Exposure assessment and particle characterization of workplace aerosols in Norwegian metal laser-cutting industry

Abstract

Laser-cutting is a technique often used in metal processing where the energy of a laser beam is utilized to cut steel and other alloys. A fine aerosol called fume, is produced through vaporization and condensation of the cut material. Metal fume can cause adverse health effects, like metal fume fever, to workers exposed. A pilot study of exposure in the Norwegian laser cutting industry was made in 2019, but the overall exposure has not been assessed further.

An initial exposure assessment was made to follow up the pilot study and determine the workplace exposure to particulate matter (PM), along with the chemical and physical properties of particles from laser cutting. Particles were collected from three different sites utilizing a combination of open and enclosed laser cutters. The sites cut steel, aluminium, and titanium plates with thicknesses from 0.5 to 15 mm. Respirable dust was collected in accordance with NS-EN 689:2018 + AC:2019, through personal sampling devices, and analysed by gravimetric analysis and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Particles from cutting specific materials were analysed by scanning electron microscopy (SEM) and ICP-MS. Bulk chemistry was determined by ICP-MS, while SEM was used for single particle analysis for particle morphology, relative atomic abundance by electron dispersive x-ray (EDX), and mineral phases by electron diffraction backscatter (EBSD). Real-time spectrometers were used for particle size distribution inside and outside of the laser cutters.

Metal fume particles from laser cutting consisted of primary particles from 10 nm and up to 200 nm geometric diameter in chainlike agglomerates/aggregates. The main size distribution of particles was within the respirable fraction; 30 to 350 nm, and the concentration of particles increased with decreasing plate thickness. The particles’ chemical composition was like the original metal plate and the mineral phases seemed to be oxides of the main alloying elements.

The initial exposure assessment of a similar exposure group (SEG) revealed mentionable maximum air concentrations of aluminium (Al), copper (Cu), iron (Fe), magnesium (Mg), manganese (Mn), lead (Pb), tin (Sn), titanium (Ti), and zinc (Zn). However, all concentrations were below the OEL’s set by the Norwegian Labour Inspection Authority (ATIL). The material cut on the day of sampling reflected the measured air concentrations. A 1000 times difference in air concentration between median and maximum value was measured. A higher total mass of respirable particles was found at the site with open laser cutters in comparison to enclosed laser cutters. A further exposure assessment specified for those who work with open-laser cutter are recommended to ensure acceptable exposure.

Laserskjæring er en teknikk som ofte tas i bruk i metal produksjon, hvor en høyenergi laser brukes til å skjære stål og andre legeringer. Metallet blir fordampet, og vil senere kondensere og produsere en fin aerosol. Metallrøyk er kjent for å kunne ha en negativ helseeffekt, som metallfeber, på arbeidere som blir eksponert. En pilotstudie av eksponeringen har blitt utført, men eksponeringen i norske laserskjærings bedrifter har ikke blitt fullstendig kartlagt.

En forenklet undersøkelse ble utført for å bestemme arbeidsplass eksponering for støv på arbeidsplassen, og bestemme de kjemiske og fysiske egenskapene til partikler fra laserskjæring på metall. Partikler ble samlet hos tre ulike bedrifter, med en kombinasjon av åpne og innebygde laserskjærere. Det ble skåret på stål, aluminium og titan plater, med en platetykkelse fra 0,5 til 15 mm. Respirabelt støv ble samplet gjennom personbårne målinger etter NS:EN 689:2018 + AC:2019 standard og analysert med i induktivt koblet plasma massespektromerti (ICP-MS). Partikler fra skjæring på spesifikke materialer ble samlet for analyse med sveipeelektronmikroskop (SEM) og ICP-MS. Bulk kjemi ble bestemt ved bruk av ICP-MS, imens SEM ble brukt til enkeltpartikkelanalyse for bestemmelse av partikkel morfologi, relativt atom innhold ved Energidispersiv røntgendektektor (EDX) og et forsøk på å bestemme mineral fase ved elektron-tilbakespredning diffraksjon (EBSD). Samtids sprektrometri ble brukt for å bestemme størrelsesfordeling av partikler innenfor og utenfor laserskjærere.

Metallrøyk partiklene fra laserskjæring besto av primærpartikler med en geometrisk diameter fra 10 nm og opp til 200 nm i kjedelignende agglomerater/aggregater. Størrelsesfordelingen var hovedsakelig i den respirable fraksjonen fra 30 til 350 nm, og partikkelkonsentrasjonen økte med minkende platetykkelse. Partiklenes kjemiske sammensetning var avhengig av opphavsmaterialet og besto hovedsakelig av oksider av hovedkomponentene i legeringen.

Den forenklede eksponerings undersøkelsen av en sammenlignbar eksponert gruppe (SEG) viste markante maksimum luftkonsentrasjoner av aluminium (Al), kobber (Cu), jern (Fe), magnesium (Mg), mangan (Mn), bly (Pb), tin (Sn), titan (Ti) og sink (Zn). Alle målinger var under grenseverdiene satt av Arbeidstilsynet (ATIL). Materialene som ble skåret på var reflekter i de målte luftkonsentrasjonene. En variasjon på opptil 1000 ganger forskjell mellom maksimum og median konsentrasjon ble målt. En høyere total masse av partikulært materiale ble målt hos bedriften med åpne laserskjæere i motsetning til bedriftene med lukkede laserskjærere. En oppfølgende eksponerings undersøkelse anbefales for bedrifter med åpen laserskjærere for å sikre at eksponeringen er under grenseverdier.