Название: Технологии отрасли(Э.З. Мартынов )

Жанр: Технические

Просмотров: 1424


4.3. применение ультразвука

 

Ультразвук представляет собой периодические механические колебания упругой среды с частотой, превышающей 16 кГц. При этом материальные частицы среды (атомы) колеблются около положения равновесия, создавая сгустки и разрежения, которые распространяются со скоростью звука: 331 м/с в воздухе;

1500 м/с в воде и 5100 м/с в стали.

Источники УЗ колебаний подразделяются на два типа: механические и электрические. Первые преобразуют механическую энергию потока жидкости или газа в ультразвуковые колебания (свисток Гальтона, сирена); вторые преобразуют электрическую энергию в упругие колебания среды.

Электрические преобразователи могут быть двух типов: магнитострикционные и пьезоэлектрические. Магнитострикция – это изменение линейных размеров тела при внесении его в сильное магнитное поле. Это железо, никель, пермендюр (Co+Va+Fe), алфер (Al+Fe). Частота возбуждаемых колебаний – 16…20 кГц.

Пьезоэлектрические преобразователи работают на принципе обратного пьезоэффекта: при приложении к кристаллу электрического потенциала происходит его сжатие (расширение). Это такие материалы как кварц (SiO2) и титанит бария (BaTiO3). Они дают ультразвук с частотой 40…1600 кГц. Применяются для возбуждения ультразвука в жидкостях.

Ультразвуковая обработка твёрдых и хрупких материалов (стекло, керамика, полупроводниковые материалы) производится по схеме (рис. 4.5). Обрабатываемый материал детали 4 выкалывается в виде микрочастиц (0,01…0,1мм) от ударов зёрен более твёрдого абразива (карбид бора, алмаз). Зёрна абразива получают ударный импульс F от торца инструмента 3, колеблющегося с ультразвуковой частотой (20…30 кГц) и небольшой амплитудой (2А = 15…

60 мкм). Колебания инструменту передаются от магнитострикционного преобразователя 1 через концентратор 2.

Абразив подаётся в зону обработки в виде суспензии 5 (25…30 \% взвеси в воде). Скорость углубления инструмента составляет 1…10 мм/мин. Пример обработки: пластина кремния Ø 60 мм разрезается на 1000 микрокристаллов (чипов) размером 1 х 1 мм набором лезвий.

Ультразвуковая очистка основана на использовании эффекта кавитации, возникающей в жидкости при возбуждении в ней УЗ-колебаний. В момент фазы разряжения жидкость разрывается, образуются полости (пузырьки). В момент фазы сжатия пузырьки схлопываются, создавая гидравлический удар, разрушающий поверхностные загрязнения.

Детали помещаются в ультразвуковую ванну, в дно которой встроен мощный излучатель ультразвука. Ультразвуковая очистка применяется при обезжиривании, удалении полировочных паст, флюсов. Эта обработка рекомендуется в основном для мелких сложной конфигурации изделий приборостроения, часовой промышленности. Она снижает трудоёмкость по сравнению с ручной мойкой в 2…10 раз, сокращает расход моющих средств в 2 раза, повышает качество очистки. Время очистки составляет 0,5…6 мин.

Ультразвуковая сварка и пайка осуществляется по следующей схеме. Соединяемые поверхности прижимаются при относительно небольшом давлении и подвергаются колебательному сдвигу в месте контакта.

Происходит дробление хрупких окисных плёнок, инициируется взаимная диффузия атомов соединяемых поверхностей и образуется сварное соединение. Ультразвуковой сваркой можно сваривать практически все металлы и сплавы. Но лучше свариваются металлы с близкими значениями предела текучести. Хорошо свариваются алюминий и его сплавы. Можно сварить молибден, цирконий, титан, ниобий, тантал. Когда два металла плохо свариваются друг с другом, можно в качестве припоя проложить между ними алюминиевую фольгу. Возможно сваривать неметаллические материалы – пластмассы, керамику. Особенно такая сварка эффективна при присоединении тонкого элемента к массивной детали.

Ультразвуковая пайка выполняется паяльником, жало которого колеблется с ультразвуковой частотой. Введение УЗ-колебаний в припой обеспечивает его дегазацию, активное смачивание, очистку поверхности.

Ультразвуковое упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием использует энергию колеблющегося торца инструмента, оснащённого твёрдосплавным бойком для нанесения ударов по поверхности детали. Ударное воздействие позволяет упрочнять твёрдые закалённые материалы, нежёсткие детали.

Недостатком ультразвуковых технологий является их высокая энергоёмкость из-за низкого КПД преобразования энергии.