專利名稱：分析液態(tài)金屬的方法和本方法中使用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析液態(tài)金屬熔池的成分的方法和本方法中使用 的設(shè)備。
技術(shù)背景這種類型的方法和設(shè)備從英國專利申請GB2154315A中有所了 解。所述公布的申請描述了一種用于分析熔鋼成分的方法和設(shè)備。根據(jù)所描述的該方法，提供有用來傳輸激光束的裝置的探針定位 在液態(tài)鋼熔池的上方。激光撞擊的那部分鋼放射出特定元素射線。放 射的射線經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)(光學(xué)系統(tǒng)同樣容納在探針內(nèi))傳輸?shù)椒止庥?中進(jìn)行分析。鋼的成分可從分析結(jié)果中獲得。這種方法也被稱為LIBS (激光感生擊穿光語技術(shù))。在面對熔池的側(cè)面，探針設(shè)有一個陶瓷管，該陶瓷管可保護(hù)探針免受液態(tài)鋼和在液態(tài)鋼上面出現(xiàn)的殘渣的影響。為了防止液態(tài)鋼滲透到陶瓷管中，由從探針入口供入并從探針出口排出的有限通道中的氣體流束在管內(nèi)提供氣壓。在本說明書的內(nèi)容中，術(shù)語激光可理解成由激光產(chǎn)生的電磁射線 的任一種形式。而且，術(shù)語金屬也可理解成包含一種主要由一種或多 種金屬和其它金屬或非金屬組成的合金。已有方法的一個問題是與激光束在熔池表面撞擊的材料，比如現(xiàn) 有技術(shù)的鋼和合金元素，與氣體或氣體中不可避免存在的雜質(zhì)(比如 惰性氣體中氧)發(fā)生反應(yīng)。雜質(zhì)與材料發(fā)生反應(yīng)形成化合物，該化合物又由于激光束的能量 至少部分產(chǎn)生射線，因此歪曲了熔池成分的測量。另 一個問題是具有如此高的熔點或沸點的化合物不會熔化或蒸 發(fā)，而是在激光束與熔池應(yīng)該接觸的地方形成一個固體硬殼。尤其是在活性金屬的情況下這個問題尤其突出。如果熔池的成分發(fā)生波動，固體硬殼遮住熔池使其不能進(jìn)行進(jìn)一 步分析，其結(jié)果是不可能正確測量熔池的當(dāng)前成分。尤其是在由于統(tǒng)計精度的需要而延長測量時間的情況下，這個問 題尤其突出。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種用于分析金屬的方法，在該方法中， 測量精度不受氣體中的雜質(zhì)影響。本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于分析金屬的方法，該方法也 適用于分析活性金屬。本發(fā)明還有另一個目的是提供一種用于分析金屬的方法，該方法 也適用于測量金屬熔池中的低濃度元素或者適用于長期測量。通過一種用于分析由液態(tài)金屬構(gòu)成的熔池的成分的方法來實現(xiàn)這 些目的或其他目的。在該方法中， 一束激光束被引導(dǎo)到溶池表面上， 液態(tài)金屬中至少有一部分金屬形成被分析試樣，其特征在于，至少在 激光束與熔池相遇的位置，熔池表面的雜質(zhì)通過一束吹掃用的氣體被 清除出去。吹掃用的氣體束帶走已經(jīng)形成的不希望有的反應(yīng)產(chǎn)物形式的雜 質(zhì)，并將雜質(zhì)帶出激光束與熔池相遇的表面區(qū)域。測試表明清除雜質(zhì) 可如此有效地進(jìn)行以使實現(xiàn)連續(xù)測量成為可能，甚至使精確測量和確 定熔池變化成分成為可能。如果液態(tài)金屬是液態(tài)鋁合金，本發(fā)明的方法特別有利。 鋁對于氧氣有特別高的親和力，甚至是通常用作吹掃氣體的氬氣所具有的10-7的非常低的氧勢，也過高以致無法分析鋁熔池的成分，當(dāng)然如果需要確定濃度低的合金元素或雜質(zhì)的話。因而，先于本發(fā)明的LIBS不適用于如鋁合金制造所要求的連續(xù)地或高精確度地確定液 態(tài)鋁熔池的成分。本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)在一個實施例中實現(xiàn)。其特征在于，在 該實施例中，吹掃用的氣體束的速度和方向選擇成熔池鄰近其和激光束相遇的位置處的表面具有一個凸起彎月面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過選擇供給到表面的氣體方向和氣體量，可以促進(jìn)凸 起彎月面的形成、保持和高度。以吹掃用的氣體從凸起彎月面上方徑 向排出并由此帶走雜質(zhì)的這種方式來供應(yīng)吹掃用的氣體特別有效。根據(jù)本發(fā)明的一個特別有效的實施例，帶頂面、底面和套管的浸 沒管系統(tǒng)至少部分放入熔池中，吹掃用的氣體流供給到熔池上面的浸 沒管系統(tǒng)內(nèi)，并至少在激光束和熔池相遇的地方被導(dǎo)入到熔池上面。浸沒管系統(tǒng)延伸進(jìn)入液態(tài)金屬熔池中造成在浸沒管系統(tǒng)的套管中 的熔融金屬的凸起彎月面。在彎月面上形成的固態(tài)或液態(tài)雜質(zhì)被吹掃 用的氣體流排出到激光束之外的區(qū)域。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在熔池平頂面的情 況下，例如，熔融的鋁，在激光束和熔池表面相遇的地方會形成達(dá)10mm深的凹陷。在這個凹陷處收集的渣滓使可靠的測量不可能進(jìn)行。 本發(fā)明的實施例避免了這個問題。根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個實施例，其特征在于，浸沒管系統(tǒng)中 的吹掃用的氣體在熔池表面下方從浸沒管系統(tǒng)處排出。對于選定的套 管直徑、套管被浸沒的深度和氣體流速度，雜質(zhì)以這種方式排到浸沒 管系統(tǒng)之外是可能的。如果液態(tài)金屬是一種液態(tài)鋁合金，本發(fā)明的方法特別有益。液態(tài) 鋁的活性特別強，形成一個氧化鋁硬殼，甚至在吹掃用的氣體或泄漏 的氣體帶來非常小量的氧的情況下，氧化鋁硬殼也會歪曲測量。使用 本發(fā)明的方法，形成的氧化鋁被吹掃用的氣體排到激光束和熔池表面 相遇的區(qū)域之外。本發(fā)明也通過用來分析由液態(tài)金屬構(gòu)成的熔池的成分的方法中使 用的設(shè)備來進(jìn)行具體實施。該設(shè)備配備一個帶頂面、底面和具有內(nèi)壁 和外壁的套管的浸沒管系統(tǒng)，用來產(chǎn)生一束激光的激光源和用來將吹 掃用的氣體供給到浸沒管系統(tǒng)內(nèi)的供氣管，其特征在于供氣管的通道 具有尺寸縮減的孔以至少局部增加熔池方向上的氣體流速，而且供氣官管內(nèi)部。更可取的是套管內(nèi)部的供氣管至少部分與套管同心使用本設(shè)備時，浸沒管系統(tǒng)浸沒在液態(tài)金屬熔池中，形成一個凸 起的彎月面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)凸起的彎月面的高度可隨著沿浸沒管系統(tǒng)下面 排出吹掃用的氣體而增大。更可取的是吹掃用的氣體以沿著凸起的彎 月面的最高點的方向的選定的速度被供應(yīng)。另外一個優(yōu)點是雜質(zhì)由吹 掃用的氣體沿著彎月面帶走。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，激光束提供給熔融金屬的動量致使熔融金屬的液滴從 熔池中突然跳出來并還沉積在用來將激光束導(dǎo)入到熔池并將任意特定 元素射線導(dǎo)入到分析裝置的光學(xué)系統(tǒng)上，或者沉積在用于將氣體試樣 排到分析裝置的氣體管上。本發(fā)明的實施例也防止液態(tài)金屬液滴達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)或氣體試樣管 中， 一方面是由于尺寸縮減的孔，另一方面是由于較高的氣體速度。本發(fā)明裝置的另一個改進(jìn)是通過一個實施例來實現(xiàn)，該實施例具 有的特征是提供浸沒管系統(tǒng)的套管，該套管的 一部分在使用時延伸到 熔池中，在套管下面分布著出口和/或狹槽。令人驚奇的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在本實施例中彎月面是自動穩(wěn)定的或至 少比不使用本測量設(shè)備更自動穩(wěn)定。也就是，彎月面在浸沒管系統(tǒng)中 具有對稱的外形，尤其是套管為圓形橫截面時。而且，在狹槽和/或開口采用從套管內(nèi)部向其外部增加的橫截面的 本實施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在本實施例中發(fā)生由激光束的動量造成的振動 更成功地被削弱。本發(fā)明的一個更優(yōu)選的實施例具有的特征是浸沒管系統(tǒng)的套管內(nèi) 壁的至少一部分由不會被液態(tài)金屬浸潤的材料制成。本實施例還促進(jìn)了凸起的彎月面的形成和高度。而且，由于套管 不會與材料有同等程度的接觸，鑒于減少的化學(xué)侵蝕，使浸沒管具有 更長的服務(wù)壽命。下面基于適用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的測量裝置的示意圖，更詳細(xì)解 釋本發(fā)明。


圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用來測量熔池成分的測量裝置的示意截 面圖，而且圖2示出了一個本發(fā)明方法中使用的浸沒管系統(tǒng)的套管下面的視圖。
具體實施方式
在圖1中，1表示熔融金屬熔池的一部分，比如熔融的鋁合金熔 池。本實施例中所示的帶套管3的浸沒管系統(tǒng)延伸到熔池中。供氣管 4在套管內(nèi)與套管同心。套管3和供氣管4通過0形團(tuán)5相互聯(lián)接， O形圏5也提供防氣泄漏密封作用。套管3的一部分浸沒入熔池1的結(jié)果是，在套管內(nèi)部形成一個凸 起的彎月面。更可取的是套管內(nèi)壁的至少 一部分由非浸潤材料制成。 由激光源(未顯示)產(chǎn)生的激光束15在會合面7的位置與彎月面相遇， 會合面7位于激光束焦點上方以防止出現(xiàn)定位問題并防止位于彎月面 上面的氣體形成等離子體。供氣管4的通道8帶有中心變窄的部分9。來自氣體源(沒有詳細(xì)顯示)的吹掃用的氣體流的方向由箭頭10、 11和12指示。尺寸縮減的孔的結(jié)果是，吹掃用的氣體流經(jīng)孔的時候，該氣體的 速度增加。吹掃用的氣體流沿著彎月面流動，沿箭頭13指示的方向帶 走固體顆粒或可能存在的液體顆粒，以使暴露在激光束下的會合面7總是清潔的。而且，氣體流促進(jìn)了凸起的彎月面的保持和高度。彎月 面的向下彎曲進(jìn)一步推動了保持會合面7清潔的過程。吹掃用的氣體以氣泡14形式離開浸沒管并帶走固體顆粒。圖2a示出了在底管3為圃柱形管的這種情況下的浸沒管的側(cè)視圖。圖2b示出了浸沒管的下面的一個視圖。套管3的壁20帶有齒形狹槽21。優(yōu)選地，狹槽的橫截面從內(nèi)向 外增加，如圖2b所示。結(jié)果是使浸沒管內(nèi)部的氣體流速大于管外部的 氣體流速，這將對彎月面的位置具有穩(wěn)定作用，而且還確保浸沒管內(nèi)部的金屬連續(xù)移動，因此較好地反映熔池中的金屬。另外或作為一種選擇，使用本方法時，套管可帶有浸到熔池中的孔眼22。狹槽和孔眼 對彎月面的形狀具有穩(wěn)定和均勻化作用。而且，假定他們在浸沒管下 面的周圍產(chǎn)生附加流動，這將有助于浸沒管內(nèi)的液態(tài)金屬被持續(xù)更新， 而且因此較好地反映熔池剩余部分中的熔融金屬。
權(quán)利要求
1.用于分析由液態(tài)金屬構(gòu)成的熔池的成分的方法，在所述方法中激光束導(dǎo)向熔池表面，在所述方法中至少一部分金屬形成被分析的試樣，其特征在于至少在激光束與熔池相遇的位置，熔池表面的雜質(zhì)通過吹掃用的氣體流的吹掃被清除。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于吹掃用的氣體流的速 度和方向選擇成在鄰近激光束與熔池相遇的位置處的熔池表面具有一 個凸起的彎月面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于有頂面、下面和 套管的浸沒管系統(tǒng)至少部分放入熔池中，吹掃用的氣體流在熔池上方 供給到浸沒管系統(tǒng)內(nèi)，并且至少在激光束與熔池相遇的位置處導(dǎo)入到 熔池。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于浸沒管系統(tǒng)中的吹掃 用的氣體在熔池表面下方從浸沒管系統(tǒng)排出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中的一個或多個所述的方法，其特征在于液 態(tài)金屬是液態(tài)鋁合金。
6. 用于根據(jù)權(quán)利要求1-5中的一個或多個所述的分析由液態(tài)金屬 構(gòu)成的熔池的成分的方法中使用的設(shè)備，該設(shè)備配有一個帶有頂面、 下面和具有內(nèi)壁和外壁的套管的浸沒管系統(tǒng)，用來產(chǎn)生一束激光的激 光源和用來將吹掃用的氣體供給到浸沒管系統(tǒng)內(nèi)的供氣管，其特征在于供氣管的通道具有尺寸縮減的孔以至少局部增加熔池方向上的吹掃 用的氣體的流速，而且供氣管以在使用時套管內(nèi)部的熔池沿著吹掃用 的氣體流動方向形成凸起的彎月面的方式伸入套管內(nèi)部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于提供浸沒管系統(tǒng)的套 管，在使用時套管部分延伸到熔池中，在套管下面分布著出口和/或狹
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于狹槽和/或開口采用 從套管內(nèi)部向其外部增加的橫截面。9.根據(jù)權(quán)利要求6-8的一個或多個所述的設(shè)備，其特征在于浸沒 管系統(tǒng)的套管內(nèi)壁的至少 一部分由不會被液態(tài)金屬浸潤的材料制成。
全文摘要
用于分析由液態(tài)金屬構(gòu)成的熔池的成分的方法，在所述方法中激光束導(dǎo)向熔池表面，在所述方法中至少一部分金屬形成被分析的試樣，其中，在激光束與熔池相遇的位置，熔池表面的雜質(zhì)通過吹掃用的氣體流的吹掃被清除。
文檔編號G01N21/15GK101263380SQ200680026751
公開日2008年9月10日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者P·A·德弗里斯 申請人:阿勒里斯瑞士有限公司