Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

70 4 Nutzen und Grenzen guter Fokussierbarkeit
4.2 Wirkungsgrade beim Laserstrahlschweißen
4.2.1 Einkoppelgrad
Der Absorptionsgrad A beziffert einen Zahlenwert, der die Absorption bei einmaligem
Auftreffen der Laserstrahlung auf eine ebene Oberfläche beschreibt. Beim Wärmeleitungsschweißen
(WLS) ist aufgrund der einmaligen Wechselwirkung zwischen Laser-
strahl und Materie der Einkoppelgrad �A gleich dem Absorptionsgrad A.
Beim Tiefschweißen (TS) trifft der Laserstrahl auf die durch die Dampfkapillare verformte
Oberfläche. Die Dampfkapillare wird durch einen vom Laserstrahl produzierten
Verdampfungsdruck offen gehalten, der im Gleichgewicht mit der Oberflächenspannung
und dem hydrostatischen Druck steht. In ihr wird der Laserstrahl mehrfach reflektiert
und bei jedem Auftreffen auf die Kapillarwand teilweise absorbiert. Demnach
ergibt sich der Einkoppelgrad als Summe der Einzelabsorptionen [30].
Nach [8, 30, 31] lässt sich der Einkoppelgrad in der Dampfkapillare mit Hilfe der Beziehung
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. (4.10)
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abschätzen. Diese Gleichung liegt der Berechnung von Hohlraumstrahlern zugrunde
und beschreibt die Absorption infraroter Strahlung in einem Hohlkörper [32]. Dabei
wird die sphärische Oberfläche durch eine der Dampfkapillare entsprechende kegelförmige
Geometrie mit der Tiefe t und dem Öffnungsdurchmesser df ersetzt. Demzufolge
wird der Einkoppelgrad nach Gleichung (4.10) neben dem Absorptionsgrad des
Werkstoffes vor allem durch die Kapillarform [8, 30] und somit durch das Aspektverhältnis
t
AF � (4.11)
d
bestimmt. Mit steigendem Aspektverhältnis steigt der Einkoppelgrad zunächst stark an
und nähert sich dann asymptotisch der vollständigen Einkopplung, siehe Bild 4.22. Es
zeigt sich zudem, dass bei gleichem Aspektverhältnis bei Stahl aufgrund des im Ver-
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