Sicherheit im Projekt DOCK-LASER

Sicherheit im Projekt DOCK-LASER Carsten Rasmussen, Ulf Jasnau, FORCE Technology SLV M-V 1 Inhalt Das Projekt DOCK-LASER Die Gerätetechnik Vorgehensweise zur Lasersicherheit Beispiel: Messen von sekundärer Strahlung Risikoanalyse Zusammenfassung und Ausblick 2 1

Das Projekt DOCK-LASER Herausforderungen Innovation Robustes mobiles and preisgünstiges Gerät, zugeschnitten auf Werfterfordernisse Prototypen: transportable Basisstation und bewegliche Endgeräte Beherrschbare Prozesse, stabile Schweißnahtqualität 10 mm 5 mm Prozessentwicklung und statistische Prozessmodelle Großes Prozessfenster für ausreichende Flexibilität in der Anwendung Integration von Nd:YAG und High Power Fibre Laser Gleiche oder bessere Festigkeit im Vergleich zum Lichtbogenscheißen Sicheres Arbeiten bei verbesserten ergonomischen Bedingungen Qualifiziertes und erfahrenes Werftpersonal Einschweisstiefe [mm] 14 Einschweissve rsuche Ba ustahl 12 6,9 kw 10 4,0 kw 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Vorschubgeschwindigke it [m/min] Vorläufige Zulassung auf Basis statistischer Prozeßmodelle und Dauerschwingversuche Messung der Streustrahlung und Anleitung für den sicheren Einsatz Mehr als ein Jahr Tests in mehreren Werften Europaweite Nutzung nötig, um eine kritische Masse zu erreichen User Group, spezielle Veranstaltungen und EU Competence Centre 3 Das Projekt DOCK-LASER Arbeitspakete Konsortium 1 Anforderungsanalyse Anwendungsfälle für den Dockbereich auswählen 2 Prozessentwicklung Für die Anwendungsfälle relevante Prozessparameter identifizieren 3 Geräteentwicklung Lasergeräte für die Anwendungsfälle entwickeln 4 Integration und Labortests Entwickelte Geräte mit beweglicher Basisstation integrieren, Probebetrieb 6 Anwendertests, Fertigung von Prototypen Test unter Werftbedingungen 9 Tests mit HPFL Potentials des high power fibre laser ausloten 5 Qualification and safety Qualitätssicherung und Arbeitssicherheit 7 Dissemination 8 Projektmanagement Laufzeit: 09/2002 02/2006 Budget: ca. 4 Mio EUR Website: www.docklaser.com 4 2

Die Gerätetechnik Mobile Basis Station 1 mit 4 kw Nd:YAG Laser Mobile Basis Station 2 mit 10 kw Faserlaser Prototyp eines Schweißtraktors Prototyp manuell geführter Bearbeitungskopf Schweißen Prototyp manuell geführter Bearbeitungskopf Schneiden Prototyp manuell positionierbarer Heftschweißkopf 5 Die Gerätetechnik - Laserquellen - lampengepumpter Nd:YAG-Laser HL4006D von Trumpf - 40 Container klimatisiert - extra Chassis für Transport notwendig - 12m Länge und ca. 13 t Gewicht MBS 1 mit 4 kw Nd:YAG-Laser während der Werfterprobung 6 3

Die Gerätetechnik - Laserquellen - diodengepumpter Faserlaser mit 10 kw von IPG - Transportrahmen Eigenbau - verschiedene LKW für Transport geeignet - 4,6 m Länge und ca. 3,5 t Gewicht MBS 2 mit 10 kw Faserlaser während der Werfterprobung 7 Die Gerätetechnik - Traktor Prototyp mit Modul zum Schweißen von T-Stößen 8 4

Die Gerätetechnik - Traktor Prototyp mit Modul zum Schweißen von Stumpfstößen an Blechen und Sandwichverbindungen 9 Die Gerätetechnik - Handkopf Prototyp zum manuellen Laserschweißen und -schneiden in der schiffbaulichen Ausrüstung 10 5

Die Gerätetechnik Heftkopf Prototyp zum handpositionierten Heftnahtschweißen 11 Vorgehensweise Lasersicherheit - Auswertung und Dokumentation vorhandener Normen und Richtlinien, - Dokumentation des aus den Randbedingungen resultierenden Gefahrenpotentials, - Messungen der auftretenden sekundären Strahlung: - Messungen im Labor der Fa. FORCE Technology zur Auswahl und Vorbereitung der Messtechnik, - Messungen unter normalen Prozessbedingungen für alle Anwendungen mit den entwickelten Geräten, - Messungen unter worst-case Bedingungen für alle Anwendungen mit den entwickelten Geräten, - Durchführung einer Risikoanalyse mit Gefährdungsbeurteilung, - Vorstellung des Projektes auf den Werften - Ausbildung bzw. Einweisung des beteiligten Personals der Endanwender (Werften) vor und während der Werfterprobung 12 6

Vorgehensweise Lasersicherheit Messen von sekundärer Strahlung - Messtechnik Spektrometer Detektor - SM 241 Nah-Infrarot CCD Spektrometer (Hersteller: CVI-Laser) mit einem Spektralbereich von 880 nm bis 1600 nm und Detektor - Software SM32PRO und Laptop DOC KLASER 13 Messen von sekundärer Strahlung unter normalen Prozessbedingungen - Normal bedeutet, das die Laserstrahlung auf Grund des Tiefschweißeffektes zum größten Teil vom Werkstoff absorbiert wird - Messungen sowohl an Stumpfstößen als auch an T-Stößen - Detektor konnte auf mitfahrendem mechanischen Haltesystem auch orbital um den Prozess verfahren werden Gültiger MZB Wert für die Bestrahlung der Augen mit Festkörperlaser (1.064 nm): 50 W / m^2 DOC KLASER 14 7

Messen von sekundärer Strahlung unter normalen Prozessbedingungen Traktor mit mitfahrendem mechanischen Haltesystem für den ebenfalls beweglich angeordneten Detektor des Spektrometers 15 Messen von sekundärer Strahlung unter normalen Prozessbedingungen Docklaser - Tracbutt 12, 13, 17 and 18 - Rostock - 2. April 2004 Radiation at 1064 nm [W/m 2 ] 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 10 deg. 30 deg. 45 deg. 60 deg. Hybrid - butt welding Laser power = 4 kw Velocity = 1,2 m/min Detector on track system 30 degrees 10 degrees 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Time [sec] Reflektierte Strahlung beim Hybridschweißen von Stumpfnähten im Intervall 1.062,78 bis 1.065,51 nm (mitfahrender und um den Prozess orbital bewegter Detektor) 16 8

Messen von sekundärer Strahlung unter normalen Prozessbedingungen Docklaser - Tracbutt 34, 35 and 36 - Rostock - 2. April 2004 50 Fixed detector positions Radiation at 1064 nm [W/m 2 ] 45 40 35 30 25 20 15 710 mm/75 deg. 450 mm/60 deg. 280 mm/40 deg. 10 Hybrid - butt welding Laser power = 4 kw 5 Velocity = 1,2 m/min Gap = 0 mm 0 Detector moving along 0 5 10 15 20 25 30 35 with the process Time [sec] Reflektierte Strahlung beim Hybridschweißen von Stumpfnähten im Intervall 1.062,78 bis 1.065,51 nm bei drei verschiedenen Detektorpositionen (Detektor mitfahrend bei konstanten Abständen und Winkeln) 17 Messen von sekundärer Strahlung unter worst-case Bedingungen Annahme von 3 worst-case Szenarien, bei denen keine überwiegende Absorption der Laserstrahlung erfolgen kann: - Vollständiges Fehlen des auf das Gurtblech aufzusetzenden Stegblechs - Vorhandensein verschiedener Spaltweiten zwischen Gurt- und Stegblech - Schweißen mit falschen Laserparametern (geringe Laserleistung) welche nicht zum Tiefschweißen führen Messungen wurden mit feststehendem Detektor ausgeführt 18 9

Messen von sekundärer Strahlung unter worst-case Bedingungen Versuchsaufbau für Messungen unter worst-case Bedingungen, hier bei verschiedenen Spaltweiten am T-Stoß 19 Messen von sekundärer Strahlung unter worst-case Bedingungen Docklaser Test tracfillback 5-3, 5-4, 5-6 and 5-7 Meyer - week 23, 2005 140 Radiation at 1064 nm [W/m 2 ] 120 100 80 60 40 20 0,0 mm 0,7 mm 1,0 mm 1,4 mm Scenario: Tractor fillet hybrid welding in gaps Laser power: 3,0 kw. Velocity: 1500 m/min. Detector position at back of fillet weld in a distance of 0,5 m in 10 degrees from horizontal. 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Time [sec] Durchtretende Strahlung beim Hybridschweißen von T-Stößen mit unterschiedlichen Spaltweiten zwischen Gurt- und Stegblech, Detektor in einem Abstand von 500 mm und unter einem Winkel von 10 zur Horizontalen 20 10

Messen von sekundärer Strahlung - Zusammenfassung - Messwerte unter normalen Prozessbedingungen in fast allen Fällen weit unterhalb des MZB-Wertes - Höhere Werte vereinzelt bei Abstand Prozess zum Detektor < 500 mm - Messwerte unter allen worst-case Bedingungen ähnlich - es wurden Strahlungswerte über dem MZB-Wert ermittelt - bei der Risikoanalyse war deshalb besonderes Augenmerk auf mögliche worst-case Bedingungen zu legen 21 Risikoanalyse Struktur und Vorgehensweise der Risikoanalyse orientiert sich an: - pren ISO 11553-2: Safety of machinery Laser processing machines Part 2: Safety requirements for hand-held laser processing devices - FMEA - Fehler- Möglichkeits- und Einfluss- Analyse wie sie auch im Qualitätswesen verwendet wird Risikoanalyse wird in 13 Schritten durchgeführt 22 11

Risikoanalyse die 13 Schritte 1. Beschreibung Arbeitsort 2. Beschreibung Arbeitsschritt 3. Definition möglicher Risikoszenarien 4. Definition möglicher Gefährdungen/Schädigungen 5. Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Gefährdungen 6. Mögliche maximale Expositionsdauer bei Eintritt der Gefährdung 7. Mögliches Schadensausmaß bei Eintritt der Gefährdung 8. Gesamtrisiko ohne Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen - GR 9. Schutzmaßnahmen - SM 10.Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Gefährdungen mit Schutzmaßnahmen 11.Mögliche maximale Expositionsdauer bei Eintritt der Gefährdung mit SM 12.Mögliches Schadensausmaß bei Eintritt der Gefährdung mit SM 13.Gesamtrestrisiko unter Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen - GRR 23 Risikoanalyse Schritt 5 Allgemein Beispiel Traktor-Hybridschweißen Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Eintritts der Gefährdungen aus Punkt 4 anhand von 5 Faktoren; Festlegung Faktor W anhand folgender Tabelle: -Gefährdung von Auge oder Haut wegen reflektierter Strahlung mit zu hohen Strahlungswerten auf Grund der Arbeit mit falschen Laserparametern: Die Abschätzung ergibt, dass diese Gefährdung unter bestimmten Bedingungen möglich ist, Festlegung Faktor W = 3. Wahrscheinlichkeit Praktisch unmöglich Vorstellbar, aber unüblich Unter bestimmten Bedingungen möglich Kann erwartet werden Tritt ohne Zweifel ein Faktor 1 2 3 4 5 24 12

Risikoanalyse Schritt 6 Allgemein Beispiel Traktor-Hybridschweißen Abschätzung der möglichen maximalen Expositionsdauer des Geschädigten bei Eintritt der Gefährdungen aus Punkt 4 anhand von 4 Faktoren; Festlegung Faktor E anhand folgender Tabelle: Wahrscheinlichkeit 0,25 sec 10 sec Faktor 1 2 -Maximal mögliche Expositionsdauer bei Eintritt des Einwirkens reflektierter Strahlung mit zu hohen Strahlungswerten auf Auge oder Haut auf Grund der Arbeit mit falschen Laserparametern: Die Abschätzung ergibt, dass eine Expositionsdauer von maximal 10 sec möglich ist (u.a. auch wegen der dauernd durchzuführenden Prozessüberwachung), Festlegung Faktor E = 2. 100 sec 30.000 sec 3 4 25 Risikoanalyse - Schritt 7 Allgemein Abschätzung des möglichen Schadenausmaßes bei Eintritt der Gefährdungen aus Punkt 4 anhand von 5 Faktoren; Festlegung Faktor S anhand folgender Tabelle: Wahrscheinlichkeit Leichte heilbare Verletzung ohne Arbeitsausfall Vollständig heilbare Verletzung mit Arbeitsausfall Bleibender leichter Gesundheitsschaden Bleibender schwerer Gesundheitsschaden Tod Faktor 1 2 3 4 5 Beispiel Traktor-Hybridschweißen -Mögliches Schadensausmaß bei Eintritt des Einwirkens reflektierter Strahlung mit zu hohen Strahlungswerten auf Auge oder Haut auf Grund der Arbeit mit falschen Laserparametern: Die Abschätzung ergibt, dass ein bleibender schwerer Gesundheitsschaden (z.b. starke Beeinträchtigung der Sehkraft) möglich ist, Festlegung Faktor S = 4. 26 13

Risikoanalyse Schritt 8 Allgemein Beispiel Traktor-Hybridschweißen Ermittlung des Gesamtrisikos GR bei Eintritt der Gefährdungen aus Punkt 4 ohne Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen durch Multiplikation der Faktoren W, E und S - GR = W x E x S - GR = 3 x 2 x 4 - GR = 24 27 Risikoanalyse Schritt 9 Allgemein Festlegung und Beschreibung von technischen, organisatorischen und persönlichen Schutzmaßnahmen zur Verringerung des Gesamtrisikos Beispiel Traktor-Hybridschweißen - Technische Maßnahmen: z.b. Schweißen nur mit hinterlegten und geprüften Parametersätzen und Detektion von zu hoher reflektierter Strahlung durch Sensoren verbunden mit Abschaltung des Prozesses - Organisatorische Maßnahmen: z.b. nur geschultes und mit Lasertechnik vertrautes Personal einsetzen oder Zugang zum Arbeitsbereich beschränken - Persönliche Maßnahmen: z.b. Tragen von geeigneten Schutzbrillen 28 14

Risikoanalyse Schritte 10 bis 12 Erneute Abschätzung von W, E und S unter Berücksichtigung der Schutzmaßnahmen Risikoanalyse Schritt 13 Allgemein Beispiel Traktor-Hybridschweißen Ermittlung des Gesamtrestrisikos GRR bei Eintritt der Gefährdungen aus Punkt 4 unter Berücksichtigung der in Punkt 9 festgelegten Schutzmaßnahmen durch Multiplikation der neu festgelegten Faktoren W, E und S - GRR = W x E x S - GRR = 2 x 1 x 1 - GRR = 2 29 Risikoanalyse - GR(R) maximal = 100, ohne Tod GR(R) maximal = 80 - Vergleich und Bewertung von GR und GRR für jedes angenommene Risikoszenario - für den Anwendungsfall Hybridschweißen wurden 15 Szenarien betrachtet - große Bedeutung haben organisatorische und persönliche Schutzmaßnahmen - kontinuierliche Beobachtung ist Voraussetzung für den Betrieb der Geräte - die kontinuierliche Beobachtung ist eine Analogie zu anderen handgeführten Werkzeugen mit einem enormen Gefährdungspotential, z.b. Winkelschleifer 30 15

Zusammenfassung und Ausblick Bei allen Anwendungen im Projekt wurden Geräte eingesetzt, die nicht im automatischen Betrieb arbeiten. Es kann von einem Betrieb mit kontinuierlicher Überwachung durch Beobachtung ausgegangen werden. Ziel der Arbeiten zur Sicherheit bei handgeführten oder mechanisierten Geräten war und ist die Minimierung von Risiken auf ein vertretbares Niveau. Die Klassifizierung der Geräte als System der Klasse 1 war nicht das Ziel. Die Akzeptanz der Vorgehensweise bei den Werften und den Behörden im Projekt war gegeben. Kritische Situationen oder Unfälle traten im Projekt nicht auf. Eine adäquate Vorgehensweise wurde bei der Ausrüstung einer stationären Einseitenschweißstation auf einer finnischen Werft mit einem 6 kw Faserlaser erfolgreich angewandt. 31! Vielen Dank an die EU für die Förderung des Projektes!! Wir danken allen Projektpartnern und der user-group für die effektive und zielgerichtete Zusammenarbeit!!! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!! 32 16