超聲波清洗原理
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超聲波在超聲波在本質(zhì)上和聲波是一樣的，都是機械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程，超聲波和聲波的區別僅在于頻率范圍的不同。聲波是指人耳能聽(tīng)到的聲音，一般認為聲波的頻率在20～20000赫范圍內，而振動(dòng)頻率超過(guò)20千赫以上的聲波則稱(chēng)為超聲波。超聲波中振動(dòng)頻率在100千赫以下的稱(chēng)為低頻超聲波；振動(dòng)頻率在100千赫以上到數十兆赫的稱(chēng)為高頻超聲波。用于清洗的超聲波所采用的頻率為20～400千赫，屬于低頻及高頻超聲波的范圍。
超聲波清洗時(shí)，在超聲波的作用下，機械振動(dòng)傳到清洗槽內的清洗液中，使清洗液體內交替出現疏密相間的振動(dòng)，液體不斷受到拉伸和壓縮。疏的地方受到拉伸，形成微氣泡(空穴)；密的地方受到壓縮。由于清洗液內部受超聲波的振動(dòng)而頻繁地拉伸和壓縮，其結果使微氣泡不斷地產(chǎn)生和不斷地破裂。微氣泡破裂時(shí)，周?chē)那逑匆阂跃薮蟮乃俣葟母鱾€(gè)方向伸向氣泡的中心，產(chǎn)生水擊。這種現象可以通過(guò)肉眼直接觀(guān)察到，即在清洗液中可以看到有劇烈活動(dòng)的氣泡，而且清洗液上下對流。此時(shí)若將手指浸入清洗液中，則有強烈針刺的感覺(jué)。上述這種現象稱(chēng)為超聲空化作用。
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)因空化現象產(chǎn)生，由沖擊形成的污垢層與表面之間的間隙和空隙滲透，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作用于污垢層，污垢一層層被剝開(kāi)，小氣泡再繼續向前推進(jìn)，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應。
(3)超聲清洗中清洗液的超聲振動(dòng)本身對清洗的作用力
(4)清洗劑也溶解了污垢，產(chǎn)生乳化分散的化學(xué)力。
(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)。對于水清洗液較適宜的溫度約為60度。
在超聲空化作用一定時(shí)間后，被清洗件上的污垢逐漸脫落(當然也有清洗液本身的作用在內)，這就是超聲波清洗的基本原理。
較長(cháng)時(shí)間的超聲空化作用，會(huì )使被清洗件表面的基體金屬有一定程度的剝落，這稱(chēng)為空化的浸蝕作用。
超聲沖擊波能在液體中產(chǎn)生微沖流，具有攪拌作用。在不相溶的兩相液體中，微沖流能促使兩液相面加速互相分散，具有乳化作用。
超聲空化的產(chǎn)生是依附于空化核進(jìn)行的，而被清洗件表面的縫隙正好是空化核的中心。
總之，超聲波清洗是超聲空化作用、浸蝕作用、攪拌作用、乳化作用及空化核作用的綜合表現。其中空化作用在超聲波清洗中是起主要作用的，它能破壞污垢微粒在被清洗件表面的粘附狀態(tài)。再加上微沖流的作用，使清洗液產(chǎn)生振動(dòng)和攪拌，將污垢從被清洗件表面清除干凈。而乳化作用則使清洗下來(lái)的油污很快地分散、乳化在清洗液中。
應當指出，超聲波清洗過(guò)程中，除了超聲波的上述作用外，還有所采用的清洗液的浸潤、浸透、乳化、分散及溶解等作用，其結果必然大大加速清洗過(guò)程，提高清洗效果。
。
4. 超聲波清洗效果及相關(guān)參數：
a.清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般有兩種清洗劑：化學(xué)清洗劑和水基清洗劑。清洗介質(zhì)是化學(xué)作用，而超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結合，以對物體進(jìn)行充分、徹底的清洗。
b. 功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好。單對于精密的、表面光潔度甚高的物體，采用長(cháng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì )對物體表面產(chǎn)生“空化”腐蝕。
c. 超聲波頻率： 超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化越容易，作用也越強。頻率高則超聲波方向性強，適合于精細的物體清洗。
d. 一般來(lái)說(shuō)，超聲波在30oС~40oС時(shí)空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著(zhù)。通常實(shí)際應用超聲波清洗時(shí)，采用30oС~60oС的工作溫度。
5.超聲波清洗特點(diǎn)：
1）、 清洗效果好
就清洗方式而言，運用于工業(yè)清洗的清洗方式一般為手工清洗，有機溶劑清洗，蒸汽氣相清洗，高壓水射流清洗和超聲波清洗。不論工件形狀多么復雜，將其放入清洗液內，只要是能接觸到液體的地方，超聲波的清洗作用都能達到。尤其是對于形狀和結構復雜、手工及其它清洗方式不能完全有效地進(jìn)行清洗的工件，具有顯著(zhù)的清洗效果。清洗時(shí)液體內產(chǎn)生的氣泡非常均勻，工件的清洗效果也非常均勻一致。超聲波清洗可根據不同的溶劑達到不同的效果，如 ：除油、除銹或磷化，配合清洗劑的使用，加速污染物的分離和溶解，可有效防止清洗液對工件的腐蝕。
2）、 清洗成本低
在所有清洗方式中，清洗成本大體可分為：設備成本和消耗成本。超聲波清洗設備使用壽命約為十年，除設備購置成本高于手工清洗和有機堿性溶劑刷洗外，低于氣相清洗和高壓水射流清洗，對于消耗成本，以功率為1KW，價(jià)格約為1萬(wàn)元的超聲波清洗機為例，工作一小時(shí)，耗電1度，費用約為0.5元，堿性金屬清洗劑1公斤，價(jià)格約為20元，可反復使用20-50個(gè)小時(shí)（根據污染程度而定），相當于0.4-1元/小時(shí)，而一般工件清洗時(shí)間僅為3-15分鐘即可，且一次清洗可對一定數量及體積的工件同時(shí)清洗，因此對于消耗成本而言，采用超聲波清洗，不僅清洗效果最好，而且清洗成本相當于不到0.04元/件，還不算節省的勞動(dòng)力成本，遠遠低于其他各類(lèi)清洗方法。
3）、超聲波清洗與其他清洗方法的比較：
清洗方法 | 吹式清洗 | 浸潤式清洗 | 蒸氣式清洗 | 刷子清洗 | 超聲清洗 |
殘留物％ | 86 | 70 | 65 | 8 | 0．5 |
4) 超聲波清洗還可有效地降低污染，減少有毒溶劑對人類(lèi)的損害， 有清洗潔凈度高、清洗速度快等。
超 聲 波 設 備 的 組 成
標準超聲波清洗設備由三部分組成：超聲波發(fā)生器（又稱(chēng)超聲波電源）、換能器及其它的輔助系統。超聲波發(fā)生器將工頻電轉變成 28KHZ以上的高頻電信號，通過(guò)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，清洗槽內裝滿(mǎn)了液體，當換能器被加上高頻電壓后，它的壓電陶瓷元件在電場(chǎng)作用下便產(chǎn)生縱向振動(dòng)。超聲波換能器（又稱(chēng)聲頭）是一種高效率的換能元件，能將電能轉換成強有力的超聲波振動(dòng)，在產(chǎn)生超聲波振動(dòng)時(shí)，仿佛是一個(gè)小的活塞，振幅很小，約只有幾微米。但這個(gè)振動(dòng)加速度很大（幾十至幾千個(gè)g）；槽上具有許多個(gè)換能器，施加相同的頻率及相位的電能時(shí)，就合成了一個(gè)巨大的活塞進(jìn)行往復振動(dòng)，這種振動(dòng)的現象，就是平時(shí)我們所說(shuō)的超聲波。以下是超聲波的組成部分說(shuō)明：
(1)換能器：采用特種鋯酸鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷片組成的三明治式的振動(dòng)頭具有效率高、壽命長(cháng)、不易發(fā)生故障的優(yōu)點(diǎn)。換能器采用特種耐高溫、耐振動(dòng)、高粘度的樹(shù)脂膠輔以特殊的方法加以固定絕不脫落，且可耐受100℃~150℃的高溫
(2)超聲波發(fā)生器（電源）：采用功率MOS管超聲波發(fā)生器，電路先進(jìn)，結構完整，輔以靈敏可靠的集成控制系統，保證了超聲波清洗機在各種負載下穩定工作。發(fā)生器體積小巧，外觀(guān)新穎，操作十分簡(jiǎn)便，產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)水準可與國外同類(lèi)產(chǎn)品相媲美，一經(jīng)推出便受到了同行的重視，更得到了廣大用戶(hù)的歡迎。各種超聲波發(fā)生器可獨立工作，亦可多組并聯(lián)使用，以完成大規模清洗工程。維修簡(jiǎn)單，若有一組發(fā)生故障時(shí)，不影響其它各組的工作，此點(diǎn)對于生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，更為重要。機箱內裝有散熱風(fēng)扇施行強制冷風(fēng)，確保長(cháng)期工作的安全性。
(3)加熱及溫度控制系統：加熱器采用鑄鋁加熱片，可耐酸堿，壽命長(cháng)。加熱的目的是將清洗劑加熱以增加清洗機的洗滌效果，溫度自動(dòng)控制，可在適當范圍內隨意調整
(4) 清洗槽：清洗槽采用SU304不銹鋼經(jīng)氬弧焊焊制而成，槽體上設置有排渣檢修口、保溫隔聲層等
(5)槽液循環(huán)過(guò)濾系統：在該系統中設有過(guò)濾器，對槽液進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)濾，以維持槽液的清潔度。當工件出槽，經(jīng)過(guò)過(guò)濾的液體流經(jīng)槽體上部的噴淋環(huán)節對工件進(jìn)行一次沖洗，以便沖掉工件出槽，以避免其對下道槽液造成污染 。
(6)輸送系統：根據被清洗工件的形狀、體積、批量等確定超聲波清洗機的輸送方式及控制方式。典型的輸送方式有——懸鏈、網(wǎng)帶、雙鏈、步進(jìn)、電葫蘆、自行葫蘆、滾筒、轉盤(pán)、龍門(mén)架、機械手、吊籃、推盤(pán)等等。
(7)噴淋漂洗系統：根據被清洗工件的表面狀況，有的清洗機配備噴淋漂洗工序，將超聲波清洗和噴淋清洗有機地結合起來(lái)。
(8)烘干系統：根據被清洗工件的狀況，有的清洗機配備烘干系統，烘干系統主要由加熱器、風(fēng)機、吹風(fēng)噴嘴等組成，溫度自動(dòng)控制。
超聲波設備的應用
7、清洗應用表
應用例舉如下：
1）.電鍍前處理
電鍍工藝，對工件表面清潔度要求較高，而超聲波清洗技術(shù)是能達到此要求的理想技術(shù)。利用超聲波清洗技術(shù)，可以替代溶劑清洗油污 ；可以替代電解除油；可以替代強酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵銹及氧化皮。近年來(lái)諸多電鍍廠(chǎng)商采用超聲波清洗技術(shù)設備，替代電鍍線(xiàn)原有的酸堿處理工位獲得成功，使電鍍件質(zhì)量及產(chǎn)量較原來(lái)有更大提高，并改善了生產(chǎn)環(huán)境?！ ?
冷軋鋼板表面一般有油、污或少量鐵銹，要洗干凈比較容易，但經(jīng)一般方法清洗后，工件表面仍殘留一層非常細薄的浮灰，影響后續加工質(zhì)量，有時(shí)不得不再采用強酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而采用超聲波清洗并適當的清洗液，可方便快捷地實(shí)現工件表面徹底清潔，并使工件表面具有較高的活性，有時(shí)甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。
傳統的辦法是采用鹽酸或硫酸浸泡清洗。如采用超聲波綜合處理技術(shù)，可以快捷地在幾分鐘內同時(shí)去除工件表面的油、銹、并避免了因強酸清洗伴隨產(chǎn)生的氫脆問(wèn)題?！ ?
2）.制藥工業(yè)
超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過(guò)眾多制藥企業(yè)的應用而得到廣泛使用，特別是對西林瓶、口服液瓶、安瓶、大輸液瓶的清洗以及對丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面，已經(jīng)得到首肯。對于瓶類(lèi)的清洗，是用超聲波清洗技術(shù)代替原有的毛刷機，它經(jīng)過(guò)翻轉注水、超聲清洗、內外沖洗、空氣吹干、翻轉等流程而實(shí)現的?！ ?
3）.濾芯
無(wú)論何種用途的過(guò)濾器，使用一段時(shí)間后，都會(huì )由于雜質(zhì)而造成通透性降低而報廢，普通濾芯價(jià)格較低還可以，但對于化纖行業(yè)，一只進(jìn)口濾芯，價(jià)格近萬(wàn)元，棄之實(shí)在可惜。若用超聲波濾芯清洗機，采用聚能型超聲波清洗機，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的輻射面上，超聲強度大，能夠快速將堵塞物去除。。適用于PP綿濾芯、活性炭濾芯、中空纖維濾芯陶瓷膜濾芯?！?
4）.金屬
眾所周知，金屬棒材經(jīng)擠壓成絲后，金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很難讓污物去除（尤其整盤(pán)絲），超聲波洗絲機是根據實(shí)際生產(chǎn)需要而設計的一種連續走絲，高效清洗設備，粗洗部分由清洗液儲槽、換能器、循環(huán)泵、過(guò)濾器及配套管道系統組成，金屬絲經(jīng)超聲波粗洗精洗后，再經(jīng)過(guò)吹干，從而完成整個(gè)清洗過(guò)程。整套設備集成控制，簡(jiǎn)潔、方便、效果好，廣泛用于鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲（絕緣漆涂覆前）等其它金屬絲?！ ?
5.）日常生活清洗
日常生產(chǎn)中，眼鏡、首飾都可以用超聲波進(jìn)行清洗，速度快，無(wú)損傷，大型的賓館、飯店用它清洗餐具，不僅清洗效果好，還具有殺滅病毒的作用。
6） 其他：
超聲攪拌：加快溶解，提高均勻度，加快物理化學(xué)反應，防止過(guò)腐蝕，加速油水乳化，如：
溶劑染料混合，超聲磷化等。
超聲凝聚：加速沉淀，分離，如：種子浮選，飲料除渣等。
超聲殺菌：殺滅細菌及有機污染物，如：污水處理，除氣等。
超聲粉碎：降低溶質(zhì)顆粒度，如：細胞粉碎，化學(xué)檢測等。
超聲封孔：排除間隙氣體，提高整體密度，如：工件浸漆等
超聲波清洗技術(shù)在以上和其它領(lǐng)域的應用十分廣泛，甚至應用到日常生活中清洗金銀首飾、酒店餐飲具等，大大提高了工作效率和清洗質(zhì)量。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，超聲波清洗技術(shù)將被更普遍地應用在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。
選用超聲波清洗設備時(shí)要考量的問(wèn)題
一、功率的選擇
? ? 超聲波清洗效果不一定與（功率 × 清洗時(shí)間）成正比，有時(shí)用小功率，花費很長(cháng)時(shí)間也沒(méi)有清除污垢。而如果功率達到一定數值，有時(shí)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(shí)使較精密的零件也產(chǎn)生蝕點(diǎn)，得不償失，而且清洗缸底部振動(dòng)板處空化嚴重，水點(diǎn)腐蝕也增大，在采用三氯乙烯等有機溶劑時(shí)，基本上沒(méi)有問(wèn)題，但采用水或水溶性清洗液時(shí)，易于受到水點(diǎn)腐蝕，如果振動(dòng)板表面已受到傷痕，強功率下水底產(chǎn)生空化腐蝕更嚴重，因此要按實(shí)際使用情況選擇超聲功率。
二、頻率的選擇
?? 超聲清洗頻率從十幾 kHz 到 100kHz 之間，在使用水或水清洗劑時(shí)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(shí)，用 400kHz 。若用寬帶調頻清洗，效果更良好。
三、清洗籃的使用
?? 在清洗小零件物品時(shí)，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。當頻率為 28khz 時(shí)使用 10mm 以上的網(wǎng)眼為好。當然有時(shí)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(zhuān)門(mén)制作。
四、清洗液溫度的選擇
?? 水清洗液最適宜的清洗溫度為 40-60℃ ，尤其在天冷時(shí)若清洗液溫度低空化效應差，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(jìn)行溫度控制，當溫度升高后空化易發(fā)生，所以清洗效果較好。當溫度繼續升高以后，空泡內氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降，反應出這兩因素的相乘作用。
五、關(guān)于清洗液量的多少和清洗零件的位置的確定
?? 一般清洗液液面高于振動(dòng)子表面 100mm 以上為佳。由于單頻清洗機受駐波場(chǎng)的影響，波節處振幅很小，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放在波幅處。
六、超聲波清洗工藝及清洗液的選擇
在購買(mǎi)清洗系統之前，應對被清洗件做如下應用分析： 明確被洗件的材料構成、結構和數量， 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(shí)驗來(lái)驗證。只有這樣，才能提供合適的清洗系統、設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、黏度以及密度應為最顯著(zhù)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。 任何清洗系統必須使用清洗液。
。選擇清洗液時(shí)，應考慮以下三個(gè)因素：
1 ．清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時(shí)，一定要做實(shí)驗。如在現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：所使用的液體應安全無(wú)毒、操作簡(jiǎn)單且使用壽命長(cháng)；
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。當然，所選擇的清洗溶劑必須達到清洗效果，并應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操作簡(jiǎn)便、使用成本低、應用廣泛。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(dòng)將工件表面的污垢剝離脫落，同時(shí)還可將油脂性的污物分解、乳化，
3）冷漂洗：利用流動(dòng)的凈水將已脫落但尚浮在工件表面上污物沖洗干凈。
4）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(jìn)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。
七、不同的清洗液，要區分的清洗系統
水性系統：通常由敞口槽組成，工件浸沒(méi)其中。而復雜的系統會(huì )由多個(gè)槽組成，并配備循環(huán)過(guò)濾系統、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。
溶劑系統：多為超聲波汽相除油脂清洗機，常配備廢液連續回收裝置。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。
八、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計。清洗件在超聲清洗槽內時(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)應謹慎。絕緣的清洗件也應引起特別注意。工裝籃設計不當，或所盛工件太重，縱使最好的超聲清洗系統的效率也會(huì )被大大降低。鉤子、架子以及燒杯都可用來(lái)支持清洗件。
九、機器工作方式
根據每天工作時(shí)間、待清洗工件種類(lèi)、待清洗工件數量、清洗溶劑種類(lèi)、和投入資金來(lái)選用全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)等工作方式和傳動(dòng)部件。
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