Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

52 4 Nutzen und Grenzen guter Fokussierbarkeit
schweißtiefe erzielen, welche allerdings ein amphorenförmiges Aussehen kennzeichnet.
Die Amphorenform führt insbesondere im Bereich der breitesten Stelle zu einem
ungünstigen Erstarrungsverhalten, was zur Bildung von Heißrissen führt (vgl. Bild
4.5). Neben der Nahtform ist die Vorschubgeschwindigkeit ein dominierender Einflussparameter
auf die Heißrissbildung (vgl. df = 100 μm @ FL). Ein vermehrtes Auftreten
von Heißrissen bei großen Vorschubgeschwindigkeiten bzw. kleinen Streckenenergien
liegt darin begründet, dass es bei sehr raschem Abkühlen zu unterschiedlichen
Gefügestrukturen und sehr hohen Schrumpfspannungen kommt [26, 27]. Mit dem
Wechsel zum Stablaser und damit zu den Fokusdurchmessern df � 300 μm ergibt sich
eine u-förmige Schweißnaht, die mit steigendem Vorschub in eine v-Form übergeht.
Mit der Ausprägung der v-Form nimmt die Nahtquerschnittsfläche nach Bild 4.3 ab
und kennzeichnet den Übergangsbereich. Die Naht mit dem größten Aspektverhältnis
wird wie bei den Stahlwerkstoffen mit dem Faserlaser bei df = 100 μm erzielt. Die
Abnahme der Einschweißtiefe infolge der Fokusdurchmesserreduktion (df � 75 μm)
wird durch eine oberflächennahe Aufweitung der Naht kompensiert.
Trotz der grundlegend unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe
hat sich gezeigt, dass sich die Nahtformen mit den Fokussierbedingungen der Lasersysteme
beschreiben lassen. Bei den Fokusdurchmessern df � 300 μm wird allein der
Fokusfläche die entscheidende Rolle an der Nahtformung zugeschrieben. Hingegen
treten mit den Fokusdurchmessern 75 μm und 100 μm sowie 150 μm und 200 μm bei
vergleichbaren Einschweißtiefen identische Nahtformen auf. Wie Tabelle 4.1 zeigt, ist
bei diesen Fokusdurchmesserpaarungen das bei der Fokussierung verwendete Abbildungsverhältnis
und damit der Divergenzwinkel des fokussierten Laserstrahls gleich.
Bei der Verwendung des Faserlasers wird einzig das Abbildungsverhältnis der Bearbeitungsoptik
variiert. Damit einhergehend verändern sich die Nahtform und die erreichbare
Einschweißtiefe. Offensichtlich spielt bei solch starken Fokussierungen
(df � 200 μm) nicht nur der Fokusdurchmesser sondern auch der dazugehörige Divergenzwinkel
eine essentielle Rolle für die resultierende Einschweißtiefe.
Linien konstanter Intensität (Isophoten)
Die sich durch die Fokussierbedingungen ergebende Form des Strahls definiert die
Linien konstanter Intensität, die so genannten Isophoten. Basierend auf der Annahme,
dass sie für die Nahtausbildung von großer Bedeutung sind [28], wird insbesondere bei
Stahlwerkstoffen davon ausgegangen, dass die Begrenzung des Schmelzbades mit der
Form der Dampfkapillare (kleinen Diffusionslänge aufgrund geringer Temperaturleitfähigkeit)
und damit den Isophoten einhergeht. Da sich die Isophoten entlang der