CN108788152B - 具环境成分在线检测功能的增材加工***及方法 - Google Patents

具环境成分在线检测功能的增材加工***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具环境成分在线检测功能的增材加工***及方法，本发明增材加工过程中，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。

Description

具环境成分在线检测功能的增材加工***及方法
技术领域
本发明涉及金属材料的增材制造领域，具体地涉及一种具环境成分在线检测功能的增材加工***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***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。
发明内容
本发明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***及方法。
本发明具环境成分在线检测功能的增材加工***，包括增材加工子***和环境成分在线检测子***；
所述增材加工子***用来进行金属增材加工，增材加工子***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***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***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***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***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。
本发明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***，包括步骤：
(1)控制单元控制增材加工子***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，本发明具有如下特点和有益效果：
本发明增材加工***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。
本发明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是实施例中本发明增材加工***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***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。本发明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***的结构示意图，所述增材加工***主要包括增材加工子***和环境成分在线检测子***。所述增材加工子***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***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，激光单颗粒质谱仪7、电子轰击源质谱仪8、采集头运动控制机构10均连接控制单元1，均在控制单元1的控制下工作。本具体实施方式中，加工头运动控制机构3和采集头运动控制机构13采用机械臂或多自由度运动平台等。
采集头运动控制机构10用来带动质谱采集头11追踪熔池14运动，质谱采集头11用来收集熔池14周围环境中的微颗粒和气体的混合物；质谱仪气路单元9用来将质谱采集头11收集的混合物传输至物质分离单元6，物质分离单元6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7，将气体通过另一气路传输至电子轰击源质谱仪8。
采集头运动控制机构10带动质谱采集头11追踪熔池14运动具体可采用如下技术手段来实现：
第一种，由于熔池14形成于加工头5下方，所以可预先设计加工头5和质谱采集头11的运动路径，使加工头5和质谱采集头11的运动路径相同，但存在延时，即可确保质谱采集头11位于熔池14附近。
第二种，利用激光扫描沉积层12表面，利用激光探测器接收反射光，根据光线变化判断熔池14位置，然后控制质谱采集头11追踪至熔池14附近。
本发明中，物质分离单元6用来将混合物中的微颗粒和气体进行分离。本具体实施方式中，物质分离单元6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7，石英毛细管通过另一气路连接电子轰击源质谱仪8。混合物进入物质分离单元6，仅微颗粒能通过差分真空取样锥，进而进入激光单颗粒质谱仪7；石英毛细管可过滤掉微颗粒，仅气体通过并进入电子轰击源质谱仪8。
在使用图1所示***的增材制造方法中，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12；同时，环境成分在线检测子***的质谱采集头11跟随熔池14移动，以对熔池14周围环境成分进行在线监测。
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。
(2)控制单元1控制采集头运动控制机构10，采集头运动控制机构10带动质谱采集头11实时追踪熔池14，采集熔池14周围的环境物质。
(3)环境物质通过质谱采集头11和质谱仪气路单元9进入物质分离单元6，物质分离单元6将环境物质分离成微颗粒和气体，分别进入激光单颗粒质谱仪7和电子轰击源质谱仪8。
(4)激光单颗粒质谱仪7检测微颗粒的成分及尺寸，并将检测数据发送给控制单元1。
(5)电子轰击源质谱仪8检测气体的成分及含量，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，判断环境物质中是否存在杂质成分超标，一旦有杂质成分超标，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。所述杂质成分超标既指一杂质成分的含量超标，也指微颗粒尺寸超标。
(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 (8)

1.具环境成分在线检测功能的增材加工***，其特征是：
包括增材加工子***和环境成分在线检测子***；
所述增材加工子***用来进行金属增材加工，增材加工子***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***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***，其特征是：
所述增材加工子***采用激光选区熔化成形装置、激光近净成形装置、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***，其特征是：
所述增材加工子***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***，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。
5.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***，其特征是：
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***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。
6.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***，其特征是：
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。
7.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***，其特征是：
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。
8.具环境成分在线检测功能的增材加工方法，其特征是：
采用权利要求1～7中任一项所述的增材加工***，包括步骤：
(1)控制单元控制增材加工子***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。
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