具环境成分在线检测功能的增材加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了具环境成分在线检测功能的增材加工系统及方法，本发明专利技术增材加工过程中，使质谱采集头采集熔池周围的环境物质，采用激光单颗粒质谱仪和电子轰击源质谱仪分别对环境物质中的微颗粒和气体进行检测，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超标，则停止并排除超标原因，直至杂质成分超标状况消除。本发明专利技术将激光单颗粒质谱与电子轰击源质谱复合，用于实现增材加工过程中环境物质的全物质谱检测，可为增材加工过程中控制质量和提供环境洁净度提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
具环境成分在线检测功能的增材加工系统及方法
本专利技术涉及金属材料的增材制造领域，具体地涉及一种具环境成分在线检测功能的增材加工系统及方法。
技术介绍
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，金属增材制造涉及复杂的金属熔化凝固冶金过程，对加工环境洁净度要求极高，环境成分控制不当极易产生缺陷，如保护气体中的氢气可能导致氢气孔，氧气可能导致金属氧化，固体微颗粒可能污染光学装置并干扰光束转播。因此，环境成分的实时检测显得尤为重要。环境气氛主要包括保护气体、加工过程中材料内部释放气体和与激光气化金属产生的微颗粒。精确在线检测环境气氛成分与含量对控制成形质量具有重要意义。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，但是该技术缺乏将颗粒物与气体区分的具体检测手段。
技术实现思路
本专利技术将激光单颗粒质谱与电子轰击源质谱复合，提供了一种具环境成分在线检测功能的增材加工系统及方法。本专利技术具环境成分在线检测功能的增材加工系统，包括增材加工子系统和环境成分在线检测子系统；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；所述环境成分在线检测子系统包括激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、物质分离单元、质谱仪气路单元、质谱采集头和采集头运动控制机构；激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动质谱采集头追踪熔池运动；质谱采集头用来收集熔池周围环境中的微颗粒和气体的混合物；质谱仪气路单元用来将混合物传输至物质分离单元，物质分离单元用来分离混合物中的微颗粒和气体，将微颗粒通过一气路传输至激光单颗粒质谱仪，将气体通过另一气路传输至电子轰击源质谱仪；激光单颗粒质谱仪用来检测微颗粒的成分及含量，电子轰击源质谱仪用来检测气体的成分及含量，并将检测数据反馈至控制单元。进一步的，所述增材加工子系统采用激光选区熔化成形装置、激光净近成形装置、电子束选区熔化成形装置、电子束直接成形装置或电弧成形装置。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。进一步的，所述采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动质谱采集头追踪熔池运动，具体采用如下方法实现：预先设计增材加工子系统中加工头和质谱采集头的运动路径，使加工头和质谱采集头的运动路径相同，但存在延时。进一步的，所述采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动质谱采集头追踪熔池运动，具体采用如下方法实现：利用激光扫描沉积层表面，利用激光探测器接收反射光，根据光线变化判断熔池位置，控制质谱采集头追踪至熔池处。进一步的，所述物质分离单元包括差分真空取样锥和石英毛细管，差分真空取样锥通过一气路连接激光单颗粒质谱仪，石英毛细管通过另一气路连接电子轰击源质谱仪。本专利技术提供的具环境成分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熔池；(2)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质谱采集头实时追踪熔池，采集熔池周围的环境物质；(3)环境物质通过质谱采集头和质谱仪气路单元进入物质分离单元，经物质分离单元分离成微颗粒和气体，分别进入激光单颗粒质谱仪和电子轰击源质谱仪；(4)激光单颗粒质谱仪检测微颗粒的成分及尺寸，并将检测数据发送给控制单元；(5)电子轰击源质谱仪检测气体的成分及含量，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，判断环境物质中是否存在杂质成分超标，一旦有杂质成分超，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，本专利技术具有如下特点和有益效果：本专利技术增材加工系统具有环境成分在线检测功能，可在增材加工过程中，对熔池周围环境物质进行高精度在线检测，更具体的，采用激光单颗粒质谱仪和电子轰击源质谱仪分别对环境物质中的微颗粒和气体进行检测，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超标，则停止并排除超标原因，直至杂质成分超标状况消除。本专利技术将激光单颗粒质谱与电子轰击源质谱复合，用于实现增材加工过程中环境物质的全物质谱检测，可为增材加工过程中控制质量和提供环境洁净度提供技术支撑。附图说明图1是实施例中本专利技术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-物质分离单元，7-激光单颗粒质谱仪，8-电子轰击源质谱仪，9-质谱仪气路单元，10-采集头运动控制机构，11-质谱采集头，12-沉积层，13-载物台，14-熔池。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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。本专利技术增材加工系统具环境成分在线检测功能，在增材加工过程中，利用激光单颗粒质谱仪和电子轰击源质谱仪检测熔池周围环境物质的成分及含量，并根据检测结果判断环境物质杂质成分是否超标。一旦发现有杂质成分超标，则停机调整。本专利技术通过在增材加工过程中进行环境物质杂质成分的在线检测，以实现增材加工过程的质量和缺陷控制。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环境成分在线检测子系统。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13；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13形成熔池14。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。所述环境成分在线检测子系统包括激光单颗粒质谱仪7、电子轰击源质谱仪8、物质分离单元6、质谱仪气路单元9、质谱采集头11和采集头运动控制机构10，激光单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具环境成分在线检测功能的增材加工系统，其特征是：包括增材加工子系统和环境成分在线检测子系统；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；所述环境成分在线检测子系统包括激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、物质分离单元、质谱仪气路单元、质谱采集头和采集头运动控制机构；激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动质谱采集头追踪熔池运动；质谱采集头用来收集熔池周围环境中的微颗粒和气体的混合物；质谱仪气路单元用来将混合物传输至物质分离单元，物质分离单元用来分离混合物中的微颗粒和气体，将微颗粒通过一气路传输至激光单颗粒质谱仪，将气体通过另一气路传输至电子轰击源质谱仪；激光单颗粒质谱仪用来检测微颗粒的成分及含量，电子轰击源质谱仪用来检测气体的成分及含量，并将检测数据反馈至控制单元。

【技术特征摘要】
1.具环境成分在线检测功能的增材加工系统，其特征是：包括增材加工子系统和环境成分在线检测子系统；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；所述环境成分在线检测子系统包括激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、物质分离单元、质谱仪气路单元、质谱采集头和采集头运动控制机构；激光单颗粒质谱仪、电子轰击源质谱仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动质谱采集头追踪熔池运动；质谱采集头用来收集熔池周围环境中的微颗粒和气体的混合物；质谱仪气路单元用来将混合物传输至物质分离单元，物质分离单元用来分离混合物中的微颗粒和气体，将微颗粒通过一气路传输至激光单颗粒质谱仪，将气体通过另一气路传输至电子轰击源质谱仪；激光单颗粒质谱仪用来检测微颗粒的成分及含量，电子轰击源质谱仪用来检测气体的成分及含量，并将检测数据反馈至控制单元。2.如权利要求1所述的具环境成分在线检测功能的增材加工系统，其特征是：所述增材加工子系统采用激光选区熔化成形装置、激光净近成形装置、电子束选区熔化成形装置、电子束直接成形装置或电弧成形装置。3.如权利要求1所述的具环境成分在线检测功能的增材加工系统，其特征是：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。4.如权利要求1或3所述的具环境成分在线检测功能的增材加工系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，张臣，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42