Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

6 Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Beitrag zum Prozessverständnis beim Laserstrahlschweißen
mit besonders kleinen Fokusdurchmessern zu schaffen, um bestehende Prozessgrenzen
zu erweitern bzw. neue Anwendungsgebiete zu erschließen. Dazu ist es
unabdingbar eine ganzheitliche Betrachtung des Laserschweißprozesses von der Kapillarausbildung
bis zur Schmelzbaddynamik und der damit verbundenen Prozessstabilität
darzustellen. In Abhängigkeit der wesentlichen Parameter lassen sich daraus Strategien
ableiten, die ein effizientes Schweißen bei gleichzeitig verbesserter Schweißnahtqualität
ermöglichen.
Mit der Charakterisierung der Kapillargeometrie, die sich maßgeblich in Abhängigkeit
der Prozessparameter unterscheidet, wurde ein wichtiger Schritt zum grundlegenden
Verständnis des Laserschweißprozesses gemacht. Es konnte gezeigt werden, dass die
Neigung der sich ausbildenden Kapillarfront der monotonen Funktion Vorschubgeschwindigkeit
je eingebrachter Intensität folgt. Demnach wird die Kapillarneigung
größer, wenn die Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Fokusdurchmesser zunimmt
und/oder die Laserleistung abnimmt. Aufgrund des Ausgleichsmechanismus zwischen
der Kapillarneigung und der einfallenden Intensität, ist der senkrecht auf die geneigte
Kapillarfront treffende Intensitätsanteil unabhängig von den intensitätsbestimmenden
Parametern bzw. der Fokussierbarkeit der verwendeten Laserstrahlquelle und wird
einzig von der Vorschubgeschwindigkeit bestimmt. Ist folglich die Vorschubgeschwindigkeit
konstant, nimmt die Neigung der Kapillare mit zunehmender Intensität
ab, weshalb eine gute Fokussierbarkeit beim Tiefschweißen von großer Bedeutung ist.
Vor diesem Hintergrund sind der induzierte Verdampfungsprozess und der dementsprechende
dynamische Druck des abströmenden Metalldampfes ebenfalls konstant.
Die gute Fokussierbarkeit der diodengepumpten Festkörperlaser ermöglicht mit konventionellen
Bearbeitungsoptiken einen kleinsten Fokusdurchmesser von 75 μm mit
dem heutigen Scheibenlaser, respektive 50 μm mit dem Faserlaser. Richtet sich die
Kapillarfront mit kleiner werdendem Fokusdurchmesser bei sonst gleichen Prozessparametern
auf, wird damit einhergehend die Einschweißtiefe sukzessive gesteigert. Dabei
hat sich gezeigt, dass eine fortwährende Reduktion des Fokusdurchmessers zu einer
Abnahme der Einschweißtiefe führt. Es konnte nachgewiesen werden, dass selbst