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方案

本发明专利技术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，本发明专利技术增材加工过程中，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。本发明专利技术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。

Adding material processing system and method with on-line detection function of spectral mass spectrometry

The invention discloses a material adding processing system and method with the function of on-line detection of spectral mass spectrometry. During the material adding processing, the deposited layer surface metal is irradiated by pulsed laser, and the deposited material is gasified and ionized to form a mixture of plasma, gas and micro-particles. Spectrometer collects the spectral signal of plasma to analyze the metal composition and content in the deposit layer; synchronously, mass spectrometer absorbs gas and micro-particles to analyze their composition and content. The invention can realize the wide spectrum accurate detection of the composition and content of metal material in the process of adding material manufacturing, thereby providing technical support for the control of quality and defects in the process of adding material processing.

【技术实现步骤摘要】
具光谱质谱复合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，具体地涉及一种具光谱质谱复合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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术基本思路为：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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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-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。本专利技术增材加工系统，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则可采用用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具光谱质谱复合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。...

【技术特征摘要】
1.具光谱质谱复合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。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...

【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