Gefährliche inkohärente optische Strahlung

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). 
• 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). 
• Beruf­sgenossen­schaft Energie Tex­til Elek­tro und Medi­enerzeug­nisse (BG ETEM), Plakat Vorschriften und Maß­nah­men zur Laser­sicher­heit. Stand April 2017. 
• 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