专利名称：分析液态金属的方法和本方法中使用的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分析液态金属熔池的成分的方法和本方法中使用 的设备。
技术背景这种类型的方法和设备从英国专利申请GB2154315A中有所了 解。所述公布的申请描述了一种用于分析熔钢成分的方法和设备。根据所描述的该方法，提供有用来传输激光束的装置的探针定位 在液态钢熔池的上方。激光撞击的那部分钢放射出特定元素射线。放 射的射线经由光学系统(光学系统同样容纳在探针内)传输到分光计 中进行分析。钢的成分可从分析结果中获得。这种方法也被称为LIBS (激光感生击穿光语技术)。在面对熔池的侧面，探针设有一个陶瓷管，该陶瓷管可保护探针免受液态钢和在液态钢上面出现的残渣的影响。为了防止液态钢渗透到陶瓷管中，由从探针入口供入并从探针出口排出的有限通道中的气体流束在管内提供气压。在本说明书的内容中，术语激光可理解成由激光产生的电磁射线 的任一种形式。而且，术语金属也可理解成包含一种主要由一种或多 种金属和其它金属或非金属组成的合金。已有方法的一个问题是与激光束在熔池表面撞击的材料，比如现 有技术的钢和合金元素，与气体或气体中不可避免存在的杂质(比如 惰性气体中氧)发生反应。杂质与材料发生反应形成化合物，该化合物又由于激光束的能量 至少部分产生射线，因此歪曲了熔池成分的测量。另 一个问题是具有如此高的熔点或沸点的化合物不会熔化或蒸 发，而是在激光束与熔池应该接触的地方形成一个固体硬壳。尤其是在活性金属的情况下这个问题尤其突出。如果熔池的成分发生波动，固体硬壳遮住熔池使其不能进行进一 步分析，其结果是不可能正确测量熔池的当前成分。尤其是在由于统计精度的需要而延长测量时间的情况下，这个问 题尤其突出。 发明内容本发明的一个目的是提供一种用于分析金属的方法，在该方法中， 测量精度不受气体中的杂质影响。本发明的另一个目的是提供一种用于分析金属的方法，该方法也 适用于分析活性金属。本发明还有另一个目的是提供一种用于分析金属的方法，该方法 也适用于测量金属熔池中的低浓度元素或者适用于长期测量。通过一种用于分析由液态金属构成的熔池的成分的方法来实现这 些目的或其他目的。在该方法中， 一束激光束被引导到溶池表面上， 液态金属中至少有一部分金属形成被分析试样，其特征在于，至少在 激光束与熔池相遇的位置，熔池表面的杂质通过一束吹扫用的气体被 清除出去。吹扫用的气体束带走已经形成的不希望有的反应产物形式的杂 质，并将杂质带出激光束与熔池相遇的表面区域。测试表明清除杂质 可如此有效地进行以使实现连续测量成为可能，甚至使精确测量和确 定熔池变化成分成为可能。如果液态金属是液态铝合金，本发明的方法特别有利。 铝对于氧气有特别高的亲和力，甚至是通常用作吹扫气体的氩气所具有的10-7的非常低的氧势，也过高以致无法分析铝熔池的成分，当然如果需要确定浓度低的合金元素或杂质的话。因而，先于本发明的LIBS不适用于如铝合金制造所要求的连续地或高精确度地确定液 态铝熔池的成分。本发明方法的进一步改进在一个实施例中实现。其特征在于，在 该实施例中，吹扫用的气体束的速度和方向选择成熔池邻近其和激光束相遇的位置处的表面具有一个凸起弯月面。已经发现通过选择供给到表面的气体方向和气体量，可以促进凸 起弯月面的形成、保持和高度。以吹扫用的气体从凸起弯月面上方径 向排出并由此带走杂质的这种方式来供应吹扫用的气体特别有效。根据本发明的一个特别有效的实施例，带顶面、底面和套管的浸 没管系统至少部分放入熔池中，吹扫用的气体流供给到熔池上面的浸 没管系统内，并至少在激光束和熔池相遇的地方被导入到熔池上面。浸没管系统延伸进入液态金属熔池中造成在浸没管系统的套管中 的熔融金属的凸起弯月面。在弯月面上形成的固态或液态杂质被吹扫 用的气体流排出到激光束之外的区域。已经发现，在熔池平顶面的情 况下，例如，熔融的铝，在激光束和熔池表面相遇的地方会形成达10mm深的凹陷。在这个凹陷处收集的渣滓使可靠的测量不可能进行。 本发明的实施例避免了这个问题。根据本发明的方法的另一个实施例，其特征在于，浸没管系统中 的吹扫用的气体在熔池表面下方从浸没管系统处排出。对于选定的套 管直径、套管被浸没的深度和气体流速度，杂质以这种方式排到浸没 管系统之外是可能的。如果液态金属是一种液态铝合金，本发明的方法特别有益。液态 铝的活性特别强，形成一个氧化铝硬壳，甚至在吹扫用的气体或泄漏 的气体带来非常小量的氧的情况下，氧化铝硬壳也会歪曲测量。使用 本发明的方法，形成的氧化铝被吹扫用的气体排到激光束和熔池表面 相遇的区域之外。本发明也通过用来分析由液态金属构成的熔池的成分的方法中使 用的设备来进行具体实施。该设备配备一个带顶面、底面和具有内壁 和外壁的套管的浸没管系统，用来产生一束激光的激光源和用来将吹 扫用的气体供给到浸没管系统内的供气管，其特征在于供气管的通道 具有尺寸缩减的孔以至少局部增加熔池方向上的气体流速，而且供气官管内部。更可取的是套管内部的供气管至少部分与套管同心使用本设备时，浸没管系统浸没在液态金属熔池中，形成一个凸 起的弯月面。已经发现凸起的弯月面的高度可随着沿浸没管系统下面 排出吹扫用的气体而增大。更可取的是吹扫用的气体以沿着凸起的弯 月面的最高点的方向的选定的速度被供应。另外一个优点是杂质由吹 扫用的气体沿着弯月面带走。已经发现，激光束提供给熔融金属的动量致使熔融金属的液滴从 熔池中突然跳出来并还沉积在用来将激光束导入到熔池并将任意特定 元素射线导入到分析装置的光学系统上，或者沉积在用于将气体试样 排到分析装置的气体管上。本发明的实施例也防止液态金属液滴达到光学系统或气体试样管 中， 一方面是由于尺寸缩减的孔，另一方面是由于较高的气体速度。本发明装置的另一个改进是通过一个实施例来实现，该实施例具 有的特征是提供浸没管系统的套管，该套管的 一部分在使用时延伸到 熔池中，在套管下面分布着出口和/或狭槽。令人惊奇的是，已经发现在本实施例中弯月面是自动稳定的或至 少比不使用本测量设备更自动稳定。也就是，弯月面在浸没管系统中 具有对称的外形，尤其是套管为圆形横截面时。而且，在狭槽和/或开口采用从套管内部向其外部增加的横截面的 本实施例中，已经发现在本实施例中发生由激光束的动量造成的振动 更成功地被削弱。本发明的一个更优选的实施例具有的特征是浸没管系统的套管内 壁的至少一部分由不会被液态金属浸润的材料制成。本实施例还促进了凸起的弯月面的形成和高度。而且，由于套管 不会与材料有同等程度的接触，鉴于减少的化学侵蚀，使浸没管具有 更长的服务寿命。下面基于适用于实现本发明方法的测量装置的示意图，更详细解 释本发明。
图中图1示出了根据本发明的用来测量熔池成分的测量装置的示意截 面图，而且图2示出了一个本发明方法中使用的浸没管系统的套管下面的视图。
具体实施方式
在图1中，1表示熔融金属熔池的一部分，比如熔融的铝合金熔 池。本实施例中所示的带套管3的浸没管系统延伸到熔池中。供气管 4在套管内与套管同心。套管3和供气管4通过0形團5相互联接， O形圏5也提供防气泄漏密封作用。套管3的一部分浸没入熔池1的结果是，在套管内部形成一个凸 起的弯月面。更可取的是套管内壁的至少 一部分由非浸润材料制成。 由激光源(未显示)产生的激光束15在会合面7的位置与弯月面相遇， 会合面7位于激光束焦点上方以防止出现定位问题并防止位于弯月面 上面的气体形成等离子体。供气管4的通道8带有中心变窄的部分9。来自气体源(没有详细显示)的吹扫用的气体流的方向由箭头10、 11和12指示。尺寸缩减的孔的结果是，吹扫用的气体流经孔的时候，该气体的 速度增加。吹扫用的气体流沿着弯月面流动，沿箭头13指示的方向带 走固体颗粒或可能存在的液体颗粒，以使暴露在激光束下的会合面7总是清洁的。而且，气体流促进了凸起的弯月面的保持和高度。弯月 面的向下弯曲进一步推动了保持会合面7清洁的过程。吹扫用的气体以气泡14形式离开浸没管并带走固体颗粒。图2a示出了在底管3为圃柱形管的这种情况下的浸没管的侧视图。图2b示出了浸没管的下面的一个视图。套管3的壁20带有齿形狭槽21。优选地，狭槽的横截面从内向 外增加，如图2b所示。结果是使浸没管内部的气体流速大于管外部的 气体流速，这将对弯月面的位置具有稳定作用，而且还确保浸没管内部的金属连续移动，因此较好地反映熔池中的金属。另外或作为一种选择，使用本方法时，套管可带有浸到熔池中的孔眼22。狭槽和孔眼 对弯月面的形状具有稳定和均匀化作用。而且，假定他们在浸没管下 面的周围产生附加流动，这将有助于浸没管内的液态金属被持续更新， 而且因此较好地反映熔池剩余部分中的熔融金属。
权利要求
1.用于分析由液态金属构成的熔池的成分的方法，在所述方法中激光束导向熔池表面，在所述方法中至少一部分金属形成被分析的试样，其特征在于至少在激光束与熔池相遇的位置，熔池表面的杂质通过吹扫用的气体流的吹扫被清除。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于吹扫用的气体流的速 度和方向选择成在邻近激光束与熔池相遇的位置处的熔池表面具有一 个凸起的弯月面。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于有顶面、下面和 套管的浸没管系统至少部分放入熔池中，吹扫用的气体流在熔池上方 供给到浸没管系统内，并且至少在激光束与熔池相遇的位置处导入到 熔池。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于浸没管系统中的吹扫 用的气体在熔池表面下方从浸没管系统排出。
5. 根据权利要求l-4中的一个或多个所述的方法，其特征在于液 态金属是液态铝合金。
6. 用于根据权利要求1-5中的一个或多个所述的分析由液态金属 构成的熔池的成分的方法中使用的设备，该设备配有一个带有顶面、 下面和具有内壁和外壁的套管的浸没管系统，用来产生一束激光的激 光源和用来将吹扫用的气体供给到浸没管系统内的供气管，其特征在于供气管的通道具有尺寸缩减的孔以至少局部增加熔池方向上的吹扫 用的气体的流速，而且供气管以在使用时套管内部的熔池沿着吹扫用 的气体流动方向形成凸起的弯月面的方式伸入套管内部。
7. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于提供浸没管系统的套 管，在使用时套管部分延伸到熔池中，在套管下面分布着出口和/或狭
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于狭槽和/或开口采用 从套管内部向其外部增加的横截面。9.根据权利要求6-8的一个或多个所述的设备，其特征在于浸没 管系统的套管内壁的至少 一部分由不会被液态金属浸润的材料制成。
全文摘要
用于分析由液态金属构成的熔池的成分的方法，在所述方法中激光束导向熔池表面，在所述方法中至少一部分金属形成被分析的试样，其中，在激光束与熔池相遇的位置，熔池表面的杂质通过吹扫用的气体流的吹扫被清除。
文档编号G01N21/15GK101263380SQ200680026751
公开日2008年9月10日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年7月26日
发明者P·A·德弗里斯 申请人:阿勒里斯瑞士有限公司