Ультразвук в науке и технике. УЗ сварка. УЗ очистка. Применение акустических волн для увеличения нефтедобычи презентация

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.

Ультразвук в науке и технике

УЗ

соприкосновения
f - частота колебаний от 10 до 100 кГц
ξ - амплитуда колебаний
Txsinωt - переменная сила со стороны сонотрода ω=2πf
Нормальные σz и тангенциальные τх напряжения

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

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.

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.

колебаний наконечника, t - время сварки

Мощность УЗ сварки

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 кГц, t=0,1-0,2 c, затрачиваемая электрическая мощность W=20-50 Вт.

Сварка медной фольги толщиной 0,2 мм в режиме f=20 кГц, N=900 Н, ξ=7 мкм осуществляется за время 0,3-0,5 с при затрачиваемой мощности W=1,2 кВт

Медные листы толщиной 1 мм соединяются при N=4400 Н, ξ=13-15 мкм, f=20 кГц за время 1,2-1,3 с при W=4 кВт

колебаний наконечника, t - время сварки

Мощность УЗ сварки

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 кГц, t=0,1-0,2 c, затрачиваемая электрическая мощность W=20-50 Вт.

Сварка медной фольги толщиной 0,2 мм в режиме f=20 кГц, N=900 Н, ξ=7 мкм осуществляется за время 0,3-0,5 с при затрачиваемой мощности W=1,2 кВт

Медные листы толщиной 1 мм соединяются при N=4400 Н, ξ=13-15 мкм, f=20 кГц за время 1,2-1,3 с при W=4 кВт

(или деталей), колеблется с УЗ частотой f=20-100 кГц. 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 1мкм- 1мм.

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

раствор вводятся УЗ колебания

излучения

звукокапиллярный эффект.

На краях пленки загрязнения пульсирующие пузырьки, совершая интенсивные колебания, преодолевают силы сцепления пленки с поверхностью, проникают под пленку и отслаивают ее. Захлопывающиеся кавитационные пузырьки создают микроударное воздействие на поверхность

Способствуют проникновению моющего раствора в микропоры

очистки: 0,5-10 Вт/см2

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

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

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 кВт/м2 и частотой от 20 Гц до 4,5 МГц показали, что сдвиговая вязкость после воздействия снижается на 20-30%,

энциклопедия, 1979. — 400 с., илл.
Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Мир физики и техники. Применения ультразвука. М.: Техносфера, 2006. - 579 с.
Кузнецов О.Л., Симкин Э.М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействий на нефтегазовые пласты. М.: Мир, 2001. - 260 с.