Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl 127
der Werkstückoberfläche w(z) derart zu und damit einhergehend der Strahlparameterquotient
(PL/w(z)) ab, dass in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit bereits bei
einer Fokuslage von ungefähr z = +1,5 mm bzw. z = -2,25 mm der Übergangsbereich
Ü erreicht wird. In diesem Bereich ist die Einschweißtiefe so weit zurück gegangen,
dass damit einhergehend der Ablösewinkel der Spritzer ebenfalls zurückgeht. Damit
wird die Symmetrie zwischen der Einschweißtiefe und dem Ablösewinkel der Spritzer
gebrochen, weshalb diese ausschließlich im Tiefschweißbereich oberhalb des Übergangsbereichs
gültig ist (ohne Abbildung).
Ablösewinkel der Spritzer in °
80
70
60
50
80
Ü Ü
Ü d f = 100 μm
70
v = 7 m/min
40
v = 7 m/min
30
P L = 6 kW
P L = 4 kW
20
v = 11 m/min
10
0
d f = 100 μm
P L = 6 kW
P L = 4 kW
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Fokuslage in mm
Ablösewinkel der Spritzer in °
60
50
40
30
20
10
0
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Fokuslage in mm
Bild 5.35: Ablösewinkel der Spritzer (links) mit überlagerter Einschweißtiefe (rechts) als
Funktion von Fokuslage, Vorschubgeschwindigkeit und Laserleistung für
df = 100 μm. Ein Abknicken der Kurve bei z < -2,5 mm bzw. z > 1 mm kennzeichnet
den Übergangsbereich Ü.
Grundsätzlich zeigt Bild 5.35 im Tiefschweißbereich ein analoges Verhalten für die
Einschweißtiefe und den dazugehörigen Ablösewinkel der Spritzer zu den größeren
Fokusdurchmessern df � 200 μm (vgl. Bild 5.33). Demnach lässt sich die Einschweißtiefe
mit einer negativen Fokuslage bezüglich der Fokusnulllage steigern und damit die
Anzahl der Spritzer sowie deren Ablösewinkel auf ein Minimum reduzieren. Letztlich
hängt die Wirkung des Antriebsmechanismus für die Spritzerablösung im Wesentlichen
von der Neigung der Kapillarfront ab. Diese lässt sich näherungsweise mit Hilfe
des Strahldurchmessers auf der Werkstückoberseite und maßgeblich anhand der Einschweißtiefe
bestimmen. Dementsprechend spiegelt eine große Einschweißtiefe eine
geringe Kapillarneigung wider und hat einen geringeren Ablösewinkel der Spritzer zur
Folge. Inwieweit das Erreichen des Übergangsbereiches den Antriebsmechanismus für
die Spritzerentstehung an der Kapillarrückwand bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit
und variierender Fokuslage beeinflusst, wird im Folgenden mit Hilfe der Momentaufnahmen
der Wechselwirkungszone in Bild 5.36 beschrieben.
Ü
6
5
4
3
2
1
Einschweißtiefe in mm