Physikalische Grundlagen zur Spritzerreduzierung beim Laserstrahltiefschweißen

Beim hochdynamischen Prozess des Laserstrahltiefschweißens kann es insbesondere aufgrund der Ablösung von Schmelzetropfen (Spritzern) zur Minderung der Schweißnaht bzw. -Prozessqualität kommen. Durch den Verlust von Schmelzevolumen oder infolge anhaftender Spritzer können Bauteilfestigkeiten und -funktionalitäten beeinträchtigt sowie Produktionsanlagen verunreinigt werden. Zielstellung dieser Arbeit war es daher, grundlegende Entstehungsmechanismen von Spritzern besser zu verstehen und ein Verfahren zur robusten Spritzerreduzierung bzw. -unterdrückung beim Laserstrahltiefschweißen von Stahl zu entwickeln. Da die hohe Kapillar- und Schmelzbaddynamik in der Wissenschaft als Hauptursache für die Spritzerbildung in Betracht gezogen wird, liegt der Fokus auf der gezielten Kapillar- und Schmelzbadmodifikation mithilfe einer lokal zur Kapillaröffnung applizierten Gasströmung (Nebendüsenverfahren).

In empirischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Schweißnahtformation und Spritzerentstehung beim Nebendüsenverfahren in entsprechender Reihenfolge primär durch den Nebengasdruck, die Schweißgeschwindigkeit und die Laserleistung bestimmt werden. Für geringe Schweißgeschwindigkeiten bis ca. 1,5 m/min nehmen zudem oberflächenspannungsinduzierte Faktoren eine signifikante Rolle ein, die wiederum durch den Gehalt oberflächenaktiver Elemente wie Schwefel und/oder Sauerstoff beschrieben werden. Der beim Laserschweißen mit großflächiger Schutzgasabdeckung bekannte Schweißnahtnagelkopf modifiziert sich unter Anwendung einer zusätzlichen Nebendüsenströmung zu einer Schweißnahtausbeulung. Nicht zuletzt konnte das Spritzeraufkommen an mehr als 20 hochlegierten sowie an einzelnen niedriglegierten Stählen nahezu vollständig bis vollständig unterdrückt werden.