AT390680B - Sonde zum leiten mechanischer ultraschallenergie - Google Patents

Description

Nr. 390 680

Diese Erfindung betrifft einen Tastkopf bzw. eine Sonde zum Leiten mechanischer Ultraschallenergie zwischen einem Wandler und einer Aluminiumschmelze, welche Sonde eine Arbeitsspitze besitzt, die Titan enthält und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

In den letzten Jahren haben Ultraschallschwingungen eine große Bedeutung erlangt. Ihre einzigartigen Eigenschaften wurden in der Industrie, zur Signalisierung, in der Medizin und auf vielen anderen Gebieten angewandt

Die Verwendung von Ultraschallschwingungen zur Bearbeitung und Überprüfung von geschmolzenem Aluminium ist bekannt, obwohl sie zur Zeit kommerziell nicht sehr verbreitet ist.

Es ist beispielsweise bekannt, daß geschmolzenes Aluminium mit Ultraschallschwingungen von relativ niedrigen Frequenzen (15-20 kHz) und hoher Leistung (0,1 - einige hundert Watt) bearbeitet werden kann, um Verbesserungen der Metallqualität zu erreichen. Zu den Wirkungen, über die berichtet wurde, gehören: Entgasen des geschmolzenen Aluminiums, um den Wasserstoffgehalt herabzusetzen, leichtere Verteilung der Legierungselemente im geschmolzenen Aluminium und in Hinblick auf das erstarrte Metall, eine Veredelung der Kristalle sowie eine verbesserte Bearbeitbarkeit und mechanische Eigenschaften. Für die Überprüfung des geschmolzenen Aluminiums werden relativ hohe Frequenzen (1-10 MHz) und niedrige Leistungen (0,004-0,04 Watt) verwendet. Das gebräuchlichste Überprüfungsverfahren ist das Impuls-Echo-Verfahren, bei dem ein Ultraschallimpuls in das geschmolzene Aluminium gesendet wird und die Impulsreflexionen oder Echos abgetastet und gemessen werden. Die Qualität der Schmelze kann an Hand der Anzahl und der Amplitude von Echos, die von Unstetigkeiten, beispielsweise von unlöslichen Schmelzbestandteilen reflektiert werden, von Dämpfungen in der Impulsamplitude, der Impulsgeschwindigkeit durch die Schmelze und von Verschiebungen in der Frequenz der Ultraschallschwingungen gekennzeichnet werden.

Andere Anwendungen von Ultraschallschwingungen für die Bearbeitung oder Überprüfung von geschmolzenem Aluminium sind selbstverständlich möglich. Für Einzelheiten, die die Ultraschallschwingungstechnologie im allgemeinen betreffen, sei auf B.Carlin, Ultrasonics, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York-Toronto-London (1960) verwiesen, wobei auf diese Veröffentlichung hier Bezug genommen werden soll.

Um Ultraschallschwingungen in eine Aluminiumschmelze zu senden oder von dieser Schmelze zu empfangen, ist es allgemein üblich, einen elektromechanischen Wandler zu verwenden, um elektrische Energie in mechanische Energie und vice versa umzusetzen. Die meisten bekannten elektromechanischen Umsetzsysteme arbeiten entweder mit dem magnetostriktiven oder dem piezoelektrischen Effekt. Magnetostriktive Wandler werden jedoch im allgemeinen für die Überprüfung von geschmolzenem Aluminium nicht verwendet, da sie eine charakteristisch niedrige Arbeitsfrequenz (z. B. 60 kHz oder weniger) verwenden.

Piezoelektrische Wandler haben typisch die Fähigkeit, daß sie Ultraschallschwingungen sowohl aussenden als auch empfangen können. Es kann somit ein einziger piezoelektrischer Wandler verwendet werden, um beide Funktionen auszuführen, oder es stehen zwei getrennte Wandler für das Aussenden und den Empfang zur Verfügung. Es ist leicht, piezoelektrische Wandler heizustellen, die hohe Frequenzen und niedrige Leistungspegel verarbeiten können, so daß diese Wandler für Überwachungsverfahren von geschmolzenem Aluminium sehr gut geeignet sind.

Ein Wandler kann herkömmlich mit der Schmelze über einen Tastkopf gekoppelt werden, der manchmal "Verzögerungsleitung" oder "mechanisches Distanzstück" genannt wird. Dabei sei beispielsweise auf die US-PS 3 444 726 (R.S. Young et al) verwiesen. Der Tastkopf dient dazu, um den Wandler von den hohen Schmelztemperaturen zu isolieren, die sich üblicherweise in einem Bereich von etwa 675 bis 825 °C bewegen, und um eine Zeitverzögerung zwischen einem ausgesendeten Impuls und den Echos einzuführen, die von Einschlüssen stammen, die in der Nähe jener Stelle liegen, an der der Impuls zuerst in die Schmelze eindringt.

Der Tastkopf besitzt üblicherweise die Form eines Balkens oder einer Stange, deren eines Ende in die Schmelze taucht und als "Arbeitsspitze" bekannt ist Das andere Ende des Tastkopfs ist mit dem Wandler gekoppelt Dabei wurde festgestellt daß ein ideales Tastkopfmaterial folgende Eigenschaften haben soll: a) das Material soll über dem Bereich der Aibeitstemperaturen und der verwendeten Frequenzen eine konstant niedrige Dämpfung der akustischen Energie besitzen. b) Es soll fehlerfrei und homogen sein und gegen Wärme- und mechanische Stoßbelastungen einen guten Widerstand besitzen. c) Es soll einen guten Widerstand gegen den Angriff durch das geschmolzene Metall bieten. Irgendein Material, das mit dem geschmolzenen Metall reagieren kann, um einen Schutzfilm zu bilden, hat den Nachteil, daß eine Benetzung des eintauchenden Senderendes des Tastkopfs durch das geschmolzene Metall wesentlich herabgesetzt wird. d) Es soll eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. e) Die akustische Impedanz, d. h. das Produkt von Dichte und Schallgeschwindigkeit sollte in derselben Größenordnung wie beim geschmolzenen Metall liegen.

Anscheinend wurde kein Material gefunden, das alle diese Anforderungen erfüllt

In der bisherigen Technik wurden beispielsweise gesinterte Stangen aus Titandiborid und Titankarbidmischungen im Volumsverhältnis von 70/30 und 60/40 erprobt Bei diesen Stangen traten anfangs Schwierigkeiten dabei auf, eine entsprechende Fehlerfreiheit zu erhalten und die eingetauchten Stangenenden zu -2-

Nr. 390 680 benetzen, um eine Übertragung der Ultraschallenergie zwischen dem flüssigen Aluminium und den Tastköpfen zu ermöglichen. Bei den Versuchen, die Benetzung zu erreichen, wurden die Tastköpfe in das flüssige Aluminium in einer Schutzgasatmosphäre oder in Argon eingetaucht. Diese Versuche waren nicht erfolgreich, auch wenn die Tastkopfenden vor ihrem Eintauchen mit einem Hartlot bedeckt wurden. Größere Erfolge erzielte man, wenn die Stangen mit reinem Aluminium bei hohen Temperaturen (z. B. 1.200 °C) unter Vakuum überzogen wurden. Damit ergab sich eine geringe Dämpfung und ein sehr kleiner Signalverlust an den Grenzflächen zwischen dem Tastkopf und dem Aluminium. Diese Vorteile gingen aber verloren, wenn die Tastköpfe aus dem flüssigen Metall entfernt und der Atmosphäre ausgesetzt wurden. Die Oberflächen des Tastkopfendes oxidierten sichtlich, sodaß bei einem Wiedereintauchen keine volle Benetzung auftrat und nur ein kleiner Teil des bereitgestellten Signals in das Metall ausgesendet wurde.

In der bisherigen Technik wurde auch eine Titanlegierung, Ti 317, erprobt, die 5 % Al und 2,5 % Sn (Gew.-%) enthielt und mit einer Einphasenstruktur erhältlich war. Diese Legierung widerstand bis zu einem beträchtlichen Grad der Erosion. Material mit einer Doppelstruktur (+B) besaß eine sehr starke Dämpfung, so daß man nur Signale bis zu 2,5 MHz über eine 60,96 cm lange Stange von 2,54 cm Durchmesser aussenden konnte. Beim Umsetzen in eine Einphasenstruktur besaß die Stange eine angemessene Dämpfung, obwohl diese höher als wünschenswert war. Weiters ergaben Versuche, daß Titan nicht benetzt wird, bis es ca. 30 min lang in geschmolzenes Aluminium eingetaucht wurde.

Nachdem Versuche mit Titandiborid - Titankarbid - Sinterwerkstoffen und metallischen Titanlegierungen als Tastkopfwerkstoffe durchgeführt wurden, wurde von einer Gruppe einem Stahl (0,26 Gew.-% Kohlenstoffanteil) der Vorzug gegeben, der mit aufgesprühtem in Wasser suspendierten Foseco Dycote 34 überzogen und mit einer Kappe von Silberlot bestückt war. Durch das Silberlot wurde die Benetzung beschleunigt, sodaß die Tastköpfe, die zur Verfügung stehende Energie etwa 3 min nach dem Eintauchen aussenden und empfangen konnten. Wenn die Tastköpfe einmal benetzt waren, konnten sie aus dem flüssigen Metall entfernt, abgekühlt und dann wieder eingesetzt werden, ohne daß sich ein übermäßiger Verlust der Koppelwirkung ergab. Der aufgesprühte feuerfeste Belag verhinderte eine Benetzung der Seiten des Tastkopfs und die Einleitung von Streuschwingungen in das flüssige Metall. Ein Problem bestand jedoch darin, daß sich der Stahl in der Aluminiumschmelze aufzulösen versuchte. Das Problem wurde jedoch dadurch hingenommen, daß man die Amplitude der reflektierten Echos überwacht und, wenn die Amplitude unter einen vorgegebenen Pegel fiel, die Tastköpfe entfernte, kürzte und wiederbelötete.

Bei verschiedenen Tastkopfaufbauten, die in der bisherigen Technik betrachtet wurden traten ein oder mehrere der folgenden Probleme auf: Die Benetzung erfolgte überhaupt nicht oder sie trat erst eine beträchtliche Zeitspanne nachher auf, nachdem der Tastkopf zuerst in die Schmelze getaucht wurde; die Benetzung erfolgte nicht, nachdem der Tastkopf aus der Schmelze entfernt, der Atmosphäre ausgesetzt und abgekühlt und dann wieder eingetaucht wurde; bei Arbeitstemperaturen dämpfte das Tastkopfmaterial die Ultraschallsignale auf einen unerwünschten Wert; oder das Tastkopfmaterial war im geschmolzenen Aluminium chemisch nicht stabil.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde der eingangs angeführten Art zu schaffen, welche die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Sonden vermeidet

Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Sonde dadurch gelöst, daß die Arbeitsspitze im wesentlichen aus Titan besteht und eine vakuumaufgedampfte Schicht aus Aluminium trägt

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sonde ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: (a) chemisches Ätzen der Oberfläche der Arbeitsspitze zur Reinigung dieser Fläche und zum Entfernen von Titanoxiden und anderen Reaktionsprodukten von der erwähnten Oberfläche; (b) Einsetzen der Arbeitsspitze in eine Vakuumatmosphäre; (c) Beschießen der Oberfläche der Spitze mit ionisiertem Gas aus einer Glimmentladung zur weiteren Reinigung und Entfernen von Titanoxiden und anderen Reaktionsprödukten von der erwähnten Oberfläche; (d) Herabsetzen des Druckes der Vakuumatmosphäre; und (e) Verdampfen von Aluminium in der erwähnten Vakuumatmosphäre, so daß sich das verdampfte Aluminium auf der Oberfläche der Arbeitsspitze zur Bildung einer Beschichtung auf dieser niederschlägt

Die Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 den Seitenriß einer besonderen Überprüfungssonde (Tastkopf) für geschmolzenes Aluminium, die hier beschrieben wird;

Fig. 2 den Aufriß der Sonde von Figur 1, wobei Teile enfemt und Teile aufgerissen sind und

Fig. 3 ein als Beispiel dienendes Blockschaltbild für den Betrieb der Sonde von Figur 1 und 2.

In Figur 2 und 3 ist eine verbesserte Sonde (1) dargestellt, die eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung darstellt.

Dabei ist ersichtlich, daß der Tastkopf (1) für Überpriifungsverfahren von geschmolzenem Aluminium besonders geeignet und eingerichtet ist, und es für andere Anwendungsarten, z. B. die Bearbeitung von geschmolzenem Aluminium, notwendig ist, Anpassungen vorzunehmen, wie dies für Fachleute ersichtlich ist.

Der Tastkopf (1) enthält einen Hauptteil (3), der im wesentlichen aus Titan besteht und vorzugsweise aus einem geschmiedeten Titanblock mit einer Einphasenstruktur hergestellt wird. Der Hauptteil (3) besitzt entgegengesetzte Enden (5) und (7), von denen jedes eine im wesentlichen ebene Endfläche (9) besitzt, die zur Längsachse (11) des Hauptteils (3) im wesentlichen senkrecht steht. -3-

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Ein geeigneter piezoelektrischer Wandler (13) kann mit der Fläche (9) des Hauptteilendes (7) herkömmlich dadurch gekoppelt sein, daß von einer Niederhalteplatte (17) gegen einen O-Ring (15) ein mechanischer Druck angelegt wird, wie dies Fig. 2 zeigt. Wie man sieht, kann die Platte (17) mit mehreren Flügelschrauben (19) befestigt werden. Um den akustischen Widerstand auf ein Minimum zu bringen, sollte zwischen der Oberfläche (9) des Hauptteilendes (7) und der Arbeitsberührungsfläche des Wandlers (13) ein geeignetes Koppelmedium eingelegt werden, beispielsweise eine Zwischenfolie oder ein geeignetes Hochtemperaturöl oder Fett. Das Koppelmedium kann beispielsweise aus einer geeigneten Siliziumverbindung bestehen, z. B. Dow Corning Corporation' 710 flüssiges Siliziummedium (funktionstüchtig von -32 bis 260 °C).

Beim Wandler (13) kann es sich um irgend einen herkömmlichen Wandler handeln, der innerhalb des gewünschten Frequenz- und Leistungsbereichs arbeitet. Bei der dargestellten Ausführungsform dieser Erfindung können im allgemeinen Wandler verwendet werden, die ein Kristall aus Quarz, Bariumtitanat oder einem geeigneten keramischen Material besitzen. Beispielsweise kann eine flache Tauchsuchstufe der Serie A-3000 verwendet werden, wie sie Panametrics Inc. herstellt.

Die Betriebsfähigkeit eines typischen piezoelektrischen Wandlers ist durch seine Curie-Punkt-Temperatur begrenzt. Beispielsweise muß ein Wandler mit einem Quarzkristall bei Temperaturen von 300 °C oder darunter arbeiten. Ein Wandler, der einen Bariumtitanatkristall verwendet, muß üblicherweise bei Temperaturen von 110 °C oder darunter betrieben werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, den Tastkopf (1) so abzukühlen, daß die Oberfläche (9) des Hauptteilendes (7) eine Temperatur besitzt, die innerhalb der Betriebsgrenzen für den Wandler (13) liegt. Die Temperatur dieser Oberfläche (9) kann dadurch überwacht werden, daß man ein Thermoelement verwendet, das in einer Öffnung (21) angeschlossen ist, die Figur 2 zeigt

Der Tastkopf (1) besitzt eine Arbeitsspitze, die vom Ende (5) des Hauptteils (3) gebildet wird. Um eine übermäßige Dämpfung der Ultraschallsignale durch das Titantastkopfmaterial zu verhindern, sollte die Arbeitsspitze relativ kurz sein. Aus diesem Grund sollte die Arbeitsspitze eine Länge (A) besitzen, die etwa 0,3 bis 7,6 cm, vorzugsweise etwa 0,6 bis 5 cm, z.B. etwa 0,95 cm beträgt.

Wie man sieht, wird der Hauptteil (3) teilweise von einem seitlichen Teil (29) gebildet, der neben der Arbeitsspitze liegt, wobei dieser seitliche Teil (29) eine Länge (B) besitzt und einen Kühlbereich für den Tastkopf (1) bildet. Die Länge (B) sollte relativ kurz gehalten werden, beispielsweise etwa 63 bis 7,6 cm, um eine übermäßige Dämpfung der Ultraschallsignale zu verhindern und einen ausreichenden Bereich für den Tastkopf (I) zu liefern, damit eine entsprechende Kühlung möglich ist.

Die Wärme wird aus dem oben erwähnten Kühlbereich durch eine Kühlvorrichtung, z. B. einen Wassermantel (31) oder ähnliches, abgeleitet. Der Wassermantel (31), der aus Messing hergestellt und mit einer Schrumpfverbindung an seinem Platz gehalten wird, sollte über eine derartige Kapazität verfügen, daß er den Tastkopf (1) so abkühlt, daß dann, wenn die Arbeitsspitze beim Eintauchen in eine Aluminiumschmelze bei einer Temperatur im Bereich von etwa 675 bis 825 °C ein thermisches Gleichgewicht eireicht, entlang der Achse (II) innerhalb des Kühlbereichs des Tastkopfs ein negativer Temperaturgradient von zumindest 78 °C/cm z. B. etwa 98 °C/cm, besteht. Dieser negative Temperaturgradient sollte die Temperatur des Tastkopfs entlang der Achse (11) vom Eintauchpunkt, z. B. dem Punkt (C), bis zu einem Punkt herabsetzen an dem die Temperatur des Tastkopfs 300 °C oder weniger beträgt. Dieser negative Temperaturgradient ist notwendig, um eine übermäßige Dämpfung der Ultraschallsignale von geringerer Leistung durch das Titantastkopfmaterial zu verhindern. Weiters soll er dazu dienen, um die Temperatur der Oberfläche (9) des Hauptteilendes (7) innerhalb der Betriebsgrenzen für den piezoelektrischen Wandler (13) herabzusetzen.

Wie Figur 2 zeigt kann der Wassermantel (31) einen zweiteiligen Aufbau enthalten, der eine Kappe (22) aufweist, die mit Silberlot befestigt werden kann. In der Figur laufen die Flügelschrauben (19) durch die Wandlemiederhalteplatte (17) und sind in die Kappe (22) geschraubt. Um ein Rutschen zwischen dem seitlichen Teil (29) des Tastkopfes und dem Wassermantel (31) zu verhindern, wenn der Tastkopf (1) in Betrieb steht, kann eine zusätzliche Flügelschraube (nicht dargestellt) durch die Niederhalteplatte (17) in das Hauptteilende (7) geschraubt werden.

Der Tastkopf (1) kann weiters eine im wesentlichen ebene reflektierende Oberfläche (23) aufweisen, die zur Oberfläche (9) des Endes (5) des Hauptteils (3) entgegengesetzt, beabstandet und im wesentlichen parallel liegt. Wie Figur 2 zeigt, kann die reflektierende Oberfläche (23) von der Oberfläche (9) durch 2 gegenüberliegende Tragwände (25) beabstandet sein. Die Oberfläche (9) des Endes (5) bestimmt somit einen Hohlraum (27), der weiters von den Tragwänden (25) und der reflektierenden Oberfläche (23) gebildet wird. Wenn die Arbeitsspitze des Tastkopfs (1) eingetaucht wird, füllt sich der Hohlraum (27) mit geschmolzenem Metall. Der Hohlraum (27) bietet einem Strom von geschmolzenem Metall Platz, wenn die Arbeitsspitze für die Überprüfung eines geschmolzenen Aluminiumstroms eingetaucht wird. Falls es wünschenswert ist, können die Tragwände (25), die reflektierende Oberfläche (23) und der Hauptteil (3) aus einem einzigen Stück eines Titanblocks hergestellt werden, wobei der Hohlraum (27) unter Verwendung eines herkömmlichen Bearbeitungsvorgangs hergestellt werden kann.

Die Oberfläche (9) des Endes (5) und die reflektierende Oberfläche (23) können jeweils eine Abmessung von etwa 5 x 5 cm im Quadrat besitzen und um einen Abstand (D) beabstandet sein, sodaß in Betrieb die Ultraschallsignale, die von der Oberfläche (9) ausgesendet werden, von der reflektierenden Oberfläche (23) zur Oberfläche (9) des Endes (5) zurückgeworfen werden, nachdem sie einen bekannten Bezugsabstand durchlaufen -4-

Nr. 390 680 haben. Die Verwendung einer reflektierenden Oberfläche, beispielsweise der Oberfläche (23), ist notwendig, um die Geschwindigkeit und eine vergleichsweise Amplitudendämpfung sowie Frequenzverschiebungen der Ultraschallsignale abzutasten und auszuwerten. Für die Abtastung von Unstetigkeitsstellen ist jedoch keine reflektierende Bezugsfläche erforderlich. Es ist jedoch möglich, die reflektierende Oberfläche (23) zusammen mit den Tragwänden (25) wegzulassen und eine geeignete reflektierende Ersatzfläche zu verwenden, die vom Tastkopf (1), abgesetzt in der Aluminiumschmelze angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Teil des Aufbaus, der die Schmelze enthält, verwendet werden. Durch den dargestellten Aufbau werden jedoch große Erleichterungen geschaffen, da der Tastkopf (1) eingesetzt und bewegt werden kann ohne daß man sich über das Ausrichten des Tastkopfs (1) oder des Wiedererrichtens jenes Abstandes Gedanken machen muß, den die Signale zurücklegen werden.

Die reflektierende Oberfläche (23) sollte zumindest etwa 1,3 cm von der Oberfläche (9) des Tastkopfendes (5) beabstandet sein. Beispielsweise kann ein Abstand (D) von etwa 3,8 bis etwa 5 cm verwendet werden. Damit wird ein Signalweg durch die Schmelze sichergestellt, der genügend lang ist, um die charakteristischen Daten zu erhalten. Der Abstand (D) soll weiters so beschaffen sein, daß das Verhältnis des Abstands (D) zur Tastkopflänge (A+B) kleiner als das Verhältnis der Signalgeschwindigkeit durch die Schmelze zur mittleren Signalgeschwindigkeit durch den Tastkopf (unter den Arbeitsbedingungen) ist. Dies geschieht deshalb, um eine mögliche Überlappung zwischen den empfangenen Signalen von der Schmelze und der zweiten empfangenen Reflexion von der Grenzfläche zwischen dem Tastkopf und der Schmelze zu verhindern.

Erfindungsgemäß ist die Arbeitsspitze des Tastkopfs mit einem Belag aus Aluminium überzogen, der in einem Vakuum abgedampft und auf der Arbeitsspitze niedergeschlagen wurde. Der Tastkopf (1) ist dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eintauchen der Arbeitsspitze in eine Aluminiumschmelze bei Temperaturen bis etwa 850 °C die Arbeitsspitze von geschmolzenem Aluminium in etwa einer Minute oder weniger, z. B. in etwa 15 Sekunden, benetzt wird. Wenn sie einmal benetzt ist, kann die Arbeitsspitze des Tastkopfs aus dem flüssigen Metall entfernt, der Atmosphäre ausgesetzt, abgekühlt und dann wieder in die Schmelze eingetaucht werden, wobei die Wiederbenetzung in einer ähnlich kurzen Zeit erfolgt, z. B. in etwa einer Minute oder weniger und üblicherweise in etwa 15 Sekunden.

Der Aluminiumbelag kann auf die Arbeitsspitze des Tastkopfs herkömmlich aufgebracht werden, indem man das folgende Spezialverfahren verwendet.

Zuerst wird die Arbeitsspitze chemisch geätzt, um sie zu reinigen und Titanoxide und andere Reaktionsprodukte von der Oberfläche der Arbeitsspitze zu entfernen. Dieser Schritt kann dadurch ausgeführt werden, daß man eine geeignete saure, wässerige Lösung verwendet, die zumindest eine Säure enthält, die aus einer Gruppe ausgewählt wurde, in der sich Chromsäure, Fluorwasserstoffsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Natriumsulfat und Schwefelsäure befinden. Zufriedenstellende Ergebnisse hat man beispielsweise dadurch erhalten, daß eine Lösung verwendet wurde, die im wesentlichen etwa 20 Gew.-% Fluorwasserstoffsäure und etwa 30 Gew.-% Salpetersäure Rest Wasser enthielt. Vorzugsweise wird der Ätzschritt fortgesetzt, bis eine ausreichende Menge des Elements Titan von der Arbeitsspitze des Tastkopfs entfernt wurde, sodaß die darunterliegende Titankristallstruktur an der Oberfläche der Arbeitsspitze sichtbar wird.

Das geätzte Werkstück wird dann in einer Vakuumatmosphäre vorzugsweise bei einem Druck von etwa 6,65 bis 40 Pa, z. B. etwa einem Druck von 26,6 Pa angeordnet, wobei die Oberfläche der Arbeitsspitze vorzugsweise für eine Zeitspanne von etwa 15 bis 60 Minuten, z. B. etwa 45 Minuten, mit dem ionisierten Gas von einer Glimmentladung bombardiert wird. Mit diesen Schritten wird die Oberfläche der Arbeitsspitze weiter gereinigt und Titanoxide und andere Reaktionsprodukte von ihr entfernt

Der Vakuumatmosphärendruck wird vorzugsweise auf einen Druck von etwa 0,000665 bis 0,0665 Pa z. B. einen Druck von etwa 0,00133 Pa herabgesetzt worauf das Aluminium im Beisein des Werkstücks vorzugsweise für etwa 15 bis 30 Sekunden, z. B. etwa 20 Sekunden, abgedampft wird, so daß das abgedampfte Aluminium an der Oberfläche der Arbeitsspitze abgelagert wird, um den gewünschten Belag zu bilden.

Um die überzogene Arbeitsspitze des Tastkopfs zu versiegeln und deren Oxidation zu vermeiden, ist es günstig, die Arbeitsspitze innerhalb von einigen Minuten in eine Aluminiumschmelze zu tauchen, nachdem der Tastkopf aus der Vakuumatmosphäre entfernt wurde. Es kann auch nützlich sein, den Tastkopf zu diesem Zeitpunkt in Betrieb zu setzen. Nach dem Entfernen des Tastkopfs aus der Schmelze wird der Tastkopf abgekühlt und dann gelagert.

Der Tastkopf (1) kann mit einer herkömmlichen Impulsechostufe betrieben werden, die in der Technik bekannt ist. In der US-PS 2 280 226 (F.A.Firestone) ist ein Schaltkreis für ein Reflektoskop geoffenbart, der für dieses Beispiel Verwendung finden kann. Mit guten Ergebnissen kann ein Modell S-80 Reflektoskop mit einem Modell PR-1 Impulsgeber/Empfanger verwendet werden, der von Automation Industries Inc. hergestellt wird. Andererseits kann auch ein Modell 9.000 Dämpfungsvergleicher verwendet werden, den Matec, Inc. erzeugt

In Figur 3 ist ein als Beispiel dienendes Blockschaltbild für die Inbetriebsetzung des Tastkopfs (1) dargestellt. Wie man sieht, werden die Ausgänge eines Impulsoszillators (33) und eines Hochffequenzoszillators (35) an einen Modulator (37) gelegt, dessen Ausgang wiederum einem Verstärker (39) zugeführt wird. Der resultierende Ausgang des Verstärkers (39) besteht aus einem hochfrequenten Impuls mit einer Dauer von einigen Mikrosekunden und einer Folgefrequenz zwischen etwa 50 Hz bis etwa 5.000 Hz, beispielsweise etwa 2,5 kHz. Die Folgefrequenz dieser hochfrequenten Impulse ist unkritisch, doch sollte sie genügend niedrig sein, um zu -5-

Nr. 390 680 verhindern, daß sich Reflexionen von aufeinanderfolgenden Impulsen überlappen. Die maximale Impulsamplitude kann in der Größenordnung von einigen Hundert bis einigen Tausend Volt liegen, doch tritt durch die Erhöhung der Spannung nicht unbedingt eine proportionale Erhöhung der Empfindlichkeit auf und etwa 500 Volt ergeben einen guten Betrieb.

Die Impulsträgerfrequenz sollte in jener Größenordnung liegen, die für Überprüfungsverfahren von geschmolzenem Aluminium erforderlich sind, z. B. 9,5 MHz, und hängt selbstverständlich von den Arbeitseigenschaften des piezoelektrischen Wandlers (13) ab.

Der Ausgang des Verstärkers (39) wird an den Wandler (13) über ein Anpassungsnetzwerk (41) gelegt, das die Wandlerkapazität mit einer Induktivität anpaßt, um den Betriebswirkungsgrad zu verbessern. In Abhängigkeit vom Ausgang des Verstärkers (39) sendet der Wandler (13) über den Tastkopf (1) Ultraschallsignale unter Überwachung in die Schmelze. Reflexionen der Echos dieser Signale gelangen zum Wandler (13) zurück. Der Wandler (13) setzt die Echos in elektrische Energie um, die über das Anpassungsnetzwerk (41) zum abgestimmten Empfänger (43) zurückgeleitet wird. Der Ausgang des Empfängers (43) liegt über ein abstimmbares Signaldämpfungsglied (49) an einem Oszilloskop (45). Das Oszilloskop (45) wird dadurch synchronisiert, daß sein linearer Kippeingang (51) über eine abstimmbare Verzögerung (53) mit dem Impulsoszillator (33) verbunden ist.

Da sowohl die ausgesendeten als auch die empfangenen Impulse dem Empfänger (43) aufgeprägt sind, können beide gleichzeitig auf der optischen Anzeige des Oszilloskops (45) abgelesen werden. Die Verzögerung (53) kann so eingestellt werden, daß die ausgesendeten Impulse nicht erscheinen.

Das Dämpfungsglied (49) kann eingestellt werden, um die Amplitude der dargestellten Impulse zu regeln und ist für Eichzwecke nützlich. Wenn man beispielsweise Unstetigkeitsstellen oder unlösliche Teilchen in der Schmelze überprüft, ist es nützlich, die Anzeige in Übereinstimmung mit einer Abstand-Amplituden-Korrekturkurve für einen bekannten Art- und Größeneffekt zu eichen beispielsweise einen 0,6 cm Aluminiumoxidball.

Die Ableseempfindlichkeit für die empfangenen Impulse kann durch die Auswahl oder Einstellung der ausgesendeten Impulsträgerfrequenz justiert werden. Da sich die Empfindlichkeit in Übereinstimmung mit der vorgenommenen Meßart ändern kann, ist es günstig, für den Hochfrequenzoszillator (35) eine variable Regelung vorzusehen.

Der oben beschriebene Tastkopf (1) stellt eine Vorrichtung dar, die für die Überwachung und Einstellung der Qualität von geschmolzenem Aluminium bei Metallreinigungs- und Gießvorgängen sehr geeignet ist. Die Vorrichtung ist einfach, robust, betriebssicher und für die Verwendung in einer Aluminiumgießerei in einem täglichen Routinebetrieb als Produktionsqualitätskontrollwerkzeug geeignet. Die Vorrichtung kann dazu verwendet werden, um die Auswirkungen von einzelnen Faktoren oder Variablen in einem Verfahren zu lernen oder nachzuweisen, Anforderungen für ein Qualitätsniveau bei einem bestimmten Verfahren und Produkt einzurichten oder die Qualität bei einem vorgegebenen Betrieb mit früher aufgestellten Qualitätspegelkriterien zu vergleichen.

Bei einer Verwendung des Tastkopfs (1) kann die Metallqualität im Ultraschallverfahren in Hinblick auf diskrete Feststoffe, im Hinblick auf Änderungen in der Signaldämpfung und im Hinblick auf Qualitätsprobleme bezogen auf Geschwindigkeitsänderungen oder Frequenzänderungen gemessen werden. Mit den geeigneten elektronischen und Auslesevorrichtungen kann jede dieser Qualitätsmessungen einzeln oder falls erwünscht in irgendeiner Verbindung mit einem einzigen Tastkopf im geschmolzenen Metall vorgenommen werden.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnt wurde, ist der momentane Qualitätszustand des Metalls im Hohlraum des Tastkopfs über eine Anzeige der Meßcharakteristik oder der Charakteristiken auf einer Kathodenstrahlröhre bekannt Alternativ oder gleichzeitig können das oder die Signale aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnung kann als integrierte Qualitätsmessung für die gesamte Metallmenge, dienen, die durch den Tastkopf fließt, wobei irgendwelche Änderungen oder Qualitätsprobleme zeitlich sichtbar werden, die sich über den gesamten Betrieb erstrecken.

Um die Metallqualität an verschiedenen Stellen zu messen oder aufzuzeichnen, können mehrere Tastköpfe verwendet oder ein einziger Tastkopf örtlich verschoben werden, da in der Arbeitsweise eines Tastkopfs keine nennenswerte Verzögerung entsteht, ob er zuerst in Betrieb gesetzt, oder von einer Stellung in eine andere verschoben wird.

Obwohl diese Erfindung in Zusammenhang mit einem Tastkopf beschrieben wurde, der sowohl die Aussendung als auch den Empfang von Ultraschallsignalen durchführt, ist ersichtlich, daß diese Erfindung gleichfalls bei Tastköpfen angewendet werden kann, die nur eine dieser Funktionen ausführen. Obwohl sich diese Erfindung weiters auf Tastköpfe bezieht, die einen piezoelektrischen Wandler verwenden, um Überprüfungsverfahren für geschmolzenes Aluminium durchzuführen, bezieht sie sich auch auf Tastköpfe, die mit anderen Wandlerarten, z. B. magnetostriktiven Wandlern, gekoppelt sind, sowie auf Tastköpfe, die dazu verwendet werden, um Bearbeitungsverfahren von geschmolzenem Aluminium durchzuführen. -6-

Claims (11)

1. Nr. 390 680 PATENTANSPRÜCHE 1. Sonde zum Leiten mechanischer Ultraschallenergie zwischen einem Wandler und einer Aluminiumschmelze, welche Sonde eine Arbeitsspitze besitzt, die Titan enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspitze (5) im wesentlichen aus Titan besteht und eine vakuumaufgedampfte Schicht aus Aluminium trägt.
2. 2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan der Arbeitsspitze eine homogene bzw. einphasige Kristallstruktur aufweist.
3. 3. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Stufen: (a) chemisches Ätzen der Oberfläche der Arbeitsspitze zur Reinigung dieser Fläche und zum Entfernen von Titanoxiden und anderen Reaktionsprodukten von der erwähnten Oberfläche; (b) Einsetzen der Arbeitsspitze in eine Vakuumatmosphäre; (c) Beschießen der Oberfläche der Spitze mit ionisiertem Gas aus einer Glimmentladung zur weiteren Reinigung und Entfernen von Titanoxiden und anderen Reaktionsprodukten von dar erwähnten Oberfläche; (d) Heräbsetzen des Druckes der Vakuumatmosphäre; und (e) Verdampfen von Aluminium in der erwähnten Vakuumatmosphäre, so daß sich das verdampfte Aluminium auf der Oberfläche der Arbeitsspitze zur Bildung einer Beschichtung auf dieser niederschlägL
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzvorgang unter Verwendung einer acidischen wässerigen Lösung, enthaltend mindestens einen der Stoffe Chromsäure, Fluorwasserstoff, Phosphorsäure, Salpetersäure, saures Natriumsulfat, Schwefelsäure, ausgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung im wesentlichen aus 20 Gew.-% Fluorwasserstoff und 30 Gew.-% Salpetersäure, Rest Wasser, besteht
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzvorgang eine ausreichende Menge elementaren Titans von der Oberfläche der Arbeitsspitze entfernt wird, sodaß die Titankomstruktur der Arbeitsspitze an der Oberfläche sichtbar wird.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschuß der Oberfläche mit ionisiertem Gas (Stufe (c)) in einer Vakuumatmosphäre von 6,65 bis 40 Pascal Druck durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbeschuß während eines Zeitraums von 15 bis 60 Minuten durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die A Λ Aufdampfung des Aluminiums (Stufe (e)) in einer Vakuumatmosphäre von 6,65.10 bis 6,65.10 Pascal Druck durchgeführt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufdampfvorgang während eines Zeitraums von 15 bis 30 Sekunden durchgeführt wird.
11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß des Aufdampfvorganges die beschichtete Arbeitsspitze aus der Vakuumatmosphäre entfernt und durch Eintauchen in eine Aluminiumschmelze versiegelt wird, um eine Oxidation der Arbeitsspitze zu verhindern. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -7-