Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl 105
Bereits in Kapitel 3 hat sich gezeigt, dass die Neigung der Kapillarfront nach Gleichung
(3.5) mit steigender Vorschubgeschwindigkeit zu- bzw. mit größerer Intensität
abnimmt. Dabei verteilt sich die einfallende Intensität I0 gleichmäßig auf der geneigten
Oberfläche der Kapillarfront. Ist die Neigung der Kapillare bekannt, wird die entsprechend
des winkelabhängigen Absorptionsgrades absorbierte Intensität Iabs und dementsprechend
der resultierende dynamische Druck des Metalldampfjets gemäß Gleichung
(3.6) um den Faktor sin(�) reduziert. Bild 5.18 zeigt, dass der dynamische Druck bei
dem Fokusdurchmesser df = 600 μm und der Laserleistung PL = 4 kW (entspricht der
Intensität I0 = 1,4 MW/cm²) ungefähr 100 kPa beträgt. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit
von v = 3 m/min und einer Laserleistung von PL = 4 kW stellt sich eine Kapillarneigung
von �� 12° ein, siehe Bild 3.12. Demnach berechnet sich für diese Prozessparameter
der dynamische Druck des Metalldampfjets zu pKf � 23 kPa, welcher
bei der Wechselwirkung zwischen Metalldampf und Schmelzbad zu berücksichtigen
ist. Eine stetige Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit v führt zu einer größeren Kapillarneigung
und schließlich zu der in Bild 5.18 gezeigten Zunahme des dynamischen
Druckes.
dynamischer Druck in kPa
250
200
150
100
maximaler Druck
durchschnittlicher Druck
50
CrNi18-10
0
0 1 2 3 4 5
Laserleistung in kW
dynamischer Druck in kPa
70
60
50
40
30
20
10
P L = 4 kW
d f =600 μm
CrNi18-10
0
0 2 4 6 8 10 12
Vorschubgeschwindigkeit in m/min
Bild 5.18: Dynamischer Druck des abströmenden Metalldampfjets als Funktion der Laserleistung
für den Fokusdurchmesser df = 600 μm bei stationärem Betrieb [18]
(links), sowie in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit (rechts).
Bild 3.7 hat gezeigt, dass die auf der Kapillarfront absorbierte Intensität Iabs bei konstanter
Vorschubgeschwindigkeit aufgrund des Selbstregulierungsmechanismus zwischen
der Kapillarfrontneigung � und der einfallenden Intensität I0 konstant ist. Demzufolge
sind die Verdampfungsrate und der dementsprechende dynamische Druck des
Metalldampfjets bei unterschiedlicher Laserleistung PL und/oder Fokusdurchmesser df
ebenfalls konstant, da diese proportional zur absorbierten Intensität Iabs sind. Das bedeutet,
dass dem durch Verdampfung an der Kapillarfront resultierenden Metalldampf-