Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

4.2 Wirkungsgrade beim Laserstrahlschweißen 75
Der in Bild 4.26 dargestellte thermische Wirkungsgrad nach [33] ist als theoretische
Obergrenze zu betrachten, da zusätzlich mögliche Verlustmechanismen in dem Modelle
keine Berücksichtigung finden: Wärmestrahlung, Wärmeleitung in Richtung der
Strahlachse, ausströmender Metalldampf sowie konvektiver Wärmetransport im
Schmelzbad.
Basierend auf den Zusammenhängen in [30, 33] ergibt sich der in Bild 4.27 gezeigte
thermische Wirkungsgrad für die Aluminiumlegierung AlMgSi1 und den Edelstahl
CrNi18-10. Nach Gleichung (4.14) führt eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit
zum einen direkt zu einer größeren Péclet-Zahl. Zum anderen wird die Nahtbreite nach
dem hyperbolischen Zusammenhang in Gleichung (4.9) reduziert. Da sich die Nahtbreitenänderung
in einem kleineren Regime bewegt, ist letztlich ein Ansteigen der
Péclet-Zahl zu beobachten (ohne Abbildung). Demnach werden die thermischen Verluste
geringer und der thermische Wirkungsgrad nimmt zu (siehe Pfeile in Bild 4.27).
Darüber hinaus beeinflusst die Laserleistung zunächst die Nahtbreite und damit einhergehend
die Péclet-Zahl. Somit wird infolge einer Leistungserhöhung der thermische
Wirkungsgrad ebenfalls gesteigert. Insbesondere bei der Aluminiumlegierung zeigt
sich, dass eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit im unteren Leistungsbereich
bis PL � 3 kW einen weitaus erheblicheren Einfluss hat, als dies bei hohen Leistungen
der Fall ist. Aufgrund der im Vergleich zu AlMgSi1 um ungefähr eine Größenordnung
geringere mittlere Temperaturleitfähigkeit DP werden beim Edelstahl Péclet-Zahlen
zwischen 10 und 40 erreicht. In diesem Bereich hat sich der thermische Wirkungsgrad
asymptotisch dem Wert von 48% angenähert [30]. Eine Überlagerung der beiden Diagrammen
aus Bild 4.27 zeigt, dass die Péclet-Zahl eine gute Vergleichgröße selbst bei
unterschiedlichen Werkstoffen ist und den Verlauf aus Bild 4.26 bestätigt.
thermischer Wirkungsgrad in %
60
50
40
�� th = 48% 50 �� th = 48%
v ��
30
P L ��
AlMgSi1
20
d f = 200 μm
P L = 1 kW
10
0
P L = 3 kW
P L = 6 kW
0 1 2 3 4 5 6 7
Péclet-Zahl
60
40
30
20
10
P L ��
v ��
CrNi18-10
d f = 200 μm
P L = 1 kW
P L = 3 kW
P L = 6 kW
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Péclet-Zahl
Bild 4.27: Einfluss von Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit (v = 2 - 10 m/min) auf
den thermischen Wirkungsgrad als Funktion der Péclet-Zahl bei df = 200 μm.