Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

102 5 Schweißnahtqualität
len lokalen Verdampfungsprozessen, die keine Vorzugsrichtung aufweisen (der Verdampfungsbeitrag
vom Kapillargrund ist dabei dominant). Der aus den Verdampfungen
resultierende nach oben gerichtete schnelle Abdampfstrom deformiert die langsamer
strömende flüssige Kapillarwand und somit die Kapillargeometrie. Die Dampfkapillare
verhält sich folglich wie ein „Kamin“, bei dem die Schmelze an der Kapillarwand
durch Reibungskräfte mit nach oben gezogen wird und die anhand der Hochgeschwindigkeitskamera
beobachteten Fluktuationen und Schmelzeanhäufungen um die
Kapillareintrittsöffnung ausbildet. Die letztlich nach oben austretende Metalldampffackel
unterliegt den Fluktuationen der „hügeligen“ Kapillaroberfläche, bzw. den kapillarnahen
Schmelzeanhäufungen und bestimmt dadurch die Richtung der sich ablösenden
Spritzer.
Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit (v = 6 - 8 m/min) nimmt die Neigung der
Kapillarfront ebenfalls zu (vgl. Bild 3.5). Der einfallende Laserstrahl trifft auf die derart
geneigte Kapillarfront, sodass die Materialverdampfung von dort ausgeht. Da die
Kapillarfront im vorliegenden Geschwindigkeitsbereich während des Schweißprozess
stabiler als bei v = 3 - 5 m/min ist, strömt das verdampfte Material entgegen der Vorschubrichtung
nach hinten. Durch den Zusammenprall des Dampfjets mit dem angrenzenden
Schmelzbad im Bereich der Kapillarrückwand wird dieser Teil nach oben gedrückt
und bildet die anhand der Hochgeschwindigkeitskamera beobachtete vor- und
zurücklaufende Schmelzbadwelle aus. Gleichzeitig werden mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit
die Schmelzbadbreite und damit die seitliche Schmelzfilmdicke
an der Kapillarwand reduziert. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der
Schmelze wird die Impulswirkung des abströmenden Metalldampfs auf die Schmelzbadwelle
zusätzlich verstärkt. Diese schafft es nicht an den Seitenwänden der Kapillare
vorbeizuströmen, sondern wird infolge des Rückstoßimpulses nach hinten in Form
eines Spritzers ausgeworfen.
Die Kapillarneigung � nimmt mit steigender Vorschubgeschwindigkeit (v � 9 m/min)
stetig zu. Dadurch wird der senkrecht von der Wechselwirkungszone abströmende Metalldampfjet
vermehrt auf den oberen Bereich der Kapillarrückwand gerichtet. Dieser
hat aufgrund der höheren Vorschubgeschwindigkeit deutlich an dynamischem Druck
gewonnen. Ein Zusammenprall mit der vorschwappenden Schmelze findet an der weiter
entfernten Kapillarrückwand (als Folge der höheren Umströmungsgeschwindigkeit
bei zunehmendem Vorschub) statt und die zuvor beobachtete Schmelzbadwelle bei
v = 6 - 8 m/min bildet sich nicht mehr aus. Trifft letztlich der abströmende Metalldampf
auf die gewissen Fluktuationen unterliegende Kapillarrückwand (hervorgerufen
durch reflektierte Teilstrahlen, Reibungskräfte oder den Metalldampfstrom selbst so-