Очистка поверхности деталей с использованием ультразвуковых установок

Н.М. Лебедев, Т.И. Жирнова, Д. А. Красильников
Освещен опыт предприятия по разработке и внедрению различных типов ультразвуковых установок в зависимости от задач производства

В связи с повышением требований к внешнему виду изделий на металлообрабатывающих предприятиях увеличивается доля продукции с нанесенными защитными покрытиями, требующими тщательной подготовки поверхности.

Подготовка поверхности включает в себя очистку, т.е. удаление с поверхности изделия жировых загрязнений или обезжиривание.

Наиболее эффективное обезжиривание поверхности от загрязнений достигается при использовании комбинированных способов с применением технических моющих средств, которые обеспечивают пожарную и экологическую безопасность процессов обезжиривания.

Очистка вообще – это совокупность ряда сложных физических и химических процессов. Чаще всего очистка поверхности проводится в моющих средах. Моющие среды должны обладать высокой химической активностью, эффективно разрыхлять, разрушать или растворять пленки загрязнений, которые представляют собой нежелательное вещество на поверхности очищаемого объекта. В то же время жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами, так как подготовленные к нанесению покрытий изделия хранятся в течение некоторого времени в условиях, далеких от идеальных.

Технические моющие средства являются многокомпонентными смесями химических веществ, каждое из которых выполняет определенные функции в сложном процессе обезжиривания поверхностей деталей. Их преимуществом является дешевизна рабочих моющих растворов, высокая моющеобезжиривающая способность.

Большая часть из них биологически нейтрализуется. Одновременно с обезжириванием моющие растворы способны пассивировать, т.е. обрабатывать металлические поверхности растворами окислителей (пассиваторов) для образования на их поверхности тончайших оксидных пленок, защищающих металл от коррозии, обеспечивая тем самым как межоперационное хранение подготовленных под покраску деталей, так и предотвращение возникновения коррозионных очагов под покрытиями, в случае нарушения их целостности, и увеличивая срок их службы. Сила сцепления жиров с поверхностью металла довольна большая, поэтому в щелочные обезжиривающие растворы добавляют специальные смачивающие поверхностно-активные добавки, которые понижают поверхностное натяжение на границе двух фаз.

Для повышения качества промывки необходимо движение моющего раствора относительно поверхности деталей, что во много раз ускоряет моющее действие.

Поэтому перемешивание раствора, струйная его подача на детали, ультразвуковое колебание раствора следует применять как для ускорения процесса, так и для улучшения очистки.

Ультразвуковая очистка представляет собой очистку поверхности твердых тел любого материала изготовления от загрязнений практически любой сложности посредством возбуждения в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты. Успешное проведение процесса ультразвуковой очистки возможно лишь при использовании основных эффектов, возникающих в ультразвуковых полях: звукового давления, кавитации, акустического течения, звукокапиллярного эффекта. Из выше перечисленных наибольшее влияние на процесс ультразвуковой очистки оказывает ультразвуковая кавитация. Микроударное воздействие захлопывающихся пузырьков способствует разрушению окалины и загрязнений, обладающих высокой адгезией к поверхности, а пульсирующие пузырьки проникают под пленку загрязнений (окалины), отслаивая ее и ускоряя процесс очистки.

К основным параметрам ультразвуковой очистки относятся выбор растворов и температурный режим обработки. Для водных растворов технических моющих средств (ТМС) оптимальной является температура 40-70°C. При более низкой температуре снижается химическая активность раствора, а при более высокой — повышается упругость пара внутри кавитационной полости, что приводит к снижению интенсивности кавитационного воздействия.

Ультразвуковая очистка — сложный физико-химический процесс, включающий развитие кавитации и акустических потоков в очищаемой жидкости, действие которых приводит к разрушению загрязнений и способствует эмульгированию жировых примесей. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и воздействовать ультразвуком, то под действием ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационных пузырьков, поверхность детали очистится от грязи. Кроме того, в жидкости возникает много пузырьков, не связанных с кавитационными явлениями. Эти пузырьки проникают в поры, щели и зазоры между загрязнениями и поверхностью детали. Под действием ультразвуковых колебаний пузырьки интенсивно колеблются, также вызывая разрушение верхнего загрязняющего слоя. Решающее значение имеют ультразвуковая кавитация и акустические потоки.

Условно определено пять разновидностей разрушений загрязнений с помощью ультразвука: отслоение, эмульгирование, эрозия, гидроабразивное разрушение и растворение. Разрушение, отделение и растворение пленки загрязнений при ультразвуковой очистке происходят в результате совместного действия химически активной среды и факторов, возникающих в жидкости под влиянием приложенного акустического поля. Одни факторы действуют на процесс очистки непосредственно, другие — через специфические ультразвуковые эффекты (см. рис.1).

Из практики известно, что наиболее эффективными для очистки поверхностей являются ультразвуковые колебания частотой 18-25 кГц.

Этот диапазон частот обеспечивает нужную кавитацию при наибольшей удельной мощности, экономичен и находится за пределами слышимости человеческого уха.

ООО «Александра-Плюс» является разработчиком и изготовителем ультразвуковых излучателей на основе пьезокерамических преобразователей с собственной резонансной частотой 22±1 кГц. Форма излучателя и его размеры полностью согласуются с теоретическим расчетом. Потребляемая мощность одного излучателя не более 100 Вт, что вместе с высоким коэффициентом полезного действия (90-95%) ультразвукового генератора, собранного на электронных микросхемах, позволяют достичь удельной акустической мощности 2,0÷2,5 Вт/см2. Такой мощности достаточно для наступления в растворе интенсивных кавитационных явлений. Увеличение мощности при той же частоте в основном не приводит к изменению параметров очистки.

Излучатели, как правило, изготовлены из нержавеющей стали, и вынесены непосредственно в рабочий объем жидкости, а для того, чтобы в рабочей зоне не было т.н. «мертвых зон», расстояние между излучателями выбрано, на основе величины длины волны ультразвуковых колебаний в жидкости.

Также установлено, что для качественной очистки поверхности в каждый литр моющей жидкости следует вводить не менее 10 Вт ультразвуковой энергии. Вышеперечисленные факторы делают оборудование, производимое ООО «Александра-Плюс», одним из самых эффективных в плане очистки поверхности среди подобного производимого оборудования, как в России, так и за рубежом.

На ОАО «НЛМК» специалистами ООО «Александра-Плюс» введена в эксплуатацию установка ультразвуковой очистки, встроенная в агрегат непрерывного обезжиривания на линии горячего цинкования холоднокатаной полосы. Технологический процесс с использованием ультразвуковой очистки позволил снизить остаточное содержание механических и жировых загрязнений до 98% от исходного уровня (с 500-1000 мг/м2 до 10-15 мг/м2).

Одновременно с уменьшением остаточной загрязненности уменьшилось количество остановок линии на чистку печных роликов в 1,5-1,7 раза. Дефектов по нанесению цинкового покрытия со времени введения установок ультразвуковой очистки не обнаруживается.

До внедрения ультразвуковых установок для очистки поверхности при повышенном содержании на стальной полосе загрязнений в узле химической очистки происходило недостаточное снижение остаточных загрязнений, что приводило к отсортировке оцинкованного листа по дефектам.

С 2004 г. на предприятии «БеаРУС» (Московская область) успешно эксплуатируются две многонитьевые (125 ниток) установки очистки проволоки. Предприятие производит крепеж для мебельной промышленности. Внедрение ультразвуковой очистки позволило снизить расход клея и повысить качество изделий.

На ОАО «Тверской вагоностроительный завод» с апреля 2004 года эксплуатируется установка для ультразвуковой очистки стальной ленты марки 08кп от пылевидных аморфных механических и масляных загрязнений. При изготовлении изделий с применением из данной ленты при сварочных работах происходит обильное дымообразование. После ультразвуковой очистки в течение 3—5 сек. происходит полное обезжиривание поверхности ленты, что исключает дымообразование при дальнейших сварочных работах.

Имеется опыт ультразвуковой очистки медного кабеля: установка встроена в линию эмалирования прямоугольной медной проволоки на выходе из печи отжига для охлаждения проволоки и удаления с ее поверхности загрязнений типа оксидов меди, медной пыли от волочения и остатков волочильной эмульсии перед нанесением лакового покрытия. Выбор этой проволоки для очистки не случаен, ибо прямоугольные провода из-за сложного профиля имеют наиболее нестабильные характеристики по электрической и механической части. В качестве моющего раствора используется техническая вода с температурой 20°С. Проведенные испытания проводов, изготовленных с использованием ультразвуковой промывки, показали стабильные значения электрической прочности и отличную адгезию лака к проволоке: при испытаниях на истирание провода иглой при норме 50 двойных холод на отдельных образцах они доходили до 500.

Для очистки поверхности сварочной титановой и молибденовой проволоки обществом разработана «Установка промывки сварочной проволоки», состоящая из ванны ультразвуковой промывки, ванны ультразвукового ополаскивания, устройства протяжки проволоки и шкафа управления. Удаление масляно-графитовой смазки с поверхности проволоки позволило полностью исключить пористость сварных соединений.

На ОАО «Запорожский сталепрокатный завод» поставлена установка ультразвукового обезжиривания проволоки (26 нитей), которая встроена в действующую линию цинкования взамен действующих ванн обезжиривания. В состав установки входят ванна ультразвуковая, бак подготовки раствора, ванна горячей промывки, ванна холодной проточной промывки и шкаф.

На ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» успешно эксплуатируется установка для ультразвуковой очистки и сушки проволоки из пермаллоя, предназначенной для изготовления герконов (см. рис. 2). Установка рассчитана на одновременную очистку 5 нитей проволоки, имеющих индивидуальную скорость перемещения через ванну. Установка состоит из ультразвуковой ванны очистки моющим раствором, бака приготовления раствора, ультразвуковой ванны ополаскивания, камеры сушки и электрошкафа.

Установка эксплуатируется отдельно от линии волочения.

Использование в качестве моющих растворов водо-растворимых соединений в сочетании с ультразвуковой обработкой позволяет получить хорошее качество поверхности и исключить токсичные и легковоспламеняющиеся растворители (бензин, дизельное топливо, фреоны), что немаловажно для экологической чистоты производства.

Вышеперечисленные примеры доказывают эффективность применения ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов промывки и обезжиривания при подготовке поверхности металла.

При проектировании оборудования предпочтение следует отдавать ультразвуковым установкам проходного типа, которые легко встраиваются в действующее технологическое оборудование.

Применение такого оборудования при малых капитальных затратах позволяет существенно повысить производительность процесса при одновременном повышении качества выпускаемой продукции.

Литература

  1. Ультразвуковая технология / Под ред. В.А.Аграната/ М., Машиностроение, 1974
  2. Бергман Л. Ультразвук. М.: Машиностроение, 1957
  3. Агранат Б.А., Дубровин М.Н., Хавский Н.Н., Эскин Г.И. Основы физики и техники ультразвука. М.: 1987
  4. Спринг С. Очистка поверхности металлов. М.: 1966
  5. Попилов Л.Я. Ультразвуковая интенсификация очистки и гальванических процессов. М.: 1962