超声波清洗机的原理与应用

作者：苏新颜 王广奎

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 1 前言． 在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。 当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。 一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。 若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。 表1为几种清洗方法洗净效果比较。 图1为两种清洗方法洗净效果比较。 2超声波清洗的原理把液体故人清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图2曲线B 那样，并产生负的压力。 所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。 (1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。 (2)因空化现象产生如图3a所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图3b所示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。 (3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度1．32lLm，速度0．16m／s，加速度为2．04X104m／sz，(约为2删g的重力加速度)，声压为1．45X105Pa，这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到2万次的激烈冲击。 (4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。 超声清洗的主要原理是超声空化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。 既然空化是主要的，那么如何产生空化呢?一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素： (1)空化阂与工作频率fa有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。 (2)空化阂与介质中气泡半径有关，半径越小，空化阂越高。 (3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅射时间越长，空化阐越低。 （4）空化阂与环境静压力有关，静压力越 大，空化阂越高。 (5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。 (6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。 (7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60Y。 根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态，并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在1W／cm2—2W／cm2，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。3 超声波清洗的应用 超声波清洗设备一般可分为通用和专用两种机型。 3．1 通用超声波清洗机 超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W以下)清洗机用一体式结构，而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图4所示。 (1)清洗缸； (2)超声波发生器； (3)超声波换能器；清洗缸：清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器，大多数工件可先装在网状框架内，再一起放人缸内清洗。超声波发生器：超声清洗机用的超声波发生器，从使用的元器件种类可以分电子管式的，可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。其输出功率从几十瓦直到几千瓦，工作频率从15kHz—40kHzo 超声清洗机用的超声波发生器，有以下特点： (1)随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但是实践表明，槽内放进适量清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。 (2)一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。 (3)实用超声波发生器，大多数采用大功率自激式反馈振荡器。超声波换能器：超声波清洗机用的换能器主要有以下几种： ①磁致伸缩换能器 国内用的磁致伸缩换能器大多数是用镍片叠成的窗口型换能器，将它银焊在清洗缸底部，然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率，且可靠性好，使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低，原材料镍片价格贵。 ②压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。 这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在5—10mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。 通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。 2 专用超声波清洗机 一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。 图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下： ①进料：物件进料可采用半自动进料或 ②压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。 这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在5—10mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。 通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。 3．2 专用超声波清洗机一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。 图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下： ①进料：物件进料可采用半自动进料或 ⑧出料：物件出料可采用自动收料或手工收料方式，格被清洗物件装入包装盒内。 通过上述工序就完成了物件实现利用超声波清洗的全过程。 目前，还有一种超声汽相清洗机，它是选用有机溶剂作清洗液，具有极强的溶解污垢的能力，用于清洗半导体晶片等净治度要求特别高的物件。 江苏无锡市超声电子设备有限公司奶多年来已研制、开发、生产了如心、100巾、250w、500巾、1Lw、2Lw、5kv等系列通用超声波清洗机，产品广泛应用于全国各地的大中型企业，同时还按用户特殊要求研制、开发、生产了用于清洗软磁器件、精密轴承零件、锯片、汽车等零件的专用超声波清洗设备，在生产中发挥了良好的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/25/2004)