Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2 частях. Ч. 2. Электротехнологические установки. Учебное пособие.pdf
41
Рис. 3.5. Схема установки для ультразвуковой сварки металлов
Процесс ультразвуковой сварки ведётся при нормальной температуре. Соединяемые поверхности 4 и 5, установленные на основании 6,
сжимаются при относительно небольшом давлении и подвергаются
колебательному сдвигу одна относительно другой с ультразвуковой
частотой (15…30 кГц) и очень малой (микрометры) амплитудой перемещения. Поперечные сдвиговые колебания в зоне контакта соединяемых поверхностей вызывают пластические деформации микрообъёмов, дробление хрупких оксидных плёнок на трущихся поверхностях и образование общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые элементы. Пластические деформации должны быть ограничены
областью их контакта, а не связаны со значительными пластическими
течениями, иначе качество сварки ухудшается. Существенное значение имеет диффузионный процесс; свариваемость двух материалов
устанавливают из фазовой диаграммы: они свариваются при полной
или ограниченной растворимости в твёрдом состоянии. Для сварки
нерастворимых материалов вводят промежуточный слой металла, обладающего растворимостью в каждом из соединяемых материалов.
Необходимым условием УЗС термопластичных пластмасс является
способность материала переходить при нагреве в это состояние.
42
УЗС применима практически для всех металлов и сплавов,
используемых в промышленности. Лучше всего свариваются пластические металлы с близкими значениями предела текучести. С помощью ультразвука легко соединяются тугоплавкие и активные металлы
(молибден, цирконий и его сплавы, титан, ниобий, тантал), некоторые
марки нержавеющих сталей, сварка которых иными методами затруднена. Удовлетворительные результаты получены при сварке меди
с алюминием, алюминированного железа с алюминированным железом и др. Особенно целесообразно применять УЗС для металлов с низким удельным электрическим сопротивлением и высоким коэффициентом теплопроводимости (серебра, алюминия, меди и др.), электросварка которых затруднена.
Достоинства ультразвуковой сварки:
1) можно соединять неметаллические материалы, например пла-
стические и спечённые материалы, исключается перегрев пластмасс
по толщине (в отличие от сварки токами высокой частоты);
2) статические усилия намного меньше усилий, применяемых
при холодной сварке; деформации по сечению образцов очень малы и
составляют всего 5…10% вместо 60…80% – при сварке давлением.
Поэтому УЗС можно соединять детали малой толщины с деталями
любой большой толщины и разнородные металлы;
3) между свариваемыми деталями нет электрических напря-
жений;
4) при сварке ультразвуком не требуется второй электрод, так
как сварка выполняется односторонним способом.
К промышленности УЗС применяют для приварки к полупроводниковым приборам проволочных (диаметром от 10 мкм) и ленточных
(толщиной 70…100 мкм) выводов из золота, алюминия и других мате-
43
риалов; сварки проводников термопар железо – константан с Al, Cn,
Tl, сталью; приварки выводов из анодированной алюминиевой прово-
локи к фольге в производстве электролитических конденсаторов;
соединение никелевых сеток щелочных аккумуляторов с никелевыми
выводами; сварки алюминиевого сплава с нержавеющей сталью;
ультразвуковой сварки полимеров (корпусы микродвигателей, реле
аккумуляторов, магнитофонов, кассет и т.п.); сварки полипропиленовых и полиамидных плёнок; соединения деталей из полистирола и т.п.
Ультразвуковой сваркой в основном выполняют соединения
металлов внахлестку, а также точечную, шовную, стыковую, прессовую сварку. Повышение температуры в зоне сварки способствует пластическому течению металла, поэтому при наличии дополнительного
нагрева можно получить более прочное соединение.
Мощность ультразвукового генератора определяет пределы свариваемых толщин. Режим работы в основном непрерывный. Для удобства эксплуатации генератор выполнен отдельным блоком; его устанавливают на некотором удалении от источника питания.
Требования к генераторам для УЗС определяются условиями
работы связанных колебательных систем, резко выраженной зависимостью их полного сопротивления от частоты. Для таких систем работа автогенератора по обычной схеме с индуктивной обратной связью
характеризуется бигармоническим режимом, что приводит к нестабильной работе генератора на частоте преобразователя и к скачкообразному изменению частоты. Практически такой автогенератор,
вследствие реакции нагрузки, не может работать на частоте механического резонанса преобразователя, что приводит к резкому уменьшению амплитуды смещения на конце инструмента и, следовательно,
к ухудшению качества сварки. Поэтому применяются генераторы
44
по схеме с акустической обратной связью, в которой резко ослабляется
реакция/нагрузки на генератор и появляется возможность стабильной
работы с преобразователями, имеющими острую резонансную характеристику при настройке их на частоту механического резонанса или
в непосредственной близости от неё.
Ультразвуковая пайка основана на механическом разрушении и
удалении интенсивными ультразвуковыми колебаниями оксидной
плёнки. Установка для пайки состоит из ультразвукового генератора
мощностью 50…300 Вт с частотой 18…25 кГц и паяльника. Паяльник
нагревается обычным нагревательным элементом.
Для снижения влияния нагрева на работу преобразователя
последний выполняют из пермендюра, так как этот сплав имеет высокую точку Кюри.
Упругие колебания магнитострикционного преобразователя через
акустический трансформатор, изготовленный из материала с низкой
теплопроводностью, передаются к головке паяльника.
В настоящее время ультразвук широко применяется для интенсификации разнообразных технологических процессов.
Воздействие ультразвука на процессы диспергирования. Применение в процессе диспергирования упругих колебаний звукового и
ультразвукового диапазона частот создаёт условия, при которых получают необходимую дисперсность вещества, ускоряют его диспергирование, обеспечивая возможность обработки таких материалов, которые
трудно поддаются воздействию обычных методов.
Сейчас с помощью ультразвука можно получить водные эмульсии
(масла, бензола, керосина, толуола и др.); эмульсии ртути в воде,
скипидаре, керосине, глицерине и т.д. Иногда смешивают жидкие
(расплавленные) металлы или какие-либо расплавы, которые в обычных условиях не смешиваются.
45
Ультразвуковая эмульсификация является следствием кавитации,
которая возникает раньше всего и больше всего на граничных поверх-
ностях в местах, где энергия разрыва относительно низка (на граничных поверхностях между двумя жидкостями или между жидкостью и
твёрдым материалом). Кроме кавитации, на образование эмульсий
благоприятно влияют турбулентные течения жидкости, возникающие
под действием сильных ультразвуковых полей.
Диспергирование твёрдых материалов в жидкостях широко распространено в самых разнообразных технологических процессах,
таких как получение суспензий, диспергирование при электролизе, при
очистке деталей из металла, стекла и др. Частично это используется
при удалении накипи в котлах и других теплообменных аппаратах.
Дробление твёрдых материалов в жидкостях можно осуществить
различными способами. Однако, применяя обычные методы дисперги-
рования (металлические щетки для снятия твёрдых плёнок, шаровые
или роликовые мельницы для измельчения суспензий), не всегда уда-
ётся получить желаемый результат. Например, на мельницах обычного
типа получаются частицы размером около десятой доли миллиметра,
т.е. сравнительно крупные, а в промышленности все чаще требуются
материалы, частицы которых измеряются микрометрами и долями
микрометра.
Диспергирование в процессах электролиза и гальваностегии. Под
воздействием ультразвука в процессах электролиза свежеобразован-
ный металл или другое вещество отрывается от электрода и дисперги-
руется в жидкости или осаждается на катоде. Таким способом были
получены мелкозернистые дисперсии платины, золота, серебра, ртути,
меди, кадмия, олова, никеля, хрома, железа, алюминия и др.
46
Осадки меди на вибрирующем катоде из сернокислой ванны
с применением ультразвука более мелкозернистые, а сцепление
с основой более прочное, чем без применения ультразвука. Твёрдость
осадков меди на 40% выше полученных в обычных условиях, сопротивление разрыву – повышенное.
Введение ультразвука в процесс хромирования также повышает
выход металла по току и улучшает механические свойства хромового
осадка (растёт его твёрдость и сопротивление разрыву).
Изучение влияния ультразвука на процесс получения тонких
электролитических осадков меди, свинца, олова, кобальта, никеля
показало, что ультразвук значительно выравнивает концентрацию
ионов электролита у электродов; при осаждении никеля и олова
уменьшается поляризация. Ультразвук полностью дегазирует весь
объём электролита и содействует энергичному удалению пузырьков газа
с поверхности электродов, устраняет образующуюся в процессе электролиза неравномерность концентрации электролита и позволяет
получить более блестящие, светлые, ровные и плотные осадки меди,
никели, кобальта и свинца.
Выпускают ванны для гальванического осаждения металлов
со встроенными в них ультразвуковыми устройствами. Излучатель
располагают снизу ванны между анодными электродами так, чтобы
излучающая поверхность была направлена к катоду-объекту.
И обычных условиях (без ультразвука) максимальная плотность
тока равна 1…2 А/м2; при включении ультразвукового излучателя –
10…20 А/м2. Для гальванического покрытия с помощью ультразвука
используют специальные установки.
Влияние ультразвука на физико-химические свойства расплавленных металлов. При воздействии ультразвука на металлический рас-
47
плав изменяются его основные физико-химические свойства: вязкость,
поверхностное натяжение на границе раздела расплав–форма или
расплав–твёрдая фаза и температура. Эти изменения определяют предкристаллизационное состояние расплава, а также условия дегазации
рафинирования и образования структуры во время кристаллизации.
Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и
во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникающие в расплаве звуковые потоки вызывают
интенсивное перемешивание расплава, выравнивание температуры и
интенсификацию конвективной диффузии.
Физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при
естественной и вынужденной конвекции заключается в проникновении
акустических потоков в пограничный слой и ламинарный подслой, что
приводит к деформации, турбулизации и перемешиванию этих слоёв.
В результате этого в несколько раз (примерно в 4 раза) увеличивается
и коэффициент теплоотдачи, и скорость теплообмена.
3.3. ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЕ УСТАНОВКИ
Технологическое применение физико-химического действия тока
в производстве базируется в основном на следующих процессах и
методах, изучаемых физической химией: электролизе, электрокоагуляции, электроосмосе, электродиализе.
Электролиз – это совокупность окислительно-восстановительных
процессов, происходящих на электродах, погруженных в электролит,
при прохождении через него постоянного электрического тока. Основные области применения электролиза – получение различных веществ
и нанесение покрытий.
48
Электрокоагуляция – очистка водной системы от взвешенных
мельчайших частиц примесей путём введения в неё коагулянтов
(химических веществ, переводящих взвешенные частицы в осадок).
Очистка сточных вод: Анодное растворение Al или Fe с образованием
хлопьев гидроксида Al(OH)3 или Fe(OH)3, которые нерастворимы и
поглощают хлопья вещества в воде.
Электроосмос – движение жидкости через капилляр или пори-
стую диафрагму при наложении внешнего электрического поля. Данное явление было открыто в 1807 г. русским химиком Ф. Ф. Рейсом и
заключается в том, что на границе контакта двух фаз (твёрдой и жид-
кой) за счёт перераспределения электрических зарядов образуется
двойной электрический слой, который можно представить как конден-
сатор с расстоянием между обкладками в несколько молекулярных
слоёв. Если вдоль границы контакта приложить разность потенциалов
от внешнего источника, то заряженный слой жидкости под действием
внешнего поля будет стремиться переместиться в сторону противопо-
ложного по знаку поля. Таким образом, возникает движение жидкостей под действием электрического поля относительно твёрдой фазы.
Электродиализ – перенос ионов под действием электрического
поля через ионоселективные мембраны, изготовленные из специаль-
ных ионообменных материалов, содержащие высокую концентрацию
неподвижных ионов. Основная область применения электродиализа –
опреснение воды.
Технологии электрохимических производств рассматривает про-
цессы, в которых основные реакции протекают при непосредственном
переходе электрической энергии в химическую (без промежуточного
превращения в тепло). Схема электродиализа представлена не рис. 3.6.
49
Рис. 3.6. Схема электродиализа
Технико-экономические преимущества электрохимических методов определяются тем, что с их помощью можно в относительно простых технологических схемах получить достаточно чистые продукты.
Недостатки – необходимо расходовать дорогой вид энергии (энергию
постоянного тока) и производить затраты на создание источников её
получения.
Электрохимический метод используется для получения гидрометаллургическим способом таких металлов, как медь, никель, цинк,
кобальт, кадмий, марганец, хром, железо, серебро, золото, а также для
получения металлических порошков. Электролизом расплавленных
сред получают алюминий, магний, щелочные и щёлочноземельные
металлы (натрий, кальций), бериллий, редкие и редкоземельные
металлы, а также элементарный фтор.
Электрохимические методы нашли применение для получения
водорода и кислорода, хлора, едкого натра и едкого калия, кислородных соединений хлора, для синтеза неорганических веществ с получением таких продуктов, как надсерная кислота и её соли (используемые
для получения перекиси водорода), пероксидные соединения (пербораты и др.), перманганаты, двуоксид марганца, красная кровяная
соль, гемиоксид меди и др. Начинают применять электрохимические
методы синтеза органических веществ.
50
Электрохимические методы широко используются в гальванотехнике, в частности для меднения, никелирования, хромирования и нанесения других покрытий. Развивается применение этих методов
в машиностроении для размерной обработки изделий (сверления,
резания, точной сложно-профильной обработки и пр.).
Наиболее общими и точными количественными законами электрохимии являются законы Фарадея. Однако в большинстве случаев
электрохимическому изменению подвергается меньшее количество
данного вещества, чем следует из законов Фарадея, так как попутно
основной идут параллельные и вторичные реакции. Количество электричества, которое приходится на долю данной электродной реакции,
характеризуют выходом по току:
n
i
i
Q
Q
B
, (3.18)
или в процентах:
,100
n
i
i
Q
Q
B
(3.19)
где Q – количество электричества, расходуемое на данную реакцию;
n
i
i
Q
– общее количество прошедшего электричества.
Практически важен выход по току на основную реакцию, который характеризует совершенство процесса.
Скорость реакции в электрохимии определяют через плотность
тока на границе поверхности электрода с электролитом. Расчётную
плотность тока определяют, деля его значение на геометрическую
площадь электрода. Истинная плотность тока определяется не геомет-