Entstehung und Reduzierung der Schweißrauchemissionen beim MSG-Schweißen Ergebnisse des 1. EWM-Awards

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1 Entstehung und Reduzierung der Schweißrauchemissionen beim MSG-Schweißen Ergebnisse des. EWM-Awards S. Rose, Dresden Die Reduzierung von Emissionen wird zukünftig eine größere Bedeutung bei der Weiterentwicklung von Fügeverfahren einnehmen müssen. Die Grenzwerte im Arbeits- und Umweltschutz werden die Entwicklung emissionsreduzierter MSG-Prozesse erforderlich machen. Für solche Entwicklungen sollten die Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge zur Emissionsentstehung bekannt sein. Im Rahmen experimenteller Schweißversuche wurden verschiedene Lichtbogenarten (Kurz- und Impulslichtbögen) untersucht. Die Messungen wurden in einer Fume-Box durchgeführt und durch REM- und EDX-Analysen ergänzt. Durch gezielte Parametervariationen an Impulslichtbögen konnten einzelne Effekte getrennt und mit Aussagen der Literatur verglichen werden. Dabei zeigte sich, dass v. a. Kurzschlüsse und vom Draht abgelöste Tropfen eine maßgebliche Emissionsquelle darstellen. Letzteres kann auch erklären, weshalb ein Impulslichtbogen trotz höherer Spitzenstromstärken geringere Emissionen als ein Sprühlichtbogen aufweisen kann. Ergänzend wurden konventionelle und energiereduzierte Kurzlichtbögen untersucht, wobei energiereduzierte Kurzlichtbögen deutliche Vorteile im Hinblick auf die Emissionen aufweisen. Abschließend wird die zukünftig wachsende Bedeutung unterschiedlicher Partikelgrößen auf die Interpretation und die Bewertung von Emissionsmessungen erläutert. Außerdem werden die Möglichkeiten der numerischen Simulation für die Optimierung von Emissionen vorgestellt. Einleitung Trotz der großen verfahrensseitigen Innovation von MSG-Schweißprozessen gilt das Verfahren als vergleichsweise unsauberes Schweißverfahren mit entsprechenden Vorbehalten vieler Anwender. Die partikelförmigen Schadstoffe beim Schweißen, meist Metalloxide, werden als Schweißrauche bezeichnet []. Neben diesen entstehen außerdem Strahlung und Gase, die insgesamt als Emissionen bezeichnet werden. Die Schweißrauchbelastungen für Schweißer und Bediener werden heute v. a. mit technischen Maßnahmen wie Absauganlagen, Absaugbrennern und Atemmasken reduziert. Anders als beispielsweise in der Automobilindustrie sind in der Schweißtechnik Emissionen noch kein entscheidendes Entwicklungskriterium. Es ist aber absehbar, dass dies in Zukunft unumgänglich werden wird. Bereits heute sind die Anwender zur Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen verpflichtet. Die Herstellerzeugnisse sind dabei nur eine begrenzte Hilfe, da Werkstoff, Draht, Brenner oder Stromquelle hinsichtlich der Emissionsbildung allein noch keine Quellen von Gefährdungen darstellen. Insbesondere für Anwender ist die Entwicklung emissionsarmer MSG- Prozesse daher von großer Relevanz, um diese sehr wirtschaftlichen Prozesse auch in Zukunft als manuelles Verfahren weiter eingesetzt werden dürfen. Für Prozessoptimierungen ist die alleinige Messung der Emissionen allerdings nicht ausreichend. Stattdessen können nur aus einem grundlegenden physikalischen Verständnis wirklich zielführende und effiziente Strategien zur Entwicklung neuer metalldampfreduzierter und emissionsärmerer MSG-Prozesse abgeleitet werden. Im Beitrag wird zunächst der Stand des Wissens zum Emissionsverhalten verschiedener Schweißverfahren vorgestellt. In den experimenteller Schweißversuchen wurden Kurzlichtbögen, energiereduzierte Kurzlichtbögen (coldarc) und Impulslichtbögen untersucht. 2 Einflussfaktoren auf das Emissionsverhalten Die emittierten Schweißrauchpartikel beim MSG- Schweißen stammen zu etwa 95 % aus dem abschmelzenden Zusatzwerkstoff, lediglich 5 % stammen aus dem Grundwerkstoff []. Die Partikel sind meist kugelförmig und fast immer kleiner als,4 μm [2]. Die Schweißrauchemissionen liegen bei industriellen MSG-Prozessen meist im Bereich zwischen 2 bis 25 mg/s, bei WIG- und UP-Prozessen im Vergleich bei weniger als mg/s. Nach [5] emittieren damit nahezu alle Prozesse mehr als die erlaubten Emissionsgrenzwerte folglich besteht ein großer Handlungsbedarf zur Emissionsreduzierung. Aus der Literatur sind viele verschiedener Untersuchungen zum Emissionsverhalten unterschiedlicher Schweißprozesse, -parameter, Drahtdurchmesser, Drahtarten, Schutzgase usw. [] [9] bekannt, über die im Folgenden ein kurzer Überblick gegeben wird: AC-Prozesse: Beim Wechselstromschweißen entstehen höhere Emissionen als beim Gleichstromschweißen [4] [5]. Dies betrifft sowohl das Lichtbogenschweißen als auch das Lichtbogenlöten. Eine Ausnahme betrifft lediglich das Schweißen magnesiumhaltiger Aluminiumlegierungen [5] [6]. Der Grund für die dort erhöhten Emissionen ist wahrscheinlich der viel höhere Dampfdruck von Magnesium []. Fülldrähte: In den Untersuchungen [5] wurde festgestellt, dass entgegen der Einteilung in der BGI 593 [4] Fülldrähte nicht zwangsläufig mehr Schweißrauch emittieren. Die Emissionen sind demnach von der Art der Füllung abhängig, wobei Metall-Pulverfüllung Vorteile gegenüber Massivdraht aufweisen. DVS

2 Impulslichtbögen: Es wurde festgestellt, dass Impulslichtbögen bei gleicher Abschmelzleistung deutlich weniger Schweißrauch emittieren als konventionelle Lichtbögen [5] [6]. Von Quimby et al. [8] wurden gepulste Prozesse mit einem Schutzgas aus 92 % Argon und 8 % CO 2 durchgeführt. In den Untersuchungen wurden die Pulslänge bei konstanter Pulsfrequenz (6 Hz) und die Frequenz bei konstanten Leistungen variiert. Es zeigt sich, dass die Emissionen bei längeren Pulsen zunächst ansteigen und bei 2,5 ms ihr Maximum erreichen, dann auf ein Minimum bei 3,2 ms abfallen, um danach wieder sehr stark anzusteigen. Ein lokales Maximum stellt sich auch bei der Variation der Frequenz ein hier liegen das Maximum bei 7 Hz und das Minimum bei 9 Hz. Von Nemchinsky [] wurde ein mathematisches Modell zur Tropfenverdampfung entwickelt. Es wird empfohlen, mit hohen Frequenzen und sehr schnellem Stromanstieg zu arbeiten. Weiterhin wird postuliert, dass auch der abgeschnürte Tropfen noch maßgeblich zur Schweißrauchentstehung beiträgt. Kurzlichtbögen: Es wurde festgestellt, dass durch geregelte Kurzlichtbogentechnologie eine Verringerung der Rauchemissionen beim Löten um den Faktor drei möglich ist [5]. Schutzgase: Von Eichhorn et al. [3] wurden vier verschiedene MSG-Schutzgase untersucht: CO 2, Ar + 2,5 % CO 2, Ar + 8 % CO 2 und Argon + 2 % O 2. Dabei wurde festgestellt, dass die höchsten Emissionen unter CO 2 entstehen, gefolgt von Ar + 8 % CO 2. Bei Zumischungen von 2 % O 2 werden weniger Schweißrauche emittiert als mit 2 % CO 2. Hieraus wurde abgeleitet, dass ein höherer Aktivgasanteil zu mehr Emissionen führt. Carpenter et al. [7] stellen Untersuchungen an 3 Schutzgaszusammensetzung beim Sprühlichtbogenschweißen vor. Sie stellen ebenfalls fest, dass CO 2 Beimischungen höhere Emissionen verursachen als O 2. Die höchsten Emissionsraten unter reinem CO 2 werden mit dem globularen Werkstoffübergang begründet. Die Untersuchungsergebnisse zeigen allerdings, dass die verbreiteten Angaben eines Oxidationspotentials von Schutzgasen bezüglich der Emissionen nur geringe Aussagekraft besitzt [7]. Schweißparameter: Eichhorn et al. [3] stellen bei der Untersuchung verschiedener Stromstärken beim MSG-Schweißen fest, dass die Emissionen bis 25 A ansteigen, danach aber wieder sinken. Dies wird auf die zunehmende Einbrandtiefe zurückgeführt. Bezüglich der Partikelgrößenverteilung wurde ermittelt, dass unterschiedliche Schweißparametern keinen signifikanten Einfluss haben. Quimby et al. [8] zeigen, dass sich ein lokales Maximum der Emissionen im Bereich von etwa 25 V Schweißspannung ausbildet. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Ergebnissen von Gray und Hewitt [2]. Das lokale Maximum der Emissionen entspricht dem Bereich des Übergangslichtbogens, der sich sehr instabil verhält. Tropfengröße: Der Einfluss der Tropfengröße auf die Emissionen wurde ebenfalls untersucht, wobei von Deam et al. [3] postuliert wird, dass kleine Tropfen eine kleine Oberfläche haben und folglich weniger emittieren. Von Bosworth et al. [4] wird die Ursache hierfür mit geringeren Temperaturgradienten innerhalb des Tropfens begründet und die Emissionen in Abhängigkeit der maximalen Temperatur am Drahtende bzw. am Tropfen gestellt. Unklar erscheint an dieser Argumentation allerdings, weshalb feinsttröpfige Sprühlichtbögen emissionsreich sind. Abschließend bleibt daher festzustellen, dass sich die zitierten Quellen zum Teil widersprechen, vor allem aber unterscheiden sie sich in den Begründungen der unterschiedlichen Emissionen und deren Ursache. Ziel weiterer Emissionsuntersuchungen ist es deshalb, physikalisch begründete Wirkungszusammenhänge zu erkennen und daraus Strategien zur Emissionsreduzierung abzuleiten. 3 Experimenteller Aufbau Die Schweißversuche wurden an einer Stromquelle EWM alpha Q mit einem Drahtvorschub von 4 m/min durchgeführt. Die Standardpulsparameter sind: I Puls = 42 A, I Grund = 4 A, I mittel = 25 A, f = Hz. Diese Parameter wurden in weiten Bereichen variiert, die jeweilige Änderung ist angegeben. Als Grundwerkstoff wurde Baustahl S235JG2 ( mm) und als Schweißzusatzwerkstoff G3Si Ø,2 mm eingesetzt. Es wurden inerte und aktivgashaltige Schutzgase nach DIN EN 475 [5] verwendet. Zur Prozessbeobachtung wurde eine Hochgeschwindigkeitskamera Photron SA4 mit einem gepulster Diodenlaser Cavilux HF (5 W Pulsleistung bei 8 nm Wellenlänge) eingesetzt. Der Lichtbogen wurde mittels eines auf die Laserwellenlänge abgestimmten spektralselektiven Filters mit 3 nm FWHM zur gezielten Beobachtung der Tropfenformung ausgeblendet. Zeitlich synchronisierte Strom- und Spannungsmessung mit einem Dewe-3-8 erlauben die Prozesscharakterisierung. Zur Messung der Schweißrauche wurde eine Rauchkammer nach DIN EN ISO 5 [6] aufgebaut. Ein Linearvorschub dient der Bewegung des Werkstücks unter dem feststehenden Brenner. Alle Versuche wurden fünfmal durchgeführt. Ergänzend werden REM- und EDX- Analysen zur Charakterisierung der Rückstände auf den Filtern durchgeführt. Zur Untersuchung der Solidus-Liquidus-Linie am Drahtende wurden Magnetventile in unmittelbarer Nähe des Drahtes angebracht, durch die mittels einer Hochdruckargonströmung die flüssige Phase am Drahtende ausgetrieben werden konnte. Ähnliche Versuche wurden bislang an Schmelzbädern z. B. beim Plasmaschweißen durchgeführt [7]. Das zeitversetzte Erreichen des Argons am Drahtende wurde mit einer Sofortabschaltung der Stromquelle gekoppelt. Eine Abbildung des Versuchsstandes sowie exemplarische Filteraufnahmen sind in [8] zu finden. 6 DVS 275

3 4 Ergebnisse 4. Kurzlichtbogenprozesse Die emittierten Schweißrauche können durch den Einsatz von geregelter Kurzlichtbogentechnologie im Gegensatz zu einem konventionellen Kurzlichtbogen deutlich vermindert werden. Bild zeigt am Beispiel des coldarc, dass die Emissionen bei aktivgashaltigen Schutzgasen um bis zu 75 % reduziert werden können, wobei die größte Minderung beim Einsatz niedrigaktiver Gase (-3 % Aktivgas) erreicht wird. Unter Argon (I) sind die Vorteile gegenüber dem konventionellen Kurzlichtbogen (KLB) geringer, da die Oberflächenspannung unter Argon sehr hoch ist. Damit fließt die Schmelze nicht breit und folglich wird auch der Tropfenübergang in das Schmelzbad weniger unterstützt. Ein Vorteil besteht jedoch auch hier. Auffällig ist, dass die absolut größte Emissionsminderung bei heliumhaltigem Gas vorliegt. Emissionsrate mg/s Ar KLB coldarc Ar+%O2 Ar+3%O2 Bild : Schweißrauchemissionen mit konventionellem Kurzlichtbogen (KLB) und coldarc Die Ursache für die deutlich reduzierten Schweißrauchemissionen des coldarc liegt in der Auflösung der Kurzschlussbrücke. Diese wird verfahrensbedingt mit deutlich verringerter Leistung aufgelöst. Hierdurch verdampft kein Material und es werden keine Spritzer aus dem Bereich des Lichtbogens herausgeschleudert, die weiter verdampfen. Bild 2 zeigt exemplarisch den Vergleich mit 97,5 % Argon und 2,5 % CO 2 im unmittelbaren Moment der Kurzschlussauflösung. Beim konventionellen Kurzlichtbogenprozess (links) ist das explosionsartige Auflösen der Kurzschlussbrücke zu erkennen. Beim coldarc entstehen dagegen keine sichtbaren Spritzer oder Verdampfungen. Die Ursache der verringerten Emissionen ist dabei nur zu einem geringen Teil in der elektrischen Leistung zu finden. Der coldarc weist mit 245 W lediglich eine um 4 % reduzierte Leistung gegenüber dem konventionellen Kurzlichtbogen mit 285 W auf. Weiterhin ist bekannt, dass Leistung und Emission nicht direkt gekoppelt sind [8]: Dies wird durch die folgenden Untersuchungen ebenfalls untermauert. Ar+2,5%CO2 4.2 Impulslichtbogenprozesse Um zu untersuchen, welche Impulsparameter zur Emissionsreduzierung angepasst werden können, Ar+2%CO2+2%He Ar+8%CO2 wurden die Lichtbogenlängen, die Frequenzen, die Amplituden und die Impulsdauern variiert, wobei die mittlere Stromstärke (25 A) konstant blieb. Bild 2: Auflösen der Kurzschlussbrücke konventioneller KLB links und coldarc rechts Kurzschlüsse Nach TRGS 528 [] entstehen beim Impulslichtbogenschweißen vergleichsweise geringe Emissionen, weshalb diese Prozesse bevorzugt einzusetzen sind. Es zeigt sich allerdings, dass die Emissionsmenge auch bei einem Impulslichtbogen mit veränderten Einstellparametern sehr stark variieren kann. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Lichtbogenlänge, da sie maßgeblich die Kurzschlussfreiheit des Lichtbogens beeinflusst. Bild 3 zeigt, dass die Emissionen eines Impulslichtbogens bei zu geringen Lichtbogenlängen, d. h. wenn Kurzschlüsse auftreten, stark ansteigen. Unter Argon (I) liegt die Differenz zwischen einem kurzschlussbehafteten (- V) und einem kurzschlussfreien Prozess (+2 V) bei etwa 5 %, unter M2-ArC-8 bei etwa 2 % (+2 V gegenüber +4 V). Folglich sollten die Prozesse ohne Knacken eingestellt werden. Leicht erhöhte Lichtbogenlängen haben einen nahezu zu vernachlässigenden Einfluss auf die Emissionsmenge. Der Einfluss auf die Schweißnaht muss allerdings bei der jeweiligen Schweißaufgabe überprüft werden. Emissionen mg/s 4 3,5 3 2,5 2,5,5 I (Ar 4.6), -V I (Ar 4.6), +2V I (Ar 4.6), +4V I (Ar 4.6), +6V M2-ArC-8, +2V M2-ArC-8, +4V x 5 Bild 3: Impulslichtbogen - Auswirkungen von Prozessinstabilitäten auf die Schweißrauchemission (erhöhte Spannung = längerer Lichtbogen) Die Ergebnisse korrelieren mit denen der Kurzlichtbögen, wonach ein Großteil beim Aufbrechen von x 2 DVS 275 6

4 Kurzschlüssen bei hohen Leistungen entsteht. Weiterhin wird deutlich, dass ein Vergleich verschiedener Emissionsmessungen nur bei Berücksichtigung der Prozessstabilität getroffen werden sollte. Hierzu muss beispielsweise eine Spannungsdokumentation des Prozesses erfolgen, um etwaige Kurzschlüsse zu bewerten und deren Häufigkeit ggf. zu quantifizieren. Die Einstellung durch erfahrene Schweißer, wie in [6] empfohlen, reicht als objektives Vergleichskriterium nicht aus. Impulsfrequenz Durch die veränderte Impulsfrequenz stellen sich verschiedene Werkstoffübergänge ein. Durch eine verringerte Frequenz (49 Hz) mit entsprechend längeren Impulszeiten wurden pro Puls mehrere Tropfen abgelöst, durch eine erhöhte Frequenz (hier 48 Hz) mit entsprechenden kürzeren Impulsen wurde dagegen nur in jedem zweiten Puls ein Tropfen abgelöst. Die Ergebnisse der Emissionsmessungen, dargestellt in Bild 4, zeigen, dass sich bei einer mittleren Frequenz ein Minimum einstellt. Die steigende Emission bei erhöhter Frequenz wird dabei vermutlich durch das zweimalige Fließen des Impulsstroms über das flüssige Drahtende verursacht. Dadurch entsteht verstärkt Metalldampf [8]. Andererseits ist die Oberfläche des abgelösten Tropfens kleiner als die Summe von zwei Tropfen. Diese beiden Einflüsse können im experimentellen Versuch allerdings nicht getrennt werden, der Einfluss der Überhitzung scheint allerdings zu überwiegen. Summe größeren Oberfläche als bei einem Tropfen aus. Weiterhin bewegen sich die Tropfen bei hohen Stromstärken durch den Lichtbogen. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass Prozesse mit einem Tropfen pro Puls aus Emissionssicht günstig sind. Eine Ursache der höheren Emissionen von Sprühlichtbögen sind die großen Tropfenoberflächen. Nichtablösungen und das nochmalige Fließen von Strom über das Drahtende erhöhen die Emissionen ebenfalls. Eine Möglichkeit zur einfachen Detektierung solcher Ereignisse sind spektralselektiver Photodioden [8]. Impulsstromstärke Eine weitere Fragestellung betrifft die Höhe des Impulsstromes. Dabei ist nicht geklärt, ob ein langsames Aufheizen des Drahtes ohne Temperaturspitzen oder ein schnelles Abschnüren infolge der erhöhten Pinchkraft positiven Einfluss auf die Emissionen haben. Auch bei diesen Untersuchungen zeigt sich, dass die Parametervariation mit einer Beeinflussung des Tropfenübergangs einhergeht. Erst ab einer Impulsstromstärke von 4 A wird ein Tropfen pro Puls sicher abgelöst. Bei geringeren Stromstärken wird der Tropfen erst nach zwei Pulsen abgelöst. Bild 5 zeigt, dass die Schweißrauchemissionen sowohl bei verringerten als auch bei erhöhten Impulsstromstärken steigen. Der Bereich minimaler Emissionen liegt bei 45 A und damit nahe an der Werkseinstellung der Stromquelle.,2 Leistung Emission 5,4 Leistung Emission 5 Emission in mg/s,8,6,4, Leistung in W Emission in mg/s,2,8,6,4, Leistung in W Frequenz in Hz Bild 4: Variation der Impulsfrequenz und Auswirkungen auf die Emissionen, Darstellung der Leistung Bei den Versuchen mit verringerter Frequenz ergibt sich ein Prozess, der teilweise als multiple drops per pulse bezeichnet wird. Dabei wird zunächst ein großer Tropfen (größer als mit Standardimpuls aufgrund der längeren Grundstromphase) abgelöst, anschließend geht der Materialübergang in einen Sprühlichtbogen über. Auch hier steigen die Emissionen gegenüber dem Standardprozess. Ein Grund hierfür könnte vor allem im Sprühlichtbogenanteil liegen, bei dem der Lichtbogen an einem verringerten Querschnitt ansetzt. Dies hat zwar den Vorteil, dass sich der Draht wie ein dünnerer Draht verhält und leichter in den Sprühlichtbogenbereich übergeht. Allerdings bilden sich viele kleine Tropfen mit einer in Impulsstrom in A Bild 5: Variation des Impulsstromes und Auswirkungen auf die Emissionen, Darstellung der Leistung Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Impulsstromstärke und ein schnelles Abschürung des Tropfens nicht zu verringerten Emissionen führen. Zum anderen führen aber auch geringere Stromstärken nicht zu einer Verringerung der Emissionen. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Verdampfung zeitabhängig ist und bei längeren Pulsen länger wirken kann [8]. Wird der Tropfen erst in einem zweiten Puls abgelöst, spielt wiederum das doppelte Fließen des Schweißstromes über das schmelzflüssige Ende eine große Rolle. Grundsätzlich sind die Ergebnisse aufgrund der sich ändernden Tropfenablösungsbedingungen aber schwierig zu interpretieren DVS 275

5 Einfluss der Impulsstromanstiegszeit Abschließend wurde bei Beibehaltung der Standardpulsparameter ( Hz, 4 A) die Pulsanstiegszeit variiert. Bild 6 zeigt, dass sehr schnelle Stromanstiege (,35 ms) positiven Einfluss auf die Emissionen haben. Dies ist durchaus bemerkenswert, da der schnelle Stromanstieg die Tropfenablösung zwar beschleunigt, andererseits der Lichtbogen zu Beginn des Impulses aufgrund seiner Trägheit zu Beginn des Impulses sehr konzentriert mit hoher Stromdichte an der Drahtspitze ansetzt [9]. Emission in mg/s,2,8,6,4,2 Leistung,35,6,4 Impulsanstieg in ms Emission Bild 6: Variation des Impulsstromanstiegs und Auswirkungen auf die Emissionen, Darstellung der Leistung Zunächst wäre zu vermuten, dass höhere Emissionen entstehen und sich ähnliche Effekte wie bei der Variation der Impulsstromstärke ergeben. Allerdings zeigten die durchgeführten Hochgeschwindigkeitsaufnahmen einen zusätzlichen interessanten Effekt bei dieser Parametervariation. Durch den schnelleren Stromanstieg kommt es auch zu einem früheren Pinchen und Eintauchen des Tropfens in das Schmelzbad. Dagegen führt ein langsamer Stromanstieg zu einer sehr späten Tropfenablösung und damit auch zu einem späteren Eintauchen. Der dabei abgelöste Tropfen befindet sich aufgrund der relativ langen Lichtbögen noch im Lichtbogen während der nächste Puls bereits beginnt, Bild 7. Über den Tropfen selbst fließt dabei zwar kein Strom, aber in dessen unmittelbarer Umgebung werden Temperaturen im Bereich oberhalb von K und sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht [8]. Es ist deshalb zu vermuten, dass die höheren Emissionen bei einer langen Stromanstiegszeit nicht bei der Ablösung des Tropfens selbst sondern während der Flugphase im anschließenden Puls entstehen. Bild 7: Tropfenflug während der anschließende Impuls beginnt Leistung in W Diese Hypothese deckt sich mit den Aussagen von Nemchinsky [], der dem abgeschnürten Tropfen einen signifikanten Einfluss auf die Emission beimisst. Weiterhin decken sich die Aussagen mit den verringerten Emissionen von Sprühlichtbögen gegenüber Impulslichtbögen. Die Emissionsquellen beim Sprühlichtbogen sind demnach der konzentrierte Lichtbogenansatz, die großen Oberflächen der vielen Tropfen und die durch den Lichtbogen fliegenden Tropfen. Einfluss der Grundstromstärke Die Grundstärke wurde zwischen A und 55 A variiert. Dabei zeigte sich kein messbarer Einfluss auf die Schweißrauchemissionen. Einfluss von Schutzgasen Die Untersuchungen mit verschiedenen Schutzgasen zeigen, wie u. a. [3] und [7], dass Aktivgase zu höheren Schweißrauchemissionen führen. Dabei zeigt sich auch, dass keine eindeutige Beziehung zwischen Oxidationspotential und Emissionen besteht, Bild 8. Dies korreliert mit den Aussagen von [7]. Emissionen mg/s,2,,8,6,4,2, Argon Argon + % O2 Argon + 3% O2 Argon + 2,5% CO2 Argon + 2% CO2 + 2% He Bild 8: Impulsschweißen - Variation der Schutzgase und der Emissionen REM-Untersuchungen zeigen, dass sich die Partikel voneinander unterscheiden. Dies widerspricht den Aussagen von Eichhorn et al. [3] nach denen die Verteilungen unabhängig vom Schutzgas sind. So wiesen die Partikel beim Schweißen mit aktivgashaltigen Schutzgasen (ohne Helium) vergleichsweise kleine Partikel auf. Mit Argon aber auch mit heliumhaltigem aktivem Schutzgas wurden dagegen größere Partikel nachgewiesen (siehe auch Kapitel 5). Hierbei wirken sich bei Argon vermutlich der der weniger konzentrierte Lichtbogen (siehe Bild 9) sowie die veränderte Tropfenformung mit längergezogenen, weniger kreisrunden Tropfen positiv aus. Die sehr gute Wärmeleitung des Heliums führt vermutlich ebenfalls zu einer Verbreiterung des Lichtbogens. Die Aktivgaswirkung in Form eines konzentrierten Lichtbogens, wie er sich mit Argon und CO 2 ohne Heliumbeimischungen ergibt (Bild 9) wird damit zumindest zum Teil kompensiert. Es ist damit zu konstatieren, dass unterschiedliche Temperaturverteilung im Lichtbogen Einfluss auf die DVS

6 Partikelgröße haben. Diese Möglichkeit zur Beeinflussung der Partikelgrößen wurde u. a. von Tashiro et al. [2] vorgestellt. Mit heliumhaltigem Schutzgas durchlaufen die Metalldampfpartikel weniger starke Temperaturgradienten und können sich damit vermutlich zu größeren Partikeln verbinden. Die besondere Bedeutung der Partikelgröße auf die Emissionsbewertung wird im nächsten Abschnitt diskutiert. temperature [K] % 8 6. % 4 5. % radius [mm] ---- Ar ---- Ar + CO 2 current density [A m^-2],4e+7,2e+7,e+7 8,E+6 6,E+6 4,E+6 2,E+6. %. % 5. %,E radius [mm] Bild 9: Temperatur und Stromdichte eines simulierten 25 A-Lichtbogens unter Argon und Argon+CO 2 bei, %; % und 5 % Eisendampf [2] 5 Partikelgrößenbestimmung Entgegen den Literaturangaben wurden bei REM- Untersuchungen Partikel über Ø µm nachgewiesen [8]. Diese haben zwar nur ein geringes gesundheitsgefährdendes Potential, zur Erfassung massebasierter MAK-Werte sind sie aber von entscheidender Bedeutung, da ein einziger Partikel mit Ø µm genauso viel Masse trägt wie 6 mit Ø nm. Diese großen Partikel sind allerdings bei Sondenmessungen und Messungen mit verdünnten Messvolumina schwer zu erfassen. Die zeitliche Varianz ist ebenfalls sehr erheblich. Nach [22] kann die Masse während einer Messung um den Faktor 7 variieren, die Partikelanzahlkonzentrationen sogar um den Faktor 5. Im Rahmen der Untersuchungen wurde daher zunächst ein indirekter Nachweis der Beeinflussbarkeit von Partikelgrößen vorgenommen. Die in Bild 5 dargestellten Messergebnisse zeigen, dass die massenbasierte Emissionsrate bei einem Impulsstrom von 298 A und 545 A mit etwa,5 mg/s nahezu identische Emissionswerte ergeben. Allerdings zeigten sich optisch deutlich unterschiedliche Färbungen der Filter (298 A schwarz, 545 A goldbraun). Die EDX-Analysen zeigten allerdings, dass sich sowohl die vorhandenen Elemente als auch die Mengenverhältnisse dieser Elemente untereinander (Metalle und Sauerstoff) nicht voneinander unterschieden. Folglich kann davon ausgegangen werden, dass sich vermutlich auch ihre Oxidationsstufe nicht unterscheidet. Der Unterschied in den Emissionen liegt daher vermutlich in den Partikelgrößen. Ein direkter Nachweis dieser Hypothese wird durch zukünftige Messungen angestrebt. Dies kann auch für geplante numerische Simulationen als Validierungsgröße dienen. Entsprechende Ansätze zur Modellierung der von Partikelketten und Partikelagglomeraten sind bekannt [2]. 6 Numerische Simulation Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass sich oftmals keine eineindeutigen Ursache-Wirkungs- Zusammenhänge u. a. aufgrund veränderter Tropfenablösungen darstellen lassen. Die Interpretation der Messergebnisse ist unsicher. Eine Möglichkeit, solche unerwünschte Wechselwirkungen auszuschließen, ist die numerische Simulation. Moderne MSG- Lichtbogenmodelle sind heute in der Lage, die Vorgänge innerhalb des Lichtbogens sehr gut darstellen, u. a. [9] [2]. Dabei müssen insbesondere die komplexen Interaktionen von Gas, Lichtbogenansatz, Tropfengeometrie und Temperaturverteilung beschrieben werden können. Erst daraus können die jeweiligen Einflüsse getrennt voneinander beurteilt und Wege zur Emissionsminderung abgeleitet werden. Von besonderer Bedeutung für die Emissionen sind der Lichtbogenansatz am Draht und die Temperaturverteilung im Draht bzw. Tropfen. Im Rahmen des Teilprojektes G4 im Cluster Lichtbogen Physik und Werkzeug wurde erstmalig ein physikalisch selbstkonsistentes Modell der Tropfenformung und Tropfenablösung entwickelt. [23]. Mit diesem Modell wird es zukünftig möglich sein, die Emissionsbildungen numerisch vorherzusagen. Erste Validierungsuntersuchungen zeigen, dass das Modell in der Lage ist, das Aufschmelzen des Drahtendes sehr gut vorherzusagen. Bild rechts zeigt eine Hochgeschwindigkeitsaufnahme, bei der eine Hochdruckargonströmung auf das flüssige Drahtende synchronisiert mit einer Sofortabschaltung der Stromquelle auftrifft. Durch die Sofortabschaltung wird ein weiteres Aufschmelzen des Drahtes verhindert, durch das Hochdruckargon wird die schmelzflüssige Phase ausgetrieben. Somit wird die Solidus-Liquidus- Linie sichtbar und kann mit numerischen Ergebnissen, Bild links, verglichen werden. Beide Methoden zeigen, dass sich beim Impulsprozess kein verjüngender Dorn wie beim Sprühlichtbogen, sondern eine halbkreisförmige Solidus-Liquidus-Linie ausbildet. Bild : links: numerische Simulation der Tropfenformung und -ablösung [23], rechts: Hochgeschwindigkeitsaufnahme beim Austreiben der schmelzflüssige Phase am Drahtende mittels Hochdruckargon 7 Zusammenfassung Die durchgeführten Messungen zeigen, dass sich bei gleichen Abschmelzleistung und mittleren Stromstär- DVS 275

7 ken deutlich unterschiedliche Schweißrauchemissionen ergeben können. Die Untersuchungen an Kurzlichtbögen zeigen, dass das Aufbrechen von Metallbrücken und die zugehörigen Verdampfungen und Spitzerbildungen erheblich zu den Schweißrauchemissionen beitragen. Durch moderne energiereduzierte Kurzlichtbogenprozesse wie z. B. coldarc, bei dem die Kurzschlussbrücke mit stark reduzierter Leistung aufgelöst wird, können diese Emissionen deutlich reduziert werden. Bei niedrigaktivgashaltigen Schutzgasen ergaben sich Emissionsminderungen um bis zu 75 %. Der Einfluss von Kurzschlüssen bzw. Instabilitäten zeigt sich auch bei Impulslichtbögen. Die Empfehlung, diesen Lichtbogentyp anderen vorzuziehen, gilt daher nur für korrekt eingestellte Prozesse ohne Kurzschluss. Ein knackender, kurzschlussbehafteter Impulslichtbogen kann aufgrund der hohen Spitzenstromstärken u. U. deutlich stärker emittieren als ein nichtgepulster Lichtbogen. Um den Forderungen nach kurzen Lichtbögen gerecht zu werden, wäre deshalb die Möglichkeit der energiereduzierten Auflösung von Kurzschlüssen auch bei Impuls- und Sprühlichtbögen sinnvoll. Solche Prozesse bieten großes Potential, die durch Instabilitäten verursachten Schweißrauchmissionen zu reduzieren. Anhand eines variabel einstellbaren Impulsprozesses konnten weiterhin konkrete Emissionsquellen identifiziert werden. So ist das nicht erfolgreiche Ablösen und das daraufhin folgende, nochmalige Fließen von Strom über das Drahtende eine große Emissionsquelle aus Emissionssicht sollte der Tropfen immer abgelöst werden. Die Reaktion auf Nichtablösungen im nächsten Impuls wirkt zur Emissionsvermeidung zu spät. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei sogenannten multiple-drops-per-pulse-prozessen mit einem Impuls- und einem anschließender Sprühlichtbogenanteil höhere Emissionen entstehen. Es ist zu vermuten, dass der Sprühlichtbogenanteil für diese Erhöhung verantwortlich ist. Die Ursache für diese erhöhten Emissionen sind in der Literatur umstritten, insbesondere da die Spitzenstromstärken und folglich die Spitzentemperaturen im Vergleich zu Impulsprozessen höher sind. Einen Hinweis auf die Ursachen ergab sich bei der Variation der Stromanstiegsgeschwindigkeit. Mit schnellem Stromanstieg und schneller Ablösung ergaben sich um ca. 5 % verringerte Emissionen. Als Grund konnte das schnelle Abpinchen und schnelle Eintauchen des Tropfens vor Beginn des nächsten Pulses identifiziert werden. Ein bereits abgelöster Tropfen, der durch den Lichtbogen des nachfolgenden Impulses fliegt, stellt eine nicht zu vernachlässigende Emissionsquelle dar. Dies erklärt auch die vergleichsweise hohen Emissionen der Sprühlichtbogenprozesse trotz geringerer Spitzenstromstärken. Einen weiteren Einfluss stellt die größere Oberfläche der vielen kleinen Tropfen beim Sprühlichtbogen dar sowie der konzentrierte Lichtbogenansatz am schmalen Drahtende. Untersuchungen mit verschiedenen Schutzgasen zeigen, dass heliumhaltige Schutzgase aufgrund ihres Einflusses auf die Temperaturverteilung im Lichtbogen, Auswirkungen auf die Partikelgrößen nehmen können. Abschließend wurden die Möglichkeit der Beschreibung der Schweißrauchemissionsentstehung durch numerische Methoden vorgestellt. In experimentellen Untersuchungen sind die Wechselwirkungen zwischen Lichtbogen, Schutzgas, Lichtbogenansatz, Tropfenformung und Tropfenablösung eine nicht zu vermeidende Limitierung für eine vollständige Interpretation von Messergebnissen. Durch numerische Methoden können im Gegensatz dazu Wechselwirkungen eineindeutig nachvollzogen werden. Damit kann die numerische Simulation einen wesentlichen Beitrag leisten, ein umfassendes physikalisches Verständnis der Schweißrauchemissionsentstehung zu entwickeln. Daraus können zukünftig Ansätze zur Entwicklung emissionsarme MSG-Prozesse abgeleitet werden. 8 Ausblick Die Emissionsbewertung von Schweißprozessen wird in Zukunft immer wichtiger werden. Schon heute sind eine Vielzahl von Grenzwerten einzuhalten, wobei grobe, feine und ultrafeine Partikel unterschieden werden können [24]. Neben der Größe werden aber auch die Gefahrenpotentiale unterschiedlicher chemischer Substanzen berücksichtigt, bei Emissionen aus verschiedenen Stoffen bestimmen die gefährlichsten als Leitkomponenten die zulässigen Grenzwerte [25]. Tendenziell ist abzusehen, dass diese Grenzwerte weiter sinken werden. Erhebliche Probleme für die Schweißtechnik können dabei insbesondere bei der derzeitig diskutierten Reduzierung der erlaubten Grenzwerte für Mangan entstehen [26], das in den heutigen Stahlzusatzwerkstoffen in nennenswerten Mengen vorhanden ist. Weiterhin wird das hohe Gefährdungspotential nanoskaliger Partikel zukünftig stärker berücksichtigt werden müssen. Die derzeitig massebasierte Gefährdungsbeurteilung in der Schweißtechnik ist nicht mehr zeitgemäß. In anderen Bereichen der Technik, beispielsweise der Automobilindustrie (Euro 6), wird sie nicht mehr alleinig angewendet sondern durch eine maximal zulässige Partikelanzahl ergänzt. Besonders in der Schweißtechnik wäre dies auch geboten, da z. T. potentiell sehr gefährliche Substanzen wie beispielsweise Chrom-VI-Verbindungen vorhanden sind. Bezüglich der Bewertung von MSG- Prozessen wäre die Berücksichtigung von Partikelgrößen aber u. U. sogar ein Vorteil gegenüber anderen Verfahren. So ist es möglich, dass ein WIGoder Laserschweißprozess zwar massebezogen weniger emittiert, die Partikel aber kleiner und somit DVS

8 potentiell gesundheitsgefährdender sind als MSG- Schweißrauche sind. Danksagung Die Untersuchungen wurden im Rahmen des EWM- Awards Physics of Welding durchgeführt. Für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten, die Unterstützung der experimentellen Durchführung sowie die wertvollen Diskussionen sei der Fa. EWM und insbesondere Herrn Michael Szczesny ausdrücklich gedankt. Die Schutzgase wurden von Linde Gas zur Verfügung gestellt. Dem DVS e. V. sei für die vielfältigen Möglichkeiten der Ergebnisvorstellung vor Fachkollegen ebenfalls ausdrücklich gedankt. Literaturverzeichnis [] TRGS 528: Technische Regeln für Gefahrstoffe - Schweißtechnische Arbeiten. Ausschuss für Gefahrstoffe - BAuA, 29. [2] V.-E. Spiegel-Ciobanu: Matrix zur Beurteilung der Schadstoffbelastung durch Schweißrauche. Dissertation, RWTH Aachen, 29. [3] F. Eichhorn et al.: Untersuchungen der Entstehung gesundheitsgefährdender Schweißrauche beim Lichtbogenhandschweißen und Schutzgasschweißen. RWTH Aachen 98. [4] BGI 593, Schadstoffe beim Schweißen. Köln: Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro, 27. [5] AiF B: Bewertung von Schweißrauchemissionen bei Anwendung moderner Schutzgasschweißverfahren. TU Chemnitz, 27. [6] M. Ushio et al.: Fume Generation in Al-Mg Alloy Welding with AC-pulsed GMA Welding Method. Transactions of the Japan Welding Research Institute, vol. Vol. 23, no. No., pp. 2-26, 994. [7] K. R. Carpenter et al.: Influence of Shielding Gas on Fume Formation Rates for Gas Metal Arc Welding (GMAW) of Plain Carbon Steel. in Trends in Welding Research, Proceedings of the 8th International Conference, 29, pp [8] B. J. Quimby et al.: Fume Formation Rates in Gas Metal Arc Welding. Welding Journal, pp , 999. [9] M. R. Bosworth et al.: Influence of GMAW droplet size on fume formation rate. Journal of Physics D: Applied Physics, vol. Vol 33, pp , 2. [] S. Rose et al.: Arc attachments on aluminium during electrode positive polarity tig welding of aluminium. Welding in the World 9/ 2. [] V. A. Nemchinsky: Electrode evaporation in an arc with pulsing current. Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 3 (997), S [2] C. N. Gray et al.: Control of particulare emissions from electric-arc welding by process modification. The Annals of Occupational Hygiene, pp , 982. [3] R. Deam et al.: A semi-empirical model of the fume formation from gas metal arc welding. Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 33 (2), pp [4] M. R. Bosworth et al.: Influence of GMAW droplet size on fume formation rate. Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 33 (2), pp [5] DIN EN ISO 475: Schweißzusätze - Gase und Mischgase für das Lichtbogenschweißen und verwandte Prozesse. Berlin: Beuth Verlag, Juni 28. [6] DIN EN ISO 5: Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Schweißen und bei verwandten Verfahren - Laborverfahren zum Sammeln von Rauch und Gasen. Berlin: Beuth Verlag, 2. [7] E. Siewert: Steigerung der Leistungsfähigkeit des Plasmastichlochschweißens durch gezieltes Ausnutzen physikalischer Effekte im Bereich des Lichtbogens und des Stichlochs. Diplomarbeit, TU Dresden, 28. [8] S. Rose: Ansätze zur Emissionsreduzierung beim MSG-Impulsschweißen. Große Schweißtechnische Tagung, Nürnberg, 2. [9] S. Rose et al.: Beschreibung komplexer Vorgänge im Lichtbogen durch die Kopplung von inverser und direkter Modellierung. 2. Zwischenbericht Teilprojekt G5 im Cluster Lichtbogen Physik und Werkzeug, 2. [2] S. Tashiro et al.: Numerical analysis of fume formation mechanism in arc welding. J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 43 (2). [2] M. Schnick et al.: Modelling of gas metal arc welding considering metal vapour and shielding gas mixture. Proc. of the XVIII International Conference on Gas Discharges and Their Applications (GD 2), Greifswald, 5.-. September, 2 [22] AiF 4994 N: Nanoskalige Partikel an Schweißarbeitsplätzen. Aachen, 29 [23] M. Hertel et al.: Numerische Simulation des MSG-Lichtbogens und des Werkstoffübergangs. Teilprojekt G4 im Cluster Lichtbogen Physik und Werkzeug, Großen Schweißtechnische Tagung 2, Hamburg [24] T. Kraus: Ultrafeine Partikel in Schweißrauchen wissenschaftliche Erkenntnisse und Ausblick für die Praxis. Fachvortrag 3. Arbeitsschutzkolloquium für Handwerk und Industrie, SLV Duisburg 2. [25] TRSG 9: Technische Regeln für Gefahrstoffe - Arbeitsplatzgrenzwerte. Ausschuss für Gefahrstoffe - BAuA 29. [26] Arbeitsgruppensitzung der V2.4 des DVS e. V., BG Holz und Metall, 5.4.2, Hannover. 66 DVS 275