Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen

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1 Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen Angeregt durch die Diskussionen um die Festlegung eines neuen Grenzwerts für Zink und seine Verbindungen und um weitere Angaben zu Schweißrauchemissionen bei verzinkten Blechen zu gewinnen, wurde im Rahmen des Projektes Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen eine genauere Charakterisierung der dabei entstehenden ultrafeinen Partikel durchgeführt. Dazu wurden folgende drei Verfahren ausgewählt: MIG-Löten, Widerstandspunktschweißen (WPS) und CO 2. Es wurden vier verschiedene Werkstoffe eingesetzt, jeweils zwei feuerverzinkte und zwei elektrolytisch verzinkte Tiefziehbleche mit jeweils unterschiedlichen Beschichtungsdicken. Deutliche Unterschiede zwischen den Verfahrens-Werkstoff-Kombinationen wurden festgestellt. Die höchsten Werte bezüglich der Massenemissionsraten, der mittleren Partikelanzahlkonzentration und der mittleren Partikeloberflächenkonzentration treten beim MIG-Löten verzinkter Bleche auf. Beim Widerstandspunktschweißen betragen die Anteile der Partikelfraktion unter 20 nm etwa 78%, unter 50 nm etwa 95% und unter 100 nm etwa 99%. Eine wirksame Absaugung im Entstehungsbereich der Schweißrauche ist bei allen Verfahren notwendig. 1 Einleitung Seit 2009 hat die Senatskomission der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) einen Wert A (alveolengängige Fraktion) von 0,1 mg/m³ und einen Wert E (einatembare Fraktion) von 2 mg/m 3 für Zink und seine anorganischen Verbindungen in die MAK-Stoffliste [1] (MAK maximale Arbeitsplatzkonzentration) aufgenommen. Grundlage für den Vorschlag der DFG und für die Grenzwertdiskussion ist eine Zinkoxid-Humanstudie von Beckett u. a. aus 2005 [2]. Bei einer Exposition von 0,5 mg/m³ ZnO über Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University reisgen@isf.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Simon Olschok Oberingenieur am ISF, Aachen olschok@isf.rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Klaus Lenz Wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISF, Aachen lenz@isf.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu Vorsitzende des Expertenkreises Schadstoffe in der Schweißtechnik im FBHM der DGUV, Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) V.Spiegel-Ciobanu@bghm.de Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit, Zink zwei Stunden wurden hier keine Effekte festgestellt (NOA- EC = No observed adverse effect level concentration). Als abgeleiteter MAK-Wert für acht Stunden bezüglich Zn re- Determination of welding fume data and characteristic particle parameters in the case of galvanised materials Stimulated by the discussions about the stipulation of a new limiting value for zinc and its compounds and in order to obtain additional data relating to welding fume emissions in the case of galvanised sheets, the ultrafine particles arising in this respect were characterised more precisely within the framework of the project entitled Determination of welding fume data and characteristic particle parameters in the case of galvanised materials. The following three processes were selected for this purpose: MIG brazing, resistance spot welding (RSW) and CO 2 laser welding. Four different materials were utilised: two hot-dip-galvanised deep drawing sheets and two electrogalvanised deep drawing sheets with different coating thicknesses in each case. Distinct differences between the process/material combinations were established. The highest values with regard to the mass emission rates, the mean particle number concentration and the mean particle surface concentration arise during the MIG brazing of galvanised sheets. In the case of resistance spot welding, the proportions of the particle fractions are as follows: approx. 78% under 20 nm, approx. 95% under 50 nm and approx. 99% under 100 nm. In order to reduce the exposure to welding fume effectiv extraction in the aera of origin fo the welding fumes is recommended. KEYWORDS safety at work, zinc

2 sultierte daraus ein Wert von 0,1 mg/m³ A. Höhere Konzentrationen wurden nicht getestet. Der vorgeschlagene Grenzwert liegt bei der industriellen Bearbeitung verzinkter Bleche oft in der Höhe der Hallengrundbelastung. Ein Vergleich mit anderen Ländern zeigt, dass deren Grenzwerte wesentlich höher sind. Um die Beratungen des Unterausschusses III (UA III) Grenzwerte, des Ausschusses für Gefahrstoffe (AGS), zur Grenzwertdiskussion zu unterstützen nachdem man die Defizite bei dem vorliegenden Datenmaterial erkannt hatte wurde sowohl bei den betroffenen Industriebranchen als auch bei den Berufsgenossenschaften nach verschiedenen Wegen gesucht, diese Lücken abzudecken. Insbesondere in der Metallbranche sind Schweißarbeitsplätze betroffen, an denen verzinkte Werkstoffe, zum Beispiel Karosseriebleche, verschweißt werden. Neben der Auswertung von Messergebnissen zu Expositionen beispielsweise gegenüber Zinkoxid/Zinkoxidrauchen am Arbeitsplatz, die durch die Berufsgenossenschaften in Zusammenarbeit mit dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) in einem Report publiziert wird, wurden auch Forschungsvorhaben initiiert und begleitet. Diese wurden durch finanzielle Unterstützung der Berufsgenossenschaften sowie durch technische Unterstützung der Industriepartner (Unterstützung bei der Auswahl von Materialien und Festlegung der praxisbezogenen Parameter) ermöglicht. 2 Aufgabenstellung Angeregt durch die Diskussionen um die Festlegung eines neuen Grenzwerts für Zink und seine Verbindungen und um weitere Angaben zu Schweißrauchemissionen bei verzinkten Blechen zu gewinnen, wurde vom Fachbereich Holz und Metall (FBHM) Themenfeld Schadstoffe in der Schweißtechnik die Notwendigkeit gesehen, eine genauere Charakterisierung der dabei entstehenden ultrafeinen Partikel durchzuführen. Das Projekt Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen bei verzinkten Werkstoffen wurde vom Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF), Aachen, im Auftrag und mit finanzieller Unterstützung des Fachbereichs Holz und Metall der BGHM durchgeführt. Da aus dem vorangegangenen Projekt Vergleichende Untersuchungen bezüglich der Charakterisierung der ultrafeinen Partikel in Schweißrauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren [3; 4] nur wenige Werte bezüglich Emissionen zinkoxidhaltiger Schweißrauche vorhanden waren, sollten diesbezüglich weitere Erkenntnisse durch die Ermittlung von Schweißrauchdaten und Partikelkenngrößen beim Schweißen verzinkter Bleche erlangt werden. Dazu wurden folgende drei Verfahren ausgewählt: Metall-Inertgaslöten (MIG-Löten), Widerstandspunktschweißen und CO 2. Es wurden zwei feuerverzinkte und zwei elektrolytisch verzinkte Tiefziehbleche mit jeweils unterschiedlichen

3 Bild 1 Fumebox zum MIG-Löten (links), Absaughaube zum CO 2 - Laserstrahlschweißen (Mitte) und Fumebox zum Widerstandspunktschweißen (rechts). Beschichtungsdicken verwendet. Neben den Schweißrauchemissionen und der chemischen Analyse der Rauche, die auf Grundlage von DIN EN ISO [5] nach der Fume-Box-Methode erstellt wurden, sollten auch Partikelkenngrößen, wie die mittlere Partikelanzahlkonzentration und die Agglomeratanzahl-Emissionsrate, bestimmt werden. Um die festgestellten Unterschiede in den Anzahlgrößenverteilungen bei den verschiedenen betrachteten Verfahren genauer darstellen zu können, wurden zum Beispiel die Anteile der Partikelfraktionen mit einem Mobilitätsdurchmesser unter 20 nm, unter 50 nm und unter 100 nm ermittelt und weitere Kennwerte zur Beschreibung der Verteilungen, etwa der mittlere Medianwert (NMMD = number median mobility diameter), der mittlere Modalwert (Mobilitätsdurchmesser-Kanal des Fast Mobility Particle Sizer Spectrometer (FMPS), bei dem die meisten Partikel gemessen wurden) und die geometrische Standardabweichung, bestimmt. Um bei der Versuchsdurchführung den nötigen Praxisbezug zu gewährleisten, wurden die Schweißparameter an die jeweiligen Randbedingungen angepasst. 3 Werkstoffe Als Grundwerkstoffe wurden feuerverzinkte Tiefziehbleche DX51D+Z275 und HX220PD+Z100 mit jeweils 1 mm Blechdicke und elektrolytisch verzinkte Tiefziehbleche DC04+ZE50/50 mit 0,8 mm Blechdicke sowie DC01+ZE25/ 25 mit 1 mm Blechdicke verwendet. Die Bleche waren im Anlieferungszustand unterschiedlich stark beölt. Vor der Versuchsdurchführung wurden die Bleche entölt, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Beim MIG-Löten kamen als Zusatzwerkstoff Massivdrähte aus CuSi3 (ISO S Cu 6560, CuSi3Mn1) und AlBz5Ni2 (ISO S Cu 6061, CuAl5Ni2Mn) mit jeweils 1 mm Durchmesser zum Einsatz. Als Schutzgase wurden beim MIG-Löten Argon 4.6 (mindestens 99,996% Ar), beim CO 2 Helium 4.6 (mindestens 99,996% He) verwendet. 4 Experimenteller Aufbau zur Probenahme und Versuchsdurchführung Zur Ermittlung der Emissionsraten und zur Probenahme für die chemische Analyse wurden die beim Schweißen entstehenden Rauche in einer an das jeweilige Schweißverfahren angepassten Absaughaube abgesaugt und auf Filtern gesammelt, Bild 1. Für die gravimetrische Bestimmung der Emissionsraten wurden Glasfaserfilter verwendet. Für die Probenahme zur chemischen Analyse wurden die Stäube auf aschefreien Zellulosefiltern gesammelt. Die chemische Analyse erfolgte durch Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Zur Messung der Partikelkenngrößen wurde ein FMPS (Modell 3091, TSI) mit einer Verdünnungsstrecke (Faktor 20, Typ DIL 550, Topas) verwendet. Die Probenahme zur Ermittlung der Partikelkenngrößen mittels FMPS erfolgte durch einen angepassten Messkopf zur isokinetischen Probenahme. Beim MIG-Löten wurden Auftragschweißnähte auf die entölten Bleche aufgebracht. Für jede Grund-Zusatzwerkstoff-Kombination wurden drei unterschiedliche Schweißparametersätze untersucht, die, um den nötigen Praxisbezug zu gewährleisten, an die jeweiligen Einflussfaktoren angepasst wurden. Dazu zählten beim MIG-Löten beispielsweise die Blechdicke, die unterschiedliche Zinkschichtdicke, das Abschmelzverhalten der unterschiedlichen Zusatzwerkstoffe und die unterschiedlich starke Beeinträchtigung des Lichtbogens und des Plasmas durch die verdampfende Zinkschicht. Für die gewählten, an die jeweiligen Grundwerkstoff-Zusatzwerkstoff-Kombinationen angepassten Parametersätze P1 bis P3 wurden die Parameter in den folgenden Bereichen variiert: Drahtvorschubgeschwindigkeit 3,8 bis 5 m/min, Lötgeschwindigkeit 0,45 bis 1,5 m/min, Pulsfrequenz 75 bis 96 Hz, Grundstrom 25 bis 40 A, Impulsstrom 283 bis 425 A, Impulsdauer 1,8 bis 1,95 ms. Beim CO 2 erfolgte eine Schweißung auf jeweils einem einzelnen beschichteten Werkstück. Der Prozess wurde so eingestellt, dass das Blech mit 3 m/min Vorschubgeschwindigkeit vollständig durchgeschweißt wurde. Um die beim Schweißprozess entstehende Plasmafackel zu unterdrücken, wurde eine koaxiale Schutzgasdüse verwendet. Beim Widerstandspunktschweißen wurden zwei artgleiche, beidseitig beschichtete Bleche miteinander verschweißt. Die Parameter wurden in Anlehnung an DIN EN ISO [6] und ISO/TS [7] jeweils so angepasst, dass ein Punktdurchmesser von 4,5 t (t Blechdicke) erreicht wurde.

4 5 Erläuterungen zur Methodik der Charakterisierung der Schweißrauchemissionen 5.1 Massen-Emissionsraten und chemische Analyse der Schweißrauche Für die gravimetrische Bestimmung der Emissionsraten gemäß DIN EN ISO wurden beim MIG- Löten Auftragschweißraupen auf die zu untersuchenden beschichteten Bleche gelötet, die dabei entstehenden Rauche vollständig abgesaugt und auf vorher ausgewogenen Glasfaserfiltern gesammelt. Zur Bestimmung der Emissionsrate [mg/s] wurde anschließend die Masse der Filterauflage bestimmt und auf die Schweißzeit bezogen. Analog dazu erfolgte die Bestimmung der Emissionsrate beim CO 2, wobei hier die Probenbleche vollständig durchgeschweißt wurden. Die Emissionsraten wurden hierbei ebenfalls auf die Schweißzeit bezogen. Beim Widerstandspunktschweißen wurden zwei artgleiche Bleche miteinander verschweißt und die entstandenen Stäube von jeweils 300 Schweißpunkten gesammelt. Die Emissionsraten werden beim Widerstandspunktschweißen üblicherweise auf die Anzahl der Schweißpunkte bezogen und in μg/punkt angegeben. Um eine bessere Vergleichbarkeit mit anderen Verfahren zu ermöglichen, werden hier zusätzlich Emissionsraten angegeben, die auf die Schweißstromzeit bezogen und in mg/s angegeben werden. 5.2 Bestimmung von Partikelkenngrößen Die Probenahme zur Bestimmung der Partikelkenngrößen durch das verwendete FMPS erfolgte im Absaugvolumenstrom der jeweiligen Fume-Box bzw. Absaughaube. Um dabei eine isokinetische Probenahme sicherzustellen, wurden dazu entsprechend angepasste Messköpfe verwendet, durch die das FMPS mit einem Messvolumenstrom von 10 l/min Schweißrauch ansaugt. Dem FMPS wurde eine Verdünnungsstrecke mit Verdünnungsfaktor 20 vorgeschaltet. Das verwendete FMPS erfasst Partikel in einem Mobilitätsdurchmesserbereich von 5,6 nm bis 0,56 μm. Es erfasst die jeweiligen Partikel entsprechend ihres Mobilitätsdurchmessers, kann jedoch funktionsbedingt nicht unterscheiden, ob es sich bei dem Partikel um einen massiven Einzelpartikel oder um ein Agglomerat oder Aggregat aus Primärpartikeln handelt. Neben der Anzahlgrößenverteilung werden von dem Messgerät die Gesamtpartikelanzahlkonzentration in Partikel/cm³ und die Partikeloberflächenkonzentration in nm²/cm³ ausgegeben. Zur genaueren Beschreibung der unterschiedlichen Anzahlgrößenverteilungen wurden jeweils die Modalwerte, die mittleren Medianwerte und die geometrischen Standardabweichungen (GSD) bestimmt. Außerdem wurden die Anteile der Partikelfraktionen mit einem Mobilitätsdurchmesser unter 20 nm, unter 50 nm und unter 100 nm ermittelt. Aus der mittleren Partikelanzahlkonzentration [Partikel/cm³] und dem Absaugvolumenstrom [cm³/s] lässt sich durch Multiplikation eine Partikelanzahl-Emissionsrate [Partikel/s] ermitteln. Diese wurde in vorangegangenen Studien als Agglomeratanzahl-Emissionsrate bezeichnet. Dazu wurde die Annahme getroffen, dass es sich bei den mit dem Messgerät erfassten Partikeln fast ausschließlich um Agglomerate von kleineren Primärpartikeln handelt. 6 Ergebnisse Bei der Verarbeitung verzinkter Tiefziehbleche ergaben sich verfahrensbedingt bei den untersuchten drei Verfahren (MIG-Löten, CO 2 und Widerstandspunktschweißen) große Unterschiede hinsichtlich des Schweißrauch-Emissionsverhaltens. 6.1 Ergebnisse MIG-Löten Abhängig von den Versuchsbedingungen (Blech, Beschichtung, Zusatzwerkstoff und eingestellter Schweißparametersatz) wurden beim MIG-Löten Massen-Emissionsraten zwischen 1,3 und 9,1 mg/s ermittelt, Bild 2. Die Zinkschichtdicke beeinflusst dabei die Höhe der Emissionsraten. Der Zinkanteil im Lötrauch variierte zwischen 30 und 60%, Bild 2 Mittelwerte aus je fünf Messungen der Emissionsraten in mg/s beim MIG- Löten verzinkter Bleche (AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; P1 bis P3 Parametersätze der Versuchsreihe).

5 der Kupferanteil, der aus dem Zusatzwerkstoff stammt, zwischen 15 und 48%, Bild 3. Der hohe Zinkanteil im Lötrauch verdeutlicht den großen Einfluss der Zinkschicht auf das Emissionsverhalten beim MIG-Löten. Anders als beim MSG-Schweißen unbeschichteter Bleche, wo ein Großteil der Schweißrauchemissionen aus dem Zusatzwerkstoff entsteht und der Grundwerkstoff nur einen geringen Anteil ausmacht, hat beim MIG-Löten aufgrund des starken Abbrands der Oberflächenbeschichtung die Beschichtungsdicke einen großen Einfluss auf das Emissionsverhalten. Die mittlere Partikelanzahlkonzentration konnte in der Größenordnung von 0, bis 2, Bild 3 Übersicht über die chemischen Zusammensetzungen (Massenanteil in %) der Lötrauche beim MIG-Löten verzinkter Bleche (Mittelwerte; AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; P1 bis P3 Parametersätze der Versuchsreihe). Bild 4 Mittlere Gesamtpartikelanzahlkonzentration beim MIG-Löten verzinkter Bleche (AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; P1 bis P3 Parametersätze der Versuchsreihe). Bild 5 Übersicht über die Mittelwerte der Anteile der Partikelfraktionen beim MIG-Löten verzinkter Bleche (AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; P1 bis P3 Parametersätze der Versuchsreihe).

6 Bild 6 Übersicht über Emissionsraten in mg/s beim CO 2 verzinkter Bleche. Partikel/cm³ ermittelt werden, Bild 4. Somit errechnen sich die Partikelanzahl-Emissionsraten in der Größenordnung von 1, bis 9, Partikel/s. Die Zinkschichtdicke hatte einen geringen Einfluss auf die mittlere Partikelanzahlkonzentration und damit auf die Agglomerat-Anzahl-Emissionsrate. Beim MIG-Löten wurden mittlere Partikeloberflächenkonzentrationen zwischen 0, und 2, nm²/cm³ ermittelt. Diese zeigten ebenfalls eine leichte Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke der untersuchten Bleche. Die Anzahlgrößenverteilungen hatten beim MIG-Löten einen Modalwert bei einem Mobilitätsdurchmesser zwischen 100 und 150 nm. Bei dieser Partikelfraktion handelt es sich um Agglomerate aus kleineren Primärpartikeln. Der Anstieg der Anzahlgrößenverteilungen in Richtung der unteren Messgrenze des FMPS (bei 6,04 nm) lässt darauf schließen, dass die Verteilung einen zweiten Modalwert (der nicht agglomerierten Primärpartikel) unterhalb von 6 nm Mobilitätsdurchmesser besitzt. Die Partikelfraktion mit einem Mobilitätsdurchmesser unter 100 nm (Anteil der ultrafeinen Partikel) hatte einen Anteil zwischen 26 und 55%, Bild Ergebnisse CO 2 Vorversuche zum CO 2 von verzinkten Blechen zeigten, dass das Schweißrauch-Emissionsverhalten stark davon abhängig ist, wie sauber der Prozess eingestellt wird. Die beim Schweißen abdampfende Zinkschicht führt zur Bildung einer Plasmafackel, die die Einkoppelung des Laserstrahls ins Werkstück verhindert und dazu führt, dass ein Großteil der Strahlenergie beim Verdampfen des Zinkrauchs verloren geht. Eine unzureichend durch Schutzgas unterdrückte Plasmafackel kann zu starkem Anstieg der Emissionsraten bis über 15 mg/s führen. Bei der Gestaltung von Absauganlagen und der Positionierung der Absaugelemente müssen die Schutzgasströme und die Gasströme des Cross-Jets unbedingt mit berücksichtigt werden. Je nach Gestaltung des zum Schutz der Optik oft eingesetzten Cross-Jets kann dieser eventuell auch Schweißrauch ansaugen und diesen im Raum verteilen. Bei optimal eingestelltem Prozess und unterdrückter Plasmafackel war bei Durchschweißungen an Blechen derselben Dicke eine Abhängigkeit der Emissionsraten von der Zinkschichtdicke erkennbar, Bild 6. Das Unterdrücken der Plasmafackel erfolgte über durch eine koaxiale Schutzgasdüse zugeführtes Schutzgas (Helium 4.6), dabei wurde sichergestellt, dass der entstehende Schweißrauch vollständig durch die Absaugung erfasst wurde. Beim CO 2 wurden Emissionsraten im Bereich von 2,56 bis 4,97 mg/s ermittelt. Die chemische Analyse der Schweißrauche ergab Zinkanteile zwischen 37 und 50% und Eisenanteile zwischen 23 und 35%, Bild 7. Der Zinkanteil ist jeweils höher als der Eisenanteil. Folglich macht die Zinkbeschichtung einen Hauptanteil des Emissionsverhaltens aus. Bild 7 Übersicht über die chemische Zusammensetzung (Massenanteil in %) der Schweißrauche beim CO 2 verzinkter Bleche (Mittelwerte).

7 Bild 9 Mittlere Gesamtpartikelanzahlkonzentration [Partikel/cm³] beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche. Bild 8 Übersicht über die Mittelwerte der Anteile der Partikelfraktionen beim CO 2 verzinkter Bleche. Die mittlere Partikelanzahlkonzentration befindet sich mit 1, bis 2, Partikel/cm³ in einer dem MIG- Löten vergleichbaren Größenordnung. Dadurch errechnen sich Agglomeratanzahl-Emissionsraten im Bereich von 4, bis 8, Partikel/s. Für beide Werte konnte keine Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke nachgewiesen werden. Beim CO 2 wurden mittlere Partikeloberflächenkonzentrationen in der Größenordnung von 9, bis 1, nm²/cm³ ermittelt. Eine Abhängigkeit der mittleren Partikelanzahlkonzentration, der mittleren Partikeloberflächenkonzentration oder der Agglomeratanzahl-Emissionsrate von der Beschichtungsdicke ist nicht feststellbar. Die Anzahlgrößenverteilung besitzt einen Modalwert (der Agglomerate) bei Mobilitätsdurchmessern zwischen 90 und 125 nm. Der zweite Modalwert der Verteilung (der nicht agglomerierten Primärpartikel) liegt, ähnlich wie beim MIG-Löten beobachtet, unterhalb der unteren Messgrenze des FMPS von 6,04 nm. Der Anteil der Partikel mit einem Mobilitätsdurchmesser kleiner als 100 nm befand sich zwischen 40,38 und 55,16%, Bild Ergebnisse Widerstandspunktschweißen Auch beim Widerstandspunktschweißen war die Höhe der Emissionsraten stark abhängig von den verwendeten Parametern und der Zinkschichtdicke. Die durchgeführten Schweißversuche ergaben Emissionsraten im Bereich von 16,2 bis 83,7 μg/punkt bzw. bezogen auf die Schweißstromzeit 0,07 bis 0,18 mg/s. Die beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche zwischen Beschichtung und Elektrode entstehenden Oberflächenspritzer lassen sich nicht vollständig verhindern. Die Größe der Spritzer variierte von wenigen μm bis hin zu einigen Hundert μm Länge. Die Spritzer hatten zum Teil nadel- oder faserförmige Formen. In der durchgeführten Studie wurden diese Spritzer nicht weiter berücksichtigt. Der Absaugvolumenstrom wurde soweit reduziert, dass diese Spritzer nicht mehr auf die verwendeten Filter gelangten. Inwieweit diese Oberflächenspritzer gegebenenfalls eine Gefährdung für den Bediener solcher Anlagen darstellen könnten, soll in weiteren Untersuchungen analysiert werden. Beim Widerstandspunktschweißen wurden mittlere Partikelanzahlkonzentrationen zwischen 0, und 1, Partikel/cm³ gemessen, Bild 9. Für die Agglomeratanzahl-Emissionsraten ergaben sich Werte zwischen 1, und 5, Partikel/Schweißpunkt bzw. bezogen auf die Schweißstromzeit 0, bis 1, Partikel/s. Beide Werte werden offensichtlich durch die Zinkschichtdicke beeinflusst. Eine Abhängigkeit der Partikeloberflächenkonzentration von der Beschichtungsdicke war dagegen nicht nachweisbar. Die Widerstandspunktschweißversuche ergaben mittlere Partikeloberflächenkonzentrationen zwischen 0, und 1, nm²/cm³. Besonders auffällig war, dass hierbei etwa 96 bis 99% der Partikel einen Mobilitätsdurchmesser unter 100 nm aufwiesen und damit ultrafein waren, Bild 10. Dieser extrem hohe Anteil an ultrafeinen Partikeln beim Widerstandspunktschweißen machte den gravierendsten Unterschied zu den anderen untersuchten Schweißverfahren Bild 10 Übersicht über die Mittelwerte der Anteile der Partikelfraktionen beim Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche.

8 Bild 11 Übersicht über Mobili- tätsdurchmesser- Anzahlgrößenverteilungen beim MIG-Löten (AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; Parametersatz P1 der Versuchsreihe), CO 2 und Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche. Bild 12 Übersicht über Mobili- tätsdurchmesser- Anzahlgrößenverteilungen beim MIG-Löten (AlBz5Ni2 entspricht CuAl5Ni2Mn; Parametersatz P1 der Versuchsreihe), CO 2 und Widerstandspunktschweißen verzinkter Bleche. aus, bei denen der Anteil der Partikel unter 100 nm im Bereich von etwa 30 bis 60% lag. Der hohe Anteil an ultrafeinen Partikeln lässt sich wahrscheinlich damit erklären, dass beim Widerstandspunktschweißen wesentlich geringere Partikelanzahlkonzentrationen erzeugt werden. Weil dadurch weniger Partikel zur Verfügung stehen, agglomerieren diese wesentlich langsamer und bleiben somit länger ultrafein. 7 Schlussbemerkungen Die Unterschiede zwischen den verschiedenen betrachteten Verfahren bezüglich der Anzahlgrößenverteilungen sind in Bild 11 dargestellt. Beim CO 2 und MIG-Löten liegt der Modalwert der Verteilung bei einem Mobilitätsdurchmesser von ungefähr 100 nm (mittlerer Agglomeratmobilitätsdurchmesser). Der Anstieg der Anzahlgrößenverteilungen in Richtung der unteren Messgrenze des FMPS lässt für diese beiden betrachteten Verfahren auf einen zweiten Modalwert der Verteilung unterhalb von 6 nm Mobilitätsdurchmesser schließen (Fraktion der nicht agglomerierten Primärpartikel). Wird die normalisierte Partikelanzahlkonzentration auf der vertikalen Achse logarithmisch skaliert dargestellt, so sind die Unterschiede zwischen den Verteilungen beim CO 2 und MIG-Löten gegenüber dem Widerstandspunktschweißen deutlicher sichtbar, Bild 12. Ein Maximum der Anzahlgrößenverteilung im Mobilitätsdurchmesserbereich von 100 nm, wie es sich bei den Messungen zum CO 2 und MIG-Löten nachweisen lässt, ist bei den Versuchen zum Widerstandspunktschweißen nicht feststellbar. Es ist zu vermuten, dass die Partikel aufgrund der geringeren im Prozess entstehenden Primärpartikelanzahl wesentlich langsamer agglomerieren, sodass sie länger als ultrafeine Partikel vorliegen und bis zur Probenahme nicht ausagglomeriert sind.

9 Tabelle 1 Überblick über die gemessenen Partikelkenngrößen ( *) bezogen auf die Schweißstromzeit). In Tabelle 1 sind die ermittelten Partikelkenngrößen zusammengestellt, die die Unterschiede beim Emissionsverhalten zwischen den betrachteten Verfahren anhand der unterschiedlichen Größenordnungen bei den Massen- und Anzahl-Emissionsraten, den Anteilen der betrachteten Partikel-Fraktionen, der Partikelanzahl- und der Partikeloberflächenkonzentrationen verdeutlichen. Besonders auffällig ist, dass beim Widerstandspunktschweißen etwa 99% der Partikel einen Mobilitätsdurchmesser unter 100 nm aufweisen (ultrafeine Partikel) und der Modalwert der Verteilung unter 10 nm liegt. Die hohen Anteile an ultrafeinen Partikeln lassen sich vermutlich durch die geringeren Anzahlkonzentrationen erklären, die einen Einfluss auf die Agglomerationsgeschwindigkeit haben. Trotz der geringen Massenemissionsraten, die beim Widerstandspunktschweißen auftreten, sollte die Wirkung der ultrafeinen Partikel weiter untersucht werden. Die gezielte Anwendung von wirksamen Absaugsystemen, deren Erfassungselemente im Schweißrauchentstehungsbereich positioniert werden, führen zur Unterschreitung der festgelegten Arbeitsplatzgrenzwerte und somit zur Minderung der ursprünglich hohen Gefährdung durch Schweißrauche bei Verfahren mit mittleren, hohen und sehr hohen Emissionsraten. Literatur [1] N. N.: MAK- und BAT-Werte-Liste 2011: Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen und Biologische Arbeitsstofftoleranzwerte. Mitteilung 47 der DFG-Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe. Deutsche Forschungsgemeinschaft, Berlin [2] Beckett, S., u. a.: Comparing inhaled ultrafine versus fine zinc oxide particles in healthy adults A human inhalation study. American J. of respiratory and critical care medicine 171 (2005), S. 1129/35. [3] Pohlmann, G., K. Holzinger u. V.-E.Spiegel-Ciobanu: Vergleichende Untersuchungen zur Charakterisierung ultrafeiner Partikel in Rauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Teil 1: Grundlagen der Untersuchung. Schw. Schn. 64 (2012), H. 5, S. 267/74. [4] Pohlmann, G., K. Holzinger u. V.-E.Spiegel-Ciobanu: Vergleichende Untersuchungen zur Charakterisierung ultrafeiner Partikel in Rauchen beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Teil 2: Ergebnisse und Diskussionen. Schw. Schn. 64 (2012),H. 6, S. 352/62. [5] DIN EN ISO Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Laborverfahren zum Sammeln von Rauch und Gasen Teil 1: Bestimmung der Rauchemissionsrate beim Lichtbogenschweißen und Sammeln von Rauch zur Analyse (Ausgabe März 2010). [6] DIN EN ISO Widerstandsschweißen, Schweißeignung, Teil 2: Alternative Verfahren für das Bewerten von Stahlblechen für das Widerstandspunktschweißen (Ausgabe Februar 2005). [7] ISO/TS Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Schweißen und bei verwandten Verfahren Laborverfahren zum Sammeln von Rauch und Gasen Teil 6: Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Rauchen und Gasen beim Widerstandspunktschweißen (Ausgabe Juli 2012).