Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

132 6 Zusammenfassung
bei sehr hohen Leistungsdichten keine Plasmaabschirmung in der Wechselwirkungszone
vorliegt. Aus prozesstechnischer Sicht ist daher kein Schutzgas erforderlich, sofern
eine Oxidation der Schweißnaht akzeptiert werden kann. Vielmehr verändert sich
mit der Wahl des Fokusdurchmessers die Geometrie der sich ausbildenden Nahtform,
gleichwohl die aufgeschmolzene Nahtquerschnittsfläche konstant bleibt.
Als Ursache für die erneute Abnahme der Einschweißtiefe konnte gezeigt werden, dass
im Bereich von Fokusdurchmessern kleiner 200 μm der Divergenzwinkel des fokussierten
Laserstrahls zusätzlich einen limitierenden Faktor darstellt. Nimmt bei starker
Fokussierung auf besonders kleine Fokusdurchmesser die Divergenz des fokussierten
Laserstrahls deutlich zu, bestimmt diese maßgeblich den radialen Verlauf der Isophoten.
Insbesondere bei Stahlwerkstoffen nähern sich die Form der Dampfkapillare sowie
die Begrenzung des Schmelzbades dem Verlauf der Isophoten an. Aluminium
zeigt prinzipiell das gleiche Verhalten, aber aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften
ergeben sich andere Nahtformen.
Daraus lässt sich das Potenzial einer guten Fokussierbarkeit zur Erweiterung der Prozessgrenzen
bei Fokusdurchmessern unterhalb von 200 μm ableiten. Es wurde gezeigt,
dass der Divergenzwinkel eine wesentliche Rolle im Bezug auf die Leistungsdichteverteilung
entlang der Strahlpropagationsrichtung spielt. Die Abnahme der Einschweißtiefe
kann demnach infolge der Verringerung des Divergenzwinkels – also der
Steigerung der Fokussierbarkeit – aufgehoben werden.
Einen neuen Freiheitsgrad bei der Prozessgestaltung ermöglicht neben der generellen
Verbesserung der Fokussierbarkeit die Steigerung der Laserleistung bei gleichzeitigem
Erhalt bester Fokussierbarkeit. Umgesetzt werden kann diese Leistungssteigerung in
einer erhöhten Einschweißtiefe und Vorschubgeschwindigkeit. Unter der Voraussetzung,
dass der Schweißprozess nicht im Übergangsbereich stattfindet, lässt sich die
Vorschubgeschwindigkeit für die untersuchten Materialien bei gleicher Einschweißtiefe
verdoppeln. Gleichermaßen wirkt sich eine Leistungssteigerung auf die resultierende
Nahtbreite aus, weshalb sich bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit durch die
Verdopplung der Laserleistung die doppelte Querschnittsfläche aufschmelzen lässt.
Das bedeutet, dass die Nahtquerschnittsfläche im Wesentlichen mit der Streckenenergie
skaliert, welche das erzeugte Schmelzvolumen bestimmt.
Die Kombination von einer verbesserten Fokussierbarkeit und einer Steigerung der
Laserleistung wirkt sich überdies positiv auf eine Variation der Fokuslage aus. Es
wurde gezeigt, dass die Einschweißtiefe bei einer negativen Fokuslage annähernd
gleich bleibt oder sogar um bis ca. 30% gesteigert werden kann. Die Verbesserung der