEM-Simulation. 18 Zusammenfassung

19 19 Danke für die Aufmerksamkeit!