Какво е ултразвук?
Ултразвук (US) - еластични вибрации и вълни, чиято честота е по-висока от 15 ... 20 kHz. Долната граница на ултразвуковата честотна област, отделяща я от областта на звуковия звук, се определя от субективните свойства на човешкия слух и е условна. Горната граница се дължи на физическата природа на еластичните вълни, които могат да се разпространяват само в материална среда, т.е. при условие, че дължината на вълната е много по-голяма от средния свободен път на молекулите в газове или междуатомни разстояния в течности и твърди вещества. Следователно в газовете горната граница на ултразвуковите честоти се определя от условието за приблизително равенство на дължината на звуковата вълна и средния свободен път на молекулите. При нормално налягане тя е 10 9 Hz. При течности и твърди вещества определящият фактор е равенството на дължината на вълната с междуатомните разстояния, а граничната честота достига 10 12 -10 13 Hz. В зависимост от дължината на вълната и честотата, ултразвукът има специфични характеристики на излъчване, приемане, разпространение и приложение, така че ултразвуковият честотен диапазон може удобно да бъде разделен на три подрегиона:
Ниска - 1,5–10…10 5 Hz;
Средно - 10 5 ... 10 7 Hz;
Висока - 10 7 ... 10 9 Hz.
Еластични вълни с честоти 1·10 8 …1·10 13 Hz се наричат хиперзвук.
Теория на звуковите вълни
Ултразвукът като еластични вълни
Ултразвуковите вълни по своята природа не се различават от еластичните вълни в звуковия диапазон, както и от инфразвуковите вълни.
Разпространението на ултразвука се подчинява на основните закони, общи за акустичните вълни от всеки честотен диапазон, обикновено наричани звукови вълни. Основните закони на тяхното разпространение включват законите на отражението и пречупването на звука на границите на различни среди, дифракцията и разсейването на звука при наличие на препятствия и нееднородности в средата и неравности на границите, законите на вълноводното разпространение в ограничени области на средата.
Особености на ултразвука
Въпреки че физическата природа на ултразвука и основните закони, управляващи неговото разпространение, са същите като при звуковите вълни от всеки честотен диапазон, той има редица специфични характеристики, които определят неговото значение в науката и технологиите. Те се дължат на относително високите му честоти и съответно на малката дължина на вълната.
И така, за високите ултразвукови честоти дължините на вълните са:
Във въздуха - 3,4⋅10 -3 ... 3,4⋅10 -5 cm;
Във вода - 1,5⋅10 -2 ... 1,5⋅10 -4 cm;
В стомана - 1⋅10 -2 ... 1⋅10 -4 cm.
Такава разлика в стойностите на ултразвуковите вълни (USW) се дължи на различната скорост на тяхното разпространение в различни среди. За нискочестотната област на ултразвуковите дължини на вълните в повечето случаи те не надвишават няколко сантиметра и само близо до долната граница на диапазона достигат няколко десетки сантиметра в твърди тела.
USW се разпадат много по-бързо от нискочестотните вълни, тъй като коефициентът на звукопоглъщане (на единица разстояние) е пропорционален на квадрата на честотата.
Друга много важна характеристика на ултразвука е възможността за получаване на високи стойности на интензитета при относително малки амплитуди на вибрационното изместване, тъй като при дадена амплитуда интензитетът е право пропорционален на квадрата на честотата. Амплитудата на осцилаторното изместване на практика е ограничена от силата на акустичните излъчватели.
Най-важният нелинеен ефект в ултразвуковото поле е кавитацията - появата в течност на маса от пулсиращи мехурчета, пълни с пари, газ или тяхна смес. Сложното движение на мехурчетата, тяхното свиване, сливане един с друг и т.н. генерират компресионни импулси (микрошокови вълни) и микропотоци в течността, причиняват локално нагряване на средата, йонизация. Тези ефекти засягат веществото: възниква разрушаване на твърдите частици в течността (кавитационна ерозия), инициират се или се ускоряват различни физични и химични процеси (фиг. 1).
Ориз. 1
Чрез промяна на условията на кавитация е възможно да се засилят или отслабят различни кавитационни ефекти. Например, с увеличаване на честотата на ултразвука, ролята на микропотоците се увеличава и кавитационната ерозия намалява; с увеличаване на хидростатичното налягане в течност се увеличава ролята на микрошоковете. Увеличаването на честотата обикновено води до увеличаване на праговия интензитет, съответстващ на началото на кавитация, което зависи от вида на течността, нейното газово съдържание, температура и т.н. За вода в нискочестотния ултразвуков диапазон при атмосферно налягане, това обикновено е 0,3-1 W / cm 3.
Източници на ултразвук
В природата ултразвукът се среща в много естествени шумове (в шума на вятъра, водопада, дъжда, в шума на камъчетата, търкаляни от морския прибой, в звуците, съпътстващи изхвърлянето на мълнии и др.), както и в света на животни, които го използват за ехолокация и комуникация.
Техническите ултразвукови излъчватели, използвани при изследване на ултразвукови вълни и техните технически приложения, могат да бъдат разделени на две групи. Първият включва излъчватели-генератори (свирки). Трептенията в тях се възбуждат поради наличието на препятствия по пътя на постоянен поток - струя газ или течност. Втората група излъчватели са електроакустични преобразуватели: те преобразуват вече дадени електрически вибрации в механични вибрации на твърдо тяло, което излъчва акустични вълни в околната среда.
Приложение на ултразвук
Разнообразните приложения на ултразвука, в които се използват различните му характеристики, могат условно да се разделят на три области. Първият е свързан с получаване на информация чрез ултразвукови вълни, вторият - с активно въздействие върху веществото, а третият - с обработката и предаването на сигнали (посоките са изброени по реда на тяхното историческо формиране). ).
Принципи ултразвуково почистване
Кавитацията играе основна роля в действието на ултразвука върху вещества и процеси в течности. Кавитацията е в основата на най-разпространения ултразвуков технологичен процес - почистване на повърхности от твърди частици. В зависимост от естеството на замърсяването, различни прояви на кавитация, като микроудар, микропотоци и нагряване, могат да бъдат от по-голямо или по-малко значение. Избор на параметрите на звуковото поле, физикохимични характеристикиизмиваща течност, нейното газово съдържание, външни фактори(налягане, температура), е възможно да се контролира процеса на почистване в широк диапазон, като се оптимизира във връзка с вида на замърсяването и вида на частите, които се почистват. Вид почистване е ецване в ултразвуково поле, при което действието на ултразвук се комбинира с действието на силни химични реагенти. Ултразвуковата метализация и запояване всъщност се основават на ултразвуково почистване (включително от оксидния филм) на повърхностите, които трябва да бъдат съединени или метализирани. Почистването при запояване (фиг. 2) се дължи на кавитация в разтопения метал. В този случай степента на пречистване е толкова висока, че се образуват съединения от материали, които не подлежат на спояване при нормални условия, например алуминий с други метали, различни метали със стъкло, керамика и пластмаси.
Ориз. 2
При процесите на почистване и метализация от съществено значение е и звуко-капилярният ефект, който осигурява проникването на миещия разтвор или стопилката в най-малките пукнатини и пори.
Механизми за почистване и пране
Почистването в повечето случаи изисква замърсителите да бъдат разтворени (в случай на разтворими соли), изстъргани (в случай на неразтворими соли) или едновременно разтворени и изстъргани (както в случая на неразтворими частици, фиксирани в слой от мастни филми ). Механичните ефекти на ултразвуковата енергия могат да бъдат полезни както за ускоряване на разтварянето, така и за отделяне на частици от повърхността, която трябва да се почисти. Ултразвукът също може да се използва ефективно в процеса на изплакване. Остатъчните химикали в почистващата среда могат бързо да бъдат отстранени чрез ултразвуково изплакване.
При отстраняване на замърсители чрез разтваряне, разтворителят трябва да влезе в контакт със замърсяващия филм и да го унищожи (фиг. 3, а). Тъй като разтворителят разтваря замърсителя, наситен разтвор на замърсителя в разтворителя се появява на границата разтворител-замърсяване и разтварянето спира, тъй като няма доставка на пресен разтвор към повърхността на замърсителя (фиг. 3b).
Ориз. 3
Действието на ултразвука разрушава наситения слой разтворител и осигурява доставянето на свеж разтвор към повърхността на замърсяването (фиг. 3, в). Това е особено ефективно в случаите, когато се подлагат на почистване „неправилни“ повърхности с лабиринт от синуси и повърхностен релеф, като печатни платки и електронни модули.
Някои замърсители са слой от неразтворими частици, здраво закрепени към повърхността чрез йонно свързване и адхезионни сили. Тези частици трябва само да се отделят от повърхността, за да се прекъснат силите на привличане и да се пренесат в обема на измиващата среда за последващо отстраняване. Кавитацията и акустичните течения изтръгват замърсители от прахов тип от повърхността, отмиват ги и ги отстраняват (фиг. 4).
Ориз. 4
Замърсяването, като правило, е многокомпонентно и може да съдържа разтворими и неразтворими компоненти в комбинация. Ефектът на ултразвука се състои в това, че той емулгира всякакви компоненти, тоест ги прехвърля в миеща среда и заедно с нея ги отстранява от повърхността на продуктите.
За въвеждане на ултразвукова енергия в почистващата система са необходими ултразвуков генератор, преобразувател на електрическата енергия на генератора в ултразвуково лъчение и акустичен измервател на мощността.
Преобразувател на електрически ултразвуков генератор електрическа енергиямрежи в електрическа енергия при ултразвукова честота. Това става по известни начини и няма някаква специфика. Въпреки това е за предпочитане да се използва техника за цифрово генериране, когато изходът е правоъгълни импулси с променлива полярност (фиг. 5). Ефективността на такива генератори е близо до 100%, което позволява да се реши проблемът с енергийната интензивност на процеса. Използването на правоъгълен сигнал води до акустична емисия, богата на хармоници. Предимствата на многочестотната система за почистване са, че няма "мъртви" зони в интерферентните възли в обема на миещата среда. Следователно многочестотното ултразвуково облъчване позволява поставянето на обекта на лечение в почти всяка зона на ултразвуковата вана.
Ориз. 5
Друг начин да се отървете от "мъртвите" зони е да използвате генератор с честота на измиване (фиг. 6). В този случай възлите и антинодите на интерферентното поле се преместват в различни точки на почистващата система, без да оставят зони за почистване без облъчване. Но ефективността на такива генератори е сравнително ниска.
Ориз. 6
Има два основни типа ултразвукови преобразуватели: магнитострикционни и пиезоелектрични. И двете изпълняват една и съща задача за преобразуване на електрическа енергия в механична енергия.
Магнитострикционните преобразуватели (фиг. 7) използват ефекта на магнитострикцията, при който някои материали променят линейните размери в променливо магнитно поле.
Ориз. 7
Електрическата енергия от ултразвуковия генератор първо се преобразува от магнитострикторната намотка в променливо магнитно поле. Променливото магнитно поле, от своя страна, генерира механични трептения на ултразвуковата честота, дължащи се на деформацията на магнитната верига във времето с честотата на магнитното поле. Тъй като магнитострикционните материали се държат като електромагнити, честотата на техните деформационни трептения е два пъти по-висока от честотата на магнитното, а оттам и на електрическото поле.
Електромагнитните преобразуватели се характеризират с увеличаване на загубите на енергия поради вихрови токове и обръщане на намагнитването с нарастваща честота. Следователно, мощни магнитострикционни преобразуватели рядко се използват при честоти над 20 kHz. Пиезо преобразувателите, от друга страна, могат да излъчват добре в мегахерцовия диапазон. Магнитострикционните преобразуватели обикновено са по-малко ефективни от техните пиезоелектрични аналогове. Това се дължи главно на факта, че магнитострикционният преобразувател изисква двойно преобразуване на енергия: от електрическа към магнитна и след това от магнитна към механична. Загубите на енергия възникват при всяко преобразуване. Това намалява ефективността на магнитострикторите.
Пиезоелектричните преобразуватели (фиг. 8) преобразуват електрическата енергия директно в механична енергия чрез използване на пиезоелектричния ефект, при който някои материали (пиезоелектрици) променят линейните размери, когато се приложи електрическо поле. Преди това пиезоелектрични материали като естествени кварцови кристали и синтезиран бариев титанат бяха използвани за пиезоелектрични излъчватели, които бяха крехки и нестабилни и следователно ненадеждни. Съвременните трансдюсери използват по-здрави и по-стабилни керамични пиезоелектрични материали. По-голямата част от ултразвуковите системи за почистване днес използват пиезоелектричен ефект.
Ориз. 8
Ултразвуково почистващо оборудване
Обхватът на използваното ултразвуково почистващо оборудване е много широк: от малки настолни модули в стоматологията, магазини за бижута, електронната индустрия до огромни системи с обеми от няколко хиляди литра в редица индустриални приложения.
Правилен избор необходимо оборудванее от първостепенно значение за успеха на приложение за ултразвуково почистване. Най-простото приложение на ултразвуково почистване може да изисква само нагрята почистваща течност. По-сложните системи за почистване изискват голям брой вани, последната от които трябва да се напълни с дестилирана или дейонизирана вода. Най-големите системи използват потопяеми ултразвукови преобразуватели, комбинацията от които може да облъчва вани с почти всякакъв размер. Те осигуряват максимална гъвкавост и лекота на използване и поддръжка. Ултразвуковите вани с нагрят почистващ разтвор се използват най-често в лаборатории, медицина и бижутерия.
Ултразвуковите почистващи линии (фиг. 9), използвани в широкомащабно производство, комбинират електрически ултразвукови генератори, ултразвукови преобразуватели, транспортна системадвижение на почистващи предмети през ваните и системата за управление.
Сред всички технологични процеси, протичащи в течни среди с действието на ултразвук, почистването на повърхностите от твърди вещества е получило най-голямо приложение.
ултразвуково почистване- метод за почистване, основан на използването на нелинейни ефекти, които възникват в течност под действието на ултразвукови вибрации. Сред тези ефекти кавитацията е от първостепенно значение. Други ефекти: акустични течения, звуково налягане, звуков капилярен ефект.
кавитациянаречен процес на образуване на кухини и мехурчета в ултразвуково поле по време на фазата на разтягане, което е налично при променливо звуково налягане. По време на фазата на свиване тези кухини и мехурчета се свиват.
Кавитацията ускорява редица физични и химични процеси. Причината за изключителната ефективност на кавитацията е, че свиването на мехурчетата започва от повърхността, която трябва да се почисти. Кавитацията е придружена от възникването на много високо моментно хидростатично налягане, което откъсва частици замърсители, полепнали по повърхността, която трябва да се почисти.
Кавитацията се чува като съскащ шум, който се появява в течност при определена стойност на интензитета на ултразвуковото поле.
Въвеждането на ултразвукови вибрации в почистващите разтвори позволява не само да се ускори процесът на почистване, но и да се получи по-висока степен на чистота на повърхността. В същото време в повечето случаи е възможно да се изключат запалими и токсични органични разтворители и да се използват само водни разтвори на технически перилни препарати. Това несъмнено води до подобряване на условията на труд на работниците, повишаване на културата на производство, а също така дава възможност за частично решаване на проблемите с безопасността на околната среда.
Ултразвукът се използва за отстраняване на замърсявания, които възникват както при производството на продукти и части, така и по време на тяхната работа. Ултразвуковото почистване е особено полезно при подготовка на повърхността преди нанасяне на покритие и при почистване на сложни кухини и канали в продуктите.
Ултразвукът се използва широко за почистване на проводници, метални ленти, дюзи, кабели и др. Специалните приложения на ултразвуковата технология за почистване включват почистване на прахове, радиоактивно замърсени повърхности и регенериране на керамични филтри.
Ефективността на ултразвуковото почистване зависи от избора на много параметри, включително физикохимичните свойства на измиващата течност. За правилен изборразтвори, е необходимо да се вземе предвид естеството на замърсителите: степента на тяхната адхезия към повърхността, която се почиства, химическо взаимодействие с почистващия разтвор, способност да издържат на микроударни натоварвания (устойчивост на кавитация). Предварителната класификация на замърсителите е важна, за да се определи кой от признаците е по-лесен за отстраняването им от повърхността. Чрез определяне на тази характеристика можете да изберете правилната технология за ултразвуково почистване (параметри на измиваща среда и звуково поле).
Като се има предвид естеството на замърсяването и естеството на връзката им с повърхността, се разграничават следните основни видове замърсяване:
- Неорганично замърсяване:
- механично слабо свързани с повърхността (прах, стърготини, метални и неметални стърготини, сажди и др.);
- механично оформени в повърхността (зърна от абразиви, минерални или метални частици);
- отложени на повърхността (солни корички след третиране в солени вани, котлен камък и др.).
- Замърсители и покрития от органичен характер или върху органични свързващи вещества:
- механично слабо свързани с повърхността (прах, пластмасови стърготини и талаш, сажди, въглища, кокс);
- с малка степен на адхезия към повърхността (мазнини и маслени филми и смазочни материали, пасти за шлайфане, полиране и прилепване);
- здраво залепени към повърхността (смола, лак, лепило, боя и др.).
Ултразвуково почистващо оборудване
Ултразвуковото почистване изисква контейнер с миеща течност в контакт с повърхността, която се почиства, и източник на ултразвукови вибрации, т.нар. ултразвуков излъчвател. Повърхността на ултразвуковия преобразувател най-често играе ролята на такъв радиатор. Има и варианти, когато трансдюсерът е прикрепен към стената на резервоара или към самия почистван обект, които се превръщат в излъчватели.
Видове оборудване, използвано за ултразвуково почистване:
Най-често срещаните и разнообразни устройства за ултразвуково почистване на отделни части са ултразвуковите вани. Произвеждаме вани с различни размери (от 0,6 до 19 000 литра) и форми. В зависимост от предназначението, ваните могат да бъдат оборудвани с различни допълнителни съоръжения: отопление, таймер, преливник, струйно почистване, циркулация и филтриране на миещ разтвор и др.
- Малки вани с един ултразвуков излъчвател: UZV-1, UZV-1.1.
- Малки вани с няколко излъчвателя, автоматично отопление и таймер: UZV-2, UZV-4, UZV-7.
- Вани с преливни джобове: МО-46, МО-55, МО-197, МО-229, МО-207.
- Вани с допълнително струйно почистване: MO-12.
- Вани за почистване на големи и много големи предмети: MO-21, MO-92, MO-93.
- Специални вани за почистване на дюзи, бутални втулки и др.
Ултразвуковите модули се използват за подобряване на съществуващото оборудване за миене. Те могат да бъдат вградени в контейнери, потопени в тях или да плуват на повърхността на течност.
За почистване на дълги продукти (тел, ленти, тръби) предлагаме специални машини, които могат да бъдат интегрирани в производствени линии (
Позволява ви бързо и ефективно да обработвате различни части, да премахвате най-упоритите замърсявания, да замените скъпи и опасни разтворители и да механизирате процеса на почистване.
Когато ултразвукови вибрации се предават на течност, в нея възникват променливи налягания, които се променят с честотата на възбуждащото поле. Наличието на разтворени газове в течност води до факта, че по време на отрицателния полуцикъл на трептене, когато върху течността действа напрежение на опън, в тази течност се образуват и увеличават празнини под формата на газови мехурчета. Замърсители от микропукнатини и микропори на материала могат да бъдат засмукани в тези мехурчета. Под действието на напреженията на натиск по време на положителния полупериод на наляганията, мехурчетата се свиват. Докато мехурчетата се срутят, те са засегнати от налягането на течността, достигащо няколко хиляди атмосфери, така че колапсът на балона е придружен от образуването на мощна ударна вълна. Този процес на образуване и свиване на мехурчета в течност се нарича кавитация. Обикновено кавитацията се появява на повърхността на детайла. Ударната вълна раздробява замърсителите и ги премества в почистващия разтвор (виж фиг. 1.10).
Ориз. 1.10. Схема на засмукване на замърсители от повърхностни микропукнатини в нарастващ газов мехур
Отделените частици замърсяване се улавят от мехурчета и изплуват на повърхността (фиг. 1.11).
Ориз. 1.11. ултразвуково почистване
Ултразвукова вълна в течност се характеризира със звуково налягане P звук. и интензитет на вибрациите I. Звуковото налягане се определя по формулата:
звук P = . ° С. . . Cos(t-k x) = p m . Cos(t-k x),
където p m = . ° С. . - амплитуда на звуковото налягане,
. C - вълново съпротивление,
- амплитуда на трептене,
- честота.
С увеличаване на звуковото налягане до оптималната стойност, броят на газовите мехурчета в течността се увеличава и съответно обемът на кавитационната област се увеличава. В ултразвуковите почистващи устройства звуковото налягане на границата между емитер и течност е в рамките на 0,2 ÷ 0,14 MPa.
Под интензитета на ултразвуковите вибрации на практика те отнемат мощността на единица площ на излъчвателя:
1,5 ÷ 3 W / cm 2 - водни разтвори,
0,5÷1 W/cm 2 - органични разтвори.
Кавитационното разрушаване достига своя максимум, когато времето на свиване на мехурчето е равно на полупериода на трептене. Образуването и нарастването на кавитационни мехурчета се влияе от вискозитета на течността, честотата на трептенията, статичното налягане и температурата. Кавитационен балон може да се образува, ако неговият радиус е по-малък от определен критичен радиус, съответстващ на определено хидростатично налягане.
Честота на ултразвукови вибрации лежи в диапазона от 16 Hz до 44 kHz.
Ако честотата на трептене е ниска, тогава се образуват по-големи мехурчета с малка амплитуда на пулсация. Някои от тях просто изплуват на повърхността на течността. Нискочестотният ултразвук се разпространява по-лошо поради абсорбцията, така че висококачественият процес на почистване се извършва в зона близо до източника. При ниска честота микропукнатините, чиито размери са по-малки от дължината на ултразвуковата вълна, не се почистват достатъчно добре.
Увеличаването на честотата на трептене води до намаляване на размера на газовите мехурчета и следователно до намаляване на интензитета на ударните вълни при същата мощност на инсталацията. За да започне процесът на кавитация с повишена честота, е необходим по-голям интензитет на трептенията. Увеличаването на честотата на инсталацията за ултразвуково почистване обикновено води до намаляване на ефективността на инсталацията. Увеличаването на честотата на ултразвука обаче има редица положителни аспекти:
Почистването се извършва чрез хидропотоци с много по-малко вибрации на частта;
Плътността на ултразвуковата енергия се увеличава пропорционално на квадрата на честотата, което прави възможно въвеждането на високи интензитети в разтвора или при постоянен интензитет да се намали амплитудата на трептенията;
С увеличаване на честотата количеството на абсорбираната ултразвукова енергия се увеличава.
Поради поглъщането на енергия с по-висока плътност, частици от масла, мазнини, флюсове и др. При нагряване замърсителите по повърхността на детайла стават по-течни и лесно се разтварят в почистващата течност. Водата (като основа на разтвора за измиване) не се нагрява;
С увеличаване на честотата дължината на вълната намалява, което допринася за по-задълбочено почистване на малки дупки;
При ултразвукови колебания с достатъчно висока честота (40 kHz) ултразвуковата вълна се разпространява с по-малко поглъщане и действа ефективно дори на голямо разстояние от източника;
Размерите и теглото на ултразвуковите генератори и преобразуватели са значително намалени;
Рискът от увреждане от ерозия на повърхността на детайла, който трябва да се почисти, е намален.
Вискозитет на течността по време на ултразвуково почистване влияе върху загубата на енергия и ударното налягане. Увеличаването на вискозитета на течността увеличава загубите поради вискозно триене, но времето за свиване на мехурчетата се намалява и следователно силата на ударната вълна се увеличава. Техническо противоречие.
температура има двусмислен ефект върху процеса на ултразвуково почистване. Повишаването на температурата активира миещата среда, повишава нейната разтворима способност. Но в същото време вискозитетът на разтвора намалява и налягането на сместа пара-газ се увеличава, което значително намалява стабилността на процеса на кавитация. Тук отново сме изправени пред ситуациятатехническо противоречие.
Инженерният подход за разрешаване на това противоречие е да се оптимизира температурата (вискозитета) на разтвора в зависимост от природата и вида на замърсяването. За почистване на части от химически активни замърсители температурата трябва да се повиши, а за отстраняване на слабо разтворими замърсители е необходимо да се избере температура, която създава условия за оптимална кавитационна ерозия.
Алкални разтвори 40÷60ºС,
Трихлоретан 38÷40ºС,
Водни емулсии 21÷37ºС.
В допълнение към кавитационното разпръскване на замърсители, потоците от акустична течност имат положителна стойност по време на почистване, т.е. вихрови потоци, образувани в сондираната течност в местата на нейните нееднородности или на границата "течност-твърдо тяло". Високото ниво на възбуждане на течността в слоя, съседен на повърхността на детайла, намалява дебелината на дифузионния слой, образуван от реакционните продукти на почистващия разтвор със замърсители.
Ултразвукова почистваща среда
Почистването се извършва във водни детергентни разтворители, емулсии, киселинни разтвори. При използване на алкални разтвори температурата и концентрацията на алкални компоненти могат да бъдат значително намалени, а качеството на почистване остава високо. Това намалява ефекта на ецване върху детайла. Съставът на алкалните разтвори най-често включва сода каустик (NaOH), калцинирана сода (Na 3 CO 3), тринатриев фосфат (Na 3 PO 4 . 12H 2 O), течно стъкло (Na 2 O . SiO 2), анионни и нейонни повърхностноактивни вещества (сулфанол, тинол).
Повърхностно активните вещества значително увеличават кавитационната ерозия, т.е. интензифициране на процеса на почистване. Въпреки това, рискът от кавитационно разрушаване на повърхността на материала също се увеличава с добавянето на повърхностно активни вещества. понижаване повърхностно напрежениев присъствието на повърхностно активни вещества води до увеличаване на броя на мехурчетата на единица обем. В този случай повърхностно активното вещество намалява якостта на повърхността на детайла (техническо противоречие).
За да се предотврати ерозията на металите, е необходимо да се изберат оптималните концентрации на ПАВ, минималната продължителност на процеса и да се поставят частите далеч от излъчвателя (инженерно решение).
Ултразвуковото почистване в органични разтворители се използва, когато почистването в алкални разтворители може да доведе до корозия на материала или образуването на пасивен филм, както и ако е необходимо да се намали времето за съхнене. Най-удобни са хлорираните разтворители с висока реактивност; те разтварят голямо разнообразие от замърсители и са безопасни за употреба.
Хлорираните разтворители могат да се използват в чиста форма и като част от азеотропни смеси (дестилирани без промяна на състава). Например смеси от фреон-113, фреон-30. Азеотропните смеси от разтворители реагират с много замърсители, повишавайки ефективността на почистване.
За ултразвуково почистване се използват и бензин, ацетон, алкохоли, алкохолно-бензинови смеси.
За ултразвуково ецване на части при почистване от оксиди се използват концентрирани киселинни разтвори (виж таблица 1.6).
Таблица 1.6.
Състав на разтворите (масови фракции) и режими на ултразвуково ецване
|
Материал на частта |
Уротропин |
Температура ºС |
Продължителност, мин |
||||||
|
Конструкционни стомани(стих 3:45) | |||||||||
|
Циментиране моите стомани (16KhGT) | |||||||||
|
Хромирани стомани (2X13, 4X13 и др.) | |||||||||
|
Електрически стомани | |||||||||
|
неръждаема стомана да стане | |||||||||
|
медни сплави(L90, LA85, L68 и др.) | |||||||||
|
въглеродни стомани |
Начини за контрол на процеса на ултразвуково почистване .
Промяна на налягането на течността. Методът се изпълнява под формата на създаване на вакуум или обратно, свръхналягане. Вакуумирането на течността улеснява образуването на кавитация. Прекомерното налягане увеличава ерозионното разрушаване, измества максимума на кавитационната ерозия в зоната на високо звуково налягане и влияе върху естеството на акустичните потоци.
Налагането на електрически или магнитни полета върху измиващата среда.По време на електрохимично ултразвуково почистване зоната на кавитация може да бъде локализирана директно върху детайла; мехурчета от газове, освободени върху електродите, допринасят за разрушаването на филмите за замърсяване; омокряемостта с масло на поляризираната повърхност на частта е намалена.
Налагането на магнитно поле върху зоната на кавитация предизвиква движение на газови мехурчета с отрицателен повърхностен заряд, което увеличава кавитационната ерозия на частите.
Въвеждане на абразивни частици в миещия разтвор.Твърдите абразивни частици участват в механичното отделяне на замърсителите и стимулират образуването на кавитационни мехурчета, тъй като те нарушават непрекъснатостта на течността.
Ултразвукът има толкова многофакторен ефект, че използването на ултразвукови вибрации може значително да ускори всеки от изброените методи за почистване и да подобри качеството му: променливо налягане, вибрации на течни частици и вторични акустични явления - "звуков вятър", ударни вълни, кавитация и ултразвук капилярен ефект.
Основната енергийна роля се играе от кавитация. Когато кавитационните мехурчета се срутят, се образуват кумулативни микрофлуидни струи, чиято скорост достига стотици метри в секунда, насочени към повърхността, която се почиства. Под действието на ударни вълни и високоскоростни микроструи филмът на замърсяване (твърд или течен) се разрушава интензивно и се отделя от повърхността. Кавитацията осигурява интензивно ултразвуково емулгиране на течност и ултразвукова дисперсия на отделени твърди частици от замърсители.
Акустичните потоци осигуряват отстраняването на замърсителите, разтворени или унищожени от кавитация, от граничния слой в обема на течността. Акустичните течения играят особено важна роля при отстраняването на разтворими замърсители.
Ефективността на почистване се увеличава с приближаването на третираната повърхност до излъчвателя. Не е препоръчително обаче продуктите да се приближават до излъчвателя на разстояние по-малко от 1–2 mm, тъй като при малки пролуки между излъчвателя и третираната повърхност условията за отстраняване на замърсителите от граничния слой се влошават и кавитационната активност намалява поради промяна в модела на свиване на кавитационните мехурчета. При малки разстояния кумулативната струя действа успоредно на почистваната повърхност и не дава необходимия почистващ ефект.
Предимството на ултразвуковото почистване е не само способността да се постигне висококачествено почистване на контролираната повърхност от голямо разнообразие от замърсители, но и да се отстранят замърсителите от кухината на капилярния дефект. Най-ефективно е използването на ултразвук в режим, който осигурява проявата на ултразвуков капилярен ефект. В този случай задънените капиляри се пълнят с реагента на по-голяма дълбочина и с по-голяма скорост. Дифузионното движение на разтворения газ към устието на дефекта се ускорява значително; разтваряне на замърсители, присъстващи в кухината на дефекта; дифузионно движение на замърсители към устата му. В резултат на това се ускорява процесът на запълване на дефектните кухини като цяло и се увеличава дълбочината на проникване на работните течности в задънените капилярни канали.
Използването на ултразвук по време на почистване може значително да подобри качеството на контрола. В този случай прекъсванията се почистват на достатъчна дълбочина не само от течности, но и от такива слабо разтворими замърсители като полиращи пасти. В резултат на това броят на откритите следи се приближава общ бройвзети под внимание дефекти. Използването на вода и водни разтвори на глицерол и дисперсант като миещи течности при почистване в ултразвуково поле дава по-голям ефект от използването на разтворители като ацетон и бензин. Това се дължи на по-голямата активност на акустичната кавитация във водата и водните разтвори, отколкото в ацетона и бензина. Използването на ултразвук позволява решаване на проблемите с заместването на пожар, експлозия, опасни за околната среда за хората и заобикаляща средаматериали за дефектоскопия към вода и водни разтвори.
Ултразвуково почистване на анодТо е най ефективен начинподготовка на продуктите за контрол. Осигурява отстраняването на твърди и високовискозни замърсители от повърхността на продуктите и от кухините на дефектите, както и оксидни филми без използването на ецващи състави. След почистване следите от почистващи течности се неутрализират, продуктите се измиват с вода и се подсушават. Скоростта на такава обработка е 2,5–4 пъти по-висока от тази на електролитната обработка.
Анодно-ултразвуковото почистване се извършва в ултразвукови вани. Съставът на електролита и режимите на обработка се избират в зависимост от плътността и дебелината на слоя замърсяване. Измиването на продуктите след обработка се извършва чрез многократно потапяне във вани с гореща, а след това със студена течаща вода. Продължителността на измиване във всяка вана е 0,5–1 min.
Електролитни състави и режими на анодно ултразвуково почистване на продукти от хромоникелови стомани и сплави:
Ултразвуковото почистване е метод за почистване на повърхността на твърди частици в миещи течности, при който по един или друг начин в течността се въвеждат ултразвукови вибрации. Използването на ултразвук обикновено значително ускорява процеса на почистване и подобрява неговото качество. Освен това в много случаи е възможно да се заменят запалими и токсични разтворители с по-безопасни почистващи препарати, без да се компрометира качеството на почистване. Ултразвуковото почистване се използва в много индустрии, при ремонт на машини и механизми, в бижутерията и реставрацията, в медицината и др. Почистването се получава поради комбинираното действие на различни нелинейни ефекти, които се появяват в течност под действието на мощен ултразвук вибрации. Тези ефекти са: кавитация, акустични течения, звуково налягане, звуково-капилярен ефект, от които кавитацията играе решаваща роля. Кавитационните мехурчета, пулсиращи и срутващи се в близост до замърсяване, ги унищожават. Този ефект е известен като кавитационна ерозия.
За ултразвуковото почистване е важен правилният избор на почистващ разтвор, така че той ефективно да разтваря или емулгира замърсителите, като в същото време не засяга максимално почистваната повърхност. Последното обстоятелство е особено важно, тъй като ултразвукът обикновено значително ускорява физичните и химичните процеси в течностите, а агресивният препарат може бързо да повреди повърхността.
Ултразвуковото почистване не трябва да се използва, когато устойчивостта на кавитация на повърхността, която трябва да се почисти, е по-малка от устойчивостта на замърсяване.
Например, при премахване на лепкав филм от алуминиеви части, вероятността от унищожаване на самите части е висока. Трябва да се помни от урока по химия в 7 клас, че алуминият взаимодейства с водата, освобождавайки водород и алуминиев хидроксид. Защитен е с оксиден филм. Които лесно могат да бъдат унищожени. Оптималната концентрация на работния разтвор се избира експериментално.
При почистване на високолегирани стомани е желателно измиване в дестилирана вода. Препоръчва се измиване със слаб разтвор на лимонена киселина за неутрализиране на алкални остатъци. Концентрацията на работния разтвор и промивния разтвор се регулира с йонометър (pH метър) или лакмусова хартия.
Замърсяване и въздействие върху тях
От гледна точка на ултразвуковото почистване, замърсяването се отличава с три признака:
1. Устойчивост на кавитация, тоест способността да издържат на микроударни натоварвания.
2. Сила на сцепление с повърхността за почистване, устойчивост на отлепване.
3. Степента на взаимодействие с течността за измиване, т.е. дали и колко способна е тази течност да разтваря или емулгира замърсяването.
Устойчивите на кавитация замърсители се поддават добре на ултразвуково почистване само ако са слабо свързани с повърхността или взаимодействат с почистващия разтвор. Това са мастни замърсители, които се измиват добре в леко алкални разтвори. Лаковите или боядисаните покрития, котлен камък, оксидните филми обикновено са устойчиви на кавитация и са добре залепени към повърхността. За ултразвуково почистване на такива замърсители са необходими доста агресивни разтвори, тъй като тук може да действа само третият от изброените признаци.
Кавитационно нестабилните замърсители (прах, порести органични вещества, корозионни продукти) се отстраняват сравнително лесно дори без използването на специални разтвори.
При ултразвуковото почистване като миеща течност се използват както обикновена вода, така и водни разтвори на детергенти и органични разтворители. Изборът на средство се определя от вида на замърсяването и свойствата на повърхността, която ще се почиства (виж по-горе).
Ултразвукови почистващи устройства
За ултразвуково почистване се нуждаете от контейнер с почистващ разтвор и източник на механични вибрации с ултразвукова честота, наречен ултразвуков излъчвател. Повърхността на ултразвуковия трансдюсер, тялото на контейнера и дори частта, която трябва да се почисти, могат да действат като излъчвател. В последните случаи ултразвуковият преобразувател е прикрепен съответно към тялото или към детайла.
Ултразвуков трансдюсер преобразува електрическите вибрации, приложени към него, в механични вибрации със същата честота. Повечето инсталации използват честоти от 18 до 44 kHz с интензитет на трептене от 0,5 до 10 W/cm². Горната граница на честотния диапазон се дължи на механизма на образуване и унищожаване на кавитационни мехурчета: при много висока честота мехурчетата нямат време да се срутят, което намалява микрошоковия ефект на кавитацията.
Трансдюсерите могат да бъдат магнитострикционни или пиезокерамични. Първите се отличават с големи размери и тегло, значително по-ниска ефективност, но позволяват достигане на висока мощност от порядъка на няколко киловата. Пиезокерамичните преобразуватели са по-компактни, по-леки, по-икономични, но тяхната мощност, като правило, не е толкова голяма - до няколкостотин вата. Такава мощност обаче е достатъчна за по-голямата част от приложенията, като се има предвид, че в големи инсталации се използват няколко излъчвателя наведнъж.
Най-известните устройства са ултразвуковите вани, устройства, специално проектирани за ултразвуково почистване. Преобразувателите в такива бани обикновено са или вградени в отвори в корпуса, или са прикрепени към корпуса, което го прави радиатор, или са поставени вътре като отделни модули. Всеки метод има своите предимства и недостатъци.
Могат да се вграждат отделни модули ултразвукови преобразуватели (емитери). технологични линиикъдето се изисква бързо и качествено почистване. Така например, те го правят за непрекъснато почистване на валцуван метал и тел на различни етапи от тяхното производство и употреба.
Известните преобразуватели са направени под формата на малки ръчни инструменти за прецизно почистване на сложни повърхности. За почистването печатни платкиизползвани в радиоелектрониката, най-доброто представяне (получено експериментално) има разтвор на популярни детергенти като "Mr. Muscle 30%, ферибот 30% и вода. при почистване в специални вани е желателно разтворът да се нагрява до температура от + 25-40 градуса по Целзий през целия процес.
Ултразвуковото почистване е метод за почистване на повърхността на твърди частици, базиран на възбуждането на ултразвукови честотни колебания в миещ разтвор.
Научната основа за създаването на оборудване и развитието на технологията за ултразвуково почистване беше положена от работата в областта на акустичната кавитация, извършена в "Акустичния институт на името на академик Н. Н. Андреев" под ръководството на професор Л. Д. Розенберг.
Ултразвуковото почистване ви позволява да замените ръчен трудпо този начин се ускорява процеса на почистване, постига се висока степен на чистота на повърхността, практически се елиминира използването на запалими и токсични разтворители.
Процесът на ултразвуково почистване се причинява от редица явления, които възникват в ултразвуково поле с висок интензитет: акустична кавитация, акустични течения, радиационно налягане, звуко-капилярен ефект.
Проучванията показват, че в зависимост от вида на замърсяването различни процеси играят преобладаваща роля при почистването. По този начин унищожаването на слабо свързани помежду си замърсители става главно под действието на пулсиращи (несвиващи се) кавитационни мехурчета. По краищата на филма от замърсяване пулсиращи мехурчета, които правят интензивни вибрации, преодоляват силите на сцепление на филма с повърхността, проникват под филма, разчупват го и го отлепват. Радиационното налягане и звуковият капилярен ефект допринасят за проникването на почистващия разтвор в микропори, неравности и слепи канали. Акустичните токове извършват ускорено отстраняване на замърсителите от повърхността. Ако замърсителите са здраво закрепени към повърхността, тогава за тяхното унищожаване и отстраняване от повърхността е необходимо наличието на срутващи се кавитационни мехурчета, създаващи микрошоков ефект върху повърхността.
За да се приложи необходимия режим на ултразвуково почистване, е необходимо да се изберат оптималните стойности на интензитета на ултразвука и честотата на трептене. С нарастваща честота кавитационният мехур не достига крайния етап на колапс, което намалява микрошоковия ефект на кавитацията. Прекомерното понижаване на честотата води до повишаване на нивото на въздушния шум и изисква увеличаване на размерите на радиатора. Следователно повечето индустриални инсталации работят в диапазона 18-44 килохерца.
Увеличаването на интензитета на ултразвука над определена граница води до увеличаване на амплитудната стойност на налягането и кавитационният балон се дегенерира в пулсиращ. При ниски стойности на интензитета кавитацията и всички вторични ефекти, които възникват в течността при въвеждане на ултразвукови вибрации и определят ефективността на почистване, са слабо изразени. Работният диапазон на интензивност е 0,5-10 W/cm2.
Важна роля в процеса на почистване играе правилно избраният състав на измиващата течност. В този случай е необходимо да се вземат предвид свойствата на материала на детайла, който трябва да се почисти, и вида на замърсяването. Измиващата течност трябва да влиза в химическо взаимодействие само с повърхностни замърсители, но не и с материала на продукта, който трябва да се почиства. Физичните и химичните свойства на течността оказват значително влияние върху хода и развитието на специфични явления, възбуждани от ултразвук в миещите разтвори. Увеличаването на налягането на парите вътре в мехура рязко намалява интензивността на кавитацията, следователно, например, използването на водни разтвори за ултразвуково почистване е по-ефективно от използването на органични разтворители.
Понастоящем като устройства за ултразвуково почистване се използват специални вани.
Трябва да се помни, че е строго забранено използването на запалими и експлозивни вещества като почистващ разтвор! Разрешено е добавянето на тестовата течност Favorit Test към водните миещи разтвори Favorit Ultra за подобряване на измиването на упорити замърсявания. В този случай разтворът, получен при смесването на тези две течности, става неексплозивен. Въпреки това, по време на съхранение на отработения състав, получен чрез смесване на тези две течности, настъпва разслояване. Запалката "Favorite Test", състояща се от органични разтворители, се събира в контейнер отгоре и може да представлява опасност от пожар. Дезинфекция и стерилизация на медицински инструменти Държавен научен център НИОПИК предлага широка гама от препарати за дезинфекция и стерилизация на медицински инструменти. В......