Beeinflussung des Strömungsregimes in laserinduzierten Schmelzbändern durch Prozessgasgemische mit grenzflächenaktiven Komponenten

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Grenzflächenaktive Adsorbate, u.a. Schwefel und Sauerstoff, haben beim Schweißen von Stählen einen bedeutenden Einfluss auf die Eigenschaften der Schweißnaht. Dieses experimentell beobachtete Phänomen ist als Folge des Marangoni-Effektes zu interpretieren, der eine Beschleunigung der Schmelze an der Badoberfläche infolge von Oberflächenspannungsgradienten bewirkt. Richtung und Intensität der resultierenden Schmelzbadströmung werden maßgeblich durch die Grenzflächenaktivität bestimmt, die den Wert der Oberflächenspannung herabsetzt und die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung modifiziert. Bisherige Untersuchungen waren fast ausschließlich auf die Wirkung von unterschiedlichen Konzentrationen grenzflächenaktiver Elemente im Grundwerkstoff ausgerichtet. Neuere experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Grenzflächenaktivität auch als externer Regelparameter, u.a. durch die Verwendung aktiver Gaskomponenten, zur positiven Beeinflussung des Schweißprozesses genutzt werden kann. Für einen zielgerichteten Einsatz dieser Technologie ist ein verbessertes Verständnis der grundlegenden physikalischen Zusammenhänge notwendig. Aufgrund der komplexen intrinsischen Kopplung von Schweißparametern, Materialverhalten und Prozessgaszusammensetzung und der messtechnischen Schwierigkeiten zur Erfassung wesentlicher Einflussgrößen ist eine rein empirische Ableitung jedoch ausgeschlossen. Daher sollen die maßgeblichen Transportvorgänge in laserinduzierten Schmelzbädern unter Berücksichtigung einer Aktivgasatmosphäre simuliert werden. Die Verwendung eines Lasers als Schweißwärmequelle bietet hierbei gegenüber Lichtbogenverfahren den Vorteil einer definierten Intensitätsverteilung im Laserfokus. Zur experimentellen Ermittlung relevanter integraler Größen (Absorptionsgrad, Aktivitätskoeffizient), die für eine Kalibrierung des physikalischen Modells erforderlich sind, werden neuartige Messtechnologien vorgestellt. Im Ergebnis der Untersuchungen soll ein Berechnungsprogramm zur Verfügung stehen, das im Bereich der Schmelze das Materialverhalten unter dem Einfluss von Aktivgasgemischen quantitativ richtig beschreibt und somit eine rechnergestützte Prozessauslegung und Parameteroptimierung bereits im Vorfeld einer zu lösenden Schweißaufgabe ermöglicht.