Ультразвуковая очистка

Современная техника предъявляет повышенные требования к качеству очистки технологических поверхностей. Недостаточно хорошая очистка отрицательно сказывается на надежности и долговечности деталей механизмов, ускоряет износ, ухудшает адгезию защитных и других функциональных покрытий.

Классические методы, такие как ручная и механизированная очистка щетками, химическое и электрохимическое обезжиривание, струйная промывка далеко не всегда обеспечивают удовлетворительный результат. Поэтому, чрезвычайно широкое распространение в современной технике получили процессы очистки в жидкой среде с применением ультразвука.

Ультразвук позволяет выполнять быструю и высококачественную очистку изделий любых форм и размеров, исключить из производственного процесса ручной труд, заменить дорогостоящие токсичные и взрывоопасные растворители более дешевыми и безопасными щелочными растворами. В ряде случаев, ультразвуковой метод позволяет устранять загрязнения, не поддающиеся удалению другими способами (сложные, мелкие детали, глухие отверстия, отверстия малого диаметра и пр.).

Сегодня процессы ультразвуковой очистки применяются в самых различных областях производства – в машиностроении для отмывки деталей, труб, проволоки, удаления продуктов коррозии, остатков смазки и шлифовальных составов, заусенцев, для очистки деталей после консервации, сварки. В авторемонтном сервисе – при промывке карбюраторов, инжекторов, отдельных узлов и целых блоков. В полиграфии – для очистки типографских валов. В приборостроении – для отмывки печатных плат, кремниевых и кварцевых пластин, прецизионных деталей. Кроме того, ультразвуковая очистка используется в оптике, медицине, в химических и фармакологических лабораториях.

Чтобы понять как работает ультразвуковая очистка, прежде всего, необходимо разобраться: что же такое собственно ультразвук? По своей физической природе, ультразвук ничем не отличается от обычного звука, то есть упругих колебаний и волн, распространяющихся в среде. Ультразвуком обычно называют звук, частота которого выше максимальной частоты, воспринимаемой человеческим ухом. Для большинства людей эта частота составляет 17-20 кГц. Верхняя частотная граница ультразвукового диапазона составляет ~106 кГц для газов при атмосферном давлении и ~109-1010 кГц для жидких и твердых тел. Звук более высоких частот не может распространяться в среде в силу физических причин. Однако в практике ультразвуковой очистки применяется ультразвук низких частот – от 16 до 45 кГц.

Ультразвук в ваннах очистки создается с помощью специальных устройств, основными элементами которых являются электрический генератор и преобразователь. Генератор вырабатывает электрические колебания необходимой частоты, а преобразователь, получая электрический сигнал от генератора, излучает ультразвук. В устройствах для ультразвуковой очистки используются преобразователи двух типов – пьезоэлектрические и магнитострикционные. Действие первых основано на эффекте, который заключается в деформации пьезоэлектрика при подаче на него электрического импульса. Действие магнитострикционного преобразователя основано на эффекте, который состоит в деформации ферромагнетика при изменении намагничивания. Оба типа преобразователей имеют свои преимущества и недостатки. Большинство производителей оборудования ультразвуковой очистки применяют как пьезоэлектрические, так и магнитострикционные преобразователи в зависимости от специфики решаемой технологической задачи.

При излучении мощного ультразвука в жидкость, в последней возникают нелинейные эффекты. Именно эти эффекты и приводят к удалению загрязнений. Основными из них являются кавитация и акустические течения.

Ультразвук создает в моющей среде области сжатия и разрежения. Известно, что жидкость может выдерживать очень сильные давления на сжатие. Однако в областях разрежения, сплошность моющей среды нарушается, и в ней начинают образовываться пузырьки с паром. Живут такие пузырьки, как правило, очень недолго – всего несколько периодов колебаний звуковой волны, после чего быстро сжимаются и захлопываются. Это явление получило название кавитации. При захлопывании пузырьков, образуется ударная волна огромной силы. Величины давлений в импульсах ударных волн достигают тысяч атмосфер. Они вызывают разрушение поверхностных пленок, загрязнений и внешних слоев твердых тел на границе с рабочей жидкостью. Это явление называют кавитационной эрозией.

Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация – вредное явление. Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом, а значит, и полезное применение его на практике.

Помимо кавитации, большую роль в очистке играют также акустические течения. Они возникают вследствие поглощения ультразвуковой волны средой, при этом импульс колебаний отдельных частиц в распространяющейся волне переходит в импульс направленного движения струи потока как единого целого. При ультразвуковой очистке, акустические течения способствуют выносу частиц загрязнения из очищаемой области, интенсифицируют химическое взаимодействие моющей среды с поверхностью за счет усиления циркуляции в пограничной области. Кроме того, они доставляют технологически активные кавитационные пузырьки к участкам очищаемой поверхности.

Метод очистки ультразвуком позволяет удалять практически любые виды промышленных загрязнений. К ним относятся:

• Загрязнения в виде твердых и жидких пленок. Различные масла, жиры (растительные, минеральные и животные), углеводороды, мазут, мыла, жирные кислоты; полировальные, притирочные пасты и шлифовальные составы, обычно состоящие из пригоревших жиров, мыла, воска, с примесью механических загрязнений.
• Продукты коррозии: ржавчина, окалина (окисленная поверхность железа, образующаяся в результате термообработки), шлам (вторичные продукты, образующиеся после травления прокорродировавшего металла), окисная пленка на меди, алюминии и серебре.
• Предохраняющие, консервирующие и защитные покрытия: защитные эмали, смазочные масла, наклеечные смолы.
• Загрязнения в виде твердых осадков, находящихся на поверхности изделий, материалов и деталей: механические загрязнения (твердые частички металла, металлическая стружка, частички абразива, волокна, пыль), нагар (твердый осадок, состоящий из кокса, золы, смолы, сажи и других продуктов сгорания топлива), пигменты (мел, тальк, сера, цемент, графит), а также твердые осадки (накипь, флюсы). Их отличительная особенность – инертность к растворителям, при затвердевании они образуют трудно отделимую корочку.
• Водорастворимые или частично растворимые полярные органические и неорганические соединения – сахар, крахмал, белок, кровь, неорганические соли.

На современном рынке представлен широчайший выбор оборудования для ультразвуковой очистки – начиная от портативных ванн для очистки лабораторных инструментов и заканчивая полностью автоматизированными промышленными линиями.

В условиях серийного производства применяются специализированные промывочные комплексы. Комплекс состоит из узлов, монтируемых по модульному принципу, использование которого обеспечивает широкий круг технологических возможностей под конкретные требования производства. Узлы объединяются в механизированную или автоматическую линию очистки поверхности изделий после операций изготовления. Комплекс в общем случае состоит из ультразвуковой ванны для очистки, ополаскивающей ванны для финишной промывки, камеры сушки очищенных изделий, транспортного манипулятора, системы автоматического контроля и управления.

Для непрерывной очистки прокатных изделий (проволока, лист, провод) применяются специализированные ультразвуковые линии. Модули очистки и промывки представляют собой устройства с подачей моющего раствора и одновременным наложением мощных ультразвуковых колебаний. После модуля промывки имеется сушильная камера. На выходе линии, при необходимости нагрева изделия перед покрытием, может быть установлена система индукционного нагрева. Линия встраивается непосредственно на выходе прокатного оборудования, либо выносится на отдельный производственный участок и оснащается своими механизмами подачи.

Очистка металлических труб от различных производственных и эксплуатационных загрязнений осуществляется с помощью комплекта из двух ультразвуковых инструментов, оборудованных каналами для подачи моющего раствора. Очистка внешней поверхности производится торцевым магнитострикционным излучателем с акустическим трансформатором, соответствующей конструкции и отражающей накладкой с противоположной стороны трубы. Очистка внутренней поверхности трубы производится снарядом, состоящим из ультразвукового излучателя и акустического трансформатора, преобразующего фронтальные колебания торца излучателя в радиальные. Механизм подачи обеспечивает движение трубы через узлы очистки внешней и внутренней поверхности со скоростью, обеспечивающей требуемый уровень очистки. На входе может устанавливаться индукционный нагреватель для размягчения нефтяных и парафиновых отложений.

Прогрессивным является применение ультразвуковой технологии для очистки пресс-форм при литье пластика, металла, резинотехнических изделий. Внедрение ультразвуковой очистки в производстве оптических систем позволяет вдвое сократить процент брака из-за наличия царапин.

Технология ультразвуковой очистки широко внедряется в авторемонтном сервисе. Постоянно растет количество автомобилей, оснащенных инжекторами. Современные системы впрыска во многом упрощают жизнь автомобилиста, однако, они весьма чувствительны к плохому топливу и по сравнению с карбюратором требуют более квалифицированного ремонта. Наилучшим решением данной проблемы является ультразвуковая технология. Она позволяет проводить более тщательную очистку и дает возможность тестирования форсунки в рабочем режиме, а также устранения различных неисправностей.

Для лабораторных и медицинских применений изготавливаются портативные ультразвуковые мойки с небольшим объемом рабочей камеры.

Крупные производители ультразвукового очистного оборудования, помимо стандартных моделей, предлагают индивидуальные разработки, оптимизированные под конкретные требования заказчика.

Таким образом, ультразвуковая мойка получает все большее распространение, постепенно вытесняя другие, менее совершенные способы очистки.

И.Д. Толмачев
аспирант института Физики полупро-
водников им. В. Е. Лашкарева, г. Киев