DGUV Information 209-016 - Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahr...

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Abschnitt 1.3, 1.3 Entstehung
Abschnitt 1.3
Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren (bisher: BGI 593)
Titel: Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren (bisher: BGI 593)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 209-016
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Abschnitt 1.3 – 1.3 Entstehung

Die in der Schweißtechnik entstehenden Schadstoffe bilden sich aus

  • Zusatzwerkstoffen,

  • Grundwerkstoffen,

  • Schutzgasen,

  • Beschichtungen,

  • Verunreinigungen und

  • Umgebungsluft

bei hoher Temperatur (des Lichtbogens oder der Flamme) durch physikalische und/oder chemische Prozesse (Bild 1-6), wie

  • Verdampfen,

  • Kondensation,

  • Oxidation,

  • Zersetzung,

  • Pyrolyse und

  • Verbrennen.

Die Art und die Menge der gebildeten Schadstoffe ist werkstoff- und verfahrensbedingt. Die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Werkstoffe hat einen direkten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der partikelförmigen Schadstoffe. Die angewendeten Verfahren beeinflussen die Entstehung gasförmiger Schadstoffe.

Bild 1-6: Schadstoffentstehung (Beispiele)
[Quelle: Spiegel-Ciobanu, BGI 593 2008]

1.3.1 Gasförmige Schadstoffe

Kohlenmonoxid (CO) entsteht in kritischen Konzentrationen beim Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC) oder beim Metall-Aktivgasschweißen mit Mischgas (mit hohem Anteil an Kohlendioxid) durch die thermische Zersetzung des Kohlendioxids (CO2).

Außerdem entsteht Kohlenmonoxid bei jeder Verbrennung mit unzureichender Sauerstoffzufuhr.

Stickstoffoxide (NOx = NO, NO2) bilden sich durch Oxidation des Luftstickstoffes (aus dem Sauerstoff [O2] und dem Stickstoff [N2] der Luft) am Rand der Flamme oder des Lichtbogens. Bei Temperaturen über 1.000 C entsteht Stickstoffmonoxid. Das Stickstoffmonoxid oxidiert in der Luft bei Raumtemperatur zu Stickstoffdioxid.

Bei Verfahren der Autogentechnik (Gasschweißen, Flammwärmen, Flammrichten, Brennschneiden, Flammspritzen), beim Plasmaschmelzschneiden mit Druckluft oder Stickstoff und beim Laserstrahlschneiden mit Druckluft oder Stickstoff sind Stickstoffoxide (in erster Linie Stickstoffdioxid) meistens der dominierende Schadstoff (die Leitkomponente).

Ozon (O3) entsteht durch ultraviolette Strahlung aus dem Sauerstoff der Luft, insbesondere beim Schutzgasschweißen von stark strahlungsreflektierenden Werkstoffen, wie Aluminium und Aluminium-Silicium-Legierungen. Die Anwesenheit von anderen Gasen, Rauchen oder Stäuben in der Luft beschleunigt den Zerfall von Ozon zu Sauerstoff.

So ist es erklärlich, dass gerade bei raucharmen Verfahren die Ozonkonzentration erhöht ist.

Phosgen (COCl2) bildet sich neben Chlorwasserstoff (HCl) beim Erhitzen oder durch UV-Bestrahlung von Entfettungsmitteln, die Chlorkohlenwasserstoffe enthalten.

Gase aus Beschichtungsstoffen entstehen beim Überschweißen von Werkstücken, die mit Shopprimern (Oberflächenbeschichtungen gegen Korrosion) oder mit anderen Beschichtungen (Farben, Lacke) versehen sind. Je nach der chemischen Zusammensetzung dieser Beschichtungen bilden sich neben Metalloxiden, die partikelförmig sind, auch Gase, z. B. Kohlenmonoxid (CO), Formaldehyd (HCHO), Toluylendiisocyanat, Blausäure (HCN), Chlorwasserstoff (HCl).

1.3.2 Partikelförmige Schadstoffe

Eisenoxide (FeO, Fe2O3, Fe3O4) entstehen aus dem Zusatz- und Grundwerkstoff beim Schweißen und Schneiden von Stahlwerkstoffen.

Aluminiumoxid (Al2O3) entsteht aus dem Zusatz- und Grundwerkstoff beim Schweißen und Schneiden von Aluminium-Werkstoffen.

Manganoxide (MnO2, Mn2O3, Mn3O4, MnO) entstehen bei allen Lichtbogenverfahren mit manganhaltigen Zusätzen. Der Anteil von Mangan im Schweißzusatz hat einen direkten Einfluss auf den Anteil von Manganoxid im Schweißrauch und führt immer zu einer Anreicherung im Schweißrauch. Untersuchungen beim Hartauftragschweißen mit hoch manganhaltigen Kerndrähten ergaben Emissionswerte an Manganoxiden im Schweißrauch bis 40 %.

Fluoride (CaF2, KF, NaF, andere) entstehen aus der Umhüllung der Stabelektroden oder aus der Füllung der Fülldrähte bei der Verwendung kalkbasischer Umhüllungen bzw. fluorhaltiger Flussmittel.

So erreicht z. B. beim Lichtbogenhandschweißen mit basisch umhüllten un- und niedriglegierten Stabelektroden der Anteil von Fluoriden im Schweißrauch Werte zwischen 10 % bis 20 %.

Barium-Verbindungen (BaCO3, BaF2) entstehen beim Schweißen mit bariumhaltigen Schweißzusätzen aus der Umhüllung bei Stabelektroden oder aus den Füllstoffen bei Fülldrähten, z. B.:

  • Stabelektroden zum Schweißen von Gusseisen und Kupferlegierungen,

  • hoch- und mittellegierte Fülldraht- oder Stabelektroden.

So ergab beispielsweise das Schweißen mit Stabelektroden von Gusseisen und Kupferlegierungen bis zu 40 % Barium-Gehalt im Schweißrauch.

Kaliumoxid, Natriumoxid und Titandioxid (K2O, Na2O, TiO2) entstehen aus der Umhüllung beim Einsatz umhüllter Stabelektroden. Titandioxid kann im Rauch von rutilsauren Elektroden auftreten.

Chrom(III)-Verbindungen (Cr2O3, FeCr2O4, KCrF4). Dreiwertige Chromverbindungen entstehen in geringen Konzentrationen beim Lichtbogenhandschweißen mit hochlegierten umhüllten Stabelektroden. In Form von Spinellen/Mischoxiden, wie (FeMnNi), (FeMnCr)2O4 sowie Cr2O3, entstehen diese in höheren Konzentrationen (bis zu 90 % des Gesamtchroms im Schweißrauch) beim MAG-Schweißen mit hochlegierten Drähten. Sie sind auch im Schweißrauch von hochlegierten Fülldrähten zu finden (bis zu 40 % des Gesamtchroms im Schweißrauch).

Chrom(VI)-Verbindungen (Chromate = Na2CrO4, K2CrO4, ZnCrO4, usw.) (Chromtrioxid = CrO3). Sechswertige Chromverbindungen entstehen in kritischen Konzentrationen beim Verwenden von hochlegierten umhüllten Stabelektroden beim Lichtbogenhandschweißen wie auch beim Schweißen mit hochlegierten chromhaltigen Fülldrähten.

Auch beim Überschweißen von früher üblichen zinkchromathaltigen Fertigungsbeschichtungen (Reparatur-Schweißen) können Chrom(VI)-Verbindungen auftreten.

Nickeloxide (NiO, NiO2, Ni2O3) entstehen vorwiegend beim:

  • Schweißen mit Reinnickel und Nickelbasiswerkstoffen (aus dem Schweißzusatz),

  • Plasmaschneiden von hochlegierten nickelhaltigen Stählen (aus dem Grundwerkstoff),

  • thermischen Spritzen mit Nickelbasis-Spritzzusätzen aus dem Spritzzusatz.

Cadmiumoxid (CdO) entsteht:

  • aus dem Lot beim Hartlöten mit cadmiumhaltigem Hartlot,

  • beim Schweißen und Schneiden von cadmiumbeschichteten Werkstoffen.

Berylliumoxid entsteht aus dem Grundwerkstoff beim Schneiden von berylliumhaltigen Werkstoffen.

Cobaltoxid (CoO) entsteht aus dem:

  • Schweißzusatz beim Auftragschweißen mit cobalthaltigen Legierungen,

  • Spritzzusatz beim thermischen Spritzen mit cobalthaltigen Legierungen,

  • Grundwerkstoff beim Schneiden von Stählen, die Cobalt als Legierungselement enthalten.

Thoriumdioxid (ThO2) entsteht aus der thoriumoxidhaltigen Wolframelektrode beim WIG-Schweißen, insbesondere von Aluminiumwerkstoffen.

Andere Metalle in der Oxidform. Bleioxid, Kupferoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Titandioxid, Vanadiumpentoxid entstehen bei der schweißtechnischen Be- und Verarbeitung (z. B. aus den metallischen Beschichtungen, beim Überschweißen, aus dem Spritzzusatz, beim thermischen Spritzen, aus dem Flussmittel/Lot, beim Löten) von Werkstoffen, welche die vorstehend genannten Metalle enthalten.

Rauche aus Beschichtungsstoffen. Eine große Zahl von Schadstoffen aus organischen Komponenten kann sich bilden bei Schweiß- und Schneidverfahren von metallischen Werkstoffen, die Beschichtungen auf organischer Basis (z. B. Farben, Lacke, Primer) haben.

1.3.3 Schadstoffe aus Beschichtungsstoffen auf organischer Basis

Untersuchungen mittels Pyrolyse bei organischen Beschichtungen, die im Schiffbau verwendet wurden und teilweise auch heute noch zur Anwendung kommen, ergeben die in den Bildern 1-7a und 1-7b (S. 16 u. 17) enthaltenen Zersetzungsprodukte.

Zersetzungsprodukte
(Schadstoffe)
Leitkomponenten1) bei verschiedenen Beschichtungsstoffen
Voranstrich (Bindemittelbasis)Deckschicht2)
(Bindemittelbasis)
Shopprimer3)Primer4)
EpoxidharzEthylsilikatPVBEpoxidharzChlor-
Kautschuk
AlkydharzChlor-
Kautschuk
Alkydharz
Aliphatische Aldehyde5)  L2 L3L4L3L4
Aliphatische Alkohole (C2 - C4)6)L4L2L3L4    
Aliphatische Carbonsäuren     L2 L2
Alkylbenzole (C7 -C8)7)L3  L3L4 L4 
Chlorwasserstoff (HCl)    L1 L1 
Kohlenmonoxid (CO)L2L1L1L2L2L3L2L3
Phenole (einschl. Bisphenol-A)L1  L1    
Phthalsäureanhydrid     L1 L1
Feinstaub (alv. Fraktion)LLLLLLLL
1) L: allgemeine Leitkomponente. L1, L2, L3, L4: erste, zweite, dritte, vierte Leitkomponente.
2) Deckschicht wird auch als "finishing paint" bezeichnet.
3) Als Shopprimer wird der Voranstrich bezeichnet, der meist schon vom Hersteller auf Halbzeuge (Bleche, Profile) aufgebracht wir
4) Als Primer wird der Voranstrich bezeichnet, der vom Verarbeiter auf die fertigen Produkte aufgebracht wird.
5) hier z. B. Butyraldehyd.
6) hier z. B. Butanol.
7) hier z. B. Toluol, Xylol.
Anmerkung!Erfahrungsgemäß verschiebt sich das Spektrum der Zersetzungsprodukte mit steigender Temperatur in Richtung niedermolekularer Stoffe, z. B.:
aliphatische AldehydeAcrolein, Formaldehyd
aliphatische AlkoholeEthanol, Methanol
aliphatische CarbonsäurenEssigsäure, Ameisensäure

Bild 1-7a: Empfehlungen für Leitkomponenten für die Zersetzungsprodukte von Beschichtungsstoffen auf organischer Basis bei Pyrolyse (t = 350 C)
[Quelle: Spiegel-Ciobanu, BGI 593 2008, in Anlehnung an die Publikation von Bernt Engström, Finnland [5]]

 

Beschichtung
(Bindemittelbasis)
Epoxidteer
Amid-
Addukt
gehärtet
Polyure-
thanteer
Epoxidteer
Amin
gehärtet
EpoxidharzUrethan-
Alkydharz
EpoxidteerAlkydharzVinyl/
Epoxidharz
(teerhaltig)
Zersetzungsprodukte
(Schadstoffe)
Nachgewiesene StoffeLeitkomponenten
AcenaphthenX       
Acetaldehyd       X
Benzaldehyd  X     
BenzolXXXXXXXX
BiphenylX       
Bisphenol-AX XX X  
Buten       X
4-tert. Butylphenol  X     
DibenzofuranX       
Dihydrobenzopyran oder IsomeresX       
Diisocyanattoluol X      
FluorenX       
Kresole  X     
Methyl-methacrylat       X
α-Methylstyrol (Isopropenylbenzol)  XX X  
Dimeres des α-Methylstyrol  X     
MethylnaphthalineX       
NaphthalinX       
4-Kern polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAH)XX      
5-Kern polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAH)XX      
Phenanthren/AnthracenXX      
PhenolX XX   X
PyrenXX      
StyrolX XXXXXX
ToluolXXXXXXXX
XyloleX X     

Bild 1-7b: Zersetzungsprodukte von Beschichtungsstoffen auf organischer Basis bei Pyrolyse (t = 800 C): nachgewiesene Stoffe und Leitkomponenten
[Quelle: Spiegel-Ciobanu, BGI 593 2008, auf der Grundlage von BG-begleiteten Untersuchungen]