Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

5.1 Prozessporen beim Schweißen von Aluminium 87
In Kapitel 4 konnte gezeigt werden, dass die Nahtausbildung bei Fokusdurchmessern
df � 300 μm allein vom Fokusdurchmesser bestimmt wird. Die Kapillarformen, die mit
dem Verlauf der Verdampfungsisophote einhergehen, zeigen in diesem Fokusdurchmesserbereich
ein untereinander vergleichbares Aussehen. Diese verlaufen mit zunehmender
Eindringtiefe ins Werkstück parallel zur Strahlpropagationsachse und beschreiben
eine u-förmige Naht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei df � 300 μm
und einer Laserleistung von PL = 6 kW der Tiefschweißprozess vornehmlich im Übergangsbereich
stattfindet. Insbesondere im Übergangsbereich ist der Prozess durch starke
Fluktuationen gekennzeichnet, welche die Instabilitäten an der Kapillarrückwand
intensivieren. Dadurch wird ein Abschnüren der Dampfkapillare hervorgerufen bzw.
erleichtert, womit sich der gemeinsame Verlauf der Porenanzahl bei gleichbleibender
Fokussierbarkeit erklären lässt.
Hingegen wird bei Fokusdurchmessern df � 200 μm die Kapillarform und damit die
Nahtausbildung im Wesentlichen vom Divergenzwinkel bestimmt. Offensichtlich hat
der Divergenzwinkel nicht nur einen Einfluss auf die erreichbare Einschweißtiefe sondern
auch auf die Prozessstabilität. Bei dem Fokusdurchmesser df = 200 μm zeichnet
sich aufgrund der geringen Divergenz eine u-förmige Kapillare ab, welche den abströmenden
Metalldampf nicht behindert. Eine Reduktion des Fokusdurchmessers auf
df = 100 μm bei konstanter Strahlqualität hat eine Verdopplung des Divergenzwinkels
des fokussierten Laserstrahls und damit einhergehend eine Aufweitung der Kapillare
im unteren Bereich zur Folge. Demnach hat eine Kapillare, die das Abströmverhalten
des Metalldampfes durch eine tropfenförmige Geometrie mit lokaler Einschnürung
hemmt, inhärenterweise eine größere Tendenz zum Kollabieren [8, 36] und damit einhergehend
eine erhöhte Porenanzahl zur Folge.
Neben dem Einfluss der Fokussierbarkeit gilt es festzustellen, dass in beiden Korrelationsformen
(Bild 5.2 und Bild 5.3) der Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit implizit
enthalten und zu berücksichtigen ist. Bereits in Kapitel 4 konnte gezeigt werden, dass
bei konstanter Einschweißtiefe die Vorschubgeschwindigkeit infolge einer Fokusdurchmesserreduktion
für df � 200 μm gesteigert werden kann. Dabei hat die höhere
Vorschubgeschwindigkeit unter anderem die Wirkung, dass sich die Kapillaröffnung
in Vorschubrichtung nach hinten aufweitet [56, 57, 58, 59]. Dies führt zu einer stabileren
Kapillarrückwand, welche durch die experimentelle Evidenz der Ergebnisse mittels
Doppelfokustechnik bekräftigt wird [48]. Jedoch führt bei df = 100 μm die lokale
Einschnürung an der Werkstückoberseite bei vergleichbarer Einschweißtiefe zu einer
Kapillarform, bei der geringfügige Geometrieänderungen die Stabilität derart herabsetzen,
dass der Prozess öfters kollabiert und die Porenanzahl zunimmt.