eng
Выпуск #4/2007
В.Томаль, В.Ланин.
Ультразвуковая очистка загрязнений с микрорельефных поверхностей оптоэлектронных изделий
Ультразвуковая очистка загрязнений с микрорельефных поверхностей оптоэлектронных изделий
Просмотры: 3156
Экологические проблемы, связанные с производством оптоэлектроники, вызвали повышенный интерес к процессам и устройствам ультразвуковой очистки электронных и оптоэлектронных изделий. Для удаления стойких загрязнений с микрорельефных поверхностей изделий необходимо создать направленные акустические течения в жидкой среде и обеспечить равномерность кавитационного поля в ультразвуковой ванне.
Экологические проблемы очистки
Анализ причин отказов изделий оптоэлектроники показывает, что четверть из них приходится на долю плохого качества очистки поверхностей [1]. Моющими веществами в электронике всегда были органические растворители. Ручная очистка приводила к значительному количеству брака, травматизму, выбросам паров растворителей в атмосферу и загрязнению окружающей среды. Хлорированные углеводороды токсичны, обладают канцерогенным и мутагенным воздействием, образуют смог и требуют утилизации отходов путем захоронения. Общеизвестен основной недостаток спиртов: их пожаро- и взрывоопасность. Хладоны разрушают озоновый слой и усиливают парниковый эффект.
Поэтому актуальна проблема создания новых безопасных моющих композиций, технологических процессов и оборудования для очистки таких изделий. Предпочтение отдается моющим композициям на основе экологически безопасных органических растворителей и водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных очищать микрорельефные поверхности от грязи.
Альтернативой органическим растворителям и хладонам является ультразвуковая (УЗ) очистка в водных растворах ПАВ. Воздействие УЗ-полей на жидкие среды вызывает в них процессы кавитации, а также макро- и микропотоки в объеме жидкости, прилегающей к излучаемой поверхности ванны. Захлопывание кавитационных газовых полостей сопровождается образованием ударных микроволн, давление в которых может достигать (1–5)⋅108 Па. Такие микроудары разрушают не только оксидные пленки и загрязнения на обрабатываемой поверхности изделий, но и в определенной степени изменяют морфологию поверхности [2]. Возникающие микро- и макропотоки способствуют удалению грязи и ускорению процесса очистки микрорельефной поверхности. Обусловленные кавитацией динамические и тепловые эффекты, возникновение микро- и макропотоков определяют интенсификацию процесса удаления загрязнений при сложном профиле поверхности изделий под действием УЗ-поля. Использование рабочих частот в диапазоне 80–120 кГц обеспечивает неразрушающую очистку и удаление частиц грязи размером до 1 мкм с микрорельефных поверхностей [3]. Развитие технологии УЗ-очистки и обезжиривания поверхностей изделий за последние десятилетия показало, что наиболее производительным является групповой метод обработки мелких изделий, уложенных в кассеты или корзины. Для обеспечения высокого качества изделий необходимо создать направленные акустические течения в жидкой среде и обеспечить равномерное распределение интенсивности УЗ-поля в объеме жидкости.
Процессы и установкиультразвуковой очистки
Ультразвуковые технологические системы для удаления грязи включают различные по конструкции ванны, которые используются для очистки как в непроточных средах на основе водных растворов ПАВ, так и в проточной воде или в органических растворителях. Ванны для очистки в непроточных и проточных моющих средах (рис.1) отличаются друг от друга тем, что последние оснащены переливным карманом или воронкой. Для повышения эффективности обмена моющей среды в рабочем объеме ванны подачу раствора необходимо осуществлять противотоком (как показано на рис.1а,б) слева, сверху и снизу ванны через ряд отверстий небольшого диаметра (3–6 мм). Верхний ряд отверстий должен быть затоплен на глубину h=8–15 мм. Такая конструкция ванны для очистки в проточной моющей среде будет обладать большой равномерностью распределения кавитационного давления, поскольку потоки моющей среды имеют практически ламинарный характер.
В верхней части ванны для очистки в органических растворителях происходит конденсация паров растворителя, поэтому уровень растворителя должен составлять 1/3 полной высоты ванны, а отношение ширины ванны к длине должно быть 1/3 или 1/2. Такой выбор соотношений обеспечивает минимальные потери растворителя при испарении.
Емкость ванн выбирается в зависимости от габаритов обрабатываемой детали или (при групповой очистке) от требуемой производительности установки и необходимого времени очистки в каждой ванне. Основное требование, которое необходимо выполнять для обеспечения равномерного воздействия УЗ-колебаний на объект очистки – кратность линейных размеров ванны в поперечном сечении половине длины волны колебаний, распространяющихся в моющей среде. Оптимальная высота уровня моющей среды должна быть кратна длине волны.
Обеспечить равномерное воздействие УЗ-поля в жидкости можно в основном двумя способами. Первый состоит в разработке ванн с равномерным полем излучения, создаваемым изгибно-колеблющейся диафрагмой, возбуждаемой системой распределенных магнитострикционных преобразователей, закрепленных попарно в пучностях изгибных колебаний или пьезокерамических преобразователей, укрепленных в определенном порядке на стенках ванны. Второй заключается в разработке специальных устройств, обеспечивающих равномерную очистку с неравномерным полем путем электрического или механического сканирования поля по поверхности изделий.
Разрушение поверхностных пленок грязи в жидкости происходит в результате кавитации и направленных акустических течений, причем основной вклад дает кавитация. В связи с этим обоснована необходимость равномерного распределения кавитационной области. Однако распределение кавитационных пузырьков в этой области в большинстве случаев неравномерно. В жидкой среде количество кавитационных пузырьков существенно превышает число их зародышей. Вокруг захлопывающегося пузырька идет процесс размножения зародышей, в результате чего появляются скопления пузырьков той или иной формы. Наличие таких скоплений существенно нарушает равномерность распределения пузырьков: в скоплениях число их велико, а в пространстве между скоплениями мало или даже равно нулю. Как правило, скопления возникают на границе раздела "жидкость – твердое тело", где всегда в достаточном количестве присутствуют кавитационные зародыши. Часто можно наблюдать скопления кавитационных пузырьков в виде макропотока, который исходит из одной точки. Причины образования скоплений такой формы пока не ясны, однако конфигурация макропотока существенно меняется при незначительном изменении рабочей частоты. Можно предположить, что макропотоки связаны с интерференционной структурой ближнего поля излучателя – фактором, сильно реагирующим на изменения частоты.
Следовательно, есть проблема получения равномерной кавитационной области в технологическом объеме ванны для очистки. Обычно в используемых конструкциях дном ванны служит излучающая диафрагма преобразователя ПМС-6-22. Неравномерность распределения акустического давления, создаваемая таким преобразователем, очень велика – до 50%. В центре ванны над диафрагмой давление имеет максимальное значение и уменьшается к краю мембраны. Иногда для обеспечения равномерности УЗ-поля на большой площади используют изгибно-колеблющуюся диафрагму, возбуждаемую системой распределенных магнитострикционных преобразователей, припаянных попарно в пучностях изгибных колебаний пластины. Такую конструкцию имеет преобразователь ПМС-38. Однако акустическое давление над такой системой также имеет максимумы и минимумы, а сборка и настройка этих систем чрезвычайно сложна.
Более перспективной является модульная система распределенных УЗ-преобразователей, установленных в шахматном порядке так, что если мысленно провести прямые через их центры, то образуется решетка треугольной структуры с длиной стороны, кратной nλ/√3, где n – целые числа 1, 2, 3...; λ – длина УЗ-волны в жидкой среде [4] (рис.2). Такое расположение преобразователей создает равномерное по площади поле при трехфазном возбуждении за счет суперпозиции УЗ-волн, излучаемых преобразователями, подключенными к разным каналам.
Расстояние между центрами в группе кратно длине λ распространяющихся в жидкости УЗ-волн. УЗ-преобразователи в каждой группе электрически соединены параллельно и подключены к соответствующим каналам А, В или С модульного УЗ-генератора (рис.3).
Канал представлен транзисторным автогенератором, работающим в ключевом режиме. Схема питания каждого канала двухполупериодная без фильтрации, за счет чего осуществляется амплитудная и частотная (100 Гц) модуляция выходного сигнала, который представлен суммой трех гармоник: с основной ω и боковыми частотами (ω±100 Гц).
Выпрямители блоков питания через понижающие трансформаторы подключены к соответствующим фазам трехфазной сети переменного тока, в результате чего сигналы на выходе каналов сдвинуты по фазе на 120°, а на преобразователи поступают группы импульсов УЗ-колебаний, сдвинутые по фазе на тот же угол (рис.4). Область наибольшего акустического давления, соответствующая максимальному напряжению на преобразователе, последовательно перемещается от преобразователя А к В и далее к С (или наоборот при изменении фаз каналов) в каждой группе. В результате возникают направленные макропотоки жидкости из зоны большего в зону меньшего акустического давления.
Так как движение областей происходит со сравнительно низкой частотой (100 Гц), то в жидкой и вязкой средах возникают вихревые макропотоки, которые вместе с микропотоками различной природы в УЗ-поле интенсифицируют процессы массопереноса и растворения, а значит и процесс очистки.
Питание пульсирующим напряжением, из-за нелинейности пьезоэлементов, приводит к эффекту периодического изменения (качания) частоты, что способствует усреднению ближнего поля в результате периодического изменения интерференционной картины. Полные входные сопротивления групп преобразователей образуют вместе с компенсирующими индуктивностями резонансные контуры, определяющие рабочую частоту соответствующих каналов генератора.
В связи с этим все изменения технологических условий (температуры и состава раствора, внесение кассеты с деталями в ванну) приводят к изменению полного входного сопротивления преобразователя, а значит, и к изменению частоты генерируемых колебаний. Правильный выбор рабочей точки позволяет обеспечить автоподстройку частоты.
Кавитационные поля в ультразвуковых ваннах
Для оценки интенсивности кавитации в жидких средах используют методы, основанные на сравнении параметров образцов до и после воздействия на них кавитации, на регистрации температурных полей или специальной обработке возникающих акустических сигналов [5].
С помощью тестовых образцов, закрепленных в определенном месте рабочего объема, можно количественно исследовать зависимость эрозии от свойств жидкости и параметров УЗ-поля, однако ошибка при этом достигает 25%, что объясняется неоднородностью кавитационной области и другими случайными факторами. Эта оценка облегчается, если в качестве образца используют алюминиевую фольгу толщиной 0,05 мм. Эрозионную активность оценивают по степени разрушения фольги в УЗ-ванне. Недостатки метода – длительность измерений и отсутствие непрерывного контроля процесса кавитации.
Кавитационное поле в жидкостях имеет сложный спектральный состав, вызванный акустическим излучением при захлопывании множества пузырьков. Он имеет вид широкополосного шума со спектром в полосе от нескольких сотен герц до сотен килогерц. На фоне сплошного спектра кавитационного шума наблюдаются отдельные дискретные компоненты, что является характерным признаком кавитации и используется для экспериментальной регистрации ее возникновения [6].
Спектральный анализ позволил выделить спектральные линии, соответствующие основной частоте воздействия и гармоникам колебаний полости. Помимо основной частоты и гармоник высоких частот nf0 (n=1, 2, 3, ...) в спектре содержатся серии субгармоник nf0|2, nf0|3, nf0|4. Во всем диапазоне имеет место "белый" шум, генерируемый кавитационными пузырьками различных размеров. Для его исследования в диапазоне 20 кГц–50 МГц использовался анализатор спектра С4-54. Анализ спектрограмм показал, что максимальный прирост в кавитационном спектре при увеличении излучаемой мощности дает сплошной шум, а также субгармоники. Наибольшая спектральная плотность кавитационного шума находится в полосе частот от 20-й до 40-й гармоники основной частоты УЗ-преобразователя (рис.5).
При настройке УЗ-ванны вначале оценивают амплитуду колебаний каждого УЗ-преобразователя с помощью контактного измерителя вибраций (рис.6а). Для оценки интенсивности кавитационного давления в жидкой среде измеряют квадратичную величину уровня шумов в диапазоне его наибольшей спектральной плотности с помощью кавитометра [3], состоящего из датчика, полосового фильтра, квадратичного детектора и регистрирующего прибора. Показания прибора имеют линейную зависимость от активной мощности в диапазоне 0–2 кВт.
Кавитометр (рис.6б) измеряет кавитационное давление от 5 до 5⋅104 Пa в диапазоне частот 18–60 кГц с точностью ±10 %. Давление в кавитационной области воспринимается плоским диском размером 1 см2, соединенным упругим волноводом с пьезоэлектрическим преобразователем. Электрический сигнал с преобразователя поступает на согласующий усилитель, расположенный в корпусе датчика. Полосовой фильтр позволяет выделить часть спектра сигнала, характерную для кавитационных импульсов. Далее сигнал детектируется и подается на стрелочный прибор. Показания прибора регистрируются через 1–2 с, когда процесс кавитации принимает устойчивый характер.
Были исследованы зависимости кавитационного давления от температуры среды и концентрации ПАВ в растворе.
С повышением температуры кавитационное давление уменьшается, поскольку повышается упругость пара в полостях и снижается их кинетическая энергия, что приводит к уменьшению интенсивности ударных волн (рис.7). Параллельно происходит образование новых, в основном заполненных паром, пузырьков, что приводит к расширению области кавитации и уменьшению неравномерности ее распределения.
Скорость уменьшения кавитационного давления при росте температуры моющей среды зависит от ее физико-химических свойств. Так, для чистой воды (кривые 1 и 2) скорость изменения меньше, чем для водных растворов ПАВ (кривые 3 и 4). ПАВ уменьшают силу поверхностного натяжения, что вызывает снижение порога кавитации, рост числа кавитационных пузырьков и, следовательно, повышение равномерности кавитационного поля. Однако уменьшение силы поверхностного натяжения приводит к уменьшению скорости захлопывания кавитационных пузырьков и к снижению микроударного действия кавитации. С ростом температуры влияние ПАВ растет (кривые 3 и 4).
Рост концентрации усиливает влияние ПАВ (рис.8), однако увеличивать ее выше 10% нецелесообразно ввиду трудности последующего удаления. Таким образом, измеряя кавитационное давление, можно устанавливать такие температурные режимы, при которых эффективность воздействия УЗ-колебаний и ПАВ будут оптимальными. Для УЗ-очистки оптимальная температура моющих сред на основе водных растворов ПАВ лежит в пределах 50–60°С при концентрации ПАВ 3–4%.
Оценивалась также неравномерность кавитационного поля в рабочем объеме УЗ-ванны с модульным расположением излучающих систем. Показателем неравномерности служило среднеквадратичное отклонение кавитационного давления по площади и глубине ванны. Площадь ванны разбивалась на участки, в пределах которых измерялось кавитационное давление в пяти точках – в центре и по углам. Измерения проводились в зоне очистки, а также на различных расстояниях от излучателя. Детали располагались перпендикулярно площади излучения. С удалением от излучателя величина кавитационного давления уменьшалась (рис.9).
Кассета с изделиями, помещенная в ванну, уменьшает величину кавитационного давления и снижает неравномерность кавитационного поля. Она составляет в среднем по площади 3–5% и по глубине 6–10%. Поскольку неравномерность поля по глубине больше, чем по площади, то предусмотрено устройство вертикального циклического перемещения кассеты с оптическими изделиями для усреднения воздействия УЗ-поля по глубине. Для поддержания необходимой температуры моющего раствора ванны оснащены трубчатыми электронагревательными элементами.
Автоматизированные линии ультразвуковой очистки
Разработанные ванны применены в механизированных и роботизированных линиях очистки: УП-1, РТКП-1, РТКП-3, РТКП-4, "Орфей", что позволило повысить производительность и улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ. Роботизированный технологический комплекс РТКП-1 (рис.10) имеет следующие особенности:
* набор унифицированных технологий очистки на основе водных растворов ПАВ с применением органических композиций;
* программную перенастройку основных и вспомогательных систем и возможность встраивания в гибкие производственные системы за счет автоматизации управления всеми системами комплекса;
* автоматическое приготовление моющих растворов, заправка и пополнение уровней в ваннах; фильтрацию, автоматическое поддержание нужной температуры воды, подаваемой в ванны;
* тонкую фильтрацию, подогрев и рециркуляцию воздуха для сушки.
Применение компьютеров позволило объединить функции аналитического контроля, обработки получаемой информации и управления процессом очистки. Особое внимание уделено удобству обслуживания оборудования и технике безопасности. Значительно сокращен обслуживающий персонал, устранен контакт рабочих с моющими растворами. Ликвидирована возможность аварий, связанных с взрыво- и пожароопасностью используемых растворителей, созданы системы регенерации и повторного использования отработанных водных моющих композиций.
Отличительной особенностью РТКП-3 является независимое перемещение при работающем механизме качания, что позволяет производить очистку в ваннах с разными составами и с различным временем. Комбинации модулей и легко переналаживаемая система управления роботом на микропроцессорной основе позволяют одновременно производить очистку поверхности изделий как из химически стойких, так и нестойких материалов.
Для очистки изделий малых серий разработана модульная автоматизированная линия "Орфей" с высокой производительностью и низким энергопотреблением при относительно малой емкости ванн и небольших габаритах. Сравнительные характеристики линий УЗ-очистки приведены в таблице.
Серийно выпускаемые автоматизированные линии очистки оптоэлектронных изделий позволили существенно повысить производительность и улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ.
Литература
1. Savage T. Ultrasonic cleaning in industry. – Wire Industry, 2005, No.6, p.424–426.
2. Fuchs F.J. The key to ultrasonic cavitations and implosion. – Precision Cleaning, 1995, No.3, p.13–17.
3. Ультразвуковые процессы в производстве изделий электронной техники / С.П.Кундас, В.Л.Ланин, М.Д.Тявловский, А.П.Достанко, В.С.Томаль. Т.2. – Минск: Бестпринт, 2003. – 224с.
4. Томаль В.С. Ультразвуковое оборудование для процессов удаления загрязнений с микрорельефных поверхностей электронно-оптических изделий. – Доклады БГУИР, 2006, №3, с.40–45.
5. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А.Аграната. – М.: Металлургия, 1984. – 503с.
6. Ilychev V.I., Koretz V.L., Melnicov N.P. Spectral characteristics of acoustic cavitation. – Ultrasonics, 1989, № 27, p.357–361.
Анализ причин отказов изделий оптоэлектроники показывает, что четверть из них приходится на долю плохого качества очистки поверхностей [1]. Моющими веществами в электронике всегда были органические растворители. Ручная очистка приводила к значительному количеству брака, травматизму, выбросам паров растворителей в атмосферу и загрязнению окружающей среды. Хлорированные углеводороды токсичны, обладают канцерогенным и мутагенным воздействием, образуют смог и требуют утилизации отходов путем захоронения. Общеизвестен основной недостаток спиртов: их пожаро- и взрывоопасность. Хладоны разрушают озоновый слой и усиливают парниковый эффект.
Поэтому актуальна проблема создания новых безопасных моющих композиций, технологических процессов и оборудования для очистки таких изделий. Предпочтение отдается моющим композициям на основе экологически безопасных органических растворителей и водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), способных очищать микрорельефные поверхности от грязи.
Альтернативой органическим растворителям и хладонам является ультразвуковая (УЗ) очистка в водных растворах ПАВ. Воздействие УЗ-полей на жидкие среды вызывает в них процессы кавитации, а также макро- и микропотоки в объеме жидкости, прилегающей к излучаемой поверхности ванны. Захлопывание кавитационных газовых полостей сопровождается образованием ударных микроволн, давление в которых может достигать (1–5)⋅108 Па. Такие микроудары разрушают не только оксидные пленки и загрязнения на обрабатываемой поверхности изделий, но и в определенной степени изменяют морфологию поверхности [2]. Возникающие микро- и макропотоки способствуют удалению грязи и ускорению процесса очистки микрорельефной поверхности. Обусловленные кавитацией динамические и тепловые эффекты, возникновение микро- и макропотоков определяют интенсификацию процесса удаления загрязнений при сложном профиле поверхности изделий под действием УЗ-поля. Использование рабочих частот в диапазоне 80–120 кГц обеспечивает неразрушающую очистку и удаление частиц грязи размером до 1 мкм с микрорельефных поверхностей [3]. Развитие технологии УЗ-очистки и обезжиривания поверхностей изделий за последние десятилетия показало, что наиболее производительным является групповой метод обработки мелких изделий, уложенных в кассеты или корзины. Для обеспечения высокого качества изделий необходимо создать направленные акустические течения в жидкой среде и обеспечить равномерное распределение интенсивности УЗ-поля в объеме жидкости.
Процессы и установкиультразвуковой очистки
Ультразвуковые технологические системы для удаления грязи включают различные по конструкции ванны, которые используются для очистки как в непроточных средах на основе водных растворов ПАВ, так и в проточной воде или в органических растворителях. Ванны для очистки в непроточных и проточных моющих средах (рис.1) отличаются друг от друга тем, что последние оснащены переливным карманом или воронкой. Для повышения эффективности обмена моющей среды в рабочем объеме ванны подачу раствора необходимо осуществлять противотоком (как показано на рис.1а,б) слева, сверху и снизу ванны через ряд отверстий небольшого диаметра (3–6 мм). Верхний ряд отверстий должен быть затоплен на глубину h=8–15 мм. Такая конструкция ванны для очистки в проточной моющей среде будет обладать большой равномерностью распределения кавитационного давления, поскольку потоки моющей среды имеют практически ламинарный характер.
В верхней части ванны для очистки в органических растворителях происходит конденсация паров растворителя, поэтому уровень растворителя должен составлять 1/3 полной высоты ванны, а отношение ширины ванны к длине должно быть 1/3 или 1/2. Такой выбор соотношений обеспечивает минимальные потери растворителя при испарении.
Емкость ванн выбирается в зависимости от габаритов обрабатываемой детали или (при групповой очистке) от требуемой производительности установки и необходимого времени очистки в каждой ванне. Основное требование, которое необходимо выполнять для обеспечения равномерного воздействия УЗ-колебаний на объект очистки – кратность линейных размеров ванны в поперечном сечении половине длины волны колебаний, распространяющихся в моющей среде. Оптимальная высота уровня моющей среды должна быть кратна длине волны.
Обеспечить равномерное воздействие УЗ-поля в жидкости можно в основном двумя способами. Первый состоит в разработке ванн с равномерным полем излучения, создаваемым изгибно-колеблющейся диафрагмой, возбуждаемой системой распределенных магнитострикционных преобразователей, закрепленных попарно в пучностях изгибных колебаний или пьезокерамических преобразователей, укрепленных в определенном порядке на стенках ванны. Второй заключается в разработке специальных устройств, обеспечивающих равномерную очистку с неравномерным полем путем электрического или механического сканирования поля по поверхности изделий.
Разрушение поверхностных пленок грязи в жидкости происходит в результате кавитации и направленных акустических течений, причем основной вклад дает кавитация. В связи с этим обоснована необходимость равномерного распределения кавитационной области. Однако распределение кавитационных пузырьков в этой области в большинстве случаев неравномерно. В жидкой среде количество кавитационных пузырьков существенно превышает число их зародышей. Вокруг захлопывающегося пузырька идет процесс размножения зародышей, в результате чего появляются скопления пузырьков той или иной формы. Наличие таких скоплений существенно нарушает равномерность распределения пузырьков: в скоплениях число их велико, а в пространстве между скоплениями мало или даже равно нулю. Как правило, скопления возникают на границе раздела "жидкость – твердое тело", где всегда в достаточном количестве присутствуют кавитационные зародыши. Часто можно наблюдать скопления кавитационных пузырьков в виде макропотока, который исходит из одной точки. Причины образования скоплений такой формы пока не ясны, однако конфигурация макропотока существенно меняется при незначительном изменении рабочей частоты. Можно предположить, что макропотоки связаны с интерференционной структурой ближнего поля излучателя – фактором, сильно реагирующим на изменения частоты.
Следовательно, есть проблема получения равномерной кавитационной области в технологическом объеме ванны для очистки. Обычно в используемых конструкциях дном ванны служит излучающая диафрагма преобразователя ПМС-6-22. Неравномерность распределения акустического давления, создаваемая таким преобразователем, очень велика – до 50%. В центре ванны над диафрагмой давление имеет максимальное значение и уменьшается к краю мембраны. Иногда для обеспечения равномерности УЗ-поля на большой площади используют изгибно-колеблющуюся диафрагму, возбуждаемую системой распределенных магнитострикционных преобразователей, припаянных попарно в пучностях изгибных колебаний пластины. Такую конструкцию имеет преобразователь ПМС-38. Однако акустическое давление над такой системой также имеет максимумы и минимумы, а сборка и настройка этих систем чрезвычайно сложна.
Более перспективной является модульная система распределенных УЗ-преобразователей, установленных в шахматном порядке так, что если мысленно провести прямые через их центры, то образуется решетка треугольной структуры с длиной стороны, кратной nλ/√3, где n – целые числа 1, 2, 3...; λ – длина УЗ-волны в жидкой среде [4] (рис.2). Такое расположение преобразователей создает равномерное по площади поле при трехфазном возбуждении за счет суперпозиции УЗ-волн, излучаемых преобразователями, подключенными к разным каналам.
Расстояние между центрами в группе кратно длине λ распространяющихся в жидкости УЗ-волн. УЗ-преобразователи в каждой группе электрически соединены параллельно и подключены к соответствующим каналам А, В или С модульного УЗ-генератора (рис.3).
Канал представлен транзисторным автогенератором, работающим в ключевом режиме. Схема питания каждого канала двухполупериодная без фильтрации, за счет чего осуществляется амплитудная и частотная (100 Гц) модуляция выходного сигнала, который представлен суммой трех гармоник: с основной ω и боковыми частотами (ω±100 Гц).
Выпрямители блоков питания через понижающие трансформаторы подключены к соответствующим фазам трехфазной сети переменного тока, в результате чего сигналы на выходе каналов сдвинуты по фазе на 120°, а на преобразователи поступают группы импульсов УЗ-колебаний, сдвинутые по фазе на тот же угол (рис.4). Область наибольшего акустического давления, соответствующая максимальному напряжению на преобразователе, последовательно перемещается от преобразователя А к В и далее к С (или наоборот при изменении фаз каналов) в каждой группе. В результате возникают направленные макропотоки жидкости из зоны большего в зону меньшего акустического давления.
Так как движение областей происходит со сравнительно низкой частотой (100 Гц), то в жидкой и вязкой средах возникают вихревые макропотоки, которые вместе с микропотоками различной природы в УЗ-поле интенсифицируют процессы массопереноса и растворения, а значит и процесс очистки.
Питание пульсирующим напряжением, из-за нелинейности пьезоэлементов, приводит к эффекту периодического изменения (качания) частоты, что способствует усреднению ближнего поля в результате периодического изменения интерференционной картины. Полные входные сопротивления групп преобразователей образуют вместе с компенсирующими индуктивностями резонансные контуры, определяющие рабочую частоту соответствующих каналов генератора.
В связи с этим все изменения технологических условий (температуры и состава раствора, внесение кассеты с деталями в ванну) приводят к изменению полного входного сопротивления преобразователя, а значит, и к изменению частоты генерируемых колебаний. Правильный выбор рабочей точки позволяет обеспечить автоподстройку частоты.
Кавитационные поля в ультразвуковых ваннах
Для оценки интенсивности кавитации в жидких средах используют методы, основанные на сравнении параметров образцов до и после воздействия на них кавитации, на регистрации температурных полей или специальной обработке возникающих акустических сигналов [5].
С помощью тестовых образцов, закрепленных в определенном месте рабочего объема, можно количественно исследовать зависимость эрозии от свойств жидкости и параметров УЗ-поля, однако ошибка при этом достигает 25%, что объясняется неоднородностью кавитационной области и другими случайными факторами. Эта оценка облегчается, если в качестве образца используют алюминиевую фольгу толщиной 0,05 мм. Эрозионную активность оценивают по степени разрушения фольги в УЗ-ванне. Недостатки метода – длительность измерений и отсутствие непрерывного контроля процесса кавитации.
Кавитационное поле в жидкостях имеет сложный спектральный состав, вызванный акустическим излучением при захлопывании множества пузырьков. Он имеет вид широкополосного шума со спектром в полосе от нескольких сотен герц до сотен килогерц. На фоне сплошного спектра кавитационного шума наблюдаются отдельные дискретные компоненты, что является характерным признаком кавитации и используется для экспериментальной регистрации ее возникновения [6].
Спектральный анализ позволил выделить спектральные линии, соответствующие основной частоте воздействия и гармоникам колебаний полости. Помимо основной частоты и гармоник высоких частот nf0 (n=1, 2, 3, ...) в спектре содержатся серии субгармоник nf0|2, nf0|3, nf0|4. Во всем диапазоне имеет место "белый" шум, генерируемый кавитационными пузырьками различных размеров. Для его исследования в диапазоне 20 кГц–50 МГц использовался анализатор спектра С4-54. Анализ спектрограмм показал, что максимальный прирост в кавитационном спектре при увеличении излучаемой мощности дает сплошной шум, а также субгармоники. Наибольшая спектральная плотность кавитационного шума находится в полосе частот от 20-й до 40-й гармоники основной частоты УЗ-преобразователя (рис.5).
При настройке УЗ-ванны вначале оценивают амплитуду колебаний каждого УЗ-преобразователя с помощью контактного измерителя вибраций (рис.6а). Для оценки интенсивности кавитационного давления в жидкой среде измеряют квадратичную величину уровня шумов в диапазоне его наибольшей спектральной плотности с помощью кавитометра [3], состоящего из датчика, полосового фильтра, квадратичного детектора и регистрирующего прибора. Показания прибора имеют линейную зависимость от активной мощности в диапазоне 0–2 кВт.
Кавитометр (рис.6б) измеряет кавитационное давление от 5 до 5⋅104 Пa в диапазоне частот 18–60 кГц с точностью ±10 %. Давление в кавитационной области воспринимается плоским диском размером 1 см2, соединенным упругим волноводом с пьезоэлектрическим преобразователем. Электрический сигнал с преобразователя поступает на согласующий усилитель, расположенный в корпусе датчика. Полосовой фильтр позволяет выделить часть спектра сигнала, характерную для кавитационных импульсов. Далее сигнал детектируется и подается на стрелочный прибор. Показания прибора регистрируются через 1–2 с, когда процесс кавитации принимает устойчивый характер.
Были исследованы зависимости кавитационного давления от температуры среды и концентрации ПАВ в растворе.
С повышением температуры кавитационное давление уменьшается, поскольку повышается упругость пара в полостях и снижается их кинетическая энергия, что приводит к уменьшению интенсивности ударных волн (рис.7). Параллельно происходит образование новых, в основном заполненных паром, пузырьков, что приводит к расширению области кавитации и уменьшению неравномерности ее распределения.
Скорость уменьшения кавитационного давления при росте температуры моющей среды зависит от ее физико-химических свойств. Так, для чистой воды (кривые 1 и 2) скорость изменения меньше, чем для водных растворов ПАВ (кривые 3 и 4). ПАВ уменьшают силу поверхностного натяжения, что вызывает снижение порога кавитации, рост числа кавитационных пузырьков и, следовательно, повышение равномерности кавитационного поля. Однако уменьшение силы поверхностного натяжения приводит к уменьшению скорости захлопывания кавитационных пузырьков и к снижению микроударного действия кавитации. С ростом температуры влияние ПАВ растет (кривые 3 и 4).
Рост концентрации усиливает влияние ПАВ (рис.8), однако увеличивать ее выше 10% нецелесообразно ввиду трудности последующего удаления. Таким образом, измеряя кавитационное давление, можно устанавливать такие температурные режимы, при которых эффективность воздействия УЗ-колебаний и ПАВ будут оптимальными. Для УЗ-очистки оптимальная температура моющих сред на основе водных растворов ПАВ лежит в пределах 50–60°С при концентрации ПАВ 3–4%.
Оценивалась также неравномерность кавитационного поля в рабочем объеме УЗ-ванны с модульным расположением излучающих систем. Показателем неравномерности служило среднеквадратичное отклонение кавитационного давления по площади и глубине ванны. Площадь ванны разбивалась на участки, в пределах которых измерялось кавитационное давление в пяти точках – в центре и по углам. Измерения проводились в зоне очистки, а также на различных расстояниях от излучателя. Детали располагались перпендикулярно площади излучения. С удалением от излучателя величина кавитационного давления уменьшалась (рис.9).
Кассета с изделиями, помещенная в ванну, уменьшает величину кавитационного давления и снижает неравномерность кавитационного поля. Она составляет в среднем по площади 3–5% и по глубине 6–10%. Поскольку неравномерность поля по глубине больше, чем по площади, то предусмотрено устройство вертикального циклического перемещения кассеты с оптическими изделиями для усреднения воздействия УЗ-поля по глубине. Для поддержания необходимой температуры моющего раствора ванны оснащены трубчатыми электронагревательными элементами.
Автоматизированные линии ультразвуковой очистки
Разработанные ванны применены в механизированных и роботизированных линиях очистки: УП-1, РТКП-1, РТКП-3, РТКП-4, "Орфей", что позволило повысить производительность и улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ. Роботизированный технологический комплекс РТКП-1 (рис.10) имеет следующие особенности:
* набор унифицированных технологий очистки на основе водных растворов ПАВ с применением органических композиций;
* программную перенастройку основных и вспомогательных систем и возможность встраивания в гибкие производственные системы за счет автоматизации управления всеми системами комплекса;
* автоматическое приготовление моющих растворов, заправка и пополнение уровней в ваннах; фильтрацию, автоматическое поддержание нужной температуры воды, подаваемой в ванны;
* тонкую фильтрацию, подогрев и рециркуляцию воздуха для сушки.
Применение компьютеров позволило объединить функции аналитического контроля, обработки получаемой информации и управления процессом очистки. Особое внимание уделено удобству обслуживания оборудования и технике безопасности. Значительно сокращен обслуживающий персонал, устранен контакт рабочих с моющими растворами. Ликвидирована возможность аварий, связанных с взрыво- и пожароопасностью используемых растворителей, созданы системы регенерации и повторного использования отработанных водных моющих композиций.
Отличительной особенностью РТКП-3 является независимое перемещение при работающем механизме качания, что позволяет производить очистку в ваннах с разными составами и с различным временем. Комбинации модулей и легко переналаживаемая система управления роботом на микропроцессорной основе позволяют одновременно производить очистку поверхности изделий как из химически стойких, так и нестойких материалов.
Для очистки изделий малых серий разработана модульная автоматизированная линия "Орфей" с высокой производительностью и низким энергопотреблением при относительно малой емкости ванн и небольших габаритах. Сравнительные характеристики линий УЗ-очистки приведены в таблице.
Серийно выпускаемые автоматизированные линии очистки оптоэлектронных изделий позволили существенно повысить производительность и улучшить условия труда, снизить потери и исключить применение пожароопасных веществ.
Литература
1. Savage T. Ultrasonic cleaning in industry. – Wire Industry, 2005, No.6, p.424–426.
2. Fuchs F.J. The key to ultrasonic cavitations and implosion. – Precision Cleaning, 1995, No.3, p.13–17.
3. Ультразвуковые процессы в производстве изделий электронной техники / С.П.Кундас, В.Л.Ланин, М.Д.Тявловский, А.П.Достанко, В.С.Томаль. Т.2. – Минск: Бестпринт, 2003. – 224с.
4. Томаль В.С. Ультразвуковое оборудование для процессов удаления загрязнений с микрорельефных поверхностей электронно-оптических изделий. – Доклады БГУИР, 2006, №3, с.40–45.
5. Ультразвуковая технология / Под ред. Б.А.Аграната. – М.: Металлургия, 1984. – 503с.
6. Ilychev V.I., Koretz V.L., Melnicov N.P. Spectral characteristics of acoustic cavitation. – Ultrasonics, 1989, № 27, p.357–361.
Отзывы читателей
