超声波清洗的应用工艺(精华好文章）

超声波清洗的应用工艺(精华好文章）

一、超声波清洗作用原理

超声波清洗设备由两部分组成：超声波发生器（又称超声波电源）和换能器。超声波发生器将工频电能转变成20KHZ以上的高频电信号，通过高频电缆输送到换能器上，一般超声波换能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽内装满了液体，当换能器被加上高频电压后，它的压电陶瓷元件在电场作用下便产生纵向振动，超声波换能器（又称振子、声头）是一种高效率的换能元件，能将电能转换成强有力的超声振动，在超声超声波振动时，仿佛是一个小的活塞，振幅很小，约有几微米，但这个振动加速度很大（几十至几千个g）槽上具有多个换能器，施加相同的频率及相位的电能时，就合成了一个巨大的活塞进行往复振动，这个振动通过固定在底板的换能器传播到清洗液中，振动在清洗液中传播就达到了对浸入其中工件清洗的目的。
1.空化作用（CAVITAION）

在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：清洗效果和超声波在液体中产生的“空化”强度有密切关系，超声波振荡在液体中传播，当其声波压强达到一个大气压时，超声波功率密度约为0.35瓦/cm²，这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值就可以轻易达到真空或负压，但实际上是无负压现象存在的，因而在液体中产生一个很大的力，将液体分子拉裂成空洞（空化核），此空洞为真空或非常接近真空，此空洞在信号电压（或超声波压强）值下一个半周达到最大时，由于周围的压力的增大而被压碎，此时液体分子激烈碰撞产生冲击波的现象被称为“空化”作用。这种空化作用非常容易在固体与液体的交界处产生，因而对于浸入超声作用下的液体中的物体具有超乎寻常的清洗作用。另外，由于超声波具有很强的穿透固体的作用，所以，这种“空化”作用对浸入超声波作用下的液体中的物体内外表面（如管件）均能得到清洗，这就是超声波清洗优于其它传统清洗手段的重要方面。

2.超声波清洗和其它传统清洗手段效果比较

由于超声波的空化作用，其清洗效果远远优于其它传统清洗手段所能达到的清洗效果。在以往的传统清洗手段中费时又费工，清洁度很难达到要求，因此产品质量上不去，严重影响了企业的生产发展，在当今社会高科技发展潮流中，各行各业竞争相当激烈，企业要能立足于当今的社会，那么产品质量一定要过硬，高品质的产品是离不开高清洁度的零部件的，以往的传统清洗手段已无法适应于高清洁度的零部件清洗需要。在七十年代中期，国内的超声波清洗机终于问世。它的发展也经历了电子管式、闸管式、晶体管式及VMOS管式等几个阶段。电子管式超声波清洗机因为管子自身的弱点，已很少生产。之后国内外所生产的晶闸管式，由于受到器件本身特性的限制，多为2KW以下，工作频率也较低，约为20KHZ而且其效率仅达80%左右，故障率较高。发展到晶体管及VMOS管式超声波清洗机，因为受管子容量的限制，只适用于小功率的超声波清洗机，且控制电路也比较复杂。无锡雷士超声波设备有限公司从事研制超声波清洗设备已有多年的历史，从国外引进先进技术，采用进口元器件及原材料配套，水仙研制出系列电路频率自动跟踪的超高频、高功率、性能稳定的超声波清洗机，该机体积小、重量轻、操作简便，效率大95%以上，功率因数达到0.95以上。从而满足了广大用户特定的清洗要求。并可根据生产规模，设立多个工位的清洗线，综合应用各种清洗手段对工件做彻底的清洗。

3.超声波清洗力的来源

超声波清洗一般采用两种清洗剂：化学溶剂和水粉剂。就对污物油脂来说均有溶解渗透作用，这是一种化学作用力。而超声波的空化作用却是物理性的。超声波清洗是结合了化学作用和物理作用。首先靠化学作用对污物进行渗透溶解，然后通过超声波空化作用的产生的冲击力将物体表面的污物层剥离，对之进行搅拌分散乳化，并防止已脱离物件表面的污物重新附着在物体上。

二、超声波清洗及其适用性

超声波清洗是洗涤时在清洗液中引入产生振动以加速和加强洗涤作用的一种方法。超声波清洗具有效率高，速度快，清洗质量好等优点，对于几何复杂或清洗质量要求严格的精密制件，采用超声波清洗往往能获得良好的清洗效果。

超声波清洗的原理主要是由于在清洗液中引入产生振动，使清洗液中产生了空化作用，由于空化作用产生的强大机械力将制件上所粘附的机械杂质，油垢等剥落，同时超声振动的引入加强和加速了清洗液的乳化和增溶作用，使油垢等杂质更易脱落，从而加速了洗涤过程。

超声波清洗发展到今天，已在工业的各个领域乃至人们的日常生活中得到了广泛的应用。国内外生产实践证明，超声波清洗是现代工业非常有效和不可或缺的清洗手段。超声波清洗主要用于严格的场合，尤其是在元器件生产过程中，以及经过精密加工，几何形状复杂的制件，如射油泵和喷油嘴的柱塞、套筒、出油阀体、出油阀座、光学仪器、钟表零件、精密传动部件、高精度轴承、汽车工业的漆前处理，电镀行业的镀前处理，真空离子镀的镀前处理等等，已越来越离不开超声波清洗。值得一提的是，采用雷士牌超声波清洗机和雷士超声波厂研制的独特清洗工艺，将在提高清洗效率尤其是减少环境污染等方面带来革命性的变化。因为采用该套技术，可以用弱酸或无酸取代强酸，却能够得到同样甚至更佳的清洗效果。

三、超声波清洗效果相关的物理量与有关的清洗工艺因素

超声波清洗工艺的选择主要是指清洗液的选择和配制，超声波清洗的方式，清洗液的温度，超声波的频率，超声波的功率密度以及清洗时间等因素的选择。

选用合适的清洗液，对于超声波清洗效果具有很大影响，由于超声波清洗的原理主要是空化作用，所以选择清洗液时除了依据制件本身的材料，油垢或机械杂质的主要组成外，还必须考虑选择的清洗液粘度要小，表面张力要小，以利于清洗液的空化。在清洗质量要求严格的情况下，还常常采用几种不同的清洗液，分槽或依次进行超声波清洗，而每种清洗液的作用各有不同，如光学零件的清洗采用三氯乙烯，氢氧化钠水溶液合成洗涤剂，水和酒精灯各种清洗液。又如半导体器件的清洗采用丙酮，1#混合清洗液，2#混合清洗液和去离子水等等。经多种清洗液的多次清洗，制件表面达到了预期的效果。合成洗涤剂清洗液由于成本低，效果好以及作用安全而越来越广泛被采用。

最常见的超声波清洗形式是槽内浸洗，即将制件浸入盛有清洗液的超声波清洗槽内，超声波换能器产生的超声振动又清洗槽底辐射至清洗液内进行清洗。这对于中小型制件尤为适宜。对于尺寸和重量都较大的制件可采用局部清洗法，即将制件局部浸入清洗液进行清洗，待清洗完毕后再将未经清洗的部分浸入清洗液进行清洗，直至完全洗遍。另一种方法是根据大型制件的形状和局部清洗的部位要求，将超声波换能器设计成特殊形状来实现局部清洗，对于清洗要求严格的制件采用不同清洗液，分槽依次进行超声波清洗，此外，还可与其它清洗方法配合，如电子元件的清洗是加热浸洗和超声波清洗配合使用。对于油脂特稠，特厚的制件，也常常采用加热浸洗或高温喷洗，然后再用超声波清洗的多步清洗法。对于几何形状过分复杂，如有大小不等的孔穴凹角的制件，可采用多频率清洗，即在几种不同的超声波频率作用下进行清洗。

引入清洗液的超声振动频率，对于超声波清洗的效果又很大影响，这是由于超声波频率对于空化作用影响很大的缘故，一般采用20KHZ左右，在20KHZ左右的空化作用易于产生，清洗效果较为明显，但对于表面光洁度要求很高，具有较小直径的孔或狭缝，宜用波长较短，能量集中的高频超声波清洗，又是频率可达800KHZ左右，但高频的超声振动在清洗液中衰减较大，作用距离较短，空化强度也弱，清洗效率较低，而且由于高频的方向性而产生的阴影区使制件的有些部位清洗不到，在使用无频率跟踪的超声波清洗装置时，需要经常调节发生器的频率旋钮，使其输入信号的频率与换能器的固有振动频率保持一致，此时空化最强，在透明的液体中可以看到有很多白色聚流，以手试探犹如针刺感觉。

为了提高超声波清洗效率。往往采用较高的功率密度，但太高的功率密度会由于空化作用太强而引起对制件表面的侵蚀（即空化腐蚀），使制件受损，这对于具有各类镀层或铝及铝合金制件尤为突出，过分的提高功率密度还由于饱和作用也无效果。对于油污严重，形状复杂，有深孔盲孔的制件，要求清洗槽较深，清洗液粘度较大，并选用较大的功率密度，高频超声清洗的功率密度也较大，在以水或酒精等清洗漂洗时功率密度可以取小些。

由于清洗液的空化作用与其温度相关，温度升高有利于空化，但随之蒸气压也相应增加，超过一定的温度反而使空化作用降低，因此必须保持一定的温度范围，如水溶剂清洗液一般在45℃左右，三氯乙烯清洗液在75℃左右，水则为60℃左右，对于易蒸发易燃的清洗液不宜温度太高。

超声波清洗的效果和质量与超声波清洗的时间有关，时间太短不能达到清洗的质量要求，但时间太长不仅效率低，而且由于制件表面发生空化腐蚀而影响质量，油污严重，形状复杂的制件清洗时间宜长一些，具有各类镀层的制件，铝及铝合金制件清洗时间不宜过长。表面光洁度较高的制件，一般情况下，油污相对小些，清洗时间也不宜过长，具体情形时间的确定须经过实验而定。

为了提高清洗效果，保证超声波清洗装置的正常使用,被清洗的制件在清洗槽内的位置是值得注意的，首先应避免将制件直接压在超声振动的辐射面上，以至于辐射面不能发生预期的振动，而使清洗装置达不到正常的工作状态，这对于重量较大的制件尤为重要。制件应采用专用工具悬挂于清洗槽内并尽量接近辐射面。第二，须将重点清洗部位对准超声波源。第三，应考虑被洗下的污物能顺利排出制件。第四，要便于清洗液在清洗槽内对流。在采用清洗液循环使用和不断补充作用的方法时，进液速度不宜太快，否则由于补入的清洗液内含气太多，会减弱空化作用。

对于盲孔的清洗，应先在盲孔内灌满清洗液，然后将盲孔向下对准超声源，在清洗过程中，必须一直保持孔内充满清洗液，才能取得显著效果。

超声波清洗槽应避免撞击和忽冷忽热，避免损坏其与换能器的连接。

有些直接采用超声波清洗时，应先退磁，否则残存的铁屑不易消除。

超声波清洗质量的检查如同其它清洗方法一样，主要检查经清洗后的制件表面的污垢残存物。

四、超声波清洗装置

超声波清洗装置，其主要由超声波换能器，清洗槽及发生器三部分组成，此外，可浮油清洗液循环过滤装置（如泵，过滤器，加热器）以及制件的传送装置。

超声波换能器是超声波清洗装置的关键组成部分，其作用是将电气震荡转换成弹性机械振动，常用的换能器由其工作原理而言有磁致伸缩式换能器和压电陶瓷式换能器两种。从工作频率来分，有高频换能器（一般工作在几百KHZ）和低频换能器（一般工作在几十KHZ）。为了取得高的转换率，换能器均工作在其固有共振频率。

超声波清洗槽类似一个容器，内盛清洗液及被洗制件，一般情况下，换能器直接连接（粘接或焊接）在清洗槽底部。将清洗槽作为超声振动辐射板，为了使其有较好的耐腐蚀性，耐疲劳性和导声性能，清洗槽或超声振动辐射板常用不锈钢制成。

在超声波清洗装置最佳工作状态下，超声波发生器的输出阻抗与换能器总的动态装相一致。发生器的工作频率与换能器的工作频率相一致。因此要求同一发生器所用的换能器阻抗相接近，以致各个换能器负荷均衡，同时要求各换能器的工作频率应一致（相差应在±0.1%），以使在同一频率下均有较高的转换率。

超声波清洗装置空化强度的估计，可采用铝箔法：测定铝箔的空化腐蚀；化学法：用氯离子的释放；以及空化计法：测量空化噪音。

对于成批的清洗要求严格，采用多步超声波清洗法，其常常组成一定形式的组合装置，比如直线步进式多步清洗装置。

超声波清洗的发展应是适用于大型制件，扩大清洗范围，使局部清洗，多频清洗装置通用化，进一步提高操作机械自动化程度，超声波清洗器目前调试和检修比其他方法复杂，所以需要专业的超声波设备厂家来进行，无锡雷士超声波设备有限公司提供这样的测试项目。

五、清洗工艺流程说明

一般来说，清洗的工艺流程依照被清洗物体清洗的难易程度及清洗数量决定，主要清洗流程如下：

1. 热浸洗：目的是将工件上的污染物软化、分离、溶解。

2. 超声波清洗：利用超声波产生的强烈空化作用振动，将工件表面的污垢剥离脱落，同时将油脂性的污物分解、乳化。

3. 冷漂洗：利用流动的净水将已经脱落尚浮在工行表面的污物冲洗干净。

4. 超声波漂洗：溶剂为干净的清水，工件浸入后，利用超声波将浮在工件各边，角以及孔隙处污物清洗干净。

5. 热净水及冷净水漂洗：进一步去除悬附在工件表面上的污物颗粒。