Ультразвуковая обработка
Ультразвукова'я обрабо'тка, воздействие ультразвука (обычно с частотой 15—50 кгц ) на вещества в технологических процессах. Для У. о. применяют технологические аппараты с электроакустическими излучателями либо аппараты в виде свистков и сирен . Основной элемент излучателя — электроакустический преобразователь (магнитострикционный или пьезоэлектрический) — соединён с согласующим устройством, которое осуществляет передачу акустической энергии от преобразователя в обрабатываемую среду, а также создаёт заданные техническими условиями размеры излучающей поверхности и интенсивность ультразвукового поля. В качестве согласующих устройств используют, как правило, волноводные концентраторы акустические — расширяющиеся (обычно при У. о. жидкостей) или сужающиеся (обычно при У. о. твёрдых веществ), резонансные (настроенные на определённую частоту) или нерезонансные пластины. Согласующее устройство, кроме того, может одновременно выполнять функции режущего или какого-либо др. инструмента (например, при сверлении, сварке, пайке). Иногда применяют преобразователи, работающие без согласующего устройства (например, кольцевые преобразователи, встроенные в трубопровод).
У. о. твёрдых веществ используется в основном для сварки металлов, пластмасс и синтетических тканей (см. Ультразвуковая сварка ), при резании металлов, стекла, керамики, алмаза и т.п. (например, сверлении, точении, гравировании), а также при обработке металлов давлением (волочении, штамповке, прессовании и др.).
Резание на ультразвуковых станках обеспечивает высокую точность, позволяет получать не только прямые круглые отверстия, но и вырезы сложных сечений, криволинейные каналы. Ультразвук, подведённый к инструменту обычного металлорежущего станка (например, сверлу, резцу), интенсифицирует обработку и улучшает дробление стружки (см. Вибрационное резание ). При обработке металлов давлением ультразвуковые колебания улучшают условия деформирования и снижают необходимые усилия. При ультразвуковом поверхностном упрочнении повышаются микротвёрдость и износостойкость, снижается шероховатость поверхности. Во всех этих процессах ультразвук обычно подводят с помощью волноводного концентратора к рабочим органам машин (например, к сверлу, валкам прокатного стана, штампу пресса, фильере).
У. о. в жидкостях (жидкостей) основана главным образом на возникновении кавитации . Некоторые эффекты кавитации (гидравлические удары при захлопывании пузырьков и микропотоки, возникающие в жидкости около пузырьков) используются при пайке и лужении, диспергировании, очистке деталей и т.д. Другие эффекты (разогрев паров внутри пузырька и их ионизация) используются для инициирования и ускорения химических реакций. Иногда для интенсификации У. о. процесс ведут при повышенном давлении.
При пайке и лужении металлов, например алюминия, титана, молибдена, ультразвук разрушает окисные плёнки на поверхности деталей и облегчает течение процесса. С использованием ультразвука можно лудить, а затем паять керамику, стекло и др. неметаллические материалы. Ультразвук подводят волноводным концентратором к припою, помещенному в ванну или нанесённому на поверхность детали.
Очистка ультразвуком поверхностей деталей от металлической пыли, стружки, нагаров, жировых и др. загрязнений обеспечивает более высокое, чем др. способы, качество — остаётся не более 0,5% загрязнений. Некоторые детали, имеющие сложную форму и труднодоступные места, можно очистить только при У. о. Очистку обычно осуществляют в ваннах со встроенными электроакустическими излучателями; в рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. Для снятия заусенцев с деталей в жидкость вводят абразивные частицы, которые в несколько раз ускоряют обработку (см. Вибрационная обработка ).
Дегазацию (освобождение от газов) жидкостей осуществляют при малой (обычно ниже порога кавитации) интенсивности ультразвука. Мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются (см. Коагуляция ) и всплывают на поверхность. Дегазации подвергают расплавы оптических стекол, жидкие алюминиевые сплавы (см. Газы в металлах) и др. жидкости. У. о. используют при обогащении (флотации ) руд — газовые пузырьки оседают на поверхностях частичек минералов и всплывают вместе с ними.
У. о. оказывает благоприятное влияние на процесс кристаллизации расплавов металлов при литье, что существенно улучшает структуру слитка и его механические свойства.
Для образования эмульсий обычно используют ультразвуковые аппараты в виде свистков или сирен. Приготовление суспензий в основном ведут в аппаратах с магнитострикционными преобразователями , работающими при повышенном давлении (см. Диспергирование ).
Образование аэрозолей происходит при У. о. жидкости в тонком слое с помощью волноводного концентратора, который представляет собой распылительную насадку.
При У. о. хорошо деполимеризуются в растворах высокомолекулярные соединения. Это свойство используется, например, при синтезе различных блок- и привитых сополимеров, для получения из природных полимеров ценных низкомолекулярных веществ (см. Механохимия полимеров ).
У. о. ускоряет многие массообменные процессы (растворение, экстрагирование, пропитку пористых тел и т.п.), ход которых ограничивается скоростью диффузии. Действие высоких температур внутри кавитационных пузырьков, уменьшение толщины пограничного слоя и его турбулизация интенсифицируют также протекающие совместно химические и массообменные процессы (например, хемосорбцию ).
У. о. в газах (газов) вызывает коагуляцию аэрозолей и пыли (укрупнение и осаждение взвешенных в газах мелких частиц) и применяется, например, в акустическом пылеуловителе .
При возбуждении ультразвука в нагретом газе (сушильном агенте) интенсифицируется сушка пористых тел — ускоряется испарение со свободной поверхности жидкости, в капиллярах возникают акустические течения и т.п. Ультразвуковая сушка обычно применяется совместно с др. видами сушки, например инфракрасной, высокочастотной; в качестве источников ультразвука используют сирены.
У. о. — один из наиболее обширных разделов электрофизических и электрохимических методов обработки . Дальнейшее её развитие в основном связано с увеличением мощностей и рабочих объёмов ультразвуковых аппаратов, а также с детальным изучением физических и физико-химических процессов, протекающих в ультразвуковом поле. Расширяется область практического использования У. о., например в пищевой промышленности для осветления вин и ликёров; в фармацевтической— для стерилизации и приготовления различных препаратов и т.д.
Лит.: Физика и техника мощного ультразвука, [кн. 3], М., 1970; Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Хорбенко И. Г., Ультразвук в машиностроении, М., 1974.
С. Л. Пешковский.
Ультразвуковая сварка
Ультразвукова'я сва'рка, способ сварки с применением ультразвука для сообщения колебаний инструменту, прижимаемому к поверхностям свариваемых материалов. Сварка металлов происходит в твёрдой фазе (без расплавления). Металл разогревается до 200—600 °С в результате действия сил трения между инструментом и металлом. Колебания инструмента способствуют очистке поверхностей, поэтому шов получается хорошего качества. Этим способом соединяют отдельными точками или непрерывным швом главным образом листовые металлы (Al, Ti, Cu), некоторые сплавы, пластмассы. Толщина листов 0,1—2 мм. Время сварки точки 0,1—5,0 сек при силе прижатия инструмента 20—200 кгс (0,2—2 кн ).
При сварке деталей разной толщины одна должна быть тонкой (не более 1 мм ), вторая может иметь сколь угодно большую толщину. К оборудованию для У. с. относятся: высокочастотный ламповый генератор мощностью 0,5—5 квт, магнитострикционный преобразователь с сердечником, длина которого может изменяться. Сердечник соединён с волноводным концентратором акустическим , несущим рабочий инструмент с наконечником из твёрдого сплава. У. с. находит применение главным образом в радиотехнической, электронной, электротехнической промышленности.
Лит.: Силин Л. Л., Баландин Г. Ф., Коган М. Г., Ультразвуковая сварка, М., 1962, а также при ст. Ультразвуковая обработка .
