超聲波清洗基礎(chǔ)

??超聲波原理

超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無(wú)數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆。由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒(méi)在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來(lái)。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破壞其工件表面。

氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的。因此，任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個(gè)基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號(hào)的超聲波發(fā)生器。

換能器和發(fā)生器

超聲清洗系統(tǒng)最重要的部分是換能器?，F(xiàn)存兩種換能器，一種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。

將壓電材料放入電壓變化的電場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)發(fā)生變形，這就是所謂的“壓電效應(yīng)”。相對(duì)來(lái)說(shuō)，磁力換能器是用會(huì)在變化的磁場(chǎng)中發(fā)生變形的材料制成的。

無(wú)論使用何種換能器，通常最基本的因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。超聲波和其它聲波一樣，是一系列的壓力點(diǎn)，即一種壓縮和膨脹交替的波（如下圖示）。如果聲能足夠強(qiáng)，液體在波的膨脹階段被推開(kāi)，由此產(chǎn)生氣泡；而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內(nèi)爆，產(chǎn)生一種非常有效的沖擊力，特別適用于清洗。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)做空化作用。

從理論上分析，爆裂的空化泡會(huì)產(chǎn)生超過(guò)10，000psi的壓力和20，000BF(11，100BC)的高溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會(huì)迅速向外輻射。單個(gè)空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內(nèi)有幾百萬(wàn)的空化泡同時(shí)爆裂，累計(jì)起來(lái)的效果將是非常強(qiáng)烈的，產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊力將工件表面的污物剝落，這就是所有超聲清洗的特點(diǎn)。

如果超聲能量足夠大，空化現(xiàn)象會(huì)在清洗液各處產(chǎn)生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔。空化作用也促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并加速了表面膜的溶解。

然而只有在某區(qū)域的液體壓力低于該氣泡內(nèi)氣體壓力時(shí)才會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象，故由換能器產(chǎn)生的超聲波振幅足夠大時(shí)才能滿足這一條件。產(chǎn)生空化所需的最小功率被稱(chēng)做空化臨界點(diǎn)。不同的液體存在不同的空化臨界點(diǎn)，故超聲波能量必須超過(guò)該臨界點(diǎn)才能達(dá)到清洗效果。也就是說(shuō)，只有能量超過(guò)臨界點(diǎn)才能產(chǎn)生空化泡，以便進(jìn)行超聲清洗。

頻率的重要性

當(dāng)工作頻率很低（在人的聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)）就會(huì)產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低于20kHz時(shí)，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應(yīng)用中，通常選擇從20kHz到30kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率。該 頻率范圍內(nèi)的清洗頻率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。TIME 提供20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器。

高頻通常被用于清洗較小、較精密的零件，或清除微小顆粒。高頻還被用于被工件表面不允許損傷的應(yīng)用。使用高頻可從幾個(gè)方面改善清洗性能。隨著頻率的增加，空化泡的數(shù)量呈線形增加，從而產(chǎn)生更多更密集的沖擊波使其能進(jìn)入到更小的縫隙中。如果功率保持不變，空化泡變小，其釋放的能量相應(yīng)減少，這樣有效地減小了對(duì)工件表面的損傷。高頻的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于減小了粘滯邊界層（泊努里效應(yīng)），使得超聲波能夠“發(fā)現(xiàn)”極細(xì)小的微粒。這種情況近似于小溪中水位降低時(shí)可以看清溪底的小石子。

TIME提供了一系列中間頻率的產(chǎn)品，有40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗極微小的顆粒時(shí)，可選用頻率為350kHz的產(chǎn)品。TIME近來(lái)推出了用于此類(lèi)場(chǎng)合的MicroCoustics系統(tǒng)，其頻率為400kHz。

超聲清洗的優(yōu)越性

超聲清洗目前已被認(rèn)識(shí)到的優(yōu)點(diǎn)如下：

高精度：

由于超聲波的能量能夠穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故可以應(yīng)用與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(shí)，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；

快速：

超聲清洗相對(duì)常規(guī)清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多。裝配件無(wú)須拆卸即可清洗。超聲清洗可節(jié)省勞動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)往往使其成為最經(jīng)濟(jì)的清洗方式；

一致：

無(wú)論被清洗件是大是小，簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，單件還是批量或在自動(dòng)流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無(wú)可比擬的均一的清潔度。

超聲清洗工藝及清洗液的選擇

在購(gòu)買(mǎi)清洗系統(tǒng)之前，應(yīng)對(duì)被清洗件做如下應(yīng)用分析：

1. 明確被洗件的材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和數(shù)量；

2. 分析并明確要清除的污物；

3. 決定所要使用的清洗方法，判斷應(yīng)用水性清洗液還是用溶劑，最終需做清洗實(shí)驗(yàn)。

      只有這樣，才能提供合適的清洗系統(tǒng)、設(shè)計(jì)合理的清洗工序以及清洗液。

化學(xué)藥劑的選擇

考慮到清洗液的物理特性對(duì)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(huì)影響空化作用的效率。

任何清洗系統(tǒng)必須使用清洗液。水性系統(tǒng)通常由敞口槽組成，工件浸沒(méi)其中。而復(fù)雜的系統(tǒng)會(huì)由多個(gè)槽組成，并配備循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。

對(duì)于使用溶劑的系統(tǒng)，多為超聲波汽相除油脂清洗機(jī)，常配備廢液連續(xù)回收裝置。超聲波汽相清除油脂過(guò)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(guò)一系列清洗工序后下料的工件發(fā)熱、潔凈、干燥。

選擇清洗液時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)因素：

1. 清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時(shí)，一定要作實(shí)驗(yàn)。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；

2. 操作簡(jiǎn)單：所使用的液體應(yīng)安全無(wú)毒、操作簡(jiǎn)單且使用壽命長(zhǎng)；

3. 成本：最廉價(jià)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(dá)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(jiǎn)便、使用成本低、應(yīng)用廣泛。然而對(duì)于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。

清洗件處理

超聲清洗的另一個(gè)考慮因素是清洗件的上、下料或者說(shuō)是放置清洗件的工裝的設(shè)計(jì)。清洗件在超聲清洗槽內(nèi)時(shí)，無(wú)論清洗件還是清洗件籃都不得觸及槽底。清洗件總的橫截面積不應(yīng)超過(guò)超聲槽橫截面積的70%。橡膠以及非剛化塑料會(huì)吸收超聲波能量，故將此類(lèi)材料用于工裝時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。絕緣的清洗件也應(yīng)引起特別注意。工裝籃設(shè)計(jì)不當(dāng)，或所盛工件太重，縱使最好的超聲清洗系統(tǒng)的效率也會(huì)被大大降低。任何材料，如果網(wǎng)眼高于50目，對(duì)于超聲波就表現(xiàn)出實(shí)體的性能，將超聲波反射回去。當(dāng)網(wǎng)眼大于1/4英寸時(shí)，對(duì)于超聲波才表現(xiàn)出開(kāi)放式材料的性能。鉤子、架子以及燒杯都可用來(lái)支持清洗件。