Факторы, ограничивающие интенсивность ультразвукового поля

В большинстве случаев повышение интенсивности ультразвуковых колебаний экономически оправдано, так как выигрыши от сокращения длительности процесса и расширения области технологического применения значительно перекрывают удорожание аппаратуры в связи с повышением ее мощности.

Но наряду с полезными эффектами ультразвуковое поле оказывает и разрушающее действие на элементы устройств и обрабатываемые изделия. По мере повышения интенсивности до определенного предела усиливаются не только полезные эффекты, но и разрушающее действие ультразвукового поля. Как было показано в гл. 2, наложением статического давления можно резко повысить эти предельные значения интенсивности звукового поля. С другой стороны, применение в колебательных системах концентраторов и фокусировки позволяет получать весьма высокие значения интенсивности звукового поля.

Таким образом, главным фактором, ограничивающим интенсивность ультразвукового поля при выборе режима очистки и конструировании аппаратуры, является разрушающее действие поля на излучатели и обрабатываемое изделие.

Совершенно очевидно, что разработка колебательных систем, устройств для очистки и выбор режимов должны проводиться со всесторонним учетом этих факторов.

Характер механических нагрузок, воздействующих на излучатель и обрабатываемую деталь, если последняя сама не является излучателем (как при очистке контактным методом), различен.

Деталь, очищаемая в моющем растворе, химически не взаимодействую-щем с материалом детали, подвергается в основном кавитационному разрушению. Микроударные нагрузки, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, вызывают изменения свойств и структуры поверхностного слоя. Для металлов эти изменения выражаются в первоначальном упрочнении микрообъемов вследствие наклепа и в последующем разупрочнении поверхностного слоя металла за счет его пластической деформации, сопровождающейся образованием в поверхностном слое очагов эрозии в виде конусообразных кратеров.

Теории микроударного воздействия на поверхность металлов при ультразвуковой кавитации посвящен ряд исследований, Установлено, что возникающая в результате захлопывания кавитационного пузырька зона максимальных напряжений соизмерима с размерами зерен отдельных структурных составляющих. Уровень напряжений в этой зоне весьма высок и может превышать предел текучести материала. В результате наименее стойкие к микроударным нагрузкам структурные составляющие начинают разрушаться и на поверхности обрабатываемой детали появляются очаги эрозии. Локализация этих очагов зависит от интенсивности кавитации на отдельных участках поверхности детали, стойкости материала к микроударным нагрузкам, а также степени его неоднородности по фазовому составу. Особенно велика опасность разрушения деталей, если они выполнены из материалов с низкой кавитационной стойкостью (например, алюминия, магния, их сплавов, меди), а также деталей, имеющих различные декоративные и защитные покрытия. При ультразвуковой очистке подобных деталей необходимо особенно тщательно отрабатывать режимы очистки, по возможности снижая интенсивность кавитации и сокращая время очистки.

Если моющий раствор химически взаимодействует с материалом детали (например, при удалении окисных пленок с металлов), то она подвергается совместному кавитационному и коррозионному разрушению. При этом общий съем металла с поверхности очищаемых деталей (за равные промежутки времени) будет более значительным, чем при чисто ка-витационном разрушении.

Однако, подбирая параметры звукового поля, состав моющих средств и время очистки, можно добиться, чтобы при разрушении пленки загрязнений поверхность не повреждалась, размеры очищаемых деталей не изменялись.

Гораздо сложнее предотвратить разрушение самого излучателя, который, помимо воздействия кавитационных ударов и химического взаимодействия с моющим раствором, подвергается действию знакопеременных напряжений, возникающих в нем при ультразвуковых колебаниях. Если излучатель совершает изгибные колебания, то максимальные значения знакопеременных напряжений возникают на его поверхности, т. е. в зоне, наиболее уязвимой с точки зрения кавитационно-коррозионного разрушения.

Главной причиной разрушения излучателей в жидкости является совместное действие знакопеременных нагрузок и агрессивной среды [75]. Кратеры, образующиеся на поверхности излучателя вследствие кавитационного разрушения, создают концентрацию напряжений в месте их образования, что способствует появлению коррозионно-усталостных трещин.

Сопутствующее травлению в растворах кислот насыщение излучателя водородом способствует повышению хрупкости поверхностного слоя металла. Первые коррозионно-усталостные трещины появляются не в зонах, соответствующих максимальным уровням кавитационной эрозии, а там, где знакопеременные напряжения достигают наибольших величин.

Необходимо отметить, что в большинстве работ, посвященных исследованию кавитационно-коррозионного разрушения, главная роль в разрушении отводилась микроударным нагрузкам. Это объясняется тем, что испытания материалов проводились в условиях, когда отсутствовало воздействие знакопеременных напряжений на образец.

Выбор материала излучателей зависит прежде всего от химического состава моющей жидкости.

Для очистки от загрязнений, слабо связанных с очищаемой поверхностью и обладающих низкой кавитационной стойкостью в водных, щелочных и нейтральных растворах, а также в органических растворителях, можно не применять специальных мер по защите излучателей от разрушения. Достаточная эксплуатационная стойкость излучателей достигается тем, что они изготовляются из относительно кавитационно-стойкого материала хромоникелевой нержавеющей стали марки Х18Н10Т.

Исследования показали [75], что срок службы излучателей из этой стали в водных щелочных растворах составляет 1500—2000 час и примерно равен сроку службы магнитострикционного преобразователя. При ультразвуковой очистке под повышенным статическим давлением материал излучателей должен обладать повышенной кавитационной стойкостью. В этом случае перспективно использование алюминиевых бронз с содержанием алюминия 10—12%, легированных титаном [43, 77], а также железом и никелем.

рабочая жидкость — дистиллированная вода. Образцы из различных материалов, имеющие постоянную геометрическую форму и размеры, располагались в области развитой кавитации, примыкающей к излучателю на расстоянии 3 мм от него.

Анализ рис. 61 показывает, что убыль веса алюминиевых бронз с содержанием титана около 1% (кривые 2, 5), а также с добавками 3% Fe и Ni (кривая 1) в 10—15 раз ниже, чем убыль веса таких же образцов из стали марки Х18Н10Т (кривая 6).

При ультразвуковом травлении стойкость излучателя, изготовленного из нержавеющай сталей, не превышает 40—50 час. Характер нагрузок в агрессивной среде определяет принципиальные требования к свойствам материала излучателя: его основа должна обладать повышенной коррозионно-усталостной прочностью, а поверхностный слой упрочняться для повышения стойкости к микроударным нагрузкам.

Проведенные систематические исследования по приведенной на рис. 62 схеме показали, что сплавом, обладающим повышенной кавитационной и коррозионно-усталостной стойкостью, является бронза БрАЮ в отожженном состоянии. Стойкость алюминиевых бронз может быть еще повышена упрочнением поверхностного слоя путем химико-термической обработки. Так, на стали Х18Н10Т первые следы эрозии в 20%-ной серной кислоте, нагретой до 70°, появляются через 2 час, на бронзе БрАЮ — после 25—30 час, а на той же бронзе, прошедшей алитирование, сурьмирование, силицирование, — только через 60—130 час. При этом коррозионно-усталостные трещины не образуются даже по истечении 500 час после начала эрозии.

Сочетание высокой коррозионно-усталостной стойкости алюминиевых бронз с химико-термической обработкой их поверхности, повышающей кавитационную стойкость поверхностного слоя, обеспечивает возможность изготовления ультразвуковых преобразователей для длительной работы в агрессивных средах и делает экономически целесообразным применение ультразвукового травления.

В связи с большим влиянием напряженного состояния на стойкость излучателей, повышение стойкости может быть достигнуто при максимальном снижении в них знакопеременных напряжений. В соответствии с этим в излучателях следует избегать резких переходов сечений, в частности не сверлить в них отверстий для крепления, так как вокруг них уровень знакопеременных напряжений возрастает.

Способ закрепления преобразователей в технологическом устройстве должен быть таким, чтобы не создавать в отдельных сечениях излучателя дополнительных напряжений.

Естественно, учет воздействия знакопеременных напряжений непосредственно на обрабатываемую деталь должен проводиться и при применении контактного метода очистки, когда излучателем становится сама деталь.

При высоком уровне знакопеременных напряжений может наблюдаться чисто усталостное разрушение материала излучателя или детали. В этом случае важно оценить максимальные значения напряжений, возникающих во всем объеме металла.

— амплитуда продольных смещений; х — расстояние исследуемой точки от свободного торца стержневой системы.

Что касается величины напряжений непосредственно на поверхности излучателя (детали), то для продольных колебаний она практически равна нулю (когда нагрузка — жидкость), а для изгибных колебаний равна нулю в среднем сечении и максимальна на поверхности.

Следует иметь в виду, что при изгибных колебаниях необходимо учитывать не только напряжения растяжения, но и напряжения сдвига.

— числовой коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения, равный для стержня и полосы 0,9; G — модуль сдвига; S — площадь поперечного сечения;

— угол наклона касательной к кривой изгиба при пренебрежении сдвигом.

Принимая зависимость поперечного смещения от координат равной

— балочные функции), можно получить для изгибающего момента и поперечной силы следующие выражения

Отсюда определяются выражения для растягивающих напряжений и напряжений сдвига, возникающих на поверхности изделия:

Расчетные данные, полученные по формулам (51) и (52), должны сопоставляться со значениями усталостной прочности материала [79 ]. В тех случаях, когда при этом сохраняется достаточный запас по усталостной прочности (1,5—2,5), можно рассчитывать на длительную работу материала без разрушения.