超聲波清洗機(jī)的原理與應(yīng)用

1、超聲波清洗機(jī)的原理與應(yīng)用1 前言 在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，將采用清洗工藝來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。 當(dāng)前在一些工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用超聲波清洗是一種洗凈效果好，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，有利于環(huán)保的清洗工藝。超聲波清洗機(jī)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(jī)零件、油咀油泵、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環(huán)、銑刀、鋸片、寶石、醫(yī)用注射器及各種光學(xué)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

2、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(jī)械物理力清洗的方法或化學(xué)力清洗的方法，還可以用各種組合方法來(lái)進(jìn)行清洗。 若是用自來(lái)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(duì)不同的清洗對(duì)象選用不同的洗滌劑，更具有明顯的清洗效果。 表1為幾種清洗方法洗凈效果比較。 圖1為兩種清洗方法洗凈效果比較。 2超聲波清洗的原理 把液體故人清洗槽內(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(dòng)波，介質(zhì)的壓力作交替變化。如果對(duì)液體中某一確定點(diǎn)進(jìn)行觀察，這點(diǎn)的壓力如圖2曲線a所示。以靜壓(一般一個(gè)大氣壓)為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增強(qiáng)超聲波的強(qiáng)度，

3、則壓力振幅也隨著增加，像圖2曲線b 那樣，并產(chǎn)生負(fù)的壓力。 所謂負(fù)壓，但實(shí)際上負(fù)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(chǎng)作用下的振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到超聲波清洗一定值時(shí)，氣泡將迅猛增長(zhǎng)，然后又突然閉合，在氣泡閉合時(shí)，由于液體間相互碰撞產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓的壓力。這也就是所說(shuō)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(guò)程中由下列四個(gè)因素作用所引起。 (1)因空泡破滅時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，污垢層在沖擊波的作用下被剝離下來(lái)，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

4、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(kāi)，如圖3b所示，小氣泡再繼續(xù)向前推進(jìn)，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(dòng)本身對(duì)清洗的作用力。例如：20khz，2wcm2的超聲波在清洗液中傳播時(shí)，它將引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，位移幅度132llm，速度016ms，加速度為204x104msz，(約為2刪g的重力加速度)，聲壓為145x105pa，這表明清洗物表面的污垢層每秒將遭到2萬(wàn)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(xué)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

5、選擇清洗槽中聲場(chǎng)的聲學(xué)參數(shù)和清洗液的物理化學(xué)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(lái)說(shuō)，空化不僅由介質(zhì)特性決定，而且也與聲場(chǎng)有關(guān)?？栈u的高低受到許多因素制約，主要有如下幾個(gè)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(chǎng)的作用下將進(jìn)行振動(dòng)，但不一定發(fā)生崩潰(破滅)，只有當(dāng)聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時(shí)才可能使氣泡破滅，而當(dāng)聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時(shí)，氣泡只進(jìn)行復(fù)雜的振動(dòng)，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)寶化閡與聲波作用時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，聲波幅射時(shí)間越長(zhǎng)，空化闡越低。 （4）空

6、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(duì)空化有利。但清洗液溫度過(guò)高時(shí)，氣泡中蒸氣壓增大，因在氣泡閉合期增強(qiáng)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(duì)于水清洗液較適宜的溫度約為60y。 根據(jù)超聲清洗的機(jī)理我們可選擇最佳狀態(tài)，并得到最佳的清洗效果。還應(yīng)注意到選擇最佳的聲強(qiáng)。聲強(qiáng)過(guò)高會(huì)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(gè)液體空間，因而在遠(yuǎn)離聲源的地方，清洗作用減弱。同時(shí)過(guò)高的聲強(qiáng)，氣泡膨脹

7、過(guò)大，以至于在聲波壓縮相內(nèi)，氣泡來(lái)不及閉合。聲強(qiáng)一般選在1wcm22wcm2，對(duì)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(qiáng)。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專用兩種機(jī)型。 31 通用超聲波清洗機(jī) 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開(kāi)布局兩種形式，一般小功率(200w以下)清洗機(jī)用一體式結(jié)構(gòu)，而大功率清洗機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)。超聲波清洗機(jī)分體式結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要部分組成，如圖4所示。 (1)清洗缸； (2)超聲波發(fā)生器； (3)超聲波換能器； 清洗缸：清洗缸是用來(lái)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。 超聲

8、波發(fā)生器：超聲清洗機(jī)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(lái)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15khz40khzo 超聲清洗機(jī)用的超聲波發(fā)生器，有以下特點(diǎn)： (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(shí)踐表明，槽內(nèi)放進(jìn)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(lái)說(shuō)，由于清洗負(fù)載變動(dòng)較小，可以不要求復(fù)雜的頻率自動(dòng)跟蹤電路。 (3)實(shí)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(jī)用的換能器主要有以下幾種： 磁致伸縮換能器 國(guó)內(nèi)用的磁致伸縮換能

9、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(zhǎng)。缺點(diǎn)為效率較壓電換能器低，原材料鎳片價(jià)格貴。 壓電式換能器 目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)超聲波清洗機(jī)用的是壓電式換能器，勘l形結(jié)構(gòu)如圖5。 這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一臺(tái)清洗機(jī)用多個(gè)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(tái)清洗機(jī)的換能器。換能器基元之間距(對(duì)于頻率20kh4一般在510mm為佳，太大了容易產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，且振動(dòng)板受到腐蝕，同時(shí)輻射面相對(duì)減少。 通用超聲清洗機(jī)清洗零件適用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電子、鐘表、光學(xué)、機(jī)械、汽車、航空、原子能

10、工業(yè)、醫(yī)療器械等許多行業(yè)。 2 專用超聲波清洗機(jī) 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(jìn)料口可傳動(dòng)的不銹鋼專用網(wǎng)帶送人超聲波清洗槽清洗，再經(jīng)噴淋、烘干等工序后出料，實(shí)現(xiàn)被清洗物件可直接包裝入庫(kù)。各工序簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： 進(jìn)料：物件進(jìn)料可采用半自動(dòng)進(jìn)料或 壓電式換能器 目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)超聲波清洗機(jī)用的是壓電式換能器，勘l形結(jié)構(gòu)如圖5。 這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一臺(tái)清洗機(jī)用多個(gè)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(tái)清洗機(jī)的換能器。換能器基元之間距(對(duì)于頻率20kh4一般在510mm為佳，太大了容易產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，且振動(dòng)板受到腐蝕，同時(shí)輻射面相對(duì)減少。 通用超聲清洗機(jī)清洗零件適用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電子、鐘表、光學(xué)、機(jī)械、汽車、航空、原子能工業(yè)、醫(yī)療器械等許多行業(yè)。 32 專用超聲波清洗機(jī) 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(jìn)料口可傳動(dòng)的不銹鋼專用網(wǎng)帶送人超聲波清洗槽清洗，再經(jīng)噴淋、烘干等工序后出料，實(shí)現(xiàn)被清洗物件可直接包裝入庫(kù)。各工序簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： 進(jìn)料：物件進(jìn)料可采用半自