Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl 119
Durch das Aufrichten der geneigten Kapillarfront infolge einer stechenden Anstellung
der Bearbeitungsoptik neigt sich damit einhergehend die Kapillarrückwand nach hinten
(vgl. Bild 3.11). Bei nahezu senkrechter Ausbildung der Kapillarfront trifft der
nunmehr waagrecht liegende Metalldampfjet auf die nach hinten geneigte Kapillarrückwand.
Aufgrund der verhältnismäßig großen Angriffsfläche wird diese weiter
nach hinten gedrückt und dadurch stabilisiert. Gleichzeitig treffen geometrisch bedingt
die an der Kapillarfront reflektierten Teilstrahlen erst im Nahtgrund auf die Kapillarrückwand,
wodurch die Stabilität der Kapillarrückwand und des angrenzenden
Schmelzbades zusätzlich erhöht werden. Letztlich wird die Reibungskraft zwischen
Schmelze und Metalldampf mit abnehmender Kapillarneigung und sich gleichzeitig
aufweitender Kapillaröffnung reduziert, sodass der Ablösewinkel der Spritzer und ihre
Anzahl deutlich minimiert werden.
Allerdings sind der Stabilität an der Kapillarrückwand durch die stechende Strahlanstellung
fluiddynamische Grenzen gesetzt. Um dies zu verdeutlichen, zeigt Bild 5.30
die Spritzerablösung auch bei df � 200 μm: Bei senkrechtem Strahleinfall zeigt der
Ablösewinkel der Spritzer im Vergleich zu df = 200 μm ein unerwartetes Verhalten.
Dieser nimmt bei den gewählten Fokussierbedingungen (df = 100 μm; � = 1:2;
�f = 11,4°) entgegen der Erwartung deutlich zu. Abgesehen davon wird der Ablösewinkel
mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit und/oder geringerer Laserleistung
größer. Demnach bestimmt der Divergenzwinkel des fokussierten Laserstrahls nicht
nur die Einschweißtiefe, sondern ebenfalls die Austriebskraft und damit den Ablöswinkel
der Spritzer.
Ablösewinkel der Spritzer in °
70
60
50
40
30
20
d f = 100 μm
P L = 4 kW
P L = 6 kW
d f = 200 μm
P L = 4 kW
P L = 6 kW
d f ��
10
0
� � = 0°
CrNi18-10
0 2 4 6 8 10 12
Vorschubgeschwindigkeit in m/min
70
60
50
40
30
20
10
v = 7 m/min
d f ��
0
-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18
Anstellwinkel in °
Bild 5.30: Ablösewinkel der Spritzer als Funktion der Vorschubgeschwindigkeit für Fokusdurchmesser
df � 200 μm (links). Eine stechende Strahlanstellung führt bei
df = 100 μm zu einem Abknicken der Ausgleichsgeraden bei �� +6° (rechts).