SB_20424BGLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Referenzsystem für die
Bewertung magnetischer
Felder im Bereich des
Widerstandsschweißens zur
Umsetzung der neuen EMF-
Richtlinie 2013/35/EU

Referenzsystem für die
Bewertung magnetischer
Felder im Bereich des
Widerstandsschweißens zur
Umsetzung der neuen EMF-
Richtlinie 2013/35/EU
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.424 BG
DVS-Nr.: 04.076
Universitätsklinikum Aachen
AöR Institut für Arbeits-,
Sozial- und Umweltmedizin
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Elektrische Energiesysteme
Lehrstuhl Leistungselektronik
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
(ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.424 BG / DVS-Nr.: 04.076 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 560
Bestell-Nr.: 170670
ISBN: 978-3-96870-560-6
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 30.06.2022
zu IGF-Vorhaben Nr. 20424 BG
Thema
Referenzsystem für die Bewertung magnetischer Felder im Bereich des
Widerstandsschweißens zur Umsetzung der neuen EMF-Richtlinie 2013/35/EU
Berichtszeitraum
01.12.2018 - 30.06.2022
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtungen
FE1: RWTH Aachen – Forschungszentrum für elektromagnetische Umweltverträglichkeit
(femu)
FE2: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg - Institut für Elektrische Energiesysteme,
Lehrstuhl Leistungselektronik
FE3: RWTH Aachen – Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20424 BG
Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung .............................................................................................. 4
2 Danksagung ................................................................................................................ 6
3 Einleitung .................................................................................................................... 7
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung .......................................................... 7
3.2 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU ......... 9
3.3 Forschungsziel ....................................................................................................... 10
4 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit
den Zielen .................................................................................................................. 11
5 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ............................................ 14
5.1 Planung und Vorbereitung der experimentellen Arbeiten ........................................ 14
5.1.1 Schweißanlage und Arbeitsbedingungen ............................................................... 14
5.1.2 Geometrische Betrachtung der Position des Bedieners in Bezug auf die
Schweißanlage ...................................................................................................... 16
5.1.3 Stromverlauf ........................................................................................................... 18
5.1.4 Anwendung des Biot-Sarvart-Gesetzes und numerische Simulation/ Application of
Biot-Sarvart-Law and numerical simulation ............................................................ 19
5.1.5 Datenerfassung und Speicherung mittels NI-Hardware .......................................... 20
5.1.6 Experimentale Vorgehensweise ............................................................................. 21
5.1.7 Versuchsplan und Erzeugung einer Versuchsdatenbasis ....................................... 34
5.1.8 Validierung der numerischen Simulation ................................................................ 38
5.2 Auswertung von Strom- und Magnetverteilungen ................................................... 43
5.3 Auswertung auf Grundlage der Expositionsgrenzwerte (und Auslöseschwellen) .... 48
5.4 Entwicklung der Bewertungssoftware ..................................................................... 51
5.5 Web-Tool ............................................................................................................... 59
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................ 65
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse insbesondere für KMU und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ..................................................................................... 68
8 Verwendung der Zuwendung ................................................................................... 70

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20424 BG
9 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................. 71
10 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................................................... 73
11 Durchführende Forschungseinrichtungen ............................................................. 77
12 Literaturverzeichnis .................................................................................................. 78

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20424 BG
3 Einleitung
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Der Schutz von Personen vor möglichen Gefährdungen durch elektrische, magnetische und
elektromagnetische Felder findet sowohl für den Bereich der Öffentlichkeit als auch an
beruflichen Arbeitsplätzen Beachtung. Das Widerstandsschweißen als Hochstrom-
Fügeverfahren ist, bedingt durch das Auftreten hoher elektrischer Ströme und damit
verbunden intensiver Magnetfelder, besonders betroffen. Bediener von
Widerstandsschweißeinrichtungen halten sich typischerweise in unmittelbarer Nähe des
Schweißfensters auf und werden den Wirkungen eines starken magnetischen Feldes
ausgesetzt. Gemäß Induktionsgesetz entsteht im menschlichen Körper ein elektrisches Feld,
wenn er sich in einem Magnetfeld, das sich zeitlich ändert, befindet oder sich in einem
Magnetfeld bewegt. Da alle menschlichen Gewebe eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen,
entstehen elektrische Ströme in Richtung der elektrischen Felder. Die Gefahr durch
einwirkende magnetische (oder auch elektrische) Felder im Frequenzbereich von 1 Hz bis
mehrere kHz liegt in der Reizwirkung auf Nerven, welche sich beispielsweise durch
Muskelzuckungen oder visuelle Lichterscheinungen im Auge des Betroffenen, sogenannte
Magnetophosphene, äußern.
Die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) veröffentlichte
im Jahr 1998 Richtlinien [1] mit Grenzwerten für Feldexpositionen sowohl für Arbeitsplätze als
auch für den öffentlichen Bereich. Die darin enthaltenen Festlegungen beeinflussten in den
Folgejahren nationale Regelwerke, wie die in Deutschland bisher gültige DGUV Vorschrift 15
(ehemals BGV B11 [2]). Diese enthält sogenannte Basisgrenzwerte, welche die maximal
zulässigen Stromdichten im Körper in Abhängigkeit von der Frequenz festlegen und bei deren
Einhaltung das Auftreten von Reizwirkungen im Körper verhindert wird. Aufgrund der
fehlenden Möglichkeit diese Körperstromdichten direkt zu messen, wurden, unter
Einbeziehung von Sicherheitsfaktoren, abgeleitete Werte bzw. Referenzwerte eingeführt,
welche die Grenzwerte für direkt messbare Größen der einwirkenden Felder (wie die
Magnetflussdichte bei Magnetfeldern) darstellen. Im Jahr 2010 veröffentlichte ICNIRP neue
Richtlinien [3] für den Niederfrequenzbereich unter 100 kHz mit neuen Basisgrenzwerten und
Referenzwerten, welche die 1998 veröffentlichten Werte ersetzten. Abweichend von den 1998-
Werten sind die Basisgrenzwerte nicht mehr auf die Körperstromdichte bezogen, sondern auf
die körperinternen elektrischen Feldstärken.
In Deutschland hat sich, ausgehend von den berufsgenossenschaftlichen Regelwerken (BGV
B 11, BGI 5011 [4]) die Bewertung von Arbeitsplätzen mit auftretenden Magnetfeldern unter
Nutzung der Referenzwerte etabliert. Bei Anwendungen mit hohen magnetischen Feldern, wie
sie beim Widerstandsschweißen auftreten, können diese konservativ abgeleiteten
Referenzwerte jedoch überschritten werden. In diesem Falle ist die Expositionssituation
trotzdem zulässig, wenn die Einhaltung der Basisgrenzwerte nachgewiesen werden kann. Die
Einhaltung der Basisgrenzwerte im Körper kann nur durch numerische Simulationen überprüft
werden, da eine klassische Messung nicht möglich ist. Eine solche Simulation von
elektromagnetischen Feldern (EMF) ist sehr aufwändig. Neben dem benötigten Fachwissen
zur Messung und Simulation von EMF ist die Simulation selbst mit einem hohen zeitlichen
Aufwand und Anschaffungskosten für Simulationssoftware und -Hardware verbunden. Speziell
in Anbetracht der Vielfalt der Expositionssituationen wie auch der konstruktiven und

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20424 BG
elektrischen Ausführungsvarianten der Widerstandsschweißeinrichtungen ist ein solcher
Aufwand sowohl fachlich als auch finanziell und personell von Unternehmen, insbesondere
von KMU, kaum zu erbringen.
Vor diesem Hintergrund und ausgehend von dem zu dieser Zeit durch die BGV B11 (mit
heutiger Bezeichnung DGUV Vorschrift 15) vorgegebenen Bewertungsmodus wurde in dem
Forschungsvorhaben AiF Nr. 16776 BR ein Referenzsystem erstellt [5]. Mit dem
Referenzsystem wird dem Nutzer die Bewertung von ausgewählten Expositionssituationen
durch den Abruf von Werten der elektrischen Feldstärke im Körper aus einer Datenbank
ermöglicht. Die Feldstärkewerte basieren auf numerischen Feldsimulationen, welche bei
Erstellung des Referenzsystems durchgeführt und unter Verwendung eines menschlichen
Körpermodells berechnet wurden.
Mit der Veröffentlichung des Bundesgesetzblattes [6] erfolgte im November 2016 in Form der
EMF-Verordnung (EMFV) die Umsetzung der EU-Richtlinie 2013/35/EU [7] in deutsches
Recht, womit zukünftig die bisher geltende DGUV Vorschrift 15 ersetzt werden soll. Damit
verbunden gilt jetzt eine veränderte Terminologie d.h. Referenzwerte sind nun
Auslöseschwellen (AS) und Basisgrenzwerte nun Expositionsgrenzwerte (EGW), siehe Bild 1.
Abbildung 1 - Grenzwertcharakterisierungen der EU-Richtlinie und EMF-Verordnung und
Expositionsbereichsunterteilungen der bisherigen DGUV Vorschrift 15 [8] (Die Bezeichnungen der
Grenzwerte und Auslöseschwellen beziehen sich jeweils auf die darüber angeordnete Linie.)
Bei den Expositionsgrenzwerten werden Grenzwerte für sensorische Wirkungen und
Grenzwerte für gesundheitliche Wirkungen unterschieden. Bezüglich magnetischer Felder ist
die untere Auslöseschwelle vom Expositionsgrenzwert für sensorische Wirkungen und die
obere Auslöseschwelle vom Expositionsgrenzwert für gesundheitliche Wirkungen abgeleitet
[6].
Weiterhin ergeben sich aus der Umsetzung der Verordnung erhebliche Neuerungen bei der
Expositionsbewertung zum Schutz von Arbeitnehmern vor Gefährdungen durch EMF.

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20424 BG
Aufgrund der gepulsten Stromverläufe bei Widerstandsschweißanlagen entstehen
Magnetfelder mit mehreren Frequenzanteilen, welche nicht direkt mit frequenzabhängigen
Grenzwerten verglichen werden können. Die neue Richtlinie fordert die Anwendung der
Bewertungsmethode der gewichteten Spitzenwerte (engl.: Weighted Peak Method, WPM),
welche sich von der bisher in Deutschland üblichen Zeitbereichs-Bewertungsmethode (ZBM)
für gepulste Felder nach DGUV Vorschrift 15 unterscheidet. Die Richtlinie lässt die Möglichkeit
offen, alternative, wissenschaftlich validierte Methoden anzuwenden, solange diese
„annähernd gleichwertige und vergleichbare Ergebnisse“ wie die WPM liefert. Bei
Verabschiedung der EU-Richtlinie wurde zur Anwendung der WPM die Erarbeitung eines
erläuternden Leitfadens [9] beschlossen, welcher Details zur Anwendung und zum Vergleich
der Methoden enthalten soll. Auch nach Veröffentlichung des Leitfadens herrscht jedoch keine
Klarheit über die Anwendung der als konservativ bewertend geltenden WPM und die
Auswirkungen auf die Bewertung von Widerstandsschweißanlagen. Ein umfassender
Vergleich zwischen der WPM und der ZBM, welche in der DGUV Vorschrift 15 beschrieben
ist, wurde für Widerstandsschweißanlagen bisher noch nicht durchgeführt.
Somit liegen für das Widerstandsschweißen, bei dem intensive Magnetfelder auftreten, in
Zusammenhang mit der neuen Vorschriftenlage weder klare Verhältnisse hinsichtlich der
Bewertung der Exposition durch die einwirkenden Magnetfelder noch ein aufwandsminimal zu
nutzendes Bewertungswerkzeug bezüglich der im Körper des Arbeitnehmers auftretenden
elektrischen Feldstärken vor.
3.2 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für
KMU
Der Nachweis der elektromagnetischen Umweltverträglichkeit (EMVU) ist eine der
Bedingungen für den Einsatz von Widerstandsschweißeinrichtungen an Arbeitsplätzen in
diversen Wirtschaftszweigen. Dieses Forschungsvorhaben soll mit der Fertigstellung eines
weiterentwickelten Referenzsystems abschließen, welches insbesondere KMU beim
Nachweis der EMVU entscheidend entlastet. Durch Nutzung des geplanten,
weiterentwickelten Referenzsystems werden Hersteller und Anwender von
Widerstandsschweißeinrichtungen (zumeist KMU) in allen, in 2.1 dargelegten
Problemstellungen entlastet. Die Notwendigkeit für eigene EMF-Expositionssimulationen
entfällt durch die Möglichkeit der Abfrage der entsprechenden Einträge aus der Datenbank
des Referenzsystems. Der zeitliche Aufwand wird auf ein Minimum reduziert und finanzielle
Aufwendungen sollen entfallen durch eine kostenlose Bereitstellung des Referenzsystems auf
der Internetpräsenz der Berufsgenossenschaften. Die Einbindung der neuen Regelwerke
ermöglicht einen vorschriftenkonformen Nachweis der EMVU in den Unternehmen. Durch eine
Analyse der Bewertungsmethoden (WPM und ZBM) für gepulste Magnetfelder und die
Bereitstellung der Ergebnisse von Feldsimulationen bezüglich der im menschlichen Körper
auftretenden Gewebefeldstärken wird vermieden, dass die Umsetzung der EU-Richtlinie durch
ungerechtfertigt konservative Vorgaben zu Restriktionen am Arbeitsplatz und zu
unbegründeten Einschränkungen der Anwendbarkeit des Widerstandsschweißens führt ohne
dass dabei die Sicherheit der Arbeitnehmer vor Gefährdungen durch elektromagnetische
Felder eingeschränkt wird.
Im Zuge von Vorabstimmungen zum vorliegenden Forschungsantrag hat sich bereits eine
Gruppe aus Vertretern von KMU und daneben auch Experten aus den betroffenen