NO164803B - Apparatur for innfoering av ultralydboelger i en metall-smelte, samt fremgangsmaate for ultralydundersoekelse av slik smelte. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører apparatur for innføring av ultralydbølger i en metall-smelte, samt fremgangsmåte for ultralydundersøkelse av slik smelte.

Fordi partikkelformede inneslutninger eller urenheter i smeltet metall ofte har en ødeleggende virkning på metall-kvaliteten, er det i de senere år lagt ned betydelige anstreng-e]ser for å utvikle apparater og fremgangsmåter for detektering av slike urenheter. Noen tidligere kjente anordninger for detektering av partikkelformede urenheter i smeltet metall er beskrevet i U.S. patent nr. 3.444.726, nr. 4.261.197 og nr. 4.287.755. Hver av disse tidligere kjente anordninger er imidlertid beheftet med én eller flere alvorlige begrensninger som ikke gjør dem helt egnet for det ønskede formål.

For eksempel de innretninger som anvender en sonde av titanmetall har en kort levetid når de brukes til å detektere urenheter i smeltet aluminium, fordi titan er løsbar i aluminium. I tillegg inneholder faste titansonder og sonder av andre faste metaller ofte korngrenser, gassporer, inneslutninger og andre urenheter som kan dempe ultralydbølger.

En annen ulempe ved tidligere kjente anordninger er behovet for å tilveiebringe et overflatebelegg på sonden som fuktes av smeltet metall. Slike overflatebelegg forårsaker en dempning av ultralydsignalene og interfererer dermed med partikkel-analysen.

En ytterligere begrensning ved tidligere kjente anordninger er behovet for å fokusere på en reflekterende overflate. Under produksjonsbetingelser er det vanskelig å fokusere en ultralydstråle og opprettholde en reflekterende overflate i en konstant avstand fra strålen.

Det er et hovedformål med foreliggende oppfinnelse å få bort hver av de ovenfor nevnte ulemper ved teknikkens stand.

En fordel ved den sonde som inngår i apparaturen som skal beskrives her, er at den er egnet for detektering av partikler i smeltet aluminium med en effektivt mindre partikkelstørrelse enn med'tidligere kjente anordninger.

En annen fordel er at det mer fullstendige apparat og den fremgangsmåte som skal beskrives her, er egnet for bruk enten med eller uten fokusering av en ultralydstråle. I tillegg er det ikke nødvendig å ha en reflekterende overflate.

En ytterligere fordel ved en foretrukket sonde ifølge oppfinnelsen, er at den innbefatter et amorft-kiselvindu som fuktes av smeltet aluminium.

Andre fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå for fagfolk på området fra den følgende beskrivelse og tegningene.

Oppfinnélsen defineres presist i de vedføyde patentkravene.

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebragt et apparat for føring av ultralydbølger mellom en transduser og et legeme

som omfatter et smeltet metall eller en smeltet legering. Apparatet innbefatter en sonde som omfatter en inert ildfast kappe, et vindu som bæres av kappen for føring av ultralydbølger mellom et koblingsmedium og legemet, og et koblingsmedium inne i kappen for å føre ultralydbølger mellom en transduser og vinduet.

Vinduet omfatter en indre overflatedel som er i kontakt med koblingsmediet og en ytre overflatedel som kan fuktes av det smeltede legeme. De akustiske dempningsfaktorer for ultralyd-bølger mellom transduseren og koblingsmediet, mellom koblingsmediet og den indre overflatedel, mellom den indre og den ytre overflatedel og mellom den ytre overflatedel og legemet er hver mindre enn omkring 3 dB. Disse dempningsfaktorene er hver fortrinnsvis mindre enn omkring 2 dB, helst mindre enn omkring 1 dB og optimalt så små som mulig. Vinduet omfatter fortrinnsvis amorft kisel.

I en foretrukket sonde til bruk for analyse av aluminium eller alummiumlegeringer, omfatter koblingsmediet flytende gallium. Koblingsmediet omfatter fortrinnsvis en mindre andel av en metallkomponent oppløst i galliumet som reduserer for-skjeller i akustisk impedans mellom koblingsmediet, transduseren og den indre overflatedel av vinduet. I en spesielt foretrukket sonde hvor koblingsmediet omfatter omkring 4,8 vekt% sølv oppløst i flytende gallium og vinduet er amorft kisel, er koblingsmediets akustiske impedans tilnærmet lik den akustiske impedansen til det indre overflateparti og tilnærmet lik den akustiske impedansen til transduseren.

Det flytende gallium er fortrinnsvis behandlet for å fjerne oksyder, faste inneslutninger og oppløste gasser. Slik behandling er ønskelig for å minske refleksjon av akustiske bølger i koblingsmediet. En sonde som inneholder flytende gallium har den fordel at den mangler korngrenser, gassporer, inneslutninger og andre urenheter som man finner i faste metall-sonder.

Et foretrukket apparat omfatter en piezoelektrisk transduser som er istand til å generere ultralydbølger med en frekvens på omkring 8-25 MHz. For å opprettholde effektiv drift av transduseren, er den adskilt fra vinduet, fortrinnsvis med en avstand på minst 10 cm. I tillegg omfatter det foretrukne apparat videre et kjølemiddel for å holde transduseren og det flytende gallium i nærheten av denne på en temperatur under omkring 149°C. En sonde med en inert ildfast kappe er istand til å motstå de etsende virkninger av smeltet aluminium og er tilstrekkelig bestandig overfor termiske spenninger til å kunne

-brukes i forbindelse med smeltet aluminium.

Figur 1 er en skjematisk skisse av et apparat for ultra-lydinspeksjon av smeltet aluminium, innbefattet sonden ifølge oppfinnelsen. Figur 2 er et skjematisk diagram over apparatet og frem-gangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Sonden 10 som er vist på figur 1, blir brukt for å detektere partikkelformede inneslutninger i et legeme 12 som omfatter et smeltet metall eller en smeltet legering. Selv om det spesielle apparat og den spesielle fremgangsmåte som beskrives her, er ment for detektering av partikkelformede inneslutninger i smeltet aluminium og aluminiumslegeringer, er oppfinnelsen ikke begrenset til bruk bare i forbindelse med aluminium eller for deteksjon av bare partikkelformede inneslutninger. Det foreliggende apparat og den foreliggende fremgangsmåte er sannsyn-ligvis også egnet for ultrasonisk testing av andre metaller og legeringer med smeltepunkter under omkring 1000°C, innbefattet men ikke begrenset til vismut, gallium, indium, bly, litium, magnesium, kvikksølv, kalium, natrium, tinn, sink og deres legeringer. Med passende modifikasjoner kan oppfinnelsen også anvendes til ultralydtesting av metaller med høyere smelte-punkt, slik som kobolt, kobber, gull, jern, mangan, nikkel, sølv og deres legeringer.

Det vises nå til figur 2 hvor sonden 10 omfatter en hul, rørformet ildfast kappe eller omhylling 14 som inneholder et koblingsmedium 16 av flytende metall. Kappen 14 er forsynt, med et oppad ragende stigerør 18 for å romme utvidelse og sammen-trekning av koblingsmedium 16 ved forskjellige temperaturer.

Kappen 14 må være kjemisk inert både overfor legemet 12

og koblingsmediet 16 ved høye temperaturer. En foretrukket kappe 14 er laget av et ildfast materiale av hovedsakelig alu-miniumoksyd. Dette materialet er inert for aluminiumslegeringer i legemet 12 og for flytende gallium i koblingsmediet 16 ved høye temperaturer oppcil minst 800°C. Kappen 14 kan også være laget av andre inerte ildfaste stoffer slik som kisel, silisium-karbid og mullit.

En piezoelektrisk transduser 20 i nærheten av en øvre ende av sonden 10 sender ultralydbølger gjennom koblingsmediet 16 til' et vindu 22 som ligger i avstand nedover fra transduseren 20. Den foretrukne transduser 20 som er"vist, er en piezoelektrisk transduser. Denne transduseren genererer ultralydbølger med en frekvens på omkring 8-25 MHz som reaksjon på elektriske stimuli.-En spesielt foretrukket arbeidsfrekvens er omkring 15 MHz.

Transduseren 20 er anbragt ved en øvre vegg eller et øvre vindu 23 av kisel i kappen 14. Transduseren 20 er festet til den øvre vegg 23 ved hjelp av et høytemperatur klébemiddel.

Fordi transduseren 20 er følsom for høye temperaturer, er sonden 10 forsynt med et kjølemiddel eller en kjølekappe 24 for å holde transduseren 20 og det' tilstøtende koblingsmedium 16

ved en temperatur under omkring 149°C. Den foretrukne sonde 10 benytter vann som kjølemiddel i kjøleanordningen 24. Kjøle-middelet kan utelates fullstendig fra sonden 10' hvis apparatet brukes til deteksjon av inneslutninger i metaller med lave smeltepunkter, slik som vismut, litium eller deres legeringer, eller hvis det holdes en tilstrekkelig stor avstand mellom vinduet og transduseren 20 for å isolere transduseren 20 fra det vanligvis varmere legeme 12. En foretrukket, sonde 10 som brukes til å detektere inneslutninger i et smeltet legeme 12 av en aluminiumlegering, og som har et koblingsmedium 16 av flytende gallium, bør tranduseren 20 og vinduet 24 være adskilt med en avstand på minst 10 cm. Selv om det er ønskelig å holde denne avstanden så liten som mulig i samsvar med."en akseptabel termisk gradient, må avstanden økes i visse tilfeller for å

unngå ødeleggelse av transduseren 20. I den spesielt foretrukne sonde 10 som er beskrevet her, er transduseren 20 og vinduet 22 adskilt med en avstand på omkring 15 cm.

Vinduer 22 omfatter en indre overflatedel 22a som er i kontakt med koblingsmediet 16 og en ytre overflatedel 22b som kan

. fuktes av legemet 12. Det er tenkt at den indre overflatedel 22a og den ytre overflatedel 22b vanligvis vil omfatte en enhetlig konstruksjon, selv om sammensatte konstruksjoner også ligger innenfor oppfinnelsens ramme. En enhetlig struktur blir foretrukket for å minske akustisk dempning mellom den indre overflatedel 22a og den ytre overflatedel 22b. Et spesielt foretrukket vindu 22 er laget fra amorft kisel . og har en sylindrisk eller skivelignende form. Kisel har den fordel at det lett fuktes av smeltet aluminium og dets legeringer .

Koblingsmediet 16 og vinduet 22 er hvert laget av material-er som er valgt for å redusere akustisk dempning mellom transduseren 20 og koblingsmediet 16, mellom koblingsmediet 16 og vinduet 22, og mellom vinduet 22 og legemet 12. Med uttrykket "akustisk dempningsfaktor" menes her det uttrykk som er defi-nert ved hjelp av følgende ligning:

hvor B er det akustiske intensitetsniva i desibel og I er lyd-bølgenes akustiske intensitet uttrykt i W/m 2.

De akustiske dempningsfaktorer for ultralydbølger mellom transduseren 20 og koblingsmediet 16, mellom koblingsmediet 16

og vinduet 22 og mellom vinduet 22 og legemet 12 bør hver være mindre enn omkring 1 dB. For å minimalisere akustisk dempning mellom transduseren 20 og koblingsmediet 16 og mellom koblingsmediet 16 og vinduet 22, er en mindre andel metalloppløsning oppløst i flytende gallium. Koblingsmediet 16 omfatter fortrinnsvis omkring 2,5-5 vekt% sølv oppløst i flytende gallium. Konsentrasjonen av oppløst sølv i koblingsmediet 16 bør vanligvis holdes under omkring 5 vekt% for å unngå utfelling av faser som kan interferere med overføringen av lydbølger.

Galliumet bør behandles for å fjerne oksyder, faste inneslutninger og oppløste gasser slik at lydbølger vil bli over-ført effektivt mellom transduseren 20 og vinduet 22.

Det foretrukne koblingsmedium som inneholder omkring 4,8 vekt% sølv oppløst i gallium, har en akustisk impedans som er tilnærmet lik vinduets akustiske impedans og tilnærmet lik transduserens 20 akustiske impedans. Akustisk dempning ved grenseflatene mellom transduseren 20 og koblingsmediet 16 og mellom koblingsmediet 16 og den indre overflatedel 22a er følge-lig omtrent null. Når vinduet 22 er laget fra amorft kisel, er i tillegg den akustiske 'dempning mellom den ytre overflatedel 22b og et legeme 12 av smeltet aluminium beregnet til å være mindre enn 1 dB. Sonden ifølge oppfinnelsen er følgelig høyst effektivt for føring av ultralydbølger mellom transduseren 20

og legemet 12 uten termisk skade på transduseren 20.

Koblingsmediet 16 har fortrinnsvis et lavt damptrykk ved temperaturen til legemet 12. Væsker som har betydelig damptrykk ved høye temperaturer, kan danne bobler som ville interferere med overføring av ultralydtog gjennom koblingsmediet.

En fordel ved flytende gallium er at dets kokepunkt er 2403°C. Et koblingsmedium som omfatter en hovedandel med flytende gallium, har følgelig lavt damptrykk selv ved temperaturer opp til omkring 732°C (1350°F), den høyeste temperatur ved hvilken aluminiumlegeringer vanligvis blir holdt.

Det vises nå til figur 2 hvor apparatet videre omfatter

en spenningspulsoFcillator 30, en høyfrekvensoscillator 32 som genererer vekselspenning ved ultrasonisk frekvens, og en modulator 34 som mottar elektriske pulser fra spenningspuls-oscillatoren 30 og en høyfrekvensoscillator 32. Modulatoren 34 genererer et 1ikespenningstog med en spenning på omkring 300 volt ved å slippe gjennom spenning ved ultralydfrekvens bare iløpet av den periode hvor modulatoren 34 mottar en puls fra spenningspulsoscillatoren 30. Dette 1ikespenningstoget energiserer transduseren 20.

I det viste foretrukne apparat, virker transduseren 20 også som en mottagertransduser for mottagelse av bølgetog fra legemet 12 gjennom vinduet 2 og koblingsmediet 16. Mottagertransduseren 20 genererer da spenningstog som reaksjon på bølgetog mottatt fra legemet 12. Spenningstogene< som genereres på denne måten, blir sendt til en forsterker 40, en likeretter 42 og et oscilloskop 44. En lineær sveipekrets 46 som er synkronisert med spenninqspulsoscillatoren 30, er forbundet med oscilloskopet 44. Oscilloskopet 44 har en flekk som blir av-bøyd i en retning ved hjelp av sveipekretsen 46 og avbøyd i en annen retning ved hjelp av spenningsutgangen fra mottagertransduseren 20. En permanent registrering av oscilloskopbil-det blir tilveiebragt i en registreringsanordning 50. På figur 1 refereres det kollektivt til spenningspulsoscillatoren 30, høyfrekvensoscillatoren 32 og modulatoren 34 som en "pulser". Forsterkeren 40, likeretteren 42, oscilloskopet 44 og sveipekretsen 46 er likeledes kalt mottager".

En beskrivelse av virkemåten til et lignende system for utsendelse og mottagelse av pulser til og fra transduseren 20, er beskrevet i U.S. patent nr. 2.280.226, hvilket patent det henvises til her i den grad det ikke er uforenlig med foreliggende oppfinnelse.

Som vist på figur 2 blir ultralydbølger som genereres av transduseren 20, sendt gjennom koblingsmediet 16 og vinduet 20 inn i et legeme 12 av smeltet aluminium. Når disse ultralyd-bølger treffer en oppløst partikkel eller en partikkel formet inneslutning 60, blir ekstra vibrasjonsbølge-tog sendt tilbake til transduseren 20 og spenningstog blir .generert som reaksjon på slike ultralyd-bølgetog. Spenningstogene blir så fremvist på oscilloskopet 44.

En fordel ved den sonde 10 som er beskrevet her, er at den er så effektiv ved utsendelse av ultralyd-bølgetog at det opp-funnede apparat detekterer mindre partikler 60 enn tidligere kjente apparater. Sonden 10 detekterer faste partikkelformede inneslutninger med en effektiv diameter på mindre enn omkring 400 mikron, og partikler så små som omkring 50 mikron er blitt detektert i smeltet aluminium. Sonden 10 er teoretisk istand til å detektere partikler i diameterområdet 1-10 mikron.

Claims (8)

1. Sonde (10) for føring av ultralydbølger mellom en transduser og en masse eller et legeme (12) som omfatter et smeltet metall eller en smeltet legering for deteksjon av urenheter, karakterisert ved(a) en kappe (14), (b) et koblingsmedium (16) for føring av ultralydbølger mellom en transduser (20) og et vindu (22) som ligger i avstand fra transduseren (20), hvilket koblingsmedium omfatter et flytende metall i kappen (14), (c) et vindu (22) for å føre ultralydbølger mellom koblingsmediet (16) og massen (12), hvilket vindu (22) omfatter (1) en indre overflatedel (22a) som er i kontakt med koblingsmediet (16), og (2) en ytre overflatedel (22b).

2. Sonde ifølge krav 1, karakterisert ved at massen (12) omfatter aluminium eller en aluminiumlegering og at koblingsmediet (16) omfatter flytende gallium og fortrinnsvis ytterligere omfatter en mindre andel av en metalloppløsning, slik som sølv, oppløst i det flytende gallium, fortrinnsvis omkring 2,5-5 vekt% sølv oppløst i det flytende gallium.

3. Sonde ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at koblingsmediets akustiske impedans er tilnærmet lik den indre og ytre overflatedels akustiske impedans og tilnærmet lik transduserens akustiske impedans.

4. Sonde ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at de akustiske dempningsfaktorer for ultralydbølger mellom transduseren og koblingsmediet, mellom koblingsmediet og den indre overflatedel, mellom den indre og ytre overflatedel og mellom den ytre overflatedel og massen hver er mindre enn omkring 2 dB, fortrinnsvis at hver er mindre enn omkring 1 dB.

5. Apparat for sending av ultralydbølger inn i en smeltet masse (12) som omfatter smeltet aluminium eller en smeltet aluminiumlegering og for mottagelse av bølger som blir reflektert inne i massen, for å bestemme forekomst eller fravær av faste inneslutninger eller urenheter i massen, idet apparatet er karakterisert ved at det omfatter en sonde (10) som består av en kappe (14) som inneholder et koblingsmedium (16) av flytende gallium for å føre ultralydbølger mellom en piezoelektrisk transduser (20) og et vindu (22) som befinner seg i avstand fra transduseren (20), fortrinnsvis i en avstand av minst 10 cm, hvor vinduet (22) har en indre overflatedel (22a) som er i kontakt med koblingsmediet (16) og en ytre del (2 2b) i kontakt med den smeltede massen (12), hvilket apparat fortrinnsvis også omfatter kjølemidler (24) for å holde transduseren (20) og det flytende gallium (16) i nærheten av denne ved en temperatur under omkring 149° C.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at det videre omfatter en spenningspuls-oscillator (30) , en høyfrekvens-oscillator (32) som genererer vekselspenning ved en ultralydfrekvens, en modulator (34) som mottar elektriske pulser fra' spenningspuls-oscillatoren (30), hvilken modulator (34) genererer et spenningstog ved å slippe gjennom spenningen ved ultralydfrekvensen bare i løpet av den periode hvor modulatoren (34) mottar en puls fra spenningspuls-oscillatoren (30) , idet spenningstoget energiserer transduseren (20), en mottagertransduser (20) som aktiveres ved vibrasjons-bølgetog som mottas fra massen (12) og genererer spenningstog som reaksjon på bølgetogene, en sveipekrets (46) som er synkronisert med spenningspuls-oscillatoren (30), og et oscilloskop (44) hvis lysflekk blir avbøyd i én retning ved hjelp av sveipekretsen (46) og blir avbøyd i forskjellig retning ved hjelp av spenningsutgangen fra mottagertransduseren (20).

7. Fremgangsmåte for ultralydundersøkelse av en masse som omfatter smeltet metall eller en smeltet legering ved generering av ultralydbølger med en piezoelektrisk transduser (20), karakterisert ved(a) overføring av bølgene fra transduseren (20) til et vindu (22) som ligger i avstand fra denne gjennom et koblingsmedium (16) som omfatter et flytende metall, (b) overføring av bølgene gjennom vinduet (22) inn i massen (12) bestående av et smeltet metall eller en smeltet legering, hvilket vindu (22) omfatter (1) en indre overflatedel (22a) som er i kontakt med koblingsmediet (16), (2) en ytre overflatedel (22b) som fuktes av massen (12), og (c) mottagelse og tolkning av refleksjoner av bølgene etter at de kommer fra massen (12).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at trinn (c) innbefatter reflektering av ultralydbølgene fra en partikkelformet inneslutning eller urenhet (60) i massen (12), hvilken inneslutning (60) har en effektiv diameter på mindre enn omkring 400 um.