CN106795583A - 润湿超声波发生器的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括以下步骤：a)提供液态金属(1)的第一熔池，所述液态金属(1)包含含量为X的铝和含量为Y的镁，所述镁含量Y不同于零；b)将由对液态铝呈惰性的材料形成的超声波发生器(3)至少部分地浸入液态金属(1)的第一熔池中；以及c)对所述超声波发生器(3)施加功率超声波，以激发所述液态金属(1)，直到获得所述液态金属(1)对所述超声波发生器(3)的润湿(5)；d)冷却第一熔池的第一液态金属(1)，直到所述第一液态金属(1)在超声波发生器(3)的周围凝固，从而在所述超声波发生器(3)和凝固的第一液态金属(1)之间产生紧密结合(6)，所述结合具有的结合强度基本上等于两种金属之间钎焊的结合强度；以及e)将凝固的第一金属(1)加工成法兰(7)的形状，使所述法兰(7)构造成用于连接机械放大器和/或换能器(4)。

Description

润湿超声波发生器的方法

本发明涉及在液态铝和/或液态镁中使用超声波发生器(sonotrode)、特别是由陶瓷制成的超声波发生器的方法。第二个方面，本发明涉及包括所述超声波发生器的声透射装置。

在金属、更具体而言液态铝的铸造领域中，检测液态金属的质量是极其重要的，例如通过测定夹杂物清洁度来检测。实际上，其决定由液态铝制备的用于制造物品、特别是封闭容器如饮料罐或气溶胶罐的板材的质量和废品率。如果合适，在进行铸造之前，必须应用适合的处理如脱气、过滤来减少夹杂物的数量等，以提高金属的质量。

自20世纪60年代以来，已开发了测量和处理具有低熔点的液态金属(Ga、Sn、Pb、Zn等)的超声波法。这些方法使用与液态金属耦合的金属波导，借助于分别由待分析的金属对波导的润湿来发射和接收波。

在液态铝及其处理中的在线非破坏性检测的问题在于其非常活泼的性质。实际上，液态铝对用作超声波导的金属(钢、钛等)的润湿导致这些金属溶解，使得在液态铝中进行的测量在长期内是不可靠的。

另外，即使在这种情况下，润湿也不是完美的，且已经开发了用于改善润湿的方法。这一点的证据具体地见于由“Reynolds Metal Company”所拥有的专利EP0035545B1(具有1979年的优先权)，该专利要求保护铝膜在钛超声波发生器上的气相沉积。然而，事实上，即使在这种设计中，由于波导材料与液态铝的反应，润湿质量在使用过程中也会变化。

此外，使用难熔陶瓷波导不是最佳的，这是因为铝对陶瓷的润湿不足，从而阻止了超声波发生器与液态金属之间令人满意的耦合。陶瓷和铝之间的润湿界面可以通过金属在波导上的预先化学沉积而产生，但是这种沉积方法成本高，并且所述沉积使用时间短。

本发明的目的之一是在波导和液态铝之间形成稳定的界面，从而防止波导构成材料的任何溶解并且不需要进行界面沉积。为此，本发明涉及一种使用超声波发生器的方法，其包括以下步骤：

a)提供液态金属的第一熔池，所述液态金属包含含量为X的铝和含量为Y的镁，镁含量Y不同于零，

b)将由对液态铝呈惰性的材料形成的超声波发生器至少部分地浸入所述液态金属的第一熔池中，以及

c)向所述超声波发生器施加功率超声波，以激发所述液态金属，直到获得所述液态金属对所述超声波发生器的润湿。

d)冷却第一熔池的第一金属，直到第一液态金属在所述超声波发生器周围凝固，从而在所述超声波发生器和凝固的第一液态金属之间产生紧密结合，其结合强度基本上等于在两种金属之间钎焊的结合强度。

e)将凝固的第一金属加工成法兰的形式，使所述法兰构造成用于连接机械放大器和/或换能器。

因此，通过该方法，一旦超声波发生器已经从第一液态金属熔池中暴露，就显示存在稳定的铝和/或镁层，也即其不会如同通常仅浸入液态铝中的陶瓷的情况一样剥离，证明存在超声波发生器的润湿。

此外，经过了这种处理并随后用于液态铝的超声波发生器显示出其传输和接收在MHz范围内的低功率超声波——通常称为测量超声波——的能力，这也证明已经获得润湿。

优选地，步骤a)由以下构成：提供液态金属的第一熔池，所述液态金属包含含量Y大于或等于0.05重量％的镁，优选含量Y大于0.5重量％，且更优选含量Y大于或等于0.7重量％。

实际上，将少量的镁与液态铝结合使得可以获得令人满意的铝对超声波发生器的润湿。当液态金属的镁含量高时，更加快速地获得润湿。具体地，对于镁含量小于1％，激发时间保持几分钟，而对于约5％的Mg的存在，激发时间小于1分钟。

根据一种选择，步骤a)由以下构成：提供液态金属的第一熔池，其中液态铝含量X为零。那么，在该变体方案中，超声波发生器由镁润湿。因此，该方法提供了由镁润湿超声波发生器的方法替代方案，其通常使用由钛或钢材料制成的超声波发生器实现。这扩展了可以设想用镁润湿的超声波发生器材料和应用领域。

有利地，在步骤b)中所浸入的超声波发生器由氮化硅陶瓷或氮氧化硅陶瓷、特别是SiAlON形成。在本文中应理解，术语SiAlON来自“硅-铝-氧-氮化物”的首字母缩写，其定义了一类基于硅、铝、氮和氧的难熔陶瓷家族，也被定义为硅和铝的氮氧化物。用SiAlON——一种已知相对于液态铝呈惰性并且广泛用于铝工业中的材料——获得润湿是更令人惊讶的，因为即使在延长接触时间之后，铝也不粘附到用作浸没式加热器包层的SiAlON管上。证据是在SiAlON包层取出后保留的铝层容易剥离。

根据一种配置，施加功率超声波的步骤c)由以下构成：施加低频超声波。优选地，所使用的频率在10和40kHz之间。所施加的超声波的功率例如在50和150W之间。这些频率通常适用于激发超声波发生器和液态铝。显然可以使用其他功率，条件是它们可以在与工业约束相适应的时间内(通常在几分钟内)在液态金属中产生空化作用(cavitation)。

例如，对于2.5重量％的镁含量Y，使用频率为约20KHz且功率为150W的超声波，为获得超声波发生器的润湿所需的激发时间小于10分钟。

根据一种选择，步骤a)包括提供包含铝的第一液态金属熔池，所述铝的含量X不同于零，使得第一熔池包含第一液态铝合金。

在步骤c)之后，所述方法包括步骤d)，即冷却第一熔池的第一液态铝合金，直到第一铝合金在超声波发生器周围凝固，从而超声波发生器和凝固的第一铝合金之间产生紧密结合。

通过该方法，超声波发生器与凝固的铝合金紧密结合，获得与在两种金属之间钎焊类似的性质。通过扫描式电子显微(SEM)观察到，使用该方法在结合的超声波发生器与铝之间获得的界面的抛光截面的确显示出具有完美结合的密封而没有任何脱离并且两种材料之间具有冶金学的连续性，能够实现铝和超声波发生器之间的最佳机械耦合。

因此，超声波发生器和凝固的第一铝合金之间的紧密结合的结合强度至少基本上等于在两种金属之间钎焊的结合强度。

再次根据该选择，所述方法包括在步骤d)之后进行的步骤e)，即将凝固的第一铝合金加工成法兰形式，使所述法兰构造成用于连接机械放大器和/或换能器。显然，加工凝固的铝的该步骤e)在所述凝固的铝从熔炉中释放出之后进行。这种设计使得尽管功率超声波连续传输几个小时，仍然可以获得机械耦合而没有脱离。在旋拧到法兰的换能器和超声波发生器之间没有出现去耦的迹象。这种设计使得可以大大改善通常在超声波发生器和换能器之间借助于仅简单地夹在超声波发生器上的金属法兰所形成的组件的质量。实际上，现有技术的这种组件不适于在大于几分钟的时间内传输高功率。

根据一个变体方案，在步骤e)之后，所述方法包括以下步骤

f)将超声波发生器(3)的另一端浸入液态金属(1)的第一熔池并如步骤c)中一样在液态金属(1)的第一熔池中将所述超声波发生器(3)润湿，

g)提供第二液态铝合金的第二熔池，

h)将超声波发生器至少部分地浸入第二液态铝合金的第二熔池中，以及

i)对超声波发生器施加功率超声波，以再次产生润湿

j)对超声波发生器施加功率超声波或测量超声波

实际上，首先在第一铝合金中润湿的超声波发生器可在与第一熔池区别的另一铝熔池中重复使用。在这种情况下，优选对超声波发生器再次施加功率超声波以再次激活润湿。实际上，在非无水气氛中将润湿的超声波发生器从第一熔池中暴露出会在表面上形成氧化物，从而阻碍超声波传输。即使在其中没有镁的情况下，在第二熔池中施加功率超声波也能够再次产生润湿。在该变体方案中，能够将换能器连接到超声波发生器的法兰可以根据上述方法的步骤d)和e)形成。

在这种情况下，步骤g)中提供的第二液态铝合金包含含量Y’在0和0.7重量％之间的镁。

根据一种选择，步骤g)中提供的第二熔池的第二液态铝合金由液态AlSiMg合金形成，液态AlSiMg合金包含含量为0.5至7重量％的Si和含量Y’为0至0.7重量％的Mg。因此，可以使用通过本发明润湿的超声波发生器来持久和有效地传输用于处理任何类型的液态铝合金的功率超声波或用于合金的非破坏性检测的测量超声波。

根据另一个变体方案，第二熔池包含任何类型的液态铝合金，例如AlCuMg类型的液态铝合金。

当第一液态金属熔池的液态铝含量X为零时，超声波发生器的润湿通过镁进行，这仍然能够随后用于在第二铝合金熔池中载送超声波。

特别地，当第二铝合金熔池与第一液态金属熔池不同时，在所述方法的步骤i)中施加的超声波具有在10和40kHz之间、优选约20kHz的振动频率和例如在50和150W之间、优选约150W的功率，持续时间为几分钟，且优选约10分钟。

根据第二方面，本发明涉及一种声透射装置，其包括：至少一个由陶瓷制成的超声波发生器，所述陶瓷由氮化硅或氮氧化硅形成，例如SiAlON；以及由铝合金制成的法兰，所述法兰通过紧密结合连接到超声波发生器。该装置在换能器和超声波发生器之间提供持久的机械耦合，并且意味着可以设想液态铝质量测量。此外，该装置可以与通过液态铝润湿由SiAlON制成的超声波发生器的方法结合使用，以改善液态铝的非破坏性检测测量(如夹杂物的探测、多普勒超声速测量、液态铝中的水诊(hydrophony))的可靠性。

在阅读以下作为非限制性实施例并参考附图给出的实施方案的描述后，本发明的其它方面、目的和优点将更清楚地显现。为了提高可辨认性，附图不一定遵守所表示的元件的比例。在下文的描述中，为了简化的目的，各个实施方案的相同、相似或等效元件具有相同的附图标记。

-图1至图3是根据本发明的一个实施方案的使用超声波发生器的方法的示意图的图示。

-图4至图6是根据本发明的一个实施方案的形成紧密结合的示意图的图示。

-图7至图8是根据本发明的一个实施方案的所润湿的超声波发生器的另一用途的示意图的图示。

如图1中所示，在容器2如熔炉中制备液态金属1的第一熔池。根据所述方法的步骤a)，液态金属1具体包含非零含量X的液态铝(主要组分)和含量Y为约0.7重量％的镁。然后将由难熔且对液态铝呈惰性的SiAlON陶瓷制成的超声波发生器3部分地浸入液态金属1的第一熔池中(步骤b)，图2)。通过换能器4或换能器-放大器组件对超声波发生器3施加功率超声波，以激发所述超声波发生器(步骤c)。所施加的功率超声波是约20kHz的低频超声波，其中功率为150W。在进行该处理几分钟之后，形成超声波发生器3的润湿5，在超声波发生器3的表面上发现了不易剥离的铝层或铝膜(图3)。尤其是在10和40kHz之间的其他所谓“低频”振动频率可用于通过超声波发生器3激发液态金属1。类似地，可以设想其他功率值，只要它们在与工业方法相适应的时间内在液态金属中足以产生空化现象以迅速获得润湿。

根据未示出的一个变体实施方案，液态金属1中的镁含量Y为0.05或0.5重量％。因此，用于获得润湿的超声波处理时间与对于镁含量Y为0.7重量％所获得的超声波处理时间相比延长。

根据一个替代方案，借助于超声波功率增加，用于获得润湿的处理时间与在镁含量Y为0.7重量％的情况下获得润湿的处理时间相同。

此外，根据另一个变体方案，由对液态铝呈惰性的材料如氮化硅或氮氧化硅家族的难熔陶瓷构成的任何超声波发生器3均通过该方法由液态铝润湿。

根据未示出的另一个变体方案，第一熔池1的铝含量X为零。在这种情况下，超声波发生器3的润湿用含量Y接近100重量％的镁获得。然后将以这种方式润湿的该超声波发生器3浸入第二液态铝合金的第二熔池中，以随后适于长期载送超声波而无功率损耗。

根据图4至图6中所示的一种选择，使包含第一液态铝合金1的第一熔池——超声波发生器3在其中通过施加功率超声波而润湿(图4-步骤c)——恢复到环境温度(图5-步骤d)。一旦冷却，第一铝合金1就在超声波发生器3的周围凝固，从而在超声波发生器3和凝固的合金1之间产生紧密结合6(参见图5)。紧密结合6对应于在没有任何脱离的情况下具有完美结合的密封以及在陶瓷和第一铝合金之间的冶金学连续性。然后，将与第一铝合金1紧密结合的超声波发生器3从熔炉2中释放出，并且通过车削和钻孔来机加工凝固的合金1，以形成与陶瓷紧密结合的圆柱形法兰7(图6，步骤e)。在铝和SiAlON之间形成的紧密结合6的性质与在两种金属之间钎焊类似。由此获得声透射装置8，其在铝和超声波发生器3之间实现最佳机械耦合。

显然，该方法可以使用不同组成的铝和镁的合金——含或不含硅——且特别是使用包含铜的合金来实施。根据图7和图8中所示的一种选择，将由液态铝润湿的超声波发生器3从第一熔池1中移出(步骤f，图7)，以部分地浸入液态铝合金1’的第二熔池中(步骤g、h，图8)。以20kHz的振动频率和约150W的功率对超声波发生器3施加超声波，以在即使没有镁的情况下在第二液态铝合金1’中再次产生润湿5(步骤i)。实际上，第二液态铝合金1’由AlSiMg形成，AlSiMg具有含量在0.5和7重量％之间的Si和含量Y为0重量％至0.7重量％的Mg。然后可以将由此获得的超声波发生器3再用于在第二液态铝合金1’中有效地传输功率超声波或测量超声波(例如，频率为100kHz)。

根据未示出的一种选择，在所述方法的步骤f)(图6)之后，将与超声波发生器3紧密结合6的法兰7随后用于连接换能器4。然后将以这种方式连接到换能器4的超声波发生器3如上所述在铝合金的熔池中润湿。由换能器4发射的超声波于是经由法兰7传输到润湿的超声波发生器3，其又将超声波传输到铝合金的熔池，以进行用于实现优质铸造的液态铝的检测或处理。

因此，本发明涉及一种通过使用铝或镁获得的润湿来使用超声波发生器3的方法，其廉价且易于实施。本发明还涉及在超声波发生器的材料和凝固的铝合金1’之间形成紧密结合6，其实现起来非常简单并且适于制备完美密封到超声波发生器3的法兰7，并且适于特别是长期用于传输测量超声波或功率超声波。

显然，本发明不限于以上通过实施例描述的实施方案，而是包括所述手段的任何技术等同物和变体以及其组合。

Claims (10)

1.使用超声波发生器(3)的方法，其包括以下步骤：

a)提供液态金属(1)的第一熔池，包含含量为X的铝和含量为Y的镁，所述镁含量Y不同于零，

b)将由对液态铝呈惰性的材料形成的超声波发生器(3)至少部分地浸入所述液态金属(1)的第一熔池中，

c)向所述超声波发生器(3)施加功率超声波，以激发所述液态金属(1)，直到获得所述液态金属(1)对所述超声波发生器(3)的润湿(5)，

d)冷却所述第一熔池的第一液态金属(1)，直到所述第一液态金属(1)在超声波发生器(3)的周围凝固，从而在所述超声波发生器(3)和凝固的第一液态金属(1)之间产生紧密结合(6)，其结合强度基本上等于在两种金属之间钎焊的结合强度，

e)将所述凝固的第一金属(1)加工成法兰(7)的形式，使所述法兰(7)构造成用于连接机械放大器和/或换能器(4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a)由以下构成：提供包含含量为Y的镁的液态金属(1)的第一熔池，含量Y大于或等于0.05重量％，优选含量Y大于0.5重量％，且更优选含量Y大于或等于0.7重量％。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中在步骤b)中所浸入的超声波发生器(3)由氮化硅陶瓷或氮氧化硅陶瓷、特别是SiAlON形成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中施加功率超声波的步骤c)由以下构成：施加低频超声波、优选频率在10和40kHz之间的超声波。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤a)由以下构成：提供其中液态铝含量X为零的液态金属(1)的第一熔池。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中步骤a)包括提供包含铝的液态金属(1)的第一熔池，铝的含量X不同于零，使得所述第一熔池包含第一液态铝合金(1)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其在步骤e)之后包括以下步骤

f)将所述超声波发生器(3)的另一端浸入并如步骤c)中一样在液态金属(1)的第一熔池中将所述超声波发生器(3)润湿，

g)提供第二液态铝合金(1’)的第二熔池，

h)将所述超声波发生器(3)至少部分地浸入所述第二液态铝合金(1’)的第二熔池中，

i)对所述超声波发生器(3)施加功率超声波，以再次产生润湿，

j)对所述超声波发生器(3)施加功率超声波或测量超声波。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤g)中提供的第二液态铝合金(1’)包含含量Y’在0和0.7重量％之间的镁。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在步骤g)中提供的第二熔池的第二液态铝合金(1’)由液态AlSiMg合金(1’)形成，所述液态AlSiMg合金(1’)包含含量为0.5至7重量％的Si和含量Y’为0至0.7重量％的Mg。

10.声透射装置(8)，其包括：至少一个由陶瓷制成的超声波发生器，所述陶瓷由氮化硅或氮氧化硅形成，例如SiAlON；以及由第一铝合金(1)制成的法兰，所述法兰通过根据权利要求1所述的方法获得的紧密结合(6)连接到超声波发生器(3)上。