Принцип работы ультразвуковой ванны - как выбрать и использовать на производстве или в домашних условиях. Когда раствор для очистки следует заменить? Эффективная очистка: просто, недорого и эффективно

Среди всех технологических процессов, протекающих в жидких средах с воздействием ультразвука, очистка поверхностей твёрдых тел получила наибольшее применение.

Ультразвуковая очистка - способ очистки, основанный на использовании нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием ультразвуковых колебаний. Среди этих эффектов главное значение имеет кавитация. Другие эффекты: акустические течения, звуковое давление, звукокапиллярный эффект.

Кавитацией называется процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Во время фазы сжатия эти полости и пузырьки захлопываются.

Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов. Причиной исключительной эффективности кавитации является то, что захлопывание пузырьков начинается у очищаемой поверхности. Кавитация сопровождается возникновением очень высоких мгновенных гидростатических давлений, которые отрывают прилипшие к очищаемой поверхности частицы загрязнений.

Кавитация слышна как шипящий шум, возникающий в жидкости при определенном значении интенсивности ультразвукового поля.

Введение ультразвуковых колебаний в моющие растворы позволяет не только ускорить процесс очистки, но и получить более высокую степень чистоты поверхности. При этом в большинстве случаев удаётся исключить пожароопасные и токсичные органические растворители и использовать исключительно водные растворы технических моющих средств. Это несомненно ведёт к улучшению условий труда рабочих, повышению культуры производства, а также позволяет частично решить вопросы экологической безопасности.

Ультразвук применяют для очистки от загрязнений, возникающих как при изготовлении изделий и деталей, так и при их эксплуатации. Особенно полезна ультразвуковая очистка при подготовке поверхностей перед нанесением покрытий и при очистке сложных полостей и каналов в изделиях.

Ультразвук широко используют для очистки проволоки, металлической ленты, форсунок, кабеля и др. К специальным применениям технологии ультразвуковой очистки можно отнести очистку порошков , радиоактивно загрязнённых поверхностей , регенерацию керамических фильтров .

Эффективность ультразвуковой очистки зависит от выбора многих параметров, в т. ч. и физико-химических свойств моющей жидкости. Для правильного выбора растворов необходимо учитывать характер загрязнений: степень их адгезии к очищаемой поверхности, химическое взаимодействие с моющим раствором, способность противостоять микроударным нагрузкам (кавитационную стойкость). Предварительная классификация загрязнений важна для того, чтобы определить, по какому из признаков легче удалить их с поверхности. Определив этот признак, можно правильно выбрать технологию ультразвуковой очистки (моющие среды и параметры звукового поля).

Учитывая природу загрязнений и характер их связи с поверхностью различают следующие основные виды загрязнений:

• Неорганические загрязнения:
• механически слабо связанные с поверхностью (пыль, опилки, металлическая и неметаллическая стружка, сажа и т. п.);
• механически шаржированные в поверхность (зерна абразивов, минеральные или металлические частицы);
• осажденные на поверхность (солевые корки после обработки в солевых ваннах, накипь и т. п.).
• Загрязнения и покрытия органического характера или на органических связках:
• механически слабо связанные с поверхностью (пыль, пластмассовые опилки и стружка, сажа, уголь, кокс);
• обладающие небольшой степенью адгезии к поверхности (жировые и масляные пленки и смазочные материалы, шлифовальные, полировальные и притирочные пасты);
• прочно сцепленные с поверхностью (смола, лак, клей, краска и т. п.).

Оборудование для ультразвуковой очистки

Для ультразвуковой очистки нужна ёмкость с моющей жидкостью, соприкасающейся с очищаемой поверхностью, и источник ультразвуковых колебаний, называемый ультразвуковым излучателем . Таким излучателем чаще всего выступает поверхность ультразвукового преобразователя. Возможны также варианты, когда преобразователь крепится к стенке ёмкости или к самому очищаемому объекту, которые и становятся излучателями.

Типы оборудования, используемого для ультразвуковой очистки:

Наиболее распространённые и разнообразные устройства для ультразвуковой очистки отдельных деталей - это ультразвуковые ванны . Мы выпускаем ванны разного объёма (от 0,6 до 19 000 литров) и формы. В зависимости от назначения ванны могут оснащаться разнообразным дополнительным оборудованием: нагревом, таймером, переливным карманом, струйной очисткой, циркуляцией и фильтрацией моющего раствора и т. д.

• Малые ванны с одним ультразвуковым излучателем: УЗВ-1 , УЗВ-1.1 .
• Малые ванны с несколькими излучателями, автоматическим подогревом и таймером: УЗВ-2 , УЗВ-4 , УЗВ-7 .
• Ванны с переливными карманами: МО-46 , МО-55 , МО-197 , МО-229 , МО-207 .
• Ванны с дополнительной струйной очисткой: МО-12 .
• Ванны для очистки крупных и особо крупных изделий: МО-21 , МО-92 , МО-93 .
• Специальные ванны для очистки распылителей, втулок плунжеров и т. п.

Ультразвуковые модули используются для улучшения существующего моечного оборудования. Они могут встраиваться в ёмкости, погружаться в них или же плавать на поверхности жидкости.

Для очистки длинномерных изделий (проволоки, ленты, труб) мы предлагаем специальные установки , которые могут встраиваться в производственные линии (

Что такое ультразвук?

Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых выше 15…20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, то есть при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 10 9 Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти:

Низкие - 1,5–10…10 5 Гц;

Средние - 10 5 …10 7 Гц;

Высокие - 10 7 …10 9 Гц.

Упругие волны с частотами 1·10 8 …1·10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Теория звуковых волн

Ультразвук как упругие волны

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот, обычно называемых звуковыми волнами. К основным законам их распространения относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Специфические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике. Они обусловлены его относительно высокими частотами и, соответственно, малой длиной волны.

Так, для высоких ультразвуковых частот длины волн составляют:

В воздухе - 3,4⋅10 -3 …3,4⋅10 -5 см;

В воде - 1,5⋅10 -2 …1,5⋅10 -4 см;

В стали - 1⋅10 -2 … 1⋅10 -4 см.

Такая разница значений ультразвуковых волн (УЗВ) обусловлена различными скоростями их распространения в различных средах. Для низкочастотной области УЗ длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров.

УЗВ затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона, так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.

Еще одна весьма важная особенность УЗ - возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей.

Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение на ходящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы (рис. 1).

Рис. 1

Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр. Для воды в низкочастотном ультразвуковом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3-1 Вт/см 3 .

Источники ультразвука

В природе УЗ встречается в составе многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), а также в мире животных, использующих его для эхолокации и общения.

Технические излучатели ультразвука, используемые при изучении УЗВ и их технических применениях, можно подразделить на две группы. К первой относятся излучатели-генераторы (свистки). Колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи: они преобразуют уже заданные электрические колебания в механические колебания какого-либо твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Применение ультразвука

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗВ, второе - с активным воздействием на вещество и третье - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).

Принципы ультразвуковой очистки

Основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс - очистка поверхностей твердых тел. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвукововой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке (рис. 2) обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например, алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами.

Рис. 2

В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры.

Механизмы очистки и отмывки

Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием.

При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее (рис. 3, а). По мере того как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель–загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, б).

Рис. 3

Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, в). Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются “неправильные” поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули.

Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их (рис. 4).

Рис. 4

Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, то есть переводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий.

Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки необходим УЗ-генератор, преобразователь электрической энергии генератора в УЗ-излучение и измеритель акустической мощности.

Электрический ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энергию сети в электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это выполняется известными способами и не имеет какой-либо специфики. Однако, предпочтительнее использовать цифровую технику генерации, когда на выходе получаются прямоугольные импульсы чередующейся полярности (рис. 5). КПД таких генераторов близок к 100%, что позволяет решить проблему энергоемкости процесса. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к акустическому излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не образуется “мертвых” зон в узлах интерференции. Поэтому многочастотное УЗ-облучение позволяет располагать объект очистки практически в любой зоне УЗ-ванны.

Рис. 5

Другим приемом избавления от “мертвых” зон является использование генератора с качающейся частотой (рис. 6). В этом случае узлы и пучности интерференционного поля перемещаются на различные точки очищающей системы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки. Но КПД таких генераторов относительно низкий.

Рис. 6

Имеются два общих типа ультразвуковых преобразователей: магнитострикционный и пьезоэлектрический. Они оба выполняют одинаковую задачу преобразования электрической энергии в механическую.

В магнитострикционных преобразователях (рис. 7) используют эффект магнитострикции, при котором некоторые материалы изменяют линейные размеры в переменном магнитном поле.

Рис. 7

Электрическая энергия от ультразвукового генератора сначала преобразуется обмоткой магнитостриктора в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает механические колебания ультразвуковой частоты за счет деформации магнитопровода в такт с частотой магнитного поля. Поскольку магнитострикционные материалы ведут себя подобно электромагнитам, частота их деформационных колебаний в два раза выше частоты магнитного, а, значит, и электрического поля.

Электромагнитным преобразователям свойственен рост потерь энергии на вихревые токи и перемагничивание с ростом частоты. Поэтому мощные магнитострикционные преобразователи редко используют на частотах выше 20 кГц. Пьезопреобразователи, напротив, могут хорошо излучать в мегагерцовом диапазоне. Магнитострикционные преобразователи вообще менее эффективны, чем их пьезоэлектрические аналоги. Это обусловлено, прежде всего, тем, что магнитострикционный преобразователь требует двойного энергетического преобразования: из электрического в магнитное и затем из магнитного в механическое. Потери энергии происходят на каждом преобразовании. Это уменьшает КПД магнитострикторов.

Пьезопреобразователи (рис. 8) конвертируют электрическую энергию прямо в механическую засчет использования пьезоэлектрического эффекта, при котором некоторые материалы (пьезоэлектрики) изменяют линейные размеры при приложении электрического поля. Раньше для пьезоизлучателей использовали такие пьезоэлектрические материалы как природные кристаллы кварца и синтезируемый титанат бария, которые были хрупкими и нестабильными, а потому и ненадежными. В современных преобразователях используют более прочные и высокостабильные керамические пьезоэлектрические материалы. Подавляющее большинство систем УЗ-очистки используют сегодня пьезоэлектрический эффект.

Рис. 8

Оборудование ультразвуковой очистки

Диапазон используемого оборудования ультразвуковой очистки очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, ювелирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений.

Правильный выбор необходимого оборудования имеет первостепенное значение в успехе применения ультразвуковой очистки. Самое простое применение УЗ-очистки может требовать всего лишь нагретой моющей жидкости. Более сложные системы очистки требуют большого количества ванн, последние из которых должны быть наполнены дистиллированной или деионизированной водой. Самые большие системы используют погружаемые ультразвуковые преобразователи, комбинация которых может облучить ванны почти любого размера. Они обеспечивают максимальную гибкость и легкость в использовании и обслуживания. Ультразвуковые ванны с подогревом моющего раствора наиболее часто применяются в лабораториях, медицине, ювелирном деле.

Линии УЗ-очистки (рис. 9), используемые в крупном производстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения объектов очистки по ваннам и систему управления.