Monitoring of fiber laser welding on Ti-6Al-4V by spectrometer and photodiode in different configurations TOC, coaxial, and lateral

Due to the application of Fiber Laser Welding (FLW) on Ti-6Al-4V for aeronautical industry and the stringent quality standards in this field, developing on-line monitoring system is so crucial to detect process variables and imperfections with high sensitivity. For this reason, in this thesis FLW monitoring tests on Ti-6Al-4V in both the reference and the disturbed weld conditions were carried out in order to investigate, compare, and find the best possible results by using different sensors, configurations, and analysis approaches. The monitoring strategies employed in this thesis include of Optical Emission Spectroscopy (OES) and Optical Emission Monitoring (OEM) in the three different configurations, TOC (as a novel monitoring position), coaxial, and lateral. The optical benches for both sensors were designed and were developed on the reference condition. The experiments were conducted based on varying the main process factors comprised of the laser power, the shielding gas flow rate, and the beam focus position into two levels and full factorial design to simulate welding defects. Therefore, initially effects of the above mentioned process parameters on the welded samples were investigated based on geometrical and integrity aspects. Then, different analysis methods were used to distinguish any drift on process variables in the three different configurations and two monitoring strategies. The results were compared to find the best analysis and configuration for each monitoring strategy. Finally, the acquired signals were correlated to the main weld quality parameters to estimate the quality factors through OES and OEM in different ranges. The comparison of results calculated by different analysis approaches and configurations in a fixed monitoring strategy showed that a proper choice of the monitoring configuration could enhance the fault detection performances. It was found that by applying Principal Component Analysis (PCA) on the normalized spectra in OES any drift from reference condition could be easily distinguished. To achieve this goal, one or combination of PC scores depending on the used configuration could be selected. Thus, PCA as a more efficient method could be proposed to control the main process variables during OES of FLW on Ti-6Al-4V. In OES the best monitoring configuration was the TOC configuration. For instance, the first principal component scores as an indicator in the TOC configuration with relatively high R²-adj (79.3%) could detect all of the process variables. In OEM by using VIS channel in lateral configuration, all of the process parameters could be recognized with high R²-adj (more than 94%) if each of the statistical indicators, the mean, the standard deviation, or the kurtosis, were applied. Through combinations of two channels comprised of VIS or NIR with the laser channel in the coaxial configuration, all of process parameters could be detected. It would be with relatively high R²-adj (more than 72%) if the standard deviation of signal was used. This result could be achieved if two statistical indicators, mean and standard deviation, were applied in the TOC configuration and VIS channel. A threshold value could be defined in both OES and OEM strategies in two configurations, coaxial and TOC, which can recognize the transition between partial and full penetrations. Different levels of oxidation could clearly be recognized in OEM through threshold values of the standard deviation in the lateral configuration and NIR channel. Furthermore, there was high strong quadratic association between the kurtosis of NIR channel and the area of porosity in the coaxial configuration (for OEM). To conclude, that the best combination of a monitoring position and a sensor was achieved by lateral configuration where the minimum optical components were used, and photodiode sensor that captured the emission light with high sampling rate and consequently high time resolution. By using the aforementioned combination system, all of the process variables could be recognized easily with high R²-adj (more than 94%). These abilities, to recognize any drift of process parameters and imperfections in an online processing step, propose a robust, accurate, and high-speed response system for monitoring. It can prevent destructive tests that are expensive and time-consuming.

Dal momento in cui l’applicazione di Fiber Laser Welding (FLW) sulla lega di titanio Ti-6Al-4V per l'industria aeronautica, ha degli standard di qualità molto rigorosi ed in continua via di sviluppo, un sistema di monitoraggio on-line è fondamentale per rilevare variabili di processo e le imperfezioni con elevata sensibilità. Per questo motivo, in questa tesi sono stati fatti dei test di monitoraggio del processo FLW su Ti-6Al-4V sia nelle condizioni di riferimento sia in condizioni di saldatura disturbate al fine di indagare, confrontare, e trovare i migliori risultati possibili utilizzando diversi sensori, configurazioni e approcci di analisi. Le strategie di monitoraggio impiegate in questa tesi sono di Spettroscopia ad emissione ottica (OES) e monitoraggio ad emissione ottica (OEM) nelle tre diverse configurazioni, TOC (come una posizione di monitoraggio innovativa), coassiale e laterale. I banchi ottici per entrambi i sensori sono stati progettati e sono stati sviluppati sulla condizione di riferimento. Gli esperimenti sono stati condotti variando i principali fattori di processo quali potenza del laser, la velocità di flusso del gas di protezione e la posizione del fuoco del fascio in un piano fattoriale completo su due livelli, in modo da simulare tutti i difetti di saldatura. Pertanto, inizialmente, gli effetti dei parametri di processo sopra descritti sui campioni saldati sono stati esaminati basandosi sull’analisi degli aspetti geometrici e di integrità della saldatura. Poi, diversi metodi di analisi sono stati usati per distinguere qualsiasi differenza introdotta dalle variabili di processo nelle tre diverse configurazioni e due strategie di monitoraggio. I risultati sono stati confrontati per trovare la migliore analisi e configurazione per ogni strategia di monitoraggio. Infine, i segnali acquisiti sono stati correlati ai principali parametri di qualità della saldatura per stimare i fattori di qualità attraverso OES e OEM in diverse categorie. Il confronto dei risultati calcolati da diversi approcci di analisi e configurazioni in una strategia di monitoraggio fisso ha mostrato che una corretta scelta della configurazione di monitoraggio potrebbe migliorare le prestazioni di rilevazione guasti. Si è constatato che, applicando Principal Component Analysis (PCA) sugli spettri normalizzati in OES, uno scostamento dalla condizione di riferimento potrebbe essere facilmente individuato. Per raggiungere questo obiettivo, potrebbe essere selezionato uno o una combinazione dei punteggi dati dalla PC a seconda della configurazione utilizzata. Così, PCA potrebbe essere proposto come un metodo più efficiente per controllare le variabili di processo principali durante OES di FLW sulla lega Ti-6Al-4V. In OES la migliore configurazione di monitoraggio è stata la configurazione del TOC. Per esempio, il componente con il punteggio più alto, con una R2 relativamente alta (79,3%), può essere utilizzato come indicatore in grado di rilevare tutte le variabili di processo. In OEM, utilizzando il canale VIS in configurazione laterale, tutti i parametri di processo possono essere individuati con alta R²-SCH (più del 94%) se ciascuno degli indicatori statistici, la media, la deviazione standard, o kurtosis, sono stati applicati. Attraverso combinazioni di due canali compresi del VIS o NIR e il canale laser nella configurazione coassiale, tutti i parametri di processo potrebbe essere rilevato. La R2-ADJ è relativamente alta (oltre il 72%) se viene utilizzata la deviazione standard del segnale. Questo risultato potrebbe essere raggiunto se due indicatori statistici, media e deviazione standard, sono stati applicati nella configurazione TOC e il canale VIS. Un valore soglia potrebbe essere definito in entrambe le strategie OES e OEM nelle due configurazioni, coassiale e TOC, in grado di riconoscere la transizione tra penetrazione parziale e totale. Diversi livelli di ossidazione possono chiaramente essere riconosciuti in OEM con valori di soglia della deviazione standard nella configurazione laterale e il canale NIR. Inoltre, vi è una forte correlazione quadratica tra kurtosis del canale NIR e la zona di porosità nella configurazione coassiale (per OEM). Per concludere la migliore configurazione, intesa come combinazione della posizione del monitoraggio ed il tipo di sensore, è stata individuata come la configurazione laterale in cui sono stati usati il minor numero di componenti ottici e un fotodiodo che cattura la luce di emissione con elevata frequenza di campionamento e risoluzione. Utilizzando il sistema combinato sopra descritto, tutte le variabili di processo possono essere riconosciute facilmente con un alta R²-adj (più del 94%). Questa capacità di riconoscere qualsiasi scostamento dei parametri di processo e le imperfezioni in una fase di lavorazione in linea, propone un sistema di risposta robusto, preciso e ad alta velocità per il monitoraggio. Questo può impedire prove distruttive che sono costose e che richiedono tempo.