DE2748417C3

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. S

Es ist bekannt, daß Ozon ein giftiges Gas ist In einer Oberzahl von lindem liegen die maximal zulässigen Ozonkonzentrationen an Arbeitsplätzen zwischen 0,05 und 0,1 ppm Ozon. Ozon kann aus Sauerstoff in Luft über verschiedene Reaktionen gebildet werden, hauptsächlich durch eine fotochemische Reaktion mit Ultraviolett (UV)-Strahlung. Bei Verwendung eines offenen Lichtbogens zum Schweißen, Schneiden od. dgL Zwecke ist die entstehende UV-Strahlung intensiv genug, um zu einem meßbaren Anstieg der Ozonbildung beizutragen, und zwar sowohl in der unmittelbaren Nachbarschaft des Bogens als auch in der weiteren Umgebung.

Normalerweise entsteht Ozon fotochemisch durch die Dissoziation wn Sauerstoffmolekülen in Überein-Stimmung mit der folgenden Reaktionsgleichung:

O₂ + (hv)

O + O und O₂ + O

O₃

wobei h = die Planck'sche Konstante und ν = die Frequenz der UV-Strahlung ist

Die Dissoziationsenergie fur Sauerstoffmoleküle liegt bei S eV; demzufolge nimmt nur Strahlung mit einer Wellenlänge, die geringer ist als etwa 220 mn, an der fotochemischen Erzeugung des Ozons teil. Die maximale Dissoziation /on Sauerstoff findet bei Wellenlängen im Bereich von 130 bis ISO mn sLrtt Durch den Dissoziationsprozeß wird die UV Strahlung dieser Wellenlänge praktisch vollständig in der LiTt innerhalb einer Strecke von einigen Millimetern oder Zentimetern absorbiert Aufgrund dieser Vorgänge wird die größte Konzentration von Ozon in unmittelbarer Nachbarschaft des Lichtbogens und damit in der Atmungszone des Arbeiten erzeugt Die Erfahrungen haben gezeigt, daß die erzeugte Ozonmenge von dem angewendeten Schweißverfahren, den Schweißparameter!!, wie z. B. Bogenlänge, der Schweißgeschwindigkeit und der Art des verwendeten Schutzgases sowie dem Material des Werkstückes, welches bearbeitet wird, abhängt Nicht selten werden völlig unannehmbare Konzentrationen von Ozon gebildet, was bestimmte Gegenmaßnahmen notwendig macht. Eine übliche Lösung dieses Problems besteht in der Verdünnung des Ozons mit Hilfe der Ventilation, entweder an ausgewählten Stellen oder in dem gesamten Aufenthaltsbereich. Derartige Lösungen haben sich jedoch als unzureichund und beschwerlich erwiesen. Bei einer Ventilation an einzelnen Stellen ist es, um überhaupt eine Wirkung zu erzielen, notwendig, relativ große Mengen an Luft zuzuführen, weiche mit relativ hoher Geschwindigkeit strömt. Eine solche 5$ Lösung stört den Sehweißprozeß, insbesondere wenn er in einef Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird. Ein weiterer Nachteil der Ventilation ist die Schwierigkeit einer Anpassung an sich ändernde Arbeitsbedingungen. OA verursachen schwache Ventilationen in Verbindung mit w einem Zug eine gefährliche Konzentration in der Atmungszone des Arbeiten, welche ganz ohne Ventilation nicht auftreten würde.

Die Entfernung von Luft aus der Schweißzone durch Absaugen zu entlegenen Stellen hat in gewisser Bezie· hung ebenfalls Nachteile. Auch in diesem Fall darf die Absaugleistung nicht übermäßig hoch sein, so daß der Schweißproreß nicht gestört wird. Dies trifft insbesondere beim Schweißen mit Schutzgasatmosphäre zu. Darüber hinaus beeinträchtigt das Absaugen die Bewegung des Brenners, was insbesondere beim Schweißen von Hand nachteilig ist Das Absaugen fuhrt darüber hinaus za weiteren technischen Problemen. Eine weitere nachteilige Folge der Anwendung des Absaugens der Luft zu entlegenen Stellen erweist sich beim Schweißen mit abschmelzenden Elektroden oder beschichteten Elektroden. Bei derartigen Verfahren ist die Ozonkonzentration verglichen mit den Schweißverfähren, bei welchen nicht-abschmelzende Elektroden verwendet werden, etwas geringer. Ein Grund für diese geringere Ozonkonzentration ist der Schutzeffekt gegen die Ozonbildung, der aufgrund der Rauschbildung eintritt Der Rauch absorbiert nämlich UV-Strahlung, die sonst Ozon erzeugen würde. Außerdem wird die Ozonkonzentration chemisch durch Rauchteflchen verringert Durch Entfernen des Rauchs geht dessen Schutzeffekt in bezug auf Ozon verloren.

Neben der Rekombination von Ozon entsprechend der folgenden Formen:

O₃ + (hv) —> O₂ + O und Oj + O —* 2O₂

kann eine Reaktion zwischen Ozon und Stickstoffoxiden entsprechenden folgenden Formeln stattfinden:

NO + O₃ —* NO₂ + O₂
NO₂ + O —» NO + O₂

Das resultierende Ergebnis dieser Reaktionen ist die Rekombination von Ozon zu Sauerstoff:

O₃ +O —» 2O₂

Diese Reaktionen können zur Verringerung von unerwünscht gebildetem Ozon genutzt werden. Hierin besteht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

AUS der DE-AS 10 39 675 ist ein Scnutzgas-Lichtbogenschweißverfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem Kohlendioxid als Schutzgas in einem inneren Ringstrom und ein anderes Gas bzw. Gasgemisch in einem konzentrischen äußeren Ringstrom zugeführt wird und zur Oxidierung des Restbestandteiles an Kohlenmonoxid der äußere Ringstrom in an sich bekannter Weise aus einem oxidierenden Gas bzw. Gasgemisch besteht

Aus der Literaturstudie von B. Holmberg, N. Stenhacka: "Arbetsmiljön ved svetsning avseende svetsrön", Rapport Nr. 50,1974-09-05 Institutionen for Svetsteknologi, Kungl. Tekniska Högskolan geht hervor, daß Ozon in elektrischen Lichtbögen gebildet wird, daß Ozon instabil ist und zu O₂-Molekülen zerfällt, wobei die Reaktion bei Zimmertemperatur langsam und bei höheren Temperaturen verhältnismäßig schnell verläuft. Es wird ferner daraufhingewiesen, daß das beim Lichtbogenschweißen entstehende Ozon schnell mit den gleichzeitig entstehenden nitrosen Gasen, nämlich NO und NO₃ reagiert, wobei jeweils ein giftiges Gas (NO bzw. NOj) verschwindet und jeweils ein anderes giftiges Gas (NO₂ bzw. N₂O_S) gebildet wird. Ferner ist daraus bekannt, daß unter den beim manuellen Bogenschweißen mit beschichteten Elektroden anfallenden Gasen nur CO₂ und CO in niedrigeren Konzentrationen anfallen, als es die maximal zulässigen Konzentrationen erlauben, und daß die ultraviolette Strahlung bei Verwendung beschichteter Elektroden weniger intensiv ist und dadurch niedrigere Konzentrationen an Ozon und

nitrogen Gasen entstehen, weil die ultraviolette Strahlung durch den Staub absorbiert wird.

Der Vortrag von H, Preß, "Schadstoffkonzentrationen und Schallpegel beim Plasmaschneiden", DVS-Berichte, Band 37, 1975, Seiten 65 bis 71 informiert darüber, welche toxischen Gase beim Plasmaschneiden, ebenso wie bei anderen Lichtbogenschweiß- und -schneidverfahren entstehen können, nämlich u, a. NO und Ozon. Es ist darauf hingewiesen, daß NO in der Luft bei Raumtemperatur zu dem sehr gefährlichen Reizgas NO₂ oxidiert und daß NO im Vergleich zu NO₂ weniger toxisch ist Die dort zusammengefaßten Schrifttumsuntersuchungen und Messungen beziehen sich ausschließlich auf die Schadstoffkonzentrationen beim Plasmaschneiden ohne Schutzgas. Aufgrund der großen Streubreite und der sehr unterschiedlichen Versuchs bedingungen läßt sich nur schwer eine für die Praxis verwertbare Aussage über den Grad einer Gefährdung der Gesundheit beim Plasmaschneiden ableiten. Die grafisch wiedergegebenen Konzentrationsverläufe beziehen sich auf NO_x und nicht auf NO allein*. Bei bestimmten Untersuchungen war beispielsweise gegen Ende der Versuchszeit kein O₃ mehr nachzuweisen, was darauf zurückgeführt wird, daß das O₃ mit NO reagiert und sich zu NO₂ und O₂ umsetzt Ferner wurde festge- 2s stellt, daß O₃ im Gegensatz zu NO im größeren Abstand vom Brenner entsteht Die MAK-Werte für NO₂ und für Ozon werden mit 5 ppm bzw. 0,1 ppm angegeben.

Aus Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Auflage, 1960, Seiten 111 bis 114 ergibt sich im Zusammenhang mit der Erörterung der katalytischen Beschleunigung des homogenen Zerfalls durch zugesetzte Gase unter dem Stichwort "Wasserstoff, daß der thermische O₃-ZeHaII in reinem Ar oder N₂ erst bei ~180°C beginnt und bei 306⁰C vollständig ist, während die Zersetzung bei Zusatz von H₂ bei 10O⁰C bereits 11% des vorhandenen O₃ beträgt und bei 210⁰C vollständig ist Die Geschwindigkeit der Reaktion 2 O₃ - 3 O₂ wird danach im Gemisch mit -19% H₂ auf ungefähr das 6fache erhöht Unter dem Stichwort "Stickstoffoxide" heißt es, daß bei Zusatz geringer NO-Mengen bei 50°C kleine, bei 120°C sehr starke Beschleunigung des O₃-Zerfalls erfolgt, der dann nach der ersten Ordnung verläuft Dies wird erklärt durch die Funktion von NO als O-Überträger infolge laufender Oxidation zu NO₂ und anschließender Reduktion durch O₃ zu NO. Unter dem Stichwort "Chlor" wird ausgeführt, daß der thermische O₃-Zerfall bei 10O⁰C durch Zusatz von Cl₂ so stark beschleunigt wird, daß die Zerfallsgeschwindigkeit nicht mehr meßbar ist.

Aus Ulimanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 15. Band, 1964, Seite 50, ergibt sich, daß NO bei Raumtemperatur als erstes Oxidationsprodukt des Stickstoffs entsteht und mit Luftsauerstoff in NO₂ bzw. N₁O₄ übergeht. Bei höherer Temperatur, besonders zwi- ί j sehen 150° bis 60O⁰C wird NO] wieder in NO und O₂ zersetzt. In diesem Zusammenhang wird daraufhingewiesen, daß NO biologisch anders wirkt und viel weniger toxisch als NO₂ und N₃O₄ ist.

Aus der DE-AS 1016 685 ist ein Verfahren zur Schutzgas-Lichtbogenschweißung von Leichtmetallen mit abschmelzender oder nicht abschmelzender Elektrode und mit indifferenten Gasen als Schutzgas bekannt, wobei dem Schutzgas anteilig bis zu 2% ein praktisch reines, gasförmiges Halogen, das wahlweise es oder ganz mit dem flüssigen Leichtmetall ein Halogenit bildet, und/oder mindestens ein Halogenit zugeführt wird, das praktisch frei von Kohlenstoff und Wasserstoff ist, um bei guten Lichtbogeneigenschaften einwandfreie Schweißverbindungen ohne oder mit stark verringerter Porenbildung entstehen zu lassen. Das Halogen kann Chlor sein.

Aus der GB-PS 10 45 620 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften der Schweißschmelznaht beim Lichtbogenschweißen bekannt, bei welchem dem Schutzgas Lachgas (N₂O) in erheblichen Mengen (zwischen 0,5% und 20% oder mehr) hinzugefügt wird.

Die GB-PS 8 73 406 beschreibt ein WechselstrombogenschweiBverfahren, bei welchem zur Verbesserung der Schweißnahteigenschaften das Schutzgas aus Argon und 0,08 bis 0,20 VoL-% Stickstoff besteht

Die DE-PS 4 96 337 bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen im elektrischen Lichtbogen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen mit Schutzatmosphäre, welche aus Argon besteht oder Argon enthält Hierdurch soll die Zündspannung des Lichtbogens herabgesetzt werden, wobei das chemische inerte Argon gleichzeitig den Zutritt,42er Luft zum geschmolzenen Metall und die Bildung von Oxiden oder Nitriden, welche die Schweißnaht brüchig machen, verhindern soll. Dem Argon kann ein kleiner Zusatz von Wasserstoff oder anderen reduzierenden Substanzen zugegeben werden, um etwa zum geschmolzenen Metall vordringenden Sauerstoff unschädlich zu machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zir verbessern, daß das Risiko der Ozonentstehung für den Arbeiter auf einfach« Weise verringert wird, ohne daß der Schweißoder sonstige Bearbeitungsprozeß leidet oder andere gesundheitliche Gefahren entstehen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen, des kennzeichnenden Teils des Anspiuchs 1 gelöst

Auf diese Weise kann das beim Arbeiten mit einem offenen Lichtbogen gebildete Ozon ohne Beeinträchtigung des Schweißvorganges od. dgl. und ohne Beeinträchtigung des Arbeiten durch Stickstoffoxid verringert werden, indem das von UV-Strahlung in der Umgebungsluft des Lichtbogens gebildete Ozon katalytisch mit Stickstoffoxid zur Reaktion gebracht wird. Dabei kann das Stickstoffoxid durch chemische Reaktion oder thermischen oder fotochemischen Zerfall dafür geeigneter Substanzen oder Verbindungen in einem Konverter, der mit der Gaszuführungsleitung verbunden ist, gebildet werden.

Das Stickstoffoxid bringt in der erfindungsgemäßen Konzentration für des Schweißprozeß selbst und seine Umgebung keine nachteiligen Folgen und ist nur in unerheblichem Maße überhaupt feststellbar.

Das Verfahren zur Verringerung oder Beseitigung der Bildung vor; Ozon in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe verschiedener Vorrichtungen ausgeführt werden, je nach Art des verwendeten Schweißverfahrens oder je nach den anderen Umständen, die mit dem Schweißprozeß verbunden sind. Das Verfahren wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben.

Diese zeigt sthematisch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Beim Schweißen in einer Inertgasatmosphäre wird entweder eine nicht abbrennbare Wolfram-Elektrode (TIG) oder eine abbrennbare Elektrode (MIG) benutzt. Im letzteren Fall ist es manchmal üblich, auch ein aktives Gas (MAG) zu verwenden. Obgleich die Anwendung der vorliegenden Erfindung im wesentlichen unter Bezugnahme auf das TIG-Schweißen beschrieben

wird, kann sie ersichtlich auch beim MIG-Schweißen oder beim MAG-Schweißen angewendet werden.

In der Abbildung ist ein Oasbehälter 1 veranschaulicht, der Inertgas oder eine Mischung von Inertgasen enthält Der Oasbehälter 2 beinhaltet Stickstoffoxid. Das Stickstoffoxid wird einer Reguliereinrichtung 3 zugeführt, die beispielsweise in der Stromquelle 4 untergebracht sein kann. Die Reguliereinrichtung 3 dient zum Mischen mit dem Schutzgas in gewünschter Konzentration. Die sich ergebende Mischung wird dem Brenner 6 zugeführt und fließt durch diesen in Richtung zu dem Werkstück 5 und dem Bereich, der den Brenner 6 umgibt, und zwar in einer Richtung, die mit Pfeilen 8 angedeutet ist Der Bogen, welcher zwischen der Elektrode des Brennen 6 und dem Werkstück 5 brennt, is erzeugt Ozon in Nachbarschaft des Brennen 6 infolge der Wechselwirkung der UV-Strahlung mit der Umgebungsluft. Das durchstrahlte Gebiet 10 ist mit gestrichelten Linien veranschaulicht. Neben dieser Bestrahlung wird die Luft normalerweise in einem gewissen Maß in diesem Bereich erhitzt; die Luft steigt daher aufwärts in die Atmungszone des Schweißen hinter dem Schweißschutz 7. Unter normalen Bedingungen atmet somit der Schweißer Luft ein, die einen relativ hohen Ozongehalt hat. Wenn nun das Schutzgas nach der Erfindung mit Stickstoffoxid vermischt wird, so strömt dieses zusammen mit dem Inertgas in die Umgebung des Brennen 6 aus. Es reagiert auf diese Weise mit dem Ozon, welches im Wege der oben geschilderten Reaktionen oder ähnlichen Reaktionen erzeugt wird. Dies führt zu einer Verringerung oder möglichen Elimination des Ozons der Luft, die aufwärts in die Atmungszone des Schweißen strömt

Praktische Untenuchungen wurde mit Argon als Schutzgas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 l/min ausgeführt. Eine Zugabe von lediglich 0,0025 bis 0,005% Stickstoffoxid zu dem Argon führte in der Mehrzahl der Fälle bereits zu einer beachtlichen Verringerung der Konzentration des Ozons in der Nachbarschaft des Brennen. Um das Ozon vollständig zu beseitigen, auch unter sehr ungünstigen Bedingungen, wie starkem Schweißstrom, langem Bogen, Schweißmaterial aus Aluminium, genügte es, eine Stickstoffoxidzugabe in einer Konzentration von 0,025 bis 0,G75% vorzusehen.

Das Verfahren zur Reduzierung der Ozonbildung durch Zugabe von Stickstoffoxid zu dem Schutzgas nach der Erfindung kann auch angewendet werden, wenn Helium oder bekannte Heliummischungen z. B. mit Argon, als Schutzgas verwendet werden. Die Feststellungen, die bezüglich der Konzentration für Argon so getroffen wurden, trelt'en auch für Helium und Heliummischungen, Mischungen aus Argon, Wasserstoff oder Stickstoff, die beim TIG-Schweißprozeß verwendet werden, zu.

Die dargestellte Apparatur zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zwei Gasbehälter auf, einen für das Schutzgas und einen für das Stickstoffoxid. Beide Gase werden in einer Reguliereinrichtung 3 gemischt. Es kann aber auch nur ein Gasbehälter anstelle der beiden verwendet werden, wenn dieser einzelne Gasbehälter eine geeignete Mischung von Schutzgas und Stickstoffoxid enthält.

Oben wurde die Erfindung lediglich in Verbindung mit dem Schutzgas-Schweißen beschrieben. Die Erfindung kann aber auch beim Plasma-Schweißen oder Plasma-Schneiden angewendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung von beim Schweißen oder sonstigen Bearbeiten von Werkstücken mit einem Lichtbogen gebildeten gesundheitsschädlichen Oasen, wobei das Schweißen oder sonstige Bearbeiten in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird und wobei während des Schweißens oder sonstigen Bearbeitern in die unmittelbare Nachbarschaft des Bogens eine Additivsubstanz eingeleitet wird, weiche Additivsubstanz zur Reaktion mit dem gesundheitsschädlichen Gas gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung von aus dem Sauerstoff in der Nachbarschaft des Bogens durch ultraviolette Strahlung gebildetem Ozon Stickstoffoxid als Additivsubstanz in einer Konzentration zwischen 0,0025% und 0,075% mit dem Schutzgas vermischt und mit diesem zusammen in der Nachbarschan des Bogens und des als MIG-, ΉΘ-, Plasma- oder ähnlichen Brenner ausgebildeten Brennen verteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffoxid durch chemische Reaktion oder thermischen oder fotochemischen Zerfall in einem Konverter, der mit der Gaszuführungsleitung verbunden ist, aus dafür geeigneten Substanzen oder Verbindungen gebildet wird.

Hierzu 1 Seite(n) Zeichnungen