Schweißrauch beim MAG-Schweißen: Gefahren minimieren und Effizienz steigern
Auf einen Blick: Wie Sie Schweißrauch im Betrieb effektiv senken
- Die Ursache: Bis zu 95 % des Schweißrauchs entstehen durch das Abschmelzen des Zusatzwerkstoffs (Drahtelektrode) im heißen Lichtbogen – insbesondere durch den Abbrand von Mangan.
- Das Problem: Standard-Schutzgase (wie M21 mit 18 % CO₂) begünstigen den Manganabbrand und führen zu einer hohen Belastung der Hallenluft mit ultrafeinen, lungengängigen Partikeln.
- Die Lösung: Der Wechsel auf präzise dosierte, niederaktive Schutzgase wie ARCAL 14 (3 % CO₂, 1 % O₂) stabilisiert den Lichtbogen und senkt den Manganabbrand und die Rauchemissionen um bis zu zwei Drittel.
- Der Zusatznutzen: Echtzeit-Schweißrauchsensoren und IoT-Vernetzung sichern die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte (AGW) und senken gleichzeitig die Energiekosten der Absauganlagen.
Das MAG-Schweißen von un- und niedriglegierten Stählen zählt heute zu den wichtigsten Fügeverfahren der modernen Industrie. Eines lässt sich dabei jedoch nicht vollständig vermeiden: Schweißrauch, Feinstaub und Emissionen. Sehr wohl lassen sich aber die negativen Auswirkungen dieser Schweißrauchemissionen weitestgehend minimieren.
Schweißrauch ist gesundheitsschädlich und durch seine Lungengängigkeit gefährlich für den Menschen. Davon ist nicht nur der Schweißer selbst betroffen, sondern auch der benachbarte Maschinenbediener an der automatisierten Schweißanlage. Da sich der Schweißrauch als sogenannte diffuse Emission in allen Arbeitsbereichen verteilt, belastet er die gesamte Belegschaft in der Produktionshalle.
Gefahr für die Arbeitskraft: Darum ist Schweißrauch gefährlich
Schweißrauch stellt generell einen Gefahrstoff dar. Die Risiken ergeben sich dabei sowohl aus der chemischen Zusammensetzung der freigesetzten Stoffe als auch aus der extremen Feinheit der Partikel. Aufgrund dieser inhärenten Gefahr ist der Gesetzgeber verpflichtet, die Risiken durch Schweißrauch am Arbeitsplatz streng zu bewerten und geeignete Schutzmaßnahmen für die Beschäftigten festzulegen.
Die Art des entstehenden Schweißrauchs variiert in ihren Eigenschaften und hängt maßgeblich vom verwendeten Schweißverfahren, dem Grundwerkstoff und den Schweißzusätzen ab. Zur Risikobewertung wird Schweißrauch nach seinen Auswirkungen auf den menschlichen Organismus kategorisiert:
- Atemwegsbelastend
- Toxisch
- Krebserregend
Vorschriften und gesetzliche Grundlagen
Im Laufe der Jahre wurden für Schweißarbeiten diverse Grenzwerte festgeschrieben. Diese variieren je nach Land und dem zugrundeliegenden Leitstoff erheblich. Der Gesetzgeber fokussiert sich dabei besonders auf das akute und langfristige Gesundheitsrisiko und unterscheidet länderspezifisch zwischen:
- Arbeitsplatzgrenzwerten (AGW)
- Technischen Richtkonzentrationen (TRK)
- Akzeptanz- und Toleranzkonzentrationen
Die unsichtbare Gefahr des Lichtbogenschweißens
Beim Metall-Aktivgasschweißen (MAG) sind die Auswahl des Schutzgases und die Stabilität des Lichtbogens von zentraler Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und den Arbeitsschutz. Die aktuellen Erkenntnisse belegen, dass moderne Performance-Schutzgase der ARCAL Technical Line eine weitaus wichtigere Rolle spielen als die eines reinen Prozesshilfsmittels.
Das Metall-Aktivgasschweißen (MAG) ist aufgrund seiner hohen Produktivität und der einfachen Automatisierbarkeit das führende Lichtbogenschweißverfahren. Allerdings wird dieser Vorteil oft durch die unsichtbare Gefahr der Schweißrauchemissionen getrübt. Die Vermeidung von Schweißrauch ist essenziell, da eine rauchfreie Umgebung nicht nur die Gesundheit der Mitarbeiter schützt, sondern auch direkt Kosten, Qualität und Produktivität beeinflusst. Um Schweißrauch wirksam zu reduzieren, muss die Lösung direkt am Entstehungsort – im Lichtbogen – ansetzen.
Physik der Rauchentstehung: Die Rolle des Zusatzwerkstoffs
Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass bis zu 95 % des beim Schweißen entstehenden Rauchs direkt vom Zusatzwerkstoff herrühren und nicht, wie oft fälschlicherweise angenommen, von Verunreinigungen des Grundmaterials. Im Schweißlichtbogen, dessen Zentrum bis zu 16.000 K heiß sein kann, schmilzt die Drahtelektrode. Die Legierungselemente gehen dabei sofort in einen gasförmigen Zustand über. Beim Kontakt mit der kühleren Umgebung kondensiert dieser Metalldampf schlagartig zu ultrafeinen Partikeln. Diese Partikel sind alveolengängig, passieren die natürlichen Filter der Atemwege und dringen tief in die Lungenbläschen (Alveolen) ein.
Das Problem: Manganabbrand und das falsche Schweißschutzgas
Mangan ist ein unverzichtbarer Legierungsbestandteil von Schweißdrähten, da es die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht signifikant verbessert. Allerdings verdampft Mangan sehr stark und entweicht dabei als toxischer Rauch. Der Hauptfaktor für diesen Manganverlust ist die chemische Zusammensetzung des verwendeten Schutzgases:
Standard-Schutzgase (z. B. M21 mit 18 % CO₂) führen dazu, dass bis zu 30 % des Mangans aus dem Schweißdraht verbrennen und als Rauch freigesetzt werden.
Inerte Schutzgase (wie reines Argon) reduzieren den Manganverlust auf nur etwa 7 %. Reines Argon ist jedoch für das Schweißen von Stahl in der Praxis ungeeignet, da es einen instabilen Lichtbogen erzeugt und zu schlechten Einbrand- und Zähigkeitseigenschaften der Naht führt.
Die Lösung: Niederaktive Schutzgase (z. B. ARCAL 14)
Um die Vorteile des geringen Abbrands mit absoluter Prozesssicherheit zu kombinieren, bietet sich das Konzept präzise dosierter, niederaktiver Schutzgase an. Das Gas ARCAL 14 enthält exakt 3 % CO₂ und 1 % O₂. Diese Mischung sorgt für einen stabilen, fokussierten Lichtbogen und hält den Manganabbrand bei nur ca. 10 % (deutlich unter dem M21-Wert). Der Umstieg auf solche reaktionsarmen Mischungen ermöglicht es, die Emission von Gefahrstoffen wie Mangan um bis zu zwei Drittel zu senken.
Schweißrauch effizient erfassen und bewerten
Zur sachgerechten Bewertung von Schweißrauch unterscheiden wir grundsätzlich zwei komplementäre Messansätze: Die emissionsseitige Messung (Erfassung direkt an der Quelle) und die immissionsseitige Messung (Erfassung der tatsächlich beim Schweißer ankommenden Belastung).
| Messmethode | Durchführung & Technologie | Nutzen für den Betrieb |
|---|---|---|
| Personenbezogene Messung | Probenahmepumpe direkt am Körper; Filtermedium nah an der Atemschutzzone hinter dem Helm. | Arbeitsschutz & Rechtssicherheit: Liefert die realistischste Abbildung der Exposition im Alltag und dient als Nachweis gegenüber Behörden. |
| Stationäre Messung | Fest installierte Messgeräte an relevanten, strategischen Punkten in der Produktionshalle. | Anlageneffizienz: Ermöglicht die Überprüfung der Hallenlüftung und belegt die Wirksamkeit von Investitionen in Filteranlagen. |
Moderne Schweißrauchsensoren messen in Echtzeit die Konzentration von Schweißrauchpartikeln. Dank kalibrierter, transienter Messungen erkennen die Sensoren selbst kurzfristige Schwankungen der Emissionswerte und liefern präzise Daten für das Sicherheits- und Umweltmanagement. Durch diese kontinuierliche Überwachung helfen die Sensoren, gesetzliche Grenzwerte zuverlässig einzuhalten und die Luftqualität nachhaltig zu verbessern.
Arbeitssicherheit und höhere Produktivität
In Kombination mit digital geregelten Schweißstromquellen entsteht für moderne Fertigungsbetriebe ein doppelter Nutzen: Die Gesundheit der Mitarbeiter wird nachhaltig geschützt, während gleichzeitig die Prozessqualität steigt. Dies führt unmittelbar zu deutlichen Kostenersparnissen bei der Nacharbeit und verlängert die Wartungsintervalle der Filteranlagen. Schweißrauchreduzierung ist heute weit mehr als nur Arbeitssicherheit – es ist ein entscheidender Faktor für die Prozessstabilität und die Wirtschaftlichkeit moderner Unternehmen.
Norbert Semsch, Lead & Offer Deployer E&P:
"Die Integration dieser Lösungen in automatisierte Schweißprozesse basiert primär auf IoT-Technologien und der Auswertung von Echtzeitdaten. Es entsteht ein kohärentes System, das Messtechnik, Prozessparameter und Absaugung intelligent miteinander vernetzt. Die Automatisierung stützt sich auf vernetzte Sensorsysteme mit zwei Haupttypen: Zum Einen die Schweißrauchsensoren, welche der kalibrierten Erfassung der Schweißrauchkonzentration in Echtzeit dienen. Zum Anderen die Photodiodensensoren. Letztere erfassen die Lichtbogenstrahlung hochfrequent und integrieren die Datenverarbeitung zur direkten Prozessüberwachung."
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Schweißrauch und Schutzgasen
Warum ist Schweißrauch beim MAG-Schweißen so gefährlich?
Schweißrauch besteht aus ultrafeinen Partikeln (oft kleiner als 0,1 Mikrometer), die beim Kondensieren von Metalldämpfen im bis zu 16.000 K heißen Lichtbogen entstehen. Diese Partikel sind alveolengängig. Das bedeutet, sie umgehen die natürlichen Filter der Atemwege, dringen tief in die Lungenbläschen ein und können je nach Zusammensetzung atemwegsbelastend, toxisch oder krebserregend wirken.
Wo entsteht der meiste Schweißrauch beim Schweißen?
Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass bis zu 95 % des Schweißrauchs direkt vom Zusatzwerkstoff (der Schweißdrahtelektrode) stammen und nicht vom Grundwerkstoff. Die Legierungselemente des Drahts verdampfen im Lichtbogen und kondensieren bei Kontakt mit der kühleren Umgebungsluft schlagartig zu feinsten Rauchpartikeln.
Wie beeinflusst das Schutzgas die Entstehung von Schweißrauch?
Die chemische Zusammensetzung des Schutzgases bestimmt maßgeblich die Stabilität des Lichtbogens und den Abbrand von Legierungselementen wie Mangan. Während Standard-Schutzgase (z. B. M21 mit 18 % CO₂) zu einem hohen Manganabbrand von bis zu 30 % führen, reduzieren niederaktive Schutzgase diesen Verlust deutlich, ohne die Prozessstabilität zu gefährden.
Wie lässt sich der Manganabbrand beim Schweißen effektiv senken?
Durch den Einsatz präzise dosierter, niederaktiver Schutzgase wie ARCAL 14 von Air Liquide (enthält 3 % CO₂ und 1 % O₂). Diese Gasmischung sorgt für einen fokussierten Lichtbogen und senkt den Manganabbrand auf rund 10 %. Die Emissionen toxischer Stoffe können so im Vergleich zu Standardgasen um bis zu zwei Drittel reduziert werden.
Was ist der Unterschied zwischen emissionsseitiger und immissionsseitiger Messung?
Die emissionsseitige Messung erfasst den Schweißrauch direkt an der Entstehungsquelle (z. B. am Lichtbogen oder der Absauganlage). Die immissionsseitige Messung hingegen ermittelt die tatsächliche Belastung, die beim Schweißer ankommt. Dies geschieht meist über personenbezogene Probenahmepumpen direkt hinter dem Schweißerhelm.