超聲波清洗的應(yīng)用工藝(精華好文章）

一、超聲波清洗作用原理

超聲波清洗設(shè)備由兩部分組成：超聲波發(fā)生器（又稱超聲波電源）和換能器。超聲波發(fā)生器將工頻電能轉(zhuǎn)變成20KHZ以上的高頻電信號，通過高頻電纜輸送到換能器上，一般超聲波換能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽內(nèi)裝滿了液體，當(dāng)換能器被加上高頻電壓后，它的壓電陶瓷元件在電場作用下便產(chǎn)生縱向振動，超聲波換能器（又稱振子、聲頭）是一種高效率的換能元件，能將電能轉(zhuǎn)換成強(qiáng)有力的超聲振動，在超聲超聲波振動時(shí)，仿佛是一個小的活塞，振幅很小，約有幾微米，但這個振動加速度很大（幾十至幾千個g）槽上具有多個換能器，施加相同的頻率及相位的電能時(shí)，就合成了一個巨大的活塞進(jìn)行往復(fù)振動，這個振動通過固定在底板的換能器傳播到清洗液中，振動在清洗液中傳播就達(dá)到了對浸入其中工件清洗的目的。
1.空化作用（CAVITAION）

在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來解釋：清洗效果和超聲波在液體中產(chǎn)生的“空化”強(qiáng)度有密切關(guān)系，超聲波振蕩在液體中傳播，當(dāng)其聲波壓強(qiáng)達(dá)到一個大氣壓時(shí)，超聲波功率密度約為0.35瓦/cm2，這時(shí)在液體中傳播的超聲波的聲波壓強(qiáng)峰值就可以輕易達(dá)到真空或負(fù)壓，但實(shí)際上是無負(fù)壓現(xiàn)象存在的，因而在液體中產(chǎn)生一個很大的力，將液體分子拉裂成空洞（空化核），此空洞為真空或非常接近真空，此空洞在信號電壓（或超聲波壓強(qiáng)）值下一個半周達(dá)到最大時(shí)，由于周圍的壓力的增大而被壓碎，此時(shí)液體分子激烈碰撞產(chǎn)生沖擊波的現(xiàn)象被稱為“空化”作用。這種空化作用非常容易在固體與液體的交界處產(chǎn)生，因而對于浸入超聲作用下的液體中的物體具有超乎尋常的清洗作用。另外，由于超聲波具有很強(qiáng)的穿透固體的作用，所以，這種“空化”作用對浸入超聲波作用下的液體中的物體內(nèi)外表面（如管件）均能得到清洗，這就是超聲波清洗優(yōu)于其它傳統(tǒng)清洗手段的重要方面。

2.超聲波清洗和其它傳統(tǒng)清洗手段效果比較

由于超聲波的空化作用，其清洗效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它傳統(tǒng)清洗手段所能達(dá)到的清洗效果。在以往的傳統(tǒng)清洗手段中費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，清潔度很難達(dá)到要求，因此產(chǎn)品質(zhì)量上不去，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，在當(dāng)今社會高科技發(fā)展潮流中，各行各業(yè)競爭相當(dāng)激烈，企業(yè)要能立足于當(dāng)今的社會，那么產(chǎn)品質(zhì)量一定要過硬，高品質(zhì)的產(chǎn)品是離不開高清潔度的零部件的，以往的傳統(tǒng)清洗手段已無法適應(yīng)于高清潔度的零部件清洗需要。在七十年代中期，國內(nèi)的超聲波清洗機(jī)終于問世。它的發(fā)展也經(jīng)歷了電子管式、閘管式、晶體管式及VMOS管式等幾個階段。電子管式超聲波清洗機(jī)因?yàn)楣茏幼陨淼娜觞c(diǎn)，已很少生產(chǎn)。之后國內(nèi)外所生產(chǎn)的晶閘管式，由于受到器件本身特性的限制，多為2KW以下，工作頻率也較低，約為20KHZ而且其效率僅達(dá)80%左右，故障率較高。發(fā)展到晶體管及VMOS管式超聲波清洗機(jī)，因?yàn)槭芄茏尤萘康南拗疲贿m用于小功率的超聲波清洗機(jī)，且控制電路也比較復(fù)雜。無錫雷士超聲波設(shè)備有限公司從事研制超聲波清洗設(shè)備已有多年的歷史，從國外引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，采用進(jìn)口元器件及原材料配套，水仙研制出系列電路頻率自動跟蹤的超高頻、高功率、性能穩(wěn)定的超聲波清洗機(jī)，該機(jī)體積小、重量輕、操作簡便，效率大95%以上，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。從而滿足了廣大用戶特定的清洗要求。并可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)立多個工位的清洗線，綜合應(yīng)用各種清洗手段對工件做徹底的清洗。

3.超聲波清洗力的來源

超聲波清洗一般采用兩種清洗劑：化學(xué)溶劑和水粉劑。就對污物油脂來說均有溶解滲透作用，這是一種化學(xué)作用力。而超聲波的空化作用卻是物理性的。超聲波清洗是結(jié)合了化學(xué)作用和物理作用。首先靠化學(xué)作用對污物進(jìn)行滲透溶解，然后通過超聲波空化作用的產(chǎn)生的沖擊力將物體表面的污物層剝離，對之進(jìn)行攪拌分散乳化，并防止已脫離物件表面的污物重新附著在物體上。

二、超聲波清洗及其適用性

超聲波清洗是洗滌時(shí)在清洗液中引入產(chǎn)生振動以加速和加強(qiáng)洗滌作用的一種方法。超聲波清洗具有效率高，速度快，清洗質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，對于幾何復(fù)雜或清洗質(zhì)量要求嚴(yán)格的精密制件，采用超聲波清洗往往能獲得良好的清洗效果。

超聲波清洗的原理主要是由于在清洗液中引入產(chǎn)生振動，使清洗液中產(chǎn)生了空化作用，由于空化作用產(chǎn)生的強(qiáng)大機(jī)械力將制件上所粘附的機(jī)械雜質(zhì)，油垢等剝落，同時(shí)超聲振動的引入加強(qiáng)和加速了清洗液的乳化和增溶作用，使油垢等雜質(zhì)更易脫落，從而加速了洗滌過程。

超聲波清洗發(fā)展到今天，已在工業(yè)的各個領(lǐng)域乃至人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐證明，超聲波清洗是現(xiàn)代工業(yè)非常有效和不可或缺的清洗手段。超聲波清洗主要用于嚴(yán)格的場合，尤其是在元器件生產(chǎn)過程中，以及經(jīng)過精密加工，幾何形狀復(fù)雜的制件，如射油泵和噴油嘴的柱塞、套筒、出油閥體、出油閥座、光學(xué)儀器、鐘表零件、精密傳動部件、高精度軸承、汽車工業(yè)的漆前處理，電鍍行業(yè)的鍍前處理，真空離子鍍的鍍前處理等等，已越來越離不開超聲波清洗。值得一提的是，采用雷士牌超聲波清洗機(jī)和雷士超聲波廠研制的獨(dú)特清洗工藝，將在提高清洗效率尤其是減少環(huán)境污染等方面帶來革命性的變化。因?yàn)椴捎迷撎准夹g(shù)，可以用弱酸或無酸取代強(qiáng)酸，卻能夠得到同樣甚至更佳的清洗效果。

三、超聲波清洗效果相關(guān)的物理量與有關(guān)的清洗工藝因素

超聲波清洗工藝的選擇主要是指清洗液的選擇和配制，超聲波清洗的方式，清洗液的溫度，超聲波的頻率，超聲波的功率密度以及清洗時(shí)間等因素的選擇。

選用合適的清洗液，對于超聲波清洗效果具有很大影響，由于超聲波清洗的原理主要是空化作用，所以選擇清洗液時(shí)除了依據(jù)制件本身的材料，油垢或機(jī)械雜質(zhì)的主要組成外，還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。在清洗質(zhì)量要求嚴(yán)格的情況下，還常常采用幾種不同的清洗液，分槽或依次進(jìn)行超聲波清洗，而每種清洗液的作用各有不同，如光學(xué)零件的清洗采用三氯乙烯，氫氧化鈉水溶液合成洗滌劑，水和酒精燈各種清洗液。又如半導(dǎo)體器件的清洗采用丙酮，1#混合清洗液，2#混合清洗液和去離子水等等。經(jīng)多種清洗液的多次清洗，制件表面達(dá)到了預(yù)期的效果。合成洗滌劑清洗液由于成本低，效果好以及作用安全而越來越廣泛被采用。

最常見的超聲波清洗形式是槽內(nèi)浸洗，即將制件浸入盛有清洗液的超聲波清洗槽內(nèi)，超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動又清洗槽底輻射至清洗液內(nèi)進(jìn)行清洗。這對于中小型制件尤為適宜。對于尺寸和重量都較大的制件可采用局部清洗法，即將制件局部浸入清洗液進(jìn)行清洗，待清洗完畢后再將未經(jīng)清洗的部分浸入清洗液進(jìn)行清洗，直至完全洗遍。另一種方法是根據(jù)大型制件的形狀和局部清洗的部位要求，將超聲波換能器設(shè)計(jì)成特殊形狀來實(shí)現(xiàn)局部清洗，對于清洗要求嚴(yán)格的制件采用不同清洗液，分槽依次進(jìn)行超聲波清洗，此外，還可與其它清洗方法配合，如電子元件的清洗是加熱浸洗和超聲波清洗配合使用。對于油脂特稠，特厚的制件，也常常采用加熱浸洗或高溫噴洗，然后再用超聲波清洗的多步清洗法。對于幾何形狀過分復(fù)雜，如有大小不等的孔穴凹角的制件，可采用多頻率清洗，即在幾種不同的超聲波頻率作用下進(jìn)行清洗。

引入清洗液的超聲振動頻率，對于超聲波清洗的效果又很大影響，這是由于超聲波頻率對于空化作用影響很大的緣故，一般采用20KHZ左右，在20KHZ左右的空化作用易于產(chǎn)生，清洗效果較為明顯，但對于表面光潔度要求很高，具有較小直徑的孔或狹縫，宜用波長較短，能量集中的高頻超聲波清洗，又是頻率可達(dá)800KHZ左右，但高頻的超聲振動在清洗液中衰減較大，作用距離較短，空化強(qiáng)度也弱，清洗效率較低，而且由于高頻的方向性而產(chǎn)生的陰影區(qū)使制件的有些部位清洗不到，在使用無頻率跟蹤的超聲波清洗裝置時(shí)，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)發(fā)生器的頻率旋鈕，使其輸入信號的頻率與換能器的固有振動頻率保持一致，此時(shí)空化最強(qiáng)，在透明的液體中可以看到有很多白色聚流，以手試探猶如針刺感覺。

為了提高超聲波清洗效率。往往采用較高的功率密度，但太高的功率密度會由于空化作用太強(qiáng)而引起對制件表面的侵蝕（即空化腐蝕），使制件受損，這對于具有各類鍍層或鋁及鋁合金制件尤為突出，過分的提高功率密度還由于飽和作用也無效果。對于油污嚴(yán)重，形狀復(fù)雜，有深孔盲孔的制件，要求清洗槽較深，清洗液粘度較大，并選用較大的功率密度，高頻超聲清洗的功率密度也較大，在以水或酒精等清洗漂洗時(shí)功率密度可以取小些。

由于清洗液的空化作用與其溫度相關(guān)，溫度升高有利于空化，但隨之蒸氣壓也相應(yīng)增加，超過一定的溫度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℃左右，三氯乙烯清洗液在75℃左右，水則為60℃左右，對于易蒸發(fā)易燃的清洗液不宜溫度太高。

超聲波清洗的效果和質(zhì)量與超聲波清洗的時(shí)間有關(guān)，時(shí)間太短不能達(dá)到清洗的質(zhì)量要求，但時(shí)間太長不僅效率低，而且由于制件表面發(fā)生空化腐蝕而影響質(zhì)量，油污嚴(yán)重，形狀復(fù)雜的制件清洗時(shí)間宜長一些，具有各類鍍層的制件，鋁及鋁合金制件清洗時(shí)間不宜過長。表面光潔度較高的制件，一般情況下，油污相對小些，清洗時(shí)間也不宜過長，具體情形時(shí)間的確定須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)而定。

為了提高清洗效果，保證超聲波清洗裝置的正常使用,被清洗的制件在清洗槽內(nèi)的位置是值得注意的，首先應(yīng)避免將制件直接壓在超聲振動的輻射面上，以至于輻射面不能發(fā)生預(yù)期的振動，而使清洗裝置達(dá)不到正常的工作狀態(tài)，這對于重量較大的制件尤為重要。制件應(yīng)采用專用工具懸掛于清洗槽內(nèi)并盡量接近輻射面。第二，須將重點(diǎn)清洗部位對準(zhǔn)超聲波源。第三，應(yīng)考慮被洗下的污物能順利排出制件。第四，要便于清洗液在清洗槽內(nèi)對流。在采用清洗液循環(huán)使用和不斷補(bǔ)充作用的方法時(shí)，進(jìn)液速度不宜太快，否則由于補(bǔ)入的清洗液內(nèi)含氣太多，會減弱空化作用。

對于盲孔的清洗，應(yīng)先在盲孔內(nèi)灌滿清洗液，然后將盲孔向下對準(zhǔn)超聲源，在清洗過程中，必須一直保持孔內(nèi)充滿清洗液，才能取得顯著效果。

超聲波清洗槽應(yīng)避免撞擊和忽冷忽熱，避免損壞其與換能器的連接。

有些直接采用超聲波清洗時(shí)，應(yīng)先退磁，否則殘存的鐵屑不易消除。

超聲波清洗質(zhì)量的檢查如同其它清洗方法一樣，主要檢查經(jīng)清洗后的制件表面的污垢殘存物。

四、超聲波清洗裝置

超聲波清洗裝置，其主要由超聲波換能器，清洗槽及發(fā)生器三部分組成，此外，可浮油清洗液循環(huán)過濾裝置（如泵，過濾器，加熱器）以及制件的傳送裝置。

超聲波換能器是超聲波清洗裝置的關(guān)鍵組成部分，其作用是將電氣震蕩轉(zhuǎn)換成彈性機(jī)械振動，常用的換能器由其工作原理而言有磁致伸縮式換能器和壓電陶瓷式換能器兩種。從工作頻率來分，有高頻換能器（一般工作在幾百KHZ）和低頻換能器（一般工作在幾十KHZ）。為了取得高的轉(zhuǎn)換率，換能器均工作在其固有共振頻率。

超聲波清洗槽類似一個容器，內(nèi)盛清洗液及被洗制件，一般情況下，換能器直接連接（粘接或焊接）在清洗槽底部。將清洗槽作為超聲振動輻射板，為了使其有較好的耐腐蝕性，耐疲勞性和導(dǎo)聲性能，清洗槽或超聲振動輻射板常用不銹鋼制成。

在超聲波清洗裝置最佳工作狀態(tài)下，超聲波發(fā)生器的輸出阻抗與換能器總的動態(tài)裝相一致。發(fā)生器的工作頻率與換能器的工作頻率相一致。因此要求同一發(fā)生器所用的換能器阻抗相接近，以致各個換能器負(fù)荷均衡，同時(shí)要求各換能器的工作頻率應(yīng)一致（相差應(yīng)在±0.1%），以使在同一頻率下均有較高的轉(zhuǎn)換率。

超聲波清洗裝置空化強(qiáng)度的估計(jì)，可采用鋁箔法：測定鋁箔的空化腐蝕；化學(xué)法：用氯離子的釋放；以及空化計(jì)法：測量空化噪音。

對于成批的清洗要求嚴(yán)格，采用多步超聲波清洗法，其常常組成一定形式的組合裝置，比如直線步進(jìn)式多步清洗裝置。

超聲波清洗的發(fā)展應(yīng)是適用于大型制件，擴(kuò)大清洗范圍，使局部清洗，多頻清洗裝置通用化，進(jìn)一步提高操作機(jī)械自動化程度，超聲波清洗器目前調(diào)試和檢修比其他方法復(fù)雜，所以需要專業(yè)的超聲波設(shè)備廠家來進(jìn)行，無錫雷士超聲波設(shè)備有限公司提供這樣的測試項(xiàng)目。

五、清洗工藝流程說明

一般來說，清洗的工藝流程依照被清洗物體清洗的難易程度及清洗數(shù)量決定，主要清洗流程如下：

1. 熱浸洗：目的是將工件上的污染物軟化、分離、溶解。

2. 超聲波清洗：利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化作用振動，將工件表面的污垢剝離脫落，同時(shí)將油脂性的污物分解、乳化。

3. 冷漂洗：利用流動的凈水將已經(jīng)脫落尚浮在工行表面的污物沖洗干凈。

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，角以及孔隙處污物清洗干凈。

5. 熱凈水及冷凈水漂洗：進(jìn)一步去除懸附在工件表面上的污物顆粒。