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Materialbearbeitung per Laser

Gefähr­li­che inko­hä­rente opti­sche Strah­lung

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Die opti­sche Tech­no­lo­gie Laser ist aus der heuti­gen Arbeits­welt nicht mehr wegzu­den­ken. Doch wo Licht ist, gibt es auch Schat­ten: Die Verwen­dung von Lasern insbe­son­dere in der Mate­ri­al­be­ar­bei­tung geht einher mit zahl­rei­chen mögli­chen Gefähr­dun­gen, von denen inko­hä­rente opti­sche Strah­lung bei der Gefähr­dungs­be­ur­tei­lung oft nicht berück­sich­tigt wird.

Die Bezeich­nung „Laser” ist ein Kunst­wort, welches das Funk­ti­ons­prin­zip Light Ampli­fi­ca­tion by Stimu­la­ted Emission of Radia­tion, also die Licht­ver­stär­kung durch den physi­ka­li­schen Prozess der stimu­lier­ten Emis­sion von Strah­lung, tref­fend beschreibt. Dadurch können genü­gend hohe Strah­lungs­leis­tun­gen (Photo­nen­an­zahl mal ihrer Ener­gie pro Zeit) tech­nisch reali­siert werden, um Metalle mit opti­scher Strah­lung zu schnei­den oder zu schwei­ßen.

Von „opti­scher Strah­lung“ spricht man bei Wellen­län­gen zwischen 100 nm und 1 mm, siehe Abbil­dung 1. Licht, oder besser für den Menschen sicht­bare Strah­lung deckt hier­bei nur einen sehr klei­nen Spek­tral­be­reich ab. Darüber hinaus gibt es auch Laser im ultra­vio­let­ten (UV, zum Beispiel Excim­erla­ser) oder im infra­ro­ten (IR, zum Beispiel CO2-Laser) Wellen­län­gen­be­reich. Wesent­li­che physi­ka­li­sche Größe bei der Charak­te­ri­sie­rung opti­scher Strah­lung ist neben ihrer Ener­gie ( Wellen­länge bezie­hungs­weise Frequenz) auch die soge­nannte konstruk­tive Inter­fe­renz­fä­hig­keit (Kohä­renz), die bei inko­hä­ren­ter opti­scher Strah­lung (IOS, zum Beispiel von Lampen), im Gegen­satz zu kohä­ren­ter Laser­strah­lung, nicht vorhan­den ist.

(Unter-) Gesetz­li­ches Regel­werk

Kohä­renz hat auch bei der Bewer­tung opti­scher Strah­lung am Arbeits­platz einen wesent­li­chen Einfluss. Grund­le­gen­des Doku­ment hier­für ist die Euro­päi­sche Richt­li­nie 2006/25/EG [1], die neben „Mindest­vor­schrif­ten zum Schutz von Sicher­heit und Gesund­heit der Arbeit­neh­mer vor der Gefähr­dung durch physi­ka­li­sche Einwir­kun­gen (künst­li­che opti­sche Strah­lung)“ auch Expo­si­ti­ons­grenz­werte (EGW), getrennt nach IOS und Laser­strah­lung, enthält. Die natio­nale Umset­zung der EU-Richtlinie erfolgte 2010 durch die „Arbeits­schutz­ver­ord­nung zu künst­li­cher opti­scher Strah­lung – OStrV“ [2], die zuletzt im Okto­ber 2017 geän­dert wurde. Zur Konkre­ti­sie­rung der OStrV-Anforderungen wurden Tech­ni­sche Regeln zu Opti­scher Strah­lung (TROS) erar­bei­tet, welche wiederum sepa­rat für inko­hä­rente opti­sche Strah­lung (TROS IOS [3]) und Laser­strah­lung (TROS Laser­strah­lung [4]) vorlie­gen.

Neben den Tech­ni­schen Regeln, die die Vermu­tungs­wir­kung auslö­sen und somit für den Anwen­der Rechts­si­cher­heit bieten, gibt es im unter­ge­setz­li­chen Regel­werk zum Beispiel noch die DGUV Vorschrift 11 „Unfall­ver­hü­tungs­vor­schrift Laser­strah­lung“ [5] oder das BG Infor­ma­tio­nen Spezial „Betrieb von offe­nen Laser-Einrichtungen zur Mate­ri­al­be­ar­bei­tung mit Hand­füh­rung oder Hand­po­si­tio­nie­rung“ [6]. Aufgrund ihrer hohen Anzahl fehlen laser­spe­zi­fi­sche Normen in dieser Auflis­tung, das Plakat „Vorschrif­ten und Maßnah­men zur Laser­si­cher­heit“ [7] gibt aber zumin­dest eine Über­sicht der rele­van­tes­ten Normen wieder (siehe Kasten rechts). Die Tren­nung der Vorschrif­ten und Rege­lun­gen nach IOS und Laser­strah­lung sind ein sinn­vol­ler Ansatz, um Gefähr­dun­gen durch opti­sche Strah­lung zu beur­tei­len. Neue Erkennt­nisse bei der Laser­ma­te­ri­al­be­ar­bei­tung zeigen jedoch, dass hier beide Strah­lungs­ar­ten betrach­tet werden müssen.

Opti­sche Strah­lungs­be­las­tung beim Schwei­ßen

Von 2015 bis 2018 führte die Bundes­an­stalt für Arbeits­schutz und Arbeits­me­di­zin (BAuA) ein drei­tei­li­ges Forschungs­pro­jekt durch mit dem über­ge­ord­ne­tem Ziel der Verbes­se­rung des Schut­zes von Beschäf­tig­ten an und in der Nähe von Schweiß­ar­beits­plät­zen vor Gefähr­dun­gen durch opti­sche Strah­lung. Dabei wurde zunächst die Emis­sion opti­scher Strah­lung von Schweiß­licht­bö­gen in Abhän­gig­keit diver­ser Prozess­pa­ra­me­ter unter­sucht [8]. Die Ablei­tung mathe­ma­ti­scher Emis­si­ons­mo­delle [9] führte dann zur BAuA-Handlungshilfe „Dreh­scheibe Licht­bo­gen­schwei­ßen“ [10], die über die BAuA-Homepage bezo­gen werden kann (siehe Kasten rechts).

Forschungs­in­halt war aber auch die Unter­su­chung der IOS-Emissionen beim Faser- und beim CO2-Laserschweißen von Bau- und Edel­stahl (S235, CrNi) sowie von Alumi­nium (Al), insbe­son­dere unter Varia­tion der Laser­leis­tung. Da der hoch­en­er­ge­ti­sche Laser­strahl beim Auftref­fen auf das Werk­stück ein Plasma ähnlich dem beim Licht­bo­gen­schwei­ßen erzeu­gen kann, liegt die Vermu­tung nahe, dass arbeits­schutz­re­le­vante UV-Expositionen möglich sind.

Expo­si­ti­ons­grenz­werte

Entschei­dende Mess­größe bei den expe­ri­men­tel­len Unter­su­chun­gen ist die Bestrah­lungs­stärke E, welche die detek­tierte Strah­lungs­leis­tung pro Fläche wieder­gibt. Für inko­hä­rente UV-Strahlung kann dann mit E ein Vergleich bezüg­lich des EGW, gege­ben in Bestrah­lung H, über Heff = Eeff · teff = 30 Jm‑2 [1] erfol­gen und somit die maxi­mal zuläs­sige Expo­si­ti­ons­dauer (MZE), teff, berech­net werden. Der Index „eff“ für „effek­tiv“ kenn­zeich­net hier­bei, dass die gemes­se­nen spek­tra­len Bestrah­lungs­stär­ken mit der häufig als „Arbeits­schutz­kurve“ bezeich­ne­ten Wirkungs­funk­tion S(λ) gewich­tet sind.

Auf ähnli­che Weise können Gefähr­dun­gen durch sicht­bare Strah­lung, die soge­nannte Blau­licht­ge­fähr­dung (engl. Blue Light Hazard, BLH), beur­teilt werden, wobei der BLH-EGW, EB = 100 s/tB Wm‑2 [1] für kleine Quel­len direkt in Bestrah­lungs­stärke vorliegt. Die Berück­sich­ti­gung der rela­ti­ven spek­tra­len Empfind­lich­keit des mensch­li­chen Auges gegen­über einer foto­che­mi­schen Netz­haut­schä­di­gung geschieht durch Wich­tung mit der B(λ)-Funk­tion. In Analo­gie zur UV-Strahlung erhält man damit die maxi­mal zuläs­sige Expo­si­ti­ons­dauer tB.

Infra­rote Strah­lungs­an­teile spie­len beim CO2-Laserschweißen kaum eine Rolle. Auch beim Faser­la­ser­schwei­ßen, nach Abzug der Laser­li­nie, sind diese MZE deut­lich länger als die der UV- und sicht­ba­ren Strah­lung, letz­tere sind also restrik­ti­ver. Zu beach­ten ist, dass mit stei­gen­der Laser­leis­tung das Strah­len­bün­del immer tiefer in das Werk­stück eindringt, das entste­hende Plasma abge­schirmt und somit die detek­tier­ten Bestrah­lungs­stär­ken klei­ner werden können.

Schwei­ßen mit Hoch­leis­tungs­la­sern

Die Ergeb­nisse der Bestrah­lungs­stär­ke­mes­sun­gen bezie­hungs­weise die daraus abge­lei­te­ten MZE für UV- und sicht­bare Strah­lung sind in Tabelle 1 auf Seite 20 erfasst. Dabei bezie­hen sich alle MZE auf einen Abstand von 50 cm zur Strah­lungs­quelle.

Tab. 1: MZE für den UV- und sicht­ba­ren Spek­tral­be­reich (a) beim Faser­la­ser­schwei­ßen von S235, CrNi und Al sowie (b) beim ‧CO2-Laserschweißen von S235 und CrNi.

Zunächst wurde in Schrit­ten von 1 kW Laser­leis­tung die Strah­lungs­emis­sion beim Faser­la­ser­schwei­ßen von S235 detek­tiert. Hier­bei bewe­gen sich die MZE im Bereich von 25 Minu­ten bis zu zwei Stun­den. Darauf aufbau­end fokus­sier­ten sich die anschlie­ßen­den Unter­su­chun­gen an CrNi und Al auf hohe Laser­leis­tun­gen und es zeigte sich, dass insbe­son­dere der EGW für sicht­bare Strah­lung im einstel­li­gen Minu­ten­be­reich über­schrit­ten werden kann. Aber auch die beim Schwei­ßen von Al emit­tierte UV-Strahlung stellt mit MZE von 12 bis 13 Minu­ten eine große Gefähr­dung für einen acht Stun­den Arbeits­tag dar.

Die Situa­tion verschlech­tert sich drama­tisch für einen Arbeits­platz mit CO2-Materialbearbeitungslaser. Während die MZE für sicht­bare Strah­lung auch hier im nied­ri­gen Minu­ten­be­reich liegen, werden die UV-EGW teils in weni­ger als zehn Sekun­den über­schrit­ten. Dabei geht das Schwei­ßen von S235 mit gering­fü­gig klei­ne­ren IOS-Emissionen und damit länge­ren MZE einher als im Vergleich mit CrNi.

Zusam­men­fas­send lässt sich fest­hal­ten, dass neben dem Schutz vor Laser­strah­lung insbe­son­dere bei der CO2-Lasermaterialbearbeitung auch Schutz­maß­nah­men (STOP-Prinzip) vor zu hohen UV-Expositionen getrof­fen werden müssen, da hier MZE ähnlich wie beim Wolf­rami­nertgas­schwei­ßen (WIG) auftre­ten können.

Hand­ge­führte Mate­ri­al­be­ar­bei­tungs­la­ser

Und wie sieht die Situa­tion bei hand­ge­führ­ten Mate­ri­al­be­ar­bei­tungs­la­sern aus, wo die häufig aufgrund der besse­ren Haptik unge­schütz­ten Hände sich im Abstand von circa 5 cm zum Fokus­punkt befin­den? Eine Verrin­ge­rung des Abstands zur Quelle um einen Faktor 10 (50 cm – 5 cm) ist gemäß dem photo­me­tri­schen Abstands­ge­setz mit hundert­fach klei­ne­ren MZE verbun­den, die dann, basie­rend auf den in Tabelle 1 gezeig­ten Werten, teils im Milli­se­kun­den­be­reich liegen würden. Im Gegen­satz dazu sind die typi­scher­weise verwen­de­ten mitt­le­ren Laser­leis­tun­gen deut­lich klei­ner als 1 kW und entspre­chend längere MZE sind zu erwar­ten.

Erste exem­pla­ri­sche Messun­gen an einem gepuls­ten Nd:YAG-Laser (Wellen­länge 1064 nm, mitt­lere Leis­tung 40 W), bei dem das Werk­stück (Baustahl) hand­po­si­tio­niert wird, bestä­ti­gen den Verdacht hoher UV-Expositionen. Bei einer Spit­zen­im­puls­ener­gie von 2 kW wurde im Abstand von circa 7 cm zum Fokus­punkt eine gewich­tete UV-Bestrahlungsstärke von Eeff = 435 mWm‑2 gemes­sen. Im Vergleich mit dem UV-EGW von Heff = 30 Jm‑2 bedeu­tet das bei einer Impuls­dauer von fünf Milli­se­kun­den eine EGW-Überschreitung nach etwa 70 Sekun­den bezie­hungs­weise circa 14.000 Pulsen oder knapp einer Betriebs­stunde (Impuls­wie­der­hol­fre­quenz = 4 Hz).

Arbeits­me­di­zi­ni­sche Vorsorge

Grund­sätz­lich sieht die „Verord­nung zur arbeits­me­di­zi­ni­schen Vorsorge (ArbMedVV)“ [14] für Beschäf­tige an Arbeits­plät­zen mit einge­haus­tem Laser (Laser­pro­dukte der Klasse 1 nach DIN EN 60825–1, siehe Plakat „Vorschrif­ten und Maßnah­men zur Laser­si­cher­heit“) keine Pflicht- oder Ange­bots­vor­sorge, sondern nur eine Wunsch­vor­sorge vor, sofern Gefähr­dun­gen durch Laser­strah­lung nicht voll­stän­dig ausge­schlos­sen werden können. Bei Auftre­ten bezie­hungs­weise Emis­sion von IOS, wie bei den in diesem Beitrag beschrie­be­nen Fällen, besteht hinge­gen arbeits­me­di­zi­ni­scher Vorsor­gean­lass und der Arbeit­ge­ber muss die Pflicht- bezie­hungs­weise Ange­bots­vor­sorge sicher­stel­len, je nach­dem ob entspre­chende EGW über­schrit­ten sind oder über­schrit­ten werden können.

Forschungs­be­darf

Diese Ergeb­nisse sollen zeit­nah in die Anfang 2019 erschei­nende DGUV-Information „Hand­lungs­hilfe für die Gefähr­dungs­be­ur­tei­lung beim Betrieb von offe­nen Laser-Einrichtungen zur Mate­ri­al­be­ar­bei­tung mit Hand­füh­rung oder Hand­po­si­tio­nie­rung (HLG)“ inte­griert werden. Außer­dem sind weitere umfang­rei­che expe­ri­men­telle Unter­su­chun­gen insbe­son­dere an gepuls­ten hand­ge­führ­ten Mate­ri­al­be­ar­bei­tungs­la­sern in Planung, bei denen unter ande­rem die Laser­leis­tung bei verschie­de­nen Schweiß­ma­te­ria­lien vari­iert und die entste­hen­den UV-Emissionen detek­tiert werden soll.

Lite­ra­tur

  • Richt­li­nie 2006/25/EG des Euro­päi­schen Parla­ments und des Rates vom 5. April 2006 über Mindest­vor­schrif­ten zum Schutz von Sicher­heit und Gesund­heit der Arbeit­neh­mer vor der Gefähr­dung durch physi­ka­li­sche Einwir­kun­gen (künst­li­che opti­sche Strah­lung) (19. Einzel­richt­li­nie im Sinne des Arti­kels 16 Absatz 1 der Richt­li­nie 89/391/EWG). Amts­blatt der Euro­päi­schen Union L 114, 38–59 (2006). http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:32006L0025
  • Verord­nung zum Schutz der Beschäf­tig­ten vor Gefähr­dun­gen durch künst­li­che opti­sche Strah­lung (Arbeits­schutz­ver­ord­nung zu künst­li­cher opti­scher Strah­lung – OStrV). Bundes­ge­setz­blatt I S. 960 (2010). Zuletzt geän­dert am 18.10.2017. www.bmas.de/DE/Service/Gesetze/arbeitsschutzverordnung-optische-strahlung.html
  • Bundes­mi­nis­te­rium für Arbeit und Sozia­les (BMAS), Tech­ni­sche Regeln zur Arbeits­schutz­ver­ord­nung zu künst­li­cher opti­scher Strah­lung (TROS Inko­hä­rente opti­sche Strah­lung). Gemein­sa­mes Minis­te­ri­al­blatt 65–67, 1302–1379 (2013).
    www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TROS/TROS.html
  • Bundes­mi­nis­te­rium für Arbeit und Sozia­les (BMAS), Tech­ni­sche Regeln zur Arbeits­schutz­ver­ord­nung zu künst­li­cher opti­scher Strah­lung (TROS Laser­strah­lung). Gemein­sa­mes Minis­te­ri­al­blatt 12–15, 211–305 (2015). www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TROS/TROS.html
  • Berufs­ge­nos­sen­schaft Ener­gie Textil Elek­tro und Medi­en­er­zeug­nisse (BG ETEM), DGUV Vorschrift 11, Unfall­ver­hü­tungs­vor­schrift Laser­strah­lung (bisher BGV B2), aktua­li­sierte Nach­druck­fas­sung. (2007). www.bgetem.de/arbeitssicherheit-gesundheitsschutz/themen-von-a-z‑1/strahlung-optische
  • Berufs­ge­nos­sen­schaft Ener­gie Textil Elek­tro und Medi­en­er­zeug­nisse (BG ETEM), Betrieb von offe­nen Laser-Einrichtungen zur Mate­ri­al­be­ar­bei­tung mit Hand­füh­rung oder Hand­po­si­tio­nie­rung. BG Infor­ma­tio­nen Spezial 1, 1–6, (2008). www.bgetem.de/arbeitssicherheit-gesundheitsschutz/themen-von-a-z‑1/strahlung-optische
  • Berufs­ge­nos­sen­schaft Ener­gie Textil Elek­tro und Medi­en­er­zeug­nisse (BG ETEM), Plakat Vorschrif­ten und Maßnah­men zur Laser­si­cher­heit. Stand April 2017. http://etf.bgetem.de/htdocs/r30/vc_shop/bilder/firma53/p_00l-2017_a3.pdf
  • S. Bauer, G. Ott, M. Janßen, M. Schmitz und U. Mücken­heim, Opti­sche Strah­len­be­las­tung beim Schwei­ßen – Erfas­sung und Bewer­tung. baua: Bericht (2017). doi: 10.21934/baua:bericht20170523
  • S. Bauer, M. Janßen, M. Schmitz und G. Ott, Mathe­ma­ti­cal Mode­ling of Opti­cal Radia­tion Emis­sion as a Func­tion of Welding Power During Gas Shiel­ded Metal Arc Welding. Health Physics 113(5), 335–346 (2017). doi: 10.1097/HP.0000000000000709
  • www.baua.de/dok/8749430
  • H.-D. Reiden­bach, Gutach­ten zur biolo­gi­schen Wirk­sam­keit gepuls­ter inko­hä­ren­ter opti­scher Strah­lung. baua: Bericht (2018). doi: 10.21934/baua:bericht20180411
  • S. Bauer, H. Holt­schmidt und G. Ott, Ultra­vio­let germici­dal effi­cacy as a func­tion of pulsed radia­tion para­me­ters studied by spore film dosi­me­try. Jour­nal of Photo­che­mi­stry and Photo­bio­logy, B: Biology 178, 69–75 (2018). doi: 10.1016/j.jphotobiol.2017.10.027
  • G. Ott und S. Bauer, Bewer­tungs­de­fi­zite bei gepuls­ter inko­hä­ren­ter opti­scher Strah­lung. Tech­ni­sche Sicher­heit 8(3), 35–39 (2018).
  • Verord­nung zur arbeits­me­di­zi­ni­schen Vorsorge (ArbMedVV). Bundes­ge­setz­blatt I S. 2768 (2008). Zuletzt geän­dert am 15.11.2016. www.gesetze-im-internet.de/arbmedvv

BAuA-Projektbündel (www.baua.de/schweissen)

F 2368 Opti­sche Strah­lungs­be­las­tung beim Schwei­ßen – Erfas­sung und Bewer­tung

  • Unter­su­chung der opti­schen Strah­lungs­emis­sion des Licht­bo­gen­plas­mas bei unter­schied­li­chen Schweiß­ver­fah­ren und Prozess­pa­ra­me­tern [8]
  • Ablei­tung mathe­ma­ti­scher Emis­si­ons­mo­delle [9]
  • Verein­fa­chung der Gefähr­dungs­be­ur­tei­lung – Dreh­scheibe Licht­bo­gen­schwei­ßen [10]

F 2377 Biolo­gi­sche Wirk­sam­keit von inter­mit­tie­ren­der und
gepuls­ter inko­hä­ren­ter opti­scher Strah­lung

  • Erstel­lung eines wissen­schaft­li­chen Gutach­tens [11]
  • Nach­weis erhöh­ter Desin­fek­ti­ons­ra­ten von gepuls­ter im Vergleich zu konti­nu­ier­li­cher IOS [12]
  • Über­prü­fung der bestehen­den Expo­si­ti­ons­grenz­wert­kon­zepte [13]
  • Gepulste in-vitro UV-Bestrahlungsexperimente mensch­li­cher Haut­pro­ben

F 2422 Anfor­de­run­gen für Schutz­kom­po­nen­ten beim Schwei­ßen

  • Refle­xion und Trans­mis­sion am Schweiß­ar­beits­platz
  • Empfeh­lun­gen für norma­tive Anpas­sun­gen bei Schwei­ß­er­schutz­klei­dung
  • Einsatz refle­xi­ons­ar­mer Mate­ria­lien für den Schweiß­ar­beits­platz und benach­barte Berei­che

Foto: privat

Autor: Dr. Stefan Bauer

Bundes­an­stalt für Arbeits­schutz und Arbeits­me­di­zin (BAuA), Gruppe 2.2 Physi­ka­li­sche Fakto­ren


Link­tipps

  • Plakat „Vorschrif­ten und Maßnah­men zur Laser­si­cher­heit“: www.bgetem.de/medien-service/regelwerk-und-informationsmaterial > Medi­en­ver­zeich­nis > Produkt­su­che, Such­be­griff: Vorschrif­ten und Maßnah­men zur Laser­si­cher­heit
  • BAuA-Handlungshilfe „Dreh­scheibe Licht­bo­gen­schwei­ßen“: https://shop.baua.de baua: Praxis, Such­be­griff: Dreh­scheibe Licht­bo­gen­schwei­ßen
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