Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

26 3 Ausbildung der Dampfkapillare
komplexen Zusammenhang ausbildende Kapillargeometrie ergibt sich aus einem dem
Kolbenmodell entsprechenden Laserbohrprozess [4] kombiniert mit der Relativbewegung
zwischen Laserstrahl und Werkstück. Demnach ist die Form der Kapillare das
Resultat aus der lokalen Überlagerung der durch den Bohrprozess verdrängten Kapillarfront
und der Verschiebung des Werkstücks [11, 12, 13]. Die Kapillarfront wird
senkrecht zu ihrer Oberfläche mit der Bohrgeschwindigkeit vD in das feste Material
„gebohrt“ [14]. Die dadurch resultierende eindimensionale Schmelzbewegung verdrängt
das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material lateral nach außen. Die
Bewegung der Dampfkapillare durch das Werkstück erfordert den Transport des an
ihrer Vorderfront aufgeschmolzenen Materials hin zu ihrer Rückseite. Der dabei dominierende
Transportmechanismus ist die Schmelzströmung um die Kapillare herum
[8], der ebenfalls durch die Bohrgeschwindigkeit angetrieben wird. Infolge des verringerten
Strömungsquerschnitts an den Seiten der Dampfkapillare übersteigt die dort bei
der Umströmung auftretende mittlere Geschwindigkeit die Vorschubgeschwindigkeit
und führt insbesondere bei Materialien mit geringer Temperaturleitfähigkeit zu hohen
Geschwindigkeiten im anschließenden Schmelzbad [8, 9, 11, 15]. Auf die Effekte, die
durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Schmelzbad hervorgerufen werden,
wird in Kapitel 5.2 näher eingegangen. Des Weiteren sollen in Kapitel 5.2 die nicht zu
vernachlässigende Wirkungen des abströmenden Metalldampfes auf das Schmelzbad,
welcher durch lokale Verdampfungen im Kapillarinneren hervorgerufen wird, in der
Modellvorstellung Berücksichtigung finden.
Dieses Kapitel soll zunächst die grundlegenden Mechanismen der Kapillarausbildung
und insbesondere der Kapillarvorderseite verifizieren, welche aus den Modellvorstellungen
hervorgehen. Liegt der Schwerpunkt der Modellvorstellung bei einer Einschweißung
vornehmlich auf der Beschreibung durch die Mehrfachreflexion, soll in
diesem Kapitel näher untersucht werden, inwieweit sich dieser Zusammenhang mit
veränderten Prozessparametern wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Fokusdurchmesser
verhält. Aufgrund der Komplexität der resultierenden Kapillargeometrie
bei einer Einschweißung und vor dem Hintergrund den Einfluss der variierenden
Prozessparameter auf die Kapillarvorderseite beobachten zu können, ist eine vereinfachende
Darstellung des Tiefschweißprozesses unabdingbar.
Eine dementsprechende Vereinfachung liegt vor, wenn lediglich eine Reflexion im
Kapillarinneren an deren als eben angenommener Vorderseite stattfindet; diese Voraussetzung
ist bei der Durchschweißung einer dünnen Materialprobe mit einem relativ
großen Fokusdurchmesser gegeben [16]. Dennoch müssen für die Ableitung des vereinfachenden
Modells zur Ausbildung der Dampfkapillare in Bild 3.1 physikalische