Gesundheits- und Arbeitsschutz beim Schweißen

Ob bei der Verbindung von Blechen oder Rohren: Das Autogenschweißen (Gasschweißen) steht zwar für eine hohe Genauigkeit. Doch auch dieses vergleichsweise langsame Verfahren setzt Gefahrstoffe frei – nicht nur das gefährliche Stickstoffdioxid.

Haben Sie schon einmal in engen Räumen das Autogenschweißverfahren ohne ausreichende Lüftung angewandt? Dann dürften Ihnen die Folgen bekannt sein: Übelkeit und Kopfschmerzen – obwohl sich die Symptome für ein übermäßiges Einatmen von Schweißrauch beim Gasschweißen auch erst Stunden später einstellen können. Wer diese Gase regelmäßig einatmet, läuft zudem Gefahr, an schweren Atemwegsinfekten zu erkranken.

Schadstoff-Konzentration abhängig von der Flammengröße

Das Gefährliche am Schweißrauch beim Autogenschweißen: Bei diesem Verfahren entstehen Stickstoffoxide, sogenannte nitrose Gase. Vor allem Stickstoffdioxid (NO2) steht im Fokus der Luftreinhaltung. Dabei handelt es sich um ein ätzendes Reizgas, das die Schleimhaut im gesamten Atemtrakt schädigt und zudem die Augen reizt. Der Schadstoff führt zu Entzündungen in den Atemwegen und verstärkt die Reizwirkung anderer Luftschadstoffe zusätzlich. In der Folge können Atemnot, Husten, Bronchitis, Lungenödem, eine steigende Anfälligkeit für Atemwegsinfekte sowie eine Lungenfunktionsminderung auftreten.

Schweißer erkennen Stickstoffdioxide oft an ihrem stechenden Geruch. Die Schadstoff-Konzentration am Arbeitsplatz steigt beim Gasschweißen mit der Flammengröße und daher auch mit der Brennergröße und mit dem Abstand der Düse zum Blech. Kritisch wird die Stickstoffdioxid-Konzentration bei Arbeiten in engen Räumen ohne entsprechende lüftungstechnische Maßnahmen. Sie kann bei frei brennender Flamme im Vergleich zu einer Flamme von nur 15 Millimetern Länge den zehnfachen Wert erreichen.

Kohlenstoffoxide können zum Ersticken führen

Doch nicht nur Stickoxide, sondern ebenso gefährliche Kohlenstoffverbindungen werden beim Gasschweißen freigesetzt. Kohlenmonoxid entsteht zum Beispiel durch das unvollständige Verbrennen von Gasen, Flussmitteln und Beschichtungen. Das Heimtückische: Dieser Gefahrstoff ist geruchsfrei. Atmet der Mensch eine erhöhte Kohlenmonoxid-Konzentration ein, bindet sich das Gas um ein Vielfaches stärker an seine roten Blutkörperchen als der in der Luft enthaltene Sauerstoff. Dadurch kommt es schnell zu einem Sauerstoffmangel im Blut. Schon geringe Mengen von Kohlenmonoxid führen zu irreversiblen Herz- und Hirnschäden. Bei hohen Konzentrationen in geschlossenen Räumen ohne Lüftung kann das Einatmen von Kohlenmonoxid sogar völlig unbemerkt zum Tod durch Ersticken führen.

Ähnliche Beschwerden rufen übrigens auch hohe Konzentrationen Kohlenstoffdioxid hervor: Schwindel, beschleunigter Herzschlag, Blutdruckanstieg, Atemnot und Bewusstlosigkeit, die so sogenannte Kohlenstoffdioxid-Narkose. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration für eine tägliche Exposition von acht Stunden liegt bei 0,5 Prozent. Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen von acht  Prozent führen innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.

Angewandt vor allem bei Blechen und Rohren

Das Gasschweißen wird vor allem beim Verbinden von Blechen und Rohren aus niedrig legiertem oder unlegiertem Stahl angewandt. Dabei handelt es sich um ein genaues, aber vergleichsweise langsames Verfahren, was die Dauer des Schweißvorgangs und so den Kontakt mit den Gefahrstoffen verlängert.

Wer sichergehen will, dass beim Gasschweißen keine gesundheitsgefährdenden Stoffe eingeatmet werden, sollte auf eine wirkungsvolle Absaugung und eine gute Belüftung des Arbeitsplatzes achten.

Bis hin zur Entstehung von Chrom-VI-Verbindungen: Beim Lichtbogenhandscheißen hängt die Art der Gefahrstoffe im Schweißrauch entscheidend vom Werkstoff des Kernstabes und seiner Umhüllung ab. Hochlegierte Stabelektroden sind besonders gefährlich.

Ob im Hochbau, im Stahl- und Rohrleitungsbau oder sogar im Freien: Lichtbogenhandschweißen, auch Elektrodenhandschweißen genannt, wird aufgrund seiner Vielseitigkeit gerne eingesetzt, zählt es doch zu den ältesten elektrischen Schweißverfahren für metallische Werkstoffe. Doch Lichtbogenhandschweißen stellt eine Gefahr für die Gesundheit dar. Giftiger Schweißrauch entsteht – vor allem hochlegierte Kernstäbe bergen ein großes Gesundheitsrisiko.

Gefahrstoffe abhängig von den verarbeiteten Materialien

Schweißer setzen das Lichtbogenhandschweißen vor allem beim Stahl- und Rohrleitungsbau ein. Denn der maschinelle Aufwand im Vergleich zu anderen Verfahren ist dabei verhältnismäßig gering. Ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer als Zusatzwerkstoff abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück wird als Wärmequelle zum Schweißen genutzt. Durch die hohe Temperatur des Lichtbogens wird der Werkstoff an der Schweißstelle aufgeschmolzen. Je nach Anwendung und Elektrodentyp kann mit Gleichstrom oder Wechselstrom geschweißt werden.

Das Heimtückische für die Gesundheit der Schweißer dabei: Umhüllte Stabelektroden entwickeln beim Abschmelzen Gase und Schweißschlacken. Die Gase aus der Umhüllung stabilisieren den Lichtbogen und schirmen das Schweißbad vor der Oxidation durch den Luftsauerstoff ab. Die Art der Gefährdung hängt von der Zusammensetzung der Hülle und des Kerndrahtes ab. Beim Lichtbogenhandschweißen unterscheidet man zwischen den vier Umhüllungsarten sauer, rutil, baisch und zelluloseumhüllt.

Hohe Gesundheitsrisiken sogar bei unlegierten Werkstoffen

Bei un- und niedriglegierten Stählen weisen Schweißrauche folgende Bestandteile auf: Eisenoxid, Siliciumdioxid, Kaliumoxid, Manganoxid, Natriumoxid, Titandioxid und Aluminiumoxid. Die Rauche der basisch-umhüllten Stabelektroden beinhalten zusätzlich Calciumoxid und Fluoride. Fluoriden können bei chronischem Kontakt für Knochenschäden verantwortlich sein. Rauche sauerumhüllter Stabelektroden enthalten bis zu zehn Prozent Manganoxid. Dieser Stoff ist als lungenbelastend oder sogar toxisch eingestuft. Manganoxide können sich zum Beispiel in der Lunge ablagern und sie dauerhaft schädigen.

Beim Lichtbogenhandschweißen mit Reinnickel oder Nickelbasiswerkstoffen wurden im Schweißrauch bis zu fünf Prozent Nickeloxide gefunden. Nickeloxide sind als krebserzeugende Stoffe der Kategorie 1 eingestuft. Sie können erwiesenermaßen Krebs verursachen.

Hochlegierte Stabelektroden größte Gefahrenquelle

Die größte Gefahr geht aber von Chrom-Nickel-Stahl aus. Die hochlegiert umhüllten Stabelektroden enthalten neben Eisen und Umhüllungsstoffen wie bei un- und niedriglegierten Stabelektroden zusätzlich bis zu 20 Prozent Chrom und bis zu 30 Prozent Nickel im Kerndraht.

Bei diesem Verfahren setzt das Lichtbogenhandschweißen Schweißrauche frei, dessen chemische Zusammensetzung bis zu 16 Prozent Chromverbindungen enthalten kann. 90 Prozent davon bestehen aus Chrom-VI-Verbindungen, die als krebserzeugend eingestuft sind. Das Nickeloxid ist mit einem bis selten drei Prozent im Schweißrauch im Verhältnis dazu fast zu vernachlässigen. Rauche basischumhüllter Stabelektroden enthalten dabei deutlich höhere Chrom-VI-Anteile als die rutilumhüllten.

Aufgrund dieser Schwere von gesundheitlichen Risiken sind gezielte Schutzmaßnahmen, zum Beispiel durch Absaugung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle, ein Muss. Darüber hinaus sind arbeitsmedizinische Vorsorgeuntersuchungen durchzuführen.

ielen Schweißbetrieben stellt sich beim Schweißen von Aluminium eine Frage: Ist eine Luftreinhaltung überhaupt nötig bei der Verarbeitung des vergleichsweise leichten Werkstoffs? Doch Untersuchungen zeigen eine hohe Gefahr hinter dem Werkstoff. Vor allem die Ozon-Bildung sollte zu lüftungstechnischen Maßnahmen anhalten.

Grundsätzlich gilt bei Aluminium: Alle Werkstoffe sind zum Schweißen geeignet. Grundsätzlich gilt aber auch: Beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen entsteht aus dem Zusatz- und Grundwerkstoff Aluminiumoxid. Diese Alu-Sauerstoffverbindungen kommen im Schweißrauch vor. Das Oxid entsteht in Form von kugelförmigen Partikeln – abhängig vom Schweißverfahren von minimalen 10 bis 50 oder bis zu 400 Nanometern.

Bis zur irreversiblen Aluminose

Die Aufnahme solcher Partikel kann zu einer Belastung der Atemwege und selbst der Lunge führen, indem sich die Partikel dort absetzen. Atemwegserkrankungen wie Bronchitis sind die Folge bei diesem atemwegs- und lungenbelastenden Gefahrstoff. Die Staubablagerung kann sogar zu einer irreversiblen Aluminose, auch Aluminiumstaublunge genannt, führen.

Zur Unterstreichung der Relevanz: In Deutschland beispielsweise zählt diese Aluminose zu den entschädigungspflichtigen Berufskrankheiten. Welche Schädigungen tatsächlich auftreten, hängt dabei weniger von der Dauer der Exposition als von ihrer Intensität ab. Der Allgemeine Staubgrenzwert gilt daher auch für Aluminiumoxid.

Ozon: der versteckte Gefahrstoff

Bei der Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen sind Metall-Inertgasschweißen (MIG) und Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) erste Wahl. Das hat folgenden Hintergrund: Bei der Aluminiumschmelze neigt der Werkstoff zu Reaktionen mit der Atmosphäre – daher sind Schutzgase nötig. Allerdings entsteht durch die Verbindung zwischen Aluminiumwerkstoff und MIG- oder WIG-Schweißverfahren ein weiterer Gefahrstoff: Ozon. Es entsteht durch ultraviolette Strahlung aus dem Sauerstoff der Luft. An den blanken Aluminium-Oberflächen werden die UV-Stahlen dann reflektiert und können auch in etwas Entfernung von der Schweißstelle noch zur Ozonbildung führen. So entsteht nicht nur der partikelförmige Schweißrauch selbst, sondern ebenso ein hoch gefährliches Gas.

Ozon entsteht nämlich vor allem dort, wo wenig Schweißrauch auftritt, eben bei den typischen Aluminium-Schweißverfahren MIG und WIG. Beim MIG-Schweißen von Aluminium-Silicium-Legierungen sind die Ozon-Konzentrationen zum Beispiel höher als bei Reinaluminium und wesentlich höher als bei Aluminium-Magnesium-Werkstoffen. Auch beim WIG-Schweißen unterstützt die geringe Rauchentwicklung die Ozonbildung. Zur Erklärung: Durch die geringe Rauchentwicklung können sich die UV-Strahlen gut ausbreiten. Außerdem ist Ozon instabil und Rauch oder Staub würden den Zerfall zu Sauerstoff begünstigen, was bei geringer Rauchentwicklung entfällt.

Krebsgefahr durch Aluminium-Schweißen

Über die ohnehin erheblichen Gefahren durch das Entstehen von Aluminiumoxid beim Alu-Schweißen hinaus kann Ozon eine noch verheerendere Wirkung für den Schweißer entfalten. Ozon ist gemäß TRGS 905 als krebserregend eingestuft. Weil die entstehenden Gefahrstoffe beim Schweißen von Aluminium-Werkstoffen unter die Grenzwerte fallen, sind entsprechende Schutzmaßnahmen zu treffen. Laut Merkblatt der gesetzlichen Unfallversicher entsteht beim MIG-Schweißen zehnmal so viel Ozon wie beim WIG-Schweißen. Allerdings ist WIG-Schweißen deutlich langsamer und daher teurer. Ein Wechsel bei den Schweißverfahren ist somit nicht immer zielführend. Daher sind unbedingt lüftungstechnische Maßnahmen, vor allem die Absaugung des Schweißrauchs und der Gase am Entstehungsort vorzuziehen.

Schweißtechnische Arbeiten bergen zahlreiche Gefahrenquellen: Nicht nur der Werkstoff, sondern auch das eingesetzte Schweißverfahren entscheiden darüber, welche Arbeitsschutzmaßnahmen getroffen werden müssen und worauf der Schweißer zu achten hat. Gefahrstoffe im Schweißrauch sind dabei nicht das einzige Problem, wie die Beispiele Metallschutzgasschweißen und WIG-Schweißen zeigen.

Metallschutzgasschweißen

Das Metallschutzgasschweißen ist eine häufig verwendete Variante des Lichtbogenschweißverfahrens. Dabei schmilzt eine Drahtelektrode unter einer Schutzgasabdeckung ab. Die Gase schützen dabei den Lichtbogen, die Verbindungsstelle und die Schweißnaht vor der Umgebungsluft. Wird Aktivgas verwendet (z. B. Kohlendioxid), spricht man vom Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG). Werden Stähle jedoch mit inertem Gas wie beispielsweise Argon verschweißt, spricht man vom Metall-Inertgas-Schweißen (MIG). Das Verfahren ist sehr vielseitig: Fast alle schweißgeeigneten Werkstoffe lassen sich damit verbinden.

Beim Metallschutzgasschweißen ist die Gefahr durch elektrischen Strom relativ hoch. Im Gegensatz zu vielen anderen elektrischen Geräten sind Elektrodenschweißgeräte nicht vollständig gegen Berührung geschützt. Die Isolierung ist an der Schweißstelle unterbrochen, damit der Stromkreis zum Schmelzen der Metalle geschlossen werden kann. Die verwendete Spannung kann lebensgefährliche Verletzungen verursachen.

Hinzu kommt die Lichtbogenstrahlung: Der Schweißlichtbogen sendet sichtbare, infrarote und ultraviolette Strahlen aus, die intensiver und gefährlicher sind als beispielsweise beim Gasschweißen. Die nicht sichtbaren, kurzwelligen ultravioletten Strahlen können die Haut verbrennen und Entzündungen des äußeren Auges hervorrufen. Je höher die Stromstärke und Stromdichte, desto höher ist die Strahlungsintensität. Der Schweißer muss bei dem Verfahren entsprechende Schutzhelme tragen und auch auf Reflexionen an Edelstahl- oder Aluminiumoberflächen achten.

WIG-Schweißen

Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) brennt zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück ein Lichtbogen. Die Elektrode schmilzt dabei jedoch nicht ab. Wenn Werkstoffe zugesetzt werden sollen, erfolgt das per Hand mittels Schweißstäben oder mechanisch über Zuführgeräte als Draht. Um die Wolframelektrode ist konzentrisch eine Düse angebracht, durch die Schutzgas zum Schutz vor der Atmosphäre ausströmt. Als Schutzgas wird üblicherweise Argon verwendet.

Das WIG-Schweißen gilt im Vergleich mit anderen Verfahren auf den ersten Blick als das schadstoffärmste Verfahren, da sich nur wenig sichtbarer Scheißrauch bildet. Dennoch birgt es Gefahren für die Gesundheit: Durch hohe Lichtbogentemperaturen entstehen Ozon und nitrose Gase (Stickstoffoxide). Diese Reizgase können Übelkeit, Kopfschmerzen und schwere Lungenschäden verursachen. Beim Schweißen von Chrom-Nickel-Stahl-Verbindungen entstehen krebserzeugende Gefahrstoffe, die mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar sind.

Bei der Arbeit mit thoriumoxidhaltigen Wolframelektroden kann die Gefahr einer Strahlenbelastung auftreten, da diese Elektroden das radioaktive Thoriumoxid beinhalten. Das gilt vor allem beim WIG-Schweißen mit Wechselstrom – wie beispielsweise bei Aluminium-Werkstoffen. Nur mit leistungsstarken Absauganlagen und Partikelfiltern ist ein sicheres Arbeiten mit dem WIG-Schweißverfahren gewährleistet.

Der Luftvolumenstrom entscheidet mit darüber, wie effektiv eine Schweißrauchabsaugung ist. Ob Punktabsaugung oder Hallenlüftung: Jede Anwendung hat unterschiedliche Anforderungen.

Der Luftvolumenstrom beschreibt die Menge an Luft, die in einer bestimmten Zeit durch eine Rohrleitung strömt. Bei einem Wert von 100 m³/h Luft strömen also 100 Kubikmeter Luft pro Stunde durch einen festgelegten Querschnitt einer Leitung. Je nach Absaugart sind unterschiedliche Luftvolumenströme erforderlich.

Punktabsaugung

Brennintegrierte Punktabsaugungen erfassen den Schweißrauch unmittelbar an der Entstehungsstelle. Sie sind zumeist direkt im Schweißbrenner integriert oder aufgesetzt. Aufgrund der unmittelbaren Nähe zur Schweißstelle benötigen sie mit 100-150 m³/h die geringsten Luftvolumenströme aller Erfassungsgeräte. Der Unterdruck muss aufgrund der geringen Querschnitte im Saugschlauch und der Düse sehr hoch sein – meist 10.000 Pa und mehr

Bei einer Hochvakuum-Punktabsaugung können Gefahrstoffe beispielsweise durch Saugdüsen bis zu einem Abstand von 150 mm sicher erfasst werden. Die Saugdüsen sind dabei an Schläuche im Durchmesser von etwa 50 mm angeschlossen. Darin ist ein Luftvolumenstrom von ca. 100 bis 150 m³/h bei einem relativen Unterdruck von mindestens 6.000 Pa erforderlich.

Niedrigvakuum-Punktabsaugungen besitzen höhere Volumenstromanforderungen. Die Gefahrstofferfassung erfolgt hier über Absaugarme im Durchmesser von etwa 150 mm mit Hauben. Abhängig von der Größe und Form der Hauben sind Luftvolumenströme von etwa 700 bis 1.100 m³/h bei einem Unterdruck von 800 bis 1.200 Pa notwendig.

Absaughauben

Absaughauben werden hauptsächlich an Roboter-Schweißplätzen oder bei anderen automatisierten Schweißverfahren eingesetzt. Durch den thermischen Auftrieb gelangen die Schweißrauche in den Erfassungsbereich der Absaughaube. Deshalb muss der Luftvolumenstrom so bemessen werden, dass der gesamte Thermikstrom erfasst wird. Hierfür sind Luftvolumenströme von 2.000 bis 4.000 m³/h erforderlich. Der Unterdruck beträgt nur wenige 100 Pa.

Hallenlüftung

Hallenlüftungssysteme werden oft zur Unterstützung anderer Absaugungen zur Schweißraucherfassung eingesetzt oder wenn solche nicht eingesetzt werden können. Aus Gründen der Energieeffizienz laufen sie häufig im Umluftbetrieb. Die Schweißraucherfassung erfolgt dabei eher zufällig. Dementsprechend gibt es hier nur eine grobe Regel: Das umzuwälzende Luftvolumen pro Stunde muss ein Mehrfaches des Hallenluftvolumens betragen.