Laser in der Materialbearbeitung Forschungsberichte des IFSW

92 5 Schweißnahtqualität
Eine Reduktion des Fokusdurchmessers bei gleichbleibender Fokussierbarkeit hat einen
größeren Divergenzwinkel zur Folge. Somit wird der stabile Prozessbereich durch
den Divergenzwinkel und damit durch eine Kapillargeometrie, die das Abströmen des
Metalldampfes hemmt, festgelegt (gestrichelten Linien in Bild 5.6). Demnach ist dieser
Bereich für den Fokusdurchmesser df = 100 μm schmaler als vergleichsweise bei
df = 200 μm. Eine weitere Defokussierung in negativer bzw. positiver Richtung reduziert
die Einschweißtiefe und Nahtquerschnittsfläche derart, dass der Prozess im Übergangsbereich
stattfindet. Kleinste Prozessschwankungen führen zu einer Abschnürung
der Dampfkapillare was sich in einem instabilen Prozessverhalten widerspiegelt. Unterschreitet
der auf die Werkstückoberfläche treffende Strahlparameterquotient aufgrund
zu großer Defokussierung die materialsspezifische Schwelle, kann sich keine
Dampfkapillare mehr ausbilden.
5.2 Spritzerentstehung beim Schweißen von Stahl
Schmelzbadauswürfe beim Schweißen von Stahl resultieren in einem unregelmäßigen
Nahterscheinungsbild. Damit einhergehend wird das festigkeitsbestimmende Nahtvolumen
derart reduziert, dass die Schweißnahtqualität nicht mehr akzeptabel ist. Demzufolge
ist ein besseres Verständnis des Schmelzbadverhaltens unabdingbar, um die
Schweißnahtqualität gezielt zu verbessern. Langjährige Grundlagenforschungen haben
gezeigt, dass das Zusammenspiel von Dampfkapillare und Schmelzbad sehr komplexen
Zusammenhängen unterliegt. Zwischenzeitlich ist bekannt, dass das seitlich um
die Kapillarfront strömende Material der wesentliche Antriebsmechanismus für die
hohen Strömungsgeschwindigkeiten im resultierenden Schmelzbad ist [8, 11, 15].
Demzufolge können unregelmäßige bzw. turbulente Schmelzbadströmungen die Kapillare
und vielmehr die Kapillarrückwand destabilisieren und ein vermehrtes Spritzervorkommen
zur Folge haben [37].
In Kapitel 3 wurde die Ausbildung der Dampfkapillare bereits ausführlich diskutiert.
Dabei wurde der Einfluss des abströmenden Metalldampfes, welcher durch lokale Verdampfungen
im Kapillarinneren hervorgerufen wird, auf die Strömungsdynamik des
Schmelzbads und die resultierende Kapillargeometrie nicht berücksichtigt. Weitere
Untersuchungen haben gezeigt [8, 61, 62], dass die durch aerodynamische Widerstandskräfte
hervorgerufene Reibkraft des abströmenden Metalldampfes eine nicht zu
vernachlässigende Aufwärtsströmung der Schmelze um die Kapillare zur Folge hat.
Dieser Schmelzfluss findet in einer Grenzschicht von wenigen hundert Mikrometern
Dicke statt. Die dabei auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten können so hoch wer-