Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

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Fokussierbarkeit wirkt sich auch hier vor allem dann positiv aus, wenn der Divergenzwinkel
weiter reduziert wird und den Bereich einer unveränderlichen Einschweißtiefe
erweitert. Eine gleichzeitige Erhöhung der Laserleistung führt bei einer negativen
Fokuslage neben einer Verschiebung der maximalen Einschweißtiefe zu einer deutlichen
Aufweitung des Prozessfensters. Somit kann der Arbeitsbereich, in dem sich Ungenauigkeiten
der Handhabungstechnik weniger stark auswirken und die Einschweißtiefe
nicht maßgeblich reduziert wird, um einen Faktor von ungefähr drei für den jeweiligen
Fokusdurchmesser infolge einer Leistungsverdopplung vergrößert werden.
Die Vorteile der besseren Fokussierbarkeit sowie die Gültigkeit von Skalierungsgesetzten
sind eng mit den Prozessformen des Laserstrahlschweißens verbunden. Der
Übergang von der einen Prozessform zur anderen wird als Schwelle bezeichnet, welche
sich mit kleiner werdendem Fokusdurchmesser in Richtung geringerer Laserleistungen
verschiebt. Beim Schweißen von Aluminiumlegierungen steigt beim Überschreiten
der Schwelle die Einschweißtiefe aufgrund der Kapillarausbildung sprunghaft
an, wodurch der Tiefschweißprozess charakterisiert wird. Stahlwerkstoffe verhalten
sich im Wesentlichen wie Aluminiumlegierungen, jedoch ergeben sich aufgrund
der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften etwas andere Verhältnisse. Demnach
liegt die Schwelle für den Tiefschweißprozess bei einem kleineren Strahlparameterquotienten
als bei der Aluminiumlegierung. Die Ausbildung der Dampfkapillare erfolgt
bereits bei einem kleinen Aspektverhältnis, weshalb der Einkoppelgrad bzw. das
spezifische Schmelzvolumen vergleichsweise gering sind. Mit steigendem Aspektverhältnis
nimmt der Einkoppelgrad zunächst stark zu, was sich direkt auf das spezifische
Schmelzvolumen auswirkt, bevor er schlussendlich in eine Sättigung übergeht. Der
Bereich des Tiefschweißprozesses mit einem vergleichsweise geringen Einkoppelgrad
wird als Übergangsbereich bezeichnet. Für einen sicheren und effizienten Tiefschweißprozess
sollte demzufolge nicht nur die Schwelle sondern auch der Übergangsbereich
überschritten werden. Für eine fundierte Aussage hierzu eignen sich am
besten das spezifische Schmelzvolumen bzw. der Prozesswirkungsgrad.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit wurde auf die Stabilisierung des Schweißprozesses
gelegt. Trotz langjähriger Forschung konnte das Auftreten von Prozessporen in
Aluminiumwerkstoffen bzw. Schmelzbadauswürfe beim Lasertiefschweißprozess von
Stahlwerkstoffen nicht vollständig vermieden werden. Ausgehend von dieser Problemstellung
wurden die jeweiligen Entstehungsmechanismen der material- und laserspezifischen
Nahtfehler einerseits mit anschließenden Röntgenaufnahmen andererseits mit
zeitlich hochauflösenden Highspeed-Kameras visualisiert. Aufbauend auf diesen Beo-