Как выбрать ультразвуковую ванну?

Время чтения: 20 минут

Эксперт — Сергей Пустовой

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

В этой статье мы рассмотрим ультразвуковую (УЗ) чистку. Познакомимся с их конструкцией, а также принципом работы, областью применения, особенностями эксплуатации.

Ультразвуковая ванна — это устройство, которое использует механические колебания выше порога слышимости человеческого уха (18-20 кГц) для создания звуковых волн в моющем растворе. Высокочастотные УЗ колебания вызывают в жидкости проявление эффекта кавитации, создающего мощные ударные волны. Эти колебания способствуют интенсивному отделению загрязнения от объекта.

Кавитация в сочетании со звукокапиллярным эффектом, а также специальными моющими веществами обеспечивает высокоэффективную чистку деликатных, чувствительных, а также прецизионных деталей и инструментов. Эффективность процесса очистки зависит от конструкции установки, используемой частоты, а также мощности излучения.

Как мы знаем – чистка предметов осуществляется за счет эффекта кавитации. Это явление проявляется только в жидкостях. Проходя через жидкую среду УЗ излучение образует области сжатия и разряжения. Они сменяют друг друга с частотой проходящей волны. В жидкости, попавшей в область разряжения, снижается давление и образуются кавитационные пузырьки. Они состоят из водяного пара, а также газов, растворенных в жидкости. После прохождения области разряжения наступает область сжатия. Её приход приводит к резкому увеличению давления и схлопыванию газовых пузырьков. Это явление сопровождается образованием мощных микроударных волн с давлением до 3 500 кг/см2, локальным выделением температуры до 10 000 °С, а также образованием ультрафиолетового излучения в средней области спектра.

Очищающий эффект создается именно микроударными волнами, вызывающими отделение загрязнения от объектов. Однако слишком высокая мощность способна привести к разрушению самой детали. Поэтому все параметры процесса должны тщательно контролироваться.

Большинство установок имеют простую конструкцию и состоят из трех основных частей:

• генератор УЗ частоты;
• преобразователь УЗ частоты;
• автоматика управления и контроля;
• резервуар.

Генератор представляет из себя основной элемент мойки. Он отвечает за получение электроэнергии от сети, а также преобразование ее в высокочастотный электрический сигнал. В электрической сети стандартная частота тока составляет всего 50 Гц, однако для питания преобразователя необходимы частоты в сотни раз выше. У большинства аппаратов рабочая частота составляет 40 кГц. Однако в зависимости от необходимости могут использоваться частоты от 20 до 100 кГц. Также существуют специализированные установки, работающие в мегагерцовом диапазоне.

Преобразователь частоты осуществляет преобразование электрического сигнала в механические колебания. Это осуществляется одним из двух способов: за счет обратного пьезоэлектрического эффекта, либо посредством магнитострикционного эффекта. Оба эффекта вызывают изменение размеров преобразователя (в пределах от 1 до 0,1 мкм) при подаче электрического сигнала. В настоящее время наибольшую популярность приобрели пьезоэлектрические преобразователи.

Следующей частью установки является резервуар (бак). Он используется для размещения обрабатываемых деталей, а также чистящей жидкости. УЗ преобразователи устанавливаются на дно бака. Здесь же размещаются датчики, контролирующие температурный режим. Большинство резервуаров изготавливают из нержавеющей стали 304. Она хорошо переносит слабощелочные и слабокислые среды. Однако некоторые резервуары могут изготавливаться из пластика или керамики. Также резервуары различаются размером и формой, что, естественно, влияет на объем вмещаемой чистящей жидкости. Дополнительно в бак может быть встроен нагреватель, поддерживающий оптимальную температуру чистящего раствора.

Точное регулирование температуры значительно влияет на качество очистки. Это связано с тем, что сила кавитации зависит от давления жидкости, а это напрямую связано с её температурой. Для контроля и поддержания нагрева, а также настройки времени обработки используют программируемые контроллеры. А для удобства настройки и отслеживания режима работы используются цифровые дисплеи.

Также обязательной принадлежностью является сетчатая корзина. Она предназначена для размещения очищаемых ультразвуком предметов на оптимальном от излучателя расстоянии. Корзина не позволяет предметам касаться дна или стенок резервуара, так как это может повлиять на качество генерируемых колебаний, также вызвать повреждение бака.

Промышленные аппараты могут также оборудоваться насосом подачи и слива моющей жидкости, фильтром, системами мойки очищенных деталей, их сушки, подъемником корзины, дополнительным баком.

Применение различных частот связано с тем, что в зависимости от их интенсивности меняются размеры кавитационных пузырьков и как следствие – мощность создаваемых ударных волн, образуемых при их схлопывании.

20 кГц — самая мощная частота для удаления сильных загрязнений. Её не рекомендуется использовать на полированных, а также зеркальных поверхностях, а также чувствительных материалах, таких как стекло, алюминий и прочие.

40 кГц — стандартная частота, применимая к широкому спектру материалов. Она эффективна для удаления большинства загрязняющих веществ.

80 кГц — эта частота используется для очистки предметов со сложной геометрией. Кавитационные пузырьки, образуемые на этой частоте, способны проникать в небольшие отверстия и способствовать удалению труднодоступных загрязнений.

120 кГц и выше — применяются в основном в прецизионной оптике, а также для очистки различных тонких и чувствительных к механическим воздействиям объектам. Из-за невысокой мощности кавитации эти частоты часто используются на уже чистых предметах обеспечивая удаление пыли на этапе финальной чистки.

УЗ очистители применяются в качестве альтернативного метода чистки в самых разных отраслях. Их основные области: медицина, стоматология, электроника, производство пластмасс, металлообработка, а также производство деталей машин. Ниже приведены преимущества УЗ чистящих машин.

• Деликатность: в отличие от традиционных методов, УЗ мойка не повреждает очищаемую деталь. Механические, а также химические способы, помимо грязи и мусора, могут удалить часть очищаемой поверхности. Что может привести к появлению дефектов поверхности, царапинам, коррозии или изменению цвета. УЗ ванны не имеют такого недостатка. Они подходят для очистки деликатных и чувствительных поверхностей.
• Точность и равномерность: УЗ установки работают, распространяя вибрации по всему объему чистящей жидкости. Благодаря этому все смоченные ею поверхности очищаются с одинаковой скоростью. Это предотвращает вероятность чрезмерной или неравномерной чистки отдельных областей. Также хорошее смачивание объекта обеспечивает эффективную очистку в самых труднодоступных местах.
• Быстрота и тщательность: УЗ ванны обладают высокой скоростью, а также эффективностью. Обычно время чистки составляет всего 10-15 минут. Зачастую этого времени вполне достаточно. Но иногда для очистки сложных загрязнений может потребоваться больше времени или циклов работы.
• Удаление большинства загрязнений: ультразвук позволяет не только удалять обычную грязь, но также эффективен для других загрязнений, например, минеральных отложений (накипи), ржавчины, масел и жиров, сажи, пластиковых и эластиковых материалов, красителей, а также различных органических веществ. Это делает УЗ очистители универсальным чистящим устройством. Удаление различного загрязнения легко достигается путем изменения параметров работы машины, а также подбора соответствующего чистящего раствора.
• Высокая энергоэффективность: по сравнению с методами механической очистки, УЗ установки потребляют значительно меньше энергии. Их генератор имеет КПД 95%, а преобразователь — от 65% до 70%. Общая эффективность УЗ очистителей, особенно использующих пьезоэлектрические преобразователи, может достигать 70% и выше.
• Компактность: основной объем установки занимает бак. Генератор и преобразователь компактно размещаются между корпусом и баком аппарата.
• Простота в эксплуатации: управление установками осуществляется в автоматическом режиме. Большинство настольных аппаратов позволяют оператору корректировать лишь время работы. Промышленные же аппараты дают возможность изменять температуру, мощность, амплитуду, а также частоту УЗ излучения. После установки рабочих параметров оператору остается только разместить деталь в емкость и ждать окончания процесса чистки.

В настоящее время УЗ установки применяются во многих сферах от медицины и биологии, заканчивая тяжелым машиностроением. Но наибольшее распространение они получили в таких областях, как:

• Медицина и стоматология: очистка хирургических инструментов, имплантов, а также посуды от органики (кровь, ткани) перед стерилизацией.
• Ювелирное дело: бережная чистка ювелирных украшений со сложной формой и орнаментом.
• Оружейное дело: очистка огнестрельного оружия от старой смазки, освинцовки, а также нагара, образованного пороховыми газами и трением пули, трудоемкий процесс. УЗ ванны позволяют облегчить этот процесс. Также ультразвук применяют для эффективной смазки для чистки труднодоступных мест оружия.
• Электроника: очистка электроники на всех этапах жизненного цикла: промывка плат после травления, пайки или демонтажа, чистка перед ремонтными работами и прочее.
• Машиностроение: очистка деталей после механической обработки от смазки, заусенцев и стружки. Используется колебания низких частот от 18 до 25 кГц.
• Прессовка: при производстве изделий прессованием, УЗ устройства применяют для очистки пресс-форм от остатков материалов.

Также их применяют для чистки драгоценных камней, оптических изделий, некоторых археологических находок, часовых механизмов, различных инструментов и в других областях.

Качество очистки зависит не только от мощности аппарата, но также и от используемого чистящего раствора. Применение одной только воды не способствует эффективной чистке. Важно, чтобы чистящие жидкости:

• не повреждали очищаемый материал;
• обладали низким пенообразованием;
• облегчали образование процесса кавитации;
• имели высокую смачиваемость;
• легко смывались.

Используемые растворы обычно состоят из щелочных моющих средств, поверхностно-активных веществ (ПАВ), кислот или ферментов, растворенных в дистиллированной воде. Состав очищающей жидкости зависит от типа удаляемого загрязнения.

• Дистиллированная вода: дистиллированная вода является основным растворителем, в котором разбавляются другие концентрированные вещества. Благодаря своей высокой чистоте она может легко растворить многие загрязняющие вещества.
• Щелочные моющие средства: щёлочь способствует удалению органических и жировых загрязнений, таких как различные масла, жиры и парафины. Щелочные моющие средства содержат поверхностно-активные вещества. Их основное действие заключается в снижении поверхностного натяжения воды. Это позволяет не только легче растворяться маслам, но и повышает смачиваемость.
• Кислоты: кислоты используются для агрессивной очистки минеральных отложений, накипи, сильных загрязнений, ржавчины, а также удаления мелкой металлической стружки и заусенцев. По окончании чистки следует обязательная промывка или проводят процедуру ингибирования коррозии. Это связано с тем, что остатки кислоты продолжат взаимодействовать с поверхностью детали, вызывая повреждение, потускнение, а также коррозию.
• Ферменты: ферменты являются активными катализаторами, позволяя активизировать расщепление биологических веществ. Их используют для удаления крови, костей, тканей, жиров и других загрязнений, которые трудно удалить с помощью обычных моющих средств. Ферментные чистящие средства могут быть в виде концентрированной жидкости или растворимых таблеток (порошка).
• ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота): ЭДТА представляет собой химическое соединение, которое используется для связывания ионов металлов, содержащихся в моющем растворе. Это предотвращает изменение цвета очищаемого материала примесями ионов металлов. А также смягчает и стабилизирует раствор, увеличивая количество циклов его использования.
• Ингибиторы коррозии: ингибиторы коррозии представляют собой химические добавки, которые существенно замедляют процесс окисления. Их применяют после мойки деталей в кислоту содержащих растворах. Они также обеспечивают защиту бака от коррозии.
• Аммиак: аммиак — популярное соединение, используемое в большинстве домашних чистящих растворов. Он действует аналогично щелочным средствам, удаляя большую часть загрязнений, сажи и остатков масел. Аммиак является наиболее дешевой добавкой в чистящую жидкость. При этом расход его минимален. Аммиак часто используется для чистки ювелирных изделий.

Технологически это не сложный процесс, который включает в себя подготовку раствора, а также настройку режима работы. Сам процесс мойки осуществляется без особого вмешательства оператора. Также после промывки могут выполняться дополнительные технологические операции. Ниже приведена общая технологическая схема процесса очистки.

1. Предварительная промывка: этот этап важен, когда необходимо удалить большое количество загрязнений. Перед помещением детали в бак необходимо удалить рыхлую грязь, землю и крупные частицы. По возможности промыть или почистить деталь щеткой. Это повысит эффективность чистки.
2. Приготовление раствора: для избавления себя от проб и ошибок при подборе чистящего раствора, можно воспользоваться готовыми концентратами. Этот этап также включает в себя заливку или перекачку чистящего раствора в резервуар.
3. Настройка температуры ванны: большинство установок имеют встроенный нагреватель для поддержания необходимой температуры чистящего раствора. Температура жидкости напрямую влияет на эффективность работы механизма кавитации. Кроме того, она влияет на другие свойства жидкости, такие как поверхностное натяжение, вязкость и её плотность, повышает химическую активность.
4. Настройка параметров генератора: этот шаг выполняется при работе с промышленными очистителями. Изменение параметров работы генератора позволяет оператору контролировать интенсивность кавитации, что важно при чистке деталей разного размера и веса.
5. Дегазация раствора: растворенные газы в моющей жидкости снижают интенсивность кавитации. Для дегазации используется специальный режим работы установки, а при его отсутствии включают аппарат без нагрузки и дают ей поработать в течение нескольких минут.
6. Чистка: после полной настройки машины очищаемая деталь размещается в корзине и погружается в раствор. Время процедуры зависит от количества и характера удаляемых загрязнений и занимает в районе 10 минут.
7. Промывка: промывка — это обязательный процесс при работе с кислотными растворами. На этом этапе очищающий раствор удаляется с поверхности детали в специальных промывочных ваннах. Для промывки используется чистая дистиллированная вода, в которую могут быть добавлены ингибиторы коррозии.
8. Вторичные процессы: вторичные процессы — это необязательные этапы, которые могут включать в себя полировку и смазку детали. На этом этапе используются специальные растворители, придающие поверхности детали желаемые свойства.
9. Сушка: этот процесс обдува детали воздухом от вентилятора или калорифера. Сушка применяется для ускорения технологического процесса и обычно используются на крупных производственных линиях.

Правильное обращение повышает производительность установки, гарантирует эффективность очистки, обеспечивает целостность и сохранность устройства. В процессе эксплуатации стоит обращать внимание на:

• Количество моющего раствора (его должно быть не выше и не ниже рекомендуемого производителем);
• Однородность раствора;
• Уровень содержания щелочных или кислотных добавок;
• Размещение очищаемого предмета (он не должен касаться дна резервуара);
• Правильность размещения (ванна должна быть установлена на ровной и сухой поверхности);
• Другие рекомендации от производителя.

Мы подобрали вам на выбор пять наиболее популярных установок, отличающихся мощностью, объемом бака, а также другими характеристиками.