Strahlungsfreie WIG-Elektroden - Was gibt es für Alternativen zur WTh-Elektrode? Dipl.-Ing. Martin Zimmermann 05.02.2015 DVS BV Köln Gliederung 1. Vorstellung der Wolfram Industrie a) Firmengeschichte b) Standorte c) Produkte 2. Radioaktivität a) Begriffe und Arten b) Gefahren für Mensch und Natur c) Strahlender Alltag d) Thoriumoxid 3. Strahlungsfreie Alternativen a) WP b) WLa-Gruppe c) WCe20 d) WS2 e) Inostar 05.02.2015 DVS BV Köln 2 1
VORSTELLUNG DER WOLFRAM INDUSTRIE 05.02.2015 DVS BV Köln 3 1. Vorstellung Wolfram Industrie - Standorte Bayerische Metallwerke GmbH Leitenweg 5 85221 Dachau Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh Permanederstraße 34 83278 Traunstein Quelle: Bayerisches Staatsministerium der Finanzen, für Landesentwicklung und Heimat, http://geoportal.bayern.de/bayernatlas, zuletzt abgerufen am 12.11.2013 05.02.2015 DVS BV Köln 4 2
1. Vorstellung Wolfram Industrie - Geschichte 1911 Gründung der Wolfram Drahtfabrik GmbH in Berlin 1923 Gründung der Bayerische Metallwerke GmbH 1928 Umfirmierung der Wolfram Drahtfabrik in Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh 1943 Umzug von Berlin nach Traunstein 1954 Bau neuer Produktionsgebäude in der Permanederstraße in Traunstein 1974 Die Gesellschafterin Helga Freifrau von Cetto stirbt und Ihre Tochter Marion Freifrau von Cetto wird neue Eigentümerin 1991 Erwerb der Bayerischen Metallwerke GmbH durch Marion Freifrau von Cetto 2011 100-jähriges Bestehen der Gesellschaft für Wolfram Industrie mbh 2013 Einführung einer neuen Elektrodenlegierung (Inostar ) 05.02.2015 DVS BV Köln 5 1. Vorstellung Wolfram Industrie - Produkte BMD Wolframschwermetall (Triamet ) Wolfram-Kupfer (Tungstit ) Wolfram-Kupfer-Verbunde Wolfram-Halbzeuge WIT WIG-Elektroden Heizelemente Drähte und andere Halbzeuge aus Wolfram und Molybdän 05.02.2015 DVS BV Köln 6 3
RADIOAKTIVITÄT 05.02.2015 DVS BV Köln 7 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Radioaktivität (1) Bestimmte Nuklide haben die Eigenschaft sich von selbst, spontan, ohne äußere Einwirkung, umzuwandeln. Diese Eigenschaft nennt man Radioaktivität. Bei der Umwandlung wird Strahlung frei, die der Mensch mit seinen Sinnen nicht wahrnehmen kann. Radionuklide (1) Die Kerne radioaktiver Stoffe heißen Radionuklide. Bei den in der Natur vorkommenden Radionukliden spricht man von natürlicher Radioaktivität, bei den durch künstliche Kernumwandlung erzeugten Radionukliden von künstlicher Radioaktivität. 05.02.2015 DVS BV Köln 8 4
2. Radioaktivität Begriffe und Arten Element (1) Ein Element wird durch seine Ordnungszahl, sprich der Anzahl der in ihm enthaltenen Protonen, charakterisiert. Isotop (1) Jedes Element bildet eine von der Neutronenzahl unabhängige Isotopenfamilie. Die meisten natürlich vorkommenden und stabilen Isotope haben rund 20 % mehr Neutronen als Protonen im Kern. Stabile Elemente mit hohen Ordnungszahlen besitzen sogar bis zu 50 % mehr Neutronen. Zu Angabe eines Isotopes wird die Massenzahl (Summe von Protonen und Neutronen) an den Elementnamen angehangen, z. B. Caesium-137, Uran-234. 05.02.2015 DVS BV Köln 9 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Strahlungsarten (1) α-strahlung β-strahlung γ-strahlung Teilchenstrahlung (He-Kern) geringe Reichweite Abschirmung bereits durch ein Blatt aber mitunter deutliche Schädigung des getroffenen Materials Teilchenstrahlung (Elektron oder Positron/Proton) Reichweite: bis 10 m in Luft Abschirmung durch 4 mm dickes Aluminium hochenergetische elektromagn. Strahlung Reichweite: mehrere Meter Abschirmung durch dicke Blei- oder Wolframplatten 05.02.2015 DVS BV Köln 10 5
2. Radioaktivität Begriffe und Arten Halbwertszeit (1) Der Zeitpunkt des Zerfalls eines bestimmten Kerns lässt sich nicht vorhersagen, er ist zufällig. Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess. Man beschreibt die Abnahme der Aktivität eines radioaktiven Stoffes durch seine Halbwertszeit, die Zeit, nach der die Hälfte der Atome in einer Probe zerfallen ist. Die Halbwertszeit ist für ein gegebenes Isotop immer gleich; sie hängt nicht davon ab, wie viele Atome wir noch haben oder wie lange sie schon gelebt haben. 05.02.2015 DVS BV Köln 11 2. Radioaktivität Begriffe und Arten Exposition (2) Zeitlich begrenzter Aufenthalt in Reichweite einer radioaktiven Quelle. Das exponierte Gewebe nimmt dabei eine gewisse Strahlendosis auf. Das Abschirmen oder Entfernen der Quelle bedeutet das Ende der Exposition. Kontamination (2) Aufnahme von radioaktiven Stoffen in Kleidung, Nahrungsmitteln, und die damit verbundene Verunreinigung des Objekts. 05.02.2015 DVS BV Köln 12 6
2. Radioaktivität Begriffe und Arten Nachweis/Messung Radioaktive Strahlung wird aufgrund ihrer ionisierenden Wirkung mit folgenden Mitteln nachgewiesen: Geiger-Müller-Zählrohr Röntgenfilm/Leuchtschirme (γ-strahlung) Halbleiterdetektoren Quelle: Wikimedia Commons, Dirk Hünniger, CC-BY-SA 3.0 Quelle: Wikimedia Commons, Joergens.mi/Wikipedia, CC-BY-SA 3.0 05.02.2015 DVS BV Köln 13 2. Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Tschernobyl April 1986 Quelle: By Carl Montgomery (Flickr) CC-BY- 2.0, via Wikimedia Commons Fukushima März 2011 Quelle: Digital Globe CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons 05.02.2015 DVS BV Köln 14 7
2. Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Atombombentest Romeo Quelle: By United States Department of Energy [Public domain], via Wikimedia Commons Operation Crossroads - Baker Quelle: By U.S. Army Photographic Signal Corps [Public domain], via Wikimedia Commons 05.02.2015 DVS BV Köln 15 2. Radioaktivität Gefahr für Mensch und Natur Auftreten von Fehlbildungen und Krebs bei allen Lebewesen aufgrund der erbgutschädigenden Wirkung ionisierender Strahlen und der Langlebigkeit einiger radioaktiver Nuklide Strahlenkrankheit Schädigung von Geweben Kontamination von Böden Kontamination von Pflanzen und Tieren bei Exposition mit einer extrem hohen Dosis: Tod 05.02.2015 DVS BV Köln 16 8
2. Radioaktivität Strahlender Alltag Kernkraftwerk Grafenrheinfeld Quelle: By Avda (Own work) CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons Bananen Quelle: By Steve Hopson, www.stevehopson.com, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons jodiertes Speisesalz Quelle: APPER CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons 05.02.2015 DVS BV Köln 17 2. Radioaktivität Strahlender Alltag Kuchenplatte aus Uranglas Quelle: By Z Vesoulis CC-BY-SA- 2.5, via Wikimedia Commons Glühstrümpfe Quelle: By Arnoldius (Own work) CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons thorierte WIG- Elektroden 05.02.2015 DVS BV Köln 18 9
2. Radioaktivität Strahlender Alltag - Thoriumdioxid Aussehen/Form: geruchloses weißes Pulver Schmelzpunkt: 3390 C Siedepunkt: 4400 C Dichte: ca. 10 g cm -3 05.02.2015 DVS BV Köln 19 2. Radioaktivität Strahlender Alltag - Thoriumdioxid Nuklid Zerfall Halbwertszeit Zerfallsprodukt 232 Th α, γ 1,405 10 10 a 228 Ra β 5,75 a 228 Ac β 6,15 h 228 Th α 1,9131 a 224 Ra α 3,66 d 220 Rn α 55,6 s 216 Po α 0,145 s 212 Pb β 10,64 h 228 Ra 228 Ac 228 Th 224 Ra 220 Rn 216 Po 212 Pb 212 Bi 212 Bi β 64,06 % α 35,94 % 60,55 min 212 Po 208 Tl 212 Po α 2,99 10 7 s 208 Tl β 3,083 min 208 Pb 208 Pb 208 Pb - Stabil - Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/thorium-reihe letzter Abruf: 11.11.2013 05.02.2015 DVS BV Köln 20 10
2. Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag unterschiedliche Gefährdung der Schweißer beim Einsatz thorierter Elektroden (3): Lagerung: niedrig Anspitzen (Inhalation von Staub): hoch Schweißen (Inhalation von Rauch) : hoch hohe Gefährdung, da Partikel in Lunge/Atemapparat verbleiben und über lange Zeit Zellen schädigen nach Strahlenschutzverordnung max. zulässige effektive Dosis pro Kalenderjahr 6 msv bei nicht beruflich exponierten Personen, wie z. B. Schweißer 1) 1) Ausnahme: Arbeiter/Schweißer in einem Kernkraftwerk gelten als beruflich exponiert, zulässige effektive Dosis 20 msv/a 05.02.2015 DVS BV Köln 21 2. Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag Grenzwertüberschreitung (6 msv/a) beim Anschleifen und Wechselstromschweißen ohne Absaugung keine Grenzwertüberschreitung beim Anschleifen und Gleichstromstromschweißen kombiniert (AC+DC) ohne Absaugung: einzelne Überschreitungen möglich 05.02.2015 DVS BV Köln 22 11
2. Radioaktivität Strahlender Schweißer-Alltag Schutzmaßnahmen nach BGI 746 (3, 4): 1. Ersatz thorierter Elektroden durch thoriumfreie Elektrode 2. wenn 1. nicht möglich, dann Einsatz einer wirksamen Absaugung 3. Überprüfung der Absaugung beim AC-Schweißen 4. angepasste Körper-/Kopfhaltung des Schweißers mit dem Ziel den Schweißrauch nicht einzuatmen 5. regelmäßige Beseitigung und Entsorgung entstandener Stäube 6. Verbot von Essen, Trinken und Rauchen am Arbeitsplatz sowie konsequente Arbeitshygiene 05.02.2015 DVS BV Köln 23 STRAHLUNGSFREIE ALTERNATIVEN 05.02.2015 DVS BV Köln 24 12
3. Strahlungsfreie Alternativen - WP WP reines Wolfram Zusätze: keine Farbcode: grün Schweißgut: Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen 05.02.2015 DVS BV Köln 25 3. Strahlungsfreie Alternativen WZr8 WZr8 Zirkonoxid Zusätze: 0,8 Gew.-% ZrO 2 Farbcode: weiß Schweißgut: Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen; eingeschränkt auch Stähle (legiert/nicht legiert), Kupfer und Nickel 05.02.2015 DVS BV Köln 26 13
3. Strahlungsfreie Alternativen WCe20 WCe20 Ceroxid Zusätze: 2,0 Gew.-% CeO 2 Farbcode: grau Schweißgut: legierte Stähle sowie Nickel und -legierungen -> sehr gut geeignet nicht legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> gut geeignet bedingt für Magnesium und Aluminium 05.02.2015 DVS BV Köln 27 3. Strahlungsfreie Alternativen WLa10 WLa10 Lanthanoxid Zusätze: 1,0 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: schwarz Schweißgut: nicht legierter Stahl -> sehr gut geeignet Aluminium und Magnesium gut geeignet legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Nickel und -legierungen, Wolfram, Tantal -> bedingt geeignet 05.02.2015 DVS BV Köln 28 14
3. Strahlungsfreie Alternativen WLa15 WLa15 Lanthanoxid Zusätze: 1,5 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: gold Schweißgut: nicht legierte Stähle -> sehr gut geeignet legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Nickel- und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> gut geeignet Aluminium, Magnesium, Wolfram und Tantal bedingt geeignet 05.02.2015 DVS BV Köln 29 3. Strahlungsfreie Alternativen WLa20 WLa20 Lanthanoxid Zusätze: 2,0 Gew.-% La 2 O 3 Farbcode: blau Schweißgut: legierte Stähle sowie Nickel und legierungen, Tantal und Wolfram -> sehr gut geeignet nicht legierte Stähle, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, -> gut geeignet Aluminium und Magnesium bedingt geeignet 05.02.2015 DVS BV Köln 30 15
3. Strahlungsfreie Alternativen WS2 WS2 Seltenerdoxidmischung Zusätze: ca. 2,0 Gew.-% Seltenerdoxide Farbcode: türkis Schweißgut: (nicht) legierte Stähle, Nickel und -legierungen, Kupfer und -legierungen, Titan und -legierungen, Aluminium und Magnesium -> sehr gut geeignet Wolfram, Tantal -> gut geeignet 05.02.2015 DVS BV Köln 31 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar Inostar Seltenerdoxidmischung Zusätze: ca. 2,2 Gew.-% Seltenerdoxide Farbcode: türkis- und blaumetallic Schweißgut: Edelstähle im Bereich der Lebensmitteltechnik, Pharmazie, -> sehr gut geeignet/bevorzugt (nicht) legierte Stähle, Nickel und -legierungen, Titan und -legierungen, Wolfram, Tantal -> sehr gut geeignet 05.02.2015 DVS BV Köln 32 16
3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar Inostar im Vergleich zu WTh20 und WLa15 Bedingungen: Fronius MagicWave 5500 mit Fronius Robacta TTW4500 Schweißgut: rotierendes wassergekühltes Kupferrohr Parameter: 10 l/min Argon (4.6); Abstand: Spitze-Düse 5 mm, Spitze-Schweißgut 5 mm; 50 Zyklen à 1x 5 min @ 200 A + 10x 3 s @ 200 A; 3 s Gasvorlauf, 6 s Gasnachlauf Überwachung: Keyence VW-9000 Hochgeschwindigkeitskamera mit 15000 fps 05.02.2015 DVS BV Köln 33 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar 200 Strom [A] 100 0 0 100 200 300 400 Zeit [s] 05.02.2015 DVS BV Köln 34 17
3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar Material WTh20 WLa15 Inostar Abbrand [mg] 106 72 41 Zündverzögerungen 36,7 % 0,9 % 0,5 % Zündaussetzer 6,7 % 0,2 % 0,0 % Spitze nach 50 Zyklen Gefüge nach 50 Zyklen 05.02.2015 DVS BV Köln 35 3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar WTh20 Mittlere Leistung des Langzeitlichtbogens Maximalleistung des Lichtbogens kurz nach der Zündung 05.02.2015 DVS BV Köln 36 18
3. Strahlungsfreie Alternativen Inostar WTh20 WLa15 Inostar 541. Zündung 2. Zündung 05.02.2015 DVS BV Köln 37 3. Strahlungsfreie Alternativen - Zusammenfassung große Palette genormter und nicht genormter Elektroden zum thoriumfreien WIG-Schweißen WS2 + WLa15 -> Allround-Elektroden WLa20 -> hohe Zündfreudigkeit Inostar -> Spezialanwendungen mit hochreinen Nähten, da geringer Abbrand, bei niedrigem Energieverbrauch 05.02.2015 DVS BV Köln 38 19
QUELLEN 05.02.2015 DVS BV Köln 39 Quellen (1) Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY): Internetauftritt Physik.Begreifen (http://www.physikbegreifen.desy.de); letzter Abruf: 28.10.2013 (2) Christiane Rütten: Radioaktive Strahlung messen, c t Hardware Hacks 02/2012, Heise Zeitschriftenverlag, Hannover (3) Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu: Schweißen und Schneiden Wissen kompakt Bd. 2: Schweißrauche, DVS Media Verlag, Düsseldorf, 2013 (4) BG Information 746: Umgang mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) 05.02.2015 DVS BV Köln 40 20
Vielen Dank! Weitere Informationen http://www.wolfram-industrie.de 0861/98 79-0 21