在液態(tài)金屬鑄造領域中，精確控制夾雜物質(zhì)量是至關重要的。實際上，由其決定金屬薄板或部件——特別是薄板或薄部件，特別是在制造諸如飲料罐或氣溶膠罐之類的封閉容器期間獲得的那些——的質(zhì)量和廢品率。在液態(tài)金屬的情況下，由于液態(tài)金屬中存在的夾雜物的數(shù)量低，但其有害性高，因此該測量特別需要謹慎進行。通常，夾雜物質(zhì)量由包含在液態(tài)金屬中的夾雜物的比率和其尺寸決定。

它主要基于液態(tài)金屬取樣方法，其中將夾雜物在過濾器上濃縮，然后通過金相學觀察并計數(shù)。在液態(tài)鋁的情況下，所謂的PoDFA(鋁的多孔盤過濾(Porous Disk Filtration of Aluminium)的首字母縮寫)方法的情況就是如此，但是該方法僅僅顯示夾雜物的尺寸和數(shù)量。

稱為LiMCA(液態(tài)金屬清潔度分析(Liquid Metal Cleanliness Analysis)的首字母縮寫)的方法在本領域中也是已知的，主要由以下步驟構成：經(jīng)由小孔對液態(tài)金屬連續(xù)地取樣，并在每次液態(tài)金屬夾雜物通過時測量其電阻變化。然而，該設備根據(jù)Coulter計原理操作，具有在分析量(約為鑄造金屬的0.01％)和可檢測尺寸(約為15μm至150μm)方面的限制成為其缺點。

最近開發(fā)了一種設備，其使用過濾速率以獲得合格的夾雜物水平。方法的情況尤其是如此。在這些方法中，在實踐中可行的取樣頻率低，因此分析的體積分數(shù)仍較低(實際數(shù)量級為鑄造金屬的0.01％)。

對開發(fā)連續(xù)的測量方法——特別是當金屬在槽中循環(huán)時——的需求可追溯到20世紀60年代。

比如，Reynolds探索了用于評估液態(tài)鋁的夾雜物質(zhì)量的聲波測量方法，期望能實現(xiàn)更大比例的液態(tài)金屬(至少幾個百分點)。

當時開發(fā)的設備，稱為“Reynolds 4M”，靈敏度有限，且似乎只是通過能夠區(qū)分潔凈金屬和非常臟的金屬的質(zhì)量指數(shù)定性地使用。

這是1979年“Reynolds Metals Company”的專利申請US 4,287,755和Mansfield,T.L.的出版物“Molten Aluminium Quality Measured with Reynolds 4M System”的主題。

在超聲波的更新近的發(fā)展中，應當注意來自“Metalvision”的“MV20/20”設備，其可在市場上獲得且記載于出版物“An ultrasonic sensor for the continuous online monitoring of the cleanliness of liquid aluminium”,TMS2005中。它實時地給出了存在于液態(tài)金屬中的夾雜物的尺寸和數(shù)量的顯示，但沒有任何相關聯(lián)的校準方法。這種設備僅很少使用，并且在任何情況下都不是大規(guī)模使用，主要是因為其缺乏可靠性。應特別注意的是，波導或超聲波發(fā)生器由鋼制成，與金屬反應，這導致界面的變化，并因而導致波傳輸質(zhì)量和水平的變化。

在20世紀90年代末，申請人“Pechiney Rhenalu”還開發(fā)了夾雜物的聲波測量，并具體地在1999年提交了申請FR2 796 155，該申請涉及一種用于校準通過超聲波觀察到的液態(tài)金屬中的缺陷的尺寸的方法，題為“Procédéet dispositif améliorés de comptage des inclusions dans un bain de métal liquide par ultrasons”。然而，這些不同的工作在提供校準方法的同時，不能確保對存在于液態(tài)金屬中的夾雜物進行聲波檢測/計數(shù)的方法的可靠性，雖然其能夠分析較大比例的液態(tài)金屬。特別地，這種有限的可靠性歸因于波導/液態(tài)金屬界面缺乏穩(wěn)定性。實際上已知的是，波導需要用液態(tài)金屬潤濕，以能夠?qū)⒛芰總鬟f到液態(tài)金屬而沒有過度損失。為此，所使用的波導由金屬制成，特別是由鋼或鈦制成。

然而，這不足以獲得完美的潤濕，且已經(jīng)開發(fā)了將其改善的方法。在液態(tài)鋁的情況下，該證據(jù)尤其見于專利EP0035545B1，該專利具有1979年的優(yōu)先權日期，由“Reynolds Metal Company”擁有，要求保護在鈦聲波發(fā)生器上鋁膜的氣相沉積。然而，事實上，即使在這樣的設計中，由于波導材料與液態(tài)金屬的反應，使用期間潤濕質(zhì)量會發(fā)生變化，并且具有沉積物的超聲波發(fā)生器不可再使用。

難熔金屬不在液態(tài)金屬中使用，完全是因為它們不被所述液態(tài)金屬潤濕。只有化學沉積方法可以獲得潤濕，只是這是在有限時間內(nèi)潤濕，其是不可靠、不實用或不經(jīng)濟的。

因此，目前還沒有一種能夠可靠地檢測大比例鑄造金屬中的夾雜物的方法。

因此，本發(fā)明的目的之一是彌補至少一個上述缺點。為此，本發(fā)明涉及一種用于液態(tài)金屬的聲波測試的方法，其包括以下步驟：

a)提供超聲波發(fā)生器(1)，其由相對于液態(tài)金屬基本上呈惰性的材料(例如陶瓷，優(yōu)選氮化硅或氮氧化硅，例如SIALON)或?qū)λ鲆簯B(tài)金屬基本上呈惰性的金屬形成，

b)將所述超聲波發(fā)生器(1)至少部分地浸入所述金屬的熔池中，

c)對超聲波發(fā)生器(1)施加功率超聲波，特別是功率大于10瓦的超聲波，以獲得所述金屬對所述超聲波發(fā)生器的潤濕，

d)對超聲波發(fā)生器(1)連續(xù)地施加測量超聲波——也稱為檢測超聲波，特別是頻率在1和25MHz之間的超聲波，

e)對超聲波發(fā)生器(1)間歇地施加功率超聲波，特別是功率大于10瓦的超聲波，以保持所述潤濕并確保信號隨時間的穩(wěn)定性。

因此，僅通過向浸沒于液態(tài)金屬中的超聲波發(fā)生器施加功率超聲波，就可持久地、特別是在幾天內(nèi)保持液態(tài)金屬對超聲波發(fā)生器的潤濕。在步驟b)中，將超聲波發(fā)生器浸入液態(tài)金屬熔池中。

在步驟c)中將功率超聲波施加到超聲波發(fā)生器，且該功率超聲波使得可以獲得液態(tài)金屬的潤濕。借助該方法，于是可以獲得對液態(tài)金屬的優(yōu)化的超聲波傳輸，其是持久的且隨時間的流逝是穩(wěn)定的。

有利地，在步驟e)中的功率超聲波的施加間歇地進行。實際上，超聲波發(fā)生器的潤濕隨著時間而產(chǎn)生抵抗，因此可不定時地施加用于維持潤濕的功率超聲波。

關于步驟d)，其還包括將測量超聲波施加于超聲波發(fā)生器，特別是頻率在1和25MHz之間的超聲波。于是可以通過在長時間內(nèi)向超聲波發(fā)生器施加測量超聲波而將先前在步驟c)中潤濕的超聲波發(fā)生器用于應用，例如進行液態(tài)金屬的非破壞性檢測。

由此，能連續(xù)地實施超聲波測量，以便能夠在處理之前或在鑄模中鑄造之前在線分析液態(tài)金屬的夾雜物質(zhì)量，特別是在槽中。實際上，本發(fā)明使用于處理的測量超聲波和用于使?jié)櫇瘛溆捎陂L期維持的簡單影響或者由于與超聲波發(fā)生器接觸的氣體、氧化物或其它雜質(zhì)的存在而傾向于隨時間變差——再生的間歇功率超聲波的同時應用成為可能。

根據(jù)一個有利的實施方案，液態(tài)金屬是液態(tài)鋁合金，下文稱為液態(tài)鋁。

該鋁合金可以含有含量Y非零甚或非常低含量的約為20ppm的鎂。根據(jù)另一個實施方案，含量Y大于或等于0.05重量％，優(yōu)選大于0.5重量％，更優(yōu)選大于或等于0.7重量％。

然而，液態(tài)金屬也可以是鈉、鋅或另一種金屬，并且超聲波發(fā)生器由鋼或鈦或任何其它基本上呈惰性的金屬(即不顯著溶解于液態(tài)金屬中)制成，或者由陶瓷、特別是氮化硅或氮氧化硅例如SIALON制成。

有利地，在步驟d)之前，所述方法包括一個包括在液態(tài)金屬中布置校準反射器的步驟，該校準反射器優(yōu)選相對于所述金屬呈惰性，且步驟d)包括一個通過反射器反射由超聲波發(fā)生器傳輸?shù)臏y量超聲波、以產(chǎn)生超聲波信號的步驟，所述方法包括當產(chǎn)生的超聲波信號的強度小于或等于預定閾值強度時、觸發(fā)步驟d)的功率超聲波的步驟。

根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，液態(tài)金屬是液態(tài)鋁。

根據(jù)另一個實施方案，液態(tài)金屬是鈉、鋅或另一種金屬，并且超聲波發(fā)生器由鋼或鈦或任何其它基本上呈惰性的金屬(即不顯著溶解于液態(tài)金屬中)制成，或者由陶瓷、特別是氮化硅或氮氧化硅例如SIALON制成。

因此，隨著時間的推移，當超聲波發(fā)生器的潤濕減小并且超聲波以降低的強度在熔池中載送時，由反射器反射的超聲波信號的強度減小，自動地觸發(fā)功率超聲波的施加，以在長時間內(nèi)使液態(tài)金屬對超聲波發(fā)生器的潤濕再生，從而隨時間的流逝穩(wěn)定超聲波的傳輸。

根據(jù)一個選項，在步驟e)中，周期性地觸發(fā)功率超聲波的施加，特別是以幾秒至幾小時的頻率，通常是以30分鐘至6小時之間的頻率。實際上，這種設計能夠使超聲波發(fā)生器的潤濕再生，以在長時間內(nèi)使用，并隨時間具有穩(wěn)定的信號。

優(yōu)選地，步驟e)的功率超聲波的施加進行幾秒至幾分鐘，通常約一分鐘。實際上，在優(yōu)良條件下該時間段足以保持潤濕。

在步驟e)之前，所述方法包括一個根據(jù)軸向裝配將測量超聲波發(fā)射換能器連接到超聲波發(fā)生器的步驟。有利地，這種類型的裝配能夠獲得定向聲波發(fā)射或接收。

類似地，有利地，在步驟c)和e)之前，所述方法包括一個將除了測量或檢測超聲波發(fā)射換能器之外的功率超聲波發(fā)射換能器軸向裝配于所述超聲波發(fā)生器上的步驟。這樣，測量換能器和功率換能器根據(jù)軸向裝配連接到同一個超聲波發(fā)生器。

根據(jù)一個選項，所述連接通過任選地通過法蘭將測量換能器粘合到超聲波發(fā)生器而獲得。根據(jù)另一個選項，所述連接通過將換能器旋擰到緊密結合到超聲波發(fā)生器的圓柱形法蘭上而獲得。這種設計能夠確保換能器和超聲波發(fā)生器之間持久的機械耦合，以用于液態(tài)鋁的質(zhì)量測量，例如夾雜物的探測、多普勒超聲波速度測量、液態(tài)金屬中的水診(hydrophony)。

根據(jù)另一個選項，法蘭通過“硬焊”與超聲波發(fā)生器組裝在一起，且在后一種情況下，超聲波發(fā)生器預先部分地浸入包含至少0.05重量％鎂的液態(tài)鋁熔池中，經(jīng)受功率超聲波直到獲得液態(tài)鋁對超聲波發(fā)生器的潤濕，然后使液態(tài)鋁冷卻和固化，在超聲波發(fā)生器和鋁之間形成緊密結合，然后將鋁加工成法蘭的形式。

以這種方式形成的法蘭所具有的與超聲波發(fā)生器的結合能，具有與兩種金屬之間硬焊所獲得的相似的性質(zhì)。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到，在結合的超聲波發(fā)生器與金屬之間，使用本方法獲得的界面的拋光截面，的確顯示了在沒有任何脫離的情況下具有完美結合的密封以及兩種材料之間的連續(xù)性，能夠獲得金屬和超聲波發(fā)生器之間的最佳機械耦合。因此，超聲波發(fā)生器和法蘭之間的緊密結合的結合強度至少基本上等于兩種材料之間硬焊的結合強度，即，在不拔除材料的情況下，不可能將法蘭從超聲波發(fā)生器分離。

根據(jù)一個實施方案選項，液態(tài)金屬是運動的。

有利地，步驟d)包括液態(tài)金屬的多普勒超聲速度測量。

根據(jù)另一個選項，步驟d)包括探測和測量液態(tài)金屬中的夾雜物。該探測可以在線進行或在固定站中進行。

根據(jù)一個實施方案，液態(tài)金屬是液態(tài)鋁。

根據(jù)另一個實施方案，所述液態(tài)金屬是鈉或鋅，并且超聲波發(fā)生器由鋼或不被鈉或鋅分別潤濕的另一金屬制成，或由Sialon制成。

通過閱讀下面作為非限制性實施例給出的并參考附圖的三個實施方案的描述，本發(fā)明的其它方面、目的和優(yōu)點將更清楚地顯現(xiàn)。為了提高辨識度，附圖不一定遵守所表示的元件的比例。在下文說明書中，為了簡化，各種實施方案的相同、相似或等同的元件具有相同的附圖標記。

圖1至圖3示意性地示出了如何制造一個用于實施本發(fā)明方法的實施方案的包括超聲波發(fā)生器的設備。

圖4示出了本發(fā)明的第一實施方案。

圖5和圖6示出了本發(fā)明的第二實施方案。

圖7示出了本發(fā)明的第三實施方案。

如圖1至圖3所示，Si₃N₄的超聲波發(fā)生器1在液態(tài)鋁合金熔池中潤濕，以便在保持潤濕的情況下使用。

圖1表示將圓柱形超聲波發(fā)生器1的第一端部區(qū)域1a插入熔爐2，所述超聲波發(fā)生器具有400mm的長度和30mm的直徑，所述熔爐2包含3kg液態(tài)鋁，在此情況下為包含約5重量％鎂的Al5％Mg型液態(tài)鋁。

根據(jù)橫向模式組裝至超聲波發(fā)生器1的功率超聲波發(fā)射換能器3傳遞頻率為19.8kHz和功率為約150W的功率超聲波至超聲波發(fā)生器，持續(xù)5分鐘。

在所述方法的該步驟中，當將超聲波發(fā)生器1從熔池中移出時，超聲波發(fā)生器表現(xiàn)出完美的液態(tài)鋁的潤濕，通過其閃亮的淺灰色(鋁的特征)肉眼可鑒，且最重要的是在沒有材料拔除的情況下不能使用工具與陶瓷表面分離。

顯然，可以使用其他潤濕條件，特別是具有或多或少顯著的鎂含量，優(yōu)選最小含量為0.05重量％。

相應地，調(diào)整功率超聲波以適合于所使用的鎂含量。特別地，將所述功率超聲波施用或短或長的時間，以便在液態(tài)鋁中獲得空穴產(chǎn)生超聲波發(fā)生器1的潤濕。

根據(jù)未示出的一個選項，使用根據(jù)軸向模式連接至超聲波發(fā)生器1的功率超聲波換能器3來實施超聲波的施加，所述連接通過緊固或通過粘合或通過旋擰或任何其他選項實現(xiàn)，只要所述連接可承受操作持續(xù)時間，通常小于15分鐘。

在下一步驟中，將潤濕的超聲波發(fā)生器1周圍的液態(tài)鋁冷卻(在這種情況下，沒有將超聲波發(fā)生器1從熔池中移出以檢查潤濕情況)。鋁固化并導致在超聲波發(fā)生器1周圍形成緊密結合。然后將固化的鋁加工成圍繞超聲波發(fā)生器1的圓柱形法蘭4的形式。

如圖3所表示，根據(jù)軸向裝配將功率超聲波發(fā)射換能器3和測量超聲波發(fā)射換能器5旋擰到鋁法蘭4上。

然后將超聲波發(fā)生器1的與連接至法蘭4的第一端部區(qū)域1a相對的第二端部區(qū)域1b浸入鋁合金中，并施加功率超聲波以獲得該第二端部區(qū)域1b的潤濕(步驟c)。

一旦超聲波發(fā)生器已經(jīng)被液態(tài)鋁潤濕，則通過測量超聲波發(fā)射換能器5施加測量超聲波。特別地，這些以5MHz的頻率施加的超聲波使得可以連續(xù)地、特別是幾個小時地分析液態(tài)鋁合金中的夾雜物的質(zhì)量(夾雜物的定量和尺寸)(步驟d)。

通過鋁法蘭4以大于10W的功率施加超聲波(步驟e)。這確保了在液態(tài)鋁合金中的潤濕的再生。可以構想出的假設在于，在檢測或測量模式中使用超聲波發(fā)生器期間，在表面上形成氧化膜并改變潤濕。現(xiàn)認為一旦超聲波發(fā)生器1已經(jīng)浸入合金中，新施加超聲波能夠破碎該氧化膜并且使超聲波發(fā)生器的液態(tài)鋁/潤濕鋁接觸再生。同樣不排除氣體在超聲波發(fā)生器附近積聚的假設。

因此，以約20kHz的頻率周期性地發(fā)射功率超聲波，特別是每3小時發(fā)射持續(xù)約1分鐘的時間，以保持超聲波發(fā)生器1的潤濕。

事實上，看起來，在液態(tài)鋁中使用超聲波發(fā)生器期間，周期性施加功率超聲波能夠“清潔”超聲波發(fā)生器1-液態(tài)鋁界面上的沉積于其中的任何夾雜物或氣泡。

該方法在液態(tài)金屬是鈉或鋅且超聲波發(fā)生器由鋼或者不被Zn或Na分別潤濕的另一金屬制成或者由陶瓷、特別是Sialon制成的情況下是類似的。

根據(jù)未示出的另一選項，當在包含合金的熔池中使用測量超聲波校準反射器時，根據(jù)接收的返回信號的強度，間歇地發(fā)射超聲波。

這樣可以將超聲波發(fā)生器1用于不同的應用。

特別地，夾雜物質(zhì)量的測量可在至少一次鑄造的持續(xù)時間內(nèi)并在大體積分數(shù)上連續(xù)地進行，這特別歸因于液態(tài)金屬中優(yōu)異的超聲波傳輸。

圖5和圖6示出了一個方法實施方案，其特別應用于液態(tài)鋁合金的夾雜物質(zhì)量的測量、但也可應用于任何液態(tài)金屬和相對于液態(tài)金屬呈惰性的超聲波發(fā)生器。此處，將通過預先施加功率超聲波而潤濕的由Si₃N₄制成的兩個超聲波發(fā)生器1(長度400mm，直徑30mm)部分地浸入包含25kg液態(tài)鋁合金的熔爐20中。功率超聲波換能器3根據(jù)軸向裝配連接至其各自的圓柱形法蘭4。測量超聲波發(fā)射換能器5布置在法蘭4中，與Si₃N₄的超聲波發(fā)生器1的桿接觸。

其上連接有測量超聲波發(fā)射換能器5的超聲波發(fā)生器1用于發(fā)射測量超聲波，而另一超聲波發(fā)生器1用于接收模式。兩個超聲波發(fā)生器1的串聯(lián)組裝使得可以通過改變超聲波發(fā)生器1之間的角度和間隙來獲得超聲波束的幾何聚焦。超聲波發(fā)生器1之間的小間隙和小角度α能夠增加檢測的鋁合金的體積、而夾雜物尺寸的探測限提高，因此所述探測實際上具有較低的靈敏度(圖5)。相反，超聲波發(fā)生器1之間的大間隙和大角度α使得可以減小測試體積，并且探測限降低(圖6)。在后一種情況下，探測靈敏度更大。

在將間隙為300mm和角度α為28度的超聲波發(fā)生器1引入到液態(tài)鋁合金中之后，超聲波測量信號不顯著地存在。液態(tài)鋁合金A不潤濕超聲波發(fā)生器1。對以發(fā)射模式操作的超聲波發(fā)生器1施加功率超聲波(19.8kHz，150W，5秒)，然后對以接收模式操作的超聲波發(fā)生器1施加功率超聲波，使得可以建立潤濕：因此隨后傳輸超聲波測量信號(5MHz)。在這種情況下，探測到的噪聲水平增加，并且出現(xiàn)與單一粒子(夾雜物)相對應的峰。功率超聲波的定期施加使得能夠在液態(tài)鋁合金熔池中保持潤濕以及保持在線的或在固定站的夾雜物探測和定量——也稱為夾雜物清潔度測量——的連續(xù)性。

根據(jù)圖7所示的方法的另一個實施方案，超聲波發(fā)生器1用于運動的液態(tài)鋁合金熔池的多普勒效應超聲速度測量，其迄今可靠地只限制于具有低熔點的金屬。

在該實施方案中，功率超聲波換能器3和測量超聲波發(fā)射換能器5根據(jù)軸向裝配連接到由SIALON制成的超聲波發(fā)生器1，并且施加功率超聲波(20kHz，120W，8s)以建立潤濕。

連續(xù)施加具有與上述相同的特性的測量超聲波，并且通過換能器3測量超聲波信號的頻率變化，所述換能器3還以接收模式操作。平行地，每五小時施加功率超聲波以保持超聲波發(fā)生器1的潤濕(步驟e)。由懸浮顆粒反射的頻率相對于發(fā)射頻率的變化反映了由流體引起的顆粒的位移。

因此，本發(fā)明涉及一種使用被液態(tài)鋁潤濕的超聲波發(fā)生器1的方法，可應用于一種測量方法，所述測量方法包括連續(xù)使用測量液態(tài)鋁合金中的夾雜物的設備，其提供了從測量模式(測量超聲波)切換到潤濕再生模式(功率超聲波)的可能，而不必干擾保持浸沒和自主的設備。

此外，超聲波發(fā)生器1不需要任何表面處理以對形成超聲波發(fā)生器1的難熔材料的表面進行化學改性。

于是，可以將這種方法用于液態(tài)鋁合金的連續(xù)非破壞性檢測以及用于分析，特別是借助潤濕再生的鋁的夾雜物質(zhì)量分析。

有利地，在一個優(yōu)選的實施方案中，用于該方法的測量設備包括一個組件，其中超聲波發(fā)生器1和超聲波換能器3、5(測量和功率)形成單一實體。

類似地，該方法可用于所述液態(tài)金屬是鈉或鋅且超聲波發(fā)生器由鋼或不被鈉或鋅分別潤濕的另一種金屬或Sialon制成的情況。

顯然，本發(fā)明不限于以上通過實施例描述的實施方案，而是包括所述手段的任何技術等同物和變體以及其組合。