CN108872197B - 具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统及方法，本发明增材加工过程中，利用脉冲激光辐照沉积层表面金属，使沉积材料气化和电离，形成包含等离子体、气体与微颗粒的混合物。光谱仪采集等离子体的光谱信号，来分析沉积层中的金属成分及含量；同步的，质谱仪吸附气体与微颗粒，来分析其成分及含量。本发明可实现增材制造金属材料成分与含量的宽谱精确检测，从而可为增材加工过程中质量和缺陷的控制提供技术支撑。

Description

具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统及方法
技术领域
本发明涉及金属材料的增材制造领域，具体地涉及一种具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统及方法。
背景技术
增材制造技术是根据三维实体模型，利用离散堆积原理来实现快速成形的技术，可以直接制造各种材料的复杂结构零部件，具有广泛的应用前景。但是，金属增材制造过程涉及复杂的金属熔化凝固等冶金过程，对加工材料纯度要求极高，合金成分控制不当极易产生元素偏析，环境控制不当还会导致金属吸入氢气、氧气、有机物等杂质，这些因素会导致成形构件中产生气孔、裂纹、氧化等缺陷。因此，金属元素成分的实时检测对质量控制而言，显得尤为重要。检测涉及合金元素、气体元素、有机物元素等元素的检测，现有的块体精确检测技术手段很难有如此宽泛的元素检测范围，如冶金过程常用的成分光谱检测技术，只能检测金属元素，O、H、N等元素不能检测。质谱仪则可以用来精确检测所有元素，但是不能检测块体材料，只能检测微颗粒。
飞行时间质谱仪作为一种高精度的物质成分检测装置具有广泛应用，测量范围可达10-6at％～100at％。专利号为CN201480023610.1的专利中提到，在增材制造中应用质谱检测污染物的概念，但是该技术是用来检测增材制造形成的沉积层固体物质。
发明内容
本发明将激光诱导光谱与飞行时间质谱检测技术有机复合，提供了一种具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统及方法。
本发明基本思路为：
在增材加工过程中，利用脉冲激光辐照沉积层表面金属，使沉积材料气化和电离，形成包含等离子体、气体与微颗粒的混合物。光谱仪采集等离子体的光谱信号，来分析沉积层中的金属成分及含量；同步的，质谱仪吸附气体与微颗粒，来分析其成分及含量。
本发明具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工系统，包括增材加工子系统和光谱质谱复合在线检测子系统；
所述增材加工子系统用来进行金属增材加工，增材加工子系统包括用来进行金属增材加工过程控制的控制单元；
所述光谱质谱复合在线检测子系统脉冲激光器、激光光路单元、激光头、光谱仪、光谱仪光路单元、光谱采集头、质谱仪、质谱仪气路单元、质谱采集头和采集头运动控制机构；脉冲激光器、光谱仪、质谱仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；激光头、光谱采集头和质谱采集头均设于一固定支架上，采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动该固定支架在沉积层上方扫描；
脉冲激光器通过激光光路单元连接激光头，脉冲激光器用来产生激光束，激光光路单元用来将产生的激光束传输至激光头，激光头将激光束作用于形成的沉积层上；
光谱仪通过光谱仪光路单元连接光谱采集头，光谱采集头用来采集沉积层上方的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元传输至光谱仪，光谱仪用来根据光谱信号检测金属成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元；
质谱仪通过质谱仪气路单元连接质谱采集头，质谱采集头用来采集沉积层上方的微颗粒和气体的混合物，并将采集的混合物通过质谱仪气路单元传输至质谱仪，质谱仪用来检测轻元素成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元。
进一步的，所述增材加工子系统进一步包括控制单元、高能束发生单元、高能束传输单元、加工头运动控制机构、加工头和载物台；
高能束发生单元和加工头运动控制机构均连接控制单元；
高能束发生单元用来产生能量束，高能束传输单元用来将能量束传输至加工头，加工头用来使用能量束熔化金属原料并在载物台上形成熔池；
加工头运动控制机构用来带动加工头按预设的路径运动。
进一步的，所述采集头运动控制机构和所述加工头运动控制机构为机械臂或多自由度运动平台。
作为优选，所述光谱采集头和所述质谱采集头在固定支架上的位置和姿态可独立调节。
本发明提供的具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工方法，采用上述增材加工系统，包括步骤：
(1)控制单元控制增材加工子系统在载物台上形成沉积层；
(2)控制单元控制脉冲激光器发射激光，所发射的激光通过激光头作用于沉积层的待检测区域，形成金属蒸汽与等离子体的混合物；
(3)与(2)同步的，控制单元控制采集头运动控制机构，采集头运动控制机构带动光谱采集头和质谱采集头在沉积层待检测区域上方扫描；光谱采集头收集光谱信号，并通过光谱仪光路单元传输到光谱仪；质谱采集头吸入混合物，并通过质谱仪气路单元传输到质谱仪；
(4)光谱仪根据光谱信号检测沉积层中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；
(5)质谱仪根据混合物检测沉积层中轻元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；
(6)控制单元根据接收的检测数据，判断沉积层中杂质成分含量是否超标，一旦有杂质分成超标，控制单元发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工；
(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成增材加工。
和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
本发明增材加工系统具有光谱质谱复合在线检测功能，可在增材加工过程中，对已形成的沉积层大部分元素及其含量进行高精度的在线检测，并将检测数据反馈给控制单元。控制单元一旦发现杂质成分含量超标，则停止并排除超标原因，直至杂质成分含量超标状况消除。
本发明可实现增材制造金属材料成分与含量的宽谱精确检测，从而可为增材加工过程中质量和缺陷的控制提供技术支撑。
附图说明
图1是实施例中本发明增材加工系统的结构示意图。
图中，1-控制单元，2-高能束发生单元，3-加工头运动控制机构，4-高能束传输单元，5-加工头，6-激光头，7-激光光路单元，8-光谱仪光路单元，9-脉冲激光器，10-光谱仪，11-质谱仪，12-质谱仪气路单元，13-采集头运动控制机构，14-质谱采集头，15-沉积层，16-载物台，17-混合物，18-熔池，19-光谱采集头。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明增材加工系统具光谱质谱复合在线检测功能，在增材加工过程中，利用光谱仪和质谱仪对形成的沉积层成分进行实时检测，以判断沉积层中杂质成分是否超标。一旦发现杂质成分超标，则停机调整。本发明增材加工系统，通过在增材加工过程中进行杂质成分在线检测，并根据反馈的检测结果实现质量和缺陷的控制。
参见图1，所示为本实施例中增材加工系统的结构示意图，所述增材加工系统主要包括增材加工子系统和光谱质谱复合在线检测子系统。所述增材加工子系统进一步包括控制单元1、高能束发生单元2、高能束传输单元4、加工头运动控制机构3、加工头5和载物台16。高能束发生单元2和加工头运动控制机构3均连接控制单元1，控制单元1用来控制高能束发生单元2和加工头运动控制机构3，高能束发生单元2用来产生熔化金属原料的能量束，高能束传输单元4用来将能量束传输至加工头5，加工头5用来使用高能束传输单元4传输过来的能量束熔化金属原料，并在载物台16形成熔池18。加工头运动控制机构3用来带动加工头5按控制单元1预设的路径运动。
本具体实施方式中，当高能束发生单元2产生的高能束为激光束时，高能束传输单元4则可采用用来传输激光的光纤或反射镜；当高能束发生单元2产生的高能束为电弧、等离子体、电子束等时，高能束传输单元4则可采用用来传输电能的电缆。
所述光谱质谱复合在线检测子系统包括脉冲激光器9、激光光路单元7、激光头6、光谱仪10、光谱仪光路单元8、光谱采集头19、质谱仪11、质谱仪气路单元12、质谱采集头14和采集头运动控制机构13，激光头6、光谱采集头19和质谱采集头14均固定于一固定支架上，采集头运动控制机构13用来带动该固定支架在沉积层15上方进行扫描。其中，光谱采集头19和质谱采集头14构成本发明系统的集成采集头。本具体实施方式中，采集头运动控制机构13可采用机械臂或多自由度运动平台等；质谱采集头14和光谱采集头19在固定支架上的位置和姿态可独立调整，以适应不同的检测工艺。
脉冲激光器9、光谱仪10、质谱仪11、采集头运动控制机构13均连接控制单元1，均在控制单元1的控制下工作。脉冲激光器9通过激光光路单元7连接激光头6，脉冲激光器9用来产生激光束，激光光路单元7用来将产生的激光束传输至激光头6。光谱仪10通过光谱仪光路单元8连接光谱采集头19，光谱采集头19用来采集增材加工过程中的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元8传输至光谱仪10，光谱仪10用来根据光谱信号检测金属成分。质谱仪11通过质谱仪气路单元12连接质谱采集头14，质谱采集头14用来采集增材加工过程中的微颗粒和气体的混合物，并将采集的微颗粒和气体的混合物通过质谱仪气路单元12传输至质谱仪11，质谱仪11用来进行轻元素检测。采集头运动控制机构13用来带动激光头6、质谱采集头14、光谱采集头19运动。
在使用图1所示系统的增材加工方法中，控制单元1根据规划的扫描路径控制加工头运动控制机构3带动加工头5运动，形成特定形状的沉积层15；同时，质谱采集头14和光谱采集头19同步工作，对沉积层15进行在线监测。
本发明增材加工方法的具体步骤如下：
(1)控制单元1控制高能束发生单元2产生能量束，所产生的能量束通过高能束传输单元4传输到加工头5，加工头5使用高能束传输单元4传输过来的能量束熔化金属原料，并在载物台16形成熔池18。同步的，在载物台16上形成沉积层15。
(2)控制单元1控制脉冲激光器9发射激光，所发射的激光通过激光头6作用于沉积层15的待检测区域，沉积材料吸收激光能量后气化和电离，气化材料通过逆韧致吸收等效应吸收能量，最终形成金属蒸汽与等离子体的混合物17。
(3)与(2)同步的，控制单元1控制采集头运动控制机构13，采集头运动控制机构13带动集成采集头在沉积层15待检测区域上方扫描；光谱采集头19收集混合物17中等离子体的光谱信号，并通过光谱仪光路单元8传输到光谱仪10；质谱采集头14吸入金属蒸汽与等离子体的混合物17，并通过质谱仪气路单元12传输到质谱仪11。
(4)光谱仪10利用自带的光谱信号分析软件，根据光谱信号检测沉积层15中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元1。
(5)质谱仪11利用自带的质谱分析软件，根据吸入的混合物17检测沉积层15中轻元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元1。
(6)控制单元1根据接收的检测数据，判断沉积层15中杂质成分含量是否超标，一旦有杂质分成超标，控制单元1发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工。
(7)重复步骤(1)～(6)直至完成增材加工。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (3)

1.具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：
采用如下增材加工系统，所述增材加工系统包括增材加工子系统和光谱质谱复合在线检测子系统；
所述增材加工子系统用来进行金属增材加工，增材加工子系统包括用来进行金属增材加工过程控制的控制单元；
所述增材加工子系统进一步包括控制单元、高能束发生单元、高能束传输单元、加工头运动控制机构、加工头和载物台；
高能束发生单元和加工头运动控制机构均连接控制单元；
高能束发生单元用来产生能量束，高能束传输单元用来将能量束传输至加工头，加工头用来使用能量束熔化金属原料并在载物台上形成熔池；
加工头运动控制机构用来带动加工头按预设的路径运动；
所述光谱质谱复合在线检测子系统包括脉冲激光器、激光光路单元、激光头、光谱仪、光谱仪光路单元、光谱采集头、质谱仪、质谱仪气路单元、质谱采集头和采集头运动控制机构；脉冲激光器、光谱仪、质谱仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；激光头、光谱采集头和质谱采集头均设于一固定支架上，采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动该固定支架在沉积层上方扫描；
脉冲激光器通过激光光路单元连接激光头，脉冲激光器用来产生激光束，激光光路单元用来将产生的激光束传输至激光头，激光头将激光束作用于形成的沉积层上；
光谱仪通过光谱仪光路单元连接光谱采集头，光谱采集头用来采集沉积层上方的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元传输至光谱仪，光谱仪用来根据光谱信号检测金属成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元；
质谱仪通过质谱仪气路单元连接质谱采集头，质谱采集头用来采集沉积层上方的微颗粒和气体的混合物，并将采集的混合物通过质谱仪气路单元传输至质谱仪，质谱仪用来检测轻元素成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元；
所述增材加工方法包括步骤：
(1)控制单元控制增材加工子系统在载物台上形成沉积层；
(2)控制单元控制脉冲激光器发射激光，所发射的激光通过激光头作用于沉积层的待检测区域，形成金属蒸汽与等离子体的混合物；
(3)与(2)同步的，控制单元控制采集头运动控制机构，采集头运动控制机构带动光谱采集头和质谱采集头在沉积层待检测区域上方扫描；光谱采集头收集光谱信号，并通过光谱仪光路单元传输到光谱仪；质谱采集头吸入混合物，并通过质谱仪气路单元传输到质谱仪；
(4)光谱仪根据光谱信号检测沉积层中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；
(5)质谱仪根据混合物检测沉积层中轻元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；
(6)控制单元根据接收的检测数据，判断沉积层中杂质成分含量是否超标，一旦有杂质分成超标，控制单元发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工；
(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成增材加工。
2.如权利要求1所述的具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：所述采集头运动控制机构和所述加工头运动控制机构为机械臂或多自由度运动平台。
3.如权利要求1所述的具光谱质谱复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：
所述光谱采集头和所述质谱采集头在固定支架上的位置和姿态可独立调节。
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