Study of a new cladding head for active fiber laser cladding processes

This work deals with the study, the design and the realization of a new active fiber laser cladding head with an integrated monitoring cover slide system. A cladding head is usually divided in two parts, the upper one with the optical chain (hereafter optical part) and the lower one, which deals with the powder delivery and the gas managing (hereafter process part). These two parts are separated by the cover slide, which prevents the contamination of the optical zone. The work starts with the study of the process part, especially the cladding head nozzle. It has a coaxial architecture and it is able to manage in the coaxial cones three different gases with three different roles. The roles of the these gases are: • the first gas (inner gas) is used to protect the focusing lens and to control the atmosphere of the molten pool in the cladding, in order to protect and to change the final cladding proprieties. • the second gas (central gas) is the powder feeder. • the last one (outer gas) is used to shield the work area and to increase the process efficiency (avoiding the powder wasting). In the second part of the work the cover slide monitoring system is developed. This device is based on two different signals, the first one is the scattered light from the protective glass, the second one is the temperature signal from the protective glass holder. The developed monitoring device is extremely compact and is able to recognize both small (i.e. cracks) and large defects (i.e. diffuse opacity) on the surface of the protective slide. The new cladding head is validated by means of several industrial case studies, which reproduce the normal industrial practice in the laser cladding field. These cases have allowed to better underline the advantages to use the active fiber laser source for the cladding applications.

Questo lavoro riguarda lo studio, la progettazione e la realizzazione di una testa innovativa per i processi di riporto laser. La testa è specificatamente progettata per l’utilizzo con i laser in fibra attiva ed è equipaggiata con un sistema di monitoraggio on-line del vetrino di protezione. Generalmente una testa da laser cladding è divisibile in due macro zone. Nella parte superiore si trova la parte ottica in cui il fascio laser viene collimato e focalizzato, mentre nella parte inferiore (di processo) vengono gestiti i gas di processo e la stessa polvere. Queste due parti sono separate dal vetrino di protezione, che impedisce la contaminazione delle parte ottica. Il lavoro è iniziato con lo studio della parte di processo. Questa è realizzata utilizzando un’architettura coassiale, che permette la gestione in contemporanea di tre gas di processo con ruoli differenti. In particolare, il gas centrale è utilizzato per mantenere pulito il vetrino di protezione e può fornire eventuali elementi d’apporto alla pozza fusa. Il secondo ha il compito di portare la polvere fino alla zona di lavoro. L’ultimo, il più esterno di tutti, è utilizzato per proteggere dall’ossidazione il rivestimento, inoltre avvolgendo completamente il flusso di polvere permette di migliorarne l’efficienza di deposito sprecando meno polvere. Conclusa la progettazione e la realizzazione della parte di processo, si è proseguito con lo studio del sistema di monitoraggio del vetrino. Questo si basa su due tipi di segnali, il primo è di tipo ottico e riguarda la luce riflessa dal vetrino stesso, mentre il secondo segnale è di tipo termico e viene acquisito attraverso una termocoppia posta sul vetrino. Il dispositivo di monitoraggio sviluppato è estremamente compatto ed è in grado di riconoscere sia piccoli difetti, come micro cricche, che quelli più grandi, come potrebbe essere un’opacizzazione diffusa sulla superficie del vetrino protettivo. La testa prototipale realizzata con il dispositivo di monitoraggio del vetrino è stata validata attraverso la realizzazione di parecchi casi industriali. Questi casi hanno permesso di evidenziare meglio i vantaggi di utilizzare una sorgente in fibra attiva per le applicazioni di laser cladding.