Thermal radiation sensing through the optical combiner in fiber laser cladding of nickel based alloy

Laser cladding is an advanced laser application able to deposit different materials on surfaces. The industrial applications in which laser cladding can be applied are various. It can be used to repair, improve wear and corrosion resistance and in general increase the properties of components. Several process parameters are involved in laser cladding process and determine the quality of the generated coatings. In fact one of the main issue to take care is the quality of the deposited cladding that could be affected by defects such as cracks and porosity. These problematics are common in all laser cladding applications, one of them, referring to the European DEBACOAT project, is the deposition of innovative nickel based coatings with tungsten carbides for barrels used in extrusion process. DEBACOAT project also define a list of requested features of the cladding such as geometry, hardness, and low defectiveness. The aims of this thesis is to investigate and identify suitable process parameters to satisfy the requested quality of the coatings and develop a monitoring system, in order to better understand the relation with the process parameters. The coaxial monitoring system, developed through the optical combiner, permits to reveal thermal radiation directly from the laser head, tackling the problem of monitoring in restricted area such as the internal of the extrusion barrels. Starting from a preliminary study to investigate the main parameters involved in the process, the thesis examines the relation between the monitored signal and the significant factors. In particular linear relations are found between monitored signal, laser power and cladding height. In addition temperature measurement are done to better understand the evolution of the melt pool. Taking into account the previous results the thesis investigates the optimal overlapping ratio to produce extended coatings on surfaces. In conclusion a set of optimal parameters are found and a deeper knowledge of the process is obtained thanks to the developed monitoring system.

Il laser cladding è un’applicazione industriale tecnologicamente avanzata che ha lo scopo di deporre differenti materiali su una superficie. Il processo viene utilizzato per aumentare le caratteristiche del metallo base; in particolare, può essere utilizzato per la riparazione di componenti danneggiati oppure per la produzione di rivestimenti atti alla protezione dall’usura e dalla corrosione. Molti parametri di processo sono contemplati durante la deposizione e ognuno di questi influenza in maniera differente la geometria del rivestimento finale. Uno degli aspetti chiave è la qualità del rivestimento che può essere affetto, in certi casi, dalla presenza di porosità e cricche. Queste problematiche sono presenti in tutti i processi di deposizione laser: il progetto Europeo DEBACOAT si propone di creare un rivestimento a base nickel con carburi di tungsteno, privo di difetti, per la superficie interna di un estrusore per materie plastiche. Tale progetto fornisce, inoltre, una lista di caratteristiche richieste per determinare la buona qualità del rivestimento prodotto. La tesi si prefigge di investigare e di identificare i parametri di processo che soddisfano le richieste del progetto e di sviluppare un sistema di monitoraggio con lo scopo di ottenere una relazione tra il segnale monitorato e i parametri di processo. Il sistema di monitoraggio coassiale, attraverso l’optical combiner, permette di rilevare la radiazione termica emessa durante la deposizione anche in spazi angusti come può essere l’interno dei tubi estrusori. Partendo da uno studio preliminare sulla significatività dei fattori di processo, la tesi esamina la relazione tra i parametri significativi e il segnale misurato: emerge una relazione lineare tra il segnale, la potenza laser e l’altezza del riporto. In aggiunta, per studiare l’evoluzione della pozza fusa si effettuano diverse misure di temperatura. Considerando i risultati ottenuti negli esperimenti precedenti, la tesi ricerca il valore ottimale di sovrapposizione per generare rivestimenti su una superficie più estesa. In conclusione, nel lavoro svolto sono identificati dei parametri di processo che soddisfano le richieste del progetto DEBACOAT e, grazie allo sviluppo del sistema di monitoraggio, si analizza nel dettaglio il processo, permettendo di migliorarne la qualità futura.