Aufbau eines Systems zur Messung der UV-Strahlungsemission an handgeführten Laserschweißprozessen sowie Durchführung umfassender quantitativer Messungen zur Beurteilung der Gefährdungslage für den Bediener

Status:

abgeschlossen 09/2021

Zielsetzung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Ermittlung und Bewertung von Informationen zum Ausmaß der Emission potenziell gefährlicher inkohärenter ultravioletter und sichtbarer Sekundärstrahlung (UV und VIS) inkl. der spektralen Charakteristik aus den Prozesszonen von Laserstrahlschweißprozessen. Aufgrund des hohen spezifischen Gefährdungspotenzials erfolgte eine Fokussierung auf die handgeführte bzw. handpositionierte Lasermaterialbearbeitung. Generell sind die erzielten Ergebnisse aber auch für automatisierte Laserstrahlschweißprozesse relevant, sofern sich Personen im Arbeitsbereich aufhalten. Die Ergebnisse dienen der Verbesserung der momentan defizitären Datenlage und stellen eine Basis zur Durchführung von Gefährdungsbeurteilungen durch die Betreiber der Lasereinrichtungen dar. Schließlich soll zeitnah die Einbringung der Ergebnisse in die Normung initiiert werden.

Aktivitäten/Methoden:

Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten wurde zunächst die Auswahl des Messsystems mit einer kalibrierten Deuterium-Strahlquelle an einem typischen Laserstrahlschweißprozess verifiziert. Die Entwicklung eines kompakten Messsystemkopfes ermöglichte die deckungs- und zeitgleiche Messung der aus der Prozesszone emittierten Sekundärstrahlung in den Spektralbereichen UV-A, UV-B und UV-C (180 und 400 nm) sowie VIS (300 und 700 nm), so dass eine Bewertung hinsichtlich der relevanten Expositionsgrenzwerte gemäß Richtlinie 2006/25/EG erfolgen konnte. In systematischen Parameterstudien an Blindschweißungen wurde der Einfluss des Werkstoffs, der Laserstrahlquelle und der Schweißparameter auf Intensität und räumliche Verteilung der Sekundärstrahlungsemission evaluiert. Die Messergebnisse wurden zu den Expositionsgrenzwerten in Relation gesetzt. Zwecks Verifizierung der Ergebnisse an den Blindschweißungen wurden drei reale Laserstrahlschweißprozesse nachgestellt. Auf Basis der ermittelten Daten wurden Empfehlungen zum Schutz des Bedienpersonals vor der Sekundärstrahlung erarbeitet.

Ergebnisse:

Durch die erhaltenen Ergebnisse wurden die Relevanz der Thematik für die Gewährleistung der Arbeitssicherheit in den betroffenen Branchen bestätigt und entsprechender Handlungsbedarf identifiziert. Generell hat sich Titan als der Werkstoff mit den stärksten Sekundärstrahlungsemissionen beim gepulsten Laserstrahlschweißen erwiesen. Dies gilt insbesondere für die UV-Strahlungsemission, weniger für die Emission von sichtbarem Licht (sog. Blaulichtgefährdung). Es folgen Edelstahl und Baustahl, während die Belastung bei der Bearbeitung von Aluminium und Messing offenbar vergleichsweise gering ist. Die Sekundärstrahlung wird im Allgemeinen bei allen betrachteten Werkstoffen sehr stark divergent in die Hemisphäre über der jeweils bearbeiteten Werkstoffprobe emittiert.

Mit den verwendeten Lasersystemen sind UV-Sekundärstrahlungsexpositionswerte, die für die Haut und die Hornhaut kritisch sind, in einer ähnlichen Größenordnung zu beobachten. Der relevante Expositionsgrenzwert H_eff wird vor allem im Fall von Titan bei geringem Abstand von der Laserprozesszone teilweise nach weniger als einer Minute erreicht. Dies ist für die Gewährleistung der Arbeitssicherheit beim handgeführten bzw. handpositionierten Laserstrahlschweißen hochgradig relevant, weil sich die Hände des Bedienpersonals sehr dicht an der Prozesszone befinden müssen. Entsprechend sind lichtdichte Arbeitshandschuhe zu tragen. Dabei sollte der Schutz der Hände gegen emittierte Laserstrahlung nicht unberücksichtigt bleiben. Ebenso ist die Abdeckung der Haut vor allem an den Armen, welche der Prozesszone noch relativ nah kommen, durch lichtdichte Kleidung dringend zu empfehlen. Für die Augen hat sich die potenzielle Belastung der Netzhaut durch aus der Schweißprozesszone emittiertes Blaulicht als stärker relevant im Vergleich zur Belastung der Linse durch emittierte UV-Strahlung erwiesen, was dadurch erklärbar ist, dass das spektrale Maximum der Sekundärstrahlung aus dem UV-Bereich heraus in den VIS-Bereich verschoben ist. Abhängig vom bearbeiteten Werkstoff und vom Abstand von der Prozesszone wird der Expositionsgrenzwert E_B unter Umständen ebenfalls in weniger als einer Minute erreicht. Besonders kritisch ist offenbar wiederum die Bearbeitung von Titan. Generell muss das Bedienpersonal während des Betriebs eines Handlasergerätes zum Schutz der Augen gegen die aus der Prozesszone freigesetzte Laserstrahlung eine geeignete Laserschutzbrille tragen. Dabei ist darauf zu achten, dass diese Brille auch den Anforderungen an den Schutz gegen UV-Strahlung sowie vor allem sichtbares Licht genügt. Die Schutzbrille muss demnach ähnlich wie bei einer Schweißerschutzbrille abgedunkelt sein, wenn auch nicht so stark, um die Transmission breitbandig zu reduzieren.

Stand: