Literaturreport zum Thema Ozon beim Schweißen und bei

Literaturreport
zum Thema
„Ozon beim Schweißen und bei
verwandten Verfahren“
angefertigt im Rahmen eines europäischen Projekts
zum Thema Ozon (2002)
Autoren:
Annelie Beyer
Herbert Gohl
Karin Hentschel
Vilia Spiegel-Ciobanu
1
Allgemeine Informationen über Ozon und seine
Bildung
Ozon liegt natürlich in der Atmosphäre vor. Seine Konzentration ist in geringeren Höhen
niedrig, in der Stratosphäre, in einer Höhe von 10-15 km, sind die Ozonkonzentrationen
jedoch höher. Die Ozonschicht erreicht ihre größte Dichte bei einer Höhe von ungefähr
25 km. Ein Teil der UV-Strahlung der Sonne wird von der Ozonschicht aufgenommen und
schützt uns auf diese Weise vor schädlichen Auswirkungen übermäßiger UV-Strahlung. Die
Ozonschicht in der Stratosphäre ist zum Gegenstand des Interesses geworden, seit entdeckt
wurde, dass zahlreiche Substanzen, wie Freon-Gase, den dort vorhandenen Ozonanteil
reduzieren können. Dies könnte zu einem Anstieg der UV-Strahlung führen, die durch die
Stratosphäre dringt und schädliche Auswirkungen auf das Leben haben kann [2].
Die Bindungsenergie eines Ozonmoleküls, d.h. die Energie, die benötigt wird, um ein
Sauerstoffatom von einem Ozonmolekül zu trennen, ist ziemlich gering (1 eV) im Vergleich
zur Bindungsenergie eines Sauerstoffmoleküls (5 eV). Geringe Bindungsenergie heißt, dass
Ozon sehr instabil ist und sich daher sehr schnell zersetzen kann. In konzentrierter Form ist
Ozon explosionsfähig. Mit einer geringen Energiezufuhr können Sauerstoffatome von den
Ozonmolekülen freigesetzt werden und verbinden sich unter hoher Energieabgabe
(Erwärmung) wieder mit den Sauerstoffmolekülen. (siehe Anhang A. Bild A.1).
Aufgrund der Tatsache, dass freie Sauerstoffatome so leicht von den Ozonmolekülen
getrennt werden können, ist Ozon ein stark oxidierendes Agens. Ozon zerstört zahlreiche
Materialien wie Gummi, Textilien und organische Anstrichstoffe. Ozon ist auch keimtötend
und wurde deshalb als luftdesinfizierendes Mittel in Operationssälen und Labors verwendet
[2].
Ozon ist instabil und neigt dazu, sich von selbst genauso schnell zu zersetzen wie es
gebildet wird. Andererseits kann das durch die Lichtbogenstrahlung beim
Schutzgasschweißen gebildete Ozon manchmal den verhältnismäßig niedrigen TLV-Wert
(0,1 ml/m3) überschreiten, selbst in einiger Entfernung vom Schweißbrenner.
Beim Lichtbogenschweißen mit Schutzgas wird Stickstoffmonoxid (NO) aus dem in der
Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoff und Stickstoff gebildet. Stickstoffmonoxid ist in der
Atmosphäre instabil, oxidiert und geht in NO2 über. Damit beschleunigt es den natürlichen
Prozess der Zersetzung von Ozon.
2
Das Ozon-Problem beim Schweißen
Bei der Be- und Verarbeitung von Metallen durch Schweißen entstehen gasförmige und
partikelförmige Schadstoffe. Ozon ist einer der wichtigen gasförmigen Schadstoffe.
Ozon (O3) wird beim Schweißen durch ultraviolette Strahlung aus dem Sauerstoff in der Luft
gebildet. Bei Lichtbogenschweißverfahren erzeugt der Lichtbogen UV-Strahlung, deren
Stärke von der Stromstärke abhängt. Wenn die UV-Strahlung stark genug ist, wird Ozon
gebildet.
Bei hohen Temperaturen ist Ozon gegenüber anderen Substanzen instabil. Das
Vorhandensein anderer Gase, Rauche oder Stäube in der Luft beschleunigt den Zerfall von
Ozon zu Sauerstoff.
Besonders wegen der Instabilität von Ozon muss der Unterschied zwischen Emission und
Immission (Konzentration am Arbeitsplatz) berücksichtigt werden [84].
2.1 Emission
2.1.1
Einflussfaktoren bei der Bildung von Ozon
Die Bildung von Ozon (Emission) beim Schweißen hängt besonders von folgenden Faktoren
ab [7], [19], [21], [84]:
•
•
dem Prozess (z.B. MAG/MIG/WIG Schweißen)
den Werkstoffen (z.B. Aluminium/Aluminium-Magnesium/Aluminium-Silizium/ChromNickel-Stahl...)
• den Schutzgasen (z.B. Argon, Helium ...)
(siehe Anhang B)
Für den Vergleich verschiedener Schweißverfahren, unterschiedlicher Schweißzusatzwerkstoffe, unterschiedlicher Schutzgase, verschiedener Schweißparameter usw. im Hinblick
darauf, wie hoch das relative durch Ozon oder irgendeine andere Substanz bewirkte
Gesundheitsrisiko ist, sind nur Messungen der Emissionsrate von Nutzen.
Die Nettomenge des erzeugten Ozons hängt stark von dem Schweißverfahren (WIG, MAG
oder MIG) und der Art des zu schweißenden Werkstoffs ab.
Nach Mortazavi et al [67] führen die Zusätze von 1% Mg, 1%Zn und 1% Al (leicht oxidierbare
Spurenmetalle) zu den Schweißdrähten zu einer Reduzierung der Ozonkonzentrationen von
99,5%, 98% bzw. 27%.
Der Schweißstrom beeinflusst die Nettomenge des gebildeten Ozons.
Der Zusammenhang zwischen Schweißspannung (und somit der WerkstoffübergangsCharakteristik) und Ozonbildung wurde ebenfalls untersucht. Beim MIG-Schweißen von
Aluminium wurde ein dramatischer Anstieg der Ozonbildung beobachtet, sobald die
Spannung einen Wert erreicht hatte, der einen feintropfigen Werkstoffübergang ermöglicht.
Eine erhöhte Ozonbildung ist charakteristisch für den glatten feintropfigen
Werkstoffübergangsmodus, der bei höheren Schweißspannungen auftritt [104].
Die Länge des Lichtbogens ist ebenfalls ein entscheidender Faktor.
Ein Anstieg der Schutzgas-Durchflussrate kann zu einem Anstieg der sich bildenden
Ozonmenge führen.
Eine spitze Elektrode erzeugt einen stabileren Lichtbogen als eine stumpfe Elektrode und
dadurch weniger Stickoxid und mehr Ozon.
Eine kleinere Schutzgashaube gibt mehr Stickoxid ab als eine größere und dadurch auch
weniger Ozon. Eine zu kleine Schutzgashaube bietet jedoch keinen ausreichenden
Gasschutz [74].
Die Emissionsrate von Ozon wird auch von den Bestandteilen des Plasmalichtbogens
beeinflusst.
Ein qualitativer Vergleich der aus dem Plasmalichtbogen austretenden ozon-aktiven
Strahlung mit unterschiedlichen Gasen hat zu folgenden Ergebnissen geführt:
Verglichen mit reinem Argon erzeugt reines Helium eine ozon-aktive Strahlung, die um
mehrere Zehnerpotenzen schwächer ist.
Das Schutzgas selbst hat Einfluss auf die für eine bestimmte Schweiß-Aufgabe gewählte
Spannung. Da ein Argon-Helium Gemisch sich nach und nach mit Helium anreichert, ist es
zum Beispiel erforderlich, die Schweißspannung bei festgesetztem Schweißstrom zu
erhöhen, um den Mindestwert zu erreichen, bei dem der Schwellenwert für den feintropfigen
Werkstoffübergang auftritt [104].
Beim WIG-Schweißen mit Helium ist die Intensität der ozon-aktiven Strahlung und dadurch
die Ozonmenge nur unwesentlich geringer als beim Schweißen mit Argon. Dies weist darauf
hin, dass Metalldampf aus dem Schweißbad einen großen Anteil an der Strahlung hat [75],
[79].
Beim WIG-Schweißen mit einer nichtabschmelzenden Wolfram-Elektrode, gibt es keinen
signifikanten Beitrag vom Metalldampf der Elektrode. Beim MIG-Schweißen hat jedoch
normalerweise der Metalldampf aus dem abschmelzenden Metall der Elektrode den größten
Anteil an der Strahlung.
Beim MIG-Schweißen enthält das Lichtbogenplasma eine hohe Konzentration an
Metalldampf. Das Schutzgas ist daher gewöhnlich von untergeordneter Bedeutung für die
ozonbildende Strahlung. Aluminiumdampf im Lichtbogenplasma erzeugt sehr starke
ozonbildende UV-Strahlung.
Dieser Effekt führt dazu, dass die gemessene Ozonkonzentration im Fall von
intermittierendem Schweißen (beim Handschweißen üblich) höher ist als bei kontinuierlichem
(automatischem) Schweißen, wobei in beiden Fällen von der gleichen Lichtbogenzünddauer
ausgegangen wird.
Beispiele für die Ergebnisse der Ozon-Emissionsmessungen mit dem Fume-Box-Verfahren
sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Beispiele für Ozonemissionen beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen
Prozess/Material
Ozonemissionsrate
[ml/min]
MAG Schweißen
nicht legierter Stahl
~4–5
~8
~ 0,13 – 0,17
~ 0,27
~ 10 - 15
~ 0,33 – 0,5
~ 15
bis 50
~ 0,5
bis 1,7
~1–2
~3
~ 0,03 – 0,07
~ 0,1
Chrom-Nickel Stahl
MAG Schweißen (Impulsschweißen)
Chrom-Nickel-Stahl
MIG Schweißen
AlMg4-Legierungen
AlSi-Legierungen
WIG Schweißen
Al-Werkstoffe
nicht legierter Stahl
[mg/s]
Smårs und Sipek [82] geben eine Zusammenfassung von Emissionsraten, die in einem
zylindrischen Volumen um den Lichtbogen herum in einem Durchmesser von circa 30 cm für
WIG (= GTWA) und circa 60 cm für MIG (= GMWA), im sogenannten Nahbereich, siehe
Anhang E, Bild E.1, vorgefunden wurden. Es zeigte sich auch, dass die Ozonmenge, die
außerhalb dieses Bereiches im sogenannten Fernbereich erzeugt wird, von geringerer
Bedeutung ist. Wegen der geringen Menge von pro Volumeneinheit erzeugten Ozon in
diesem Bereich ist die Konzentration fast immer unbedeutend, obwohl die erzeugte
Ozonmenge ungefähr gleich bleibt.
Beim WIG-Schweißen ist die Menge des emittierten Ozons am größten, wenn Edelstahl mit
Argon geschweißt wird. Die große Spannweite der Werte, die in diesem Fall beobachtet
wurde (0,2-2,6 ml/min) wird durch die Tatsache erklärt, dass die Emission stark vom
Schutzgasdurchfluss abhängt und dass in diesem Fall Messungen mit sehr
unterschiedlichen Gasdurchflussraten durchgeführt wurden (5-12 l/min). Es zeigte sich, dass
die Ozonemission sehr stark mit dem Gasdurchfluss ansteigt.
Nach Smårs und Sipek [82], erzeugt WIG-Schweißen von Edelstahl mit Helium niedrigere
Emissionen als mit Argon.
WIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Wechselstrom unter
Verwendung von Argon ergibt niedrigere Emissionen als andere WIG-Schweißprozesse.
Die Emissionswerte für das MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen
erwiesen sich als mehrfach höher als die höchsten Werte, die beim MIG-Schweißen von
anderen Werkstoffen erhalten wurden [44], [74], [83].
Für eine Drahtlegierung mit 5% Silizium und einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm liegt das
Maximum des emittierten Ozons im Nahbereich zwischen 200 und 250 A. Der Abfall bei
höheren Strömen beruht auf einem Anstieg der Stickstoffdioxid-Bildung.
Eine Verlängerung des Lichtbogens um den Faktor 2 (durch Verringerung der Spannung)
erhöhte die Ozon-Emission um 40-60%.
Draht aus einer Silizium-Legierung (AlSi5) ergibt die größte Ozonemission, während die
Werte bei reinem Aluminium (Al99,5) um 15-20% niedriger sind. Draht aus einer
Magnesiumlegierung ergibt näherungsweise dreimal (AlMg3) bis viermal (AlMg5) höhere
Werte. Die Werkstoffe in der Platte, auf der das Schweißen ausgeführt wurde, wurden in
jedem Fall der Drahtlegierung angepasst. Im allgemeinen spielt der Werkstoff der Platte bei
der Ozonproduktion beim MIG-Schweißen eine untergeordnete Rolle [74].
Beim MIG-Schweißen von Aluminium wird manchmal eine Mischung von Argon und Helium
als Schutzgas verwendet, in Ausnahmefällen reines Helium.
Im Vergleich zu Argon ergeben Helium und heliumreiche Gemische wegen der geringeren
Dichte von Helium eine schmalere Rauchfahne. Dies wurde in einem separaten Experiment
mit der Schlierentechnik überprüft. Daher kann der Messpunkt bei Verwendung von Argon
als Schutzgas innerhalb der Rauchfahne liegen, bei der Verwendung von Helium oder einem
Helium-Gemisch jedoch außerhalb der Rauchfahne. Als Ergebnis kann an dem betreffenden
Messpunkt eine viel geringere Konzentration gemessen werden, wenn Helium oder HeliumGemische verwendet werden als bei Argon, obwohl die emittierte Ozonmenge etwa die
Gleiche ist.
Beim MAG-Schweißen von niedriglegiertem Stahl und Edelstahl maß E.B.Hansen
Emissionsraten mit einer Anordnung und einem Verfahren, das "Brite Fume Box" genannt
wird, und auf der schwedischen Fume-Box-Technik beruht, die für Messungen von sowohl
Rauch als auch Gasen beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen abgewandelt wurde. Die
Messungen umfassen eine große Zahl von Schweißzusatzwerkstoffen,
Schutzgaszusammensetzungen und Schweißparametern. Kurzlichtbogenschweißen bei
125 A mit CO2 (im Diagramm nicht dargestellt) ergab etwa 1 ml/min an Ozon.
MAG-Schweißen von nicht-legiertem Stahl mit pulvergefüllter, Rutil-, basischer und
Massivdraht-Elektrode (1,2 mm) ergab Ozon-Emissionsraten zwischen 2 und 12 ml/min. Die
Ergebnisse für Edelstahl, Massivdraht 1,2 mm, pulvergefüllt 1,2 mm und metallgefüllt 1,6 mm
zeigen Werte zwischen 3 und 8 ml/min und 3 bis 7 ml/min.
Beim Vergleich von Massivdraht aus nichtlegiertem Stahl und Massivdraht aus Edelstahl
wird deutlich, dass Edelstahl etwa zwei Mal soviel Ozon erzeugt, wenn nicht Ar + 30% He +
1% O2 verwendet wurde. Fülldrahtelektroden ergaben deutlich mehr Ozon als
Massivdrahtelektroden. Metall-Fülldrahtelektroden erzeugten z.B. beim Schweißen mit Ar +
8% CO2 8-11 ml/min an Ozon, während Massivdraht mit dem gleichen Gasgemisch 1,54 ml/min ergab.
Es zeigt sich, dass
•
•
•
die höchsten Emissionen beim Metallinertgasschweißen beobachtet werden (MIG),
die gemessenen Emissionswerte für Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) im Vergleich
zu MIG-Schweißen um den Faktor zehn geringer sind,
während der Bearbeitung von AlSi-Werkstoffen deutlich höhere Emissionen erzeugt
werden als bei der Behandlung von AlMg4-Werkstoffen.
Die gezeigten Ergebnisse beruhen auf verschiedenen Messverfahren, z.B.:
•
•
dem “Fume-Box-Verfahren”, das die Menge pro Zeiteinheit bestimmt (mg/s), und
dem “Strahlungskammer-Verfahren” das die Ozonkonzentration (mg/m³) für
verschiedene Abstände vom Lichtbogen bestimmt.
2.1.2
Verfahren zur Messung der Emissionsrate
In der Literatur wird über verschiedene Verfahren zur Bewertung der Rauchemissionsrate
von Lichtbogen-Schweißverfahren berichtet. Im allgemeinen beruhen sie auf einem "Fume
Box"-Verfahren, d.h. dem Schweißen in einer geschlossenen Kammer [45].
Die Techniken zur Rauchprobenahme und die Prüfverfahren können in drei Gruppen
unterteilt werden:
a.
b.
c
Sammeln der Gesamtrauchmenge durch Extraktion aus der Kammer durch ein Filter
partielle Rauchprobenahme in einer Extraktionsleitung aus der Rauchkammer durch
isokinetische Probenahme
partielle Probenahme aus der Luft in der Kammer.
E.B. Hansen berichtet in [45] über die verschiedenen Rauch- und GasProbenahmeverfahren, die in Europa und den USA angewendet worden sind.
Hiernach ist das gebräuchlichste Verfahren zur Klassifizierung von Rauchen von MMAElektroden das als "Swedish Fume Box" bekannte Verfahren.
Das Swedish-Fume-Box-Verfahren wurde ursprünglich nur für Messungen von
Rauchemissionsraten von MMA-Elektroden entwickelt und Gas-Emissions-Messungen
waren nicht in das Verfahren eingeschlossen. Später wurde das Swedish-Fume-BoxVerfahren in veränderten Ausführungen auch für andere Anwendungen wie das Prüfen von
Rauch- und Gas-Emissionen beim Schweißen von Oberflächenbeschichtungen (Primer),
MIG-, WIG-Schweißen und Löten, verwendet.
Fast alle Rauchkammern, die in Europa gebräuchlich sind, beruhen auf der schwedischen
Ausführung.
Modifizierte Swedish-Fume-Box- und andere Rauchkammervarianten, die die gleiche
Probenahmetechnik des Gesamtrauches verwenden, aber andere Ausführungen und andere
automatische Schweißreinrichtungen haben, wurden bei SINTEF, an der University of
Bradford und am dänischen Schweißinstitut entwickelt.
Ein Verfahren zur Probenahme von Partialrauch wurde in den USA, den Niederlanden,
Deutschland, Schweden und Japan verwendet. Bei dieser Technik wird der Rauch, der beim
Schweißprozess entsteht aus der geschlossenen Kammer extrahiert.
Ein drittes Prinzip der Rauchemissionsmessung wurde 1993 von der British Occupational
Hygiene Society als Verfahren für die Rauchklassifizierung von Elektroden zum
Lichtbogenhandschweißen. Das Verfahren beruhte auf dem Schweißen einer 300 mm
Elektrode in einer geschlossenen Kammer mit einem Volumen von etwa 20 m³ ohne
Lüftung.
Der Nachteil von Filter-Sammelsystemen für Gesamtrauch ist die begrenzte RauchAufnahmefähigkeit.
Ein weiterer Nachteil im Vergleich zu Messungen der Gas-Emissions-Raten ist die
Veränderung der Durchflussrate bei der Gesamtrauch-Probenahme
Messungen der Rauch-Emissionsraten auf der Grundlage von partieller isokinetischer
Rauch-Probenahme in der Abzugsleitung haben den Vorteil, dass die Abzugs-Durchflussrate
aus der Kammer konstant ist und innerhalb weiter Grenzen ausgewählt werden kann. Der
Nachteil dieses Verfahrens ist die sehr viel kompliziertere Technik zur Rauch-Probenahme,
die im allgemeinen zu einer niedrigen Reproduzierbarkeit führt.
Die Emission von Schadstoffgasen wird normalerweise von den Gaskonzentrationen in der
Abzugsluft aus der Rauchkammer bestimmt. Durch Multiplizieren des Luftdurchflusses mit
der Konzentration erhält man die Menge der jeweilig während des Schweißens emittierten
Gase.
Wegen des Bildungsmechanismus kann Ozon in Abhängigkeit von den Wellenlängen und
der Intensität der UV-Strahlung in einiger Entfernung vom Lichtbogen gebildet werden.
Um die Gesamt-Emissionsrate von Ozon zu messen, ist es vorteilhaft, eine große
Rauchkammer mit Abmessungen von mindestens 2 x 2 x 2 m zu verwenden. Eine
Rauchkammer dieser Größe erfordert jedoch eine sehr hohe Lüftungsgeschwindigkeit damit
ein nach oben gerichteter Luftzug in der Kammer sichergestellt ist, der ausreicht, um den
Partikel-Rauch aus der Schweißzone nach oben in die Probenahmeleitung zu befördern.
Eine Rauchkammer mit Schweißkammerboden von mehr als 0,4 X 0,4 kann das Ozon
sammeln, das sich im Nahbereich bildet, das sind im Normalfall mehr als 75% der erzeugten
Gesamtmenge.
Ein experimentelles Rauchkammersystem [45], das für die Messung von Rauch- und
Gasemissionsraten von MIG-Schweißverfahren entwickelt wurde, ist in Anhang B, Bilder B.2
und B.3, dargestellt.
Zur Bewertung der Gas-Emissionsraten wurde die Konzentration von Ozon und Stickoxiden
im Luftstrom unter der Filterbefestigung gemessen. Die Aufzeichnungsgeräte waren
Chemilumineszenz-Geräte. Sie wurden mit einem Recorder verbunden. Vor der
Probenahme wurden die Geräte mit einem Ozon-Kalibrator und zertifizierten Gasen
kalibriert. Die Filter und Rohrleitungen des Ozon-Probenahme-Systems waren alle aus PTFE
gefertigt.
Wegen des Einflusses der Abmessungen der Schweißkammer auf die Ozon-Ergebnisse
muss der Schluss gezogen werden, dass die Fume-Box-Schweißkammer im Vergleich zur
schwedischen Standardausführung vergrößert werden sollte.
E.B. Hansen [45] ist der Meinung, dass das “Brite”-Verfahren für die Prüfung von Rauch- und
Gasemissionen für MIG-Schweißverfahren sinnvoll sein kann. Dies ist eine Swedish-FumeBox mit modifizierter Schweißkammer wie in Anhang B, Bilder B.2 und B.3 dargestellt.
In dieser Kammer wird der gesamte partikelförmige Rauch, der bei den Schweißprüfungen
erzeugt wird, auf 240 mm Filtern gesammelt und die Rauchemissionsraten werden
berechnet.
Die Gaserzeugungsraten werden mit separaten Fume-Box-Prüfungen bei einer konstanten
Luftdurchflussrate in der Fume-Box gemessen. Beim Schweißen werden Gasproben aus der
Abzugsluft der Rauchkammer genommen. Die Gasemissionsraten werden aus den
Gaskonzentrationen im Luftstrom und der Luft-Durchflussrate berechnet.
Die Gestaltung der Kammer ist vergleichbar mit der Kammer, die von AGA bei deren
umfassenden Forschungen über die Ozon- und Stickoxid-Emissionen bei LichtbogenSchutzgasschweiß-Verfahren verwendet wurde.
Wenn verschiedene Schweißverfahren in Bezug auf die gebildete Ozonmenge verglichen
werden, können sie wie folgt klassifiziert werden:
1)
MIG (=GMWA) von Aluminium und Aluminium-Silizium-Legierungen, bis zu ~
50 ml/min
2)
MIG (=GMWA) von Magnesium und Aluminium-Magnesium-Legierungen, bis zu ~
15 ml/min
Synergetisches Impulsschweißen von Stahl, bis zu ~ 10-15 ml/min
MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Metallkern-Elektrode, bis zu ~ 10 ml/min
MAG (=GMWA) von Edelstahl, bis zu ~ 8 ml/min
MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Fülldraht-Elektrode, bis zu ~ 6 ml/min
MAG (=GMWA) von nicht-legiertem Stahl mit Massivdraht-Elektrode, bis zu ~
4-5 ml/min
WIG (=GTAW) von Edelstahl und nicht-legiertem Stahl, bis zu ~ 3 ml/min
WIG (=GTAW) of Aluminium, bis zu 1-2 ml/min
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
Eine experimentelle Untersuchung ergab, dass das Expositionsniveau (Konzentration im
Atembereich) unter unvorteilhaften Luftungs-Bedingungen fast 1 ppm erreichen kann, wenn
die Emissionsrate nur 3 ml/min beträgt.
Einige Beispiele für Kammern zur Messung der Emissionsrate sind in Anhang B, Bilder B.2
bis B.7 dargestellt.
Nach Farwer und Sroka in [38] gibt es zwei verschiedene Verfahren zur Messung von Ozon:
beim sogenannten Emissions-Messverfahren wird die gesamte Atmosphäre in der direkten
Umgebung des Schweißers zur Bestimmung des Kontaminationsgrades extrahiert und
analysiert. Es versteht sich von selbst, dass diese Messung die Kontamination, der der
Schweißer ausgesetzt ist, nicht realistisch wiedergibt: es ist ein Wert für die durchschnittliche
Kontamination des gesamten Schweißbereichs und daher ein rein theoretischer Wert. Um
realistische Daten zu erhalten, muss die Extraktionskammer mindestens einen Durchmesser
von 2 m haben.
Nach [92] und dem Normungsdokument CEN/TC 121 N810 sind für die Messung von
Ozonkonzentrationen zwingend Festpunktmessungen erforderlich.
2.2 Immission (Konzentration) am Arbeitsplatz
Die Konzentration von Ozon am Arbeitsplatz wird von folgenden Faktoren beeinflusst [38]:
•
•
•
•
Emission
Abstand vom Lichtbogen
Andere vorhandene Stoffe (Gase, Teilchen)
Vorhandene Schutzeinrichtungen
Da die UV-Strahlung nicht auf den direkten Schweißbereich beschränkt ist, wird Ozon auch
außerhalb des Lichtbogen- und Schutzgas-Bereiches erzeugt.
Immissionsmessungen sollen die tatsächliche Exposition des Schweißers zeigen. Deshalb
werden im Atembereich des Schweißers personenbezogene Luftproben-Messungen
durchgeführt.
Tabelle 2 zeigt Beispiele von typischen Messergebnissen von OzonKonzentrationsmessungen.
Tabelle 2: Beispiele von Ozon-Konzentrationen bei Schutzgas-Schweißverfahren [84]
(Personenbezogene Konzentrations-Messungen)
Verfahren/Werkstoff
Ozon-Konzentration [ml/m³]
in der Rauchsäule
im Atembereich des
Schweißers
MAG-Schweißen
Nicht-legierter und
niedriglegierter Stahl
MAG-Schweißen (ImpulsSchweißen)
AlMg4,5 Mn
AlSi 5
0,4 – 0,85
0,025 – 0,1
~3
~ 10
~ 0,2
~ 0,4
TIG Schweißen
Chrom-Nickel-Stahl
AlMg4,5 Mn
~ 0,25 – 0,4
~ 0,4
~ 0,04
~ 0,2
2.2.1
Metall-Aktivgasschweißen (MAG)
Beim Metall-Aktiv-Gasschweißen sind im allgemeinen wegen der starken Rauchbildung
niedrigere Ozon-Konzentrationen zu erwarten. Normalerweise sind die Ozonexpositionen für
den Schweißer unbedeutend.
Das Danish Welding Institute (Sveyscentralen) fand heraus, dass die Ozonmengen, die beim
MAG-Schweißen mit dem sogenannten Kurz-Lichtbogen in der Umgebung des Lichtbogens
erzeugt werden, im unteren Bereich viel höher sind, als die, die im oberen Bereich mit dem
Sprühlichtbogen erzeugt werden. Dies war ein überraschendes Ergebnis: wegen der
größeren UV-Strahlung beim Sprüh-Lichtbogen-Schweißen waren alle vorherigen
Veröffentlichungen vom Gegenteil ausgegangen [18], [19].
Um die Beziehungen genau zu klären, wurde eine Reihe von Vergleichstests durchgeführt
und es wurden über dem Lichtbogen und im Atembereich Messungen im Betrieb
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt: Brehme, Farwer, Sroka [18], [19]
sind der Meinung, dass das Schutzgas (eine Mischung von Argon und CO2) einen weitaus
geringeren Einfluss hat als andere Schweißparameter. Sie erklären, dass die hohen
Ozonwerte im Kurzlichtbogenbereich, die direkt über dem Kurz-Lichtbogen gemessen
wurden, auf der Tatsache beruhen, dass in diesem Bereich verfahrensbedingt weniger
Stickstoffmonoxid erzeugt wird. Im Atembereich des Schweißers sind die Verhältnisse
jedoch umgekehrt: Sprühlichtbogenschweißen führt zu deutlich höheren OzonVerunreinigungen. Mit anderen Worten beruhen die Ozonkonzentrationen hauptsächlich auf
Strahlung.
Tabelle 3: Beispiele für Ozon-Konzentrationen in der Rauchsäule und im Atembereich
des Schweißers für unterschiedliche Schweißverfahren und -parameter [18], [19]
Schweißverfahren/
Werkstoffe
Parameter-Variationen
MAG/unlegierter Stahl
Kurzlichtbogen
Sprühlichtbogen
MAG/unlegierter Stahl
(50 % Betriebszeit)
MAG/unlegierter Stahl
(Sprühlichtbogen)
Krysal®18 (82% Ar, 18% CO2)
Argomix® D (92%Ar,8%O2)
MIG/AlMg4.5Mn
WIG/CrNi Stahl
(100 A)
MIG/Aluminium
(220 A)
AlMg4.5Mn
2.2.2
ohne Rauchabsaugbrenner
mit Rauchabsaugbrenner
ohne Rauchabsaugbrenner
mit Rauchabsaugbrenner
Argon
Argon W 5
AlSi5
AlMg4.5Mn
MIG-Schweißen
WIG-Schweißen
Ozon-Konzentration [ml/m³]
in der
im Atembereich
Rauchsäule
0,85
0,025
0,55
0,10
0,70
0,04
0,70
0,05
0,65
0,08
0,40
0,09
3,0
0,20
1,0
0,10
0,40
0,04
0,25
0,04
10,0
0,40
1,0
0,10
1,0
0,10
0,40
0,02
Metall-Inertgas-Schweißen (MIG)
Beim Metall-Inertgas-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen muss neben dem Gesamtrauch
die Bildung von Ozon (durch UV-Strahlung und die stark reflektierenden Werkstoffe)
berücksichtigt werden.
a)
Einfluss des Werkstoffes auf die Ozonkonzentration
Wie bei den Emissionsmessungen wurden die höchsten Ozon-Konzentrationen für MIGSchweißen von AlSi-Werkstoffen gemessen (z.B. AlMgSi1 als Grundwerkstoff mit AlSi5 als
Zusatzwerkstoff).
Tabelle 4 zeigt den Einfluss des Werkstoffes sowie den Einfluss der Stromstärke und der
Lichtbogenlänge auf die Ozonkonzentration.. Die Ozonkonzentration steigt mit steigender
Stromstärke und Lichtbogenlänge an.
Tabelle 4: Beispiele von Ozonkonzentrationen beim MIG-Schweißen mit reinem Argon
(20 l/min) [84]
Grundwerkstoff
Zusatzwerkstoff
AlMg4,5 Mn
AlMn
AlMgSi1
S-AlMg5
S-Al99,5
S-AlSi5
b)
Ozon-Konzentration [ml/m³]
250 A
200 A
27 V
25 V
3 : 6 mm Lichtbogenlänge 5 : 7 mm
3
0,5
15
9
>15
7
Einfluss der Schutzgaszusammensetzung auf die Ozonkonzentration
Die Verwendung eines Argon/Helium-Schutzgasgemisches beim MIG-Schweißen von
Aluminiumwerkstoffen führt zu niedrigeren Ozonkonzentrationen als die Verwendung von
reinem Argon als Schutzgas, gemessen unter den gleichen Bedingungen.
Die Messergebnisse zeigen (siehe Tabelle 5), dass mit zunehmendem Abstand vom
Lichtbogen bei konstanten Parametern, wie z.B. Werkstoff, Schutzgas, Strom, die
Ozonkonzentration deutlich abnimmt.
Tabelle 5: Beispiel von Ozonkonzentrationen beim MIG-Schweißen [84]
(Messungen in unterschiedlichen Abständen vom Lichtbogen)
Ozonkonzentration
[ml/m³]
150
254
300
Werkstoff
64
Aluminium
Schutzgas:
80 % He + 20 % Ar
Stromstärke: 195 A
Aluminium
Schutzgas:
Reines Argon 14 l/min
Stromstärke: 200 A
2.2.3
4,3
450
1,1
5,1
2,3
1,7
Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG)
Wegen der niedrigeren Stromstärken werden beim Wolfram-Inertgas-Schweißen geringere
Ozonkonzentrationen erzeugt als beim Metall-Inertgas-Schweißen. Wie beim MIGSchweißen steigen auch hier die Ozonwerte von Aluminium-Magnesium-Legierungen über
reines Aluminium zu Aluminium-Silizium-Legierungen an [84].
Auch beim WIG-Schweißen hängt die Ozonkonzentration in erster Linie von dem
verwendeten Werkstoff ab, außerdem haben die Art des gewählten Schutzgases und der
Abstand vom Lichtbogen einen deutliche Einfluss auf die gemessenen Ozonkonzentrationen
In Tabelle 6 sind beispielhaft Ergebnisse der Konzentrationsmessungen beim WIGSchweißen von Aluminium-Werkstoffen aufgeführt.
Ein Beispiel für die Ozonkonzentration in der Rauchfahne eines WIG-Schweißbrenners wird
in Anhang C dargestellt. Hier wurde die Ozonkonzentration unter kontrollierten
Luftdurchflussbedingungen gemessen. Die Ozon-Konzentration in der Rauchfahne sinkt
rasch mit steigendem Abstand vom Lichtbogen [20]. Hohe Konzentrationsgradienten treten
radial auf und dies ist wahrscheinlich der Grund für die stark abweichenden
Ozonkonzentrationen, über die verschiedene Forscher berichten [81].
Im Allgemeinen liegen die Ozon-Konzentrationen, die beim WIG-Schweißen von
Aluminiumwerkstoffen gemessen werden, zwischen 0,02 und 3,5 ml/m³, je nach Werkstoff,
Schutzgas und Abstand vom Lichtbogen.
Beim WIG-Schweißen von Edelstahl sind die Ozon-Konzentrationen niedriger als beim WIGSchweißen von Aluminium-Werkstoffen. Hier gibt es keine Gefährdung des Schweißers
durch Ozon.
Tabelle 6: Beispiele für Ozon-Konzentrationen beim Wolfram-Inertgas-Schweißen
150
Ozon-Konzentration
[ml/m³]
Abstand vom Lichtbogen (mm)
250
400
0,15
0,08
0,02
Werkstoff/Schutzgas
Reines Aluminium
Schutzgas: Argon 7 l/min
Stromstärke: 150 A
AlMg4,5 Mn
mit S-AlMg5
Schutzgas: Helium 20 l/min
0,6
AlMn mit S-Al99,5
Schutzgas: Helium 20 l/min
3,5
AlMgSi1 mit S-AlSi5
Schutzgas: Helium 20 l/min
2,2
Ulfvarsson et al maßen Konzentrationen im Atembereich von 45 Schweißern beim MIGSchweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen. In fast der Hälfte der Fälle lagen die
Konzentrationen über 0,1 ppm und 15 % lagen über 0,3 ppm. Bei 49 Schweißern, die WIGSchweißen von Aluminium ausführten, lagen fast alle Konzentrationen unter 0,1 ppm. Bei 27
Schweißern, die Schutzgasschweißen von Edelstahl ausführten (20 WIG-Schweißer und 7
MIG-Schweißer), lagen die Konzentrationen in fast 20 % der Fälle über 0,1 ppm. In 10% der
Fälle wurden 0,3 ppm überschritten.
E.B. Hansen [44], [45] maß Ozon-Expositions-Level an 11 verschiedenen Arbeitsplätzen, an
denen Hand-WIG-Produktionsschweißen von Edelstahl durchgeführt wurde.
Nur beim MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminium-Legierungen finden sich außerhalb
der Rauchfahne, in einem Abstand von einem Meter, nennenswerte Ozon-Konzentrationen.
Daher kann Ozon ein Problem für den Schweißer und seine Helfer darstellen, nicht jedoch
für andere Personen auf dem Gelände.
Die Ozon-Konzentrationen im Atembereich des Schweißers wurden von Engström und
Virtamo "on site" innerhalb des Schweißerschutzhelms in 24 Schweißwerkstätten gemessen.
Bei verschiedenen Schutzgas-Schweißverfahren wurden 118 Kurzzeit-Messungen (515 min) durchgeführt. Die höchsten Konzentrationen traten wiederum beim MIG-Schweißen
von Aluminium auf. Spitzenwerte bis zu 7 ppm wurden beim Schweißen ohne
Arbeitsplatzlüftung gemessen [25], [26].
2.2.4
Schlussfolgerung
Bei den meisten der Kombinationen von Verfahren und Werkstoff für das Schweißen liegen
die (gemessenen) Ozon-Konzentrationen im Atembereich des Schweißers unter 0,1 ml/m³,
dem gegenwärtigen Expositionsgrenzwert (maximale Arbeitsplatzkonzentration).
Beim MIG-Schweißen von Aluminium und besonders von AlSi werden die Grenzwerte
jedoch überschritten.
Besonders bei der letztgenannten Kombination Verfahren/Werkstoff ist die Verwendung von
wirksamen Absaugeinrichtungen erforderlich. Die Absaugeinrichtung muss so gestaltet sein,
dass nicht nur der Bereich in der unmittelbaren Umgebung des Lichtbogens, sondern auch
der Atembereich des Schweißers vollständig abgedeckt ist.
Für vollautomatisierte Verfahren wird eine Strahlungsüberwachung empfohlen, die die
Bildung von Ozon im Atembereich des Schweißers verhindert [39].
Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Bildung von Ozon beim MIG-Schweißen von
Aluminium und Aluminiumwerkstoffen zu richten. Dies heißt jedoch nicht, dass die
Ozonbildung bei anderen Schweißverfahren nicht beachtet werden muss: wenn der
Schweißer z.B. eine ungünstige Stellung einnehmen muss oder in engen Räumen arbeitet
können auch bei anderen Schweißverfahren höhere Ozonkonzentrationen auftreten.
Im Hinblick auf die Sicherheit des Schweißers ist die Messung des Ozonwertes im
Atembereich das verlässlichere Verfahren. Messungen im Atembereich werden hinter dem
Schweißerschutzschirm oder -schild in der Nähe des Mundes und der Nase ausgeführt. Dies
ist der Bereich, auf den sich die Grenzwerte (MAK) beziehen.
Das computergestützte System wurde von Farwer and Sroka [39] beim TIG-, MIG- und
MAG-Handschweißen im Atembereich getestet. Die Lichtbogendauer betrug 100%
(Durchlaufschweißen). Die Messungen wurden zuerst ohne Rauchabsaugung durchgeführt.
Beim MIG-Schweißen von Aluminium waren die dabei erzeugten Werte unzulässig hoch,
deshalb wurden zusätzliche Messungen mit Arbeitsplatzlüftung durchgeführt.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Lichtbogendauer bei diesen Laborprüfungen im
allgemeinen dreimal so hoch ist wie beim Handschweißen in der Praxis sind die AbsolutWerte ebenfalls gut vergleichbar.
3
Messgeräte
3.1 Prinzipien / Messtechnik
Simpson et al beschreiben in [79] zwei Messtechniken: die bewährte ChemilumineszenzTechnik und ein neueres Verfahren, bei dem die UV-Absorption genutzt wird. Die OzonMessungen wurden in einer geschlossenen Rauchkammer durchgeführt (siehe Anhang D,
Bild D.1).
Chemilumineszenz
Dieses Verfahren basiert auf der Reaktion von Ozon mit Etyhlen (C2H4) unter Bildung von
Formaldehyd (HCHO) und Sauerstoff. Das HCHO wird in angeregtem Zustand gebildet,
kehrt jedoch unter Abgabe eines Photon in den Grundzustand zurück. Die Anzahl der
Photonen ist proportional zur Ozon-Konzentration. Ein Photoelektronenvervielfacher wird zur
Messung der emittierten Photonen verwendet [78].
C2H4 + 2 O3 ' 2 HCHO + 2 O2
Ultraviolett-Absorption
Dieses Verfahren basiert auf der Absorption von Licht durch Ozon (üblicherweise 253 nm).
Eine Probe wird in eine optische Kammer gesaugt und die Absorption wird gemessen. Dann
wird eine neue Probe durch einen Reiniger, der mit einer katalytischen Reaktion alles Ozon
entfernt, in die optische Kammer gesaugt. Daraus ergibt sich, dass die höhere Absorption
der ersten Probe nur auf dem Vorliegen von Ozon beruhen kann.
Es wurde auch ein NOx-Monitor verwendet, der auf dem Chemilumineszenz-Prinzip beruht.
Die Toxizität von NOx ist um eine Größenordnung niedriger als die von Ozon.
Der UV-Absorptions-Monitor verwendete 0,5µm PTFE-Filter. Der Chemilumineszenz-Monitor
verwendete ein a 5µm-Filter und ein Vorfilter am Probenahmepunkt, das mit einer
Ozonquelle vorbehandelt wurde. Es zeigte sich, dass ein HF-Start der GTASchweißeinrichtung den Betrieb der Monitore störte [79].
Für genaue Messungen von Ozon und Stickoxid haben sich sogenannte ChemilumineszenzGeräte bewährt. Ein UV-Detektor zur Messung der gesamten spektralen Strahlung wird in
Anhang D, Bild D.2 dargestellt.
UV-Strahlungsröhre
Ein alternatives Messverfahren, die UV-Strahlungsröhre, kann ebenfalls verwendet werden.
Diese Einrichtung berücksichtigt keine Wirkungen der chemischen Reaktionen mit Ozon oder
Konvektionsströme.
Es wird erwartet, dass die oben aufgeführten drei Verfahren unterschiedliche absolute OzonKonzentrationen ergeben, aber eine vergleichbare Stufung der gemessenen Werte liefern.
Die verwendeten Messgeräte für die Überwachung von Ozon, Stickstoffmonoxid und
Stickstoffdioxid beruhen auf dem Chemilumineszenzprinzip.
Messer Griesheim hat ein computergestütztes Analyse-System entwickelt, das alle
Messungen sofort aufführt, wenn der Schweißprozess abgeschlossen ist.
Das System enthält mehrere getrennte Kanäle für gleichzeitige Ozonmessungen an
verschiedenen Punkten, damit den komplexen Prozessen der Ozonbildung und -zersetzung
Rechnung getragen wird.
Chemilumineszenz- oder UV-Absorptions-Messgeräte werden zur Analyse der
verschiedenen beim Schweißen entnommenen Gasproben (Ozon, Stickoxid) verwendet.
Messgeräte von Herstellern wie BENDIX (Model 8002). BECKMAN (Model 950) und
PHILIPS (PW9771) arbeiten nach dem Chemilumineszenz-Prinzip. Diese Geräte erwiesen
sich als geeignet für stationäre Messungen von Ozonkonzentrationen in Luft.
Messprinzip von bewährten Geräten
Die ozonhaltige Luftprobe wird in einer Reaktionszelle, die auch als Messkolben dient, mit
einem Reagenz zur Reaktion gebracht.
Die bei der Reaktion als Licht freigesetzte Energie wird von einem photometrischen Detektor
in ein elektrisches Signal umgesetzt.
Der Prüfraum wird unter Laborbedingungen betrieben, d.h. bei ungefähr konstanten
Temperaturen der Umgebungsluft, vernachlässigbaren Schwingungen, stabilen
Betriebsspannungen und mit täglichen Inspektionen.
3.2 Geräte
3.2.1
Ozon-Monitor 8002, (Chemilumineszenz Prinzip),
Bendix [62], [99]
Der Messeffekt des Bendix-Ozon-Monitors basiert auf der Chemilumineszenz-Reaktion in
der Gasphase zwischen O3 und C2H4. Die Reaktion verläuft bei Atmosphärendruck und führt
zu einer Photonenemission im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 600 nm (λmax ≈
435 nm). Die Intensität des emittierten Lichtes ist ein Maß für die Konzentration von O3 bei
einem Überschuss an C2H4.
Das Gerät enthält:
Reaktionskammer, Ozon-Generator, Nullgasfilter, PTFE Luftprobenfilter, Druckregelung,
Durchflussmesser, Membranpumpe.
Der Bendix-Ozon-Monitor ist ein Gerät für Immissionsmessungen mit kontinuierlicher
Anzeige und einstellbaren Messbereichen. Die Chemilumineszenz-Reaktion findet in einer
Reaktionskammer statt. Die Intensität der Chemilumineszenz-Strahlung wird mit einem
Photoelektronenvervielfacher gemessen.
Durch Bestrahlung des Nullgases mit einer UV-Lampe wird das O3-haltige Gasgemisch für
die Eichung gebildet, wobei die O3-Konzentration durch Einstellung eines Diaphragmas an
den Messbereich angepasst werden kann. Wenn dieses Diaphragma eingestellt wird, ist eine
nue Eichung des Ozongenerators erforderlich. Das Gerät wird vom Hersteller mit einer
Festeinstellung für den Ozongenerator geliefert, die im Datenblatt jeden Gerätes festgelegt
wird.
Hilfsgas:
Ethen (C2H4); Reinheit mindestens 99,5 %; erhältlich in Gaszylindern;
es wird in den Analysator mit einem Überdruck von etwa 2 bar
eingeleitet.
Feinstaubfilter
Filter aus PTFE von Bendix oder gleichwertig
Filtermasse für
Nullgas
feinporig, gekörnte Aktivkohle, 8/14 mesh, Silikagel; Molekularsieb
0,3 nm
Zur Eichung:
Gereinigte Luft
zum Betrieb eines externen Prüfgenerators
Die durch die Reaktion von Ethen mit dem in der Probe enthaltenen Ozon erzeugte
Lichtenergie wird von einem photometrischen Detektor erfasst. Es läuft folgende Reaktion
ab:
O3 + C2H4 → HCHO + h • ν
-
Luftdurchfluss der Probe 60 l/h
Teflon-Staubfilter
Ethen, Reinheit 99,5%, ohne polymerisierende Verunreinigungen
Verbrauch 1,5 l/h
-
Nennwerte der Messbereichsgrenzen
1) 0-0,01 ppm
2) 0-0,02 ppm
3) 0-0,05 ppm
4) 0-1
-
5) 0-0,2 ppm
6) 0-0,5 ppm
7) 0-1,0 ppm
Einstellzeit tE90 = 11 s (tE50 = 5 s)
3.2.2
Ozon-Monitor, Modell 950 [62]
(Prinzip siehe 3.2.1)
03 + C2H4 → HCHO + h • ν
-
Luftdurchfluss der Probe 48 l/h
Filter für die einatembare Fraktion (Sinter-Metall)
Ethen, Reinheit 99,5 % ohne polymerisierende Verunreinigungen
Verbrauch: 1,5 l/h
Nennwerte der Messbereichsgrenzen
1)
2)
3)
4)
-
0-0,025 ppm
0-0,05 ppm
0-0,1 ppm
0-0,25 ppm
5) 0 – 0,5 ppm
6) 0 –1,0 ppm
7) 0 –2,5 ppm
Einstellzeit tE90 = 55 s (tE50 = 24 s)
3.2.3
Ozon-Monitor, Modell PW 9771, Philips [62]
Prinzip: Die bei der Reaktion von festem Rhodamin B mit dem in der Probe enthaltenen
Ozon freigesetzte Lichtenergie wird von einem photometrischen Detektor erfasst.
-
Luftdurchfluss der Probe 36 l/h
Staubfilter
Rhodamin B, Pressstück, verbraucht nach etwa 3 Monaten
-
Nennwerte der Messbereichsgrenzen
1) 0-0,17 ppm
2) 0-0,5 ppm
-
Einstellzeit tE99 = 160 s
Insbesondere für diese Chemilumineszenz-Verfahren müssen die
Wartungsanweisungen der Hersteller zum Schutz der Messzelle vor Verschmutzung
eingehalten werden. Es muss untersucht werden, ob der Staubfilter - belanden oder
unbeladen - einen Einfluss auf den Ozongehalt der Luftprobe hat.
3.2.4
Ozon-Messungen mit Dräger-Röhrchen
Das Prinzip dieser Dräger-Röhrchen basiert auf der Reaktion des Ozons mit dem
Reagenzsystem des Prüfröhrchens. Wenn Ozon vorliegt, ändert sich die Farbe des
Reagenz-Systems im Röhrchen über eine bestimmte Länge von hellblau nach weiß. Die
Ozonkonzentration kann direkt in ppm von der Skala abgelesen werden.
Luftprobe/Pumpenhub = 100 ml
Durch Erhöhen der Hubzahlen kann der Empfindlichkeitsbereich des Röhrchens erweitert
werden.
3.2.5
Ozon
Ozon-Messungen mit dem Dräger Bio-Check
Es handelt sich um ein Plaketten-Messsystem, das 10 Einzelmessungen ermöglicht.
-
20 min Messzeit innen
Die Bestimmung der Ozon-Konzentration kann durch Vergleich der Farbe mit dem Farbcode
auf dem Plakettenhalter erfolgen.
Farbwert
A
B
C
D
Ozon-Konzentration µg/m³
30 – 90
90-150
150-210
innerhalb des MAK-Wertes
210-240
MAK-Wert überschritten
3.2.6
Kalibrierung von Ozon-Messeinrichtungen mit
Ozongeneratoren [97]
Ozon-Prüfgas muss prinzipiell direkt vor der Verwendung hergestellt werden. Es wird
vorrangig in photometrischen Generatoren durch photolytische Einwirkung von kurzwelliger
ultravioletter Strahlung (λ < 220 nm) von Quecksilber-Silber-Dampflampen auf Sauerstoff,
z.B. in Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen erzeugt.
Zur Kalibrierung der Ozon-Messverfahren und -Analysatoren mit Ozonprüfgas sollte dieses
Verfahren als Sekundärstandard betrachtet werden. Daher muss die Ozonkonzentration im
Prüfgas durch parallele Bestimmung mit dem Kaliumjodid-Verfahren oder dem UVphotometrischen Verfahren als Standardverfahren bestimmt und regelmäßig überprüft
werden. Die Häufigkeit dieser Überprüfungen hängt von der Langzeit-Stabilität des
verwendeten Ozongenerators ab.
3.2.7
Mikro-coulometrisches Verfahren – MAST
RECORDER 725-6 [98]
Die Bestimmung von Ozon nach dem Kaliumjodid-Verfahren (Standardverfahren) ist kein
selektives Verfahren wie z.B. das Chemilumineszenz-Verfahren, das auf der Reaktion von
Ozon mit Ethen basiert. Wie das mikrocoulometrische Verfahren ist es ein kumulatives
Verfahren, das auch andere oxidierenden Stoffe, wie z.B. Peroxide registriert. Das
Messergebnis wird angegeben in O3-Äquivalenten als Volumengehalt in ppm.
Das Messprinizip des MAST-Recorders 725-6 basiert auf der Reaktion von Ozon und
anderen oxidierenden Stoffen mit einer KJ/KBr-Lösung in einer Mikro-Coulomb-Zelle mit
einer Potentialdifferenz von 0,24 V zwischen den Elektroden.
3.2.8
Manuelles photometrisches Verfahren Kaliumjodid-Verfahren (Standard-Verfahren) [96]
Dieses Ozon-Messverfahren ist nicht selektiv, wie z.B. das Chemilumineszenz-Verfahren,
sondern kumulativ, weil es auch andere oxidierende Stoffe erfasst.
Zur Kalibrierung wird Ozon in reiner trockener Luft verwendet.
Für selektive Ozonmessungen muss der Einfluss anderer Gase als Störgröße angegeben
werden.
Prinzip des Verfahrens
Ozon reagiert mit Kaliumjodid in einer wässrigen Lösung nach folgender Formel:
O3 + 2 KJ + H2O → J2 + O2 + 2KOH
Die Extinktion der wässrigen Lösung ist ein Maß für die Ozonkonzentration der zu
analysierenden Luftprobe.
- Ansprechwert der Ozonkonzentration: 20 µg/m³ oder 0,01 ppm
Möglichkeiten der Verwendung
Wegen des starken Einflusses von oxidierenden und reduzierenden Stoffen auf die
Grundreaktion kann dieses Verfahren nur zum Kalibrieren anderer Verfahren mit reinem
Ozonprüfgas verwendet werden.
3.2.9
Manuelles photometrisches Verfahren – IndigoSulfonsäureverfahren [100]
In schwach saurer wässriger Lösung reagiert Ozon mit Indigo-Sulfonsäure. Die resultierende
Abschwächung der Farbintensität der blauen Reaktionslösung wird photometrisch im Bereich
der maximalen Lichtabsorption (Wellenlänge λ = 600 to 630 nm) gemessen. Sie ist ein Maß
für die Ozonkonzentration der untersuchten Luftprobe.
3.2.10
Direktes UV-photometrisches Verfahren
(Standard-Verfahren) [101]
Das direkte UV-photometrische Verfahren dient der Bestimmung des Volumengehaltes von
Ozon in Prüfgasen, die in Ozongeneratoren erzeugt werden und die zur Kalibrierung von
Ozonanalysatoren im Bereich zwischen 0,01 bis 1 ppm verwendet werden können
Wie das Kaliumjodid-Verfahren ist dieses Verfahren ein geeignetes Standard-Verfahren.
Ozon hat ein Absorptionsmaximum nahe der Resonanzlinie von Quecksilber bei 253,7 nm.
Reine synthetische Luft oder gereinigte Umgebungsluft lässt Licht dieser Wellenlänge durch.
Der Volumengehalt von Ozon im Prüfgas (in ppm v/v) wird aus dem gemessenen Verhältnis
der Lichtstärke bei Vorliegen von Ozon und ohne Ozon, der Länge des Lichtpfades und dem
Abnsorptionskoeffizienten nach dem Lambert-Beerschen Gesetz berechnet.
4
Interpretation der Messergebnisse
Mit Hilfe der Messergebnisse können ozonreduzierende Maßnahmen bewertet werden:
Brenner mit Rauchabsaugung und Zusätze zu Schutzgasen (NO, H2) scheinen ineffektiv zu
sein. Sie können sogar zu erhöhten Werten der Verschmutzung der Atemluft führen.
Es gibt anscheinend keinen Zusammenhang zwischen der Verschmutzung im
Lichtbogenbereich und der im Atembereich des Schweißers: die Ozonkonzentration im
Atembereich kann sogar ansteigen, wenn die Bildung von Ozon im Lichtbogen abnimmt. Ein
Grund hierfür kann sein, dass in der Nähe des Lichtbogens eine ozonreduzierende Reaktion
zwischen Stickstoffmonoxid und Ozon stattfindet, im Atembereich jedoch nicht.
Brenner mit Absaugung sind schwieriger zu handhaben und daher haben Schweißer
gewisse Vorbehalte gegen sie. Trotzdem sind sie unter bestimmten Bedingungen zu
empfehlen. Die Ozonmenge, der der Schweißer ausgesetzt ist kann jedoch nicht reduziert
werden, weil diese Brenner nur einen Teil des in der Nähe des Lichtbogens erzeugten Ozons
entfernen.
Wie erwartet wird die Ozonmenge über dem Lichtbogen durch Arbeitsplatzlüftung
vermindert, während die Ozonmenge im Atembereich ziemlich deutlich ansteigt. Dies ist
darin begründet, dass durch die Absaugung der Rauche direkt über dem Lichtbogen die
Schutzwirkung des Rauches gegen die UV-Strahlung vermindert wird. Damit steigt die
Strahlung an und die Bildung von Ozon im Atembereich des Schweißers wird erhöht.
Im Gegensatz zu einem Brenner mit Rauchabsaugung umfasst eine richtig dimensionierte
Arbeitsplatzabsaugeinrichtung auch das Ozon, dem der Schweißer ausgesetzt ist und
verringert die Giftstoffmenge im Atembereich.
Vergleichsprüfungen mit Argon und einem Argon-Wasserstoff-Gemisch bestätigten, dass der
Zusatz von Wasserstoff nur zu einer Reduzierung der Ozonmenge im Bereich über dem
Lichtbogen führt, nicht jedoch im Atembereich des Schweißers.
Der Wechsel vom MIG- zum WIG-Schweißen mit AlMg4.5Mn vermindert sowohl die
Ozonwerte über dem Lichtbogen, als auch im Atembereich
Im allgemeinen führt ein Anstieg oder eine Abnahme des Ozonlevels im Lichtbogenbereich
jedoch nicht notwendigerweise zu einem Anstieg oder einer Abnahme im Atembereich.
Es ist wichtig, jeden Einzelfall zu betrachten. In der Mehrzahl der Fälle führen
ozonreduzierende Maßnahmen wie die Verwendung von Brennern mit Rauchabsaugung
oder Schutzgaszusätze (wie z.B. NO and H2) nicht zu weniger Verschmutzung für den
Schweißer, weil sie nur in der unmittelbaren Umgebung des Lichtbogens wirken. Sie können
sogar zu einer Erhöhung statt zu einer Verminderung der Ozonkonzentration führen, wie in
der Vergangenheit oft festgestellt wurde.
Besonders für Dauerarbeitsplätze werden lokale Rauchabsaugeinrichtungen empfohlen.
5
Zusammenfassung der Literatur-Recherche
Die hier vorgestellte Zusammenfassung der Literaturrecherche basiert auf einer großen Zahl
von Publikationen zum Thema Schweißen und Exposition gegenüber Ozon, einem
Schadstoff, der beim Schweißen erzeugt wird.
Wir stellten fest, dass die meisten Autoren der hier betrachteten Veröffentlichungen nur
begrenzte und unvollständige Informationen über die verwendeten Verfahren,
Messinstrumente, Schweißparameter und andere wichtige Faktoren angaben.
Nur einige Autoren gaben detaillierte Informationen über die untersuchten und gemessenen
Schweißsituationen
Allgemein können wir unterscheiden zwischen:
-
Veröffentlichungen zu Laboruntersuchungen, d.h. Messungen, die in verschiedenen
Fume-Box-Typen durchgeführt wurden
Veröffentlichungen zu Arbeitsplatzuntersuchungen, d.h. Messungen, die in Werkstätten,
in der Industrie in direktem Zusammenhang mit der Exposition des Schweißers
durchgeführt wurden.
Die meisten Veröffentlichungen betreffen die zweite Gruppe, d.h. Arbeitsplatzmessungen.
Einige Autoren versuchen, einen Zusammenhang zwischen den festgestellen
Emissionsraten und Konzentrationen zu finden und versuchen, die gegenläufigen oder
manchmal nicht-linearen Ergebnisse zu erklären.
Unsere Schlussfolgerung aus der Literaturrecherche entspricht den Zielen des
Anwendungsbereiches dieses europäischen Projekts, nämlich:
1) es besteht die Notwendigkeit, einen Zusammenhang zwischen den bei den
Laboruntersuchungen gefundenen Emissionsraten und den am Arbeitsplatz gemessenen
Konzentrationen festzustellen,
2) als Messinstrumente empfehlen wir für dieses europäische Projekt und auch für die
Zukunft Chemilumineszenz-Messinstrumente, weil nur dieses Prinzip für das Messen von
Ozon beim Schweißen geeignet ist. Es ist das zuverlässigste Verfahren, bei dem keine
Störungen durch andere Stoffe auftreten, es ist sehr schnell und hat eine kurze
Reaktionszeit, es ermöglicht ein kontinuierliches Messen der Ozonwerte, kann im Labor
zur Bestimmung der Emissionsraten und gleichzeitig für Arbeitsplatzmessungen
verwendet werden.
3) Zur Bestimmung der Ozon-Emissionsraten (mg/s) könnte eine größere Fume-Box (z.B.
das Zwei-Box-System) geeignet sein
4) Zur Bestimmung der Ozonkonzentrationen (mg/m³) am Arbeitsplatz gibt es zwei
unterschiedliche interessante Messpunkte:
-
den Atembereich des Schweißers (hinter dem SchweißerGesichtsschutzschirm)
den "Nahbereich" – in einem festgelegten Abstand und Winkel vom
Lichtbogen, typischerweise bei 150-600 mm und 30-60°
5) Aus arbeitsmedizinischer Sicht ist die am meisten zu beachtende Prozess/WerkstoffKombination das MIG-Schweißen von Aluminiumlegierungen, insbesondere von AlSiLegierungen.
Hier wurden sehr hohe Emissionsraten und auch sehr hohe Konzentrationen im
Atembereich des Schweißers gefunden, manchmal sogar, wenn Absaugsysteme
verwendet wurden
Auch das Schutzgasschweißen von hochlegiertem Stahl ist im Hinblick auf die Exposition
gegenüber Ozon von Bedeutung. Daher empfehlen wir auch die Prüfung folgender
Prozess/Werkstoff-Kombination: MIG- und WIG-Schweißen von hochlegiertem Stahl.
Das MAG-Schweißen erzeugt sehr hohe Rauchemissionsraten (zwischen 2 und 25 mg/s)
mit Massivdraht und mehr als 25 mg/s mit Fülldraht. Dadurch wird die Zersetzung von
Ozon sehr stark beeinflusst. Aus diesem Grund scheint es nicht notwendig zu sein, die
Ozon-Emissionsraten und -Konzentrationen für diesen Prozess zu untersuchen. Es reicht
aus, auf die Unterschiede zwischen MIG- und WIG-Schweißen hinzuweisen.
6) Wegen der begrenzten Informationen, die in der Literaturrecherche zu angemessenen
Schweißparametern (Strom, Spannung), Schutzgasrate, Drahtdurchmesser für jede
Prozess/Werkstoff-Kombination gegeben werden. empfehlen wir in diesem
Zusammenhang, die Anweisungen der Hersteller der Elektroden und Schutzgas zu
befolgen.
Literaturquellen
Ozone emission rates and exposure measurements
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AHRE (ALBERTA Human Resources and Employment) – WHS Bulletin
(Workplace Health & Safety Bulletin): “A Welder’s Guide to the Hazards of
Welding Gases and Fumes, Chemical Hazards – CH032”, March 2000;
http://www.gov.ab.ca/LAB/facts/ohs/ch032.html
[2]
“Appendix 6430-T2, Assessment of and Protection from Welding Arc Radiant
Hazards” – Rev. November 6, 1996; Jefferson Lab EH&S Manual – Rev. 4.5 –
26 May 2999 http://www.jlab.org/ehs/manual/EHSbook-433.html
[3]
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from AGA Gas Division research unit, Report GM 116e, 1977
[4]
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aluminium”, Research report GIF-0050 from AGA Gas Division research unit, by
Smårs, E. 1980
[5]
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(GMA) welding”, Report GIF-7127, by Smårs, E. 1987-09-01
[6]
AGA Aktiebolag, Sweden: Technical report: Ozone reduction with Mison
gases – basic facts, 1989, by Stenbacka, N.
[7]
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Schutzgasschweißen“
[8]
Anderson, P.C.J., Wiktorowicz, R.: in Welding and Metal Fabrication, Band 63
(1995), Heft 9, Seite 385, 386,388 “Ozone emissions during arc welding pt. 1 –
Formation and measurement”
[9]
Aretz, H.-G. in: Schweißen und Schneiden 8/1995 „Reizwort „OZON“
[10] Arndt, Fritz in metall 8/95 „Ozon im Betrieb, Die unsichtbare Gefahr“
[11] Baum, K.: in Schweißen und Schneiden 30 (1978) Heft 11: „Ermitteln des
Ozongehaltes beim Wolfram-Inertgasschweißen mit Analysengeräten und
Prüfröhrchen – Vergleich der Meßverfahren“
[12] Beratungskommission der Sektion Toxikologie der DGPT „Stellungnahme
zu Ozon“, 7.12.99
[13] BIA-Report Ozon 8/95, BIA-Fachgespräch 25. und 26. September 1995,
HVBG, prepared by Smola, Th. and Blome, H.
[14] Ergebnisse des BIA-Fachgesprächs „Ozon“, Teile 1, 2 und 3
[15] BIA GESTIS-Stoffdatenbank Ozon Arbeitsmedizin
[16] Bjørseth, O.: in Sveiseteknikk Nr. 1 (1988) “Arbeidsmiljø ved sveising”
[17] Blättler, Markus in: Sichere Arbeit 4/1998 „Schadstoffexposition beim
Schweißen“
[18]
Blome, H. und Smola, T., BIA, Sankt Augustin in: Sicherheitsingenieur 7/96, 8/96, 9/96 „Ozon
und Arbeitsschutz“
[19] Brehme, H., Farwer, A., Sroka, U. in: gas aktuell 40, Messer Griesheim
„Rechnergestützte Ozon-Messungen beim Schutzgasschweißen“
[20] Brehme H., Farwer A., Sroka U.: “Computer-aided ozone measurements
during shielded arc welding”, focus on gas 8
[21] CEN/TC 121/SC 9/WG 1 N 32, “Minutes from meeting on measurement of
ozone during gas shielded arc welding, TWI, September 26, 1994”
[22] Dennis, J.H. et al.: in The Annals of Occupational Hygiene, Band 41 (1997)
Heft 1, Seite 95-104 “The effects of welding parameters on ultra-violet light
emissions, ozone and CrVI formation in MIG welding”
[23] Dillon, H.K., Graham, M.M., Emory, M.B.: American Welding Society
“Laboratory Validation of Ozone Sampling with Spill-Proof Impingers”
[24] Ditschun, A., Sahoo, M: in Welding Journal (1983) “Production and Control of
Ozone during Welding of Copper-Base Alloys”
[25] Eichhorn, A., Farwer, A., Schwarzbach E.: „Schweißrauchkonzentration beim
teilmechanischen MAG-Schweißen von unlegiertem Stahl in Abhängigkeit von
Hallengröße, Einschaltdauer und Absaugung“, Messer Greisheim, Sonderdruck
aus DVS-Berichte, Band 112, 15/88
[26] Farwer, A: “A Possibility to standardize measurements of ozone risk potential
during arc welding independent of workplace conditions”, IIW – VIII – 1719 – 94
[27] Farwer, A: „Ozone concentration in the welders‘ breathing zone with gasshielded arc welding: Recent investigations on the influence of nitric oxide
additives in the shielding gas“, IIW/IIS VIII – 1472 – 89
[28] Farwer, A.: “Ozone in the welders’ breathing zone with shielded gas arc
welding – Limits and restrictions of emission data to predict effects of nitrogen
monoxide additives in the shielding gas”, IIW/IIS VIII-1504-89
[29] Farwer, A: ”General considerations on the possibility to evaluate ozone
emission data in a fume box with gas shielded electrical arc welding”, CEN/TC
121/SC 9/WG1 N 14, 10.05.1992
[30] Farwer, A. in Schweißen und Schneiden 11/1980 „Messungen der
Ozonkonzentrationen beim Wolfram-Inertgasschweißen von hochlegiertem
Stahl und Aluminium in einem Fertigungsbetrieb“
[31] Farwer, A.: in: Schweißtechnik 2/81 „Was man über die Ozonbildung beim
WIG- MIG- und MAG-Schweißen wissen sollte“
[32] Farwer, A.: in Schweißen und Schneiden 34 (1982) Heft 2 „Luftverunreinigende
Stoffe beim Schutzgasschweißen; Zusammenhang zwischen Entstehung und
Konzentration im Atembereich – Ergebnisse von Labor- und
Betriebsmessungen“
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[55] Linde AG, Werksgruppe Technische Gase, DOKUMENTATION über
Betriebsmessungen von Schadstoffkonzentrationen“ – Fa. Vereinigte
Metallwerke Ranshofen-Berndorf AG (Österreich) – Verarbeitung von
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[56] Linde AG, Werksgruppe Technische Gase, DOKUMENTATION über
Betriebsmessungen von Schadstoffkonzentrationen“ – Fa. Lugmayr,
Burgkirchen-Forstern (Österrreich) – Fertigung von Ladebordwänden
[57] Linde AG, Werksgruppe Technische Gase, DOKUMENTATION über
Betriebsmessungen von Schadstoffkonzentrationen“ – Fa. Jurany & Wolfrum,
Pinsdorf (Österreich) – Behälterfertigung für Molkereiprodukte
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Gasförmige Schadstoffe, Wirkung spezifischer Schadstoffe, MetallInertgasschweißen, Wolfram-Inertgasschweißen, Plasmaschmelzschneiden
[96] VDI 2468 Blatt 1, VDI Richtlinien, Mai 1978, Messen gasförmiger Immissionen,
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[97] VDI 2468 Blatt 2, VDI Richtlinien, Oktober 1978, Messen gasförmiger
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measurement - Measurement of ozone and peroxide concentration –
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[98] VDI 2468 Blatt 3, VDI Richtlinien, Mai 1978, Messen gasförmiger Immissionen,
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[99] VDI 2468 Blatt 4, VDI Richtlinien, Mai 1978, Messen gasförmiger Immissionen,
„Messen der Ozon-Konzentration, Chemilumineszenz-Verfahren, Bendix Ozone
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concentrations – Chemiluminescence method – Bendix Ozone Monitor 8002)
[100] VDI 2468 Blatt 5, VDI Richtlinien, Mai 1978, Messen gasförmiger Immissionen,
„Messen der Ozon-Konzentration, Manuelles photometrisches Verfahren,
Indigosulfonsäure-Verfahren“ (Gaseous air pollution measurement Measurement of ozone concentration – Manual photometric method – Indigo
sulfonic acid method)
[101] VDI 2468 Blatt 4, VDI Richtlinien, Mai 1978, Messen gasförmiger Immissionen,
„Messen der Ozon-Konzentration, Direktes UB-photometrisches Verfahren,
(Basisverfahren)“ (Gaseous air pollution measurement - Measurement of ozone
concentration – Direct UV-photometric method (Standard method))
[102] Vermerk zu Ozon beim Verarbeiten von Beschichtungsstoffen (TA Hannover,
Piek; 1.8.1995)
[103] Walser; H und Frei, A: in Journal de la Soudure (1979) 6, 139-143 „Aspekte
des Gesundheitsschutzes beim Schweißen von Aluminium, im besonderen der
Irritationen durch Ozon“
[104] Worrall, D.A.: ”Ozone in the environment – formation and control in welding”,
The welding Institute research bulletin, January 1984, pp. 18-23