專利名稱：測(cè)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制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)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。屬于金屬材料加工處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)超聲波特性研究的深入，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。尤其是近年來，利用大功率超聲波對(duì)金屬的凝固過程進(jìn)行處理的研究更是取得了顯著的成果。然而，由于超聲波在金屬熔體中存在嚴(yán)重衰減現(xiàn)象，使得在靠近超聲波工具頭端和遠(yuǎn)離工具頭端的處理效果相差很大(見圖1)，從而使得這項(xiàng)技術(shù)在大鑄件的應(yīng)用上受到限制。為了使大鑄件的性能達(dá)到設(shè)計(jì)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(tǒng)的回波技術(shù)測(cè)量超聲波衰減所測(cè)試的材料溫度為室溫，而且材料成分確定。但由于金屬熔體的溫度高，熔體降溫過程材料成分變化，而且某些熔體還會(huì)對(duì)探頭有較強(qiáng)的腐蝕作用，因此不能使用傳統(tǒng)的方法直接測(cè)量超聲波在金屬熔體中的衰減強(qiáng)度，無法確定超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法，本發(fā)明的另一目的是提供一種測(cè)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種測(cè)量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離的方法及其裝置，該方法的特征在于具有以下工藝步驟a.將適量的待測(cè)金屬放入坩堝4中，坩堝上底面為表面粗糙度小于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(diào)節(jié)升降手柄6，將導(dǎo)桿3緩慢的移入液態(tài)金屬熔體中，旋動(dòng)調(diào)平螺母10使坩堝上底面與導(dǎo)桿垂直；b.通過升降手柄6和刻度尺9調(diào)節(jié)導(dǎo)桿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(fā)射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導(dǎo)入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度采集系統(tǒng)8記錄溫度，用超聲波發(fā)射接收裝置11測(cè)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(gè)導(dǎo)桿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，重復(fù)步驟b得到選定距離的金屬熔體溫度和超聲波衰減的對(duì)應(yīng)值；d.采用MATLAB軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數(shù)，根據(jù)函數(shù)可以計(jì)算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。
一種用于測(cè)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(dǎo)桿3、坩堝4、升降手柄6、保溫蓋7、溫度采集系統(tǒng)8、刻度尺9、調(diào)平螺母10和超聲波發(fā)射接收裝置11，其特征在于該裝置含有升降手柄6、刻度尺9和調(diào)平螺母10組成的超聲波傳播距離的調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)8。水冷裝置2牢固固定在導(dǎo)桿3的上表面。
本發(fā)明方法原理是通過導(dǎo)桿間接地將超聲波從超聲波探頭間接導(dǎo)入金屬熔體中(見圖2)，超聲波進(jìn)入金屬熔體后在金屬坩堝底面發(fā)生反射，反射的回波沿著又同樣的路徑返回到探頭。由于超聲波在導(dǎo)桿中的衰減量和其在導(dǎo)桿和熔體各界面處的反射系數(shù)、透射系數(shù)等物性參數(shù)均為已知，就可以根據(jù)反射波強(qiáng)度和回波強(qiáng)度的差值大小得到超聲波在金屬熔體中的衰減量。改變測(cè)量系統(tǒng)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(shí)，隨著熔體在坩堝中冷卻過程將出現(xiàn)兩相，即固相和液相。而且固相成分逐漸增多，相應(yīng)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(xù)熔體溫度變化時(shí)超聲波衰減值。采用軟件MATLAB對(duì)溫度、傳播距離和超聲波衰減值的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數(shù)。根據(jù)函數(shù)可以計(jì)算出任意傳播距離下的超聲波衰減值。當(dāng)衰減值在發(fā)射波強(qiáng)度的60％內(nèi)得到的超聲波傳播距離認(rèn)定為超聲波在熔體中的有效傳播距離。
本發(fā)明方法的特點(diǎn)是利用探頭超聲波發(fā)射接收裝置11，通過導(dǎo)桿3間接導(dǎo)入超聲波到金屬熔體5中，測(cè)量發(fā)射波和回波的強(qiáng)度。由于該測(cè)量方法是通過導(dǎo)桿間接地導(dǎo)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(cè)量環(huán)境損壞，而且導(dǎo)桿3上安裝有水冷裝置2，可以使超聲波探頭1在測(cè)試過程中始終保持室溫，可進(jìn)一步提高探頭的使用壽命，降低成本。本方法適用于測(cè)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(fā)明方法是測(cè)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(xù)向前發(fā)展，以擴(kuò)大這種“綠色”物理處理技術(shù)的應(yīng)用范圍。超聲波處理熔體能細(xì)化晶粒，提高金屬的最終性能。但由于超聲波在金屬熔體中傳播時(shí)能力的嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致聲源前端和末端的處理結(jié)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后就能控制處理熔體的長(zhǎng)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(cè)量超聲波在金屬熔體中有效傳播距離裝置的示意中各數(shù)字代號(hào)表如下1.超聲波探頭 2.水冷裝置 3.導(dǎo)桿 4.坩堝 5.金屬熔體 6.升降手柄 7.保溫蓋 8.溫度采集系統(tǒng) 9.刻度尺 10.調(diào)平螺母 11.超聲波發(fā)射接收裝置。
圖3超聲波衰減與傳播距離和熔體溫度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)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于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(diào)節(jié)升降手柄6，將導(dǎo)桿3緩慢的移入液態(tài)金屬熔體中，旋動(dòng)調(diào)平螺母10使坩堝上底面與導(dǎo)桿垂直。通過升降手柄6和刻度尺9調(diào)節(jié)導(dǎo)桿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(fā)射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導(dǎo)入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度采集系統(tǒng)8記錄溫度。同時(shí)用超聲波發(fā)射接收裝置11測(cè)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(dǎo)桿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，重復(fù)上述超聲波衰減測(cè)量步驟得到選定距離下金屬熔體溫度和超聲波衰減的對(duì)應(yīng)值。采用MATLAB軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數(shù)，根據(jù)函數(shù)可以計(jì)算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。當(dāng)衰減值在發(fā)射波強(qiáng)度的60％內(nèi)能傳播到的距離認(rèn)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(guān)系圖。根據(jù)結(jié)果得到在本實(shí)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(jù)數(shù)學(xué)分布關(guān)系得到，超聲波在熔體中傳播時(shí)，衰減值與傳播位移呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，而與熔體的溫度呈冪函數(shù)關(guān)系。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?？?。當(dāng)合金的枝晶相互結(jié)合形成枝晶骨架時(shí)，超聲波在熔體后端反射回的信號(hào)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(quán)利要求
1.一種測(cè)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，該方法的特征在于具有以下工藝步驟a.將適量的待測(cè)金屬放入坩堝4中，坩堝上底面為表面粗糙度小于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(diào)節(jié)升降手柄6，將導(dǎo)桿3緩慢的移入液態(tài)金屬熔體中，旋動(dòng)調(diào)平螺母1O使坩堝上底面與導(dǎo)桿垂直；b.通過升降手柄6和刻度尺9調(diào)節(jié)導(dǎo)桿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(fā)射接收裝置11，通過超聲波探頭1將超聲波間接導(dǎo)入液體金屬中。隨著金屬熔體在坩堝4中冷卻，通過溫度采集系統(tǒng)8記錄溫度，用超聲波發(fā)射接收裝置11測(cè)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(gè)導(dǎo)桿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，重復(fù)步驟b得到選定距離的金屬熔體溫度和超聲波衰減的對(duì)應(yīng)值；d.采用MATLAB軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到超聲波衰減值與溫度和傳播距離的函數(shù)，根據(jù)函數(shù)可以計(jì)算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的測(cè)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(dǎo)桿3、坩堝4、升降手柄6、保溫蓋7、溫度采集系統(tǒng)8、刻度尺9、調(diào)平螺母10和超聲波發(fā)射接收裝置11，其特征在于該裝置含有升降手柄6、刻度尺9和調(diào)平螺母10組成的超聲波傳播距離的調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)8。水冷裝置2牢固固定在導(dǎo)桿3的上表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)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(fā)射接收裝置，由導(dǎo)桿間接把超聲波導(dǎo)入金屬熔體，測(cè)量不同傳播距離下的超聲波的衰減值，采用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)擬合后計(jì)算出超聲波在金屬熔體中的有效傳播距離。本發(fā)明方法可以測(cè)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(fā)明裝置主要特點(diǎn)是含有超聲波傳播距離的調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N29/11GK1869680SQ200610028150
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者翟啟杰, 劉清梅, 張勇, 龔永勇, 戚飛鵬 申請(qǐng)人:上海大學(xué)