Investigation on laser polishing of laser micro weld seams on copper and copper alloy with green laser radiation

This thesis investigates the use of newly available high power green laser sources to enable laser polishing on pure copper (Cu-ETP) and the bronze copper alloy CuSn6 which previously could not be achieved with typical infrared laser sources. The laser polishing is investigated and developed on flat sample surfaces and then applied on rough weld seams created by laser micro welding using the same experimental set-up. Since there is no previous experience or literature on this topic, the investigation starts with fundamental research on single laser melting tracks. The purpose of these first experiments is to identify rough process limits and develop process knowledge on the influencing process parameters and potential differences between the two materials. As a result, stable melting is achieved in a larger process window. The main difference between the materials is the 5 times larger heat conductivity of pure copper over CuSn6 which necessitates higher laser intensities for melting and yields lower maximum melt pool sizes before evaporation is reached. In the second stage areal laser polishing experiments are carried out on flat samples to further narrow down a suitable process window for laser polishing with green laser radiation on pure copper and a typical bronze alloy. As a result, laser polishing was successfully achieved although the yielded roughnesses are not below but in the range of the initial surface roughness of Ra 0.3 µm. A larger process parameter range and potential use of shielding gas should be investigated in the future to further lower the possible minimum roughness. Finally the results from the previous more fundamental experiments (single melting tracks and area polishing) and process development are applied on rough laser micro weld seams created with the same set-up. After varying process parameters and scanning strategies on both materials the mean roughness of the weld tracks could be lowered by a factor of two and extreme peaks and valleys from splattered particles were successfully smoothened. The polishing achieved about one fifth of the re-melt depth of the weld track.

Questa tesi studia l’uso di sorgenti laser verdi ad alta potenza di recente disponibili per consentire la lucidatura laser su rame puro (Cu-ETP) e sulla lega di rame bronzo CuSn6, che in precedenza non era possibile ottenere con le tipiche sorgenti laser a infrarossi. La lucidatura laser viene studiata e sviluppata su superfici piane del campione e poi applicata su cordoni di saldatura grezzi creati da microsaldature laser con la stessa impostazione sperimentale. Non essendoci alcuna esperienza o letteratura precedente sull’argomento, l’indagine inizia con la ricerca di base sulle tracce di fusione laser. Lo scopo di questi primi esperimenti `e quello di identificare i limiti di processo grezzi e sviluppare le conoscenze di processo sui parametri di processo che influenzano i parametri di processo e le differenze potenziali tra i due materiali. In questo modo si ottiene una fusione stabile in una finestra di processo pi`u ampia. La differenza principale tra i materiali `e la conducibilit`a termica 5 volte maggiore del rame puro rispetto al CuSn6, che richiede intensit`a laser pi`u elevate per la fusione e rende pi`u basse le dimensioni massime del pool di fusione prima che venga raggiunta l’evaporazione. Nella seconda fase vengono effettuati esperimenti di lucidatura laser areale su campioni piatti per restringere ulteriormente una finestra di processo adatto per la lucidatura laser con radiazione laser verde su rame puro e una tipica lega di bronzo. Di conseguenza, la lucidatura laser `e stata ottenuta con successo, anche se le rugosit`a rese non sono inferiori ma nell’intervallo della rugosit`a superficiale iniziale di Ra 0,3 µm. In futuro si dovrebbe studiare un campo di parametri di processo pi`u ampio e l’uso potenziale di gas di schermatura per ridurre ulteriormente la possibile rugosit`a minima. Infine, i risultati dei precedenti esperimenti pi`u fondamentali (piste di fusione singole e lucidatura dell’area) e lo sviluppo del processo vengono applicati su mi-crosaldature laser grezze create con lo stesso set-up. Dopo aver variato i parametri di processo e le strategie di scansione su entrambi i materiali, la rugosit`a media delle piste di saldatura ha potuto essere abbassata di un fattore due e sono state lisciate con successo le valli e i picchi estremi delle particelle schizzate. La lucidatura ha raggiunto circa un quinto della profondit`a di rifusione della pista di saldatura.