測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其專用裝置的製作方法
2023-05-08 03:24:46
專利名稱：測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其專用裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其專用裝置。屬於金屬材料加工處理技術領域。
背景技術：
隨著對超聲波特性研究的深入，其應用範圍不斷擴大。尤其是近年來，利用大功率超聲波對金屬的凝固過程進行處理的研究更是取得了顯著的成果。然而，由於超聲波在金屬熔體中存在嚴重衰減現象，使得在靠近超聲波工具頭端和遠離工具頭端的處理效果相差很大(見圖1)，從而使得這項技術在大鑄件的應用上受到限制。為了使大鑄件的性能達到設計要求，就必須要定量確定超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。但通常情況下，傳統的回波技術測量超聲波衰減所測試的材料溫度為室溫，而且材料成分確定。但由於金屬熔體的溫度高，熔體降溫過程材料成分變化，而且某些熔體還會對探頭有較強的腐蝕作用，因此不能使用傳統的方法直接測量超聲波在金屬熔體中的衰減強度，無法確定超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。
發明內容
本發明的目的是提供一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法，本發明的另一目的是提供一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離方法的專用裝置。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其裝置，該方法的特徵在於具有以下工藝步驟a.將適量的待測金屬放入坩堝4中，坩堝上底面為表面粗糙度小於0.8μm的耐腐蝕金屬面，蓋好保溫蓋7，將金屬加熱到溫度超過液相線，停止加熱。調節升降手柄6，將導杆3緩慢的移入液態金屬熔體中，旋動調平螺母10使坩堝上底面與導杆垂直；b.通過升降手柄6和刻度尺9調節導杆底端與坩堝上底面的距離為選定值，開啟水冷裝置2，打開超聲波發射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度採集系統8記錄溫度，用超聲波發射接收裝置11測量超聲波的衰減值，直到溫度降至金屬固相線溫度為止；c.選擇幾個導杆底端與坩堝上底面距離的選定值，將金屬重新加熱到溫度超過液相線，重複步驟b得到選定距離的金屬熔體溫度和超聲波衰減的對應值；d.採用MATLAB軟體對上述數據進行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數，根據函數可以計算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。
一種用於測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的專用裝置，它包括有超聲波探頭1、水冷裝置2、導杆3、坩堝4、升降手柄6、保溫蓋7、溫度採集系統8、刻度尺9、調平螺母10和超聲波發射接收裝置11，其特徵在於該裝置含有升降手柄6、刻度尺9和調平螺母10組成的超聲波傳播距離的調節系統以及溫度採集系統8。水冷裝置2牢固固定在導杆3的上表面。
本發明方法原理是通過導杆間接地將超聲波從超聲波探頭間接導入金屬熔體中(見圖2)，超聲波進入金屬熔體後在金屬坩堝底面發生反射，反射的回波沿著又同樣的路徑返回到探頭。由於超聲波在導杆中的衰減量和其在導杆和熔體各界面處的反射係數、透射係數等物性參數均為已知，就可以根據反射波強度和回波強度的差值大小得到超聲波在金屬熔體中的衰減量。改變測量系統中不同傳播距離可以得到不同傳播距離下的超聲波衰減值。同時，隨著熔體在坩堝中冷卻過程將出現兩相，即固相和液相。而且固相成分逐漸增多，相應的液相含量減少。沿著熔體溫度降低的冷卻過程可以得到不同超聲波傳播距離下連續熔體溫度變化時超聲波衰減值。採用軟體MATLAB對溫度、傳播距離和超聲波衰減值的數據進行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數。根據函數可以計算出任意傳播距離下的超聲波衰減值。當衰減值在發射波強度的60％內得到的超聲波傳播距離認定為超聲波在熔體中的有效傳播距離。
本發明方法的特點是利用探頭超聲波發射接收裝置11，通過導杆3間接導入超聲波到金屬熔體5中，測量發射波和回波的強度。由於該測量方法是通過導杆間接地導入超聲波到金屬熔體中，可有效避免超聲波探頭1與金屬熔體5直接接觸，避免了探頭被惡劣測量環境損壞，而且導杆3上安裝有水冷裝置2，可以使超聲波探頭1在測試過程中始終保持室溫，可進一步提高探頭的使用壽命，降低成本。本方法適用於測量超聲波在低、中、高溫及腐蝕性金屬熔體中的有效傳播距離，而且材料的固相成分可以變化。
本發明方法是測量超聲波在金屬熔體中傳播的衰減值，從而使利用超聲波處理金屬凝固過程的研究繼續向前發展，以擴大這種「綠色」物理處理技術的應用範圍。超聲波處理熔體能細化晶粒，提高金屬的最終性能。但由於超聲波在金屬熔體中傳播時能力的嚴重衰減，導致聲源前端和末端的處理結果差別很大(見圖1)。所以，在得到超聲波在熔體中傳播的有效傳播距離後就能控制處理熔體的長度，從而提高能源的使用效率。
圖1200W超聲處理不同部位SnSb組織。
圖2測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離裝置的示意中各數字代號表如下1.超聲波探頭 2.水冷裝置 3.導杆 4.坩堝 5.金屬熔體 6.升降手柄 7.保溫蓋 8.溫度採集系統 9.刻度尺 10.調平螺母 11.超聲波發射接收裝置。
圖3超聲波衰減與傳播距離和熔體溫度的關係。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明作進一步說明。
實施例一將適量的Sn-10％Sb的二元合金放入坩堝4中，坩堝上底面為表面粗糙度小於0.8μm的耐腐蝕金屬面，蓋好保溫蓋7，將金屬加熱到溫度超過該合金的液相線257℃，停止加熱。調節升降手柄6，將導杆3緩慢的移入液態金屬熔體中，旋動調平螺母10使坩堝上底面與導杆垂直。通過升降手柄6和刻度尺9調節導杆底端與坩堝上底面的距離為20mm。開啟水冷裝置2，打開超聲波發射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度採集系統8記錄溫度。同時用超聲波發射接收裝置11測量超聲波的衰減值，直到溫度降至金屬固相線溫度238.7℃為止。選擇導杆底端與坩堝上底面距離值分別為25mm，30mm，35mm，40mm，45mm和50mm，將金屬重新加熱到溫度超過液相線，重複上述超聲波衰減測量步驟得到選定距離下金屬熔體溫度和超聲波衰減的對應值。採用MATLAB軟體對上述數據進行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數，根據函數可以計算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。當衰減值在發射波強度的60％內能傳播到的距離認定為超聲波在熔體中的有效傳播距離。圖3為超聲波在SnSb熔體中的衰減值和凝固溫度及傳播距離的三維關係圖。根據結果得到在本實施例下，某些SnSb熔體溫度下超聲波的有效傳播距離如表1所示。根據數學分布關係得到，超聲波在熔體中傳播時，衰減值與傳播位移呈負指數關係，而與熔體的溫度呈冪函數關係。所以，超聲波在熔體中的衰減受熔體溫度和傳播位移的影響非常大。隨著熔體溫度的降低，熔體粘度加大，凝固合金的固相率逐漸增加，造成超聲波的吸收衰減和散射衰減增加非常快。當合金的枝晶相互結合形成枝晶骨架時，超聲波在熔體後端反射回的信號非常微弱，而反饋的衰減值也很大。
表1部分SnSb熔體溫度下超聲波的有效傳播距離
權利要求
1.一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其專用裝置，該方法的特徵在於具有以下工藝步驟a.將適量的待測金屬放入坩堝4中，坩堝上底面為表面粗糙度小於0.8μm的耐腐蝕金屬面，蓋好保溫蓋7，將金屬加熱到溫度超過液相線，停止加熱。調節升降手柄6，將導杆3緩慢的移入液態金屬熔體中，旋動調平螺母1O使坩堝上底面與導杆垂直；b.通過升降手柄6和刻度尺9調節導杆底端與坩堝上底面的距離為選定值，開啟水冷裝置2，打開超聲波發射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度採集系統8記錄溫度，用超聲波發射接收裝置11測量超聲波的衰減值，直到溫度降至金屬固相線溫度為止；c.選擇幾個導杆底端與坩堝上底面距離的選定值，將金屬重新加熱到溫度超過液相線，重複步驟b得到選定距離的金屬熔體溫度和超聲波衰減的對應值；d.採用MATLAB軟體對上述數據進行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數，根據函數可以計算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。
2.一種用於權利要求1所述的測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離方法的專用裝置，它包括有超聲波探頭1、水冷裝置2、導杆3、坩堝4、升降手柄6、保溫蓋7、溫度採集系統8、刻度尺9、調平螺母10和超聲波發射接收裝置11，其特徵在於該裝置含有升降手柄6、刻度尺9和調平螺母10組成的超聲波傳播距離的調節系統以及溫度採集系統8。水冷裝置2牢固固定在導杆3的上表面。
全文摘要
本發明涉及一種測量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其專用裝置。該方法是利用探頭超聲發射接收裝置，由導杆間接把超聲波導入金屬熔體，測量不同傳播距離下的超聲波的衰減值，採用MATLAB軟體對數據擬合後計算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。本發明方法可以測量低、中、高溫及腐蝕性金屬熔體中超聲波的衰減，且成本低和探頭的使用壽命高。本發明裝置主要特點是含有超聲波傳播距離的調節系統以及溫度採集系統。
文檔編號G01N29/11GK1869680SQ200610028150
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月27日 優先權日2006年6月27日
發明者翟啟傑, 劉清梅, 張勇, 龔永勇, 戚飛鵬 申請人:上海大學