Sondermessprogramm Ultrafeine Partikel

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1 ULTRAFEINE PARTIKEL FACHBEITRAG Sondermessprogramm Ultrafeine Partikel In zwei Messprogrammen wurden bei zehn schweißtechnischen Verfahren mit unterschiedlichen Werkstoffen umfangreiche Schadstoffmessungen durchgeführt. Ziel war es, einige Charakteristika von ultrafeinen Partikeln messtechnisch zu erfassen. Dabei wurde ergänzend die Belastung des Schweißers durch verfahrens- und werkstoffspezifische Schadstoffe erfasst. Die schweißtech-nischen Verfahren wurden von unterschiedlichen Schweißern, mit unterschiedlichen schweißtechnischen Erfahrungen und Handfertigkeiten durchgeführt. DIE AUTOREN STICHWÖRTER Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu Vorsitzende des Expertenkreises Schadstoffe in der Schweißtechnik im FBHM der DGUV, Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM), Hannover Dipl.-Ing. (FH) Roman Weiß Mitarbeiter der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM), Hannover, im Sachgebiet messtechnische Projekte Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit, Brennschneiden, Gasschweißen, Laserstrahlschweißen, Löten, Metalllichtbogenschweißen, Plasmaschneiden, Schutzgasschweißen 1 Einführung Das Thema ultrafeine Partikel beim Schweißen und bei verwandten Verfahren steht seit mehr als 10 Jahren im Fokus der Prävention und ist somit einer der Schwerpunkte bei den von der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) begleiteten und finanziell unterstützten Forschungsvorhaben auf dem Gebiet des Arbeits- und Gesundheitsschutzes in der Schweißtechnik. Nachdem im Labor mittels der Fumebox-Methode umfangreiche Untersuchungen zur Bestimmung der Charakteristika von ultrafeinen Partikeln bei schweißtechnischen Prozessen mit Erfolg abgeschlossen waren und die Ergebnisse dieser Untersuchungen Vergleiche zwischen den verschiedenen Verfahren-Werkstoff-Kombinationen ermöglichten, stellte sich die Frage nach der biologischen Wirkung der Schweißrauche auf den menschlichen Organismus. Mit dieser Frage beschäftigen sich aktuell zwei Forschungsinstitute, das ISF (Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik) der Technischen Hochschule Aachen und das IASA (Institut für Arbeitsmedizin und Sozialmedizin, Universitätsklinikum RWTH Aachen), die auch von der BGHM begleitet und finanziell unterstützt werden. Über diese Ergebnisse wird in Kürze in einem separaten Beitrag berichtet. Parallel zu diesen arbeitsmedizinischen Untersuchungen fanden messtechnische Untersuchungen in einem vom Themenfeld Schadstoffe in der Schweißtechnik speziell dafür geplanten und vom messtechnischen Dienst der BGHM durchgeführten Messprogramm statt. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der messtechnischen Erfassung und Auswertung wichtiger physikalischer Eigenschaften der ultrafeinen Partikel wie der Anzahlkonzentration und Größe. Die Messungen wurden sowohl im Atembereich des Schweißers unter Verwendung eines personentragbaren entwickelten Messgeräts als auch mit einem stationären Messsystem durchgeführt. Zudem wurden weitere Schadstoffbelastungen des Schweißers erfasst. Das Sondermessprogramm wurde mit Unterstützung der SLV Hannover durchgeführt und war in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil fand vorwiegend im Labor, der zweite Teil überwiegend in der Werkstatt der SLV statt. Die SLV Hannover stellte hierfür neben den Räumen auch das Schweißpersonal und die Werkstoffe zur Verfügung. 2 Verfahren und Werkstoffe Für die hier beschriebenen Untersuchungen kamen folgende Verfahren zum Einsatz: ABSTRACT Special measuring programme for ultrafine particles In two measuring programmes, extensive pollutant measurements were taken in ten welding technology processes with different materials. The objective was to record some characteristics of ultrafine particles using measuring technology. In this respect, the burdens on the welder due to pollutants specific to the processes and the materials were recorded in addition. The welding technology processes were carried out by different welders, with different experience and manual skills in welding technology. KEYWORDS safety at work, flame cutting, gas welding, laser welding, brazing and soldering, metal arc welding, plasma cutting, gas-shielded arc welding Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 371

2 FACHBEITRAG ULTRAFEINE PARTIKEL Bild 1 Schweißer beim Schweißvorgang (Lichtbogenhandschweißen, Messort Labor; links) und dabei eingesetzter Schweißerschutzhelm mit integrierten Probenahmeköpfen (rechts). de von der BGHM zur Verfügung gestellt und war so präpariert, dass die Probenahmeköpfe PGP-E/A, GSP und der Probenahmeschlauch vom DISCmini im Schweißerhelm integriert werden konnten. Somit waren die Probenahmen im Helm und damit im direkten Atembereich des Schweißers möglich, Bild 1. Dort, wo kein Schweißschutzhelm zum Einsatz kam (zum Beispiel beim Gasschweißen), fanden die Probenahmen ebenfalls an der Person (im Atembereich des Schweißers) statt. 4 Technische Angaben und weitere Randbedingungen 4.1a Teil 1: Labor Raum, geschlossen, V = 720 m3, Lüftungssituation: freie Lüftung, durch zwei kleine Fenster im Dachbereich; mobile Schweißrauch-Absaugung der Firma Kemper (IFA-geprüft) mit Filterkassetten für Partikel und Gase (Aktivkohle); Erfassungsgeschwindigkeit: 0,6 m/s; teilweise keine Nachführung der Absaugung; Abstand von der Schweißstelle etwa 20 cm. Es wurden vorwiegend Kehlnähte geschweißt, die Probenahmezeit betrug jeweils 45 min. Beim ersten Teil des Sondermessprogramms (Verfahren Lichtbogenhandschweißen) wurde die speziell für diese Untersuchungen gelieferte Absauganlage (Erfassung an der Entstehungsstelle) von Kemper nur mit dem Partikelfilter bestückt. Gleichzeitig waren im Labor die Dachfenster und die Tür geschlossen, somit war mit einer höheren Belastung zur rechnen, da keine Raumlüftung vorhanden war. Nach einer halbstündigen Pause wurden die Schweißarbeiten mit der nächsten Verfahren-Werkstoff-Kombination fortgesetzt. Die Partikelfilterkassette wurde durch einen Doppelfilter (auch von Kemper) für Partikel und Gase (Aktivkohle) ersetzt. Ab hier wurde die mobile Absauganlage nur in dieser Ausführung verwendet. Die Tür und die Fenster blieben auch beim zweiten Versuch geschlossen (Lichtbogenhandschweißen; unlegierter/niedriglegierter und hochlegierter Stahl, MIG-Löten mit CuSi3-Lot, auch 5 min MIG-Löten von verzinktem Stahl mit CuSi3) Die Erfassungsbedingungen entsprachen also denen beim Schweißen in engen Räumen. Es wurden 1 m lange Kehlnähte geschweißt (Verbindungsschweißen). Protokolliert wurden Strom, Spannung sowie auch die Zahl der verbrauchten Elektroden. Ab dem vierten Versuch (MIG-Schweißen von Aluminium mit Zusatzwerkstoff AlMg3) wurden zwei kleine Fenster im Dachbereich und die Tür geöffnet (freie Lüftung) und das Erfassungselement in der Mitte des Werkstücks positioniert. Dieses wurde jedoch nur teilweise mitgeführt. Die Einschaltdauer betrug zwischen 60 und 80%, also manchmal etwas mehr als im Regelfall. Die Verhaltensweise der Schweißer während der Versuche war unterschiedlich: Manche haben nach jeder Raupe die Schweißnaht gründlich gereinigt (Bürste), manche gar nicht. Beim Hartlöten wurden jeweils drei kleine Teile (Breite 30 mm, Länge 130 mm) im Überlappstoß (30 mm) gelötet. Die Länge der frei brennenden Flamme für das Anwärmen betrug 20 cm. Dies beeinflusst die Entstehung der Stickstoffoxide. Beim Löten selbst wurde nur eine 1 bis 2 cm lange Flamme benötigt. 4.1b Teil 1: Weitere Versuchsräume Plasmaschneiden von hochlegierten Chrom-Nickel- Stahl und von Aluminiumlegierungen wurde maschinell mit Absaugung über den Tisch (Schlitzabsaugung) und über eine Absaughaube in etwa 2,2 m Höhe in einem separaten Raum ( enger Raum, Raumvolumen 38,72 m3) durchgeführt. Das Plasmaschneiden der Aluminiumlegierung wurde nur 10 min lang durchgeführt. Aufgrund der erheblichen Rauchmenge, des Ausfalls der Absauganlage und des kleinen Raums wurden die Filter nach 10 min unwirksam. Gasschweißen und Brennschneiden fanden im Raum der Autogentechnik (Raumvolumen 315 m 3 ) statt. Brennschneiden wurde in einer separaten Brennschneidkabine (Volumen 6,6 m 3 ) mit Untertischabsaugung plus mobilem Absauggerät der Firma Kemper (Erfassung an der Entstehungsstelle) mit Lüftungsschacht an der Decke und Luftschlitz für die Frischluftzufuhr durchgeführt. 372 Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7

3 Lichtbogenhandschweißen, Metall-Inertgaslöten (MIG-Löten), Metall-Inertgasschweißen (MIG-Schweißen), Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen), Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen), Hartlöten, Gasschweißen, Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserstrahlschweißen. Die Palette der Werkstoffe umfasste unlegierte/niedriglegierte sowie hochlegierte Zusatz- und Stahl-Grundwerkstoffe, Kupferlote und -drähte sowie Aluminiumlegierungen. 3 Gefahrstoffe und Messgeräte Um die Belastung des Schweißers und seiner Umgebung messtechnisch zu erfassen, wurden gleichzeitig für alle Verfahren-Werkstoff-Kombinationen die nachfolgend aufgeführten Schadstoffe mit den ebenfalls genannten Geräten gemessen. 3.1 Ultrafeine Partikel Zur Bestimmung der ultrafeinen Partikel kam das personengetragene Messsystem DISCmini (Diffusion Size Classifier Miniature) zum Einsatz. Der Vorteil dieses kleinen und leichten Messgeräts besteht darin, dass die Probenahme unmittelbar im Atembereich des Schweißers durchgeführt werden kann. Damit ist eine genaue Beurteilung der persönlichen Exposition des Schweißers durch ultrafeine Partikel möglich. Der DISCmini erfasst Partikel mit einer Größe von 20 bis 700 nm, mit einer zeitlichen Auflösung von einer Sekunde. Das Messprinzip basiert auf der elektrischen Aufladung von Aerosolen. Die Partikel werden mit positiven Luftionen vermischt, die in einer Corona-Entladung erzeugt werden. Die geladenen Partikel werden danach in zwei Stufen mittels Elektrometern detektiert. Der Konzentrationsmessbereich ist abhängig von der Partikelgröße und liegt zwischen etwa 10 3 und 10 7 Partikel/cm 3. Aus den Strömen kann auf die Partikelanzahlkonzentration (Einheit 1/cm3) und den mittleren Partikeldurchmesser (Einheit nm) geschlossen werden. Die gleichzeitige Erfassung von Anzahlkonzentration und Partikelgröße ermöglicht zudem die Berechnung weiterer charakteristischer Parameter, wie die in der Lunge (Alveolen) abgeschiedene Partikeloberfläche LDSA (Lung Deposited Surface Area). Als stationäres Messsystem wurde ein FMPS (Fast Mobility Particle Sizer) verwendet, welcher in der unmittelbaren Umgebung des Schweißers positioniert wurde. Mit Hilfe des direkt anzeigenden Messgeräts können die Partikelanzahlkonzentration und die Größenverteilung der Partikel bestimmt werden. Analog zum DISCmini besteht auch hier die Möglichkeit, weitere Parameter wie Oberfläche oder Masse der Partikel überschlägig zu berechnen. Der FMPS detektiert Partikel im Größenbereich von 5,6 bis 560 nm. Die maximale zeitliche Auflösung des Messsystems beträgt ebenfalls eine Sekunde. Diese schnelle zeitliche Auflösung wird dadurch erreicht, dass die zuvor aufgeladenen Partikel in einem elektrischen Feld abgelenkt werden und auf die um den Analysator angeordneten 22 Elektrometer auftreffen. Somit werden die unterschiedlichen Größenfraktionen des Aerosols parallel vermessen. Der Konzentrationsmessbereich hängt ebenfalls von der Größe der Partikel ab und liegt zwischen etwa 300 und Partikel/cm 3. Für sehr hohe Partikelkonzentrationen kann mit Hilfe eines Verdünners der Messbereich nach oben erweitert werden. 3.2 Schweißrauche und Metalle Die Probenahme der Schweißrauche und Metalle im Atembereich des Schweißers wurde mit unterschiedlichen sammelnden Probenahmesystemen durchgeführt, die im Schweißerschutzhelm integriert waren. Zum einen erfolgten die Messungen mit dem personengetragenen System GSP-10, welches die partikelförmigen Stoffe (einatembare Schweißrauchfraktion) mit Hilfe einer Probenahmepumpe (Volumenrate 10 l/min) auf einem Filter sammelt. Die Bestimmung der Massenkonzentration und die Metallanalyse der beaufschlagten Filter wurden nach den Probenahmen im Labor des IFA (Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung DGUV) durchgeführt. Zum anderen wurde mit dem System PGP-EA-10 gemessen. Der hier verwendete Probenahmekopf ergänzt das GSP-Probenahmesystem und ermöglicht eine simultane Probenahme der einatembaren und der alveolengängigen Schweißrauchfraktion. Im Inneren des Probenahmekopfs wird das Aerosol hierzu in zwei Stufen aufgeteilt und auf einem Polyurethanschaum als größenselektives und sammelndes Element zusammen mit einem nachgeschalteten Planfilter abgeschieden. Neben den Messungen im Atembereich wurde zudem mit dem stationären Staubsammelgerät VC 25 F die alveolengängige Schweißrauchfraktion in einem Abstand von etwa 1,5 m von der Schweißrauchquelle gemessen. Diese Position im Raum wurde so ausgewählt, dass sie zur Bestimmung der allgemeinen Konzentration von Schweißrauch in der Arbeitsplatzatmosphäre geeignet ist und einen Hinweis auf die Lüftungssituation im Raum gibt. 3.3 Stickstoffoxide (NO, NO 2 ) und Ozon Aufgrund der aktuellen Grenzwertsenkungen für NO und NO 2 wurden diese Verbindungen bei allen untersuchten Schweißverfahren mit erfasst. Als stationäres Messsystem kam ein NO x -Analysator zum Einsatz. Bei einigen Schweißverfahren spielt als Leitkomponente auch das Ozon eine wichtige Rolle. Daher wurden bei den Verfahren MIG-Löten, MIG-Schweißen, WIG-Schweißen und beim Plasmaschneiden von Aluminiumlegierungen zusätzlich die Ozonbelastungen mit einem stationären Ozon-Analysator mit gemessen. Mit Hilfe von Probenahmeschläuchen wurden die Probenahmen so nahe wie möglich an der Schweißquelle durchgeführt. 3.4 Positionierung der Probenahmeköpfe im Schweißerschutzhelm Bei den meisten Schweißverfahren wurde ein Schweißerschutzhelm (Speedglas-Helm) verwendet. Dieser wur- Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 373

4 FACHBEITRAG ULTRAFEINE PARTIKEL Laserstrahlschweißen wurde in einem speziellen Laser-Raum (10 m 7 m 4,5 m) an einem Handarbeitsplatz mit einer kleinen gepulsten Nd:YAG-Laserstrahlquelle und manuell nachgeführter Absaughaube durchgeführt. In diesem Teil des Messprogramms wurde keine oder nur eine geringe Beeinflussung durch andere Schweißverfahren festgestellt. 4.2 Teil 2: Werkstatt Schweißkabine, teilweise offen, V= 14,38 m3, Schweißwerkstatt mit elf Doppelschweißkabinen, Raumvolumen 1200 m3 (zeitweise Schweißarbeiten an beiden Arbeitsplätzen), Lüftungssituation: stationäres Erfassungselement: Absauggeschwindigkeit 10 cm unter der Haube: 2,4 m/s, Absauggeschwindigkeit an der Schweißquelle: 0,1 m/s (meistens keine Nachführung des Erfassungselements); Abstand zur Schweißquelle etwa 20 cm; Absauggeschwindigkeit am Schlitz unter der Deckenhaube: 1,2 m/s ; keine freie Lüftung; Zuluft im Deckenbereich an vier Stellen; Abluft in Arbeitshöhe an siebzehn Stellen. 374 Beim zweiten Teil des Messprogramms (in der Werkstatt) wurden soweit möglich die gleichen Bedingungen bezüglich der Verfahren, der Werkstoffe, der Parameter und der Probenahmezeit eingehalten. Auch hier wurden Gasschweißen und Hartlöten in einem separaten Raum der Autogentechnik durchgeführt. 5 Messergebnisse 5.1 Teil 1: Labor und weitere Versuchsräume Tabelle 1 gibt die über die Messzeit gemittelten Werte (personengetragen und stationär) wieder. Schadstoffkonzentrationen personengetragen Bei der Betrachtung der neun durchgeführten Verfahren ist festzustellen, dass die gemittelten Anzahlkonzentrationen der ultrafeinen Einzelpartikel und Agglomerate zusammen zwischen 6,1 104 Partikel/cm3 (beim MIG-Löten von verzinktem Stahl) und 1,7 106 Partikel/cm3 (beim Plasmaschneiden von Aluminiumlegierungen) liegen. Die mittlere Partikelgröße schwankt zwischen 24 und 133 nm. Bild 2 zeigt exemplarisch einen typischen zeitlichen Verlauf der Partikelanzahlkonzentration und der mittleren Partikelgröße über die Messzeit. Auch die mit dem GSP-System gemessenen minimalen und maximalen Schweißrauchkonzentrationen (E-Frak- Tabelle 1 Ergebnisse des Messprogramms (vor allen Versuchen lag die Hintergrundbelastung zwischen und Partikel je cm3); gelb: Teil 1: Labor, blau: Teil 1: Weitere Versuchsräume. Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7

5 Bild 2 Verlauf der zeitlichen Partikelanzahlkonzentration (oben) und der mittleren Partikelgröße (unten; Lichtbogenhandschweißen, niedriglegierter Zusatzwerkstoff, Stabelektrode mit basischer Umhüllung). tionen) weisen analog zu den Partikelanzahlkonzentrationen mit weniger als 0,67 mg/m3 (beim Lichtbogenhandschweißen von hochlegiertem Stahl) und 27,6 mg/m3 (beim Plasmaschneiden von Aluminiumlegierungen) eine große Spannbreite auf. Tendenziell ist eine Wechselbeziehung zwischen der Partikelanzahl und der Masse der gesamten Schweißrauchpartikel erkennbar. Darüber hinaus findet man eine gute Übereinstimmung der mittels PGP-EA gemessenen Schweißrauchkonzentrationen mit den mit Hilfe des GSP ermittelten Werten. Bezüglich der analysierten Metalle (Mangan, Kupfer, Nickel, Chrom, die als Oxide/Mischoxide oder Chrom(VI)-Verbindungen im Schweißrauch enthalten sind), korrelieren auch deren Konzentrationen mit den jeweiligen Anteilen in den verwendeten Legierungen sowie mit den jeweiligen gesamten Schweißrauchkonzentrationen. Schadstoffkonzentrationen stationär Bei den stationären Messungen liegen die Anzahlkonzentrationen der ultrafeinen Partikel um etwa eine Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 Zehnerpotenz niedriger als im Atembereich des Schweißers. Es gab jedoch auch Situationen, etwa beim Plasmaschneiden, bei denen die Anzahlkonzentration der ultrafeinen Partikel im Atembereich höher war. Die- Bild 3 Verlauf der NOund NO2-Konzentration beim Brennschneiden 375

6 FACHBEITRAG ULTRAFEINE PARTIKEL se Ausnahmen sind unter anderem auf den engen Plasmaschneideraum, den zeitweisen Ausfall der Absauganlage und die direkte Positionierung des Probenahmeschlauchs an der Rauchquelle zurückzuführen. Die Stickstoffoxidkonzentrationen lagen erwartungsgemäß bei den Autogenverfahren und beim Plasmaschneiden, insbesondere beim Bearbeiten von Aluminiumlegierungen, am höchsten. Hier waren einerseits die in der Autogentechnik spezifischen Faktoren (Flammenlänge, Sauerstoffverbrauch, Brennergröße) und andererseits die lüftungstechnische Situation sowie die Raumgröße die wesentlichen Einflussfaktoren. Auch die gleichzeitige Ozonbildung, die sehr niedrige Werte zeigt, steht neben den oben genannten Faktoren in direktem Zusammenhang mit der Höhe der Stickstoffoxidkonzentrationen. In Bild 3 ist der Verlauf der NO- und NO2-Konzentration beim Brennschneiden dargestellt Teil 2: Werkstatt In Tabelle 2 sind die über die Messzeit gemittelten Werte (personengetragen und stationär) zusammengefasst. Schadstoffkonzentrationen personengetragen Bei fast allen durchgeführten schweißtechnischen Verfahren-Werkstoff-Kombinationen liegen die Anzahlkonzentrationen der Partikel oberhalb von 105 Partikel/cm3. Der niedrigste Wert liegt bei 0, Partikel/cm3 beim MIG-Löten, der höchste Wert wurde beim MAG-Schweißen mit Fülldraht (niedriglegiert) mit 1,1 106 Partikel/cm3 gemessen. Obwohl die Höhe der Konzentration beim Gasschweißen von 3, Partikel/cm3 dem Wert in Teil 1 entspricht, ist diese Konzentration für ein solches Verfahren mit nachweisbar sehr geringen Schweißrauchmengen als hoch zu bezeichnen. Die mittlere Partikelgröße variiert zwischen 35 und 112 nm. Tabelle 2 Ergebnisse des Messprogramms Teil 2: Werkstatt (vor allen Versuchen lag die Hintergrundbelastung zwischen und Partikel je cm3). Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7

7 Analog zum ersten Teil des Messprogramms zeigt sich für die E-Fraktion des Schweißrauchs eine gute Übereinstimmung der mit dem PGP-EA und der mit GSP ermittelten Werte. Mit Ausnahme des MIG-Schweißens von Aluminiumlegierungen, bei dem Überschreitungen der Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) für Schweißrauche nachgewiesen wurden (8,02 mg/m3 für die A-Fraktion und 11,2 mg/m3 für die E-Fraktion), liegen alle gemessenen Schweißrauchkonzentrationen deutlich unter den AGWs (zwischen etwa 0,75 mg/m3 und 1,86 mg/m3 für die AFraktion und zwischen etwa 0,75 mg/m3 und 2,67 mg/m3 für die E-Fraktion). Wie bei den Labormessungen korrelieren die Konzentrationen der analysierten Metalle, die im Schweißrauch als Oxide/Mischoxide enthalten sind, mit den jeweiligen Anteilen in den verwendeten Legierungen sowie mit der jeweiligen gesamten Schweißrauchkonzentration. Schadstoffkonzentrationen stationär Auch hier sind verfahrensbezogen die stationär gemessenen Anzahlkonzentrationen der ultrafeinen Partikel in der Regel niedriger als die im Atembereich des Schweißers. Jedoch fallen diese Unterschiede geringer aus als im Teil 1 des Messprogramms (Labor). Beim Gasschweißen ist die Partikelanzahlkonzentration sogar deutlich höher als die im Atembereich gemessene. Demgegenüber liegen die Massenkonzentrationen der alveolengängigen Fraktionen, ermittelt mit Hilfe des VC 25 F, unter der Nachweisgrenze (weniger als 0,53 mg/m2). Eine Ausnahme bildet das MIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen (2,56 mg/m3). Die gemessenen Konzentrationen der Stickstoffoxide, hier des Stickstoffmonoxids, liegen fast bei allen Verfahren über dem von der DFG in der MAK-Liste der Senatskommission publizierten Grenzwert von 0,5 mg/m3. Erwartungsgemäß liegt die Stickstoffmonoxidkonzentration beim Gasschweißen besonders hoch. Die Ozonkonzentrationen, gemessen beim MIG-Löten, MIG- und WIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen und beim WIG-Schweißen von hochlegierten Stahl, liegen unter der Nachweisgrenze (weniger als 0,002 mg/m3). Bild 4 MIGSchweißen im Labor. Bild 5 MIGSchweißen in der Werkstatt. Bild 6 Lichtbogenhandschweißen im Labor mit unterschiedlicher Positionierung des Erfassungselements; a) gute Positionierung, b) schlechte Positionierung. 6 Diskussion 6.1 Ultrafeine Partikel Bei allen Messungen der ultrafeinen Partikel zeigte sich, dass die gemittelten Anzahlkonzentrationen deutlich über der normalen Hintergrundbelastung im Raum lagen (Faktor ungefähr 3 bis 100). Anhand der Zeitverläufe ist zudem ein ungleichmäßiger Verlauf der Partikelanzahlkonzentrationen mit teilweise hohen Expositionsspitzen erkennbar. Auch die zeitlichen Verläufe der mittleren Partikelgrößen zeigen diese extremen Schwankungen. Vergleicht man die einzelnen Schweißverfahren untereinander, so wird deutlich, dass sowohl die Partikelanzahlkonzentrationen als auch die mittleren Partikelgrößen stark variieren. Im Teil 1 des Messprogramms (Labor) zeigen sich zudem teilweise erhebliche Unterschiede zwischen den stationär und personengetragen gemesse- Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 377

8 FACHBEITRAG ULTRAFEINE PARTIKEL nen Partikelkonzentrationen. Bei allen Handschweißverfahren wurden hier mit DISCmini (personengetragen) höhere Konzentrationen als mit dem FMPS (stationär) gemessen. Als Grund ist insbesondere die ungünstige Positionierung des Probenahmeschlauchs des stationären Messsystems (größerer Abstand zur Schweißquelle) zu sehen. So findet zu Beginn des Schweißvorgangs eine korrekte Messung in der Nähe der Schweißquelle statt, am Ende der Schweißnaht ist jedoch der Probenahmeschlauch des stationären Geräts zum Teil bis zu 1 m von der Schweißquelle entfernt. Auch durch die Körperposition des Schweißers mit einer teilweisen Abdeckung der Schweißrauchfahne zum FMPS hin führt zu einer nicht repräsentativen Messung, Bild 4. Dies zeigt die grundsätzliche Problematik beider stationärer Probenahmen. In Teil 2 des Messprogramms (Werkstatt), Bild 5, fallen die Unterschiede zwischen den personengetragenen und stationären Messungen deutlich geringer aus. Der Grund kann im Arbeitsplatzaufbau der Schweißkabine gesehen werden. Aufgrund der Arbeitsplatzgeometrie (Ecke) findet eine gewisse Anreicherung der Partikel statt, die von beiden Messsystemen detektiert wird. Einen wesentlichen Einfluss auf eine niedrige Partikelanzahlkonzentration hat die gute Positionierung der Absaugvorrichtung. Wird das Erfassungselement nur mittig positioniert und nicht nachgeführt, wird ein Großteil der Schweißrauche nicht erfasst. Der Schweißer kann damit nicht nur durch seine Körperposition, sondern auch durch die richtige Handhabung des Erfassungselements seine eigene Exposition positiv beeinflussen. Bild 6a und b zeigen, wie eine gute und schlechte Position der Schweißraucherfassung aussehen kann. Eine eindeutige Korrelation von der Anzahlkonzentration ultrafeiner Partikel mit der Schweißrauchkonzentration kann nicht abgeleitet werden. Bild 7 zeigt eine Gegenüberstellung von Partikelanzahlkonzentration (DISCmini) und A-Schweißrauchfraktion (Messungen hinter dem Schweißerschutzhelm). A-Schweißrauchmessergebnisse, die unterhalb der Nachweisegrenze lagen, wurden bei der Betrachtung nicht berücksichtigt. Die lineare Korrelationsanalyse ergibt einen Korrelationsfaktor von 0, Stickstoffoxide Die Betrachtung der Stickstoffoxidkonzentrationen zeigt einen deutlichen Unterschied zwischen Teil 1 und 2 der Messprogramme. Bei Teil 1 (Labor) lagen die Messwerte bei den meisten Handschweißverfahren für NO/NO 2 deutlich unterhalb der von der DFG in der MAK-Liste der Senatskommission publizierten Grenzwerte von 0,5 mg/m3. Nur beim Gasschweißen, Hartlöten, Brenn- und Plasmaschneiden wurden höhere Stickstoffoxidwerte gemessen. Hier wurden die Stickstoffoxidkonzentrationen mit Hilfe des Aktivkohlefilters der Kemper-Absauganlage reduziert. Bei Teil 2 (Werkstatt) wurden auch bei den Handschweißverfahren Stickstoffoxide nachgewiesen, die meisten Stickstoffmonoxidkonzentrationen überschritten den Grenzwert (DFG) von 0,5 mg/m3. Unabhängig von den Schweißverfahren wurde eine NO x -Grundbe- Bild 7 Vergleich der Anzahlkonzentration ultrafeiner Partikel mit der A-Schweißrauchfraktion (personengetragenes Meßsystem). 378 Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7

9 lastung im Raum gemessen. Ob dies an den weiteren Schweißarbeitsplätzen im Raum lag oder an der benachbarten Plasmaschneidanlage, konnte nicht geklärt werden. Um einen Messgerätefehler auszuschließen, wurde der NO x -Monitor nach Ende des Messprogramms mit einem Kalibriergas überprüft. Eine Abscheidung der Stickstoffoxide wie im Teil 1 des Messprogramms war hier nicht vorhanden. Eine Nachmessung in der Werkstatt ist geplant. 7 Schlussfolgerungen Zwischen den zwei Messprogrammen lagen trotz gleicher eingesetzter Verfahren, Werkstoffe, Messgeräte und Messzeiten viele Unterschiede in den Randbedingungen vor. Diese zeigten sich insbesondere bei den Räumen und beim Arbeitsplatz, der lüftungstechnischen Situation: Raumlüftung, Art der Absaugung im Entstehungsbereich, Art der Filter, der Hintergrundbelastung, der reinen Schweißzeit, der Kopfposition und Körperhaltung des Schweißers gegenüber der Rauchfahne, der Handhabung (Positionierung und Mitführung) des Erfassungselements der Absauganlage. Es ist daher im Rahmen einer weiteren Messkampagne geplant, diese Einflussfaktoren noch detaillierter herauszuarbeiten. Die ausgewerteten Ergebnisse zeigen gute Übereinstimmungen der verwendeten Messgeräte, sowohl verfahrensbezogen als auch bezüglich der Messprogramme. Überall dort, wo die Absaugung vom Schweißer richtig positioniert und wirksam war, lagen die Schweißrauchkonzentrationen generell niedrig. Trotz der niedrigen Schweißrauchkonzentrationen lagen die unter dem Schweißerschutzhelm gemessenen Anzahlkonzentrationen der ultrafeinen Partikel bei fast allen Verfahren oberhalb von 10 5 Partikel/cm3. Was diese Zahl arbeitsmedizinisch-toxikologisch bedeutet, ist derzeit noch nicht geklärt. Fakt ist, dass saubere Luft etwa 10 4 Partikel/cm3 enthält und gleichzeitig frei von den im Schweißrauch enthaltenen Metalloxiden und - verbindungen ist. Die beim Schweißen entstehenden Stickstoffoxidkonzentrationen lassen sich nur mit Hilfe eines Aktivkohlefilters verringern. Bei der Planung von lüftungstechnischen Systemen und bei der Auswahl von Lüftungsgeräten sollte auch diese Komponente mitberücksichtigt werden. DANKSAGUNG Besonderer Dank gilt der SLV Hannover, die das Sondermessprogramm ermöglicht hat, und den Kollegen des Messtechnischen Dienstes der BGHM, die die Messungen mit ihrer Erfahrung durchgeführt haben. Literatur [1] Fierz, M.: Diffusion charging for easy monitoring of integral particle metrics. Vortrag, 2. Airmontech Workshop (Barcelona/Spanien 2012), Hochschule für Technik, Institut für Aerosol und Sensorik Technologie IAST, Windisch/Schweiz, MFierz_26_April_2012.pdf. [2] Pelzer, J., u. a.: Geräte zur Messung der Anzahlkonzentration von Nanopartikeln. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft 70 (2010), H. 11/12, S. 469/77. [3] N. N.: Probenahme beim Schweißen, Schneiden und verwandten Verfahren. QM-Arbeitsanweisung, Messsystem Gefährdungsermittlung der Unfallversicherungsträger (MGU), Institut für Arbeitsschutz (IFA) der DGUV, St. Augustin [4] N. N.: Probenahmegeräte. In: IFA-Arbeitsmappe Messung von Gefahrstoffen: Probenahmegeräte und Probenahmeverfahren. Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 379