Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl 109
Die Ausbildung der Dampfkapillare und demnach die der Kapillarneigung wurde in
Kapitel 3.3 eingehend beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Durchschweißung
in Abhängigkeit der zunehmenden Vorschubgeschwindigkeit die freie Kapillaraustrittsöffnung
(~ 1/v) zusehends reduziert wird. Je nach Fokusdurchmesser df und
Blechdicke e ist diese bei einer dementsprechenden Kapillarneigung � derart nach hinten
verschoben bzw. gänzlich verschwunden, dass keine direkte Durchschweißung
mehr erfolgen kann. Dies ist genau dann der Fall, wenn die Kapillaraustrittsöffnung
genau um einen Fokusdurchmesser gegenüber der Kapillareintrittsöffnung versetzt ist.
In diesem Moment nimmt die Länge der gesamten Kapillaröffnung schlagartig zu
(siehe Bild 3.4), da die zuvor transmittierten Intensitätsanteile der gesamt einfallende
Intensität I0 vollständig auf der geneigten Kapillarfront absorbiert werden und gleichzeitig
der nicht absorbierte Strahlungsanteil komplett auf die Kapillarrückwand reflektiert
wird. Bei einem Fokusdurchmesser von df = 200 μm und einer Blechdicke von
e = 2 mm entspricht dies einer Kapillarneigung von �� 6°, bei df = 400 μm ungefähr
dem doppelten Wert. Es zeigt sich, dass die vom Fokusdurchmesser abhängige Kapillarneigung,
bei der der Ablösewinkel der Spritzer aus Bild 5.21 in den gemeinsamen
Geradenverlauf gemäß Gleichung (5.2) übergeht, in etwa bei den eben bezifferten Kapillarneigungen
liegt. Somit geht die anfängliche direkte Durchschweißung bei geringen
Vorschubgeschwindigkeiten, der gewählten Blechdicke e und dem Fokusdurchmesser
df mit zunehmender Kapillarneigung in eine indirekte Durchschweißung (Kapillaraustrittsöffnung
ist um mehr als df gegenüber der Kapillareintrittsöffnung nach
hinten verschoben) bzw. eine Einschweißung über und erklärt den fortan gemeinsamen
Geradenverlauf.
Wie eingangs in diesem Kapitel erwähnt und sich anhand begleitender Aufnahmen mit
der Hochgeschwindigkeitskamera (Bild 5.7 �) zeigt, lassen sich ebenfalls bei einer
Durchschweißung in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit (v = 3 m/min -
11 m/min) bei konstant einfallenden Intensität I0 drei unterschiedliche Ausprägungen
des Antriebsmechanismus für die Spritzerentstehung identifizieren. Diese sind weitestgehend
identisch zu jenen bei einer Einschweißung, vgl. Kapitel 5.2.2. Allerdings
zeigt sich, dass bei einer direkten Durchschweißung mit freier Kapillaraustrittsöffnung
und demnach einer geringen Kapillarneigung eine verhältnismäßig kleinere Wechselwirkungsfläche
dem Verdampfungsprozess zur Verfügung steht als bei einer Einschweißung
mit entsprechenden Prozessparametern. Vor diesem Hintergrund stellt
sich die Frage, inwieweit das Gesamtvolumen des abströmenden Metalldampfes von
der Kapillarfront und damit einhergehend der an der Kapillarrückwand nach oben wirkende
Impuls PPG reduziert wird und den geringeren Ablösewinkel der Spritzer in Bild
5.20 zur Folge hat. Bild 5.22 zeigt, basierend auf den Beobachtungen zur Kapillaraus-