23 июля 2021

Ультразвуковая отмывка. Вопросы и ответы (FAQ)

Когда нужна очистка ультразвуком?

Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, плотно скрепленных с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Механизм ультразвуковой очистки, обусловленный механическим воздействием химически пассивной среды, дробит эту пленку загрязнений, проникая в поры, щели и зазоры между загрязнениями и твердой поверхностью очищаемого тела. К таким загрязнениям относятся: неорганические типы частиц и пыли, твердые частицы металла (стружка), абразив, волокна, пыль, кокс, пигменты (мел, тальк, графит, сера, цемент), шлам после травления.

При удалении растворимых остатков кавитация ускоряет процессы, помогая очищающему средству войти в контакт с очищаемой пленкой и разрушить ее. Такой эффект связан, в частности, с тем, что при обычных условиях на границе загрязнение – очищающая среда, возникает насыщенный раствор, доступ свежего растворителя прекращается и процесс очистки останавливается. Ультразвук разрушает слой насыщенного растворителя, обеспечивая доставку свежего раствора к границе загрязнения. Особенно это актуально для поверхностей со сложным рельефом, пазухами и глухими отверстиями: печатные платы, электронные модули, ювелирные изделия, форсунки, масляные фильтры, газотурбинные лопатки, слесарный инструмент, хирургический инструмент и т.п.

 

Как выбрать частоту ультразвука? 

Чем ниже частота ультразвука, тем сильнее кавитационная эрозия, чем выше – тем бережнее очистка. Частота, используемая в целях отмывки в стандартных ультразвуковых ваннах, лежит в диапазоне от 20 до 45 кГц. Ниже – слишком разрушительно, выше – не эффективно. Однако для некоторых процессов, например, удаление склеивающих и полировочных лаков с оптических стекол и линз, стойких масел с поверхностей часовых изделий, остатков графита с синтетических волокон, контактов реле, мелких шарикоподшипников применяются высокие частоты, порядка 300 кГц.

Общее правило таково: если нет ограничений по воздействию на отмываемый объект, то при наличии нерастворимых, остатков (см.п.1) следует отдавать предпочтение более низким частотам, а вот сложная форма объекта (пазухи, рельефность, отверстия) предполагает более высокую частоту отмывки. Это связано с тем что длина волны обратнопропорциональна частоте, а диаметр отверстий на отмываемом изделии должен быть меньше длины волны.

Либо, если вы хотите более универсальное решение и/или опасаетесь за возможный урон отмываемому изделию, выбирайте более высокие частоты (самая распространенная – 35кГц (исключение часовые кварцы) и делайте ставку на параметры ультразвукового генератора (см. п.4)

 

Опасен ли ультразвук для радиокомпнентов? 

В любой непонятной ситуации необходимо читать Data sheet на элементную базу. В общем случае можно выделить компоненты, которые нельзя отмывать в УЗВ:

- реле (за счет залипания контактов)

- предохранителей в стеклянном корпусе

- часовые кварцы нельзя отмывать при частоте 35 кГц, так как такая частота может вступать в резонанс с кварцевыми генераторами, собственная частота которых 32,768 кГц. Для отмывки таких компонентов стоит выбирать частоту 40-45 кГц, либо, если изделие в целом позволяет такие нагрузки, 20-25 кГц.

- некоторые микросхемы в металлическом корпусе. Это ограничение не актуально для современных микросхем, в которых разварка кристалла или полностью отсутствует, или они залиты компаундом, что исключает влияние вибрации.

 

Что такое мощность генератора? Нужно ли ее регулировать?

Оптимально эффективной считается удельная мощность не ниже 8-10 Вт/л, для сложных загрязнений, нагаров и т.д. – 40 – 60 Вт/л с интенсивностью колебаний в районе 2,5 Вт/см2. Этим параметром можно до некоторой степени компенсировать влияние частоты на качество отмывки и/или влияние на очищаемое изделие.

Однако не только и даже не столько мощность генератора является определяющим параметром, влияющим на КПД изделия. Оптимально спроектированный УЗ-генератор должен компенсировать дестабилизирующие факторы, которые неизбежно возникают в процессе отмывки. Изменение температуры, уровень, плотность, вязкость технологической среды (отмывочной жидкости), форма и площадь отмываемого изделия, износ колебательной системы (УЗ-излучателей), все это значительно влияет на стабильность процесса отмывки. Многие из этих параметров (например, температура и другие физические параметры моечного раствора) изменяются в течение каждого техпроцесса. Хорошо, если генератор умеет устранять частотные рассогласования, вызванные этими факторами.

Именно характеристики УЗГ объясняют колоссальный разброс стоимости ультразвуковых ванн, представленных на рынке. Стоимость одного только правильно спроектированного трансформатора для УЗГ выше, чем цена любой китайской ванночки с рынка в сборе.

 

Функция нагрева. Нужна ли? 

Интенсивность кавитационных разрушений, а значит и очистки загрязнений зависит от температуры растворителя. Каждый растворитель имеет свою оптимальную температуру максимальной эффективности ультразвукового воздействия. Это связано с тем, что образование кавитационных пузырьков и мощность микровзрывов зависит от вязкости, плотности технологической среды, а также от насыщенности ее паром. Эти параметры в свою очередь, зависят от температуры жидкости.

При этом ванночки до 3 л, часто используются без нагрева, так как кавитация сама по себе разогревает раствор. Но если мы говорим об отмывке ответственных изделий, где качество отмывки должно строго контролироваться и иметь повторяемость, пренебрегать этим параметром нельзя.

 

Дегазация. Что это и зачем? 

Функция крайне полезна при использовании свежего раствора, так как высокое содержание воздуха в жидкости негативно влияет на образование кавитационных пузырьков. При повторных использованиях раствора принудительная дегазация не требуется.

Стоит, однако, заметить, что в процессе ультразвукового воздействия дегазация раствора происходит без дополнительных манипуляций, поэтому если такая функция отсутствует в вашей ванне, просто включите ее на 5 минут на максимальную мощность перед закладкой деталей.

 

Как выбрать оптимальный объем емкости? 

Основными критериями выбора объема рабочей емкости является размер отмываемой детали, количество одновременно закладываемых деталей, а также их форма. Исходя из данных, приведенных в п.4, мы видим, что правило «взять ванну с запасом по объему» здесь не работает. Например, исследования, проведенные Мачалкиным Ю.Н. в процессе написания диссертации на соискание ученой степени к.т.н., показали, что для отмывки безштифтовых распылителей дизельных форсунок оптимально использовать малогабаритные ванны вместимостью 3… 28 л.

Здесь же скажем пару слов об емкостях, используемых разными производителями малогабаритных ультразвуковых ванн. Наверняка вы обратили внимание, что градация объема у большинства ванн следующая: 1,3 л, 2,8 л, 4 л, 5,7 л, 9,5 л. и т. д. связано это с тем, что чаще всего в процессе производства используются штампованные гастроемкости, размеры которых универсальны у всех производителей. Так как изначально гастроемкости не подразумевают ультразвукового воздействия, а используются для хранения пищевых продуктов, одним из ключевых вопросов качества ванн является правильный выбор такой емкости. Экономия приводит к быстрым поломкам: из-за неравномерной толщины стенок отваливаются излучатели, некачественная шлифовка поверхности, а также любые вмятины и царапины приводят к образованию паразитных пузырьков, снижающих качество отмывки, и быстрому разрушению емкости в результате воздействия кавитационной эрозии. Именно поэтому гарантия на дешевые ванны как правило не превышает 6 мес.

ООО «НПП ПРОТН» очень серьезно подходит к выбору гастроемкостей, все они проходят тщательный входной контроль, а ванны для сложных сред и тяжелых условий эксплуатации мы изготавливаем исключительно со сварными емкостями, вне зависимости от рабочего объема.

 

Моющее средство для ультразвуковой ванны. Как подобрать?

Технологические жидкости, используемые в процессах ультразвуковой очистки, подразделяются на моющие среды и жидкости для дополнительной обработки (замачивание, ополаскивание, т. д.)

В зависимости от типа загрязнений, а также от материала отмываемого изделия могут использоваться: вода, растворы кислот, щелочей и поверхностно-активных веществ, органические растворители, эмульсии.

Наиболее широкое применение получили моющие среды в виде водных растворов щелочей и ПАВ, обладающих высокой моющей и эрозионной способностями. Преимуществами таких веществ являются взрыво- и пожаробезопасность, нетоксичность, низкая стоимость. К недостаткам можно отнести высокую температуру технологических процессов и возможность взаимодействия с некоторыми металлами, такими как алюминий, цинк, магний.

Спирто-нефрасовую (бензиновую) смесь, как любые взрыво- и пожароопасные вещества можно использовать только в ваннах специального, взрывобезопасного исполнения.

При подборе ТМС надо выполнить ряд требований, иногда противоречивых. Следует учитывать особенности технологического процесса изготовления изделий, свойства их материла и состав загрязнений. В НПП ПРОТОН цех производства ультразвуковых ванн совмещен с химической лабораторией и производством ТМС. Вы всегда можете привезти или иным способом передать нам ваши изделия для проведения тестовой отмывки и проработки техпроцесса, а также получить рекомендации по подбору ТМС если ваше изделие является стандартным.

 

Время отмывки.

Так как изначально оптимальное время отмывки подбирается опытным путем, этот параметр, непосредственно связан с выбором метода контроля качества очистки

Увеличение времени воздействия на очищаемый объект может привести к эрозионному разрушению объекта, а его уменьшение – к неполной очистке. 

Другими словами, неправильно выбранный метод контроля может стать препятствием к достижению заданного критерия очистки или привести к необоснованному увеличению времени, а как следствие – к снижению производительности и повышению энергоемкости процесса.

 

Использованная литература:

 

  1. Оборудование для ультразвуковой очистки. Петушко И.В., ООО «Андреевсский издательский дом», Санкт-Петербург, 2004

 

  1. Особенности высокоинтенсивной направленной ультразвуковой очистки охлаждаемых каналов лопаток турбины газотурбинных двигателей. Сироткин И.А., Электронное научно-техническое издание НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ, №08, август, 2009

 

  1. Исследование и обоснование технологического процесса очистки деталей дизельной топливной арматуры моющим раствором в ультразвуковом поле (на примере распылителей форсунок)., Мачалкин Ю.Н., рукопись, Москва, 2003

 

  1. Ультразвук и его применение в промышленности. Бабиков О.И. Москва: Гос. изд-во физ.-матем. лит., 1958

 

  1. Автоматизация технологического процесса ультразвуковой очистки деталей на промышленном предприятии., Кудряшов М.Б, рукопись, Москва, 2005

 

  1. Автоматизация технологических режимов ультразвуковой обработки при производстве и ремонте автотракторной техники., Селиверстова О.В., рукопись, Москва, 2009

 

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