超声波清洗.pdf

超声波清洗的主要参数 超声波清洗的主要参数 频率 20KHz 清洗介质 采用超声波清洗 一般两类清洗剂 化学溶剂 水基清洗剂等 清洗介质的化学作用 可以加速超声波清洗效果 超声波清洗是物理作用 两种作用相结 合 以对物件进行充分 彻底的清洗 功率密度 功率密度 发射功率 W 发射面积 cm2 通常 0 3W cm2 超声波的功 率密度越高 空化效果越强 速度越快 清洗效果越好 但对于精密的 表面光洁度甚高的物件 采用长时间的高功率密度清洗会对物件表面产生 空化 腐蚀 超声波频率 超声波频率越低 在液体中产生的空化越容易 产生的力度大 作用也越强 适用于工件 粗 脏 初洗 频率高则超声波方向性强 适用于精细的物件清洗 清洗温度 一般来说 超声波在 30 40 时的空化效果最好 清洗剂则温度越高 作用 越显著 通常实际应用超声波时 采用 50 70 的工作温度 一 一 概述概述 目前 国外技术先进的发达国家把超声波清洗技术已应用到了各个领域及各个行业 这都 是因为超声波清洗具有速度快 效率高 对环境污染小等诸多的特点 而我国现在也正在逐步推 广超声波清洗这一革命化的技术 实验室作为一个特殊机构 超声波清洗几乎可以应用到实验室 里的每一个领域 用来取代原有的原始化 繁杂化的清洗过程 出于实验室设备的维护需要 超 声波清洗机必将成为实验室不可或缺的一种装备 二 超声波清洗技术在实验室的应用二 超声波清洗技术在实验室的应用 实验室设备在使用时免不了被尘埃 污垢吸附和污染 设备的维护上肯定离不开清洗工作 而库房中的装备也需定期清洗保养 这同样也能发挥超声波清洗这一无可比拟的方式 具体超声 清洗所涉及的应用范围大致上可分为以下几个方面 生化仪器 生化仪器容易受到尘埃 油脂 油垢 研磨粉 锈 氧化膜的污染 用人 工清洗劳动强度大 时间长 而采用超声清洗就可以很好解决以上问题 各种电子设备 电子设备长时间使用后 很容易在集成块的连脚间 元器件出脚间和 印制电路板上吸附尘埃 而一些接插连件上 也容易被油污 尘埃污染 或是形成一层氧化膜 这些情况对电子设备的正常使用肯定会留下较大的隐性故障 而导致电子设备的损坏 超声波清 洗机则可简洁 方便地清洗掉这些污染 以保证设备的完好使用 机械设备 机械设备的范围很广 如数控机床所用的传动设备以及各种类型的零部件 等 这些设备或是零部件如果被尘垢 油脂 油垢 研磨粉 锈 氧化膜所污染 光靠手工清洗 肯定不可能清洗干净 而超声波清洗可以说是无孔不入 可以把每一个微小的孔 缝隙都能彻底 清洗干净 各种加工件的表面去污处理 医用器具的清洗 药剂的均匀混合 厨房设备的清洗 三 超声波清洗机的原理三 超声波清洗机的原理 什么是超声波 波可以分为三种 即次声波 声波 超声波 次声波的频率为 以下 声波的频率为 超声波的频率则为 以上 其中的次声 波和超声波一般人耳是听不到的 超声波由于频率高 波长短 因而传播的方向性好 穿透能力 强 这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因 超声波如何完成清洗工作 超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用 加速度作用及直进流作用对液体和污物直 接 间接的作用 使污物层被分散 乳化 剥离而达到清洗目的 目前所用的超声波清洗机中 空化作用和直进流作用应用得更多 空化作用 空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频 变换方式向液体进行透射 在减压力作用时 液体中产生真空核群泡的现象 在压缩力作用时 真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力 由此剥离被清洗物表面的污垢 从而达到精密洗净 目的 在超声波清洗过程中 肉眼能看见的泡并不是真空核群泡 而是空气气泡 它能对空化作用产生 抑制作用从而降低清洗效率 只有液体中的空气气泡被完全脱走 空化作用的真空核群泡才能达 到最佳效果 直进流作用 超声波在液体中沿声的传播方向而产生流动的现象称为直进流 声波 强度在 时 肉眼能看到直进流 垂直于振动面产生流动 流速约为 通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌 污垢表面的清洗液也产生对流 溶解污物 的溶解液与新液混合 使溶解速度加快 对污物的搬运起着很大的作用 加速度 液体粒子推动产生的加速度 对于频率较高的超声波清洗机 空化作用就 很不显著了 这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗 超声波清洗机的构成 超声波清洗机主要由超声波清洗槽和超声波发生器两部分构成 超声波清洗槽采用坚固 弹性好 耐腐蚀的优质不锈钢制成 底部安装有超声波换能器振子 超 声波发生器产生高频高压 通过电缆连接线传导给换能器 换能器与振动板一起产生高频共振 从而使清洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净 四 超声波清洗机的正常使用四 超声波清洗机的正常使用 使用 超声波清洗机的使用应严格按以下要求分部骤操作 连接好清洗槽与发生器之间的电缆 将清洗液倒入清洗槽中 倒入清洗液的 量就为放入被清洗物时 液面的位置约为整体的四分之三为佳 将被清洗物放入清洗槽 插上电源插头 设立清洗时间 开机 注意事项 在清洗槽中没有倒入清洗液或水时 严禁开机 否则可能损坏仪器 电缆连 接器在使用前必需确立连接头是否受潮 如有受潮现象 应先处理干燥后 方可使用 勿 使清洗液及水流到发生器中 以免损坏仪器 使超声波清洗效果最佳的方式 超声波清洗槽的温度最好为 根据不同的清洗对象正确选择清 洗剂 清洗剂一般分为水基 碱性 清洗剂 有机溶剂清洗剂和化学反应清洗剂 通常使用最多 的为水基清洗剂 根据被清洗物的污染程度和污垢性质 选用不同的清洗时间 超声波清洗机的清洗剂循环使用和超声波清洗方式可以节约大量的清洗剂 每次使用 完清洗机后 最好将清洗液放入容器中 下次使用时再倒入清洗槽 余下的沉淀物可处理掉 如 清洗液的浓度不够时 适量加入一点即可重复使用 五 超声波清洗机技术指标 五 超声波清洗机技术指标 电源 超声功率 频率 超声清洗设备根据清洗对象和生产规模的要求 其组成和结构差别很大 可以是复杂 庞 大的设备 也可以是非常简单的结构 这里着重探讨由超声频电源 换能器和清洗槽组成超声波 清洗设备的核心部分的质量问题 1 1 超声换能器结构的选择超声换能器结构的选择 在低超声频段 20 100KHz 目前工业上绝大多数是采用单螺钉夹紧的夹心式压电换能 器 复合换能器 结构上的差别主要在于辐射体 与不锈钢板粘接的铝块 的形状 一种是锥体喇 叭 另一种直棒形状 喇叭状换能器的声辐射效率比棒状换能器高 即同样的输入电功率 在清洗槽中得到较大 的声功率 而消耗在换能器上的电功率较少 因而换能器的发热也低 当输入换能器的电功率相同时 由于喇叭辐射面的面积比棒状换能器大 所以辐射面的声 强较低 与其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小 清洗槽 或浸入式换能器 的寿命延长 所以在 一般情况下采用喇叭状换能器较好 为进一步提高声辐射效率 展宽频带 我国研制出一种半穿 孔结构的宽频带超声清洗换能器 这种换能器尤其在较高频段 40KHz 以上 其优点更为突出 因为它可以削弱横向振动 所带来的不良影响由于频带较宽 也有利于扫频清洗 在某些场合 例如清洗较深螺孔时 宜采用高辐射声强的换能器 此时换能器的辐射体常 具有尖削聚焦形状 以提高辐射面的声强 这种换能器一般不是粘结在清洗槽上 而是直接插入 液体中进行清洗 1 2 换能器在清洗槽中的分布及粘结问题换能器在清洗槽中的分布及粘结问题 目前有些超声清洗机商品 粘在清洗槽底或壁上的换能器分布过密 一个紧挨一个的排列 输入换能器的电功率强度达到每平方厘米 2 3 瓦 这样高的强度一方面会加快不锈钢板表面 与 清洗液接触的表面 的空化腐蚀 缩短使用寿命 另一方面由于声强过高 会在钢板表面附近产 生大量较大的气泡 增加声传播损 在远离换能器的地方削弱清洗作用 一般选用功率强度每平 方厘米低于 1 5 瓦为宜 按粘有换能器的钢板面积计算 如果清洗槽较深 除槽底粘有换能器 外 在槽壁上也应考虑粘结换能器 换能器与清洗槽的粘结质量对超声清洗机整机的质量影响很大 不但要粘牢 而且要求胶 层均匀 不缺胶和不允许有裂缝 使超声能量最大限度地向清洗液中传输 以提高整机效率和清 洗效果 目前有些清洗设备为避免换能器从清洗槽上掉下来 采取螺钉加粘胶的固定方式 这种 连接方式虽然换能器不会掉下来 但是存在许多隐患 如果螺钉焊接质量差 例如不垂直于不锈 钢板表面 则胶层不均匀 甚至有裂痕或缺胶 能量传输会削弱 另一方面 如果焊接不好也会 影响不锈钢表面的平整 导致加速空化腐蚀 缩短使用寿命 判断粘结质量的方法之一 是在清洗槽装水并开机工作一段时间后 测量换能器的温升 如果在众多的换能器中某个换能器温升特别快 则表明该换能器可能粘结不好 因为此时声辐射 不好 电能量大部分消耗在换能器上而发热 另一个方法是在小信号条件下逐个测量换能器的电 阻抗大小来判别粘结质量 目前在超声波清洗机的性能方面还存在一些模糊的认识 认为功率越大 换能器数目越多 其性能越好 价值越高 甚至以此论价 这种认识是不全面的 如上述 换能器布得过密 功率 密度过大 不但清洗效果不好 而且槽底易空化腐蚀 另一方面 目前超声波清洗机商品所标的 功率大多是电功率而不是声功率 如果所标是指消耗工频功率 则超声波清洗机质量的优劣应该 由效率来判断 如果效率低 在同样清洗效果时则耗电大 反而增加了用户的费用 超声清洗机 的效率包括两部分 一是超声频电源的效率 即输入换能器的高频电功率与消耗工频电功率之百 分比 另一部分是电声转换效率 即进入清洗液中的声功率与输入换能器的电功率之百分比 目 前我国在工业生产中还没有一种简便的方法和设备来测量电声转换效率 各厂家所标的超声波清 洗机的功率是含糊不清的 亟需有行业的统一标准 1 3 影响超声清洗效果的因素影响超声清洗效果的因素 超声清洗的主要机理是超声空化作用 超声空化的强弱与声学参数 清洗液的物理化学性 质及环境条件有关 所以要得到良好的清洗效果 必须选择适当的声学参数和清洗液 1 4 声强或声压的选择声强或声压的选择 在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压 而负压要超过液体的强 度才能产生空化 使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈 各种液体具有不同的空化 阈值 在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化 对于一般液体 空化阈值约为 每平方厘米 1 3 瓦 声压的千方正比于声强 声强增加时 空化泡的最大半径与起始半径的比 值增大 空化强度增大 即声强愈高 空化愈强烈 有利于清洗作用 但不是声功率越大越好 声强过高 会产生大量无用的气泡 增加散射衰减 形成声屏障 同时声强增大也会增加非线性 衰减 这样都会削弱远离声源地方的清洗效果 对于一些难清洗干净的污物 例如金属表面的氧 化物 化纤喷丝板孔中污物的清洗 则需要采用较高的声强 此时被清洗面应贴近声源 这时大 多不采用槽式清洗器 而用棒状聚焦式换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗 1 5 频率的选择频率的选择 超声空化阈值和超声波的频率有密切关系 频率越高 空化阈越高 换句话说 频率越高 在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大 频率低 空化容易产生 同时在低频情况下 液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔 使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸 增高空化 强度 有利于清洗作用 目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象 大致分为三个频段 低频 超声清洗 20 一 50KHz 高频超声清洗 50 200KHz 和兆赫超声清洗 700KHz 一 1MHz 以 上 低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合 频率的低端 空化强度高 易腐蚀清洗件表面 不适宜清洗表面光洁度高的部件 而且空化噪声大 40KHz 左右的频率 在相同声强下 产生的空化泡数量比频率为 20KHz 时多 穿透力较强 宜清洗表 面形状复杂或有盲孔的工件 空化噪声较小 但空化强度较低 适合清洗污物与被清洗件表面结 合力较弱的场合 高频超声清洗适用于计算机 微电子元件的精细清洗 如磁盘 驱动器 读写 头 液晶玻璃及平面显示器 微组件和抛光金属件等的清洗 这些清洗对象要求在清洗过程中不 能受到空化腐蚀 要能洗掉微米级的污物 兆赫超声清洗适用于集成电路芯片 硅片及簿膜等的 清洗 能去除微米 亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤 因为此时不产生空化 其清洗机 理主要是声压梯度 粒子速度和声流的作用 特点是清洗方向性强 被清洗件一般置于与声束平 行的方向 1 6 清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响 清洗剂的选择要从两个方面来考虑 一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗 剂 另一方面要选择表面张力 蒸气压及枯度合适的清洗剂 因为这些特性与超声空化强弱有关 液体的表面张力大则不容易产生空化 但是当声强超过空化阈值时 空化泡崩溃释放的能量也大 有利于清洗 高蒸气压的液体会降低空化强度 而液体的粘滞度大也不容易产生空化 因此蒸气 压高和粘度大的洁洗剂都不利于超声清洗 此外 清洗液的温度和静压力都对清洗效果有影响 清洗液温度升高时 空化核增加 对空化的产生有利 但是温度过高 气泡中的蒸气压增大 空 化强度会降低 所以温度的选择要同时考虑对空化强度的影响 也耍考虑清洗液的化学清洗作用 每一种液体都有一空化活跃的温度 水较适宜的温度是 60 C 此时空化最活跃 清洗液的静压力大时 不容易产生空化 所以在密闭加压容器中进行超声清洗或处理时效 果较差 1 7 影响超声清洗效果的其它因素影响超声清洗效果的其它因素 清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响 最好是在清洗过程中液体静止不流动 这时泡的生长和闭合运动能够充分完成 如果清洗液的流速过快 则有些空化核会被流动的液体 带走有些空化核则在没有达到生长闭合运动整过程时就离开声场 因而使总的空化强度降低 在 实际清洗过程中有时为避免污物重新粘附在清洗件上 清洗液需要不断流动更新 此时应注意清 洗液的流动速度不能过快 以免降低清洗效果 被清洗件的声学特性和在清洗槽中的排列对清洗效果也有较大的影响 吸声大的清洗件 如橡胶 布料等清洗效果差 而对声反射强的清洗件 如金属件 玻璃制品的清洗效果好 清洗 件面积小的一面应朝声源排放 排列要有一定的间距 清洗件不能直接放在清洗槽底部 尤其是 较重的清洗件 以免影槽底板的振动 也避免清洗件擦伤底板而加速空化腐蚀 清洗件最好是悬 挂在槽中 或用金属罗筐盛好悬挂 但须注意要用金属丝做成 并尽可能用细丝做咸空格较大的 筐 以减少声的吸收和屏蔽 清洗液中气体的含量对超声波清洗效果也有影响 在清洗液中如果有残存气体 非空化核 会增加声传播损失 此外在空化泡运动过程中扩散到泡中的气体 在空化泡崩溃时会降低冲击波 强度而削弱清洗作用 因此有些超声清洗设备具有除气功能 在开机时先进行低于空化阈值的功 率水平作振动 以脉冲或间歇方式振动进行除气 然后功率加到正常清洗的功率水平进行超声清 洗 有些超声清洗设备附有抽气装置 所谓真空脱气 其目的同样是减少清洗液中的残存气体 驻波的影响 清洗槽是有限空间 超声波由声源向液面传播时 在液体和气体的交界面会 反射回来而形成驻波 驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小 而在另外一些地方声压最 大 这样会造成清洗不均匀的现象 要减少驻波的影响 有时清洗槽特意做成不规则的形状以避 免驻波的形成 有时在超声电源方面采取扫频的工方式 使声压最小处不固定在一个地方而是不 断地移动 以达到较均匀的清洗 二十世纪六十年代 自超声波技术问世以来 科学家们发现 一定频率范围内的超声波 作用于液体介质里 可以达到清洗的作用 经过一段时间的研究和试验 不仅得到了满意的效果 而且发现其清洗效率极高 由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去 在应用初期 由于电 子工业的限制 超声波清洗设备电源的体积比较庞大 稳定性及使用寿命不太理想 价格昂贵 一般的工矿企业难以承受 但其出色的清洗效率及效果 仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾 心 随着电子工业的飞速发展 新一代的电子元器件层出不穷 应用新的电子线路以及新的电子 元器件 超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高 体积减小 价格逐渐降低 二十世纪八 十年代末 第三代超声波电源问世 既逆变电源 应用最新 IGBT 元件 新的超声波电源具有体 积小 可靠性高 寿命长等特点 清洗效率得以进一步提高 而价格也降到了大部分企业可以接 受的程度 超声波清洗原理超声波清洗原理 超声波主要具有机械效应 如传声媒质的质点振动位移 速度 加速度 声压等力学量 热效应 声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收变成热能 和空腔效应 其中空腔效应是声化 学的应用理论基础 也最为重要 空腔效应由成核 微泡生长 空腔塌陷三步组成 在反应体系 中 液体内存在张力弱区 即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体 作为气核 在 超声波作用下 气核膨胀长大 并为周围的液体蒸气或气体充满 由于内外压力悬殊使空腔塌陷 破裂 把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来 使介质局部形成几百到几千 K 的高温和超过数百个大气压的高压环境 并产生出很大的冲击力 起到激烈搅拌的作用 同时生 成大量微泡 它们又作为新的气核 使该循环继续下去 这就是空腔效应 当然并不是液体中所有的气核都能产生空腔效应 只有当外加的超声波频率与气核的固有 频率相同时 空腔效应才能发生 同时也受到其它如声波的强度 液体介质的温度以及介质的蒸 汽压等的影响 诱导产生空腔效应的超声波频率以 20kHz 80kHz 最为适当 过高的频率不易 产生空腔效应 即使产生也需要大量的能量 而且其中大部分能量被转化为热能 使介质温度明 显提高 低强度超声波的应用不会引起介质的任何状态变化 只有高强度超声波的应用才可能对 介质有强烈的影响 引发空腔效应 对大多数化学反应来说 反应速度均随声强的增加而增加 但是 超声波强度的作用受介质温度的影响极大 研究表明 随着液体温度的提高 声强的影响 明显下降 在 50 水中发生的空腔效应最大 当超声波电源将 50Hz 的日常供电频率改变为 28KHz 后 通过输出电缆线将其输送给粘接 在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超声波发生器 换能器 由换能器将高频的电能转换成机械振 动并发射至清洗液中 当高频的机械振动传播到液体里后 清洗液内即产生上述空化现象 达到 清洗的目的 由于超声波的频率很高 在液体中所产生的空化作用可以达到 28000 次 秒 几 乎可以说是不断地在进行 在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在 因此对于 工件的清洗可以非常彻底 即使是形状复杂的工件内部 只要能够接触到溶液 就可以得到彻底 的清洗 又因为每个气泡的体积非常微小 因此虽然它们的破裂能量很高 但对于工件和液体来 说 不会产生机械破坏和明显的温升 超声波设备超声波设备 超声波清洗设备主要由以下组件构成 清洗槽 盛放待洗工件 不锈钢制成 可安装加热及控温装置 清洗槽底部粘接超声波换能器 换能器 超声波发生器 将电能转换成机械能 压电陶瓷换能器 频率 功率视具体机型 电源 为换能器提供所需电能 逆变电源 进口 IGBT 元件 安装过流保护线路 换能器将高频电能转换成机械能之后 会产生振幅极小的高频震动并传播到清洗槽内的溶 液中 在换能器的作用下 清洗液的内部将不断地产生大量微小的气泡并瞬间破裂 每个气泡的 破裂都会产生数百度的高温和近千个大气压的冲击波 从而将工件冲刷干净 清洗剂的配制清洗剂的配制 超声波清洗机所用的清洗剂多为液体洗涤剂 组成模式为 表面活性剂 赘合剂 其他助 剂 还有其它有机溶剂如三氯乙烯 某物质当其溶于水即使浓度很小时 能显著降低水同空气的表面张力 或水同其他物质的 界面张力 则该物质称为表面活性剂 水溶性表面活性剂的分子结构都具有不对称的 极性的特 点 向吸附在水溶液同其他相的界面上 这样大大改变了体系的物理性质 特别是各相界面的 界面张力 根据表面活性剂溶于水时亲水基团所表现出来的电性 可把表面活性剂分为阴离子 阳离 子 中性及两性表面活性剂 螯合剂和溶液中的某些金属离子如 Ca2 Mg2 等形成稳定的螯合体 从而使洗涤剂具 有抗硬水性的功能 具体到镜片清洗时 又可和镜片表面的某些含 Ca2 Mg2 的物质化合而 达到清洗作用 某些助剂的加入 再起到以下作用 缓冲作用 使洗涤剂的 PH 值能维持稳定 对金属的抗腐蚀作用 能增加洗涤剂的乳化能力和乳化稳定性 可使溶液具有很好的悬浮能力和稳定悬浮系统的能力 可防止污垢再次沉降 表面活性剂 螫合剂 助剂的选择原则 1 组成的洗涤剂具有较强的清洗能力 2 化学 性质柔和 不损伤被洗物 3 组分之间不发生化学作用而使组分失效 4 具有良好的漂清性 配制洗涤液的使用温度及浓度应由具体实验确定 三氯乙烯的作用是通过对它上盘胶 蜡 沥青的溶解作用而达到清洗目的 超声波清洗工艺超声波清洗工艺 光学镜片加工中不同的工序应有不同的清洗工艺 从整体流程上看 可分为四道工序 洗 涤 漂洗 脱水 干燥 洗涤主要利用有机溶剂如三氯乙烯对上盘胶 蜡 防霉剂等的高度溶解而达预洗目的 然 后利用洗涤剂对镜片表面的湿润 渗透 乳化而综合成的去污作用 漂洗 通过清水对镜片表面的冲洗及超声作用 使洗涤后松散于镜片表面的洗涤剂脱离镜 片表面 脱水 经漂洗后的镜片表面含有大量水分 进入脱水剂中进行脱水 脱水剂多为有机溶剂 和水 能充分混溶 干燥 干燥剂应和脱水剂沸点相近 互溶性好 干燥过程大略为 1 干燥剂蒸汽在镜片表 面冷凝为液体 2 干燥剂液体和镜片表面的脱水剂形成共沸物 3 一部分共沸物形成蒸汽离开 镜片表面 4 一部分共沸物以液体的状态流经镜片表面对镜片引冲洗作用 经过这些过程后 使镜片表面洁净 干燥 由于使用的脱水剂及干燥剂均为有机溶剂 对环境及操作人员都有或多或少的影响 为了 避免这些影响 现代的超声波清洗技术已对干燥工艺进行了改良 使用纯水漂洗 而省略脱水 漂洗后的镜片表面为纯水状态 再由过滤的热风干燥 既为快速 有效地干燥镜片 又可避免有 机溶剂对环境及工作人员的影响 超声波清洗的应用超声波清洗的应用 超声波清洗被日益广泛应用于各行各业 例如 机械行业 表面处理行业 医疗行业 仪器 仪表行业 机电电子行业 光学行业 科教文化 钟表首饰 石油化工行业 纺织印染行业等 下面例举如下 超声波清洗的优势 清洗效果好 就清洗方式而言 运用于工业清洗的清洗 方式一般为手工清洗 有机溶剂清洗 蒸汽气相清洗 高压水射流清洗和超声波清洗 超声波清 洗被国际公认为当前效率最高 效果最好的清洗方式 其清洗效率达到了 98 以上 清洗洁净 度也达到了最高级别 而传统的手工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为 60 70 即使 是气象清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于 90 不论工件形状多么复杂 将其放入清洗 液内 只要是能接触到液体的地方 超声波的清洗作用都能达到 尤其是对于形状和结构复杂 手工及其它清洗方式不能完全有效地进行清洗的工件 具有显著的清洗效果 清洗时液体内产生 的气泡非常均匀 工件的清洗效果也非常均匀一致 超声波清洗可根据不同的溶剂达到不同的效 果 如 除油 除锈或磷化 配合清洗剂的使用 加速污染物的分离和溶解 可有效防止清洗液 对工件的腐蚀 清洗成本低 在所有清洗方式中 清洗成本大体可分为 设备成本和消耗成本 超声波清洗设备使用寿 命约为十年 除设备购置成本高于手工清洗和有机碱性溶剂刷洗外 低于气相清洗和高压水射流 清洗 对于消耗成本 以有效尺寸为 600 400 350mm 功率为 1KW 价格约为 1 万元的 超声波清洗机为例 工作一小时 耗电 1 度 费用约为 0 5 元 碱性金属清洗剂 1 公斤 价格 约为 20 元 可反复使用 20 50 个小时 根据污染程度而定 相当于 0 4 1 元 小时 而一般 工件清洗时间仅为 3 15 分钟即可 且一次清洗可对一定数量及体积的工件同时清洗 因此对于 消耗成本而言 采用超声波清洗 不仅清洗效果最好 而且清洗成本相当于不到 0 04 元 件 还不算节省的劳动力成本 远远低于其他各类清洗方法 以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动 需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件 应用了超声波清洗机以后 不仅改善了劳动环境 杜绝了手工清洗对工件产生的伤害 减轻了劳 动强度 而且在大幅提高清洗精度的基础上 清洗时间缩短为原来的四分之一 超声波清洗还可有效地降低污染 减少有毒溶剂对人类的损害 避免劳动损伤 超声波清洗技术与进展超声波清洗技术与进展 1 前言前言 超声清洗技术的机理研究及设备开发与超声清洗工艺研究及应用在我国已有近 50 年的历 史 几乎与国外同步进行的 80 年代前我国超声清洗研制单位无论从研制队伍和生产有一定规模 的单位为数不多 80 年代后特别 90 年代开始随着改革开放的深入和国民经济的飞速发展以及科 技的不断进步 尤其先进制造技术的需求 超声清洗技术的研究与超声清洗设备的研制得到了迅 速发展 研制队伍不断壮大 研制单位不断增多 超声清洗是属于物理力清洗 其本身为绿色清洗 若在清洗液中添加适宜的清洗剂则属组 合清洗 更具明显的清洗效果 超声清洗是目前功率超声中应用最为广泛的一种 超声清洗与现 代科技发展及先进制造工艺密切相关 超声清洗在各种化学 物理以及机械的清洗中是较为有效 的一种 它被广泛应用于机械 光学 电子 轻工 纺织 化工 航空航天 船舶 原子能以及 医疗医药等工业部门 2 超声波清洗技术的特点与机理超声波清洗技术的特点与机理 超声波清洗与其它清洗相比具有洗净率高 残留物少 见表 1 清洗时间短 清洗效果好 见 图 1 凡是能被液体浸到的被清洗件 超声对它都有清洗作用 不受清洗件表面形状限止 例深 孔 狭缝 凹槽 都能得到清洗 由于超声波发生器采用 D 类工作放大 换能器的电声效率高 因此超声清洗具有高效节能 它是一种真正高速 高质量 能易实现自动化的清洗技术 若清洗 剂采用非 ODS 清洗剂则具有绿色环保清洗作用 超声清洗对玻璃 金属等反射强的物体其清洗 效果好 而不适宜纺织品 多孔泡沫塑料 橡胶制品等声吸收强的材料 表 1 洗净效果比较 清洗方法 剩余残留物 吹式清洗 86 浸润式清洗 70 蒸汽式清洗 65 刷子清洗 8 超声波清洗 0 0 5 超声波清洗机理如下 分二种情况 一种情况是超声清洗在中 低频工作清洗下 即频率 在 20kHz 130kHz 范围内 特别在 20kHz 40kHGz 情况下 把液体放入清洗槽内 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 介质中的压力作交替变化 如对液体中某 一确定点进行观察 这点的压力如图 2 曲线 A 所示 以静压 一般为一个大气压 为中心 产生 压力的增减 若依次增加超声波强度 压力振幅也随着增加 像曲线 B 所示 并产生所谓负的 压力 在这区域液体中产生一种撕拉的力 且形成真空的空泡 并又被后面的压缩力压挤而破灭 这种在声场作用下的振动 当声压达到一定值时 气泡将迅速增长 然后又突然闭合 在气泡闭 合时 由于液体相互碰撞产生强大的冲击波 其最大的压强 Pmax 由 1 式表示 Pmax P04 4 3 Rm R 3 1 其中 P0 为静水压 Rm 为空穴的初始半径 R 为空穴半径 根据上式估算 局部压强可达 到上千个大气压 这就是平常所说的超声空化 超声空化有一个阈值其含义为使液体产生空化的 最低声强或声压幅值 空化阈 Pc 可由下式 2 表示 2 其中 为表面张力系数 Pv 为蒸气压 R0 为气泡核半径 可见空化阈值随不同的液体 而不同 同一种液体 不同的压力 空化阈值不一样 它随着压力增加而增加 与液体粘滞系数 有关 粘度大 表面张力大 空化阈值高 与工作频率有关 频率越高其空化阈值也越高 产生 空化越难 气泡在声场下作振动 但不一定破裂 只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可 使气泡破灭 气泡的谐振频率由下式 3 给出 式中 r 为气泡内气体的定压定容比热比 为液体介质密度 若 R0 已知 0 可近似为 0 0 328 R0 若 R0 1 64 10 2cm 求得 0 20kHz 于是工作频率选取 fa 空化阈值与 频率的关系曲线如图 3 所示 空化阈值还与液体含气量有关 含气量愈少 空化阈值愈高 空 化阈值与超声波作用时间长短时间有关 超声波辐射时间愈长空化阈值愈低 空化阈值与清洗液 温度有关 清洗液温度升高 对空化有利 但温度过高时 气泡中蒸汽压增大 因此气泡闭合期 增强了缓冲作用而使空化减弱 对于水清洗液较适宜的温度为 60 C 左右 根据以上中低频超声 清洗机理可选择最佳工作状态 从而得到最佳清洗效果 第二种情况超声清洗工作频率在 1MHz 左右甚至到 3MHz 的 有的称兆赫级超声清洗 由 于频率太高 声波在清洗液中很难发生空化 其清洗机理一般认为主要由于声压梯度 粒子速度 及声流的作用 而空化效应是次要的 这种超声清洗特点是清洗方向性强 一般零件表面置于声 束平行的方向 从上述超声清洗机理可知 超声清洗主要由超声空化引起 空化效应是主要因素 气泡的 爆破产生的高压高温冲击波减小了污垢与被清洗件之间的粘着力 引起污垢的破坏和脱离 同时 气泡的振动能对被清洗物表面进行擦洗 气泡还能钻入裂缝中振动 使污层脱落 当某些固体表 面被油粘附时 油被超声波乳化 使油迅速脱离被清洗件表面 超声空化在被清洗件表面产生很 高的速度梯度和声流 能进一等削弱或除去边界层污染 同时超声振动会引起介质质点的强烈振 动速度和加速度 使被清洗件表面受到强烈的冲击也能做污物迅速脱离表面 3 超声清洗技术参数的选择超声清洗技术参数的选择 3 1 超声功率的选择 超声清洗效果不一定与所加功率和工作时间成正比 有时用小功率 化费很长时间也没有 清除污垢 而如果功率达到一定数值 有时很快将污垢去除 若超声功率选择太大 这时液体中 空化强度大大增加 这时较精密的零件将产生蚀点 造成不必要的损失 同时清洗缸底部振动板 空化也十分严重 使缸的寿命缩短 另外一点超声功率选得太大 使液体中声强过高 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缸体中 造成远离声源的地方清洗作 用减弱 所以选择合适的声强是必须的 鉴于目前混响场声强测量的技术问题 目前还是用单位 面积上的功率来进行设计 一般一台标准超声清洗器输出功率密度大多选在 0 3 0 6w cm2 之 间 至于连续波聚焦超声清洗一般选在几十 w cm2 左右 脉冲聚焦超声清洗可选得更高 3 2 工作频率的选择 目前常用的超声清洗器工作频率在 20 40kHz 之间 工作频率低 在使用水或水清洗剂时 由空穴作用引起的物理清洗力显然有利 但空化引起的噪声大 噪声分贝数指标大大超过有关标 准 所以 20kHz 及以下的频率目前很少使用 除非降噪措施跟上 对于小间隙 狭缝 深孔的 零件的清洗选用频率高一些较好 国外有的用几百 kHz 清洗精密钟表零件 对于要清洗像硅片 表面小到 0 几 m 的微小颗粒污物 频率可选在 MHz 级范围 3 3 清洗笼的选择 在清洗小零件物品时 常需要使用网笼 由于网笼会引起超声衰减 图 4 为改变网眼尺寸 测量透射率结果 从图中看出 当频率为 28kHz 时 网眼尺寸大于 10mm 以上为好 3 4 清洗液温度的选择 水清洗液适宜的清洗温度大约在 40 60 间 尤其在冷天 若清洗液温度过低 则空化效 应差 清洗效果也不好 因此有部分清洗器在缸内设置有加热保温控制 如果温度继续升高 空 泡内气体压力增加 引起冲击声压下降 对清洗不利 见图 5 从中看出 各种不同的清洗液 空化强度对铝腐蚀量随温度变化有个最佳值 表二表明在相同超声强度和相同频率下 相同时间 内铝在不同液体中温度与腐蚀量的关系 表二 铝在不同液体中的空化腐蚀量 mg 温度 液体 10 C 0 C 10 C 20 C 30 C 40 C 60 C 80 C 90 C 水 0 8 2 0 3 7 5 3 5 8 2 6 0 5 煤油 0 9 1 8 2 9 3 7 3 7 3 2 2 0 1 1 苯 0 2 1 0 1 3 0 9 0 6 0 4 酒精 0 1 0 4 0 9 0 9 0 8 0 6 0 4 丙酮 0 4 1 0 0 4 0 4 0 3 0 2 3 5 清洗液量的选择 清洗液量一般高于振子表面 100mm 以上为佳 但根据清洗器功率大小有所不同 例功率 为 300w 频率为 25kHz 的清洗器液面高约 100 120mm 而功率 600w 液面可到 150mm 左右 由于单频清洗器受驻波场的影响 波节处振幅很小 而波幅处振幅很大 造成清洗不均匀 最佳选择被清洗件位置应放在波幅处 见图 6 或使物品上下移动使清 4 超声波清洗设备的基本组成超声波清洗设备的基本组成 超声波清洗设备无论功率大小 基本上有清洗缸 换能器 超声波发生器三部分组成 其 中大型多槽式清洗器还包括机械传动装置 清洗液回流过滤装置 温度控制装置 喷流装置和烘 干设备 如果是汽相式超声设备还包括一台冷水机 若用碳氢化合物溶剂清洗则还需真空及干 燥设备 4 1 清洗缸 清洗槽 清洗缸尺寸的选择应根据超声电功率大小而定 如果以每只 50w 标准换能器进行组装 则 缸底尺寸基本上以 0 5w cm2 进行计算 至于深度应考虑上面所述的液面高度 还应适当满足 被清洗件的尺寸要求 缸的材料大多选用不锈钢 厚度在 1 5 3 0mm 间选择 缸底加工必须 平整 还需喷砂处理 4 2 换能器 超声清洗器的换能器有磁致伸缩换能器和压电式换能器二种 由于前者材料价格贵 电声 效率低目前基本上不用 而压电式换能器电声效率高 价格便宜 安装方便 是目前超声清洗器 普遍采用原因之一 压电式换能器其结构形式主要为单螺钉紧固的纵向振动换能器 由两片中心 穿孔的压电陶瓷晶片及前后盖板组成 为了提高清洗器的工作稳定性和效率还发展了一种半穿孔 结构式宽频带换能器 这种换能器结构特点是在换能器辐射面上沿着轴向均匀地钻有一定数量 同一深度的孔 构成半穿孔结构 在一定孔深时 钻孔的孔径越大频带越宽 在一定穿孔面积时 孔越深 频带宽度也加宽 这种换能器 比一般 换能器频带宽度大一倍以上 达到 2kHz 左 右 其电声效率在频带范围内仍能达到 80 以上 比普通换能器电声效率高 从而克服了大功 率超声清洗器中普通换能器由于频带窄 给多个换能器并联带来的麻烦 半穿孔结构式换能器还 能减弱辐射面的横向振动 有利于高频换能器的辐射面的增加 对改善超声清洗设备的性能是有 利的 近来又发展了一种双频清洗用的纵振换能器 这种换能有二个谐振频率 由于双频超声波 的作用能大大改善清洗缸的声场分布 提高清洗效果 还有一种聚焦式超声清洗换能器 其辐射 面功率承受达几十瓦 上百瓦 平方厘米 这种换能器一般由三节组成 第一级为纵向压电振子 第二节为变幅杆 第三节为辐射器 第三节材料用经过特殊工艺处理的能耐高疲劳强度的不锈钢 或钛合金材料组成 4 3 超声波发生器 目前超声波清洗器的发生器主要有二种形式 一种是七十年代末八十年代初国际上普遍采 用的自激式 D 类晶体管 或模块 开关功率放大器 其特点 线路简短 换能器是自激振荡器的 一个部件 所以随着负载频率的变化振荡器频率能跟着变化 有频率跟踪的功能 要实现大功率 超声发生器采用多路合成容易 电路可靠性 可维修性较好 缺点是无保护电路 功率不能连续 调节 另一种超声波发生器是他激式的且末级采用功率模块的开关电源式的功率放大器 其前置 控制不营是模拟的还是数字的均采用 PWM 脉宽调制 方式 频率可调 脉冲宽度可调 特点频 率稳定度尚好 功率可连续调节 由于采用高压 大电流 IGBT 或 MOS 模块 大功率清洗用超 声发生器体积较小 可靠性较好 且开关电源控制电路技术成熟 0 5 3kw 的单板发生器己有 商品 是超声清洗器用发生器的发展方向之一 5 超声波清洗技术的新进展超声波清洗技术的新进展 超声波清洗技术几十年来经理论探讨和应用研究 无论设备还是工艺上取得了较大的发 展 相继研发了一大批新的产品 也制订出了一些先进典型清洗工艺 5 1 高频超声清洗 对于像硅片表面的 0 几 m 超微污物粒子 常规的超声波清洗器无能为力 即使增加功率 密度也无济于事 近来发展了一种兆赫芝级的高频超声清洗技术 由于频率高 空化效应已不起 作用 因此清洗的关键不是气泡 是高频压力波的擦洗作用 其污物的去除率接近百分之百 高 频清洗近来发展较快 主要用于超大规模集成电路芯片的污物清洗 以及硅晶片 陶瓷 光掩模 等特种污物的清洗 5 2 聚焦式清洗 对于像纺织行业的喷丝板 过滤器之类微孔物件的清洗 常规的超声清洗效果十分不理想 声强达不到要求 而采用机械扫描聚焦式超声清洗 喷丝板微孔中的污物脱离十分明显 聚焦式 清洗要求达到高的声强 目前选用频率以低频为主 常以 20kHz 和 15kHz 两种频率为主 个 别的频率也有 28kHz 的 其电功率在连续波情况下一般为 500 700w 间隙脉冲工作状态下功 率可高一些 5 3 多频清洗 在一只清洗缸中 安装有二种或三种以上不同频率的换能器 由多只发生器分别推动各自 频率的换能器 我们知道 清洗器工作频率高时 在液体中空化强度低而空化密度大 而工作频 率低时则相反 利用低频超声波的强度高 对物体表面清洗有利 利用高频超声波空化密度高 冲击波能穿达凹槽 细缝 深孔等细微结构 同时缸中有多种频率的超声波也克服了单频清洗驻 波场造成的清洗不均匀问题 5 4 扫频和跳频清洗 扫频和跳频清洗都是为了改善缸中的声场结构 前者解决缸中不均匀驻波场 使清洗物件 清洗均匀 而跳频和多频一样兼顾到高低频清洗 尽不同的是跳频用的一只换能器和一只发生器 其换能器本身有二个谐振频率 在第一谐振点带宽内作连续的频率变化 然后跳到另一带宽内进 行扫频清洗 它是高低频交替进行清洗 5 5 超声清洗工艺研究 为了提高物件的清洗质量 应根据被清洗物的性质 清洗污物的类型 选择合适的清洗工 艺及选择对环境保护无污染的非 ODS 的清洗剂 以及相应的配套设备 近来国内外在这方面做 了大量研究工作 也投入了大量资金 人力和物力 并取得了相应的成果 超声波清洗工艺的选择是指超声波清洗方式 清洗液温度 超声频率 超声功率密度 清 洗时间以及清洗液的选择及配制 至于参数的选择上面已论述 所以不多展开 在这里主要从选 择合适的清洗液 对于超声波清洗效果和环境保护具有很大影响 由于超声波清洗机理主要是空 化作用 清洗液选择除了清洗件本身材料 油污 机械杂质外 还必须考虑清洗液粘度小 表面 张力小 以利于清洗液的空化 有时还需添加助容剂 稳定剂 消泡剂及静电去除剂等添加剂 近来对环保的要术越来越严 根据蒙特利尔协议书 必须全面禁止使用各种 ODS 清洗剂 因此 目前各种 ODS 清洗剂替代物相继在研发和试验 为此超声波水基清洗 超声波半水基清洗 和 超声波碳氢化合物溶济清洗以及相应的工艺 相关的设备研发也在同步进行 目前要全面彻底替 代 ODS 清洗剂还有一个相当的过程 但相信在超声界和化学溶剂界的不断努力下 一个既具有 清洗性又具有环保性和经济性的非 ODS 超声清洗技术将会获得广泛的应用 1 前言前言 随着我国经济的发展 洗净产业近几年取得了瞩目的进步 尤其是在超声波洗净技术和大型 全自动设备制造方面 目前 一些厂家生产的大型高精密洗净设备已得到了发达国家的认可 但 尚有一些厂家在设备制造方面尚存在着工艺设计 技术方面的差距 为了共同提高的目的 笔者根据多年来在超声波领域的学习 引进及设备制造和维修方面 取得的体会编写成文 供大家参考 谬误之处请大家给予斧正 2 超声波清洗机的构成超声波清洗机的构成 洗净设备的核心部分就是超声波清洗机 主要由超声波清洗槽 超声波发生器及超声波振 子三部分构成 清洗槽是清洗物的洗净场所 槽内安装有超声波振子 清洗作业时加入清洗剂 超声波发生器是输出超声波的电源 超声波振子是通过超声波发生器供给电源产生高频振动的元 件 工业用超声波设备常见构造主要有下列三种型式 1 直接安装振子型 振子直接安装在清洗槽底板 根据洗净用途的不同也可在清洗槽侧面安装 的超声波清洗 机为直接安装振子型清洗机 结构示意图见图 1 这种类型的清洗机构造简单 但当有一些振子 发生故障时 维修 更换作业非常麻烦 尤其是对大型的设备 所以 一般只有小功率的桌上型 设备才应用此种方式安装振子 图 1 直接安装振子型清洗机结构示意图 2 投入式振子盒型 将超声波振子安装在不锈钢盒内 然后将其焊接封闭 再安装在清洗槽上 根据洗净目的 可在底部或侧面安装 或手提放入清洗槽内 通过它向清洗液传播振动来进行清洗 结构示意图 见图 2 在国际上 大型设备的超声波清洗机一般都采用此类型 它的优点是噪音低 维修作业 方便 用户很容易将振子盒卸下后寄给厂家维修 当然这种清洗机的造价略高于直接安装振子 型 图 2 投入式振子盒型超声波清洗机结构示意图 3 振动板型 将振子安装在一块不锈钢板上 将它固定在没有底的清洗槽上作为底面 结构示意图见图 3 特点与投入式振子盒类似 图 3 振动板型超声波清洗机结构示意图 但由于振动板的螺纹孔制作及密封要求很高 在维修更换作业过程中比较繁琐 所以目前 我国制造的超声波清洗机构造主要以 1 2 两种为主 3 超声波清洗机的工艺设计超声波清洗机的工艺设计 一台洗净设备的设计要考虑外观美观 内部系统的合理设置 外观设计时主要应考虑到清洗槽内部及外部尺寸的比例协调问题和外露元件的位置设计合 理性问题 内部各系统的工艺设计 主要涉及 控制系统 加热 泵等 超声波振子出线 排水及循 环过滤系统 控制面板位置和布线方式等 原则上超声波发生器与控制系统不要放在一起或同一控制柜内 因为它们各自都会产生一 定的感应静电电场 一般从便于调试和将来维护 维修角度出发 控制系统内藏在清洗机的侧面 超声波发生器外露放置 排水及循环过滤系统在设备后侧内藏 这样 设计的设备外观整体性强 美观 而且设备从安全和技术角度都很合理 如果控制系统及超声波发生器等都内藏一起 看起 来也很美观 但维护 维修时会非常不便 往往还会造成电气方面的隐患 4 超声波清洗机的设计 超声波清洗机的设计 4 1 超声波清洗机功率设计 功率设计主要考虑以下两个因素 1 洗槽液面深度 当清洗槽液面深度在 40cm 以下 超声波振子安装在槽的底面 超声波功率可采用面积功 率密度参数设计 常规 28 50KHz 范围的清洗机 参数范围 0 2 1 0W cm2 对于液面深度较深 如 40 100cm 的清洗机 按体积功率密度参数设计 参数范围 10 30W L 清洗槽底面和侧面都要安装振子 2 使用的清洗剂类型 对溶解能力强 易挥发的清洗剂 比如 使用气相型清洗机用二氯甲烷溶剂的 参数可定 低一些 取 0 2 W cm2 对使用水基清洗剂的 参数可定高一些 0 4 0 6 W cm2 4 2 超声波频率设计 频率设计主要根据清洗对象来定 超声波频率较低 设备的空化作用力强 但洗净精度会 差一些 一般适合于加工零件的洗净 超声波频率越高 空化作用力越弱 但洗净的精密度越好 所以 超声