Особенности ультразвуковой мойки деталей
Ультразвук, как сфера знаний или наука, затрагивает неслышимый спектр звуковых частот от 20 000 до 100 000 Гц. Частоты, находящиеся выше и ниже этого спектра, иногда имеют специальное название, но в данном случае мы не будем на них останавливаться.
Ультразвук для очистки начал применяться после Первой мировой войны, однако в те времена излучатели были достаточно слабыми, поэтому полноценная ультразвуковая мойка не была возможной. Ванны работали неважно, были неэффективны и требовали постоянного внимания, так что большой популярности они в те годы не сыскали.
Затем наступила Вторая мировая война, когда началась разработка более сложной электроники, включая радиолокаторы, навигационное оборудование и эхолокаторы. Это отнимало внимание инженеров, так что метод ультразвуковой мойки не развивался до 60-х. Тогда началось изготовление твердотельных устройств, транзисторов. Такие транзисторы были более эффективны, нежели ламповая электроника. Удалось изготовить преобразователи более высокого качества, что позволило производить более эффективные ультразвуковые ванны с высоким уровнем мощности.
Механизм очистки ультразвуком
Что представляет собой ультразвуковая ванна? Многие люди неправильно понимают, что именно делает ультразвук. Сам по себе ультразвук – это просто звуковые частоты, находящиеся за пределами слышимости. Думаю, все мы прекрасно знаем, что домашняя стиральная машинка – это достаточно практичное устройство. Вы складываете вещи внутрь, а машинка их отбивает, что можно сравнить с забрасыванием камнями. Ультразвук является более сложным механизмом очистки.
Ко мне подходили люди и спрашивали: «Что делает этот ультразвук? Он способствует пропитке материала водой?». Да, такое происходит, это является лишь сопутствующим эффектом. Многие из вас наверняка слышали слово «кавитация». Произнести это слово легко, но понять его значение не просто. Прибегнем к старой аналогии с воздушным шаром, чтобы объяснить этот эффект. Представьте прохождение звуковых волн сквозь воду или другую жидкость. Волны создают в жидкости области повышенного и пониженного давления, в процессе чего в жидкости появляются пузырьки пара. Эти пузырьки увеличиваются, и, если бы вы могли надувать их как воздушный шар, рано или поздно наступил бы момент, когда они лопнут.
С помощью ультразвука мы выращиваем эти пузырьки. Мы выращиваем миллионы таких пузырьков, а затем в нужный момент лопаем их. Когда мы лопаем пузырьки, жидкость вокруг них сплющивается с огромной силой. Это создает ударные волны до 1400 Атм. Можно сказать, что в этом случае создаётся гигантское давление. Вот чем является наш очистной механизм, и вот почему ультразвук обладает такой большой моющей силой. Таких лопающихся шариков очень много, и чем их больше, тем лучше.
Есть еще один побочный эффект – когда вода или жидкость устремляется по направлению к центру созданной в результате кавитации полости, она также создаёт высокие температуры вплоть до 11.000 С°. Примечательно, что это очень высокая температура, но она поднимается на микроскопическом участке, так что эффект нельзя нормально заметить. Его можно увидеть лишь тогда, когда у вас есть миллионы этих лопающихся шариков, которые поднимают температуру жидкости и вы можете измерить мощность путем измерения роста температуры.
Факторы, влияющие на ультразвуковую очистку
Существует множество факторов, оказывающих влияние на ультразвуковую очистку. Некоторые из них положительны, другие негативны, есть и факторы смешанного характера, поэтому очень сложно предсказать эффект ультразвуковой очистки в зависимости от жидкости. Три фактора представляются мне наиболее важными: мощность ультразвука, частота, а также моющий состав. Именно эти факторы наиболее значимы с моей точки зрения.
Мощность ультразвука
Мощность ультразвука – параметр, используемый для измерения производительности за определенное время. Мощность ультразвуковой очистки обычно определяет скорость выполнения работы по очистке. Чем выше мощность устройства, тем быстрее осуществляется очистка и тем с более сложными загрязнениями можно справиться. Мощность в контексте ультразвука является одной из наиболее часто неправильно понимаемых характеристик. Некоторые производители указывают максимальную мощность, другие номинальную мощность, входную мощность, есть и такие, кто указывает разные сочетания.
А что говорят об этом люди? Мнения разнятся, в некоторых случаях 100 Вт, сказанные кем-то, не равны 100 Вт, сказанным мной. Некоторые производители указывают более высокие мощности, чтобы увеличить продажи. Иногда это работает, но сегодня я вам расскажу о необходимости быть очень аккуратным, когда мы говорим об уровне мощности.
Долгие годы я использовал метод проверки фольгой для определения мощности ультразвуковой ванны. Некоторые конкуренты поспорят со мной, и в чём-то они будут правы. Они скажут, что это несовершенный способ для измерения или определения мощности. Я согласен, он несовершенен, но все же наилучший из легкодоступных способов сравнения устройств. Метод проверки с использованием фольги позволяет измерить пространственное распределение энергии в резервуаре. Вам будет нужно опустить фольгу в ультразвуковую ванну и немного подождать, замерить, сколько времени уйдет на то, чтобы алюминиевая фольга покрылась дырами, а также подсчитать количество дыр. Все это покажет вам приблизительную мощность ультразвуковой ванны. Затем можно сравнить два куска фольги из разных устройств и сказать, какая ванна лучше. Такой метод проверки можно использовать для определения текущего качества работы какой-либо ванны. Важно делать измерения при одинаковых условиях по составу, дегазации и температуре жидкости в ультразвуковой ванне.
Рекомендуется проверять ультразвуковую ванну раз в месяц, сохраняя фольгу в качестве доказательства проведения проверки, а также как подтверждение того, каков был результат проверки – положительный или негативный. Или на случай необходимости ремонта ванны. Если вы провели тест сразу после покупки устройства, сохраните фольгу и сравните ее с фольгой по результатам теста через месяц. Вы можете посмотреть на них и увидеть, что на второй, свежей, фольге есть участки без дырок. Этом может означать, что что-то может быть неисправно. В таком случае я делаю еще одну проверку, и, если ее результат аналогичен, я сделаю вывод, что с моей ультразвуковой ванной явно возникла проблема.
Половина преобразователей может быть неисправна, но вы об этом так и не узнаете, если не проведете проверку. Вы можете заметить, что шум от работы уменьшился, но я все же сомневаюсь, что вам это удастся, потому что шум все равно будет приблизительно такой же. В большинстве случаев вы не заметите потери части ультразвука. Именно поэтому так важно проводить проверку фольгой, ведь это займёт всего 10-15 минут, и ее можно делать прямо на рабочем месте.
Рабочая частота ультразвука
Давайте рассмотрим рабочую частоту. Этот фактор важен, поскольку частота работы оказывает сильное влияние на силу кавитации (мощность). Когда производители ультразвуковых устройств проектируют ванны, они принимают несколько компромиссных решений. Оба варианта – работа на высокой частоте и работа на низкой частоте – имеют свои преимущества. Можно выбрать что-то одно, но в любом случае это будет компромиссное решение. Другой важный фактор – уровень шума. Чем выше частота, тем тише работа устройства. Но помните, что очистка осуществляется за счет звука. Чем слышимее становится частота, тем сильнее она вас беспокоит, тогда вы будете вынуждены идти на другой компромисс. Каждый раз при удваивании частоты мы снижаем мощность сплющивающихся пузырьков в десять раз. И если работа вашего устройства происходит при 40 КГц, кто-то может сказать, что его устройство работает при 80 КГц и при этом очищает лучше. Но здесь нужно быть внимательным. Если оба устройства имеют мощность 100 Вт, то ванна с 80 КГц не является наилучшим, поскольку он имеет лишь 1/10 от мощности ванны с 40 КГц. Преобразователи с низкой частотой лучше, потому что в целом они более функциональны. Они крупнее и достигают более высокого уровня мощности. И это еще одна причина, почему стоит выбирать низкую частоту.
Но выбор частоты все равно сложен. Высокие частоты хороши тем, что лучше очищают небольшие углубления и отверстия. Поэтому, если имеются совсем маленькие каналы, необходимо прибегнуть к высокой частоте. Но и здесь нужно принимать компромиссное решение.
В современной промышленности наиболее часто применяются частоты 27-30 Кгц для очистки на металлообрабатывающих предприятиях и сервисном обслуживании или 40КГц для мойки электроники и электронных компонентов.
Моющий состав
Третий и, вероятно, наиболее важный из рассматриваемых элементов – это очищающий раствор. Ему часто не уделяют достаточного внимания. Многие свойства жидкости следует принимать во внимание при выборе раствора для ультразвуковой мойки. То есть, мы не можем использовать в этом качестве что угодно.
Жидкость должна хорошо растворять загрязнение, при этом не оказывая деструктивное или окислительное воздействие на поверхность материала очищаемых деталей.
Это должна быть жидкость, имеющая высокое поверхностное натяжение, потому что с таким натяжением кавитационные пузырьки будут иметь более прочную оболочку. Следовательно, они будут больше расти, не лопаясь, а когда все же лопнут, то будут выделять больше энергии. Таким образом, нам нужно высокое поверхностное натяжение. Бывают случаи, когда необходимо, чтобы оно было низким, чтобы пузырьки могли проникать в небольшие углубления. И вновь, необходимо принимать компромиссное решение.
Другой аспект, который нужно учесть, раствор должен удерживать грязь, которая смывается с деталей. Раствор может либо эмульсировать загрязнение, либо вытеснять ее на поверхность жидкости. Нужно помнить, что ультразвуковая ванна должна быть оснащена специальными устройствами для сгона загрязнений с поверхности жидкости, чтобы исключить их повторное оседании на деталях при их извлечении.
Моющий состав должен быть безопасным, для дыхательных путей и поверхности кожи. В любом случае необходимо помнить про технику безопасности при работе с ультразвуковой ванной, т.к. моющий состав чаще всего нагрет до 60-80 С° и не всегда имеет нейтральный pH. Поэтому во избежание получения термического или химического ожога, при работе с ультразвуковой ванной, всегда рекомендуется использовать защитные перчатки и очки.
Жидкость должна хорошо смешиваться с водой, потому что вода является основным растворителем. Если жидкость плохо смешивается с водой, хорошего раствора не получится.
Жидкость также должна быстро дегазироваться. Во время дегазации воздух выходит из жидкости, таким образом пузырьки растут и поднимаются вверх. Помните, что жидкость в процессе работы ультразвука, должна быть не только полностью дегазирована, но и оставаться в покое, поэтому недопустимо использовать в ультразвуковых ваннах такие воздействия как барботаж или турбулентную очистку (струйная мойка в объёме жидкости). Единственным выходом для отмывки сложных каналов является покачивание или вращение корзины в неподвижной моющей среде.
Жидкость также должна содержать замедлитель коррозии. Антикоррозийные добавки предотвращают ржавление предметов после очистки, в особенности если речь о деталях из углеродистой стали или чугуна. Мы также не должны забывать о полоскании инструментов.
Не стоит забывать и о воде, она должна быть достаточно мягкой, чтобы обеспечить достаточный моющий эффект.