книги / Применения ультразвука

ся частью сонотрода. Наковальня предназначена для поддержки свариваемых деталей и противодействия силам сжатия.

На ультразвуковой сварочный процесс оказывают влияние статическая сила сжатия, сила поперечных колебаний и среднее повышение температуры в зоне сварки. Величины вышеназван­ ных сил несут ответственность за хорошую сварку, хотя она зави­ сит от толщины, состояния поверхности и механических свойств обрабатываемых деталей.

Статическая сила сжатия прилагается перпендикулярно поверхности между обраба­ тываемыми деталями. В то же самое время наконечник со­ нотрода начинает совершать колебания параллельно этой поверхности. В обрабатыва­ емой детали возникает внут­ реннее напряжение благодаря комбинации статической силы и силы поперечных колебаний. Пока напряжение в металле не превышает предел упругости, металл подвергается только упругой деформации. Но ког­ да напряжение превышает по­ роговое значение, происходит локализованное поверхнос­ тное скольжение без общего сдвига. Результатом становит­ ся разрушение и смешивание поверхностных пленок, что формирует контакт металлов в

любой точке. Процесс продолжается до тех пор, пока не образует­ ся сплошная область сварки вследствие непрерывных колебаний. Во время t/ЗЖнаблюдается повышение температуры, что обуслов­ лено изменениями упругости, граничным контактом и пластичес­ кой деформацией. Тем не менее нет данных, доказывающих, что подъем температуры при US^приводит к плавлению металлов.

Другим важным фактором, который следует принимать во внимание, является мощность. Частота ультразвуковых колеба­

ний варьируется от 10до 75 кГц. Требуемую мощность преобразо­ вателя дает электроэнергетическая система. Таким образом, при подаче электроэнергии на преобразователь она преобразуется в энергию механических колебаний. Энергия колебаний передает­ ся обрабатываемому изделию для осуществления сварки. Во вре­ мя этого перехода энергии ее часть рассеивается в поддерживаю­ щей системе наковальни.

Энергия, необходимая для USW, зависит от твердости обраба­ тываемого изделия и его толщины в точке, контактирующей с на­ конечником сонотрода. Электрическая энергия Е определяется по следующей формуле:

где Н —число твердости Викерса, d —толщина пластины, контак­ тирующей с наконечником сонотрода, К —константа данной сва­ рочной системы.

Применение

Важными способами применения USW в промышленности являются:

(I) Сварка миниатюрных электронных компонентов: (а) алю­ миниевые и золотые провода с транзисторами, диодами, полу­ проводниками, (Ь) провода и ленты с тонкими пленками и мик­ роминиатюрными цепями, (с) диоды и транзисторные чипы с подложкой и т.д.

(II) Электрические соединения в сборке моторов, катушках возбуждения, трансформаторах, конденсаторах и т.д.

(III) Сварка поврежденной алюминиевой фольги произволь­ ной длины.

(IV) Разнообразная упаковка, начиная с мягких пакетов из фольги и заканчивая герметичными металлическими контейнера­ ми, герметичными уплотнителями, защищающими от протечек.

(V)Заключение в капсулу материалов, которые чувствительны

кнагреванию или электрическому току.

(VI) Монолитное соединение структурных аппликаций при ограничениях на толщину свариваемого листа.

(VII) Уменьшение стоимости производства солнечной энер­ госистемы. Соединения в фотоэлектрических модулях силиконо­ вых ячеек изготовлены с помощью USW.

Принцип действия

В основе данного метода лежит принцип преобразования электрических колебаний в соответствующие механические, что приводит к колебаниям дна резервуара и активному движению молекул жидкости, которая в нем содержится. Таким образом, вынужденные возмущения в жидкости вызывают формирование микроскопических полостей или пустот. Данный процесс назы­ вают кавитацией. Вследствие разрушения (схлопывания) этих пустот высвобождается огромное количество энергии. Эта энер­ гия оказывает на металл, погруженный в чистящую жидкость, интенсивное очищающее местное воздействие. Кавитация в жид­ кой среде образуется благодаря распространению ультразвуковых волн, то есть образованию поочередных сжатий и разрежений, областей высокого и низкого давления. Полости растут на микро­ скопическом уровне во время разрежения и подвергаются дефор­ мации в фазе сжатия. Описанный процесс зависит от величины прилагаемой ультразвуковой энергии.

Ультразвуковая система очистки Ультразвуковая система очистки состоит из ультразву­

кового генератора, преобразователя и резервуара (рис. 5.3). Ультразвуковой преобразователь помещается под дном резерву­ ара. Металлический резервуар изготовлен из нержавеющей ста­ ли. Он наполнен чистящей жидкостью, которая может быть на водной основе или растворителем. Размер и частота колебаний преобразователя для генерации ультразвуковых волн, находяще­ гося под резервуаром, выбираются в зависимости от вместимости резервуара. Ультразвуковой генератор подает соответствующий сигнал переменного тока на преобразователь, который начинает совершать колебания с резонансной частотой. Колебания переда­ ются в жидкую среду через резервуар из нержавеющей стали. Во время этого процесса возникает кавитация. Система очистки так­ же включает температурный контроль, очистку жидкости, венти­ ляцию и вытяжку. Частота ультразвуковых волн, используемых в данном процессе, варьируется от 20 до 40 кГц, а интенсивность — от 0,5 до 5х104 Вт-м-2.

Среда, используемая для ультразвуковой очистки, играет важ­ ную роль. Существуютдва вида сред: водная среда и растворитель. Идеальная очищающая среда должна характеризоваться низким поверхностным натяжением, низкой вязкостью и т.д. для повы-

шения эффективности очистки. Главными факторами, которые следует учитывать, являются вид загрязняющих веществ, которые подлежат удалению, физические свойства очищаемых изделий и требуемая скорость обработки.

Рис. 5.3. Ультразвуковая система очистки

Вводной среде в роли чистящей жидкости выступает вода,

вкоторой могут содержаться очищающие химикаты, а могут и отсутствовать. В растворяющей среде в качестве растворите­ лей используется галогенизированный углеводород, как, на­ пример, трихлортрифторэтан, трихлорэтан, метиленхлорид. Большинство наиболее распространенных загрязняющих ве­ ществ можно удалить с помощью водных растворов, тогда как растворители используются для устранения флюса, грязи или тяжелых масел.

Ультразвуковая энергия поступает от преобразователя в чистящую жидкость. Ультразвуковой преобразователь можно соединить с резервуаром тремя способами: (I) преобразователь находится непосредственно под резервуаром, (II) используется пластина с преобразователями, (III) используются погружаемые преобразователи. В первом методе преобразователь прикрепля­ ют к дну чистящего резервуара, как показано на рис. 5.3. Во вто­ ром случае преобразователи последовательно присоединяют к неподвижной прямоугольной металлической пластине, рис. 5.4. Металлическую пластину с преобразователями можно прикреп­

лять либо к дну резервуара, либо к его боковым стенкам. В мето­ де погружения преобразователи находятся в квадратном корпусе из нержавеющей стали, хотя он может быть круглым, шести­ угольным или цилиндрическим, что определяется заданными требованиями. Преобразователи погружают в очищающую ван­ ну либо на дно, либо вблизи одной из задних стенок.

Применение Важные области применения ультразвуковой очистки, а также

отрасли промышленности, продукция и способы эксплуатации перечислены в табл. 5.2.

Табл. 5.2. Применение ультразвуковой очистки в промыш­ ленности

Кроме того, ультразвук используется для очистки от грунтов и от таких покрытий, как масла, смазочные вещества, воск, си­

разной, измерение скорости будет определяться одним и тем же видом движения. Скорость ультразвука является векторной вели­ чиной, поэтому поток газа или жидкости можно измерять с помо­ щью ультразвуковых волн. Таких способов несколько:

(I) Время пробега. Метод больше подходит для чистых жид­ костей и газов. Вданном методе (рис. 5.6а) в движущейся жидкости/масле измеряется время пробега распространяющейся ультра­ звуковой волны.

(II) Метод Доплера. Данный метод (рис. 5.6Ь) пригоден для жидкостей, в которых присутствует вторичная фаза состояния вещества, например сточные воды, осадок, бумага и целлюлоза. Поток измеряется с помощью ультразвука, рассеивающегося от частиц или воздушных пузырьков.

(III) Корреляция. В этом методе в качестве основных элемен­ тов в жидкости выступают вторичная фаза или вихреобразования. Метод (рис. 5.6с) широко используется при измерении многофаз­ ных потоков в нефтяной и газовой промышленности.

(IV) Колебание жидкости. Механизм (рис. 5.6d) состоит в об­ наружении изменений амплитудной модуляции, которая проис­ ходит вследствие колебаний давления в газах и колебаний скоро­ сти в жидкостях. Величина скорости рассчитывается по частоте модуляции.

(V) Открытый канал. Измерение потока (рис. 5.6е) осущест­ вляется путем замеров высоты поверхности жидкости, когда те­ кучая среда проходит через открытый канал или желоб. Данный метод обычно осуществляется при наличии свободной воздушной среды, то есть такой, которая не создает препятствий.

Из всех вышеперечисленных методов наиболее часто исполь­ зуются время пробега, методы Доплера и открытого канала. Мы приведем описание первого из них, так как он является наиболее значимым и при этом самым простым.

Расходомер, основанный на измерении времени пробега

В данном методе измерения можно проводить как в жидкос­ тях, так и в газах. Для измерения скорости потока используется разница во времени пробега волны в ультразвуковом луче при его ориентации по течению и против. Представим, что текучая среда движется со скоростью и под углом 0 к направлению ультразвуко­ вого луча, как показано на рис. 5.7