BGHM-Forschungsprojekt – Teil 2

Elektromagnetische Felder (EMF) beim Schweißen

Schweißen; © industriesman/123rf.com

Im Rahmen eines BGHM-Forschungsprojekts wurden umfangreiche Untersuchungen an unterschiedlichen Elektroschweißeinrichtungen hinsichtlich der Einwirkung elektromagnetischer Felder durchgeführt. Die Ergebnisse zum Lichtbogenhandschweißen wurden in der BGHM-Aktuell 1/2019 veröffentlicht, Teil 2 der Reihe befasst sich mit den Messergebnissen an stationären Widerstandsschweißmaschinen.

Im Forschungsprojekt wurden sechs Widerstandsschweißmaschinen (WSM) mit AC-Trafobetrieb und mit DC-Inverter-Ansteuerung betrachtet. Die durchgeführten Messungen und numerischen Berechnungen zeigten hinsichtlich der EMF-Exposition große Streubreiten der Ergebnisse. Ursachen dafür sind vor allem die unterschiedlichen Schweißstromformen. Es konnte kein Zusammenhang zwischen Schweißstrom(effektiv)wert, mittlerer oder maximaler Stromanstiegsgeschwindigkeit und der auftretenden Exposition abgeleitet werden. Eine vereinfachte Kategorisierung derartiger Maschinen war damit nicht möglich.
Folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die betrachteten Schweißmaschinen (kA = Kiloampère):

Maschine Schweißstrombereich Stromquelle
WSM 1 30 kA – 105 kA AC-Trafo
WSM 2 70 kA – 140 kA DC-Inverter (1 kHz)
WSM 3 26 kA – 32 kA AC-Trafo
WSM 4 10 kA – 32 kA DC-Inverter  (1 kHz), mit und
ohne Konstant-Strom-Regelung
WSM 5 25 kA – 66 kA DC-6-Puls-Gleichrichter
WSM 6 6,5 kA – 22 kA
6,5 kA – 22 kA
AC-Trafo
DC-Inverter (1 kHz)

Alle in einer Höhe von 50 cm über dem Fußboden durchgeführten Messungen ergaben, dass in Abständen von
10 cm vor oder 20 cm seitlich zur Elektrodenachse die Auslöseschwelle für menschliche Gliedmaßen eingehalten werden. Messungen in Arbeitshöhe (95 bis 100 cm) hingegen zeigen, dass aufgrund der räumlichen Lage der Schweißzange seitlich der Maschine größere Expositionen auftreten als vor der Maschine. Eine Einwirkung elektromagnetischer Felder oberhalb der niedrigen Auslöseschwelle kann noch bis zu einem Abstand von 70 cm vor oder 95 cm neben der Maschine auftreten. Da sich der Kopf der arbeitenden Person typischerweise nicht in dieser Höhe befindet, stellt dies keine wesentliche Einschränkung dar. Expositionen über der hohen Auslöseschwelle können bei Annäherung an die Maschinen auf weniger als 45 cm vor der Maschine und weniger als 65 cm seitlich neben der Maschine auftreten. Hinsichtlich der niedrigen Auslöseschwellen in 140 cm und 170 cm Höhe (Exposition des Kopfes) zeigen die Ergebnisse große maschinentypabhängige Streubreiten bei den Abständen zur Einhaltung der niedrigen Auslöseschwelle. Vor den Maschinen, also in Arbeitsposition, ergaben sich Mindestabstände im Bereich von 15 cm bis 55 cm in 140 cm Höhe und < 5 cm bis 40 cm in 170 cm Höhe. Neben den Maschinen liegen diese Mindestabstände im Bereich von 40 cm bis
100 cm in 140 cm Höhe und < 5 cm bis 70 cm in 170 cm Höhe. Die Auslöseschwellen bezüglich der Gliedmaßen werden in Arbeitshöhe für Abstände ab 35 cm bis 40 cm unterschritten. Für Abstände von 15 cm vorne und 30 cm seitlich wurde in allen untersuchten Fällen die Einhaltung des Expositionsgrenzwert für die Hände in Arbeitsposition, beispielsweise beim Halten von Werkstücken, festgestellt.

Komplexer Zusammenhang

Die resultierende Exposition von Beschäftigten hängt in komplexer Weise vom Schweißstrom(effektiv)wert, vom Zeitverlauf des Schweißstromes (insbesondere von den zeitlichen Änderungsraten des Stromes) und von der Geometrie des (Schweiß)Strompfades sowie dessen räumlicher Lage (Orientierung, Distanz) zum menschlichen Körper ab. Ein für die Praxis wichtiger Befund ist die Tatsache, dass für übliche Maschinen in C-Gestell-Ausführung neben der Maschine deutlich größere Expositionen zu erwarten sind als in üblicher Arbeitsposition davor. Für die betrachtete Auswahl von Maschinen können konservativ zusammengefasst die folgenden Bedingungen angegeben werden, für die das Arbeiten stehend oder sitzend vor der Maschine möglich ist, ohne dass Konflikte mit den Auslösewerten nach EU-RL 2013/35/EU bzw. EMFV erwartet werden müssen:

  • Horizontaldistanz zwischen Elektrodenachse und Kopf ≥ 60 cm / 40 cm (sitzend/stehend)
  • Horizontaldistanz zwischen Elektrodenachse und Rumpf ≥ 45 cm
  • Distanz zwischen Händen und Elektrode ≥ 35 cm

Die oben genannten Mindestabstände sind nur für WSM 1 zu fordern und können für alle anderen untersuchten Maschinen um ca. 15 cm reduziert werden. Für die meisten stationären Widerstandsschweißmaschinen werden die genannten Bedingungen in der Praxis daher zumeist relativ einfach einzuhalten sein. In diesen Fällen sind abgesehen von einer entsprechenden Unterweisung keine weiteren Maßnahmen seitens des Unternehmers erforderlich, um die Forderungen der EMFV zu erfüllen. Durch den Einfluss sehr komplexer Faktoren ist zur Bewertung der EMF-Exposition bei diesen Arbeitsmitteln in der Regel die Unterstützung von Experten erforderlich.

René Stieper, BGHM