Ультразвук в науке и технике

Ультразвук в науке и технике Лекция 1. УЗ Сварка 2. УЗ Очистка 3. Применение акустических волн для увеличения нефтедобычи профессор Коробов А. И. , ст. науч. сотр. Одина Н. И. , науч. сотр. Ширгина Н. В. Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра акустики 2016 г.

Ультразвуковая сварка – способ соединения различных материалов в твердом состоянии с помощью УЗ 2

Параметры УЗ сварки металлов N – сила, нормальная к поверхности соприкосновения. f - частота колебаний от 10 до 100 к. Гц ξ - амплитуда колебаний Txsinωt - переменная сила со стороны сонотрода ω=2πf Нормальные σz и тангенциальные τх напряжения 3

Параметры УЗ сварки металлов Tx=µN µ - коэффициент трения N=S σs - предел текучести S- площадь отпечатка наконечника Чтобы обеспечить однородное напряженное состояние в зоне сварки, необходимо выполнение условия a≥ 3δ, где a – радиус наконечника, δ – толщина детали 4

Процессы при УЗ сварке Tx> µN в области сварки имеют место процессы, связанные с сухим трением скольжения: происходит схватывание соприкасающихся вершин естественных микронеровностей соединяемых поверхностей и затем типичное для сухого трения разрушение вблизи узла схватывания. Tx≤ µN Вершины соприкасающихся микронеровностей деформируются в отсутствии скольжения, и процессы, характерные для сухого трения скольжения, не имеют места. Под действием напряжений σz и τx происходит лишь пластическое растекание вершин контактирующих микронеровностей, сближение соединяемых поверхностей и затем диффузионное «сращивание» зерен металла обеих деталей. 5

Типы акустических волн, применяемых для УЗ сварки - Продольные - Изгибные - Крутильные В состав колебательной системы входят резонансный магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь и УЗ концентратор со сварочным наконечником. Длина опоры в сварочных установках с изгибными и крутильными колебаниями выбирается близкой к нечетному числу λ/4 , где λ – длина волны выбранной моды изгибных (крутильных) колебаний в материале опоры. 6

Мощность УЗ сварки Мощность: W= Тх ξ’cos φ Энергия: E=Wt N - сила, ξ - амплитуда колебаний наконечника, t - время сварки Примеры Алюминиевый проводник диаметром 25 мкм с пленкой алюминия толщиной 1 мкм, нанесенной на кремниевую подложку: N=0, 3 -0, 4 Н, ξ=2 -5 мкм, f = 60 к. Гц, t=0, 1 -0, 2 c, затрачиваемая электрическая мощность W=20 -50 Вт. Сварка медной фольги толщиной 0, 2 мм в режиме f=20 к. Гц, N=900 Н, ξ=7 мкм осуществляется за время 0, 3 -0, 5 с при затрачиваемой мощности W=1, 2 к. Вт Медные листы толщиной 1 мм соединяются при N=4400 Н, ξ=13 -15 мкм, f=20 к. Гц за время 1, 2 -1, 3 с при W=4 к. Вт 7

Мощность УЗ сварки Мощность: W= Тх ξ’cos φ Энергия: E=Wt N - сила, ξ - амплитуда колебаний наконечника, t - время сварки Примеры Алюминиевый проводник диаметром 25 мкм с пленкой алюминия толщиной 1 мкм, нанесенной на кремниевую подложку: N=0, 3 -0, 4 Н, ξ=2 -5 мкм, f = 60 к. Гц, t=0, 1 -0, 2 c, затрачиваемая электрическая мощность W=20 -50 Вт. Сварка медной фольги толщиной 0, 2 мм в режиме f=20 к. Гц, N=900 Н, ξ=7 мкм осуществляется за время 0, 3 -0, 5 с при затрачиваемой мощности W=1, 2 к. Вт Медные листы толщиной 1 мм соединяются при N=4400 Н, ξ=13 -15 мкм, f=20 к. Гц за время 1, 2 -1, 3 с при W=4 к. Вт 8

Сварка полимерных материалов Наконечник, прижатый с силой N к поверхности соединяемых листов (или деталей), колеблется с УЗ частотой f=20 -100 к. Гц. Направление колебаний обычно совпадает с направлением действия силы N и перпендикулярно поверхности соприкосновения листов. t ~0, 1 - 5 -10 с N ~ 10 -100 Н ξ ~ 25 -70 мкм Обычно прочность соединений составляет 50 -70% прочности соединяемого материала. Толщины соединяемых материалов 1 мкм- 1 мм. Хорошо свариваются: органическое стекло, полистирол, полиамиды, полиэтилентерефталат 10 -40 мкм, полиэтилен 0, 3 -10 мм, ткани из полиамидов (капрон), лавсан 0, 2 -0, 3 мм 9

Преимущества и недостатки УЗ сварки (ultrasonic welding) 10

Ультразвуковая очистка - способ очистки поверхности твердых тел, при котором в моющий раствор вводятся УЗ колебания 11

Механизм УЗ очистки На краях пленки загрязнения пульсирующие Явления, обусловливающие процесс пузырьки, совершая интенсивные колебания, . очистки: преодолевают силы сцепления пленки с поверхностью, проникают под пленку и - Кавитация отслаивают ее. Захлопывающиеся кавитационные пузырьки создают микроударное воздействие на - акустические течения поверхность - давление звукового излучения Способствуют проникновению моющего - звукокапиллярный эффект. раствора в микропоры 12

Параметры УЗ очистки Диапазон частот - 18 - 44 к. Гц Интервал интенсивностей УЗ очистки: 0, 5 -10 Вт/см 2 Достоинства УЗ очистки - Повышенная скорость очистки в воде и в растворителе - Низкие затраты - Меньшее требуемое пространство - Возможность применения для очистки опасных веществ - Высокий уровень безопасности - Отсутствие загрязнения окружающей среды - Высокие качественные результаты 13

Применение акустических волн для повышения нефтедобычи Вибрационные и акустические методы могут быть предназначены для решения следующих задач: - повышение продуктивности эксплуатационных и нагнетательных скважин, в которых применение традиционных методов оказалось технически невозможным и малоэффективным - увеличение нефтегазоотдачи из обводненных малопродуктивных пластов 14

Эффективность применения упругих колебаний для нефтедобычи - вытеснение нефти водой в поле колебаний. Пульсации скорости и давления с масштабом порядка радиуса пор могут вызвать односторонне направленные течения, со скоростями, значительно превышающими скорости фильтрации - под действием упругих колебаний интенсивностью от 8 до 100 к. Вт/м 2 и частотой от 20 Гц до 4, 5 МГц показали, что сдвиговая вязкость после воздействия снижается на 20 -30%, 15

Литература по теме 1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия под ред. Голяминой И. П. М. : Советская энциклопедия, 1979. — 400 с. , илл. 2. Балдев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами. Мир физики и техники. Применения ультразвука. М. : Техносфера, 2006. - 579 с. 3. Кузнецов О. Л. , Симкин Э. М. , Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействий на нефтегазовые пласты. М. : Мир, 2001. - 260 с. 16