Sondermessprogramm „Ultrafeine Partikel“ Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 FACHBEITRAG...

Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7 371

1 Einführung Das Thema ultrafeine Partikel beim Schweißen undbei verwandten Verfahren steht seit mehr als 10 Jahrenim Fokus der Prävention und ist somit einer der Schwer-punkte bei den von der Berufsgenossenschaft Holz undMetall (BGHM) begleiteten und finanziell unterstütztenForschungsvorhaben auf dem Gebiet des Arbeits- undGesundheitsschutzes in der Schweißtechnik. Nachdemim Labor mittels der Fumebox-Methode umfangreicheUntersuchungen zur Bestimmung der Charakteristika vonultrafeinen Partikeln bei schweißtechnischen Prozessenmit Erfolg abgeschlossen waren und die Ergebnisse dieserUntersuchungen Vergleiche zwischen den verschiedenenVerfahren-Werkstoff-Kombinationen ermöglichten, stelltesich die Frage nach der biologischen Wirkung derSchweißrauche auf den menschlichen Organismus. Mitdieser Frage beschäftigen sich aktuell zwei Forschungs-institute, das ISF (Institut für Schweißtechnik und Füge-technik) der Technischen Hochschule Aachen und dasIASA (Institut für Arbeitsmedizin und Sozialmedizin, Uni-versitätsklinikum RWTH Aachen), die auch von derBGHM begleitet und finanziell unterstützt werden. Überdiese Ergebnisse wird in Kürze in einem separaten Beitragberichtet. Parallel zu diesen arbeitsmedizinischen Untersuchun-gen fanden messtechnische Untersuchungen in einemvom Themenfeld „Schadstoffe in der Schweißtechnik“speziell dafür geplanten und vom messtechnischen Dienstder BGHM durchgeführten Messprogramm statt. DerSchwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der mess-technischen Erfassung und Auswertung wichtiger physi-

kalischer Eigenschaften der ultrafeinen Partikel wie derAnzahlkonzentration und Größe. Die Messungen wurdensowohl im Atembereich des Schweißers unter Verwen-dung eines personentragbaren entwickelten Messgerätsals auch mit einem stationären Messsystem durchgeführt.Zudem wurden weitere Schadstoffbelastungen desSchweißers erfasst. Das Sondermessprogramm wurde mit Unterstützungder SLV Hannover durchgeführt und war in zwei Teileaufgeteilt. Der erste Teil fand vorwiegend im Labor, derzweite Teil überwiegend in der Werkstatt der SLV statt.Die SLV Hannover stellte hierfür neben den Räumen auchdas Schweißpersonal und die Werkstoffe zur Verfügung.

2 Verfahren und Werkstoffe Für die hier beschriebenen Untersuchungen kamenfolgende Verfahren zum Einsatz:

In zwei Messprogrammen wurden bei zehn schweißtechnischen Verfahrenmit unterschiedlichen Werkstoffen umfangreiche Schadstoffmessungendurchgeführt. Ziel war es, einige Charakteristika von ultrafeinen Partikelnmesstechnisch zu erfassen. Dabei wurde ergänzend die Belastung desSchweißers durch verfahrens- und werkstoffspezifische Schadstoffe erfasst.Die schweißtech-nischen Verfahren wurden von unterschiedlichen Schwei-ßern, mit unterschiedlichen schweißtechnischen Erfahrungen und Hand-fertigkeiten durchgeführt.

DIE AUTOREN

Sondermessprogramm „Ultrafeine Partikel“

Dr.-Ing. Vilia Elena Spiegel-CiobanuVorsitzende des Expertenkreises „Schadstoffein der Schweißtechnik“ im FBHM der DGUV,Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM),[email protected]/?id=200680

Dipl.-Ing. (FH) Roman WeißMitarbeiter der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM), Hannover, im Sachgebiet messtechnische [email protected]/?id=207133

Arbeitsschutz/Arbeitssicherheit, Brennschneiden, Gasschweißen,

Laserstrahlschweißen, Löten, Metalllichtbogenschweißen, Plas-

maschneiden, Schutzgasschweißen

ABSTRACT

In two measuring programmes, extensive pollutantmeasurements were taken in ten welding techno-logy processes with different materials. The objecti-ve was to record some characteristics of ultrafineparticles using measuring technology. In this re-spect, the burdens on the welder due to pollutantsspecific to the processes and the materials were re-corded in addition. The welding technology proces-

ses were carried out by different welders, with dif-ferent experience and manual skills in welding tech-nology.

Special measuring programme for “ultrafine particles“

KEYWORDSsafety at work, flame cutting, gas welding, laser welding, brazing

and soldering, metal arc welding, plasma cutting, gas-shielded arc

welding

STICHWÖRTER

ULTRAFEINE PARTIKEL FACHBEITRAG

372 Schweißen und Schneiden 66 (2014) Heft 7

ULTRAFEINE PARTIKELFACHBEITRAG

de von der BGHM zur Verfügung gestellt und war so prä-pariert, dass die Probenahmeköpfe PGP-E/A, GSP undder Probenahmeschlauch vom DISCmini im Schweißer-helm integriert werden konnten. Somit waren die Probe-nahmen im Helm und damit im direkten Atembereichdes Schweißers möglich, Bild 1. Dort, wo kein Schweiß-schutzhelm zum Einsatz kam (zum Beispiel beim Gas-schweißen), fanden die Probenahmen ebenfalls an derPerson (im Atembereich des Schweißers) statt.

4 Technische Angaben und weitereRandbedingungen4.1a Teil 1: Labor• Raum, geschlossen, V = 720 m3,Lüftungssituation:• freie Lüftung, durch zwei kleine Fenster im Dachbe-

reich;• mobile Schweißrauch-Absaugung der Firma Kemper

(IFA-geprüft) mit Filterkassetten für Partikel undGase (Aktivkohle);

• Erfassungsgeschwindigkeit: 0,6 m/s;• teilweise keine Nachführung der Absaugung;• Abstand von der Schweißstelle etwa 20 cm.Es wurden vorwiegend Kehlnähte geschweißt, die Probe-nahmezeit betrug jeweils 45 min. Beim ersten Teil des Sondermessprogramms (Verfah-ren Lichtbogenhandschweißen) wurde die speziell fürdiese Untersuchungen gelieferte Absauganlage (Erfassungan der Entstehungsstelle) von Kemper nur mit dem Par-tikelfilter bestückt. Gleichzeitig waren im Labor die Dach-fenster und die Tür geschlossen, somit war mit einer hö-heren Belastung zur rechnen, da keine Raumlüftung vorhanden war. Nach einer halbstündigen Pause wurdendie Schweißarbeiten mit der nächsten Verfahren-Werk-stoff-Kombination fortgesetzt. Die Partikelfilterkassettewurde durch einen Doppelfilter (auch von Kemper) fürPartikel und Gase (Aktivkohle) ersetzt. Ab hier wurdedie mobile Absauganlage nur in dieser Ausführung ver-wendet. Die Tür und die Fenster blieben auch beim zwei-ten Versuch geschlossen (Lichtbogenhandschweißen;unlegierter/niedriglegierter und hochlegierter Stahl,MIG-Löten mit CuSi3-Lot, auch 5 min MIG-Löten vonverzinktem Stahl mit CuSi3) – Die Erfassungsbedingun-gen entsprachen also denen beim Schweißen in „engenRäumen“.

• Es wurden 1 m lange Kehlnähte geschweißt (Verbin-dungsschweißen).

• Protokolliert wurden Strom, Spannung sowie auchdie Zahl der verbrauchten Elektroden.

• Ab dem vierten Versuch (MIG-Schweißen von Alu-minium mit Zusatzwerkstoff AlMg3) wurden zweikleine Fenster im Dachbereich und die Tür geöffnet(freie Lüftung) und das Erfassungselement in derMitte des Werkstücks positioniert. Dieses wurde je-doch nur teilweise mitgeführt.

• Die Einschaltdauer betrug zwischen 60 und 80%,also manchmal etwas mehr als im Regelfall. Die Ver-haltensweise der Schweißer während der Versuchewar unterschiedlich: Manche haben nach jederRaupe die Schweißnaht gründlich gereinigt (Bürste),manche gar nicht.

• Beim Hartlöten wurden jeweils drei kleine Teile(Breite 30 mm, Länge 130 mm) im Überlappstoß (30mm) gelötet.

• Die Länge der frei brennenden Flamme für das An-wärmen betrug 20 cm. Dies beeinflusst die Entste-hung der Stickstoffoxide. Beim Löten selbst wurdenur eine 1 bis 2 cm lange Flamme benötigt.

4.1b Teil 1: Weitere Versuchsräume• Plasmaschneiden von hochlegierten Chrom-Nickel-

Stahl und von Aluminiumlegierungen wurde ma-schinell mit Absaugung über den Tisch(Schlitzabsaugung) und über eine Absaughaube inetwa 2,2 m Höhe in einem separaten Raum („engerRaum“, Raumvolumen 38,72 m3) durchgeführt.

• Das Plasmaschneiden der Aluminiumlegierungwurde nur 10 min lang durchgeführt. Aufgrund dererheblichen Rauchmenge, des Ausfalls der Absaug-anlage und des kleinen Raums wurden die Filternach 10 min unwirksam.

• Gasschweißen und Brennschneiden fanden imRaum der Autogentechnik (Raumvolumen 315 m3)statt.

• Brennschneiden wurde in einer separaten Brenn-schneidkabine (Volumen 6,6 m3) mit Untertischab-saugung plus mobilem Absauggerät der FirmaKemper (Erfassung an der Entstehungsstelle) mitLüftungsschacht an der Decke und Luftschlitz für dieFrischluftzufuhr durchgeführt.

Bild 1 • Schweißer beimSchweißvorgang

(Lichtbogenhandschwei-ßen, Messort Labor;

links) und dabei eingesetz-ter Schweißerschutzhelm

mit integrierten Probenah-meköpfen (rechts).


• Lichtbogenhandschweißen,• Metall-Inertgaslöten (MIG-Löten),• Metall-Inertgasschweißen (MIG-Schweißen),• Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen),• Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen),• Hartlöten,• Gasschweißen,• Brennschneiden,• Plasmaschneiden,• Laserstrahlschweißen.Die Palette der Werkstoffe umfasste unlegierte/niedrigle-gierte sowie hochlegierte Zusatz- und Stahl-Grundwerkstof-fe, Kupferlote und -drähte sowie Aluminiumlegierungen.

3 Gefahrstoffe und Messgeräte Um die Belastung des Schweißers und seiner Umge-bung messtechnisch zu erfassen, wurden gleichzeitig füralle Verfahren-Werkstoff-Kombinationen die nachfolgendaufgeführten Schadstoffe mit den ebenfalls genanntenGeräten gemessen.

3.1 Ultrafeine Partikel Zur Bestimmung der ultrafeinen Partikel kam das per-sonengetragene Messsystem DISCmini (Diffusion SizeClassifier Miniature) zum Einsatz. Der Vorteil dieses klei-nen und leichten Messgeräts besteht darin, dass die Pro-benahme unmittelbar im Atembereich des Schweißersdurchgeführt werden kann. Damit ist eine genaue Beur-teilung der persönlichen Exposition des Schweißers durchultrafeine Partikel möglich. Der DISCmini erfasst Partikelmit einer Größe von 20 bis 700 nm, mit einer zeitlichenAuflösung von einer Sekunde. Das Messprinzip basiertauf der elektrischen Aufladung von Aerosolen. Die Partikelwerden mit positiven Luftionen vermischt, die in einerCorona-Entladung erzeugt werden. Die geladenen Partikelwerden danach in zwei Stufen mittels Elektrometern de-tektiert. Der Konzentrationsmessbereich ist abhängig vonder Partikelgröße und liegt zwischen etwa 103 und 107

Partikel/cm3. Aus den Strömen kann auf die Partikelan-zahlkonzentration (Einheit 1/cm3) und den mittleren Par-tikeldurchmesser (Einheit nm) geschlossen werden. Diegleichzeitige Erfassung von Anzahlkonzentration und Par-tikelgröße ermöglicht zudem die Berechnung weiterercharakteristischer Parameter, wie die in der Lunge (Al-veolen) abgeschiedene Partikeloberfläche LDSA (LungDeposited Surface Area). Als stationäres Messsystem wurde ein FMPS (Fast Mo-bility Particle Sizer) verwendet, welcher in der unmittel-baren Umgebung des Schweißers positioniert wurde. MitHilfe des direkt anzeigenden Messgeräts können die Par-tikelanzahlkonzentration und die Größenverteilung derPartikel bestimmt werden. Analog zum DISCmini bestehtauch hier die Möglichkeit, weitere Parameter wie Ober-fläche oder Masse der Partikel überschlägig zu berechnen.Der FMPS detektiert Partikel im Größenbereich von 5,6bis 560 nm. Die maximale zeitliche Auflösung des Mess-systems beträgt ebenfalls eine Sekunde. Diese schnellezeitliche Auflösung wird dadurch erreicht, dass die zuvoraufgeladenen Partikel in einem elektrischen Feld abge-

lenkt werden und auf die um den Analysator angeordne-ten 22 Elektrometer auftreffen. Somit werden die unter-schiedlichen Größenfraktionen des Aerosols parallel ver-messen. Der Konzentrationsmessbereich hängt ebenfallsvon der Größe der Partikel ab und liegt zwischen etwa300 und 5 × 106 Partikel/cm3. Für sehr hohe Partikelkon-zentrationen kann mit Hilfe eines Verdünners der Mess-bereich nach oben erweitert werden.

3.2 Schweißrauche und Metalle Die Probenahme der Schweißrauche und Metalle imAtembereich des Schweißers wurde mit unterschiedlichensammelnden Probenahmesystemen durchgeführt, die imSchweißerschutzhelm integriert waren. Zum einen er-folgten die Messungen mit dem personengetragenen Sys-tem GSP-10, welches die partikelförmigen Stoffe (ein-atembare Schweißrauchfraktion) mit Hilfe einer Probe-nahmepumpe (Volumenrate 10 l/min) auf einem Filtersammelt. Die Bestimmung der Massenkonzentration unddie Metallanalyse der beaufschlagten Filter wurden nachden Probenahmen im Labor des IFA (Institut für Arbeits-schutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung –DGUV) durchgeführt. Zum anderen wurde mit dem System PGP-EA-10 ge-messen. Der hier verwendete Probenahmekopf ergänztdas GSP-Probenahmesystem und ermöglicht eine simul-tane Probenahme der einatembaren und der alveolengän-gigen Schweißrauchfraktion. Im Inneren des Probenah-mekopfs wird das Aerosol hierzu in zwei Stufen aufgeteiltund auf einem Polyurethanschaum als größenselektivesund sammelndes Element zusammen mit einem nachge-schalteten Planfilter abgeschieden. Neben den Messungen im Atembereich wurde zudemmit dem stationären Staubsammelgerät VC 25 F die alveo-lengängige Schweißrauchfraktion in einem Abstand vonetwa 1,5 m von der Schweißrauchquelle gemessen. DiesePosition im Raum wurde so ausgewählt, dass sie zur Be-stimmung der allgemeinen Konzentration von Schweiß-rauch in der Arbeitsplatzatmosphäre geeignet ist und einenHinweis auf die Lüftungssituation im Raum gibt.

3.3 Stickstoffoxide (NO, NO2) und Ozon Aufgrund der aktuellen Grenzwertsenkungen für NOund NO2 wurden diese Verbindungen bei allen untersuch-ten Schweißverfahren mit erfasst. Als stationäres Mess-system kam ein NOx-Analysator zum Einsatz. Bei einigenSchweißverfahren spielt als Leitkomponente auch dasOzon eine wichtige Rolle. Daher wurden bei den VerfahrenMIG-Löten, MIG-Schweißen, WIG-Schweißen und beimPlasmaschneiden von Aluminiumlegierungen zusätzlichdie Ozonbelastungen mit einem stationären Ozon-Ana-lysator mit gemessen. Mit Hilfe von Probenahmeschläu-chen wurden die Probenahmen so nahe wie möglich ander Schweißquelle durchgeführt.

3.4 Positionierung der Probenahmeköpfe im Schwei-ßerschutzhelm Bei den meisten Schweißverfahren wurde ein Schwei-ßerschutzhelm (Speedglas-Helm) verwendet. Dieser wur-



Beim zweiten Teil des Messprogramms (in der Werkstatt)wurden – soweit möglich – die gleichen Bedingungen be-züglich der Verfahren, der Werkstoffe, der Parameter undder Probenahmezeit eingehalten. Auch hier wurden Gas-schweißen und Hartlöten in einem separaten Raum derAutogentechnik durchgeführt.

5 Messergebnisse5.1 Teil 1: Labor und weitere Versuchsräume Tabelle 1 gibt die über die Messzeit gemittelten Werte(personengetragen und stationär) wieder.

Schadstoffkonzentrationen – personengetragen Bei der Betrachtung der neun durchgeführten Ver-fahren ist festzustellen, dass die gemittelten Anzahlkon-zentrationen der ultrafeinen Einzelpartikel und Agglome-rate zusammen zwischen 6,1 × 104 Partikel/cm3 (beimMIG-Löten von verzinktem Stahl) und 1,7 × 106

Partikel/cm3 (beim Plasmaschneiden von Aluminiumle-gierungen) liegen. Die mittlere Partikelgröße schwanktzwischen 24 und 133 nm. Bild 2 zeigt exemplarisch einentypischen zeitlichen Verlauf der Partikelanzahlkonzen-tration und der mittleren Partikelgröße über die Messzeit.Auch die mit dem GSP-System gemessenen minimalenund maximalen Schweißrauchkonzentrationen (E-Frak-

Tabelle 1 • Ergeb-nisse des Mess-programms (vorallen Versuchenlag die Hinter-

grundbelastungzwischen 3 × 104

und 5 × 104 Par-tikel je cm3); gelb:Teil 1: Labor, blau:

Teil 1: WeitereVersuchsräume.

• Laserstrahlschweißen wurde in einem speziellenLaser-Raum (10 m × 7 m × 4,5 m) an einem Hand-arbeitsplatz mit einer kleinen gepulsten Nd:YAG-La-serstrahlquelle und manuell nachgeführterAbsaughaube durchgeführt.

In diesem Teil des Messprogramms wurde keine oder nureine geringe Beeinflussung durch andere Schweißverfah-ren festgestellt.

4.2 Teil 2: Werkstatt• Schweißkabine, teilweise offen, V= 14,38 m3,• Schweißwerkstatt mit elf Doppelschweißkabinen,

Raumvolumen 1200 m3 (zeitweise Schweißarbeitenan beiden Arbeitsplätzen),

Lüftungssituation:• stationäres Erfassungselement: Absauggeschwindig-

keit 10 cm unter der Haube: 2,4 m/s, Absauggeschwin-digkeit an der Schweißquelle: 0,1 m/s (meistens keineNachführung des Erfassungselements);

• Abstand zur Schweißquelle etwa 20 cm;• Absauggeschwindigkeit am Schlitz unter der De-

ckenhaube: 1,2 m/s ;• keine freie Lüftung;• Zuluft im Deckenbereich an vier Stellen;• Abluft in Arbeitshöhe an siebzehn Stellen.


tionen) weisen analog zu den Partikelanzahlkonzentra-tionen mit weniger als 0,67 mg/m3 (beim Lichtbogen-handschweißen von hochlegiertem Stahl) und 27,6 mg/m3(beim Plasmaschneiden von Aluminiumlegierungen) einegroße Spannbreite auf. Tendenziell ist eine Wechselbe-ziehung zwischen der Partikelanzahl und der Masse dergesamten Schweißrauchpartikel erkennbar. Darüber hinaus findet man eine gute Übereinstim-mung der mittels PGP-EA gemessenen Schweißrauch-konzentrationen mit den mit Hilfe des GSP ermitteltenWerten. Bezüglich der analysierten Metalle (Mangan, Kup-fer, Nickel, Chrom, die als Oxide/Mischoxide oderChrom(VI)-Verbindungen im Schweißrauch enthaltensind), korrelieren auch deren Konzentrationen mit denjeweiligen Anteilen in den verwendeten Legierungen so-wie mit den jeweiligen gesamten Schweißrauchkonzen-trationen.Schadstoffkonzentrationen – stationär Bei den stationären Messungen liegen die Anzahl-konzentrationen der ultrafeinen Partikel um etwa eine

Zehnerpotenz niedriger als im Atembereich desSchweißers. Es gab jedoch auch Situationen, etwa beimPlasmas chneiden, bei denen die Anzahlkonzentrationder ultrafeinen Partikel im Atembereich höher war. Die-

Bild 2 • Verlaufder zeitlichen Par-tikelanzahlkon-zentration (oben)und der mittlerenPartikelgröße(unten; Lichtbo-genhandschwei-ßen, niedrigle-gierter Zusatz-werkstoff, Stab-elektrode mit ba-sischer Umhül-lung).

Bild 3 • Verlauf der NO-

und NO2-Konzen-tration beim

Brennschneiden



se Ausnahmen sind unter anderem auf den engen Plas-maschneideraum, den zeitweisen Ausfall der Absaug-anlage und die direkte Positionierung des Probenah-meschlauchs an der Rauchquelle zurückzuführen. Die Stickstoffoxidkonzentrationen lagen erwartungs-gemäß bei den Autogenverfahren und beim Plasma- schneiden, insbesondere beim Bearbeiten von Alumini-umlegierungen, am höchsten. Hier waren einerseits diein der Autogentechnik spezifischen Faktoren (Flammen-länge, Sauerstoffverbrauch, Brennergröße) und anderer-seits die lüftungstechnische Situation sowie die Raum-größe die wesentlichen Einflussfaktoren. Auch die gleich-zeitige Ozonbildung, die sehr niedrige Werte zeigt, stehtneben den oben genannten Faktoren in direktem Zusam-menhang mit der Höhe der Stickstoffoxidkonzentrationen.In Bild 3 ist der Verlauf der NO- und NO2-Konzentrationbeim Brennschneiden dargestellt.

5.2 Teil 2: Werkstatt In Tabelle 2 sind die über die Messzeit gemitteltenWerte (personengetragen und stationär) zusammenge-fasst.Schadstoffkonzentrationen – personengetragen Bei fast allen durchgeführten schweißtechnischen Ver-fahren-Werkstoff-Kombinationen liegen die Anzahlkon-zentrationen der Partikel oberhalb von 105 Partikel/cm3.Der niedrigste Wert liegt bei 0,82 × 105 Partikel/cm3 beimMIG-Löten, der höchste Wert wurde beim MAG-Schwei-ßen mit Fülldraht (niedriglegiert) mit 1,1 × 106

Partikel/cm3 gemessen. Obwohl die Höhe der Konzen-tration beim Gasschweißen von 3,75 × 105 Partikel/cm3dem Wert in Teil 1 entspricht, ist diese Konzentration fürein solches Verfahren mit nachweisbar sehr geringenSchweißrauchmengen als hoch zu bezeichnen. Die mitt-lere Partikelgröße variiert zwischen 35 und 112 nm.

Tabelle 2 • Ergeb-nisse des Messpro-

gramms Teil 2:Werkstatt (vor allen

Versuchen lag dieHintergrundbelas-tung zwischen 3 ×

104 und 5 × 104

Partikel je cm3).


Analog zum ersten Teil des Messprogramms zeigt sichfür die E-Fraktion des Schweißrauchs eine gute Überein-stimmung der mit dem PGP-EA und der mit GSP ermit-telten Werte. Mit Ausnahme des MIG-Schweißens vonAluminiumlegierungen, bei dem Überschreitungen derArbeitsplatzgrenzwerte (AGW) für Schweißrauche nach-gewiesen wurden (8,02 mg/m3 für die A-Fraktion und 11,2mg/m3 für die E-Fraktion), liegen alle gemessenenSchweißrauchkonzentrationen deutlich unter den AGWs(zwischen etwa 0,75 mg/m3 und 1,86 mg/m3 für die A-Fraktion und zwischen etwa 0,75 mg/m3 und 2,67 mg/m3für die E-Fraktion). Wie bei den Labormessungen korre-lieren die Konzentrationen der analysierten Metalle, dieim Schweißrauch als Oxide/Mischoxide enthalten sind,mit den jeweiligen Anteilen in den verwendeten Legie-rungen sowie mit der jeweiligen gesamten Schweißrauch-konzentration.

Schadstoffkonzentrationen – stationär Auch hier sind verfahrensbezogen die stationär ge-messenen Anzahlkonzentrationen der ultrafeinen Partikelin der Regel niedriger als die im Atembereich des Schwei-ßers. Jedoch fallen diese Unterschiede geringer aus alsim Teil 1 des Messprogramms (Labor). Beim Gasschwei-ßen ist die Partikelanzahlkonzentration sogar deutlichhöher als die im Atembereich gemessene. Demgegenüber liegen die Massenkonzentrationender alveolengängigen Fraktionen, ermittelt mit Hilfe desVC 25 F, unter der Nachweisgrenze (weniger als 0,53mg/m2). Eine Ausnahme bildet das MIG-Schweißen vonAluminiumlegierungen (2,56 mg/m3). Die gemessenenKonzentrationen der Stickstoffoxide, hier des Stickstoff-monoxids, liegen fast bei allen Verfahren über dem vonder DFG in der MAK-Liste der Senatskommission publi-zierten Grenzwert von 0,5 mg/m3. Erwartungsgemäß liegtdie Stickstoffmonoxidkonzentration beim Gasschweißenbesonders hoch. Die Ozonkonzentrationen, gemessen beim MIG-Lö-ten, MIG- und WIG-Schweißen von Aluminiumlegierun-gen und beim WIG-Schweißen von hochlegierten Stahl,liegen unter der Nachweisgrenze (weniger als 0,002mg/m3).

6 Diskussion6.1 Ultrafeine Partikel Bei allen Messungen der ultrafeinen Partikel zeigtesich, dass die gemittelten Anzahlkonzentrationen deutlichüber der normalen Hintergrundbelastung im Raum lagen(Faktor ungefähr 3 bis 100). Anhand der Zeitverläufe istzudem ein ungleichmäßiger Verlauf der Partikelanzahl-konzentrationen mit teilweise hohen Expositionsspitzenerkennbar. Auch die zeitlichen Verläufe der mittleren Par-tikelgrößen zeigen diese extremen Schwankungen. Vergleicht man die einzelnen Schweißverfahren un-tereinander, so wird deutlich, dass sowohl die Partikel-anzahlkonzentrationen als auch die mittleren Partikel-größen stark variieren. Im Teil 1 des Messprogramms (La-bor) zeigen sich zudem teilweise erhebliche Unterschiedezwischen den stationär und personengetragen gemesse-

Bild 4 •MIG-Schweißenim Labor.

Bild 5 •MIG-Schweißenin der Werk-statt.

Bild 6 • Lichtbo-genhandschwei-ßen im Labor mitunterschiedlicherPositionierung desErfassungsele-ments; a) gute Po-sitionierung, b)schlechte Positio-nierung.



nen Partikelkonzentrationen. Bei allen Handschweißver-fahren wurden hier mit DISCmini (personengetragen)höhere Konzentrationen als mit dem FMPS (stationär)gemessen. Als Grund ist insbesondere die ungünstige Po-sitionierung des Probenahmeschlauchs des stationärenMesssystems (größerer Abstand zur Schweißquelle) zusehen. So findet zu Beginn des Schweißvorgangs eine kor-rekte Messung in der Nähe der Schweißquelle statt, amEnde der Schweißnaht ist jedoch der Probenahme-schlauch des stationären Geräts zum Teil bis zu 1 m vonder Schweißquelle entfernt. Auch durch die Körperposi-tion des Schweißers mit einer teilweisen Abdeckung derSchweißrauchfahne zum FMPS hin führt zu einer nichtrepräsentativen Messung, Bild 4. Dies zeigt die grund-sätzliche Problematik beider stationärer Probenahmen. In Teil 2 des Messprogramms (Werkstatt), Bild 5, fallendie Unterschiede zwischen den personengetragenen undstationären Messungen deutlich geringer aus. Der Grundkann im Arbeitsplatzaufbau der Schweißkabine gesehenwerden. Aufgrund der Arbeitsplatzgeometrie (Ecke) findeteine gewisse Anreicherung der Partikel statt, die von bei-den Messsystemen detektiert wird. Einen wesentlichen Einfluss auf eine niedrige Parti-kelanzahlkonzentration hat die gute Positionierung derAbsaugvorrichtung. Wird das Erfassungselement nur mit-tig positioniert und nicht nachgeführt, wird ein Großteilder Schweißrauche nicht erfasst. Der Schweißer kann da-mit nicht nur durch seine Körperposition, sondern auchdurch die richtige Handhabung des Erfassungselementsseine eigene Exposition positiv beeinflussen. Bild 6a undb zeigen, wie eine gute und schlechte Position derSchweißraucherfassung aussehen kann. Eine eindeutige Korrelation von der Anzahlkonzen-tration ultrafeiner Partikel mit der Schweißrauchkonzen-tration kann nicht abgeleitet werden. Bild 7 zeigt eine Ge-genüberstellung von Partikelanzahlkonzentration (DISCmini) und A-Schweißrauchfraktion (Messungen

hinter dem Schweißerschutzhelm). A-Schweißrauchmess-ergebnisse, die unterhalb der Nachweisegrenze lagen,wurden bei der Betrachtung nicht berücksichtigt. Die li-neare Korrelationsanalyse ergibt einen Korrelationsfaktorvon 0,66.

6.2 Stickstoffoxide Die Betrachtung der Stickstoffoxidkonzentrationenzeigt einen deutlichen Unterschied zwischen Teil 1 und2 der Messprogramme. Bei Teil 1 (Labor) lagen die Mess-werte bei den meisten Handschweißverfahren fürNO/NO2 deutlich unterhalb der von der DFG in derMAK-Liste der Senatskommission publizierten Grenz-werte von 0,5 mg/m3. Nur beim Gasschweißen, Hartlö-ten, Brenn- und Plasmaschneiden wurden höhere Stick-stoffoxidwerte gemessen. Hier wurden die Stickstoff-oxidkonzentrationen mit Hilfe des Aktivkohlefilters derKemper-Absauganlage reduziert. Bei Teil 2 (Werkstatt) wurden auch bei den Hand-schweißverfahren Stickstoffoxide nachgewiesen, diemeisten Stickstoffmonoxidkonzentrationen überschrit-ten den Grenzwert (DFG) von 0,5 mg/m3. Unabhängigvon den Schweißverfahren wurde eine NOx-Grundbe-

Bild 7 • Vergleichder Anzahlkonzen-tration ultrafeiner

Partikel mit der A-Schweiß-

rauchfraktion(personengetrage-

nes Meßsystem).


lastung im Raum gemessen. Ob dies an den weiterenSchweißarbeitsplätzen im Raum lag oder an der be-nachbarten Plasmaschneidanlage, konnte nicht geklärtwerden. Um einen Messgerätefehler auszuschließen,wurde der NOx-Monitor nach Ende des Messprogrammsmit einem Kalibriergas überprüft. Eine Abscheidung derStickstoffoxide wie im Teil 1 des Messprogramms warhier nicht vorhanden. Eine Nachmessung in der Werk-statt ist geplant.

7 Schlussfolgerungen Zwischen den zwei Messprogrammen lagen trotz glei-cher eingesetzter Verfahren, Werkstoffe, Messgeräte undMesszeiten viele Unterschiede in den Randbedingungenvor. Diese zeigten sich insbesondere bei• den Räumen und beim Arbeitsplatz,• der lüftungstechnischen Situation: Raumlüftung, Art

der Absaugung im Entstehungsbereich, Art der Filter,• der Hintergrundbelastung,• der reinen Schweißzeit,• der Kopfposition und Körperhaltung des Schweißers

gegenüber der Rauchfahne,• der Handhabung (Positionierung und Mitführung)

des Erfassungselements der Absauganlage.Es ist daher im Rahmen einer weiteren Messkampagnegeplant, diese Einflussfaktoren noch detaillierter heraus-zuarbeiten. Die ausgewerteten Ergebnisse zeigen gute Überein-stimmungen der verwendeten Messgeräte, sowohl ver-fahrensbezogen als auch bezüglich der Messprogramme.Überall dort, wo die Absaugung vom Schweißer richtigpositioniert und wirksam war, lagen die Schweißrauch-konzentrationen generell niedrig. Trotz der niedrigen Schweißrauchkonzentrationenlagen die unter dem Schweißerschutzhelm gemessenenAnzahlkonzentrationen der ultrafeinen Partikel bei fastallen Verfahren oberhalb von 105 Partikel/cm3. Was die-

se Zahl arbeitsmedizinisch-toxikologisch bedeutet, istderzeit noch nicht geklärt. Fakt ist, dass „saubere“ Luftetwa 104 Partikel/cm3 enthält und gleichzeitig frei vonden im Schweißrauch enthaltenen Metalloxiden und -verbindungen ist. Die beim Schweißen entstehendenStickstoffoxidkonzentrationen lassen sich nur mit Hilfeeines Aktivkohlefilters verringern. Bei der Planung vonlüftungstechnischen Systemen und bei der Auswahl vonLüftungsgeräten sollte auch diese Komponente mitbe-rücksichtigt werden.

Literatur[1] Fierz, M.: Diffusion charging for easy monitoring of integral

particle metrics. Vortrag, 2. Airmontech Workshop (Barce-lona/Spanien 2012), Hochschule für Technik, Institut fürAerosol und Sensorik Technologie – IAST,Windisch/Schweiz, http://www.airmontech.eu/filead-min/airmontech/user/2012-presentations/Day_2_08h40_MFierz_26_April_2012.pdf.

[2] Pelzer, J., u. a.: Geräte zur Messung der Anzahlkonzentra-tion von Nanopartikeln. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft70 (2010), H. 11/12, S. 469/77.

[3] N. N.: Probenahme beim Schweißen, Schneiden und ver-wandten Verfahren. QM-Arbeitsanweisung, MesssystemGefährdungsermittlung der Unfallversicherungsträger(MGU), Institut für Arbeitsschutz (IFA) der DGUV, St. Au-gustin 2013.

[4] N. N.: Probenahmegeräte. In: IFA-Arbeitsmappe „Messungvon Gefahrstoffen: Probenahmegeräte und Probenahme-verfahren“. http://www.dguv.de/ifa/Fachinfos/Ringversu-che/Probenahmeger%C3%A4te/index.jsp

DANKSAGUNGBesonderer Dank gilt der SLV Hannover, die das Sondermess-programm ermöglicht hat, und den Kollegen des Messtechni-schen Dienstes der BGHM, die die Messungen mit ihrer Erfah-rung durchgeführt haben.

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