Ультразвуковая обработка в жидких средах. Автоматизация и управление технологическими процессами

автор: Набокова Елена, [email protected], Генеральный директор ООО НПП ПРОТОН, коммерческий директор ООО Протех.

Ультразвуковые технологии очистки настолько прочно вошли в нашу жизнь, что часто создается впечатление что УЗ обработка поверхностей используется в промышленности десятилетиями и практически не осталось темных пятен в вопросах прописывания техпроцессов и выбора оборудования.

Однако надо заметить, что еще десять лет назад промышленное оборудование, предназначенное для этих процессов, не давало должного эффекта ввиду сложности обеспечения стабильной и эффективной передачи ультразвуковой акустической энергии.

Кроме того, в техдокументации предприятий ОПК часто была прописана отмывка электронных узлов спирто-нефрасовой смесью, что исключает использование УЗ. До сих пор нередко возникают подобные вопросы, так как внесение изменений в КД, особенно на изделия ответственного назначения дело сложное, по разным причинам порой практически нерешаемое силами одного предприятия.

Итак, очистка в ультразвуке относительно молодое явление в промышленности, и вопросов у технологов вызывает немало, поскольку эффективность ее зависит от множества факторов: физико-химические свойства загрязнений, моющей среды, очищаемого изделия, параметров ультразвукового поля. ^[1] При чем необходимо учитывать не только влияние каждого из них в отдельности, но и взаимное влияние друг на друга. 

Обычно ультразвуковую очистку применяют после механообработки, литья, полировки, покраски, пайки, сборки, складского хранения, и т.д, а также перед нанесением покрытий, сваркой, склейкой, пайкой, консервацией. 

УЗО дает хороший результат при очистке печатных плат, а так же узлов радиоаппаратуры, топливных и масляных фильтров, топливных форсунок, карбюраторов, шестерен подшипников, оптических стекол, кристаллов кремния и германия, печатных картриджей, фотобарабанов, производственного инструмента (сверл, резцов, надфилей, напильников), листовой стали, прессформ, деталей 3D-принтеров, хирургического инструмента, ювелирных изделий, антиквариата, широко применяется в стоматологической ортопедии. Удаляет мелкую стружку после механической обработки, полировальные пасты, машинное масло, частички абразивов, ржавчину, окалину, коррозию, нагар, консервирующие смазки. 

Воздействие УЗ излучения связано в первую очередь с развитием акустической кавитации, возникающей в среде при распространении ультразвука и преобразующей энергию звуковой волны низкой плотности в энергию высокой плотности, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков ^[2]. Рабочая частота ультразвука, используемая в целях отмывки лежит в диапазоне от 18–44 кГц, при чём интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте. В отдельных случаях, для неразрушающей очистки и удаления загрязнений размером до 1 мкм с микрорельефных поверхностей используется рабочая частота в диапазоне 80–120 кГц. ^[3] Чем ниже частота, тем интенсивнее воздействие кавитационных пузырьков на поверхность. Это стоит учитывать при подборе оборудования, так как действие кавитации может быть разрушительно для отмываемого изделия. В частности, рекомендуемые для очистки электроники частоты от 30 до 45 кГц, при этом следует иметь в виду, что ряд компонентов в случае, если их частота близка к частоте ультразвука, могут вступить в резонанс с килогерцовыми колебаниями, что приведет к их разрушению. Например, часовые кварцевые генераторы с частотой 32,768 кГц. Частота 35 кГц может быть для них разрушительна, при этом частота 25 или 40 кГц не приведет к повреждениям. ^[4] 

Итак, с одним из параметров фактора ультразвукового поля мы хоть в общих чертах, но разобрались. Однако, выбор эффективного оборудования не ограничивается исключительно подбором частоты. 

Основной причиной, сдерживающей повсеместное внедрение УЗО в промышленность, является нестабильность параметров ультразвуковых генераторов (УЗГ), влияние температурного режима, а также износа элементов колебательной системы (КС) (чаще всего сейчас используются электро-механические излучатели (преобразователи Ланжевена)), что приводит к частотному рассогласованию. Частотная расстройка ведет к потере акустической мощности, излучаемой КС. ^[5] На самом деле дестабилизирующих факторов намного больше, некоторые из них производители оборудования распознали и стали устранять буквально в последние годы, что несомненно сократило нестабильность, непредсказуемость некоторых процессов с применением ультразвука. 

Дабы свести к минимуму дестабилизирующие факторы, при проектировании ультразвуковых ванн, а также погружных излучателей (используются для озвучивания уже имеющихся на предприятии ёмкостей) необходимо учесть целый ряд параметров.

Перечислим основные: 

- Ёмкость ванны. Подбирается исходя из габаритного размера детали или в зависимости от требуемой производительности установки. Для обеспечения равномерного распределения УЗ -колебаний кратность линейных размеров ванны в поперечном сечении должна составлять λ/2, где λ оптимальная высота уровня моющей среды. ^[3]

- Выбор преобразователей. Как правило чаще всего используются пьезокерамические пакетные преобразователи с центральным стягивающим винтом (излучатели Ланжевена) рис 1, так как они показали большую эффективность и высокий КПД относительно магнитострикционных. Они могут быть как излучающими непосредственно в жидкость, так и воздействующими через дно ванны. При этом излучающая накладка излучателей, крепящихся ко дну ванны должна быть выполнена в виде расконцетратора для увеличения площади воздействия.

рис 1., излучатель Ланжевена

- Расположение и способ крепления преобразователей. Для озвучивания ёмкостей большого объёма используется две схемы размещения: линейная и шахматная (рис 2). При этом шахматная представляется более перспективной, так как образуется решетка треугольной структуры, при правильном расчете длины стороны, позволяющая добиться максимальной ширины полосы преобразования, так как таким расположением мы в большей степени перекрываем АЧХ отдельных преобразователей, что позволяет скомпенсировать неизбежный разброс резонансных частот каждого излучателя. Заметим так же, что по этой же причине при выборе оборудования следует отдавать предпочтение производителям имеющим достаточный объем производства для того что бы обеспечивать локализацию сборки преобразователей, при чем в объеме достаточном, что бы разбивать их на максимально близкие по частоте группы.

рис 2., линейное расположение излучателей Ланжевена

Что касается крепления преобразователей, как правило применяются три способа: приклеивание к стенке ванны (излучающей пластине), механический (приварка через шпильку), комбинированный. Некоторые производители предпочитают второй или третий способ, так как приклеивание достаточно сложный техпроцесс, требующий дополнительного оборудования. При нарушении технологии вклейки в процессе работы излучатели могут отваливаться. Однако стоит учитывать, что способ крепления напрямую влияет не только на прочность крепления, а значит и долговечность изделия, но также и на эффективность работы ванны. Нам представляется что наиболее эффективно колебания передаются при применении первого способа, без жесткого приваривания через шпильку. Пленочный клей ВК-36 при правильно выдержанных режимах полимеризации обеспечивает достаточную прочность крепления, и не требует механической разгрузки клеевого шва. 

- Толщина стенок ванны, на которых установлены излучатели (рис 3). Стенки могут совершать изгибательные колебания, нарушающие равномерность распределения энергетических характеристик акустического поля. Такие упругие пластины при определенных условиях могут вызвать эффект акустического короткого замыкания. При подборе оптимальной толщины пластины учитываются такие параметры как плотность материала, частота колебаний, модуль продольной упругости материала (Модуль Юнга -Е), Коэффициент Пуассона -μ (величина отношения относительно поперечного сжатия к относительному продольному растяжению). Если толщина стенок ванны по условиям прочности должна быть больше расчетной, следует использовать погружные излучатели. ^[4] 

рис 3., пресс для наклейки излучателя

- Ультразвуковой генератор (УЗГ). Полупроводниковые УЗГ выполняются по схеме с самовозбуждением или с независимым возбуждением. При выборе моечного оборудования следует отдавать предпочтение генераторам с независимым возбуждением, спроектированными с устройствами автоматической подстройки частоты (АПЧ) и автоматической подстройкой амплитуды (АПА). В импортных ваннах функция АПЧ чаще всего обозначается режимом Sweep и включается пользователем принудительно. В дешевых аналогах, как правило, не предусмотрена вовсе, отечественные ванны часто выходят с производства с уже преднастроенной АПЧ, так как равномерное распределение акустического излучения позволяет избегать мертвых зон, а значит эффективно отмывать объект в любой зоне ёмкости. 

Основными параметрами генераторов являются выходная мощность, рабочая частота или диапазон частот, КПД и выходное напряжение. Как мы отметили выше, интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте. Однако она находится в прямой зависимости от мощности ультразвукового облучения. Поэтому компенсировать уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия с увеличением частоты можно только увеличением мощности облучения. Например, мы знаем, что частота ниже 30 кГц не рекомендуется к применению в радиоэлектронной промышленности, так как может быть разрушительна, поэтому наше предприятие наряду с ваннами стандартной мощности предлагает серию МГ (М) (увеличенная мощность генератора).

* УЗВ Химсоник^тм, выпускаемые с июля 2021г выполнены с использованием сварных ёмкостей, что позволяет применять их на предприятиях с высокой интенсивностью работы и/или в агрессивных средах. Имеют расширенную гарантию — 2 г. (рис 4)

рис 4., Ультразвуковые ванны Химсоник

- Материал ванны. Как правило используются коррозиестойкие высоколегированные хромоникелевые стали или титановые сплавы. Такие материалы обладают высокой химической и кавитационной стойкостью. При этом стенки ванны должны быть хорошо отполированы, что бы исключить адгезию молекул воздуха, зародыши которой могут вызвать разрушение конструкционного материала. Также шереховатость излучающей поверхности снижает эффективность преобразования электрической энергии в акустическую, а значит и эффективность всей установки. ^[3] 

Правильный подбор вышеизложенных параметров поможет соблюсти основное требование высокого качества технологических процессов — обеспечение условий повторяемости параметров от цикла к циклу, основными из которых являются колебательная сила и скорость механических колебаний излучающей поверхности акустической системы. ^[6]

Однако, как мы отмечали ранее, внедрение технологического процесса не ограничивается выбором оборудования. Мы выделяли как минимум 4 взаимовлияющих фактора. От типа загрязнения и отмываемого объекта (материал, форма, наличие глухих отверстий, размеры относительно размеров излучателей колебательных систем тд.,) зависит ряд существенных нюансов. 

Свойства загрязнений в значительной мере определяют параметры процесса УЗО. 

Классификация наиболее распространенных загрязнений по их признакам. ^[7]

Очищаемые материалы по своим физико-химическим свойствам можно подразделить на черные металлы, цветные металлы и их сплавы, твердые и мягкие не металлические материалы. 

Выбор ТМС — отдельная большая работа, успех которой зависит от целого ряда факторов. Однозначно можно сказать одно, универсальные средства широкого спектра, как правило не способны решить целый ряд специфических задач. К сожалению, формат одной этой статьи не позволяет в полной мере раскрыть даже основные принципы и нюансы подбора технологических сред. 

В одной из следующих статей мы подробно остановимся на решении этого вопроса. Пока лишь отметим, что наша компания имеет полностью оборудованную лабораторию, территориально расположенную на одной площадке с производством ультразвукового оборудования, что позволяет оперативно решать задачи любой сложности. Время от поступления запроса до первой тестовой мойки, если речь идет о специфических задачах, редко занимает более недели. Так же наличие производственных мощностей позволяет быстро внедрить и поставить в серию производство ТМС необходимых для решения конкретных задач. 

В завершении необходимо отметить, что, как правило, оборудование для отмывки не ограничивается одной установкой УЗВ. Как правило техпроцесс включает в себя замачивание, непосредственную отмывку в УЗВ, ополаскивание в ванне струйной отмывки и/ или барботажной установке, сушку горячим воздухом. У нас вы можете приобрести весь спектр необходимого оборудования как в стандартном исполнении, так и выполненного под заказ с учетом вашей специфики. 

Мы всегда рады видеть вас на нашем производстве по адресу: Москва, 5-й Донской пр-д, д 15 стр 5, под.14

1. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л.Д. Розенберга, «Наука», 1968, 266 с.

2. Leighton T.G. The Acoustic Bubble. London: Academic Press, 1994. 611 p.

3. Ланин В, Томаль В., Технология и оборудование ультразвуковой очистки изделий электроники. ТЭП, №8, 2007

4. к.х.н. Кузнецова Т. Без колебания о колебаниях. Использование ультразвука в процессе отмывки. Компания Диполь, 2018

5. Петушко И.В. Автоматизация технологических процессов ультразвуковой обработки жидких и твердых сред. Рукопись, 2005

6. Петушко И.В. Оборудование для ультразуковой очистки. - ООО «Андреевский дом» 2004г — стр.41

7. Петушко И.В. Оборудование для ультразуковой очистки. - ООО «Андреевский дом» 2004г — стр.101