Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

4.2 Wirkungsgrade beim Laserstrahlschweißen 73
nehmende Einkoppelgrad kennzeichnet demnach bis zu einem Aspektverhältnis von
AF = 8 den Übergangsbereich. So wächst der Einkoppelgrad zunächst auf ungefähr
80% an und geht dann in einen vergleichsweise waagrechten Verlauf über, der Tiefschweißbereich.
Da sich im Übergangsbereich bereits eine Dampfkapillare ausgebildet
hat, ist dieser Bereich per Definition Teil des Tiefschweißens.
Im Vergleich dazu beträgt bei einem Aspektverhältnis von AF = 0,5 (Wärmeleitungsschweißen)
der Absorptionsgrad bei Stahl nach [30] etwa 35%. Aufgrund des höheren
Absorptionsgrads und der geringeren Wärmeleitfähigkeit ist die Schwelle weitaus weniger
stark ausgeprägt. Demnach ergibt sich nach dem Überschreiten der Schwelle ein
stetiger Übergang vom Wärmeleitungs- zum Tiefschweißen. Im Übergangsbereich
steigt der Einkoppelgrad bis AF = 3 von 35% auf etwa 85% erheblich an. Jedoch reichen
aufgrund des im Vergleich zum Aluminium größeren Absorptionsgrades weniger
kapillarinterne Reflexionen aus, um den Übergangsbereich sicher zu überschreiten.
Einkoppelgrad in %
100
80
60
40
20
Schwelle
TS
Ü
Sprung
WLS
100
80
60
40
20
Schwelle
WLS TS
Ü
AlMgSi1
CrNi18-10
0
0
0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 15
Aspektverhältnis
Aspektverhältnis
Bild 4.25: Berechneter Einkoppelgrad als Funktion des Aspektverhältnisses für AlMgSi1
und CrNi18-10 (WLS: Wärmeleitungsschweißen, Ü: Übergangsbereich, TS:
Tiefschweißen). Die Schwelle kennzeichnet den werkstoffspezifischen Wechsel
vom Wärmeleitungsschweißen WLS zum Tiefschweißen TS; siehe auch
Bild 4.1.
4.2.2 Thermischer Wirkungsgrad
Der thermische Wirkungsgrad �th beschreibt, in welchem Umfang die vom Werkstück
absorbierte Laserleistung nutzbringend zur Erzeugung der Schweißnaht umgesetzt
wird. Die allgemeine Formulierung für den thermischen Wirkungsgrad lautet [30]
Nutzleistung
Nutzvolumen
� spezifischer
Wärmebedarf
� th �
�
. (4.12)
absorbierte
Laserleistung
absorbierte
Energie