Теоретические основы. Явления, сопровождающие процесс ультразвуковой очистки.

Явления, сопровождающие процесс ультразвуковой очистки.

Ультразвуковой очисткой (УЗ-очисткой) называется способ счистки по- верхности твердых тел, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуко- вые колебания (УЗК). Введение УЗК позволяет не только ускорить процесс очистки, но и получить высокую степень чистоты очищаемой поверхности, а также заменить ручной труд и исключить использование пожароопасных и ток- сичных растворителей. УЗ-очистка применяется в машино- и приборостроении, электронной и металлургической промышленности для очистки прецизионных деталей точных механизмов и приборов, интегральных схем, инструментов, проката и др.

Процесс УЗ-очистки сопровождается рядом явлений, возникающих в УЗ-

поле (рис. 3.1).

1. Отслоением пленок загрязнений от очищаемой поверхности;

2. Кавитационной эрозией (разрушением) пленок загрязнений и по-

верхности заготовки;

3. Эмульгированием – образованием эмульсий (дисперсных систем), состоящих из частиц пластичных загрязнений (дисперсной фазы), взвешенных в моющем растворе (дисперсной среде);

4. Растворением загрязнений в химически активном моющем раство-

ре.

На эффективность УЗ-очистки оказывает влияние такие акустические яв- ления, как кавитация, акустические потоки, радиационное давление и звукока- пиллярный эффект.

Кавитацией называется образование в жидкости пульсирующих пузырь- ков (полостей), заполненных паром, газом или их смесью. Различают акустиче- скую кавитацию, возникающую при прохождение звуковой волны большой ин- тенсивности (что имеет место при УЗ-очистке), и гидродинамическую кавита- цию, обусловленную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения.

В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разряжения воз-

да в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости, интенсивное излучение акустических волн и вызывая разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидко- стью.

Явл е н ия, во зн и ка ю щ ие

пр и УЗ -очистке

Отс ло е н ие

Кавита ц ионная

эр озия

Э м ул ьгирован ие

Р а створение

С татическо е А кустические

д авление эфф екты

П арам етры

звуко в о го пол я

Т е м п ератур а Сво йс тв а мо ю -

щ его р аство р а

Рис. 3.1. Схема взаимодействия явлений, возникающих при УЗ-очистке, с эле-

ментами режима ее проведения

Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление жидко- сти становится ниже некоторого критического значения, соответствующего по- рогу кавитации. В реальных жидкостях снижение давление наблюдается там, где присутствуют «зародыши» кавитации – микроскопические газовые пузырь- ки, твердые частицы с трещинам, заполненные газом, и т. д. Кавитация возни- кает в результате потери устойчивости «зародышей», попадающих в область пониженного давления в звуковой волне, и их быстрого роста. При этом про- цесс расширения пузырьков – «зародышей» обусловлен рядом эффектов: дав- лением пара и газа в пузырьке, превышающим давлением в окружающей жид- кости; диффузией газа в пузырек из жидкости; испарением жидкости и увели- чением массы пара в пузырьке; коагуляцией «зародышей».

Возникающие в звуковом поле кавитационные пузырьки (полости) ин- тенсивно пульсируют. Изменение размеров пузырька определяется соотноше- нием периода изменения давления в жидкости Т и периода собственных коле- баний пузырька τ, растущего с увеличением радиуса пузырька и зависящего от амплитуды избыточного давления. Мелкие пузырьки, у которых τ < Т, совер- шают вынужденные пульсации, следуя изменению звукового давления в волне до тех пор, пока его амплитуда невелика. При увеличение амплитуды пузырька не успевает следовать изменению давления. Быстро расширяясь в течение по- лупериода растяжения, он, в силу инерции жидкости, не успевает захлопнуться,

R R0

t

Pα

+ +

t

_ _

Рис. 3.2. Зависимость относительного радиуса R/R0 пульсирующего пу-

зырька от времени t: 1 – пузырек с низким содержанием газа при Рα = 0, 4 МПа 2 – газонаполненный пузырек при Рα = 1 МПа; 3 – газонапол- ненный пузырек при Рα = 4 МПа

а лишь уменьшает свой радиус в течение последующего полупериода сжатия, и захлопывание полости приходится на начало следующего полупериода растя- жения (рис. 3.2).

Таким образом, захлопывание пузырька может происходить с пропуском одного или нескольких полупериодов сжатия при достаточно большой ампли- туде звукового давления. Степень сжатия пузырька при захлопывании, харак- теризуемая отношением максимального радиуса пузырька к минимальному, тем больше, чем больше давление в жидкости и меньше газосодержание в нем. Если пузырек содержит мало газа, то после достижения им минимального ра- диуса он восстанавливается и совершает несколько циклов затухающих коле- баний, а если газа мало, то он захлопывается полностью в первом периоде жиз- ни. Максимальная скорость захлопывания наблюдается при минимальном ра- диусе пузырька и может достигать скорости звука в жидкости.

Акустические потоки, генерируемые УЗ-полем, представляют собой мик- ротечения жидкости, которые ускоряют смыв (удаление) загрязнений с очи- щаемой поверхности.

При захлопывании пузырьков происходит сильный локальный разогрев вещества, а также выделение газа, содержащего атомарную и ионизированную компоненты и оказывающего дополнительное, радиационное давление на жид-

кость. Радиационное давление и звукокапиллярный эффект способствуют про- никновению моющего раствора в микропоры, неровности и глухие каналы за- готовки.

Избыточное статическое давление Р0, создаваемое в герметически закры- той ванне путем нагнетания сжатого воздуха, также как звуковое давление Рα вызывает сдвиг во времени стадии захлопывания кавитационного пузырька, существенно увеличивая скорость захлопывания и интенсивность образовав- шейся ударной волны. При Ро=Рα пузырек совершает сложные негармониче- ские колебания и кавитационное воздействие незначительно. Наиболее опти- мальным является соотношение Ро=0, 4-0, 5 Рα. В этом случае на кавитационный пузырек в стадии захлопывния действует в одном направлении статическое давление, близкое к амплитудному значению. Кавитационный пузырек стреми- тельно захлопывается, и уровень кавитационной эрозии возрастает на 2-3 по- рядка.

На эффективность УЗ-очистки влияют такие характеристики звукового поля, как частота и интенсивность УЗК. С повышением частоты кавитационный пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, что снижает микроудар- ное действие кавитации. Кроме того, увеличивается поглощение акустической энергии. Чрезмерное понижение частоты нежелательно из-за резкого возраста- ния акустического шума и увеличения резонансных размеров излучателя коле- баний. Поэтому большинство установок для УЗ-очистки работает в диапазоне от 18 до 44 кГц. Повышение интенсивности УЗК сверх определенного предела приводит к увеличению амплитуды давления, и кавитационный пузырек выро- ждается в пульсирующий. При малых интенсивностях слабо выражена кавита- ция и все вторичные эффекты, возникающие в жидкости при введении УЗК. Поэтому на практике для УЗ-очистки используют интенсивность звука от 0, 5 до

10 Вт/см2.

Существенно влияют на качество УЗ-очистки такие физико-химические свойства жидкости, как упругость пара, газосодержание, вязкость и поверхно- стное натяжение.

Повышение упругости пара внутри пузырька резко снижает интенсив- ность кавитации, поэтому, например, применение для очисти водных растворов более эффективно, чем использование органических растворителей, упругость пара в которых значительно выше.

Сложным образом на процесс УЗ-очистки влияет газосодержание жидко- сти: увеличение содержания газа в пузырьке снижает эрозионную активность жидкости; с другой стороны, усиленная дегазация жидкости под действием акустических потоков и радиационного давления приводит к сокращению чис- ла центров кавитации, что также снижает эффективность очистки. Регулируя, с

одной стороны, процесс дегазации, а с другой – специально вводя газ в жид-

кость, можно достигнуть оптимального газосодержания.

В УЗ-полях малой интенсивности вязкость жидкости снижает эрозион- ную активность, так как с ростом вязкости увеличиваются потери акустической энергии. Однако при большой интенсивности УЗК в очень вязких жидкостях (при коэффициенте вязкости 50-100 Н·с/м2 создаются благоприятные условия для кавитационных процессов: силы вязкости трения аналогично избыточному давлению препятствуют расширению кавитационного пузырька после того, как наступила стадия сжатия в звуковой волне. Благодаря этому начальная стадия сжатия пузырька наступает раньше, совпадая с началом сжатия волны, повы- шается скорость и сокращается время его захлопывания, возрастает микро-

ударное воздействие.

В конечной стадии сжатия пузырька под влиянием возрастающей силы поверхностного нажатия увеличивается скорость его захлопывания и повыша- ется микроударное действие кавитации. Однако с ростом поверхностного натя- жения повышается порог кавитации и сокращается число кавитационных пу- зырьков. Кроме того, большое поверхностное натяжение ухудшает процесс смачивания поверхности очищаемых деталей, препятствуя проникновению моющего раствора в узкие щели, отверстия и зазоры. Поэтому в большинстве случаев рекомендуется уменьшать его величину. Для этой цели в жидкость до- бавляют поверхностно-активные вещества, улучшающие смачиваемость по- верхности, создающие тонкие адсорбиционные слои на поверхности частиц за- грязнений и способствующие более легкому их отрыву.

При проведении УЗ-очистки температура 40-50 ˚ С является для водных растворов оптимальной. При более низкой температуре снижается химическая активность раствора, а при более высокой – повышает упругость пара. Если ха- рактер загрязнений требует использование органических растворителей, то для снижения упругости пара растворители охлаждают до 15-20 ˚ С.

В зависимости от того, насколько прочно загрязнение связано с очищае-

мой поверхностью, преобладающую роль в УЗ-очистке играют те или иные яв- ления. Так, разрушение слабо связанных загрязнений происходит в основном под действием пульсирующих (незахлопывающихся) пузырьков (рис. 3.3).

На краях пленки загрязнений пульсирующие пузырьки, совершая интен- сивные колебания, преодолевают силы сцепления пленки с поверхностью, про- никают под пленку, разрывают и отслаивают ее.

Если же загрязнение прочно связано с поверхностью, то для его разруше- ния необходимо наличие захлопывающихся кавитационных пузырьков, соз- дающих микроударное воздействие на поверхность.

С точки зрения УЗ-очистки поверхностные загрязнения классифицируют по следующим признакам:

а б

Рис. 3.3. Схема разрушения пленки загрязнения пульсирующими кавита- ционными пузырьками: а – проникновение под пленку; б – момент разру- шения

1. Кавитационная стойкость загрязнений, их способность про-

тивостоять микроударным нагрузкам;

2. Прочность связи пленки загрязнений с очищаемой поверхно-

стью;

3. Степень химического взаимодействия загрязнений с моющей

жидкостью, способность последней растворять или эмульгировать по-

верхностные загрязнения.

Наиболее часто встречаются следующие виды загрязнений:

1. Жировые пленки, слабо связанные с очищаемой поверхно- стью и химически взаимодействующие с водными растворами, но ус- тойчивые по отношению к кавитации;

2. Лаковые пленки и краски, также являющиеся кавитационно стойкими и отличающиеся прочной связью с поверхностью;

3. Окалина и окисные пленки, обладающие кавитационной стойкостью и прочной связью с поверхностью, взаимодействующие лишь с агрессивными жидкостями;

4. Продукты коррозии, также прочно связанные с поверхностью и взаимодействующие с агрессивными средами, но кавитационно не- стойкие;

5. Металлическая пыль и шлам после травления, слабо связан-

ные с очищаемой поверхностью и кавитационно нестойкие.

Для УЗ-очистки деталей от смазок, полировальных паст, металлической пыли, абразивного порошка и т. п. применяют водные щелочные растворы, об- ладающие по сравнению с органическими такими преимуществами, как деше- визна, нетоксичность и пожаробезопасность.

В качестве органических растворителей используют бензин, четыреххлористый углерод, ацетон, фреон и другие. Из них наибольший интерес для УЗ-очистки представляют фреоновые композиции, отличающиеся высокой растворяющей способностью, взрывобезопасностью и возможностью регенерации.

3 6

УЗГ – 0, 25

1 5 8 2

Рис. 3.4. Схема установки для УЗ-очистки: 1 – генератор; 2 – ванна;

3 – крышка; 4 – виброизолирующая прокладка; 5 – корпус; 6 – моющий раствор; 7 – заготовка; 8 – пьезоэлектрические преобразователи

Для снятия окалины и нагара пользуются травильными растворами сер- ной, соляной, азотной и других кислот различной концентрации в зависимости от марки материала очищаемой заготовки.