超聲波清洗機原理詳解

1 前言．

在市場經(jīng)濟的環(huán)境下，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，將采用清洗工藝來提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

當前在一些工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，應(yīng)用超聲波清洗是一種洗凈效果好，價格經(jīng)濟，有利于環(huán)保的清洗工藝。超聲波清洗機可以應(yīng)用于清洗各式各樣體形大小，形狀復(fù)雜，清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鐘表零件、照相機零件、油咀油泵、汽車發(fā)動機零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環(huán)、銑刀、鋸片、寶石、注射器及各種光學鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導(dǎo)體晶片及器件、顯象管內(nèi)的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類產(chǎn)品。
一種物件的清洗可以根據(jù)其污垢的性質(zhì)，采用機械物理力清洗的方法或化學力清洗的方法，還可以用各種組合方法來進行清洗。
若是用自來水或凈水為清洗液的超聲波清洗屬物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗滌劑，則屬于組合清洗，對不同的清洗對象選用不同的洗滌劑，更具有明顯的清洗效果。
超聲波清洗機原理詳解

2 超聲波清洗的原理

把液體混入清洗槽內(nèi)，給槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，介質(zhì)的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點進行觀察，這點的壓力如圖2曲線A所示。以靜壓(一般一個大氣壓)為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增強超聲波的強度，則壓力振幅也隨著增加，像圖2曲線B那樣，并產(chǎn)生負的壓力。

所謂負壓，但實際上負的壓力是不存在的，這是在液體中產(chǎn)生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動，當聲壓達到超聲波清洗一定值 時，氣泡將迅猛增長，然后又突然閉合，在氣泡閉合時，由于液體間相互碰撞產(chǎn)生強大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓的壓力。這也就是所說 的“超聲空化"。超聲清洗就是利用了空化作用的沖擊波，其清洗過程中由下列四個因素作用所引起。
(1)因空泡破滅時產(chǎn)生強大的沖擊波，污垢層在沖擊波的作用下被剝離下來，即分散及脫落。
(2)因空化現(xiàn)象產(chǎn)生如圖3a所示的氣泡。由沖擊形成的污垢層與表面之間的間隙和空隙滲透，由于這種小氣泡與聲壓同步膨脹，收縮，產(chǎn)生像剝皮那樣的物理力重復(fù)作 用于污垢層，污垢一層層被剝開，如圖3b所示，小氣泡再繼續(xù)向前推進，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應(yīng)。

(3)超聲清洗中 清洗液的超聲振動本身對清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超聲波在清洗液中傳播時，它將引起質(zhì)點的振動，位移幅度1．32lLm，速度0． 16m／s，加速度為2．04X104m／sz，(約為2刪g的重力加速度)，聲壓為1．45X105Pa，這表明清洗物表面的污垢層每秒將遭到2萬次的激烈沖擊。
(4)清洗劑也溶解了污垢，產(chǎn)生乳化分散的化學力。

超聲清洗的主要原理是超聲空化作用，要獲得良好的清洗效果，合理選擇清洗槽中聲場的聲學參數(shù)和清洗液的物理化學性質(zhì)是十分重要的。

既然空化是主要的，那么如何產(chǎn)生空化呢?一般來說，空化不僅由介質(zhì)特性決定，而且也與聲場有關(guān)。空化閡的高低受到許多因素制約，主要有如下幾個因素：

(1) 空化閡與工作頻率fa有關(guān)。頻率越高，空化閡值越高，產(chǎn)生空化越難。氣泡在聲場的作用下將進行振動，但不一定發(fā)生崩潰(破滅)，只有當聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可能使氣泡破滅，而當聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時，氣泡只進行復(fù)雜的振動，一般不發(fā)生氣泡破滅。
(2)空化閡與介質(zhì)中氣泡半徑有關(guān)，半徑越小，空化閡越高。
(3)空化閡與聲波作用時間長短有關(guān)，聲波幅射時間越長，空化閡越低。

(4)空化閡與環(huán)境靜壓力有關(guān)，靜壓力越大，空化閡越高。
(5)空化閡與介質(zhì)的粘滯性有關(guān)，粘度大，表面張力大，空化閡高。
(6)空化閡與液體含氣量有關(guān)，含氣量越少，空化閡越高。
(7)空化閡與清洗液溫度有關(guān)，清洗液溫度升高，對空化有利。但清洗液溫度過高時，氣泡中蒸氣壓增大，因在氣泡閉合期增強了緩沖作用而使空化減弱。而溫度還與清洗液的溶解度有關(guān)。對于水清洗液較適宜的溫度約為60℃。

根據(jù)超聲清洗的機理我們可選擇*狀態(tài)，并得到*的清洗效果。還應(yīng)注意選擇*的聲強。聲強過高會產(chǎn)生大量氣泡，在聲波表面形成一道屏障，使聲波不易輻射到整個液體空間，因而在遠離聲源的地方，清洗作用減弱。同時過高的聲強，氣泡膨脹過大，以至于在聲波壓縮相內(nèi)，氣泡來不及閉合。聲強一般選在1W／cm2—2W／cm2，對于一些金屬表面氧化膜難于清洗的污垢，則應(yīng)采用較高的聲強。超聲波清洗機原理詳解

3 超聲波清洗的應(yīng)用

超聲波清洗設(shè)備一般可分為通用和兩種機型。

3．1 通用超聲波清洗機

超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開布局兩種形式，一般小功率(200W以下)清洗機用一體式結(jié)構(gòu)，而大功率清洗機采用分體式結(jié)構(gòu)。超聲波清洗機分體式結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成，如圖4所示。

(1)清洗缸；
清洗缸：清洗缸是用來裝載清洗液及被清洗工件的不銹鋼容器，大多數(shù)工件可先裝在網(wǎng)狀框架內(nèi)，再一起放人缸內(nèi)清洗。
(2)超聲波發(fā)生器；
超聲波發(fā)生器：超聲清洗機用的超聲波發(fā)生器，從使用的元器件種類可以分電子管式的，可控硅式的和晶體管式的。近幾年來已經(jīng)發(fā)展到用大功率“功率模塊"的方 式。其輸出功率從幾十瓦直到幾千瓦，工作頻率從15kHz—40kHz。
(3) 超聲波換能器；

超聲清洗機用的超聲波發(fā)生器，有以下特點：
(1)隨著清洗液深度不同，換能器共振頻率和阻抗變化很大。但是實踐表明，槽內(nèi)放進適量清洗物后，基本上就可以穩(wěn)定在某一定數(shù)值上。
(2)一般來說，由于清洗負載變動較小，可以不要求復(fù)雜的頻率自動跟蹤電路。
(3)實用超聲波發(fā)生器，大多數(shù)采用大功率自激式反饋振蕩器。

超聲波換能器：超聲波清洗機用的換能器主要有以下幾種：
①磁致伸縮換能器

國內(nèi)用的磁致伸縮換能器大多數(shù)是用鎳片疊成的窗口型換能器，將它銀焊在清洗缸底部，然后用導(dǎo)線在窗口上繞一定卷數(shù)而成。此種換能器能承受較大功率，且可靠性好，使用壽命長。缺點為效率較壓電換能器低，原材料鎳片價格貴。
②壓電式換能器

這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一臺清洗機用多個換能器，經(jīng)粘接劑粘接在清洗缸底部且經(jīng)并聯(lián)聯(lián)接組成一臺清洗機的換能器。換能器基元之間距(對于頻率20kHz)一般在5—10mm為佳，太大了容易產(chǎn)生彎曲振動，且振動板受到腐蝕，同時輻射面相對減少。
通用超聲清洗機清洗零件適用性強，已廣泛應(yīng)用于電子、鐘表、光學、機械、汽車、航空、原子能工業(yè)、醫(yī)療器械等許多行業(yè)。

3．2 超聲波清洗機

一般安裝在某些特定物件清洗的生產(chǎn)流水線上。
圖6為典型的軟磁器件超聲波清洗設(shè)備，被清洗物件從進料口可傳動的不銹鋼網(wǎng)帶送入超聲波清洗槽清洗，再經(jīng)噴淋、烘干等工序后出料，實現(xiàn)被清洗物件可直接包裝入庫。各工序簡要說明如下：

①進料：物件進料可采用半自動進料或

⑧出料：物件出料可采用自動收料或手工收料方式，格被清洗物件裝入包裝盒內(nèi)。
通過上述工序就完成了物件實現(xiàn)利用超聲波清洗的全過程。

目前，還有一種超聲汽相清洗機，它是選用有機溶劑作清洗液，具有*的溶解污垢的能力，用于清洗半導(dǎo)體晶片等潔凈度要求特別高的物件。

杭州聚同電子有限公司多年來已研制、開發(fā)、生產(chǎn)了多系列通用超聲波清洗機，產(chǎn)品廣 泛應(yīng)用于全國各地的大中型企業(yè)，同時還按用戶特殊要求研制、開發(fā)、生產(chǎn)了用于清洗軟磁器件、精密軸承零件、鋸片、汽車等零件的超聲波清洗設(shè)備，在生產(chǎn) 中發(fā)揮了良好的作用

參考資料：杭州聚同電子有限公司