[发明专利]一种金属增材制造质量在线检测系统

说明书

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种金属增材制造质量在线检测系统。

背景技术

增材制造技术，俗称3D打印技术，是近年来发展十分迅速的新型制造技术，具有数字化成形的特点，利用粉末或丝材，采用逐层累积的方式制造三维实体零件。在复杂金属构件的高质量、高性能近净成形方面具有制造周期短、成本低、构件性能优良、后续加工量小等显著技术优势，已经成功应用于航空航天、兵器、船舶制造领域大型结构件的制造，显示出广阔的工业应用前景。

在增材制造领域，以电弧作为热源的金属增材制造技术由于具有设备简单、材料利用率高和开放的成形条件等优点，因而尤其适合于大尺寸复杂工件譬如大型航空结构件的增材制造。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按照设定的成形路径在金属基板上逐层堆积成三维实体零件。大型金属零部件增材制造成本很高，成形后的零件一旦因某些层的成形工艺参数控制不当而出现缺陷，就会导致最终的零件因质量不合格而报废。因此，针对金属増材制造技术，迫切需要建立一套质量检测系统，特别是需要针对増材制造过程从“控形和控性”两方面进行在线监控。

目前，国内外研究者在电弧增材制造控形在线检测方面已经取得了一定的进展。例如，CN106180986A中公开了一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法，其中提出可根据层间温度与成形质量之间的匹配关系，通过调控层间温度从而实现电弧增材制造成形质量的主动控制；又如，CN106363275A中公开了一种基于电弧电压反馈的GTAW增材制造过程稳定性监测的方法，该方法利用电弧弧长作为监测量，通过监测弧长反馈的稳定性来控制成形质量。然而，上述方法偏重于对控形方面的检测及处理，对控性方面基本未涉及：例如在实际应用过程中，铝合金焊层温度冷却梯度大、变化快，导致层间温度的实时监测误差较大，实施较为困难；而且铝合金电弧增材制造过程中，如图2所示，变极性焊接工艺下弧长容易随电流周期性变化，导致通过在线检测弧长电压和弧长达到在线控形的方法，在实际应用中效果有限。

此外，针对控性在线检测方向的专利检索发现，EP3049235A2披露了一种适用于选择性激光融化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)的增材制造设备和方法，其中提出采用激光束来产生熔化池，同时采用光谱仪对其激发的等离子体特征辐射进行光谱分析的方案，譬如可通过在线检测等离子体的温度来获取及调节熔化池温度、直径、深度等方面的信息，或者通过等离子体的峰强度在线检测来计算焦点相对于粉末层的平面偏移，从而获取和调节点距、曝光时间、扫描速度等方面的信息。CN106353284A披露了一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线检测方法，其中提出通过观察光致等离子体光谱信号的相对辐射强度随时间波动的情况，来获得制造过程中是否存在制造缺陷的结论。

然而，进一步的研究表明，上述现有方案虽然提出了可利用光致等离子体的光谱分析来反映增材制造过程的控性在线检测，但仍存在以下的缺陷或不足：首先，焊接电弧等离子体弧光中蕴含丰富的信息，光谱强度和等离子温度信息是光谱处理得到的最为初级层次的信息，上述专利中均未涉及到利用光谱信息进行元素成分和元素烧损量的在线分析；其次，光谱强度和光谱波动性，受采集环境的影响很大，上述两个专利的应用领域是激光粉末增材制造(SLM、SLS和LCD)，且用到连续的激光加工光源，在此条件下，激光光源对光谱强度和波动性影响不明显。但是，电弧增材制造技术采用的是脉冲电弧或变极性电弧加工模式，电流的周期性大小变化对光谱强度的影响非常大，因此上述两种专利的方案难于有效应用于电弧增材制造领域。

发明内容

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种金属增材制造质量在线检测系统，其中通过充分结合电弧增材制造自身的工艺特点，开创性地提出基于焊接电弧等离子体的元素烧损等主要特征来构建“光谱特征-工艺参数-成形质量”一体化的在线检测系统，同时对该系统的整体构造组成及关键组件如采集光路调节对准模块、光谱采集与焊接电流同步触发模块和光谱采集头模块的具体结构和设置方式作出针对性设计，相应不仅可以更高精度地实现金属增材制造过程中的成分在线检测，而且还能够以结构紧凑、便于操控地方式达到电弧增材制造控形和控性的高效同步在线检测，因而尤其适用于航空结构件之类的大尺寸复杂工件的电弧增材制造应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种金属增材制造质量在线检测系统，其特征在于，该系统包括电弧增材制造模块、光谱采集头模块、采集光路调节对准模块、光谱采集与焊接同步触发模块以及中央处理器，其中：