BG BAU Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft

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3 Zuordnung der Schadstoffe zu den Verfahren und Werkstoffen der Schweißtechnik

Untersuchungen, wie sie im Abschnitt 1.10 erläutert worden sind, haben zu folgenden wichtigen Erkenntnissen geführt:

  • Die chemische Zusammensetzung der gas- und partikelförmigen Schadstoffe ist verfahrens- und werkstoffabhängig.
  • Die Schadstoffe treten nie als einzelne Komponenten, sondern immer als Gemisch mehrerer Komponenten auf.
  • Eine, zwei oder sogar drei Schadstoffkomponenten (Gase und Partikel) können - verfahrens- und werkstoffabhängig - hinsichtlich Konzentration und Wirkungsstärke dominieren (d.h., die entsprechenden Grenzwerte werden als erste überschritten).

Der jeweils dominierende Schadstoff wird als Leitkomponente (für eine bestimmte Verfahrens-/Werkstoff-Kombination) bezeichnet (siehe auch Abschnitt 8 dieser BG-Information). Hauptkomponente im Schweißrauch ist eine Komponente mit arbeitsmedizinischer Bedeutung, deren Anteil im Schweißrauch nicht dominant ist, d.h. diese Komponente ist keine Leitkomponente im Schweißrauch. Hauptkomponenten sind nicht mit Leitkomponenten gleichzustellen.

In den weiteren Ausführungen werden die Verfahren in vier Hauptgruppen eingeteilt:

  • Schweißen,
  • thermisches Schneiden,
  • thermisches Spritzen und
  • Löten.

3.1 Schweißen

Beim Schweißen bilden sich immer gas- und partikelförmige Schadstoffe. Die partikelförmigen Stoffe haben hier eine Partikelgröße (aerodynamischer Durchmesser) kleiner als 1 mm, sind alveolengängig und werden in der Praxis als "Schweißrauche" bezeichnet. Aus arbeitsmedizinischer Sicht ist die alveolengängige Fraktion (A-Fraktion) von besonderer Bedeutung. Diese Fraktion, die in der Vergangenheit als Feinstaub bezeichnet wurde, wird bei den personenbezogenen Messungen beim Schweißen vorwiegend mit dem Probenahmekopf für die einatembare Fraktion (früher Gesamtstaub) gemessen. Dies lag an der Schwierigkeit, den Probenahmekopf für die A-Fraktion hinter dem Schweißerschutzschirm zu positionieren (Platzmangel).

Da beim Schweißen ohnehin nur sehr feine Partikel entstehen, die alle zur „alveolengängigen Fraktion“ gehören, liegen die Messergebnisse von „E-Staub“ anstelle von „A-Staub“ immer auf der sicheren Seite. Die Menge der entstehenden Schadstoffe bei den verschiedenen Schweißverfahren ist unterschiedlich. Heute wird häufig mit PGP-EA gemessen. (A- und E-Fraktion werden gleichzeitig erfasst (siehe Abschnitt 6.2).

Die Rauchemission (mg/s) beim Schweißen ist meist kleiner als die Rauch- und Staubemission beim Schneiden oder Spritzen.

Untersuchungen zur Schadstoffemission beim Schweißen haben gezeigt, dass etwa 95 % des Schweißrauches aus den Schweißzusätzen stammen und nur weniger als 5 % aus dem Grundwerkstoff.

3.1.1 Gasschweißen

Beim Gasschweißen von un- und niedriglegiertem Stahl entstehen vor allem nitrose Gase (Stickstoffoxide). Stickstoffdioxid ist hier ebenso die Leitkomponente wie bei anderen Autogenverfahren, z. B. Flammwärmen und Flammrichten, wo eine noch stärkere Bildung von Stickstoffoxiden nachgewiesen ist.

Die Stickstoffdioxid-Konzentration in der Luft am Arbeitsplatz steigt mit der Flammenlänge und daher mit der Brennergröße und mit dem Abstand Düse - Blech.

Kritisch wird die Stickstoffdioxid-Konzentration beim Arbeiten in engen Räumen ohne entsprechende lüftungstechnische Maßnahmen. Sie kann bei frei brennender Flamme im Vergleich zu einer Flamme von 15 mm Länge den 10-fachen Wert erreichen.

Ergebnisse von Emissionsmessungen beim Gasschweißen und Wärmen ergaben für nitrose Gase in etwa folgende Werte:

Verfahren NOx
Emissionsraten (mg/s)
Gasschweißen 0,8 - 40
Wärmen bis 75

Probleme hinsichtlich der entstehenden partikelförmigen Stoffe können nur bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen (z. B. Blei, Kupfer) oder von daraus bestehenden Überzügen auftreten.

3.1.2 Lichbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden

Unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Bei diesen Verfahren treten im Vergleich zum Gasschweißen hohe Mengen an partikelförmigen Stoffen auf. Eine Gefährdung durch nitrose Gase ist hier nicht zu erwarten.

Beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten oder niedriglegierten Stabelektroden ist der Schweißrauch (insgesamt) zu berücksichtigen.

Die chemische Zusammensetzung des Schweißrauches spiegelt die chemische Zusammensetzung des Kerndrahtes und der Umhüllung wider. Die Hauptbestandteile der Schweißrauche sind in diesem Fall: Eisenoxid (Fe2O3), Siliciumdioxid (SiO2), Kaliumoxid (K2O), Manganoxid (MnO), Natriumoxid (Na2O), Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3).

Diese Komponenten treten in unterschiedlichen Anteilen auf, abhängig von der Umhüllungsart (sauer-, rutil-, basisch-, zelluloseumhüllt). Die Rauche der basischumhüllten Stabelektroden beinhalten zusätzlich Calciumoxid (CaO) und Fluoride (F-). Hier sind Fluoride als weitere Hauptkomponente zu berücksichtigen (Bild 3-1).

Schadstoffe Umhüllungstyp
sauer
%
rutil
%
basisch
%
zellulose
%
Na2O 2 - 4 2 - 4 2 - 4 2 - 4
Al2O3 1 - 2 1 - 2 1 - 2 1 - 2
SiO2 30 - 40 30 - 40 ≈ 10 ≈ 10
K2O 10 - 20 10 - 20 20 - 30 -
CaO 1 - 2 1 - 2 15 - 20 -
TiO2 < 1 ≈ 5 ≈ 1 ≈ 1,5
MnO ≈ 10 ≈ 7 ≈ 6 ≈ 5
Fe2O3 ≈ 40 20 - 30 20 - 30 70 - 80
F- - - 12 - 16 -

Bild 3-1: Analyse der beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten/niedriglegierten Stabelektroden (nach DIN 1913) entstehenden Schweißrauche [1]

Rauche sauerumhüllter Stabelektroden enthalten bis zu 10 % Manganoxid. Somit kann hier Manganoxid eine zusätzliche Hauptkomponente im Schweißrauch werden.

Aus zahlreichen Messungen ergaben sich beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten/niedriglegierten Elektroden in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch:

Verfahren Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Lichtbogenhandschweißen 4 - 18

Bei Sonderelektroden mit Kupferbestandteilen kann das Kupferoxid (CuO) eine zusätzliche Hauptkomponente sein.

Chrom-Nickel-Stahl (£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Die hochlegierten umhüllten Stabelektroden enthalten neben Eisen und Umhüllungsstoffen (wie oben) Chrom bis zu 20 % und Nickel bis zu 30 % im Kerndraht.

Beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden entsteht Schweißrauch, dessen chemische Zusammensetzung bis zu 16 % Chromverbindungen enthalten kann. Diese Chromverbindungen liegen bis zu 90 % als Chrom(VI)-Verbindungen (hier Chromate) vor, die größtenteils als krebserzeugend eingestuft sind. Das Nickeloxid ist hier mit 1 % bis selten 3 % deutlich unterrepräsentiert.

Bei diesem Verfahren mit den vorgenannten Werkstoffen ist die Leitkomponente im Schweißrauch "Chromate". Rauche basischumhüllter Stabelektroden enthalten deutlich höhere Chrom(VI)-Anteile als die rutilumhüllten.

Untersuchungen im biologischen Material und epidemiologische Studien deuten darauf hin, dass die stärkste Gesundheitsgefährdung für den Schweißer beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden liegt. Hier müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen, z. B. durch Absaugung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle, vorgesehen werden. Darüber hinaus sind arbeitsmedizinische Vorsorgeuntersuchungen durchzuführen.

Emissionsmessungen ergaben beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten Stabelektroden etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch:

Verfahren Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Verbindungsschweißen 2 - 16
Auftragschweißen 3 - 22

Nickel, Nickellegierungen (> 30 % Ni)
Beim Lichtbogenhandschweißen mit Reinnickel oder Nickelbasiswerkstoffen ist Nickeloxid die Leitkomponente, obwohl im Schweißrauch maximal 5 % Nickeloxid vorhanden ist. Nickeloxide sind als krebserzeugende Stoffe Kategorie 1 eingestuft. Deshalb müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen vorgesehen werden.

Neben Nickeloxid im Schweißrauch entsteht - abhängig von der Legierungsart (mit Kupferanteilen) - evtl. Kupferoxid als weitere Hauptkomponente. Bei Elektroden zum Auftragschweißen, deren chemische Zusammensetzung Cobalt beinhaltet, muss das Cobaltoxid (CoO) beachtet werden.

Emissionsmessungen ergaben beim Lichtbogenhandschweißen mit Reinnickel oder Nickelbasiswerkstoffen etwa folgende Schweißrauchemissionen:

Verfahren Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Lichtbogen-
handschweißen
etwa 7

3.1.3 Schutzgasschweißen

Bei den Verfahren mit Aktivgas (MAGC, MAGM) ist in erster Linie mit einer starken Entwicklung von partikelförmigen Schadstoffen (Schweißrauchen) zu rechnen. Die Menge dieser Schadstoffe hat dieselbe Größenordnung wie beim Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden.

Im Gegensatz dazu ist bei den Verfahren mit Inertgas (MIG, WIG) eine zum Teil deutlich niedrigere Rauchentwicklung festzustellen.

Abhängig von den eingesetzten Schweißzusatzwerkstoffen und Schutzgasen entstehen Gase und Schweißrauche, aus denen die Leitkomponenten ausgewählt werden. Bild 3-2a gibt einige Beispiele.

3.1.3.1 Metall-Schutzgasschweißen (MAG/MIG)

  • Einfluss des verwendeten Schutzgases auf die Rauchentwicklung

Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC)
Beim Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC) von un- und niedriglegiertem Stahl ist neben Schweißrauch Kohlenmonoxid eine Leitkomponente. Durch die thermische Zersetzung des Kohlendioxides, das als Schutzgas verwendet wird, entsteht Kohlenmonoxid.

Der Schweißrauch besteht hier vorwiegend aus Eisenoxiden.

Emissionsmessungen ergaben beim MAGC-Schweißen von unlegiertem/niedriglegiertem Stahl in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch und Kohlenmonoxid:

Schadstoff Emissionsraten (mg/s)
Schweißrauch 2 - 12
Kohlenmonoxid (CO) 2 - 12,5

Metall-Aktivgasschweißen mit Mischgas (MAGM)
Beim Metall-Aktivgasschweißen mit Mischgas (MAGM) von un- und niedriglegiertem Stahl wird als Schutzgas ein Mischgas verwendet. Wenn das Mischgas Kohlendioxid enthält, ist eine gewisse CO-Bildung zu erwarten. Der Schweißrauch besteht hier aus Eisenoxiden.

Beim MAGM-Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl ist das Nickeloxid als mögliche Leitkomponente zu berücksichtigen. Der Schweißrauch enthält zwar bis zu 17 % Chrom-Verbindungen und bis zu 5 % Nickeloxid, aber die Chrom-Verbindungen bestehen hier fast ausschließlich aus der dreiwertigen Form, die als nicht krebserzeugend gilt.

Metall-lnertgasschweißen (MIG)
Beim Metall-lnertgasschweißen (MIG) von Aluminium-Werkstoffen muss zusätzlich zum Schweißrauch (in der Form von Aluminiumoxid) die Ozon-Bildung (durch die UV-Strahlung und die stark reflektierenden Werkstoffe) berücksichtigt werden. Die Rauchentwicklung ist dagegen in den meisten Fällen kleiner als beim MAG-Schweißen.

Bei Aluminium-Silicium-Legierungen sind die Ozon-Konzentrationen höher als bei Reinaluminium und wesentlich höher als bei Aluminium-Magnesium-Werkstoffen.

Beim MIG-Schweißen von Nickel und Nickelbasislegierungen ist das Nickeloxid die entscheidende Leitkomponente im Schweißrauch.

Aufgrund der hohen Nickel-Anteile in den Schweißzusätzen kann der Nickeloxidgehalt im Schweißrauch Werte zwischen 30 bis 87 % annehmen.

Emissionsmessungen beim MIG-Schweißen von Nickel und Nickelbasislegierungen ergaben in etwa folgende Emissionswerte für Schweißrauch und Nickeloxid:

Schadstoff Emissionsraten (mg/s)
Schweißrauch 2 - 6
Nickeloxid bis 5

Generell sind bei Nickelbasislegierungen, die auch Kupfer enthalten (z. B. Nicorros), höhere Schweißrauch-Emissionsraten zu erwarten als bei Nickelbasislegierungen mit anderen Legierungselementen, z. B. Cr, Co, Mo. Hier ist Kupferoxid anstelle von Nickeloxid die Leitkomponente.

Es sind Schutzmaßnahmen wie bei allen anderen krebserzeugenden Stoffen vorzusehen. Kontrollen der Ozonkonzentration können hier ebenfalls erforderlich sein.

  • Einfluss der Elektrodenart auf die Rauchentwicklung

Beim MAG/MIG-Schweißen mit Fülldrahtelektroden entwickeln sich größere Schweißrauchmengen als mit Massivdrahtelektroden.

Die Verwendung von selbstschützenden Fülldrahtelektroden führt zu erheblich höheren Schweißrauchemissionen als die von Fülldrahtelektroden unter Schutzgas.

Beispielsweise ergaben sich für das Metall-Aktivgasschweißen von un- und niedriglegiertem Stahl folgende Emissionswerte:

Schweißzusatz Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Massivdraht 2 - 12
Fülldraht unter Schutzgas 6 - 54
selbstschützender Fülldraht bis zu 97

Prinzipiell enthält die Pulverfüllung der Fülldrähte ähnliche Komponenten wie die Umhüllung entsprechender Stabelektroden.

Abhängig von der Art des Schweißzusatzes können folgende Leitkomponenten im Schweißrauch auftreten:

Schweißzusatz Leitkomponente
a) un-/niedriglegierter basischer Fülldraht (unter Schutzgas) Manganoxid
b) hochlegierter Fülldraht Chrom(VI)-Verbindungen oder Manganoxid1)
c) un-/niedriglegierter selbstschützender Fülldraht Manganoxid oder Barium-Verbindungen (je nach Fülldraht)
1) siehe auch Bild 3-2 a


3.1.3.2 MAG-Hochleistungsschweißen (MAG-HL)

Bei diesem Verfahren liegt die Drahtvorschubgeschwindigkeit über 15 m/min. Gleichzeitig liegt die Abschmelzleistung über 8 kg/h.

Je höher die Abschmelzleistung oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit ist, desto höhere Schadstoffemissionen entstehen.

Je höher die eingebrachte Wärme (Energie) im Prozess ist, desto höher sind die Schadstoffemissionen. Da beim MAG-HL-Schweißen mit Massivdraht niedrigere Energien als beim MAG-HL-Schweißen mit Band eingebracht werden, liegen auch hier die Schadstoffemissionsraten bei den letztgenannten Verfahren höher (siehe unten stehende Grafik).

Mit steigender Spannung sowie mit steigender Drahtvorschubgeschwindigkeit steigen die Schadstoffemissionsraten.

Somit sind die höchsten Emissionsraten bei den rotierenden Lichtbögen zu erwarten, die kleinsten dagegen beim Kurzlichtbogen.

Die Leitkomponenten sind auch hier – von den eingesetzen Werkstoffen abhängig – die gleichen wie beim MAG-Schweißen.

Lichtbogenart

 


3.1.3.3 Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)

Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) wird durch die niedrigere Rauchentwicklung die Ozon-Bildung unterstützt. Besonders hoch (trotzdem niedriger als beim MIG) sind die Ozon-Werte bei Reinaluminium- und - mehr noch - bei Aluminium-Silicium-Legierungen. Nickeloxid kann die Leitkomponente bei der Verwendung von Reinnickel und Nickellegierungen darstellen.

Bei Anwendung thoriumoxidhaltiger Wolframelektroden beim WIG-Schweißen, insbesondere bei Aluminium-Werkstoffen, ist mit einer Strahlenbelastung durch die Inhalation von Rauchen, die Thoriumdioxid beinhalten, zu rechnen. Hier sind die Grenzwerte für nicht beruflich strahlenexponierte Personen bei "Arbeiten" in der Regel überschritten. Deshalb müssen am Arbeitsplatz gezielte Schutzmaßnahmen vorgesehen werden (z. B. Verwendung thoriumoxidfreier Wolframelektroden).

 

Verfahren Schweißzusatzwerkstoff Schweißrauch/
Leitkomponente(n)
Gasschweißen unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Stickstoffdioxid
Lichtbogenhand-
schweißen
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Manganoxid4)
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Chrom(VI)-Verbindungen
oder Manganoxid4)
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Nickeloxid oder
Kupferoxid2)
Metall-Aktivgasschweißen
mit Kohlendioxid (MAGC)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Kohlenmonoxid
Metall-Aktivgasschweißen
mit Mischgas (MAGM)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Chrom-Nickel-Stahl Massivdraht
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Nickeloxid
oder Manganoxid4)
Chrom-Nickel-Stahl Fülldraht
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Chrom(VI)-Verbindungen
oder Manganoxid4)
Metall-Inertgasschweißen
(MIG)
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Nickeloxid oder
Kupferoxid2) Ozon
Rein-Aluminium,
Aluminium-Silicium-Legierungen
Ozon
Schweißrauch1)
andere Aluminium-Legierungen3) Schweißrauch
Ozon
Wolfram-Inertgasschweißen
(WIG)
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch1)
Ozon
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Schweißrauch1)
Ozon
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Ozon
Schweißrauch1)
Rein-Aluminium,
Aluminium-Silicium-Legierungen
Ozon
Schweißrauch1)
andere Aluminium-Legierungen3) Schweißrauch1)
Ozon
1) Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes.
2) Je nach Legierungsart, mit/ohne Kupfer, Grenzwert für Kupfer-Rauch.
3) Aluminium-Werkstoffe (Rein-Aluminium, Aluminium-Legierungen) Grenzwert für Aluminiumoxidrauch.
4) Wenn der Anteil von Mangan in der Legierung oder in der Summe der Anteile (Legierung und Umhüllung/Füllung) ≥ 5% ist.

Bild 3-2 a: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim Schweißen

3.1.4 Widerstandsschweißen

Beim Widerstandsschweißen mit unterschiedlichen Werkstoffen entstehen Schweißrauchkonzentrationen (Metalloxide aus dem Verspritzen oder Verdampfen des Werkstoffes), die unter praxisüblichen Bedingungen und bei normaler Lüftungssituation unter den MAK- oder alten TRK-Werten für die jeweiligen Schadstoffe liegen (Bild 1-11 b).

Das Schweißen verölter oder gefetteter Bleche ist in der Praxis - wenn möglich - zu vermeiden. Stärkere Öl- oder Fettschichten führen zu höheren Rauchkonzentrationen mit Anteilen organischer Stoffe.

Beim spritzerfreien Schweißen entstehen bei gefetteten Blechen etwa 30 % mehr Rauche als bei ungefetteten Blechen.

Beim Abbrennstumpfschweißen entstehen im Vergleich zu anderen Widerstandsschweißverfahren (z. B. Punktschweißen) größere Rauchmengen, die im Regelfall eine Absaugung an der Maschine erfordern.

3.1.5 Laserstrahlschweißen mit CO2-Laser

Die Anwendung von Lasern in der Schweißtechnik ist ein relativ neues und komplexes Verfahren. Besondere Informationen, insbesondere zur Lüftungs- und Filtertechnik, bietet das Laser Zentrum Hannover (LZH), Hollerithallee 8, 30419 Hannover.

3.1.5.1 Laserstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff

Durch die hohe Energie der Laserquelle finden Verdampfungen aus dem Grundwerkstoff (Schmelze) statt.

Diese führen zu Schadstoffemissionen (Schweißrauche), deren chemische Zusammensetzung etwa der Zusammensetzung des Grundwerkstoffes entspricht.

Die Schadstoffmengen beim Laserschweißen ohne Zusatzwerkstoff sind in der Größenordnung vergleichbar mit denen beim Metall-Aktivgasschweißen. So betragen z. B. beim Laserschweißen von Chrom-Nickel-Stahl die Schadstoffemissionen für Gesamtstaub 1,2 bis 2 mg/s.

Emissionsmessungen beim Laserstrahlschweißen von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen ergaben bei einheitlichen Schweißparametern:

folgende Emissionen:

Werkstoff partikelförmige Schadstoffemission (mg/s) (oberhalb der Bearbeitungsseite)
unlegierter Stahl 1,5
X 5 CrNi 18 9 1,2
verzinkter Stahl 7
Titan 0,9

Die höchsten Schadstoffemissionen werden beim verzinkten Stahl beobachtet, wobei die Schweißrauchbildung im Wesentlichen durch die Zinkbeschichtung verursacht wird.

Werkstoff gasförmige Schadstoffemissionen (mg/s)
  NOx    CO    O3
unlegierter Stahl 200     56    53
X 5 CrNi 18 9 350     28    19
verzinkter Stahl 800     56    < n.G.

Die Ergebnisse zeigen niedrigere Emissionsraten für gasförmige Schadstoffe.

3.1.5.2 Laserstrahlauftragschweißen

Beim Laserstrahlauftragschweißen kann der Zusatzwerkstoff in Draht- oder Pulverform zugeführt werden. Es entstehen überwiegend partikelförmige Schadstoffe (Rauche). Wird der Zusatzwerkstoff in Pulverform zugeführt, entstehen neben Rauchen zum Teil partikelförmige einatembare, jedoch nicht alveolengängige Stoffe. Insgesamt liegen beim Laserstrahlauftragschweißen die Emissionen von partikelförmigen Stoffen unter 5 mg/s.

Die gasförmigen Schadstoffe stellen hier kein Problem dar. Die chemische Zusammensetzung des Schweißrauches entspricht in etwa der chemischen Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes, wobei Elemente mit niedriger Siedetemperatur in den Rauchen überrepräsentiert sind.

Neben der Leitkomponente (sie entspricht dem Basislegierungselement) können zusätzlich Oxide der anderen Legierungselemente (die mehr als 10 % haben) nach unterschiedlichen Bearbeitungszeiten kritische Werte annehmen. Diese sind Hauptkomponenten.

Beim Laserstrahlauftragschweißen mit Cobaltbasis-Legierungen bilden sich Schweißrauche und -stäube, für die als Leitkomponente Cobaltoxid infrage kommt.

Bei Nickelbasis-Legierungen, die zugleich über 10 % Cobalt enthalten, kann - abhängig vom jeweiligen Anteil im Schweißrauch - Nickeloxid oder Cobaltoxid als Leitkomponente im Schweißrauch gelten. Der Schweißrauch enthält zusätzlich auch Aluminiumoxid.

Beim Laserstrahlauftragschweißen von hoch chromhaltigen Eisenbasis-Legierungen ist Schweißrauch (Eisenoxid) zu berücksichtigen. Das im Schweißrauch auftretende Gesamtchrom liegt vorwiegend in der metallischen Form oder dreiwertigen Oxidform vor. Die gemessenen Chrom(VI)-Verbindungen sind sehr gering (£ 5 % des Gesamtchroms).

Bei Aluminiummehrstoff-Bronze ist aufgrund des hohen Anteiles an Kupfer (etwa 75 % Cu) Kupferoxid als Leitkomponente zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist Aluminiumoxid eine Hauptkomponente.

3.1.6 Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Laser

Die Schadstoffemissionen (Emissionsraten [mg/s]) liegen bei optimierten (Schweiß-)Parametern insgesamt niedriger bei der Anwendung von Festkörperlasern (Nd:YAG-Laser) als bei der Anwendung von CO2-Lasern, wobei die zurzeit erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten beim Nd:YAG-Laser niedriger sind als beim CO2-Laser.

Für die Menge der partikelförmigen Stoffe ist die absorbierte Intensität (Leistungsdichte) in der Wechselwirkungszone maßgebend.

Mit steigender Intensität steigt die Schmelztemperatur und somit die Verdampfungsrate.

Werkstoff Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
Chrom-Nickel-Stahl
(s = 3 mm, vs = 600 mm/min)
≈ 1,5
verzinkter Stahl
(s = 1 mm, vs = 400 mm/min)
≈ 2,7

Emissionsmessungen beim Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl und verzinktem Stahl in Abhängigkeit von der absorbierten Strahlintensität ergaben folgende Schweißrauchemissionen:

Die Strahlintensität liegt zwischen 3,18 x 105 und 6,67 x 105 W/cm2.

Verfahren Grundwerkstoff Schweißrauch/
Leitkomponente(n)
Laserstrahlschweißen1) unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch2)
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Nickeloxid
verzinkter Stahl Zinkoxid
Verfahren Schweißzusatzwerkstoff Leitkomponente(n)
Laserstrahlauftragschweißen Cobaltbasis-Legierungen
(> 60 % Co, > 20 % Cr)
Cobaltoxid
Nickelbasis-Legierungen
(> 60 % Ni)
Nickeloxid
Eisenbasis-Legierungen
(< 40 % Cr, > 60 % Fe)
Schweißrauch2)
Aluminiummehrstoff-Bronzen
≈ 75 % Cu)
Kupferoxid3)
1) Hier ohne Schweißzusatzwerkstoff.
2) Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes heranziehen.
3) Grenzwert für Kupfer-Rauch.

Bild 3-2 b: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim Laserstrahlschweißen



3.1.7 Hybridschweißen

Hybridschweißen (= zwei Einzelverfahren kombiniert) gewinnt bei der schweißtechnischen Fertigung zunehmend an Bedeutung. Die bekanntesten sind dabei:

  • Laserstrahl-MIG-,
  • Laserstrahl-WIG-,
  • Plasma-MIG-,
  • Plasma-WIG-Schweißen und
  • Laserstrahl-Plasmaschweißen.

Da bei diesen Verfahren, verglichen mit den einzelnen Verfahren, die Abschmelzleistung und die Vorschubgeschwindigkeit viel höher sind, ist damit zu rechnen, dass auch die dabei entstehenden Schadstoffemissionen (mg/s) etwas höher liegen als beim einfachen MIG- oder WIG- Schweißen.

Bei allen Hybridschweißverfahren wird eine integrierte Absaugung im Entstehungsbereich der Schadstoffe dringend empfohlen.

Für die korrekte Dimensionierung der Lüftungsanlage sind Untersuchungen zur Bestimmung der verfahrens-/werkstoff-spezifischen Emissionsraten zweckmäßig.

Laserstrahl - Plasmaschweißen von Aluminiumwerkstoffen

Diese Verfahrenskombination erlaubt eine deutliche Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und wird bei Aluminiumwerkstoffen sowohl mit CO2 als auch mit Nd:YAG-Laser eingesetzt. Auch hier sind im Vergleich zum einfachen Laserstrahlschweißen höhere Schadstoff-Emissionsraten zu erwarten. Für die Auswahl der Leitkomponenten sind auch die eingesetzten Werkstoffe maßgebend. Hier sind die Leitkomponenten Ozon und aluminiumoxidhaltiger Schweißrauch - die gleichzeitig auftreten - zu berücksichtigen. Eine wirksame Absaugung sollte unmittelbar im Entstehungsbereich der vorgenannten Schadstoffe eingesetzt werden.

3.2 Thermisches Schneiden

Zu dieser Verfahrensgruppe gehören Brennschneiden, Plasmaschmelzschneiden und Laserschneiden. Die Zusammensetzung des Grundwerkstoffes ist maßgebend für die chemische Zusammensetzung der partikelförmigen Stoffe (Rauche), die im Übrigen hier einen größeren Partikeldurchmesser haben als beim Schweißen, aber dennoch alveolengängig sind.

3.2.1 Autogenes Brennschneiden (unlegierter und niedriglegierter Stahl)

Bei diesem Verfahren entstehen hohe Rauchemissionen, abhängig von verschiedenen Parametern:

  • Blechdicke,
  • Brenngas,
  • Schneidgasdruck und
  • Schneidgeschwindigkeit.

Zusätzlich zum Schweißrauch - der bei diesem Verfahren von Bedeutung ist - muss die Entstehung von nitrosen Gasen berücksichtigt werden, also muss Stickstoffdioxid als Leitkomponente neben Schweißrauch berücksichtigt werden.

Die Schweißrauchemissionsrate ist hier etwa mit 10 bis 50 mg/s anzusetzen.

3.2.2 Plasmaschmelzschneiden

Dieses Verfahren ist grundsätzlich begleitet von einer hohen Emission partikelförmiger Stoffe.

Die emittierten Schadstoffe sind in erster Linie abhängig vom geschnittenen Grundwerkstoff (d. h. seiner chemischen Zusammensetzung), von den gewählten Schneidparametern und von der Art der eingesetzten Plasmagase.

Eine Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit (mm/min) führt zu einer Verringerung der Schadstoffemission (g/min).

Bei der Bearbeitung von un- und niedriglegiertem Stahl ist Schweißrauch (vorwiegend Eisenoxide) von Bedeutung. Dagegen entsteht beim Plasmaschmelzschneiden von Chrom-Nickel-Stahl Nickeloxid als Leitkomponente. Zusätzlich entstehen Chrom(VI)-Verbindungen als Hauptkomponente.

Nickel und Nickelbasislegierungen, die mit Hilfe des Plasmaschmelzschneidens bearbeitet werden, führen zu hohen Werten von Nickeloxid im Schweißrauch.

Bei Aluminium-Werkstoffen kann bei stark reflektierenden Grundwerkstoffen (z. B. Aluminium-Silicium-Legierungen) - neben dem Schweißrauch - Ozon eine Leitkomponente bilden.

Sind keine technischen Schutzmaßnahmen, wie Untertischabsaugung, getroffen, so ist davon auszugehen, dass an Arbeitsplätzen an der Maschine unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe der Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes (3 mg/m3) überschritten ist. Enthalten die Werkstoffe über 5 % Chrom und Nickel (hochlegierte Werkstoffe), gilt dies ebenso für die früheren Grenzwerte für Chrom(VI)-Verbindungen und Nickeloxid, wobei Nickeloxid die Leitkomponente ist.

Beim Einsatz von Druckluft oder Stickstoff als Plasmagas ist auch das Stickstoffdioxid als weitere Leitkomponente zu berücksichtigen.

3.2.3 Laserstrahlschneiden

Aufgrund der Komplexität der Verfahren und Geräte wird die Entstehung der Schadstoffe beim Laserstrahlschneiden durch viele Einflussgrößen bestimmt.

Neben dem Werkstoff und den durch den Bearbeitungsprozess bedingten Parametern spielt die Laserquelle eine wichtige Rolle bei der Schadstoffentstehung und -zusammensetzung.

3.2.3.1 Laserstrahlschneiden mit CO2-Laser

Die Parameter, die wesentlichen Einfluss auf die Menge der emittierten Schadstoffe haben, sind Werkstückdicke, Linsenbrennweite, Schneidgasdruck, Laserstrahlleistung und Schneidgeschwindigkeit.

Mit zunehmender Werkstückdicke und/oder mit zunehmender Linsenbrennweite und/oder mit zunehmendem Schneidgasdruck und/oder mit zunehmender Laserstrahlleistung nimmt die Staubemission (mg/m) zu.

Mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit nimmt die Staubemission pro Zeiteinheit (mg/s) zu und pro Schnittlänge (mg/m) ab.

Insgesamt entstehen beim Laserstrahlschneiden relativ große Staubmengen, die dennoch geringer ausfallen als beim Brenn- und Plasmaschmelzschneiden.

Die höchsten Schadstoffemissionen treten beim Laserstrahlschneiden von Chrom-Nickel-Stahl auf.

Das Schneiden von verzinktem Stahl bewirkt höhere Emissionswerte als das Schneiden von unlegiertem Stahl.

Beim Schneiden mit einem CO2-Laser (Leistung = 1 kW) ergaben sich für die gleiche Werkstoffdicke folgende Schweißrauchemissionen:

Werkstoff Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
unlegierter Stahl 16 - 24
Chrom-Nickel-Stahl 14 - 35

Bezogen auf die Schadstoffproblematik kann zwischen

  • Laserstrahlhochdruckschneiden (mit Stickstoff) und
  • Laserstrahlbrennschneiden (mit Sauerstoff)

differenziert werden.

Durch die Verwendung von Stickstoff als Schneidgas werden beim Chrom-Nickel-Stahl und bei verzinktem Stahl die Schadstoffemissionen gegenüber dem Schneiden mit Sauerstoff etwa um die Hälfte reduziert.

Schweißrauchemissionen beim Laserstrahlhochdruckschneiden und Laserstrahlbrennschneiden (Beispiel):

  • Leistung = 1 kW
  • Linsenbrennweite = 63,5 mm
  • Werkstoffdicke = 1 mm

Werkstoff Schweißrauch
Emissionsraten (mg/s)
  Laserstrahl-
hochdruck-
schneiden
Laserstrahl-
brenn-
schneiden
niedriglegierter Stahl - 17
Chrom-Nickel-Stahl 8 20
verzinkter Stahl 4,5 9

Ohne eine entsprechende Absaugung werden beim Laserschneiden, unabhängig vom Grundwerkstoff, die jeweiligen MAK und alten TRK (siehe Bild 1-11 b Abschnit 1.8) für die entsprechenden Leitkomponenten überschritten.

3.2.3.2 Laserstrahlschneiden mit Nd:YAG-Laser

Auch hier liegen (wie unter Abschnitt 3.1.6 ) die Schadstoffemissionen bei der Anwendung von Festkörperlasern (Nd:YAG-Laser) insgesamt niedriger als bei der Anwendung von CO2-Lasern (Bild 3-2c ), wobei die zurzeit erreichbaren Schneidgeschwindigkeiten beim Nd:YAG-Laser niedriger sind als beim CO2-Laser.

Beim Schneiden mit einem Nd:YAG-Laser ergaben sich für 1 mm Werkstoffdicke folgende Schweißrauchemissionen:

Werkstoff   Schweißrauch-
Emissionsraten (mg/s)
Bearbeitungsgas
N2 O2
Chrom-Nickel-Stahl
(l = 2,98 x 106 W/cm2)
(vs = 850 mm/min)
≈ 2
(vs = 400 mm/min)
≈ 2,7
Al Mg 3
(l = 1,89 x 106 W/cm2)
(vs = 200 mm/min)
≈ 0,3
-

Bild 3-2c: Balkendiagramm - Vergleich der Emissionen beim Laserstrahlschneiden mit CO2- und Nd:YAG-Lasern
Bild 3-2c: Vergleich der Emissionen beim Laserstrahlschneiden mit CO2- und Nd:YAG-Lasern (Quelle: Engel, Seite 92, Bild 44)

Mit zunehmender Werkstückdicke nimmt auch hier die Staubemission (mg/m) zu. Die Anwendung von Stickstoff als Bearbeitungsgas (Schneidgas) führt auch hier zu einer erheblichen Schweißrauchreduzierung (mg/s).

Die Parameter, die wesentlichen Einfluss auf die Menge der emittierten Schadstoffe haben, sind: absorbierte Intensität (Leistungsdichte), Schneidgasdruck, Schneidgeschwindigkeit, Bearbeitungswirkungsgrad, Werkstückdicke.

Die maximalen gasförmigen Schadstoffemissionen entstehen beim Schneiden von 1 mm Chrom-Nickel-Stahl mit einer Schneidgeschwindigkeit von 400 mm/min und Sauerstoff als Bearbeitungsgas, und zwar: 0,17 ppm/s Ozon, 0,00155 ppm/s Stickstoffmonoxid, 0,041 ppm/s Kohlenmonoxid.

Mit dem Einsatz anderer Nd:YAG-Laseranlagen mit höheren Ausgangsleistungen (z. B. 1000 W) werden die Emissionen (Emissionsraten [mg/s]) bei optimierten Parametern über denen des CO2-Lasers liegen.

Die bei der Anwendung von Nd:YAG-Lasern entstehenden Mengen partikelförmiger Schadstoffe sind in der Größenordnung vergleichbar mit denen beim Metall-Inertgasschweißen (MIG). Lüftungstechnische Maßnahmen, insbesondere eine wirksame Absaugung, sind auch hier notwendig, um Überschreitungen der Grenzwerte für die jeweiligen Leitkomponenten zu vermeiden.

Verfahren Grundwerkstoff Schweißrauch/
Leitkomponente(n)
Brennschneiden unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch2)
Stickstoffdioxid
Plasmaschmelzschneiden1)
Laserstrahlschneiden
unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
Schweißrauch2)
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 20 % Cr und £ 30 % Ni)
Nickeloxid
Nickel, Nickellegierungen
(> 30 % Ni)
Nickeloxid
Aluminium-Werkstoffe3) Schweißrauch2)
Ozon
1) Beim Einsatz von Druckluft oder Stickstoff als Plasmagas ist auch Stickstoffdioxid als Leitkomponente zu berücksichtigen!
2) Grenzwert für die A-Fraktion des Staubes.
3) Aluminium-Werkstoffe (Rein-Aluminium, Aluminium-Legierungen) Grenzwert für Aluminiumoxidrauch

Bild 3-2 d: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim thermischen Schneiden

3.3 Thermisches Spritzen

Beim thermischen Spritzen werden verfahrensabhängig hohe Mengen an partikelförmigen Schadstoffen gebildet. So sind die Schadstoffemissionen beim Flammspritzen deutlich niedriger als beim Lichtbogenspritzen.

Plasmaspritzen verursacht im Vergleich zum Flamm- und Lichtbogenspritzen die höchsten Schadstoffemissionen.

Die entstehenden Schadstoffe sind darüber hinaus werkstoffabhängig und bilden sich ausschließlich aus dem jeweils verwendeten Spritzzusatz (Bild 3-2 e).

Der Grundwerkstoff hat keinen Einfluss auf Menge und Zusammensetzung der entstehenden Schadstoffe.

Bei allen thermischen Spritzverfahren liegen die Schweißrauch- und Staubkonzentrationen im Atembereich über dem Allgemeinen Staubgrenzwert sowohl für die A- als auch für die E-Fraktion des Staubes, wenn keine oder eine nur unzureichende Schadstofferfassung und -abscheidung vorhanden ist. Insgesamt sollten die Spritzverfahren (besonders Plasmaspritzen) in geschlossenen Kabinen durchgeführt werden, um die Belastungen des Schweißers und weiterer Personen durch Rauche und Stäube sowie Lärm zu minimieren.

3.3.1 Flammspritzen

Beim Flammspritzen mit Spritzzusätzen in Draht- oder Pulverform entstehen gas- und partikelförmige Stoffe. Die chemische Zusammensetzung der partikelförmigen Stoffe im Rauch/Staub entspricht der Zusammensetzung des Spritzzusatzes.

Wie bei anderen Autogenverfahren ist beim Flammspritzen die Bildung von nitrosen Gasen zu berücksichtigen.

Beim Flammspritzen mit hochlegiertem Spritzzusatz (z. B. Chrom < 27 %, Ni < 22 %) enthalten die hohen Staubemissionen auch hohe Werte für Nickeloxid.

Hier sind die Nickeloxid-Konzentrationen erheblich über 0,5 mg/m³ (alter TRK für Nickeloxid, siehe Bild 1-11b).

Darüber hinaus können sich Chrom(VI)-Verbindungen bilden. Es wird angenommen, dass ein vielfältiges Gemisch verschiedener Chromoxide entsteht.

Dieses Gemisch ist schwer löslich, enthält auch Chrom(VI)-Verbindungen und gilt als krebserzeugend.

Bei Nickel und Nickellegierungen ist Nickeloxid die Leitkomponente. Auch hier sind vielfach Überschreitungen der 0,5 mg/m³ (alter TRK für Nickeloxid, siehe Bild 1-11b) zu erwarten.

Bei gleicher Auftragsrate entstehen bei Chrom-Nickel-Legierungen höhere Emissionen als bei Zink- oder Aluminium-Legierungen.

3.3.2 Lichtbogenspritzen

Beim Lichtbogenspritzen entstehen hohe Emissionen von partikelförmigen Stoffen. Bei vergleichbaren Spritzparametern und etwa gleicher Auftragsrate liegt die Schadstoffemission beim Aluminiumdraht höher als bei Zink-, Chrom-Nickel- und Aluminiumbronzedrähten, wo die Schadstoffemissionen vergleichbar hoch sind. Beim Lichtbogenspritzen mit Chrom-Nickel oder mit Nickelbasis-Spritzzusätzen muss Nickeloxid als Leitkomponente beachtet werden. Hier sind Überschreitungen der alten TRK-Werte (siehe Bild 1-11b) nachgewiesen worden.

Beim Lichtbogenspritzen sind die Partikeldurchmesser insgesamt kleiner als beim Flammspritzen, wodurch eine größere alveolengängige Fraktion entsteht.

Verfahren Spritzzusatzwerkstoff Schweißrauch/
Leitkomponente(n)
Flammspritzen unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
A-, E-Staub1)
Stickstoffdioxid
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 27 % Cr und £ 22 % Ni)
Nickeloxid
Stickstoffdioxid
Nickel und Nickellegierungen
(> 60 % Ni)
Nickeloxid
Stickstoffdioxid
Aluminium-Werkstoffe3) A-, E-Staub1)
Stickstoffdioxid
Bleilegierungen Bleioxid
Stickstoffdioxid
Kupfer und Kupferlegierungen Kupferoxid2)
Stickstoffdioxid
andere Nichteisenmetalle
und Legierungen
A-, E-Staub1)
Stickstoffdioxid
Lichtbogenspritzen unlegierter, niedriglegierter Stahl
(Legierungsbestandteile < 5 %)
A-, E-Staub1)
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 27 % Cr und £ 22 % Ni)
Nickeloxid
Nickel und Nickellegierungen
(> 60 % Ni)
Nickeloxid
Aluminium-Werkstoffe3) A-, E-Staub1)
Kupfer und Kupferlegierungen Kupferoxid2)
andere Nichteisenmetalle
und Legierungen
A-, E-Staub1)
Plasmaspritzen Kupfer-Aluminium- und
Kupfer-Zinn-Legierungen
Kupferoxid2)
Chrom-Nickel-Stahl
(£ 27 % Cr und £ 22 % Ni)
Nickeloxid
Ozon
Nickel und Nickellegierungen
(> 60 % Ni)
Nickeloxid
Cobaltbasislegierungen
(> 50 % Co)
Cobaltoxid
1) Grenzwert für A-Staub/Schweißrauch und E-Staub
2) Grenzwert für Kupfer-Rauch
3) Aluminium-Werkstoffe (Reinaluminium, Aluminium-Legierungen) Grenzwert für Aluminiumoxidrauch

Bild 3-2 e: Zuordnung der Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim thermischen Spritzen

3.3.3 Plasmaspritzen

Beim Plasmaspritzen entsteht durch die viel höhere Spritzgeschwindigkeit eine noch höhere Schadstoffemission als beim Flamm- oder Lichtbogenspritzen mit gleichen Spritzzusätzen.

Die meisten Plasmaspritzverfahren werden deshalb in geschlossenen Anlagen (gekapselte Anlagen) durchgeführt. Trotzdem bleibt für die wenigen handgeführten Plasmaspritzverfahren eine Gesundheitsgefährdung des Schweißers möglich, solange die hohen Schadstoffkonzentrationen nicht an der Entstehungsquelle abgesaugt und abgeführt werden.

Die Praxis zeigt, dass beim Plasmaspritzen mit höheren Anteilen kritischer Werkstoffe (Chrom, Nickel, Cobalt u.a.) ohne Anwendung einer wirksamen Absaugung die alten TRK (siehe Bild 1-11b) und MAK erheblich überschritten werden können.

3.4 Löten

Die Schadstoffemission ist auch hier verfahrens- und werkstoffbedingt. Die Menge und die chemische Zusammensetzung der entstehenden Schadstoffe (Lötrauche) sind von den verwendeten Werkstoffen (Lote, Flussmittel, Bindemittel – Bild 3-6 ) und von den Verfahrensparametern (Löttemperatur [Bild 3-3 ], Löt- und Haltezeit) abhängig.

Grundsätzlich kann man das Löten einteilen in Weichlöten und Hartlöten.

3.4.1 Weichlöten (T < 450 °C)

Hier besteht vor allem eine deutliche Abhängigkeit der Schadstoffentstehung von der Löttemperatur.

Als Beispiel hierfür dienen Messergebnisse beim Handlöten mit kolophoniumhaltigem Röhrenlot (1,5 DIN 8516-L-Sn 60 PbCu 2 zh) und Flussmittel F-SW 32 3,5.

Beim Weichlöten bilden sich als Schadstoffe im Wesentlichen Kolophonium und seine Zersetzungsprodukte, da viele Flussmittel Kolophonium als Basis enthalten.

Zusätzlich, je nach dem eingesetzten Lot- und Flussmittel, können Hydrazin, Blei, Chlor- und Bromwasserstoff oder Zinn-Verbindungen auftreten.

Dies ist vor allem bei Lötarbeiten im Anlagenbau zu finden.

Löttemperatur
(°C)
Emission
Gesamtrauch
(mg/g Flussmittel)
Kolophonium
(mg/g Lot)
Aldehyd
(mg/g Lot)
Zinn
(mg/g Lot)
250 40 1 2 x 10-3 8
450 102 4,2 12,5 x 10-3 30

Bild 3-3: Schadstoffemission beim Weichlöten in Abhängigkeit von der Löttemperatur [8]

Bild 3-4: Lötarbeitsplatz mit Absaugung
Bild 3-4: Lötarbeitsplatz mit Absaugung


3.4.2 Hartlöten (T > 450 °C)

Beim Hartlöten werden im Wesentlichen Lote aus Kupfer-Zink-Legierungen, die noch Zusätze an Nickel, Zinn, Silber und Cadmium enthalten können, verwendet.

Die Flussmittel zum Hartlöten enthalten Gemische aus Borsäuren, einfachen oder komplexen Fluoriden, Fluoroxiden und Borax.

Entsprechend der eingesetzten Lote und Flussmittel entstehen beim Hartlöten folgende Schadstoffe: Cadmiumoxid, Kupferoxid, Zinkoxid, Silberoxid, Fluoride, Boroxid usw.

Aus arbeitsmedizinischer Sicht sind im Rauch beim Hartlöten insbesondere Cadmiumverbindungen und Fluoride von Bedeutung.

Beim Hartlöten mit cadmiumhaltigen Loten ist eine Absaugung der Rauche zwingend erforderlich.

Bei Kupfer-Basis-Loten wird, aufgrund der schwankenden messtechnischen Ergebnisse am Arbeitsplatz (Kupferrauch-Konzentrationen über/unter dem Grenzwert), eine Absaugung im Entstehungsbereich empfohlen.

Nach DIN 29454-1 werden Flussmittel für Weichlöten in drei Gruppen eingeteilt (siehe Bild 3-5).

Aufgrund der eingesetzten Lote sowie der Flussmittel können eine Vielzahl von Schadstoffen beim Löten entstehen. Folgende Schadstoffe wurden in Lötrauchen nachgewiesen, u. a.:

Aldehyde (insbesondere Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrylaldehyd), Antimonoxid, anorganische und organische Zinnverbindungen, Bleioxid, Boroxid, Bortrifluorid, Cadmiumoxid, Chloride/Chlorwasserstoff, Fluoride, Fluorwasserstoff, Hydrazin, Kupferoxid, Kolophonium, Phosphorpentoxid, Silberoxid, Zinkoxid.

In den Tabellen der Bilder 3-6 und 3-7 sind die Schadstoffe beim Löten zusammengestellt, die im Rahmen der Gefährdungsermittlung und -beurteilung zu berücksichtigen sind.

Siehe auch:
BG/BGIA-Empfehlung „Weichlöten mit dem Lötkolben an elektrischen und elektronischen Baugruppen oder deren Einzelkomponenten (Kolbenlöten)“ (BGI 790-014).

Gruppe
Flussmittel
1 natürliche Harze (Kolophonium) oder modifizierte natürliche Harze mit und ohne Zusatz von organischen oder halogenhaltigen Aktivatoren
2 organische Säuren (z. B. Zitronen-, Öl-, Stearin-, Benzoesäure), Amine, Diamine, Harnstoff und organische Halogenverbindungen
3 Zink- und andere Metallchloride, Ammoniumchlorid (in wässriger Lösung oder in organischen Zubereitungen)

Bild 3-5: Einteilung der Flussmittel in Gruppen
[Quelle: BGI 593, Ausg. 2008, nach Böckler, BGETEM]


Tabelle: Leitkomponenten beim Weichlöten (Tabelle 5 der BGR 220)
Bild 3-6: Leitkomponenten beim Weichlöten
[Quelle: BGI 593, Ausg. 2008, nach Böckler, BGETEM]


Tabelle: Leitkomponenten beim Hartlöten (Tabelle 6 der BGR 220)
Bild 3-7: Leitkomponenten beim Hartlöten
[Quelle: BGI 593, Ausg. 2008, nach Böckler, BGETEM]

 


3.4.3 MIG-Löten, Laserstrahl-Löten, Plasma-Löten (T > 900 °C)

Bei diesen Verfahren wird als Zusatzwerkstoff überwiegend drahtförmige Kupferbasis-Legierung eingesetzt, deren Schmelzbereich niedriger ist als der Grundwerkstoff, z. B. CuSi 3 (Si 3 %, Mn 1 %, Cu Rest), AlBz 8 (Al 8,2 %, Cu Rest).

Die emittierten partikelförmigen Schadstoffe entstehen aus dem Zusatzwerkstoff. Der Grundwerkstoff wird nicht aufgeschmolzen.

Verzinkter Stahl

Bei der Bearbeitung verzinkter Stähle enthalten die Rauche hohe Anteile von Zinkoxid, die aus der Beschichtung durch Verdampfen und Oxidation entstehen.

Darüber hinaus entstehen aus dem Zusatzwerkstoff hohe Mengen an Kupferoxid.

Die höchsten Emissionsraten sind beim MIG-Löten zu erwarten. Die kleinsten Emissionsraten sind demgegenüber beim Plasmalöten zu erwarten.

Dementsprechend entstehen beim MIG-Löten mit CuSi 3 (1 mm Drahtdurchmesser) und bei einer 45 µm Zinkschicht etwa 4,7 mg/s.

Hochlegierter Stahl

Hier ist die Leitkomponente im Schweißrauch vom Zusatzwerkstoff bestimmt, und zwar Kupferoxid. Der Grundwerkstoff ist für die Schadstoffentstehung nicht relevant.

Beim MIG-Löten mit 1 mm Drahtdurchmesser liegt die Rauchentwicklung etwa bei 2,4 mg/s.

Beim Plasma- und Laserstrahllöten mit gleichem Zusatzwerkstoff liegt die Schweißrauchemission viel niedriger als beim MIG-Löten.

Verfahren Grund-
werkstoff
Zusatz-
werkstoff
Haupt-
komponente
Leit-
komponente
MIG-Löten verzinkter Stahl CuSi 3 Zinkoxid Kupferoxid
Chrom-Nickel-Stahl AlBz 8   Kupferoxid
Laserstrahl-Löten verzinkter Stahl CuSi 3 Zinkoxid Kupferoxid
Chrom-Nickel-Stahl AlBz 8   Kupferoxid
Plasma-Löten verzinkter Stahl CuSi 3 Zinkoxid Kupferoxid
Chrom-Nickel-Stahl AlBz 8   Kupferoxid
Chrom-Nickel-Stahl: £ 20 % Cr und £ 30 % Ni
AlBz 8: Al 8,2 %, Cu Rest
CuSi 3: Si 3%, Mn 1 %, Cu Rest

Bild 3-8: Zuordnung der Haupt- und Leitkomponenten zu den Verfahren und Werkstoffen beim Löten [13]

 

 

Webcode: M1511-5