Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

62 4 Nutzen und Grenzen guter Fokussierbarkeit
geren Fokusdurchmessers wird bei gleichem Abbildungsverhältnis die sich ausbildende
Schweißnaht bei df = 200 μm relativ schlank und tief. Angesichts der deutlich kleineren
Rayleighlänge weist die Verdampfungsisophote eine leichte Ausbauchung auf,
welche zu einer geringfügigen Verbreiterung im Nahtgrund führt. Während sich die
Nahtform bei negativer Fokuslage kaum verändert, resultiert das über der Werkstückoberfläche
liegende Intensitätsmaximum in einer deutlichen Abnahme der Einschweißtiefe.
Der Fokusdurchmesser 150 μm verhält sich analog zu df = 200 μm (ohne Abbildung).
Dagegen wird durch die Verringerung der Fokusdurchmesser auf 300 μm bzw.
100 μm (df = 75 μm identisch zu df = 100 μm, ohne Abbildung), bei gleichzeitiger Zunahme
des Divergenzwinkels (gleiches Abbildungsverhältnis), die Rayleighlänge stark
reduziert. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit v = 5 m/min ergibt sich lediglich bei der
Fokuslage 0 mm bzw. -0,5 mm eine relativ schlanke Naht. Wird mit positiver Fokuslage
gearbeitet, verschiebt sich die Lage der maximalen Ausbauchung der Isophote in
Richtung der Werkstückoberfläche (siehe Isophoten bei z = 1,0 mm in Bild 4.13), was
zu einer Verbreiterung der Schweißnaht führt. Bei einer negativen Fokuslage
(z = -1 mm) verschiebt sich die obere Hälfte der Ausbauchung in das Werkstück, sodass
sich die Schweißnaht an der Oberfläche verbreitert. Mit einer weiteren Vergrößerung
der negativen Fokuslage (z = -1,5 mm) verschiebt sich die v-förmige Nahtverbreiterung
weiter in das Werkstück hinein. Allerdings reicht die eingekoppelte Energie
nicht mehr aus, um das Werkstück im Bereich der unteren Ausbauchung aufzuschmelzen.
Letztlich kann der Verlauf der Verdampfungsisophote durch die stärkere Fokussierbarkeit
des Faserlasers derart beeinflusst werden, dass die Ausbauchung vernachlässigbar
klein ist. Es zeichnen sich bei dem Fokusdurchmesser df = 100 μm sehr
schlanke und zugleich tiefe Nähte aufgrund des Divergenzwinkels von lediglich
�f = 2,9° ab, vgl. Bild 4.13. Erst ab einer negativen Fokuslage von
-1,5 mm wird eine geringfügige oberflächennahe Verbreiterung der Schweißnaht erkennbar.
Gleichermaßen führt eine positive Fokuslagenverschiebung um 1,5 mm zu
einer sichtbaren Verbreiterung der gesamten Schweißnaht.
Die Aussagen zur Einschweißtiefe für den Stahlwerkstoff DC04 sind direkt auf die
Aluminiumlegierung AlMgSi1 in Bild 4.14 übertragbar. Allerdings wird der Kurvenverlauf
durch das Erreichen der Schwelle und damit durch den Übergang zum Wärmeleitungsschweißen
beeinflusst. Auffällig ist, dass bei den betroffenen Fokusdurchmessern
(df = 75 / 100 / 300 / 600 μm) die gemeinsame Schwelle bei der Fokuslage
z = -2 mm bzw. z = 1,5 mm liegt. Der Grund hierfür ist die durch den Divergenzwinkel
festgelegte Strahlpropagation. Dadurch wird der für den Tiefschweißprozess entscheidende
Quotient aus Laserleistung und Strahldurchmesser, der so genannte Strahlparameterquotient
[6], beeinflusst. Beim Unterschreiten der materialspezifischen