Untersuchung der Messmethoden und Über- wachung der
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Untersuchung der Messmethoden und Über- wachung der
FACHBEITRÄGE Untersuchung der Messmethoden und Überwachung der Ozonemissionen beim Schweißen Bei fast allen modernen Lichtbogenschweißverfahren mit Schutzgas sind die Schweißer unterschiedlichen Ozonkonzentrationen ausgesetzt. Die Exposition gegenüber Ozon ist aus arbeitsmedizinischer Sicht von besonderer Bedeutung. Bei der Überschreitung einer Ozonkonzentration von 0,1 ppm in der Luft sind – abhängig von der Dosis und von der Konzentration – Wirkungen wie Hustenreiz, Atemnot, Asthma, Lungenödem möglich. Neben dieser stark giftigen Wirkung wird in neueren Studien auch über die Vermutung eines Krebs erzeugenden Potenzials für Ozon berichtet. Dieser Verdacht führte dazu, dass Ozon in die Kategorie K3 eingestuft wurde. Zur Begrenzung der Exposition von Schweißern ist daher eine Reihe von Maßnahmen erforderlich. Entsprechend dem aktuellen Stand der Vorschriften zur Arbeitssicherheit sowohl national als auch international soll die Exposition gegenüber Schadstoffen durch die Verminderung der Emissionen an der Quelle begrenzt werden. Ozonemissionen sind durch Laborverfahren zu prüfen und die Schweißparameter zu optimieren, sodass die Emissionsreduzierung erreicht wird. In diesem Zusammenhang entstand das europäische Forschungsprojekt WELD-OZONE zum Thema Ozon beim Schweißen als Verbundprojekt von fünf Partnern aus fünf europäischen Ländern: „FORCE Technology“, Dänemark, „The Welding Institute“ (TWI), Großbritannien, „Finnish Institute of Occupational Health“ (FIOH), Finnland, „Instituto de Soldadura e Qualidade“ (ISQ), Portugal, „Norddeutsche Metall-Berufsgenossenschaft (NMBG)“, Deutschland. Das Projekt hatte eine Laufzeit von 27 Monaten und wurde Mitte 2003 mit einem umfangreichen Bericht abgeschlossen. Dr.-Ing. Ernst-Otto Siegmann und Dipl.-Ing. Vilia Elena Spiegel-Ciobanu, Hannover Ziel des Projekts Das Hauptziel der Partner war die Ausarbeitung eines verbesserten europäischen Normentwurfs zur Messung der Ozonemissionsrate beim Schweißen auf der Basis eines standardisierten Prüfverfahrens. Dieser Entwurf sollte dann als Grundlage für die weitere Arbeit im europäischen Gremium CN/TC 121 dienen und ein Emissionsraten-Prüfverfahren mit nachgewiesener Korrelation zu Arbeitsplatzexpositionen sowie die Entwicklung von Produkten und Technologien ermöglichen, mit denen Ozon so gut wie praktisch möglich reduziert werden kann. Durchführung des Projekts Das Projekt enthält fünf Arbeitspakete (WP – work packages): WP 1 Kritische Literaturrecherche, Mitteilung aus der Norddeutschen Metall-Berufsgenossenschaft, Hannover. Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 WP 2 Laboruntersuchungen von Ozonemissionsraten-Messverfahren, WP 3 Ozonexpositionsmessungen von Schweißern, WP 4 Bewertung der Laborprüfverfahren und Entwicklung eines Normentwurfs, WP 5 Bewertung des neuen Prüfverfahrens in einem Ringversuch. WP 1: Kritische Literaturrecherche Bei der Literaturrecherche wurden bestehende Laborverfahren, Messtechniken und Messgeräte zum Messen der Ozonemissionen beim Lichtbogenschweißen ermittelt. Zusätzlich wurden Informationen über Ozonemissionen beim Schweißen mit unterschiedlichen Prozessen, Werkstoffen und Parametern gesammelt, mit der Zielsetzung, ein geeignetes Arbeitsprogramm für die folgenden Untersuchungen (WP 2 und WP 3) zu definieren. Die detaillierte Literaturrecherche erfolgte durch mehrere Mitarbeiter der NMBG. Es wurden mehr als 100 Referenzen untersucht. Zusätzlich wurde eine Marktumfrage zur Ermittlung der vorhandenen Ozonanalysatoren durchgeführt, um anhand deren Spezifizierungen für die Projektmessungen den am besten geeigneten auszuwählen. Messverfahren für die Ozon-Emissionsrate Die Literaturrecherche bestätigte, dass es generell zwei Verfahren zur Messung von Ozonemissionen im Labor gibt: das „Fume-Box-Verfahren“ und das „Festpunktverfahren“. Beim FumeBox-Verfahren wird die Konzentration von Ozon in einem Luftstrom gemessen, der aus der Umgebung des Lichtbogens gezogen wird. So können die Messungen als Emissionsrate (Ozonvolumen je Zeiteinheit ml/min) ausgewertet werden. Beim Festpunktverfahren werden die Ozonkonzentrationen in mg/m3 an festen Punkten um einen stationären Schweißlichtbogen mit einer geeigneten Messtechnik gemessen. Für die Messung von Ozonemissionen wurden in verschiedenen Untersuchungen unterschiedliche Ausführungen und Größen von Fume-Boxen verwendet. Grundlegend kann man die Boxen jedoch in zwei Gruppen unterteilen: kleine Boxen, die den Nahbereich um den Schweißvorgang abdecken, und große Schweißkammern, die mit einer Schweißkabine vergleichbar sind. Auf Grundlage der Ergebnisse der Recherche wurden vier EmissionsMessverfahren, zwei mit Fume-Box-Methodik und zwei mit Festpunkt-Methodik, für die Bewertung (WP 2) ausgewählt: A kleine Fume-Box (Brite box), Bild 1, B große Fume-Box (BAM box), Bild 2, C Festpunktmessungen nach EN 15011-3, D Festpunktmessungen mit UV-Zelle (in EN 15011-3 aufgeführte Möglichkeit). Das Verfahren A umfasst eine Reihe von ähnlichen Ausführungen mit kleiner Kammer und einer Haube, die für die Messung von Emissionsraten beim Schweißen verwendet werden. Das Verfahren A ist die am weitesten verbreitete Methode für das Messen der Ozonemissionsrate. 301 FACHBEITRÄGE Bild 1. Verfahren A: Prüfaufbau für die kleine Fume-Box (Auszug aus WELDOZONE Abschlussbericht). Bild 2. Verfahren B: Prüfaufbau für die große Fume-Box (Auszug aus WELDOZONE Abschlussbericht). Verfahren B verwendet große Boxen für die Ozonuntersuchung. Die Entwicklung erfolgte an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Es wurde als am geeignetsten für die Bewertung betrachtet, weil es die normalen Schweißbedingungen am besten wiedergibt. Verfahren C entstammt der gegenwärtigen Norm EN 150113. In frühen Entwürfen wurden Messungen an drei Festpunkten (FP) gefordert. Zwei Festpunkte entsprachen den Positionen, an denen sich möglicherweise der Atembereich des Schweißers und des eventuellen Hilfsarbeiters beim Schweißen befinden könnten, während der dritte Punkt sich direkt über dem Lichtbogen befand, um eine Fume-Box-Prüfung zu imitieren. In der Endfassung ist nur der Punkt, der dem Atembereich eines Schweißers entspricht, vorgeschrieben. Für das Projekt wurde jedoch entschieden, alle drei Festpunkte zu bewerten. Die UV-Zellen-Technologie wurde vor etwa fünfundzwanzig Jahren am TWI entwickelt. Im Prinzip tritt die UV-Strahlung durch ein Calciumfluoridfenster, das den Durchgang der Ozon erzeugenden Strahlung ermöglicht, in die Zelle. Die UV-Strahlung reagiert in der Zelle mit ozonfreier Luft und erzeugt Ozon, das dann wie in Verfahren C mit einem Ozonmeter gemessen wird. Für die Untersuchungen im Projekt wurde entschieden, dass sich alle Ozondaten (WP-2 und WP-3) auf die mittleren Ozonkonzentrationen während der Lichtbogenbrenndauer beziehen sollen. Dies entspricht der Ozonkonzentration während der Schweißzeiten ohne Pausen. Außerdem wurden in Übereinstimmung mit EN 10882-2 alle Expositionsmessungen hinter dem Schweißerschutzschirm durchgeführt. Messverfahren Es wurde erkannt, dass die Festlegung eines spezifischen Verfahrens zur Ozonprobenahme für die Arbeitsplatzmessungen von entscheidender Bedeutung für die Vergleichbarkeit der Ergebnisse in den Korrelationsuntersuchungen (WP 4) ist. Wegen der komplexen Bildungs- und Zersetzungsmechanismen von Ozon sind Messungen, die Schweißpausen oder Start- und Stop-Sequenzen umfassen, nicht vollständig vergleichbar. Beratungen der Partner untereinander ergaben, dass sich die Probenahmeverfahren und besonders die Probenahmedauer für Ozon-Expositionsmessungen in Europa wegen unterschiedlicher nationaler Kriterien für die Expositionsgrenzwerte unterscheiden. 302 Prüfprogramm Die Auswahlkriterien für die Kombinationen der Schweißparameter zur Prüfung der Emissionsrate (WP 2) und für die Expositionsprüfungen (WP 3) waren folgende: 첸 Die geprüften Schweißkombinationen sollten weit verbreitet und damit die Ergebnisse gut nutzbar sein. 첸 Die geprüften Schweißkombinationen sollten einen großen Bereich von Emissionsraten und Expositionen abdecken. 첸 Die gewählten Kombinationen sollten Beispiele der bekannten Ozon reduzierenden Mechanismen beinhalten, das heißt Zersetzung unter Verwendung von Schutzgasen mit einem Aktivgas, Reduzierung der Intensität von UV-Strahlung im Ozon erzeugenden Bereich, Veränderungen der Größe der Ozonfahne und der Verteilung des Ozons darin. Auf der Grundlage der durch die Literaturrecherche erhaltenen Informationen wurden die folgenden Kombinationen für die Bewertung (WP 2 und WP 3) gewählt: 첸 WIG-Schweißen mit Drahtelektroden aus hochlegiertem Stahl mit den Schutzgasen Ar, Ar/0,03% NO, Ar/2% H2 und 70% Ar/30% He; 첸 MAG-Schweißen mit Drahtelektroden aus unlegiertem Stahl, Durchmesser 1,0 mm, und den Schutzgasen 80% Ar/20% CO2, 80% Ar/20% CO2/0,03% NO, 92% Ar/8% CO2 und 75% Ar/25% CO2; 첸 MAG-Schweißen mit Drahtelektroden aus unlegiertem Stahl, Durchmesser 1,2 mm, und den Schutzgasen 80% Ar/20% CO2, 80% Ar/20% CO2/0,03% NO und 93% Ar/5% CO2/2% O2; Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 FACHBEITRÄGE 첸 MIG-Schweißen mit Drahtelektroden aus Aluminiumlegierung mit 5% Mg, Durchmesser 1,2 mm, und den Schutzgasen Ar, Ar/0,03% NO, 70% Ar/30% He und 50% Ar/50% He; 첸 MIG-Schweißen mit Drahtelektroden aus Aluminiumlegierung mit 5% Si, Durchmesser 1,2 mm, und den Schutzgasen Ar, Ar/0,03% NO, 70% Ar/30% He und 50% Ar/50% He. Neben den aufgeführten Prüfkombinationen wurden die Wirkungen der wichtigsten Schweißvariablen, Strom und Spannung, auf die Ozonemissionen untersucht (WP 2). Dies ermöglichte es, die gesammelten Daten zu den Emissionsraten neu zu bewerten, um eine direkte Vergleichbarkeit mit den vorgenommenen Expositionsmessungen (WP 3) zu erhalten. Ozonanalysatoren Die Auswahl und der Erwerb der geeigneten Ozonmessgeräte erforderten großen Aufwand. Für Ozonmessungen sind nur zwei Arten von Analysatoren mit Direktablesung verfügbar: Chemilumineszenz-Analysatoren und UV-photometrische Analysatoren. Beide haben im Allgemeinen ausgezeichnete Leistungswerte, es gibt aber einen wichtigen Unterschied: die Ansprechzeit. Chemilumineszenz-Analysatoren geben ein kontinuierliches Signal, photometrische Analysatoren dagegen Durchschnittsanzeigen über 10 bis 20 s oder mehr. Ozonanalysatoren, die mit der Chemilumineszenz-Messtechnik arbeiten, erwiesen sich als am geeignetsten für die Messung der Ozonemissionen beim Lichtbogenschweißen, weil dort schnelle Änderungen der Ozonkonzentration auftreten. WP 2: Laboruntersuchungen von Verfahren zum Messen der Ozonemissionsraten Die in der Literaturrecherche ermittelten Verfahren zum Messen der Ozonemissionsrate wurden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit, praktischen Durchführbarkeit und Reproduzierbarkeit der Labormessungen über einen großen Bereich von Schweißbedingungen untersucht. Falls erforderlich sollte das beste bzw. sollten die besten Verfahren weiter entwickelt werden, um die Korrelation mit Expositionsmessungen zu verbessern. Die erarbeiteten Daten wurden ausgewertet (WP 4). Die Prüfungen der Emissionsrate wurden von vier Partnern ausgeführt (FORCE, FIOH, TWI, ISQ). Zur Messung unter Verwendung der vier definierten Verfahren (WP 1: Schweißverfahren, Parameter und Werkstoffkombinationen) war es erforderlich, in mehreren Laboratorien die Messausrüstung zu installieren. Die Messergebnisse der Ozonemissionen in Abhängigkeit von den verschiedenen festgelegten Techniken für die Verfahren, Parameter und Werkstoffkombinationen wurden zur Bewertung zur Verfügung gestellt. Prüfprotokoll Auf der Grundlage der Ergebnisse der Literaturrecherche und der daraufhin getroffenen Entscheidungen wurde für die Messungen (WP-2) ein Formular erstellt. Dieses enthält Angaben zu Prüfanordnung, Prüfverfahren, Probenahmeverfahren, Probenahmedauer und Probenahmepositionen, die bei der jeweiligen Emissionsmessung verwendet wurden. Ein erstelltes Basisprüfprogramm Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 war in fünf Prüfreihen unterteilt. Neben Prüfungen der Emissionsrate zur Untersuchung der Übereinstimmung zwischen den Verfahren A, B, C und D erfolgte auch die Untersuchung des Einflusses der MAG-Schweißspannung auf die Ozonemissionsraten. Zusätzliche Emissionsprüfungen mit spezifischen Kombinationen der Schweißvariablen waren erforderlich, um eine Korrelation mit den Arbeitsplatzergebnissen zu ermöglichen. In Zusammenhang mit der Halbzeitbewertung wurde eine Schema für Zusatzprüfungen entwickelt. Um Kosten zu sparen, erfolgte die Verteilung bezüglich der durchzuführenden Verfahren entsprechend den vorhandenen Ausrüstungen, die im Rahmen des Projekts zusätzlich verbessert wurden. Dementsprechend wurden die Verfahren A, B und C von den Partnern FORCE und ISQ untersucht. FIOH widmete sich Verfahren A und TWI arbeitete mit Verfahren D. Ergebnisse für die Ozonemission Insgesamt erfolgten 1 164 Emissionsprüfungen unter Verwendung der vier Prüfverfahren. Für alle Prüfungen wurden Blindnahtschweißungen vorgenommen. In jeder Prüfung wurde die Ozonkonzentration über einminütiges Durchlaufschweißen gemittelt, das heißt die Schweißzeit betrug im Allgemeinen 90 bis 120 s, Startanstieg und Stopgefälle der Werte wurden ignoriert. Vor Berechnung der Emissionen wurden die abgelesenen Messwerte weiter bereinigt, entsprechend der Kalibrierung des Analysators vor und nach jeder Prüfung. Die Prüfungen bei FORCE, TWI und ISQ geschahen beim maschinellem Schweißen und mit einer Vorschubeinrichtung für die Führung des Grundwerkstoffs. Bei FIOH wurde manuell auf einer Trommel mit großem Durchmesser innerhalb der Haube geschweißt, Bild 2. Messungen der Reproduzierbarkeit Prüfungen der Reproduzierbarkeit wurden mit allen Emissionsverfahren durchgeführt, die sich aus der Datenanalyse ergeben (WP 4). Die Ergebnisse zeigten eine gewisse Abhängigkeit vom Labor, in dem die Prüfung durchgeführt wurde, sowie von der gemessenen Ozonmenge. FORCE – das erfahrenste der Labors, die die Verfahren A, B, C bewerteten – erzeugte tendenziell die am besten reproduzierbaren Ergebnisse in den Prüfungen, zu denen Vergleiche zwischen den Labors vorlagen. Größere relative Standardabweichungen traten bei geringeren Konzentrationen oder Emissionsraten von Ozon auf. Ein Vergleich der Ergebnisse aus einem Labor (FORCE), das die Verfahren A, B und C verwendete, zeigte, dass Verfahren B im Allgemeinen die niedrigste relative Standardabweichung für jede untersuchte Prozess-WerkstoffKombination ergab. Verfahren A zeigte zu Verfahren B vergleichbare Werte, die höchsten Werte wurden bei Verfahren C festgestellt. Um die beschriebene Reproduzierbarkeit mit Verfahren C zu erreichen, war es erforderlich, die Methodik gegenüber der in prEN 15011 angegebenen zu verbessern, indem die Prüfungen innerhalb einer Verkleidung durchgeführt wurden. Die relative Standardabweichung für die Prüfungen, die mit Verfahren D im TWI beim WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl durchgeführt wur- 303 FACHBEITRÄGE den, war geringer als die, die bei der Verwendung aller anderen Verfahren beschrieben wurde. Für das MIG-Schweißen von Aluminium mit 5% Si war die relative Standardabweichung von 15%, die mit Verfahren D gemessen wurde, vergleichbar mit der von FORCE mit Verfahren A erhaltene, jedoch schlechter als mit Verfahren B. Emissionsprüfungen Emissionsprüfungen wurden bereits für die meisten der Prozess-Werkstoff-Kombinationen, die für die Prüfung bestimmt wurden, durchgeführt. Wie in der Arbeitsbeschreibung geplant, wurden Prüfungen zur Untersuchung der Wirkungen von Strom, Spannung und Schutzgas auf die Ozonemissionsrate durchgeführt. Die Ergebnisse für Verfahren A und B deuten darauf hin, dass das Niveau der Gesamt-Ozonemissionsrate bei Verfahren B höher ist als bei Verfahren A, insbesondere im Bereich des feintropfigen Werkstoffübergangs. Der Grund ist höchstwahrscheinlich die unterschiedliche Größe der Schweißkammern. Bei Verfahren A wird nur das Ozon im „Nahbereich“ gemessen, während bei Verfahren B die Ozonbildung aus langwelliger UV-Strahlung einbezogen ist. Die Unterschiede in den Emissionswerten zwischen Verfahren A und B in den Bereichen des Werkstoffübergangs im Kurzschluss bzw. des feintropfigen Werkstoffübergangs unterstützten diese Hypothese, wobei der größte Unterschied im Bereich des feintropfigen Werkstoffübergangs auftritt. Die Wirkungen des Schweißstroms sind für die beiden Verfahren vergleichbar. 130 und 180 A ergaben ähnliche Emissionsraten, es folgt ein Abfall bei 200 A, bevor ein stetiger Anstieg bei 220 bzw. 280 A auftritt. Die Lichtbogenspannung hat eine starke Wirkung auf die Ozonemissionsrate, worauf beim Vergleich der Emissions- und der Expositionsdaten zur Korrelation geachtet werden muss. Eine Prüfreihe bei FIOH, bei der die größere A-Box wie in Bild 2 dargestellt verwendet wurde, zeigt, dass die Höhe des Probenahmepunkts über der Schweißstelle die Emissionsrate beeinflusst. Mit Verfahren C, dem gegenwärtigen EN/ISO 15011-3-Verfahren, unterschieden sich die Wirkungen des Stroms auf die Ozonkonzentrationen zwischen FP1 und FP3. Die in FP3 gemessenen Konzentrationen waren im Bereich des feintropfigen Werkstoffübergangs am höchsten, während im Allgemeinen in FP1 das Gegenteil der Fall war. Dadurch wird es extrem schwierig, die mit diesem Verfahren erzeugten Ergebnisse zu interpretieren. Messungen an den verschiedenen Festpunkten führen zu sich widersprechenden Schlussfolgerungen über die Wirkung der Schweißvariablen und der Ozon reduzierenden Maßnahmen. Die Ergebnisse in FP3 zeigten eine Auswirkung der Höhe des Stroms auf die Ozonbildung, die mit den Verläufen in Verfahren A und B übereinstimmte, während die Ergebnisse für FP1 mit den Ergebnissen von Verfahren A und B nicht übereinstimmten. Bei FP2, dem Festpunkt senkrecht über der Schweißstelle, wurden die Ergebnisse stark von der Emission von partikelförmigem Rauch beeinflusst. Für diesen Punkt erwies es sich als erforderlich, den Filter in der Verbindung zwischen Probenahmeeinrichtung und Analysator bei fast jeder Prüfung auszutauschen, um das Gerät erneut kalibrieren zu können. 304 Das Verfahren D wurde bisher generell noch nicht auf seine Verwendbarkeit für die in EN 15011-3 definierte Festpunktmethodik überprüft. Vorprüfungen zur Untersuchung der Eignung der Messpositionen und der Feststellung der vorteilhaftesten Position für den Detektor waren deshalb erforderlich und wurden durchgeführt. Die Voruntersuchungen zeigten, dass es bei Verwendung der bei TWI hergestellten UV-Zelle nicht möglich sein würde, beim WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl die in EN 15011-3 festgelegten Messpositionen zu verwenden. Die gemessenen Ozonkonzentrationen waren zu niedrig, um praktisch nutzbar zu sein und es war eine Messposition erforderlich, die sehr viel näher am Lichtbogen liegt (5 cm horizontal vom Lichtbogen entfernt). Beim MIG-Schweißen mit Drahtelektroden aus Aluminiumlegierung mit 5% Si ergaben sich geeignete Ozonkonzentrationen an dem Messpunkt aus EN 15011-3, der am dichtesten am Lichtbogen lag (25 cm ҂ 25 cm). Das Schweißen mit dieser Legierung ergab jedoch deutlich höhere Ozonwerte als mit anderen ProzessWerkstoff-Kombinationen, bei denen eine dichtere Detektorposition erforderlich war. Leider lagerten sich beim MIG-Schweißen bei einer dichteren Position häufig Schweißspritzer auf dem Detektorfenster ab, wodurch ein Kompromiss für die Detektorposition (15 cm ҂ 15 cm vom Lichtbogen entfernt) zwischen der Idealposition für das Messen der Ozonkonzentrationen und der Idealposition zur Vermeidung von Spritzern erforderlich wurde. Danach wurden Prüfungen zur Messung der Ozonemissionen mit Verfahren D an den zuvor beschriebenen vorteilhaftesten Positionen bei jedem Schweißverfahren durchgeführt. Eine Detektorposition, die für alle Prozess-Werkstoff-Kombinationen geeignet ist, ließ sich jedoch nicht erzielen. Praktische Betrachtungen Aus praktischer Sicht haben die Verfahren A und B gezeigt, dass sie weniger zeitaufwändig sind als das Verfahren C. Bei Verfahren C war es notwendig, Messungen an drei Stellen durchzuführen, wohingegen bei den Verfahren A und B nur eine Messung notwendig war. Nur einer der Messpunkte aus Verfahren C (Festpunkt 1) ist in der Schlussfassung von EN 15011-3 normativ. Bei diesem Punkt gab es jedoch tendenziell die schlechteste relative Standardabweichung, und die Ergebnisse stimmen nicht mit denen der Verfahren A und B überein. Ebenfalls ist derzeit nur ein Messpunkt für das Verfahren D normativ. Praktische Überlegungen ergaben jedoch, dass der in der Norm definierte Messpunkt für Verfahren D nicht verwendet werden kann. Auch lässt sich nicht ein und derselbe Festpunkt für alle Prozess-Werkstoff-Kombinationen verwenden. Deshalb ist es schwierig, die Emissionen aus verschiedenen Verfahren direkt zu vergleichen. Das Kalibrieren und das Probenahmeverfahren zeigten sich für die Durchführung von Ozonmessungen von Bedeutung. Die Ablagerung von Schweißrauch in der Probenahmeeinrichtung und auf dem Schutzfilter im Ozonanalysator machten es erforderlich, das System nach jeder Prüfung erneut zu kalibrieren. Es war wichtig, dass das System vor dem Kalibrieren und der Messung mit Ozon vorbehandelt wurde. Der Schutzfilter musste regelmäßig gewechselt werden, insbesondere wenn nach dem Verfah- Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 FACHBEITRÄGE ren C beim MIG/MAG-Schweißen Messungen am Festpunkt 2 durchgeführt wurden. Es zeigte sich, dass die verlässliche Messung von Strom und Spannung problematisch war, insbesondere beim Schweißen mit modernen Stromquellen. Dieser Aspekt gilt für alle Prüfverfahren, muss aber bei einer standardisierten Ozonmessung angesprochen werden. Weiterhin hat sich die Spezifizierung der Entfernung Werkstück–Stromkontaktrohr als sehr wichtig für die erzeugte Ozonmenge erwiesen. Aus den aufgeführten Betrachtungen ergibt sich, dass die Verfahren A und B wahrscheinlich das ausgewogenste Verhältnis zwischen der Reproduzierbarkeit der Messungen und der praktischen Anwendbarkeit bieten. Zu berücksichtigen ist, dass die BBox groß ist und ihre Aufstellung mehr Platz erfordert als die Einrichtungen anderer Verfahren. Es wurden zahlreiche wichtige Beobachtungen für die Normung der Messung der Ozonemissionsrate gemacht, zum Beispiel zu Anforderungen an die Stabilität der Schweißvorrichtung (Änderungen des Kontaktabstands) und an die Aufzeichnung von Strom und Spannung. Parallelmessungen von Schweißstrom und Schweißspannung mit verschiedenen Arten von Messgeräten haben ergeben, dass die Messung im Zusammenhang mit modernen Schweißstromquellen ein Problem darstellt. Verschiedene Messprinzipien – mit kalibrierten Geräten – können zu Unterschieden führen, die die Vergleichbarkeit der Ozonmessergebnisse beeinträchtigen. 2 war, wurden die erzeugten Ergebnisse direkt dazu genutzt, die Wirkungen von Schweißparametern wie Strom und Schutzgas sowie die Wirkungen der Lüftung auf die Exposition gegenüber Ozon zu untersuchen. Die Arbeit in WP 3 umfasste: 첸 Ermittlung von Arbeitsplätzen für Expositionsmessungen, 첸 Prüfprotokoll und Berichtsformular für Expositionsmessungen, 첸 Arbeitsplatz-Expositionsmessungen, 첸 Labor-Expositionsmessungen. Ermittlung von Arbeitsplätzen für Expositionsmessungen Alle Partner nahmen zu Schweißfirmen Kontakt auf, um Arbeitsplätze für die vorgesehenen Messungen zu finden und die Genehmigung zur Durchführung der Messungen zu erhalten. Zahlreiche Firmen in den Partnerländern erteilten die Genehmigung. Es wurde jedoch wiederholt festgestellt, dass es schwierig war, Arbeitsplatzsituationen zu finden, die im Detail mit den im WP 2-Programm entwickelten Kombinationen übereinstimmen. Daher wurde die Durchführung von Expositionsmessungen sowohl an Arbeitsplätzen als auch unter Laborbedingungen festgelegt. WP 3: Ozonexpositionsmessungen bei Schweißern Prüfprotokoll und Berichtsformular für Expositionsmessungen Für die Expositionsmessungen wurden ein Prüfprotokoll, das die Messmethodik definiert, und ein Berichtsformular zur Sicherstellung der Einheitlichkeit der aufgezeichneten Parameter erstellt. Im Laufe der Prüfung wurde das Protokoll zur Verbesserung der Datenerfassung in Übereinstimmung mit den bei den Messungen gewonnenen Erfahrungen überarbeitet. Mit den in der Literaturrecherche ermittelten Schweißkombinationen war die Exposition gegenüber Ozon zu messen, entweder in Arbeitsplatzsituationen oder im Labor an sorgfältig überwachten Simulationen von Tätigkeiten am Arbeitsplatz. Die Daten mussten, soweit möglich, unter Anwendung der bewerteten Prozesse, Werkstoffe und Schweißbedingungen (WP 2) gesammelt werden. WP 2 und WP 3 wurden gleichzeitig durchgeführt und Korrelationen wurden überprüft. Auch hier wurden die erzielten Daten zur Auswertung weitergeleitet (WP 4). Bei der Planung der Expositionsmessungen stellte sich heraus, dass es schwierig sein würde, die beim Schweißen an Arbeitsplätzen verwendeten Verfahren-Werkstoff-Kombinationen, genau mit den bei den Emissionsmessungen ausgewerteten Kombinationen abzugleichen. Daher wurde beschlossen, bei Expositionsmessungen am Arbeitsplatz nur solche Kombinationen zu bewerten, deren Anwendung allgemein üblich ist. Die Expositionsmessungen im Labor wurden unter simulierten Arbeitsplatzbedingungen durchgeführt. Im zweiten Fall war es möglich, die ausgewerteten Kombinationen sorgfältig zu kontrollieren, sodass sie weitgehend mit den in den Emissionsprüfungen verwendeten Kombinationen übereinstimmten. Insgesamt wurden fast 900 Expositionsmessungen durchgeführt. Ungefähr 600 Expositionsmessungen am Arbeitsplatz wurden in Deutschland, Finnland und Großbritannien vorgenommen. Im Labor des TWI wurden 300 Expositionsmessungen durchgeführt. Obwohl die Hauptaufgabe von WP 3 das Erzeugen der Expositionsdaten für die Korrelation mit den Emissionsdaten von WP Arbeitsplatz-Expositionsmessungen Die Expositionsmessungen wurden entsprechend dem in EN ISO 10882-2 definierten Protokoll durchgeführt. Die Messungen erfolgten im Atembereich des Schweißers hinter dem Schutzschild. Es wurde aber entschieden, dass die Exposition nur während der Lichtbogenbrenndauer gemessen werden sollte, weil es nicht möglich sein würde, die Veränderungen der Lichtbogenbrenndauer, das heißt den Schweißzyklus, zu berücksichtigen. In den meisten Fällen wurden die Messungen für kontinuierliche Lichtbogenbrenndauern von mindestens 1 min durchgeführt. Die Expositionsmessungen am Arbeitsplatz umfassten acht Schweißprozesse, und die Probenahme wurde in 138 verschiedenen Schweißsituationen vorgenommen. Die Arbeitsplatzmessungen wurden sowohl als Einzel- als auch als gepaarte Prüfungen durchgeführt. Dadurch konnten die Auswirkungen unterschiedlicher Variablen, insbesondere unterschiedlicher Schutzgase, direkt überprüft und mit den Ergebnissen aus den Emissionsmessungen verglichen werden. Beim Schweißen einer Aluminiumlegierung mit 5% Mg zeigte sich, dass das Argon/75%-Helium-Gemisch verglichen mit den anderen Gasen die Ozonexposition reduzierte, es aber nicht möglich war, einen Unterschied zwischen den Auswirkungen der anderen Gase zu finden. Weiter wurden die Auswirkungen von Argon und Schutzgasen mit 0,03% NO beim Schweißen mit einigen Kombinationen von Verfahren und Legierungen unter Anwendung von „t-Prüfungen“ von gepaarte Proben untersucht. Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 305 FACHBEITRÄGE Aus diesen Ergebnissen kann keine signifikante Ozonreduzierung durch die NO-Beimischung gegenüber reinem Argon abgeleitet werden. Labor-Expositionsmessungen Die Labor-Expositionsmessungen wurden innerhalb einer Verkleidung vorgenommen, um Interferenz durch Zugluft zu vermeiden. Es wurde maschinell mit einer Vorschubeinrichtung geschweißt, was eine größere Reproduzierbarkeit sicherstellte als beim manuellen Schweißen. Das Schweißen erfolgte in Wannenposition (der üblichsten Schweißposition) auf Prüfstücken aus unlegiertem Stahl, hochlegiertem Stahl oder einer Aluminiumlegierung, und dauerte ungefähr 1,5 min. Beim Schweißen behielt der Schweißer mit seinem Kopf eine festgelegte Position bei, die der in EN 15011-3 definierten Position 25 cm ҂ 25 cm vom Lichtbogen entfernt entsprach. Die Ozonkonzentrationen wurden nach dem in EN ISO 10882-2 beschriebenen Probenahmeverfahren gemessen. Die während der Lichtbogenbrenndauer aufgezeichnete Ozonkonzentration wurde ausgewertet. Jede Bestimmung bestand aus mindestens fünf Prüfungen. Die Reproduzierbarkeit der Verfahrenstechnik war allgemein gut, mit einzelnen Ausnahmen. Die Labor-Expositionsmessungen waren von besonderem Nutzen für das Projekt, weil dabei die Kontrolle aller Parameter ermöglicht wurde. WP 4: Bewertung der Laborprüfverfahren und Entwicklung eines Normentwurfs WP 4 umfasste die Untersuchung der Korrelation zwischen den von WP 2 gelieferten Emissionsmessungen und den Expositionsmessungen von WP 3. Die Auswirkungen von Schweißvariablen wie Strom, Spannung und Schutzgas auf die Emissionen und Expositionen wurden ebenfalls untersucht. Die Hauptaufgabe von WP 4 war der Entwurf einer neuen Norm für das Messen von Ozonemissionen im Labor, mit einer guten Korrelation zwischen den erfolgten Emissionsmessungen und der Exposition gegenüber Ozon am Arbeitsplatz, sowie die Vorlage dieser Norm bei CEN/TC121/SC9 zur Zustimmung. Die Arbeit umfasste verschiedene Aufgaben: 첸 Auswertung der Messungen von WP 2 und WP 3 in Bezug auf Qualität der Daten und Festlegung von Bereichen, in denen zusätzliche Prüfungen für die Korrelationsuntersuchungen erforderlich waren (Lückenfüllen), 첸 Untersuchungen zur Bewertung der Auswirkungen von Parametern wie Schutzgas, Strom und Spannung auf Emissionen und Exposition, 첸 Untersuchungen der Korrelation zwischen Emissionen und Laborexpositionen und zwischen Emissionen und Arbeitsplatzexposition zur Festlegung des Emissionsverfahrens mit der besten Korrelation mit den Expositionsmessungen. Auswirkungen von Parametern auf Ozonemissionen und Ozonexposition Beim Schweißen von Aluminiumlegierungen entstanden im Allgemeinen die höchsten Ozonemissionsraten, insbesondere, wenn Schweißzusatzwerkstoffe mit 5% Si verwendet wurden. 306 MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl ergab die zweithöchsten Ozonwerte, während die Emissionsraten beim MAG-Schweißen von hochlegiertem Stahl niedriger waren als bei unlegiertem Stahl. WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl ergab die niedrigsten Emissionsraten. Des Weiteren zeigten die Messergebnisse, dass sowohl Schweißstrom und -spannung als auch die Art des Werkstoffübergangs eine deutliche Auswirkung auf die Ozonemissionsrate haben und dass die Schutzgasart einen geringeren, aber immer noch deutlichen Effekt zeigte. Im Allgemeinen trat ein Anstieg der Ozonemissionen bei höheren Stromstärken und bei höheren Spannungen auf, und der feintropfige Werkstoffübergang erzeugte mehr Ozon als der Werkstoffübergang unter Kurzschluss. Beim MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl wurde beobachtet, dass Schutzgase mit höheren Konzentrationen an Kohlendioxid und Gase mit geringen Zusätzen von NO die Ozonemissionen reduzierten. Beim Schweißen von hochlegiertem Stahl war die Wirkung des Schutzgases auf die Ozonemissionen weniger deutlich. Geringe Zusätze von NO verringerten die ohnehin niedrige Emissionsrate weiter. Beim MIG-Schweißen von Aluminium ergaben Argon-Helium-Schutzgasgemische im Allgemeinen eine Verminderung des Ozons. Der Vorteil des NO-Zusatzes trat vorwiegend bei der Werkstoffübertragung unter Kurzschluss auf. Die geringsten Ozonemissionsraten beim WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl wurden mit den Schutzgasen Argon/Helium und Argon/Wasserstoff erzielt. Je nach Methodik und Menge der gesammelten Daten ergaben sich zunächst widersprüchliche Ergebnisse: Bei der Bewertung der Wirkungen von verschiedenen Schutzgasen auf die Ozonemissionen beim MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl mit den Verfahren A und B wurden Prüfungen bei fünf Schweißstromstärken durchgeführt. Die Emissionsraten blieben bei niedrigen Stromstärken gleich, fielen dann aber bei 200 A wieder ab, um anschließend bei höheren Amperezahlen anzusteigen. Diese detaillierte Auswirkung wäre nicht erkannt worden, wenn weniger Prüfungen durchgeführt worden wären als mit dem Verfahren C. Korrelation von Emissions- und Expositionsdaten Für alle vier Emissionsverfahren wurde die Korrelation zwischen Ozonemission und Exposition untersucht, weiterhin auch die Korrelation zwischen Laborexpositionsdaten und Arbeitsplatzexpositionsdaten. Vor der abschließenden Korrelationsuntersuchung erfolgten zusätzliche Prüfungen der Emissionsrate, um die vorhandenen Daten zu untermauern. Die Emissionsrate und die Expositionsdaten wurden auf zweierlei Weisen untersucht: 첸 Die Verfahren A, B, C (FP1, FP2 und FP3) und D wurden mit den Laborexpositionsdaten verglichen. 첸 Die Expositionsdaten am Arbeitsplatz mit den Verfahren A, B, C (FP1, FP2 und FP3) wurden ausschließlich mit den Laborexpositionsdaten verglichen. Als Erstes wurde untersucht, ob zwischen Emissionsrate und Exposition eine lineare Beziehung besteht. In den meisten Fällen war die Beziehung näherungsweise linear. Im zweiten Schritt erfolgte die Betrachtung der Korrelation zwischen den verschiedenen Verfahren und der Exposition. Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 FACHBEITRÄGE Als Drittes wurde die Streuung der Daten um die Regressionskurve, die Rest-Standardabweichung (Residual Standard Deviation, RSD) untersucht. Dieser Faktor, der der Unsicherheit bei der Vorhersage der Exposition aus Emissionsdaten Rechnung trägt, scheint stringenter als die Korrelationsprüfung zu sein. Eine statistische Untersuchung der Korrelationskoeffizienten unter Annahme einer bivarianten Normalverteilung der Ergebnisse zeigte, dass die Werte für die Verfahren C (FP2) und D deutlich niedriger lagen als bei den anderen Verfahren, dass die anderen Verfahren sich jedoch nicht deutlich unterschieden. Vergleiche der Rest-Standardabweichungen führten zum Ausschluss des Verfahrens C (FP1). Die verbleibenden drei Verfahren A, B, C (FP3) liegen in ihren Ergebnissen jedoch dicht beieinander. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: 첸 Die Untersuchungen der Korrelation zwischen Laborexposition und Expositionsrate deuten darauf hin, dass das Verfahren D für die Vorhersage der Ozonexposition am wenigsten geeignet ist. 첸 Die Untersuchungen der Korrelation zwischen Arbeitsplatzexposition und den verschiedenen Verfahren ergaben einen starken statistischen Beweis dafür, dass Verfahren C weniger reproduzierbar war als die anderen Verfahren. 첸 Die Messungen der Arbeitsplatzexposition ergaben eine schlechtere Korrelation mit der Laborexposition als mit Verfahren A bzw. B. Diese Unterschiede waren jedoch statistisch nicht zwingend (auf dem 5%-Niveau). Die aufgeführten Ergebnisse ergeben insgesamt einen Vorteil der Verfahren A und B bei der Messung der Emissionsrate. Beide zeigten einen ähnlichen Grad der Übereinstimmung mit den Messungen der Ozonexposition. Normentwurf zur Vorlage bei CEN Es wurde beschlossen, die Verfahren A und B in Ringversuchen zu testen. Dabei sollte jedoch in erster Priorität Verfahren A untersucht werden, weil dieses aus praktischen Gründen Verfahren B vorzuziehen ist. Es ist einfacher durchzuführen, benötigt weit weniger Laborplatz und erfordert nur geringen apparativen Aufwand. WP 5: Ringversuche Die Hauptaufgaben in WP 5 waren die Planung und Durchführung der Ringversuche, um Informationen zur Durchführbarkeit und Reproduzierbarkeit der beiden Verfahren zu liefern, bevor das Verfahren für die Normung endgültig festgelegt wurde. Nach Bewertung der Ergebnisse der Korrelationsuntersuchungen, der Reproduzierbarkeit und Praktikabilität der verschiedenen Verfahren wurde beschlossen, dass Verfahren A und B die beste Wahl für eine Methodik zur Prüfung der Emissionsrate beim Schweißen sind. Da es keine entscheidenden Unterschiede zwischen den Leistungen dieser beiden Verfahren gab, wurden beide Verfahren für weitere Untersuchungen in Ringversuchen ausgewählt. Schließlich wurde nach den Ringversuchen und mit geringfügigen Änderungen der ursprünglichen Verfahrensweise beschlossen, die geplante Norm mit dem verbesserten Verfahren A 308 zu erstellen. Nach Verteilung und Zustimmung durch alle Teilnehmer am Projekt WELD-OZONE wurde der Normentwurf fertig gestellt. Prüfprotokoll und Prüfprogramm für die Ringversuche Für die Ringversuche wurden ein Prüfprotokoll und ein Prüfprogramm festgelegt. Das Prüfprogramm basiert auf den statistischen Modellen und Kriterien in ISO 5725. Die Ringversuche wurden entsprechend der verfügbaren Fume-Boxen wie folgt geprüft: Verfahren A: FORCE, NMBG, FIOH, TWI, ISQ; Verfahren B: FORCE, FIOH, ISQ. Fünf verschiedene Kombinationen von Schweißverfahren, Werkstoffen und Schutzgasen, die verschiedenen Ozonemissionsniveaus entsprechen, wurden für das Prüfprogramm festgelegt: RR1 MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl, Drahtelektrodendurchmesser 1,0 mm, Schweißstrom 125 A, Schutzgas 80% Ar/20% CO2; RR2 MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl, Drahtelektrodendurchmesser 1,0 mm, Schweißstrom 280 A, Schutzgas 80% Ar/20% CO2; RR3 MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl, Drahtelektrodendurchmesser 1,0 mm, Schweißstrom 125 A, Schutzgas 93% Ar/5% CO2/2% O2; RR4 MIG-Schweißen von AlMg5; Drahtelektrodendurchmesser 1,2 mm, Schweißstrom 200 A, Schutzgas Ar; RR5 MAG-Schweißen von hochlegiertem Stahl, Drahtelektrodendurchmesser 1,0 mm, Schweißstrom 125 A, Schutzgas 98 Ar/2 CO2. Die Kombinationen repräsentieren verschiedene Ozonwerte und wurden außerdem auf der Grundlage der Verfügbarkeit von Schutzgasen in allen Partnerländern und unter Berücksichtigung der Lichtbogenstabilität bei Schweißverfahren ausgewählt. Jeder Partner führte fünf Versuche je Schweißkombination durch und verwendete dabei die genannten Verfahren. Damit ergab sich eine Gesamtsumme von 200 Einzelversuchen. Ergebnisse der Ringversuche Die Ergebnisse der Ringversuche wurden mit einer statistischen Software – SPSS-Version 11.0 – bearbeitet, damit einige Operationen wie beschreibende Statistik, Datenplot (Boxplot), Homogenitätstest (Levene-Statistik), Anova und Post-hoc-Tests (Scheffé-Statistik) durchgeführt werden konnten. Die Ergebnisse bestätigten, dass es keine eindeutigen Unterschiede zwischen den Leistungen der Verfahren A und B gibt. Es ergaben sich jedoch Unterschiede zwischen den Labors. Angenommen wurde, dass sie auf vorhandenen Unterschieden in der Box-Ausführung und bei den Probenahmebedingungen beruhen. Die Ergebnisse für Verfahren A zeigten, dass alle Resultate der Ringversuche bei NMBG systematisch höher waren als bei den anderen Partnern. Die Ergebnisse der anderen Labors waren im Allgemeinen gleich, abgesehen von dem ARR4-Test bei ISQ und kleineren Abweichungen bei den ARR1- und ARR2-Ergebnissen von TWI. Es wurde festgestellt, dass die Abweichung bei NMBG durch die Verwendung einer reflektierenden Aluminiumbox und Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 FACHBEITRÄGE einen verringerten Probenahmeabstand über dem Lichtbogen verursacht wird. TWI hat beobachtet, dass in der Box eine unvollständige Vermischung der Luft auftreten kann und dies ihre Ergebnisse beeinflusst. Zusatzuntersuchungen ergaben, dass die unvollständige Luftvermischung durch den vorliegenden Aufbau der Box (Lufteintritt unten) in Kombination mit dem kurzen Probenahmeschacht verursacht wird. Bei Verfahren B waren alle Ergebnisse von FIOH und FORCE vergleichbar, während die Ergebnisse BRR1, 2, 3 und 4 bei ISQ deutlich niedriger waren. Zusammenfassung Die erzielten Ergebnisse stehen im Einklang mit den Zielen. Eine umfassende Literaturrecherche mit mehr als 100 Literaturquellen wurde durchgeführt. Es erfolgten mehr als 1 150 Emissionsprüfungen und fast 900 Expositionsmessungen. Die Auswirkungen der Schweißparameter auf Emissionen und Exposition wurden bewertet und die Korrelation zwischen Emissionen und Exposition untersucht, was eine Entscheidung über die Prüfverfahren für die weiteren Untersuchungen ermöglichte. Die Arbeit zeigte in einem frühen Stadium, dass das UV-Absorptionsverfahren (D) für Ozonmessungen beim Schweißen nicht geeignet ist. Die Prüfungen ergaben, dass keine festgelegte Detektorposition den beim Schweißen auftretenden Konzentrationsbereich abdecken konnte. Außerdem variierten die Ergebnisse sehr stark in Abhängigkeit von der Position und Ausrichtung des Detektors zu den Schweißstellen. Bei dem Festpunktverfahren (C) waren die Ergebnisse für den Probenahmepunkt senkrecht über Schweißen und Schneiden 58 (2006) Heft 6 der Schweißstelle nicht reproduzierbar. Bei den anderen beiden Probenahmepunkten ergaben sich widersprüchliche Ergebnisse in Bezug auf die Wirkungen von Schweißstrom auf die Ozonkonzentration. Die Untersuchungen der Korrelation zwischen den Ergebnissen für die Exposition und für die Emission ergaben, dass Verfahren D das schlechteste Verfahren ist. Bei den Verfahren A, B und den beiden Probenahmepunkten des Verfahrens C war die Korrelation etwa gleichwertig, mit geringfügigen Vorteilen für A und B. Weitere Prüfungen belegen deutlich, dass das Verfahren C weniger wiederholbar war als die anderen Verfahren. Als Ergebnis der Untersuchungen wurde beschlossen, die Verfahren A und B für die Ringversuche zu verwenden. Die Ergebnisse der Ringversuche zeigten keine deutlichen Unterschiede bei der Reproduzierbarkeit und Präzision der beiden Verfahren. Nach einer Gesamtbewertung der Korrelationsergebnisse, der Ringversuche und der praktischen Umsetzbarkeit der beiden Verfahren wurde Verfahren A als das für die Normung am besten geeignete Verfahren ausgewählt. Schließlich wurde nach Veränderungen an der ursprünglichen Verfahrensweise und mit Verbesserungen der Gestaltung der Box ein Normentwurf für die Messung von Ozonemissionen beim Schweißen unter Verwendung des verbesserten Fume-Box-Verfahrens A (Haubentechnik) erstellt. Der Normentwurf wurde CEN/TC121 als mögliche neue Norm zum Ersatz der gegenwärtigen EN 15011-3 vorgelegt. Es wurde entschieden, die weitere Arbeit ISO/TC44 SC 9 WG 1 zu übertragen, sodass die Beratungen in einem internationalen Gremium weitergeführt werden. 309