Ультразвуковая очистка. Теория и практика

Ультразвук обладает таким многофакторным влиянием, что применение ультразвуковых колебаний позволяет существенно ускорить любой из перечисленных способов очистки и повысить ее качество: переменное давление, колебания частиц жидкости и вторичные акустические явления – «звуковой ветер», ударные волны, кавитация и ультразвуковой капиллярный эффект.

Первостепенную энергетическую роль при этом играет кавитация . При захлопывании кавитационных пузырьков образуются кумулятивные микроструйки жидкости, скорость которых достигает сотен метров в секунду, направленные к очищаемой поверхности. Под действием ударных волн и высокоскоростных микроструек происходит интенсивное разрушение пленки загрязнений (твердой или жидкой) и ее отделение от поверхности. Кавитация обеспечивает интенсивное ультразвуковое эмульгирование жидких и ультразвуковое диспергирование отделившихся твердых частиц загрязнений.

За счет акустических течений обеспечивается удаление из пограничного слоя растворившихся или разрушенных под действием кавитации загрязнений в объем жидкости. Особенно большую роль играют акустические течения при удалении растворимых загрязнений.

Эффективность очистки увеличивается по мере приближения обрабатываемой поверхности к излучателю. Однако приближать изделия к излучателю на расстояние менее 1–2 мм нецелесообразно, так как при малых зазорах между излучателем и обрабатываемой поверхностью ухудшаются условия удаления загрязнений из пограничного слоя и уменьшается активность кавитации вследствие изменения схемы захлопывания кавитационных пузырьков. При малых зазорах кумулятивная струйка действует параллельно очищаемой поверхности и не производит необходимого очищающего действия.

Преимуществом ультразвуковой очистки является не только возможность достичь качественной очистки контролируемой поверхности от самых разнообразных загрязнений, но и удалить загрязнения из полости капиллярного дефекта. Наиболее эффективно применение ультразвука в режиме, обеспечивающем проявление ультразвукового капиллярного эффекта . При этом тупиковые капилляры заполняются реагентом на большую глубину и с большей скоростью. Существенно ускоряется диффузионное перемещение растворенного газа к устью дефекта; растворение загрязнений, имеющихся в полости дефекта; диффузионное перемещение загрязнений к его устью. В результате ускоряется процесс заполнения полостей дефектов в целом и увеличивается глубина проникновения рабочих жидкостей в тупиковые капиллярные каналы.

Применение ультразвука при очистке позволяет значительно повысить качество контроля. При этом несплошности очищаются на достаточную глубину не только от жидкостей, но и таких труднорастворимых загрязнений, как полировальные пасты. В результате число выявленных следов приближается к общему числу принятых во внимание дефектов. Использование в качестве моющих жидкостей воды и водных растворов глицерина и диспергирующего вещества при очистке в ультразвуковом поле дает больший эффект, чем применение таких растворителей, как ацетон и бензин. Это обусловлено большей активностью акустической кавитации в воде и водных растворах, чем в ацетоне и бензине. Применение ультразвука позволяет решить проблемы замены пожаро-, взрыво-, экологически опасных для человека и окружающей среды дефектоскопических материалов на воду и водные растворы.

Анодно-ультразвуковая очистка является наиболее эффективным способом подготовки изделий к контролю. Она обеспечивает удаление с поверхности изделий и из полостей дефектов твердых и высоковязких загрязнений, а также оксидных пленок без применения травильных составов. После очистки нейтрализуют следы очищающих жидкостей, изделия промывают водой и сушат. Скорость такой обработки в 2,5–4 раза выше, чем электролитической.

Анодно-ультразвуковую очистку осуществляют в ультразвуковых ваннах. Составы электролитов и режимы обработки выбирают в зависимости от плотности и толщины слоя загрязнений. Промывку изделий после обработки выполняют путем их многократного погружения в ванны с горячей, а затем с холодной проточной водой. Продолжительность промывки в каждой ванне 0,5–1 мин.

Составы электролитов и режимы анодно-ультразвуковой очистки изделий из хромоникелевых сталей и сплавов:

Уникальный опыт разработки и внедрения

технологии очистки деталей на крупнейших предприятиях

Позволяет быстро и качественно обработать самые различные детали, удалить самые прочные загрязнения, заменить дорогостоящие и небезопасные растворители и механизировать процесс очистки.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний в ней возникают переменные давления, изменяющиеся с частотой возбуждающего поля. Наличие в жидкости растворенных газов приводит к тому, чтоб во время отрицательного полупериода колебаний, когда на жидкость действует растягивающее напряжение, в этой жидкости образуются и увеличиваются разрывы в виде газовых пузырьков. В эти пузырьки могут всасываться загрязнения из микротрещин и микропор материала. Под действием сжимающих напряжений во время положительного полупериода давлений, пузырьки захлопываются. К моменту захлопывания пузырьков на них действует давление жидкости, достигающее нескольких тысяч атмосфер, поэтому захлопывание пузырька сопровождается образованием мощной ударной волны. Такой процесс образования и захлопывания пузырьков в жидкости называется кавитацией . Обычно кавитация возникает на поверхности детали. Ударная волна измельчает загрязнения и перемещает их в моющий раствор (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема всасывания загрязнений из микротрещин поверхности в растущий газовый пузырек

О
тделенные частицы загрязнений захватываются пузырьками и всплывают на поверхность (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая волна в жидкости характеризуется звуковым давлением P зв. и интенсивностью колебаний I. Звуковое давление определяют по формуле:

P зв. =  . C .  .  . Cos(t-k x) = p m . Cos(t-k x),

где p m =  . C .  .  - амплитуда звукового давления,

 . C - волновое сопротивление,

 - амплитуда колебаний,

 - частота.

С повышением звукового давления до оптимальной величины возрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственно увеличивается объем кавитационной области. В ультразвуковых установках для очистки звуковое давление на границе “излучатель-жидкость” лежит в пределах 0,2 ÷0,14 Мпа.

Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практике принимают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя:

1,5÷3 Вт/см 2 - водные растворы,

0,5÷1 Вт/см 2 - органические растворы.

Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда время захлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний. На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкость жидкости, частота колебаний, статическое давление и температура. Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньше некоторого критического радиуса, соответствующего определенному гидростатическому давлению.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в пределах от 16 Гц до 44 кГц.

Если частота колебаний низкая, то образуются более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсации. Часть из них просто всплывает на поверхность жидкости. Ультразвук низкой частоты хуже распространяется из-за поглощения, поэтому качественный процесс очистки идет в области, близкой к источнику. При низкой частоте недостаточно хорошо очищаются микротрещины, размеры которых меньше длины волны ультразвука.

Повышение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров газовых пузырьков и следовательно, к уменьшению интенсивности ударных волн при одной и той же мощности установки. Для запуска кавитационного процесса с увеличенной частотой требуется большая интенсивность колебаний. Рост частоты ультразвуковой установки очистки приводит обычно к понижению КПД установки. Тем не менее, повышение частоты ультразвука имеет ряд положительных сторон:

Очистка осуществляется гидропотоками при значительно меньшей вибрации детали;

Плотность ультразвуковой энергии увеличивается пропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить в раствор большие интенсивности или при постоянной интенсивности уменьшать амплитуду колебаний;

С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемой энергии ультразвука.

Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицы масел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности детали нагреваясь, становятся более жидкотекучими и легко растворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющего раствора) при этом не нагревается;

С увеличением частоты уменьшается длина волны, что способствует более тщательной очистке мелких отверстий;

При колебаниях ультразвука достаточно высокой частоты (40 кГц) ультразвуковая волна распространяется с меньшим поглощением и действует эффективно даже на большом расстоянии от источника;

Значительно уменьшаются габариты и масса ультразвуковых генераторов и преобразователей;

Уменьшается опасность эрозионного разрушения поверхности очищаемой детали.

Вязкость жидкости при ультразвуковой очистке влияет на потери энергии и ударное давление.Увеличение вязкости жидкости повышает потери на вязкое трение, однако время захлопывания пузырька при этом сокращается, следовательно, увеличивается сила ударной волны. Техническое противоречие.

Температура оказывает неоднозначное влияние на процесс ультразвуковой очистки.Повышение температуры активизирует моющую среду, повышает ее растворяющую способность. Но при этом уменьшается вязкость раствора и увеличивается давление парогазовой смеси, что значительно снижает устойчивость кавитационного процесса. Здесь мы опять сталкиваемся с ситуацией технического противоречия.

Инженерный подход к разрешению этого противоречия заключается в оптимизации температуры (вязкости) раствора в зависимости от характера и вида загрязнений. Для очистки деталей от химически активных загрязнений следует повышать температуру, а для удаления плохо растворимых загрязнений нужно выбирать такую температуру, которая создает условия оптимальной кавитационной эрозии.

Щелочные растворы 40÷60ºС,

Трихлорэтан 38÷40ºС,

Водные эмульсии 21÷37ºС.

Кроме кавитационного диспергирования загрязнений, положительное значение при очистке имеют акустические течения жидкости, т.е. вихревые потоки, образующиеся в озвученной жидкости в местах ее неоднородностей или на границе раздела “жидкость-твердое тело”. Высокий уровень возбуждения жидкости в граничащем с поверхностью детали слое уменьшает толщину диффузионного слоя, образованного продуктами реакции моющего раствора с загрязнениями.

Среды ультразвуковой очистки

Очистку проводят в водных моющих растворителях, эмульсиях, кислых растворах. При использовании щелочных растворов можно значительно уменьшить температуру и концентрацию щелочных компонентов, а качество очистки останется высоким. При этом уменьшается травящее воздействие на деталь. В состав щелочных растворов входят чаще всего каустическая сода (NaOH), кальцинированная сода (Na 3 CO 3), тринатрийфосфат (Na 3 PO 4 . 12H 2 O), жидкое стекло (Na 2 O . SiO 2), анионоактивные и неионогенные ПАВ (сульфанол, тинол).

ПАВ существенно повышают кавитационную эрозию, т.е. интенсифицируют процесс очистки. Однако, опасность кавитационного разрушения поверхности материала при добавлении ПАВ также увеличивается. Понижение поверхностного натяжения в присутствии ПАВ приводит к увеличению количества пузырьков в единице объема. При этом ПАВ понижает прочность поверхности детали (техническое противоречие).

Для предовращения эрозии металлов необходимо выбирать оптимальные концентрации ПАВ, минимальную длительность процесса и располагать детали подальше от излучателя (инженерное решение).

Очистку ультразвуком в органических растворителях применяют тогда, когда очистка в щелочных растворителях может привести к коррозии материала или к образованию пассивной пленки, а также, если необходимо сократить время сушки. Наиболее удобными являются хлорированные растворители с высокой химической активностью; они растворяют самые различные загрязнения и безопасны в эксплуатации.

Хлорированные растворители можно применять в чистом виде и в составе азеотропных смесей (перегоняемых без изменения состава). Например, смеси фреона-113, фреона-30. Азеотропные смеси растворителей реагируют со многими загрязнениями, при этом эффективность очистки увеличивается.

Для ультразвуковой очистки применяются также бензин, ацетон, спирты, спиртобензиновые смеси.

Для ультразвукового травления деталей при очистке от окислов применяют концентрированные кислые растворы (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.6.

Состав растворов (массовые доли) и режимы ультразвукового травления

Способы управления процессом ультразвуковой очистки .

Изменение давления жидкости . Способ реализуется в виде создания вакуума или наоборот, избыточного давления. При вакууммировании жидкости облегчается образование кавитации. Избыточное давление повышает эрозионное разрушение, сдвигает максимум кавитационной эрозии в зону больших звуковых давлений, влияет на характер акустических течений.

Наложение электрического или магнитного полей на моющую среду. При электрохимической ультразвуковой очистке кавитационная область может быть локализована непосредственно у обрабатываемой детали; пузырьки выделяющихся на электродах газов способствуют разрушению пленок загрязнений; уменьшается смачиваемость маслом поляризованной поверхности детали.

Наложение на кавитационную область магнитного поля вызывает движение газовых пузырьков, имеющих отрицательный поверхностный заряд, что увеличивает кавитационную эрозию деталей.

Введение абразивных частиц в моющий раствор. Твердые частицы абразива участвуют в механическом отделении загрязнений и стимулируют образование кавитационных пузырьков, так как нарушают сплошность жидкости.

Ультразвуковая очистка - способ очистки поверхности твёрдых тел в моющих жидкостях, при котором в жидкость тем или иным способом вводятся ультразвуковые колебания. Применение ультразвука обычно значительно ускоряет процесс очистки и повышает его качество. Кроме того, во многих случаях удаётся заменить огнеопасные и токсичные растворители на более безопасные моющие вещества без потери качества очистки. Ультразвуковая очистка находит применение во многих отраслях промышленности, при ремонте машин и механизмов, в ювелирном и реставрационном деле, в медицине и т. д. Очистка происходит за счёт совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием мощных ультразвуковых колебаний. Эти эффекты: кавитация, акустические течения, звуковое давление, звукокапиллярный эффект, из которых кавитация играет решающую роль. Кавитационные пузырьки, пульсируя и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия.

Для ультразвуковой очистки важен правильный подбор моющего раствора, с тем чтобы он эффективно растворял или эмульгировал загрязняющие вещества, при этом по возможности не влияя на саму очищаемую поверхность. Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку ультразвук обычно значительно ускоряет физико-химические процессы в жидкостях, и агрессивное моющее вещество может быстро повредить поверхность.
Ультразвуковую очистку не следует применять, когда кавитационная стойкость очищаемой поверхности меньше, чем стойкость загрязнения.
Например, при удалении пригарных плёнок с алюминиевых деталей велика вероятность разрушения самих деталей. Следует помнить из урока химии 7 класс, что алюминий взаимодействует с водой, с выделением водорода, и гидроксида алюминия. Его защищает оксидная пленка. Которая с легкостью может быть разрушена. Оптимальную концентрацию рабочего раствора подбирают экспериментально.
При чистке высоколегированных сталей желательно промывка в дистиллированной воде. Для нейтрализации щелочных остатков рекомендуется промывка слабым раствором лимонной кислоты. Концентрацию рабочего раствора и промывочного корректируют ионометром (рН — метр) или лакмусовой бумагой.

Загрязнения и воздействия на них
С точки зрения ультразвуковой очистки загрязнения различаются по трём признакам:
1. Кавитационная стойкость, то есть способность выдерживать микроударные нагрузки.
2. Прочность связи с очищаемой поверхностью, сопротивляемость к отслаиванию.
3. Степень взаимодействия с моющей жидкостью, то есть способна ли и насколько способна эта жидкость растворять или эмульгировать загрязнение.
Кавитационно стойкие загрязнения хорошо поддаются ультразвуковой очистке только если они слабо связаны с поверхностью или взаимодействуют с моющим раствором. Таковы жировые загрязнения, которые хорошо отмываются в слабощелочных растворах. Покрытия из лака или краски, окалина, окисные плёнки обычно кавитационно стойки и хорошо связаны с поверхностью. Для ультразвуковой очистки от таких загрязнений нужны достаточно агрессивные растворы, потому что здесь возможно действие только по третьему из перечисленных признаков.
Кавитационно нестойкие загрязнения (пыль, пористая органика, продукты коррозии) относительно легко удаляются даже без применения специальных растворов.

При ультразвуковой очистке в качестве моющей жидкости применяют как простую воду, так и водные растворы моющих средств и органические растворители. Выбор средства определяется видом загрязнений и свойствами очищаемой поверхности (см. выше).
Устройства для ультразвуковой очистки
Для ультразвуковой очистки нужна ёмкость с моющим раствором и источник механических колебаний ультразвуковой частоты, называемый ультразвуковым излучателем. В качестве излучателя может выступать поверхность ультразвукового преобразователя, корпус ёмкости и даже сама очищаемая деталь. В последних случаях ультразвуковой преобразователь прикрепляется, соответственно, к корпусу или к детали.
Ультразвуковой преобразователь преобразует подаваемые на него электрические колебания в механические такой же частоты. В большинстве установок используются частоты от 18 до 44 кГц с интенсивностью колебаний от 0,5 до 10 Вт/см?. Верхняя граница частотного диапазона обусловлена механизмом образования и разрушения кавитационных пузырьков: при очень большой частоте пузырьки не успевают захлопываться, что снижает микроударное действие кавитации.
Преобразователи могут быть магнитострикционные или пьезокерамические. Первые отличаются большими размерами и массой, значительно более низким КПД, однако позволяют достигать большой мощности, порядка нескольких киловатт. Пьезокерамические преобразователи компактнее, легче, экономичнее, но мощность их, как правило, не так велика - до нескольких сотен ватт. Такая мощность, впрочем, достаточна для абсолютного большинства применений, учитывая, что в крупных установках используются сразу несколько излучателей.
Наиболее известные устройства - это ультразвуковые ванны, установки специально предназначенные для ультразвуковой очистки. Преобразователи в таких ваннах как правило или встраиваются в отверстия в корпусе, или крепятся к корпусу, делая его излучателем, или помещаются внутрь в виде отдельных модулей. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки.
Отдельные модули ультразвуковых преобразователей (излучателей) могут встраиваться в технологические линии, где требуется быстрая и качественная очистка. Так, например, поступают для непрерывной очистки металлического проката и проволоки на разных стадиях их производства и использования.
Известны преобразователи, выполненные в виде небольших ручных инструментов для точной очистки сложных поверхностей. Для очистки печатных плат, применяемых в радиоэлектронике, наилучшие показатели (полученые эксперементальным путём) имеет раствор из популярных моющих средств таких как «мистер мускул 30%, фэрри 30% и вода. при очистке в специальных ваннах желательно производить подогрев раствора до температуры +25-40 градусов цельсия в течении всего процесса.

Ультразвуковая очистка — способ очистки поверхности твердых тел, основанный на возбуждении в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты.
Научную основу для создания аппаратуры и разработки технологии ультразвуковой очистки заложили работы в области акустической кавитации, проводившиеся в «Акустическом институте имени академика Н.Н.Андреева» под руководством профессора Л.Д.Розенберга.
Ультразвуковая очистка позволяет заменить ручной труд, ускорив тем самым процесс очистки, получить высокую степень чистоты поверхности, практически исключить использование пожароопасных и токсичных растворителей.
Процесс ультразвуковой очистки обусловлен рядом явлений, возникающих в ультразвуковом поле высокой интенсивности: акустической кавитацией, акустическими течениями, радиационным давлением, звукокапиллярным эффектом.
Исследования показали, что в зависимости от вида загрязнения преобладающую роль в очистке играют различные процессы. Так, разрушение слабо взаимосвязанных загрязнений происходит, в основном, под действием пульсирующих (незахлопыващихся) кавитационных пузырьков. На краях пленки загрязнений пульсирующие пузырьки, совершая интенсивные колебания, преодолевают силы сцепления пленки с поверхностью, проникают под пленку, разрывают и отслаивают ее. Радиационное давление и звукокапиллярный эффект способствуют проникновению моющего раствора в микропоры, неровности и глухие каналы. Акустические течения осуществляют ускоренное удаление загрязнений с поверхности. Если же загрязнения прочно связаны с поверхностью, то для их разрушения и удаления с поверхности необходимо наличие захлопывающихся кавитационных пузырьков, создающих микроударное воздействие на поверхность.
Для осуществления необходимого режима ультразвуковой очистки необходим выбор оптимальных значений интенсивности ультразвука и частоты колебаний. С повышением частоты кавитационный пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, что снижает микроударное действие кавитации. Чрезмерное понижение частоты приводит к увеличению уровня воздушного шума, и требует увеличения габаритов излучателя. Поэтому большинство промышленных установок работает в диапазоне 18-44 килогерц.
Повышение интенсивности ультразвука сверх определенного предела приводит к увеличению амплитудного значения давления, и кавитационный пузырек вырождается в пульсирующий. При малых значениях интенсивности слабо выражена кавитация и все вторичные эффекты, возникающие в жидкости при введении ультразвуковых колебаний и определяющие эффективность очистки. Рабочий интервал интенсивности составляет 0.5-10 Вт/см2.
Большую роль в процессе очистки играет правильно подобранный состав моющей жидкости. При этом необходимо учитывать свойства материала очищаемой детали и вид загрязнений. Моющая жидкость должна вступать в химическое взаимодействие только с поверхностными загрязнениями, но не с материалом очищаемого изделия. Существенное влияние на протекание и развитие в моющих растворах специфических явлений, возбуждаемых ультразвуком, оказывают физико-химические свойства жидкости. Повышение упругости пара внутри пузырька резко снижает интенсивность кавитации, поэтому, например, применение для ультразвуковой очистки водных растворов более эффективно, чем применение органических растворителей.
В настоящее время в качестве устройств ультразвуковой очистки нашли применение специальные ванны.

Следует помнить, что категорически запрещается использовать в качестве моющего раствора легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества! Допускается добавления в водные моющие растворы «Фаворит Ультра» тестовой жидкости «Фаворит Тест» для улучшения отмывания стойких загрязнений. При этом раствор полученный смешиванием этих двух жидкостей становится невзрывоопасным. Однако в процессе хранения отработанного состава полученного смешиванием этих двух жидкостей, происходит расслоение. Более легкий «Фаворит Тест» состоящий из органических растворителей собирается в емкости сверху и может представлять угрозу возгорания. Дезинфекция и стерилизация медицинских инструментов Государственный научный центр «НИОПИК» предлагает широкий спектр препаратов для дезинфекции и стерилизации медицинских инструментов. В......