BG BAU Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft

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4 Ultrafeine Partikel (UFP)

4.1 Erkenntnisse aus Studien zur Toxizität der UFP

Epidemiologische und tierexperimentelle Untersuchungen mit ultrafeinen Partikeln stammen vorwiegend aus Inhalationsversuchen mit Ratten oder anderen Nagetieren mit Dieselruß, technischem Ruß und mit Titandioxid. Sie zeigen, dass abhängig von der mit der Lunge im Kontakt stehenden Partikeloberfläche entzündliche, fibrotische (Verhärtung des Lungengewebes) oder kanzerogene (krebserzeugende) Effekte auftreten können.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Partikelgröße, die Struktur und Form der im Schweißrauch enthaltenen ultrafeinen Partikel die möglichen Wirkungen auf den menschlichen Organismus beeinflussen können. Zusätzlich hat auch die chemische Zusammensetzung der Partikel eine große Bedeutung.

Die Partikelanzahlkonzentration (Partikel/cm³), die spezifische Partikeloberfläche sowie die chemische Zusammensetzung beeinflussen die Wahrscheinlichkeit der Ablagerung in der Lunge, das Reinigungsverhalten der Lunge sowie die sich daraus ergebenden Verweilzeiten und bestimmen somit die Schädigung der Lunge.

Partikeln mit Durchmesser zwischen 20 und 50 nm wird das größte Schädigungspotential zugemessen. [Quelle: Spiegel- Ciobanu, Publikation [14 ]]

4.2 Erkenntnisse aus der Forschung zur Charakterisierung der UFP

Chemisch-physikalische Prozesse, wie Verdampfen, Kondensieren, Oxidieren, Pyrolyse, die auf die hohen Temperaturen bei schweißtechnischen Verfahren zurückzuführen sind, führen zur Bildung von ultrafeinen Partikeln.

Die eingesetzten Prozesse und deren Parameter (Strom, Spannung, Elektrodendurchmesser, Art der Schweißung), die verwendeten Zusatz- und Grundwerkstoffe mit ihrer jeweiligen chemischen Zusammensetzung, die Schutzgasart oder die Flussmittel sowie der Oberflächenzustand der Werkstoffe spielen dabei eine wichtige Rolle. Art und Menge der enstehenden Partikel sind maßgebend beeinflusst. Zusätzlich sind auch arbeitsplatzspezifische Faktoren zu nennen: Lüftung, Kopf-/Körperposition, Schweißdauer, Form/Konstruktion des Werkstückes, die die Schweißrauchkonzentration im Atembereich des Schweißpersonals bestimmen [19].

4.3 Ergebnisse der Untersuchungen bei schweißtechnischen Verfahren

Schweiß-, Schneid- und Lötverfahren mit unlegierten, niedriglegierten und hochlegierten Werkstoffen, sowie mit Aluminium- und Kupferbasislegierungen wurden vom ISF der RWTH Aachen im Verbundprojekt mit ITEM Hannover bezüglich ihrer Emissionsraten, der chemischen Zusammensetzung, der Diffusionsäquivalentdurchmesser der Agglomerate und der geometrischen Durchmesser der Primärpartikel sowie bezüglich der „biologisch aktiven Oberfläche“ der Partikel untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 4-1 bis Bild 4-7 [15] zusammengefasst und wie folgt dargestellt.

Mit steigender Zeit bilden sich immer größere Partikel und Agglomerate (Zusammenballungen), sodass bei Messungen der Schweißrauchkonzentrationen am Arbeitsplatz mit einem „Alterungsprozess“ der Schweißrauche zu rechnen ist.

Massen- und Anzahlgrößenverteilung, Agglomeratanzahlemissionsraten (Anzahl der Agglomerate pro Sekunde), mittlere Primärpartikelanzahl pro Agglomerat unterliegen einer Änderung durch Alterung.

Charakteristiken der UFP beim Lichtbogenhandschweißen

Bild 4-1: Charakteristiken der UFP beim Lichtbogenhandschweißen und beim Metall-Aktivgasschweißen
[Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Metall-Inertgasschweißen

Bild 4-2 : Charakteristiken der UFP beim Metall-Inertgasschweißen und beim Metall-Inertgaslöten [Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Wolfram-Inertgasschweißen

Bild 4-3: Charakteristiken der UFP beim Wolfram-Inertgasschweißen, Laserstrahlschweißen und beim Laser-MIG-Hybridschweißen [Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Elektronenstrahlschweißen

Bild 4-4: Charakteristiken der UFP beim Elektronenstrahlschweißen an Atmosphäre [Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Widerstandspunktschweißen

Bild 4-5: Charakteristiken der UFP beim Widerstandspunktschweißen und -kleben [Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Weich- und Hartlöten

Bild 4-6: Charakteristiken der UFP beim Weich- und Hartlöten [Quelle: [15]

Charakteristiken der UFP beim Plasma-, Brenn- und Laserstrahlschneiden

Bild 4-7: Charakteristiken der UFP beim Plasma-, Brenn- und Laserstrahlschneiden auf der Wasseroberfläche oder mit Absaugung [Quelle: [15]

4.4 Erkenntnisse aus der Forschung zur Ermittlung der Partikelkenngrößen beim Schweißen von verzinkten Blechen

Mit Hilfe der Fumebox- Methode (siehe auch Abschnitt 1.10 dieser BGI), auf der Grundlage der DIN EN 15011 wurden im ISF Abschnitt der RWTH Aachen [16] feuer- und elektrolytisch verzinkte Bleche gelötet und geschweißt mit den Verfahren MIG-Löten, Widerstandspunktschweißen (WPS) und CO2 –Laserstrahlschweißen, um auch hier die ultrafeinen Partikel und deren Partikelkenngrößen zu ermitteln.

Im Hinblick auf die

  • Emissionsraten
  • Anteil-Partikel-Fraktion D < 100 nm
  • Partikelanzahlkonzentration
  • Partikeloberflächenkonzentration

sind hier die Ergebnisse wie folgt dargestellt:

Ergebnisse MIG-Löten von verzinkten Blechen [16]
Abhängig von den gewählten Werkstoffen und Parametern:

  • Die Emissionsraten liegen zwischen 1,3 – 9,0 mg/s.
  • Der Zinkanteil liegt zwischen 30% und 60%.
  • Die Partikelfraktion mit einem Mobilitätsdurchmesser kleiner 100 nm liegt zwischen 28% und 55%.
  • Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von 106 - 107 [Partikel/cm³].
  • Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von 1012 - 1013 [nm²/cm³].

Ergebnisse beim Widerstandspunktschweißen von verzinkten Blechen [16]
Abhängig von den gewählten Werkstoffen und Parametern:

  • Die Emissionsraten liegen zwischen 0,07 – 0,43 mg/s.
  • Der Anteil der Partikel mit Mobilitätsdurchmesser kleiner als 100 nm liegt in etwa bei 99%.
  • Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von 105-106 [Partikel/cm³].
  • Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von 1010 -1011 [nm²/cm³]
.

Ergebnisse beim CO2 -Laserschweißen von verzinkten Blechen [16]
Abhängig von den gewählten Werkstoffen und Parametern:

  • Die Emissionsraten liegen zwischen 2,56 – 4,97 mg/s.
  • Der Anteil der Partikel mit Mobilitätsdurchmesser kleiner als 100 nm befindet sich zwischen 40% und 60%.
  • Die mittlere Partikelanzahlkonzentration liegt in der Größenordnung von 107 [Partikel/cm3].
  • Die mittlere Partikeloberflächenkonzentration liegt in der Größenordnung von 1012-1013 [nm2/cm3].

Eine Minderung der Emissionsraten – bei Verfahren mit Emissionsraten über 1 mg/s – durch gezielte Schutzmaßnahmen bedeutet gleichzeitig auch eine Reduzierung der Primärpartikelemissionsrate und der Agglomeratemissionsrate.

Die gezielte Anwendung von wirksamen Absaugsystemen, deren Erfassungselemente im Schweißrauchentstehungsbereich positioniert werden, führen zur Unterschreitung der festgelegten Arbeitsplatzgrenzwerte und somit zur Minderung der ursprünglich hohen Gefährdung durch Schweißrauche bei Verfahren mit mittleren, hohen und sehr hohen Emissionsraten.

Überblick über die gemessenen Partikelkenngrößen

Bild 4-8: Überblick über die gemessenen Partikelkenngrößen [Quelle: [16]

 

Webcode: M1511-6