Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

4.1 Einfluss der Fokussierbarkeit 59
4.1.3 Variation der Fokuslage
Die Rayleighlänge zRf spielt bei der Lasermaterialbearbeitung eine bedeutende Rolle
und ist nach Gleichung (4.5) mit dem Divergenzwinkel �f verknüpft. Sie beschreibt
den Abstand von der Stahltaille, innerhalb der sich der Fokusdurchmesser nach Glei-
chung (4.3) um Faktor 2 vergrößert und damit einhergehend die Intensität um den
Faktor 2 abnimmt. Wie aus Tabelle 4.2 ersichtlich wird, sinkt bei konstanter Strahlqualität
die Rayleighlänge bei stärkerer Fokussierung. Dies bedeutet, dass bei starker
Fokussierbarkeit sehr hohe Anforderungen an die Handhabungstechnik gestellt werden.
Jedoch kann mit besserer Fokussierbarkeit des Gesamtsystems die Divergenz des
fokussierten Laserstrahls bei konstantem Fokusdurchmesser reduziert und damit die
Rayleighlänge vergrößert werden. Nach [4] ist eine große Rayleighlänge für den
Schweißprozess sehr wichtig, da sich innerhalb von zRf Bahnungenauigkeiten der
Handhabungstechnik in Strahlpropagationsrichtung nicht nachhaltig auf das Bearbeitungsergebnis
auswirken. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, welchen Einfluss
die Fokussierbedingungen auf das Bearbeitungsergebnis haben, wenn die Fokuslage
in Strahlpropagationsrichtung verändert wird. Es sei angemerkt, dass sich bei negativer
Fokuslage die Strahltaille unterhalb der Werkstückoberfläche befindet, bei positiver
oberhalb davon.
Bild 4.12 zeigt den Einfluss der Fokuslage auf die Einschweißtiefe für den Stahlwerkstoff
DC04. Des Weiteren ist in Bild 4.12 die prozentuale Tiefenänderung dargestellt,
welche auf die Einschweißtiefe bei der Fokuslage z = 0 mm bezogen wird. Für die Fokusdurchmesser
75 μm und 100 μm, sowie 150 μm und 200 μm ergibt sich aufgrund
der gleichen Fokussierbedingungen (nahezu gleiche Rayleighlänge) ein identischer
Kurvenverlauf, weshalb auf die jeweils kleineren Fokusdurchmesser in der Darstellung
verzichtet wird.
Bei dem Fokusdurchmesser df = 600 μm ergibt sich ein flacher Verlauf der Einschweißtiefe
über den gesamten Bereich der variierten Fokuslage, wobei die Einschweißtiefe
bei z = zRf = � 3 mm gegenüber der Fokusnulllage um 20% abnimmt.
Eine fortlaufende Reduktion des Fokusdurchmessers spiegelt ein vergleichbares Verhalten
zu Bild 4.1 wider. Demnach wird beim Schweißen mit dem Scheibenlaser die
größte Einschweißtiefe mit dem Fokusdurchmesser df = 200 μm erzielt, beim Faserlaser
ist dies bei df = 100 μm der Fall. Für alle Fokusdurchmesser df � 300 μm ist auffällig,
dass die Einschweißtiefe bei einer Fokuslage oberhalb des Werkstücks stark abfällt.
Dagegen steigt die Einschweißtiefe bei negativer Fokuslage zunächst um bis zu
10% (DSL) bzw. 17% (FL) an, bevor diese dann ebenfalls absinkt, Bild 4.12. Bei der