Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl 123
Die vorigen Ergebnisse haben gezeigt, dass die Fokuslage bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit
eine kapillarbestimmende Größe ist und damit die Stabilität der Kapillarrückwand
sowie den Ablösewinkel der Spritzer entscheidend beeinflusst. Letztlich
hängt die Spritzerablösung im Wesentlichen von der Neigung der Kapillarfront ab. Die
Kapillargeometrie und vielmehr deren Neigung lässt sich näherungsweise mit Hilfe
des Strahldurchmessers auf der Werkstückoberseite und maßgeblich anhand der Einschweißtiefe
gemäß Gleichung (3.8) bestimmen, da diese insbesondere bei Stahlwerkstoffen
mit dem Verlauf der Isophoten einhergeht (vgl. Bild 4.13). Die resultierende
Einschweißtiefe ist in Bild 5.33 (links) dem Ablösewinkel der Spritzer als Funktion
der Fokuslage gegenübergestellt und zeigt das bekannte Verhalten aus Kapitel 4.1.3.
Demnach lässt sich die Einschweißtiefe durch die Verschiebung der Fokuslage unter
die Werkstückoberseite um bis zu 10% gegenüber z = 0 mm steigern. Gleichzeitig
nimmt der Ablösewinkel der Spritzer ab und erreicht bei maximaler Einschweißtiefe
seinen Minimalwert. Dieser spiegelbildliche Verlauf zwischen der Einschweißtiefe
und dem Ablösewinkel der Spritzer lässt sich gleichermaßen bei dem Fokusdurchmesser
df = 400 μm beobachten (ohne Abbildung).
Ablösewinkel der Spritzer in °
80
70
60
50
40
d f = 200 μm
v = 7 m/min
30
2
20
10
P L = 4 kW
Ablösewinkel
P L = 6 kW
Ablösewinkel 1
Einschweißtiefe Einschweißtiefe
0
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Fokuslage in mm
6
Einschweißtiefe in mm
Ablösewinkel der Spritzer in °
5
4
3
80
70
60
50
40
30
20
10
v v = = 7 7 m/min
m/min
P P L = 4 kW
P L = 6 kW
P L ��
v = 5 m/min
P L = 6 kW
d f = 200 μm
v ��
0
0 1 2 3 4 5 6
Einschweißtiefe in mm
Bild 5.33: Ablösewinkel der Spritzer sowie resultierende Einschweißtiefe bei variierender
Fokuslage und Laserleistung für df = 200 μm (links). Rechts: Linearer Zusammenhang
zwischen dem Ablösewinkel der Spritzer und der Einschweißtiefe.
Die Symmetrie zwischen der Einschweißtiefe und dem Ablösewinkel der Spritzer wird
durch das lineare Verhalten in Bild 5.33 (rechts) bestätigt. Infolge einer Erhöhung der
Laserleistung von PL = 4 kW auf PL = 6 kW wird bei gleicher Fokuslage und Vorschubgeschwindigkeit
eine größere Einschweißtiefe erreicht und damit einhergehend
der Ablösewinkel der Spritzer reduziert, vgl. Bild 5.33 (links). Demzufolge wird die
gemeinsame Ausgleichsgerade parallel nach rechts verschoben (durchgezogene Linie
mit vollen Datenpunkten). Die Einschweißtiefe wird gleichzeitig durch die Vorschub-