[發(fā)明專利]具光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測功能的增材加工系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810701101.X
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號(hào): CN108872197B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉勝;張臣
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/71
• 分類號(hào): G01N21/71;G01N27/62
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發(fā)明公開了具光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測功能的增材加工系統(tǒng)及方法，本發(fā)明增材加工過程中，利用脈沖激光輻照沉積層表面金屬，使沉積材料氣化和電離，形成包含等離子體、氣體與微顆粒的混合物。光譜儀采集等離子體的光譜信號(hào)，來分析沉積層中的金屬成分及含量；同步的，質(zhì)譜儀吸附氣體與微顆粒，來分析其成分及含量。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)增材制造金屬材料成分與含量的寬譜精確檢測，從而可為增材加工過程中質(zhì)量和缺陷的控制提供技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料的增材制造領(lǐng)域，具體地涉及一種具光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測功能的增材加工系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

增材制造技術(shù)是根據(jù)三維實(shí)體模型，利用離散堆積原理來實(shí)現(xiàn)快速成形的技術(shù)，可以直接制造各種材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，金屬增材制造過程涉及復(fù)雜的金屬熔化凝固等冶金過程，對(duì)加工材料純度要求極高，合金成分控制不當(dāng)極易產(chǎn)生元素偏析，環(huán)境控制不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致金屬吸入氫氣、氧氣、有機(jī)物等雜質(zhì)，這些因素會(huì)導(dǎo)致成形構(gòu)件中產(chǎn)生氣孔、裂紋、氧化等缺陷。因此，金屬元素成分的實(shí)時(shí)檢測對(duì)質(zhì)量控制而言，顯得尤為重要。檢測涉及合金元素、氣體元素、有機(jī)物元素等元素的檢測，現(xiàn)有的塊體精確檢測技術(shù)手段很難有如此寬泛的元素檢測范圍，如冶金過程常用的成分光譜檢測技術(shù)，只能檢測金屬元素，O、H、N等元素不能檢測。質(zhì)譜儀則可以用來精確檢測所有元素，但是不能檢測塊體材料，只能檢測微顆粒。

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀作為一種高精度的物質(zhì)成分檢測裝置具有廣泛應(yīng)用，測量范圍可達(dá)10^-6at％～100at％。專利號(hào)為CN201480023610.1的專利中提到，在增材制造中應(yīng)用質(zhì)譜檢測污染物的概念，但是該技術(shù)是用來檢測增材制造形成的沉積層固體物質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明將激光誘導(dǎo)光譜與飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測技術(shù)有機(jī)復(fù)合，提供了一種具光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測功能的增材加工系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明基本思路為：

在增材加工過程中，利用脈沖激光輻照沉積層表面金屬，使沉積材料氣化和電離，形成包含等離子體、氣體與微顆粒的混合物。光譜儀采集等離子體的光譜信號(hào)，來分析沉積層中的金屬成分及含量；同步的，質(zhì)譜儀吸附氣體與微顆粒，來分析其成分及含量。

本發(fā)明具光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測功能的增材加工系統(tǒng)，包括增材加工子系統(tǒng)和光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測子系統(tǒng)；

所述增材加工子系統(tǒng)用來進(jìn)行金屬增材加工，增材加工子系統(tǒng)包括用來進(jìn)行金屬增材加工過程控制的控制單元；

所述光譜質(zhì)譜復(fù)合在線檢測子系統(tǒng)脈沖激光器、激光光路單元、激光頭、光譜儀、光譜儀光路單元、光譜采集頭、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀氣路單元、質(zhì)譜采集頭和采集頭運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)；脈沖激光器、光譜儀、質(zhì)譜儀、采集頭運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)均連接控制單元；激光頭、光譜采集頭和質(zhì)譜采集頭均設(shè)于一固定支架上，采集頭運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)用來在控制單元的控制下，帶動(dòng)該固定支架在沉積層上方掃描；

脈沖激光器通過激光光路單元連接激光頭，脈沖激光器用來產(chǎn)生激光束，激光光路單元用來將產(chǎn)生的激光束傳輸至激光頭，激光頭將激光束作用于形成的沉積層上；

光譜儀通過光譜儀光路單元連接光譜采集頭，光譜采集頭用來采集沉積層上方的光譜信號(hào)，并將采集的光譜信號(hào)通過光譜儀光路單元傳輸至光譜儀，光譜儀用來根據(jù)光譜信號(hào)檢測金屬成分及含量，并將檢測結(jié)果反饋至控制單元；

質(zhì)譜儀通過質(zhì)譜儀氣路單元連接質(zhì)譜采集頭，質(zhì)譜采集頭用來采集沉積層上方的微顆粒和氣體的混合物，并將采集的混合物通過質(zhì)譜儀氣路單元傳輸至質(zhì)譜儀，質(zhì)譜儀用來檢測輕元素成分及含量，并將檢測結(jié)果反饋至控制單元。

進(jìn)一步的，所述增材加工子系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制單元、高能束發(fā)生單元、高能束傳輸單元、加工頭運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、加工頭和載物臺(tái)；

高能束發(fā)生單元和加工頭運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)均連接控制單元；