测量超声波在金属熔体中有效传播距离的方法及其专用装置

摘要

本发明涉及一种测量超声波在金属熔体中有效传播距离的方法及其专用装置。该方法是利用探头超声发射接收装置，由导杆间接把超声波导入金属熔体，测量不同传播距离下的超声波的衰减值，采用MATLAB软件对数据拟合后计算出超声波在金属熔体中的有效传播距离。本发明方法可以测量低、中、高温及腐蚀性金属熔体中超声波的衰减，且成本低和探头的使用寿命高。本发明装置主要特点是含有超声波传播距离的调节系统以及温度采集系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量超声波在金属熔体中有效传播距离的方法及其专用装置。属于金属材料加工处理技术领域。

背景技术

随着对超声波特性研究的深入，其应用范围不断扩大。尤其是近年来，利用大功率超声波对金属的凝固过程进行处理的研究更是取得了显著的成果。然而，由于超声波在金属熔体中存在严重衰减现象，使得在靠近超声波工具头端和远离工具头端的处理效果相差很大(见图1)，从而使得这项技术在大铸件的应用上受到限制。为了使大铸件的性能达到设计要求，就必须要定量确定超声波在金属熔体中的有效传播距离。但通常情况下，传统的回波技术测量超声波衰减所测试的材料温度为室温，而且材料成分确定。但由于金属熔体的温度高，熔体降温过程材料成分变化，而且某些熔体还会对探头有较强的腐蚀作用，因此不能使用传统的方法直接测量超声波在金属熔体中的衰减强度，无法确定超声波在金属熔体中的有效传播距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量超声波在金属熔体中有效传播距离的方法，本发明的另一目的是提供一种测量超声波在金属熔体中有效传播距离方法的专用装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种测量超声波在金属熔体中有效传播距离的方法及其装置，该方法的特征在于具有以下工艺步骤：

a.将适量的待测金属放入坩埚4中，坩埚上底面为表面粗糙度小于0.8μm的耐腐蚀金属面，盖好保温盖7，将金属加热到温度超过液相线，停止加热。调节升降手柄6，将导杆3缓慢的移入液态金属熔体中，旋动调平螺母10使坩埚上底面与导杆垂直；

b.通过升降手柄6和刻度尺9调节导杆底端与坩埚上底面的距离为选定值，开启水冷装置2，打开超声波发射接收装置11，通过超声波探头1将超声波间接导入液体金属中。随着金属熔体在坩埚4中冷却，通过温度采集系统8记录温度，用超声波发射接收装置11测量超声波的衰减值，直到温度降至金属固相线温度为止；

c.选择几个导杆底端与坩埚上底面距离的选定值，将金属重新加热到温度超过液相线，重复步骤b得到选定距离的金属熔体温度和超声波衰减的对应值；

d.采用MATLAB软件对上述数据进行拟合，得到超声波衰减值与温度和传播距离的函数，根据函数可以计算出超声波在金属熔体中的有效传播距离。

一种用于测量超声波在金属熔体中有效传播距离的专用装置，它包括有超声波探头1、水冷装置2、导杆3、坩埚4、升降手柄6、保温盖7、温度采集系统8、刻度尺9、调平螺母10和超声波发射接收装置11，其特征在于该装置含有升降手柄6、刻度尺9和调平螺母10组成的超声波传播距离的调节系统以及温度采集系统8。水冷装置2牢固固定在导杆3的上表面。

本发明方法原理是：通过导杆间接地将超声波从超声波探头间接导入金属熔体中(见图2)，超声波进入金属熔体后在金属坩埚底面发生反射，反射的回波沿着又同样的路径返回到探头。由于超声波在导杆中的衰减量和其在导杆和熔体各界面处的反射系数、透射系数等物性参数均为已知，就可以根据反射波强度和回波强度的差值大小得到超声波在金属熔体中的衰减量。改变测量系统中不同传播距离可以得到不同传播距离下的超声波衰减值。同时，随着熔体在坩埚中冷却过程将出现两相，即固相和液相。而且固相成分逐渐增多，相应的液相含量减少。沿着熔体温度降低的冷却过程可以得到不同超声波传播距离下连续熔体温度变化时超声波衰减值。采用软件MATLAB对温度、传播距离和超声波衰减值的数据进行拟合，得到超声波衰减值与温度和传播距离的函数。根据函数可以计算出任意传播距离下的超声波衰减值。当衰减值在发射波强度的60％内得到的超声波传播距离认定为超声波在熔体中的有效传播距离。

本发明方法的特点是：利用探头超声波发射接收装置11，通过导杆3间接导入超声波到金属熔体5中，测量发射波和回波的强度。由于该测量方法是通过导杆间接地导入超声波到金属熔体中，可有效避免超声波探头1与金属熔体5直接接触，避免了探头被恶劣测量环境损坏，而且导杆3上安装有水冷装置2，可以使超声波探头1在测试过程中始终保持室温，可进一步提高探头的使用寿命，降低成本。本方法适用于测量超声波在低、中、高温及腐蚀性金属熔体中的有效传播距离，而且材料的固相成分可以变化。

本发明方法是测量超声波在金属熔体中传播的衰减值，从而使利用超声波处理金属凝固过程的研究继续向前发展，以扩大这种“绿色”物理处理技术的应用范围。超声波处理熔体能细化晶粒，提高金属的最终性能。但由于超声波在金属熔体中传播时能力的严重衰减，导致声源前端和末端的处理结果差别很大(见图1)。所以，在得到超声波在熔体中传播的有效传播距离后就能控制处理熔体的长度，从而提高能源的使用效率。

附图说明

图1200W超声处理不同部位SnSb组织。

图2测量超声波在金属熔体中有效传播距离装置的示意图

图中各数字代号表如下：

1.超声波探头  2.水冷装置  3.导杆  4.坩埚  5.金属熔体  6.升降手柄  7.保温盖  8.温度采集系统  9.刻度尺  10.调平螺母  11.超声波发射接收装置。

图3超声波衰减与传播距离和熔体温度的关系。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

将适量的Sn-10％Sb的二元合金放入坩埚4中，坩埚上底面为表面粗糙度小于0.8μm的耐腐蚀金属面，盖好保温盖7，将金属加热到温度超过该合金的液相线257℃，停止加热。调节升降手柄6，将导杆3缓慢的移入液态金属熔体中，旋动调平螺母10使坩埚上底面与导杆垂直。通过升降手柄6和刻度尺9调节导杆底端与坩埚上底面的距离为20mm。开启水冷装置2，打开超声波发射接收装置11，通过超声波探头1将超声波间接导入液体金属中。随着金属熔体在坩埚4中冷却，通过温度采集系统8记录温度。同时用超声波发射接收装置11测量超声波的衰减值，直到温度降至金属固相线温度238.7℃为止。选择导杆底端与坩埚上底面距离值分别为25mm，30mm，35mm，40mm，45mm和50mm，将金属重新加热到温度超过液相线，重复上述超声波衰减测量步骤得到选定距离下金属熔体温度和超声波衰减的对应值。采用MATLAB软件对上述数据进行拟合，得到超声波衰减值与温度和传播距离的函数，根据函数可以计算出超声波在金属熔体中的有效传播距离。当衰减值在发射波强度的60％内能传播到的距离认定为超声波在熔体中的有效传播距离。图3为超声波在SnSb熔体中的衰减值和凝固温度及传播距离的三维关系图。根据结果得到在本实施例下，某些SnSb熔体温度下超声波的有效传播距离如表1所示。根据数学分布关系得到，超声波在熔体中传播时，衰减值与传播位移呈负指数关系，而与熔体的温度呈幂函数关系。所以，超声波在熔体中的衰减受熔体温度和传播位移的影响非常大。随着熔体温度的降低，熔体粘度加大，凝固合金的固相率逐渐增加，造成超声波的吸收衰减和散射衰减增加非常快。当合金的枝晶相互结合形成枝晶骨架时，超声波在熔体后端反射回的信号非常微弱，而反馈的衰减值也很大。

        表1部分SnSb熔体温度下超声波的有效传播距离

  熔体温度(℃)  240  245  250  257  有效传播距离(mm)  75.3  75.6  78.8  79.9