Технология ультразвуковой очистки позволяет эффективно удалить любые загрязнения с твердых предметов, в том числе изделий со сложным рельефом поверхности. В статье рассмотрено оборудование для УЗ-очистки, проанализированы особенности, плюсы и минусы погружных ультразвуковых излучателей.
Компания «Профессиональное оборудование и технологии», г. Санкт-Петербург
Типы ультразвуковой очистки
Ультразвук (УЗ) представляет собой упругие колебания и волны с частотой выше 15…20 кГц. Верхняя граница частот ультразвука в газах составляет 109 Гц (при нормальном давлении), в жидкостях и твердых телах частота упругой волны может достигать 1012…1013 Гц, такие волны называют гиперзвуком. Упругие звуковые волны с высокой частотой обладают свойствами, позволяющими широко применять их в современной технике – медицинской, военной, в контрольно-измерительных приборах и во многих других областях. В частности, ультразвук позволяет добиться отличных результатов при очистке твердых поверхностей.
В последнем случае используется ультразвуковая кавитация – образование в жидкости под воздействием ультразвука мелких полостей – пузырьков, которые схлопываются, вызывая местный нагрев, микроударные волны и микропотоки. Если правильно подобрать параметры звукового поля, моющую жидкость и такие внешние факторы, как давление и температура, можно управлять процессом очистки, подбирая его к типу загрязнений.
С помощью ультразвуковой очистки можно выполнять разные задачи, иногда она представляет собой весьма сложный технологический процесс. Например, это может быть травление в ультразвуковом поле, в таком случае применяются сильные химические реагенты. Или это может быть ультразвуковая металлизация и пайка, во время которой для соединения поверхностей с помощью УЗ-паяльника проводится ультразвуковая очистка в расплавленном металле (рис. 1). Таким образом можно соединить даже поверхности, которые в других случаях не прилипают друг к другу, например металл с керамикой. Но сейчас мы подробно рассмотрим самое частое применение – очищение твердых поверхностей от загрязняющих пленок в целях улучшения технического состояния оборудования.
Рис. 1. Очистка при пайке
Загрязняющая пленка может иметь разный состав. Если она состоит из растворимых солей, то УЗ-очистка служит для их растворения, если из нерастворимых солей, то для счистки. В большинстве случаев загрязнения представляют собой нерастворимые частицы, закрепленные в жировой пленке, поэтому УЗ-очистка как растворяет, так и счищает грязь. Под воздействием ультразвуковой кавитации эти процессы значительно ускоряются, а результат получается качественным. Также ультразвук можно использовать для ополаскивания, что позволит быстрей удалить остатки моющих средств.
Каким образом ультразвук ускоряет процесс растворения? Дело в том, что жидкий растворитель, разрушающий загрязняющую пленку, должен войти с ней в контакт (рис. 2а). Под воздействием очищающей среды загрязняющая пленка начинает разрушаться, и на границе между растворителем и пленкой возникает насыщенный раствор загрязнения, который не пропускает свежий растворитель к пленке. Из-за этого процесс растворения останавливается (рис. 2б). Ультразвуковая кавитация разрушает этот концентрированный слой и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязняющей пленки (рис. 2в). Этот эффективный метод совершенно незаменим при очистке предметов со сложным рельефом поверхности – например таких, как печатные платы.
Рис. 2. Применение ультразвука для растворения загрязнений
Если поверхность загрязнена слоем склеенных нерастворимых частиц (пыль и т. д.), то требуется просто отделить их от поверхности – счистить. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности пленки эти загрязнения, смывают и удаляют их (рис. 3).
Рис. 3. Очистка с поверхности нерастворимых частиц
При этом, как уже отмечалось, в большинстве случаев загрязнения содержат как растворимые, так и нерастворимые компоненты. Ультразвук эффективно разрушает любые из них и переводит в моющую среду (эмульгирует), удаляя с поверхности изделий.
Оборудование для УЗ-очистки всегда требует наличия УЗ-генератора и преобразователя электрической энергии генератора в УЗ-излучение. При этом семейство такого оборудования достаточно велико, ведь технология применяется в самых разных по масштабу системах, начиная от обработки ювелирной продукции и заканчивая огромными промышленными ваннами объемом в несколько тысяч литров. Для самой простой системы обработки потребуется всего лишь нагреть моющую жидкость. В более сложных случаях используются многокомпонентные системы с большим количеством ванн, наполненных дистиллированной или деионизированной водой. Ультразвуковые ванны (УЗВ) с подогревом моющего раствора чаще применяются в лабораториях, медицине, ювелирном деле. Сложные линии УЗ-очистки (рис. 4), включающие в свой состав УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения изделий по ваннам и систему управления, используются в промышленном производстве.
Рис. 4. Промышленная линия УЗ-очистки
Очистка с помощью погружного УЗ-излучателя
Помимо стандартных УЗВ применяются ультразвуковые ванны с погружным излучателем. Ванной в данном случае может послужить, как показывает практика, почти любая технологическая емкость с раствором. Что касается самого погружного излучателя, то он представляет собой издающий ультразвуковые колебания модуль, который опускают в раствор. Вырабатывающий УЗ-колебания ультразвуковой генератор выполнен в отдельном корпусе с цифровой панелью управления и получает питание от сети 220 В. Рабочая частота стандартных погружных излучателей составляет 35 кГц, амплитудная модуляция – до 90 %, осуществляется фазовая автоматическая подстройка частоты.
Удобство этого решения заключается в том, что очистку оборудования можно выполнять без его демонтажа, а значит, с минимальными затратами. Кроме того, ультразвуковой излучатель незаменим при ремонте и модернизации старых ультразвуковых ванн (чей встроенный излучатель перестал функциониорвать), поскольку подходит для ванн любого типа. Это простейшая модель ультразвукового очистителя, при этом надежная в эксплуатации и обладающая высокой эффективностью, хотя подчеркнем, что для получения по-настоящему качественного результата желательно использовать специализированные моющие средства. Кроме того, устройство может использоваться в качестве эмульгатора, диспергатора и ускорителя химических реакций.
Конструктивно погружной излучатель построен по модульному принципу. У него корпус из нержавеющей стали прямоугольной или цилиндрической формы, в который монтируются 4, 6, 8 и более ультразвуковых преобразователей – в зависимости от типа технологической емкости. Принцип действия у него такой же, как и у встраиваемых УЗ-излучателей: с помощью кавитации удаляются любые загрязнения – продукты коррозии, жиры, пленки и т. д. Однако гибкость этого решения недоступна встраиваемому ультразвуковому модулю, ведь погружной излучатель крепится с помощью подвесов или опор, легко перемещается и извлекается.
Более того, при необходимости (например, при каких-либо особенностях конфигурации обрабатываемых деталей или требовании большей интенсивности ультразвукового поля) в технологической емкости можно разместить несколько однотипных блоков. Важно, чтобы ультразвук был такой мощности, чтобы создать оптимальные количество и качество кавитационных полостей. Например, если погрузить два излучателя мощностью 35 и 25 кГц, то первый обеспечит высокую кавитацию, а второй повысит ее энергию еще больше. Такие условия подходят для очистки масел и жиров, паст, пленок и лаков. В большинстве случаев для качественной очистки на 1 л моющего раствора необходимо 10–30 Вт ультразвуковой мощности.
Место и способ крепления выбирают, исходя из таких факторов, как объем и форма ванны, особенности изделий, проходящих очистку. Можно установить погружной излучатель на дно или стену ванны без проделывания отверстий (на стенку лучше устанавливать в тех случаях, когда глубина емкости в два раза меньше ширины и длины). В ряде случаев требуется вывести коаксиальный ВЧ-кабель через стену или дно (рис. 5).
Рис. 5. Пять способов крепления УЗ-излучателей погружного типа
Необходимо отметить, что погружной ультразвуковой излучатель – устройство достаточно дорогое. Перед покупкой надо взвесить все за и против, поэтому мы кратко перечислим как сильные, так и слабые стороны погружных излучателей, которые можно выделить при детальном рассмотрении.
Преимущества:
- модульность: быстрый монтаж и демонтаж;
- может поместиться в любую техническую емкость, превратив ее в ультразвуковую мойку;
- подходит для ремонта или модернизации уже существующей ультразвуковой ванны;
- предотвращает появление грязи на дне, тем самым продлевая жизнь УЗ-мойке.
Недостатки:
- потеря полезного объема внутренней емкости. Погружные излучатели лучше использовать в УЗ-ваннах большого объема;
- гораздо более высокая стоимость, чем у излучателей других типов.
Однако повторим, что при этих недостатках обработка деталей выполняется с высокой эффективностью.
В связи с новыми требованиями к эксплуатационным качествам продукции современной промышленности увеличивается доля изделий с нанесенными защитными покрытиями. Качественное нанесение таких покрытий возможно только при определенной подготовке поверхности, в которой ультразвуковой излучатель может играть ключевую роль. Он очистит поверхность от остатков всех видов смазки, охлаждающих жидкостей, СОЖ, налетов, механических загрязнений, продуктов коррозии металла и накипей. Поскольку очистка проходит в жидкой среде, необходимо активизировать молекулы этой среды, что эффективнее всего осуществляется с помощью ультразвуковых колебаний. Запуская серию очень высоких мгновенных гидростатических давлений, ультразвуковой излучатель существенно улучшает качество очистки и дает гарантированный отличный результат. Необходимо максимально воздействовать не только на очищаемую поверхность, но и на моющий раствор – только такой комплексный подход позволит достичь идеальной чистоты оборудования.
Опубликовано_в журнале ИСУП № 4(94)_2021
Компания «Профессиональное
оборудование и технологии»,
г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (812) 643-2355,
e-mail: sale@protehtest.ru,
сайт: protehtest.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")