超聲波清洗的原理

超聲波清洗的原理一、 概述超聲波清洗的機理主要是由于在清洗液中引入了超聲振動，使清洗液中產(chǎn)生了''空化作用"。由"空化作用"產(chǎn)生的強大機械力將工件上黏附的機械雜質(zhì)、各種污染等剝落。超聲清洗不僅僅具有空化作用，同時還伴隨著較為復(fù)雜的種種物理、化學(xué)的作用。所謂"空化作用"是指當(dāng)超聲波這種交變聲壓在液體中傳播時出現(xiàn)稀疏密集狀態(tài)。在密集狀態(tài)時，液體受到正壓力（約幾個大氣壓），而在稀疏狀態(tài)時，液體受到拉力即負(fù)壓力，一般液體中都有含有一定的氣體，在稀疏狀態(tài)時氣泡增長，并吸收更多的液體中分解出來的氣體；而當(dāng)再壓縮時，氣泡不斷縮小，在此過程中，液體質(zhì)點的運動是與逐漸減小的氣泡半徑成反比的。因此，當(dāng)半徑趨于零時，質(zhì)量運動速度在理論上應(yīng)趨于無窮大。如果這一快速運動在氣泡閉合時突然停止，則集中在微小容積內(nèi)的動能就要釋放出來，部分變?yōu)闊崮?，部分變?yōu)閴嚎s能。此時，從閉合泡的中心向外傳播一個球形沖擊波。在這一點壓力有數(shù)千個大氣壓，若超聲頻率為20KHz，這種空化作用也每秒種進行兩萬次。因此超聲波具有強力清洗能力就不難理解了。二、 影響超聲波清洗效果的有關(guān)因素1、 超聲波強度。即單位面積超聲功率。超聲清洗的效果好壞取決于空化作用，而空化作用的產(chǎn)生與超聲波強度有關(guān)。在通常情況下，單位面積超聲功率超過0.3W/cm2（輸出電功率一般大于1W）水溶液就能產(chǎn)生空化。在一定范圍內(nèi)，超聲波強度越大，空化作用越明顯，也就說清洗效果越好。但太高的功率密度會由于空化作用太強而引起對工件的表面侵蝕，使工件受損。另外當(dāng)功率密度增加到一定程度就會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，清洗效果反而會下降。產(chǎn)生空化的功率密度臨界點與頻率還有關(guān)系，頻率越高，產(chǎn)生空化的功率密度越大，例如16--20KHz時，功率密度臨界點大約為0.3--0.4W/cm2；26--30KHz時，功率密度就選為0.5--0.8W/cm2；30--40KHz時，功率密度應(yīng)選為1--1.2W/cm2。2、 超聲波頻率。超聲波振動頻率對于清洗效果有很大影響，這是由于超聲波頻率對于空化作用影響很大的緣故。實踐證明同等功率情況下，低頻時易于激發(fā)空化。即頻率越低，空化作用效果越好，但噪音越大。反之，頻率越高，空化作用效果越差，噪音越小。3、 清洗液溫度。清洗的溫度是影響清洗速度的重要因素，適當(dāng)提高清洗液的溫度，可增強空化能力，縮短清洗時間，但超過一定的溫度，由于蒸汽壓力相應(yīng)增加反而使空化作用降低，因此必須保持一定的溫度范圍，如水溶劑清洗液一般在45°C左右，三氯烯清洗液在75C左右。選擇清洗液必須考慮選擇的清洗液粘度要小，表面張力要小以利于清洗液的空化。超聲波清洗系統(tǒng)具備三個基本元件：清洗槽、將電能轉(zhuǎn)化為機械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號的超聲波發(fā)生器。超聲清洗的優(yōu)勢：高精度由于超聲波的能量能夠穿透細微的縫隙和小孔，故可以應(yīng)用于任何零部件或裝配件的清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時，超聲清洗往往成為能滿足其特殊技術(shù)要求的唯一的清洗方式。

由右超聲波清洗機影響效果的有關(guān)因素由右超聲波清洗機影響效果的有關(guān)因素快速超聲清洗可節(jié)省勞動力的優(yōu)點往往使其成為最經(jīng)濟的清洗方式。一致無論被清洗件是大是小，簡單還是復(fù)雜，單件還是批量或在自動流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無可比擬的均一的清潔度。1、超聲波強度。即單位面積聲功率。超聲清洗的效果好壞取決于空化作用，而空化作用的產(chǎn)生與超聲波強度有關(guān)。在通常情況下，單位面積聲功率超過0.3W/cm2（輸出電功率一般大于1W）水溶液就能產(chǎn)生空化。在一定范圍內(nèi)，超聲波強度越大，空化作用越明顯，也就說清洗效果越好。但太高的功率密度會由于空化作用太強而引起對工件的表面侵蝕使制件受損。另外當(dāng)功率密度增加到一定程度就會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，清洗效果反而會下降。 產(chǎn)生空化的功率密度臨界點與頻率還有關(guān)系，頻率越高，產(chǎn)生空化的功率密度越大，例如16--20KHZ時，功率密度臨界點大約為0.3--0.4W/cm2；26--30KHz時，功率密度就選為0.5--0.8W/cm2；30--40KHZ時，功率密度應(yīng)選為1--1.2W/cm2。 2、超聲波頻率。超聲波振動頻率對于清洗效果有很大影響，這是由于超聲波頻率對于空化作用影響很大的緣故。實踐證明同等功率情況下，低頻時易于激發(fā)空化。即頻率越低，空化作用效果越好，但噪音越大。反之，頻率越高，空化作用效果越差，噪音越小。 3、清洗液溫度。清洗的溫度是影響清洗速度重要因素，適當(dāng)?shù)奶岣咔逑匆旱臏囟?，可增強空化能力，縮短清洗時間，但超過一定的溫度，由于蒸汽壓力相應(yīng)增加反而使空化作用降低，因此必須保持一定的溫度范圍，如水溶劑清洗液一般在45r左右，三氯烯清洗液在75°C左右。選擇清洗液必須考慮選擇的清洗液粘度要小，表面張力要小以利于清洗液的空化。超聲波選型指南三、非標(biāo)型清洗設(shè)備的選用1） 、功率的選擇口口超聲波清洗效果不一定與（功率x清洗時間）成正比，有時用小功率，花費很長時間也沒有清除污垢。而如果功率達到一定數(shù)值，有時很快便將污垢去除。若選擇功率太大，空化強度將大大增加，清洗效果是提高了，但這時使較精密的零件也產(chǎn)生蝕點，得不償失，而且清洗缸底部振動板處空化嚴(yán)重，水點腐蝕也增大，在采用三氯乙烯等有機溶劑時，基本上沒有問題，但采用水或水溶性清洗液時，易于受到水點腐蝕，如果振動板表面已受到傷痕，強功率下水底產(chǎn)生空化腐蝕更嚴(yán)重，因此要按實際使用情況選擇超聲功率。2） 、頻率的選擇口口超聲清洗頻率從十幾kHz到100kHz之間，在使用水或水清洗劑時由空穴作用引起的物理清洗力顯然對低頻有利，一般使用15-40kHz左右。對小間隙、狹縫、深孔的零件清洗，用高頻（一般40kHz以上）較好，甚至幾百kHz。對鐘表零件清洗時，用400kHz。若用寬帶調(diào)頻清洗，效果更良好。3） 、清洗籃的使用口口在清洗小零件物品時，常使用網(wǎng)籃，由于網(wǎng)眼要引起超聲衰減，要特別引起注意。當(dāng)頻率為28khz時使用10mm以上的網(wǎng)眼為好。當(dāng)然有時清洗是不是采用籃子，而是采用掛、夾等方式（如光電鏡片等），是以不同工件的清洗治具也不同，要專門制作。4） 、清洗液溫度的選擇口口水清洗液最適宜的清洗溫度為40-60C，尤其在天冷時若清洗液溫度低空化效應(yīng)差，清洗效果也差。因此有部分清洗機在清洗缸外邊繞上加熱電熱絲進行溫度控制，當(dāng)溫度升高后空化易發(fā)生，所以清洗效果較好。當(dāng)溫度繼續(xù)升高以后，空泡內(nèi)氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降，反應(yīng)出這兩因素的相乘作用。5） 、關(guān)于清洗液量的多少和清洗零件的位置的確定口口一般清洗液液面高于振動子表面100mm以上為佳。由于單頻清洗機受駐波場的影響，波節(jié)處振幅很小，波幅處振幅大造成清洗不均勻。因此最佳選擇清洗物品位置應(yīng)放在波幅處。6）、超聲波清洗工藝及清洗液的選擇在購買清洗系統(tǒng)之前，應(yīng)對被清洗件做如下應(yīng)用分析：明確被洗件的材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和數(shù)量，分析并明確要清除的污物，這些都是決定所要使用什么樣的清洗方法，判斷應(yīng)用水性清洗液還是用溶劑的先決條件。最終的清洗工藝還需做清洗實驗來驗證。只有這樣，才能提供合適的清洗系統(tǒng)、設(shè)計合理的清洗工序以及清洗液?？紤]到清洗液的物理特性對超聲清洗的影響，其中蒸汽壓、表面張力、黏度以及密度應(yīng)為最顯著的影響因素。溫度能影響這些因素，所以它也會影響空化作用的效率。任何清洗系統(tǒng)必須使用清洗液。選擇清洗液時，應(yīng)考慮以下三個因素：.清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時，一定要做實驗。如在現(xiàn)有的清洗工藝中引入超聲，所使用的溶劑一般不必變更；.操作簡單：所使用的液體應(yīng)安全無毒、操作簡單且使用壽命長；.成本：最廉價的清洗溶劑的使用成本并不一定最低。使用中必須考慮到溶劑的清洗效率、安全性、一定量的溶劑可清洗多少工件利用率最高等因素。當(dāng)然，所選擇的清洗溶劑必須達到清洗效果，并應(yīng)與所清洗的工件材料相容。水為最普通的清洗液，故使用水基溶液的系統(tǒng)操作簡便、使用成本低、應(yīng)用廣泛。然而對某些材料以及污垢等并不適用于水性溶液，那么還有許多溶劑可供選用。主要清洗工藝流程如下：1） 浸洗或噴洗：目的是將工件上的污染物軟化、分離、溶解，并減輕下道清洗工序的負(fù)荷。2） 超聲波清洗：利用超聲波產(chǎn)生的強烈空化作用及振動將工件表面的污垢剝離脫落，同時還可將油脂性的污物分解、乳化，3） 冷漂洗：利用流動的凈水將已脫落但尚浮在工件表面上污物沖洗干凈。4） 超聲波漂洗：溶劑為干凈的清水，工件浸入后，利用超聲波將浮在工件各邊、角及孔隙處的污物清洗干凈。5） 熱凈水及冷凈水漂洗：進一步去除懸附在工件表面上的污物微粒。6） 熱風(fēng)烘干：利用一定的溫度和風(fēng)速，使零件表面快速干燥。7） 、不同的清洗液，要區(qū)分的清洗系統(tǒng)水性系統(tǒng)：通常由敞口槽組成，工件浸沒其中。而復(fù)雜的系統(tǒng)會由多個槽組成，并配備循環(huán)過濾系統(tǒng)、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。溶劑系統(tǒng)：多為超聲波汽相除油脂清洗機，常配備廢液連續(xù)回收裝置。超聲波汽相清除油脂過程是由溶劑蒸發(fā)槽和超聲浸洗槽組成的集成式多槽系統(tǒng)完成的。在熱的溶劑蒸汽和超聲激蕩共同作用下，油、脂、蠟以及其他溶于溶劑的污垢就被除去。經(jīng)過一系列清洗工序后下料的工件發(fā)熱、潔凈、干燥。8） 、清洗件處理口口超聲清洗的另一個考慮因素是清洗件的上、下料或者說是放置清洗件的工裝的設(shè)計。清洗件在超聲清洗槽內(nèi)時，無論清洗件還是清洗件籃都不得觸及槽底