超聲波清洗

超聲波是一種頻率超出人類聽覺范圍20 kHz以上的聲波。超聲波的傳播要依靠彈性介質(zhì)，其傳播時(shí),使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩,并通過介質(zhì)按超聲波的傳播方向傳遞能量,這種波可分為縱向波和橫向波。在固體內(nèi),兩者都可以傳送,而在氣體和液體內(nèi),只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度與超聲頻率的平方成正比。因此,幾十千赫茲的超聲會(huì)產(chǎn)生極大的作用力,強(qiáng)超聲波在液體中傳播時(shí),由于非線性作用,會(huì)產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時(shí)發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力,對(duì)污層的直接反復(fù)沖擊,一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面也會(huì)引起污物層的破壞而脫離清洗件表面并使它們分散到清洗液中。氣泡的振動(dòng)也能對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動(dòng),使污物脫落。對(duì)于有油脂性污物,由于超聲空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí),油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動(dòng)過程中會(huì)使液體本身產(chǎn)生環(huán)流,即所謂聲流。他可使振動(dòng)氣泡表面存在很高的速度梯度和粘滯應(yīng)力,促使清洗件表面污物的破壞和脫落,超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層,腐蝕固體表面,增加攪拌作用,加速可溶性污物的溶解,強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動(dòng)在清洗液中引起質(zhì)點(diǎn)很大的振動(dòng)速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊。 [1]

影響清洗因素

清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般有兩類清洗劑即化學(xué)溶劑和水基清洗劑。清洗介質(zhì)的化學(xué)作用可以加速超聲波清洗效果，超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結(jié)合，依對(duì)物件進(jìn)行充分、徹底的清洗。

功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，速度越快，清洗效果越好，但對(duì)于精密的表面光潔度甚高的物件，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)對(duì)物件表面產(chǎn)生空化、腐蝕。

超聲頻率：適用于工件粗、臟、初洗，頻率高則超聲波方向性強(qiáng)，適合于精細(xì)的物件清洗。

清洗高溫：一般來說，超聲波在30℃~40℃時(shí)的空化效果最好，清洗劑也不是溫度越高，作用越顯著，有可能會(huì)高溫失效，通常超聲波在超過85°C時(shí)，清洗效果已變差。所以實(shí)際應(yīng)用超聲波清洗時(shí)，采用50°C~70°C的工作溫度。 [1]

超聲波清洗技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代早期,當(dāng)時(shí),位于美國(guó)新澤西州的美國(guó)無線電公司的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)人員嘗試用自制的簡(jiǎn)陋超聲波清洗系統(tǒng)清洗某些物體,但試驗(yàn)未獲成功。在此基礎(chǔ)上,超聲波清洗技術(shù)在20世紀(jì)50年代有了很大的發(fā)展,當(dāng)時(shí)使用的超聲波工作頻率在20～ 40 kHz之間。該范圍內(nèi)的超聲波被應(yīng)用在數(shù)千種不同的工作場(chǎng)合下,其中許多是別的清洗手段不能很好發(fā)揮作用的場(chǎng)合。超聲波可以對(duì)工件施加非常巨大的能量,尤其適用于清除牢固地附著在基底上的污垢。然而在某些情況下,超聲波強(qiáng)大的能量也會(huì)損傷粘有污垢而性質(zhì)脆弱的基底材料。在過去的十幾年中,超聲波領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些技術(shù)革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全系數(shù)。在此期間,超聲波技術(shù),特別是中高頻超聲波清洗技術(shù)有了新的發(fā)展,并成為行業(yè)的亮點(diǎn)。

近年來,人們發(fā)現(xiàn)用兆聲波(根據(jù)超聲波的頻率不同,把40 kHz及其以下的稱為常規(guī)或低頻超聲波,把1 000 kHz以上的稱為高頻超聲波,又稱兆頻超聲波,簡(jiǎn)稱兆聲波)清洗可以去除掉半導(dǎo)體材料表面上的超細(xì)污垢微粒,并且不會(huì)損傷基底材料的表面。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了很快的普及。 [1]

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

1)熱浸洗或噴洗: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(fù)荷。

2)超聲波清洗:利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)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)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。 [2]

超聲波清洗機(jī)由以下幾部分組成:

1)超聲波系統(tǒng):包括換能器和超聲波發(fā)生器。

(1)換能器:換能器采用特種耐高溫、耐振動(dòng)、高粘度的樹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:大功率超聲波發(fā)生器可由超音頻IGBT電力電子器件為主要元件構(gòu)成,該種超聲波發(fā)生器電路先進(jìn),結(jié)構(gòu)完整,輔以靈敏可靠的集成控制系統(tǒng)。各種超聲波發(fā)生器可獨(dú)立工作,亦可多組并聯(lián)使用,以完成大規(guī)模清洗工程。

2)加熱及溫度控制系統(tǒng)。加熱器通常采用不銹鋼管材制成,可耐酸堿。加熱的目的是將清洗劑加熱以增加清洗機(jī)的洗滌效果。溫度自動(dòng)控制,可在適當(dāng)范圍內(nèi)隨意調(diào)整。

3)清洗槽:清洗槽一般采用不銹鋼經(jīng)氬弧焊焊制而成,槽體上設(shè)置有排渣檢修口、保溫隔聲層等,要保證水位至少應(yīng)高出換能器盒200 mm以上。

4)槽液循環(huán)過濾系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中設(shè)有過濾器,對(duì)槽液進(jìn)行動(dòng)態(tài)過濾,以維持槽液的清潔度。當(dāng)工件出槽,經(jīng)過過濾的液體流經(jīng)槽體上部的噴淋環(huán)節(jié)對(duì)工件進(jìn)行一次沖洗,以便沖掉工件出槽時(shí)表面粘附的油污,以避免其對(duì)下道槽液造成污染。

5)輸送系統(tǒng):根據(jù)被清洗工件的形狀、體積、批量等確定超聲波清洗機(jī)的輸送方式及控制方式。

6)噴淋漂洗系統(tǒng):根據(jù)被清洗工件的表面狀況,有的清洗機(jī)配備噴淋漂洗工序,將超聲波清洗和 噴 淋 清 洗 有機(jī)地結(jié)合起來。

7)烘干系統(tǒng)：根據(jù)被清洗工件的狀況,有的清洗機(jī)配備烘干系統(tǒng),烘干系統(tǒng)主要由加熱器、風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)噴嘴等組成溫度自動(dòng)控制。

超聲波清洗劑技術(shù)特點(diǎn)

清洗效果好，清潔度高且全部工件清潔度一致。

清洗速度快，提高生產(chǎn)效率，不須人手接觸清洗液，安全可靠。

對(duì)深孔、細(xì)縫和工件隱蔽處亦可清洗干凈。

對(duì)工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工。

超聲波清洗方式超過一般以的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜，象一些表面凹凸不平，有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對(duì)清潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機(jī)械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。超聲清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)—清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相同的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡。

這些氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)迅速閉合。在這種被稱為“空化”效應(yīng)的過程中，氣泡閉合可形成超過1000大氣壓的瞬間高壓，連續(xù)不斷地產(chǎn)生瞬間高壓就象一連串小“爆炸”不斷地沖擊物件表面，使物件的表面及縫隙中的污垢迅速剝落，從而達(dá)到物件表面凈化的目的。

超聲波清洗的作用機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面：因空化泡破滅時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，污垢層的一部分在沖擊波作用下被剝離下來、分散、乳化、脫落。因?yàn)榭栈F(xiàn)象產(chǎn)生的氣泡，由沖擊形成的污垢層與表層間的間隙和空隙滲透，由于這種小氣泡和聲壓同步膨脹，收縮，象剝皮一樣的物理力反復(fù)作用于污垢層，污垢層一層層被剝離，氣泡繼續(xù)向里滲透，直到污垢層被完全剝離。這是空化二次效應(yīng)。超聲波清洗中清洗液超聲振動(dòng)對(duì)污垢的沖擊。超聲加速化學(xué)清洗劑（RT-808超聲波清洗劑）對(duì)污垢的溶解過程，化學(xué)力與物理力相結(jié)合，加速清洗過程。

超聲波清洗的主要參數(shù)

頻率：20~90KHz

清洗介質(zhì)：采用超聲波清洗，一般兩類清洗劑：化學(xué)溶劑、水基清洗劑（RT-808超聲波清洗劑）等?！∏逑唇橘|(zhì)的化學(xué)作用，可以加速超聲波清洗效果，超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結(jié)合，以對(duì)物件進(jìn)行充分、徹底的清洗。

功率密度：功率密度=發(fā)射功率（W）/發(fā)射面積（cm2）通?！?.3W/cm2，超聲波的功率密度越高，空化效果越強(qiáng)，速度越快，清洗效果越好。但對(duì)于精密的、表面光潔度甚高的物件，采用長(zhǎng)時(shí)間的高功率密度清洗會(huì)對(duì)物件表面產(chǎn)生“空化”腐蝕。

超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生的空化越容易，產(chǎn)生的力度大，作用也越強(qiáng)，適用于工件（粗、臟）初洗。頻率高則超聲波方向性強(qiáng)，適用于精細(xì)的物件清洗。

清洗溫度：一般來說，超聲波在30℃-40℃時(shí)的空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著。通常實(shí)際應(yīng)用超聲波時(shí)，采用50℃-70℃的工作溫度。

超聲波清洗廣泛應(yīng)用于表面噴涂處理行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、電子行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、鐘表首飾行業(yè)、光學(xué)行業(yè)、紡織印染行業(yè)。其他行業(yè)等，并由易凈超聲波清洗提供，具體如下：

1、 表面噴涂處理行業(yè)：（清洗的附著物：油、機(jī)械切屑、磨料、塵埃、拋光蠟）電鍍前的清除積炭、清除氧化皮、清除拋光膏、除油除銹、離子鍍前清洗、磷化處理，金屬工件表面活化處理等。不銹鋼拋光制品、不銹鋼刀具、餐具、刀具、鎖具、燈飾、手飾的噴涂前處理、電鍍前清洗。

2、機(jī)械行業(yè)：（清洗的附著物：切削油、磨粒、鐵屑、塵埃、指紋）

防銹油脂的去除；量具的清洗；機(jī)械零部件的除油除銹；發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)零件、變速箱、減振器、軸瓦、油嘴、缸體、閥體、化油器及汽車零件及底盤漆前除油、除銹、磷化前的清洗；過濾器、活塞配件、濾網(wǎng)的疏通清洗等。精密機(jī)械部件、壓縮機(jī)零件、照相機(jī)零件、軸承、五金零件、模具、尤其在鐵路行業(yè)，對(duì)列車車廂空調(diào)的除油去污、對(duì)列車車頭各部件的防銹、除銹、除油非常適合。

4、醫(yī)藥行業(yè)：（清洗的附著物：血液、明膠、塵、指紋、血漬、蛋白；醫(yī)藥研發(fā)中化學(xué)合成振蕩溶解等）

注射器、手術(shù)器械、滴管、研究實(shí)驗(yàn)用具、玻璃容器、牙科用具、食道鏡、氣管支鏡、直腸鏡、顯微鏡的消毒、殺菌、清洗等。

5、半導(dǎo)體行業(yè)：（清洗的附著物：血液、明膠、塵、指紋、血漬、蛋白）半導(dǎo)體晶片的高清潔度清洗。

6、 鐘表首飾行業(yè)：（清洗的附著物：油漆、凡立水、油脂、染料、塑膠殘留物、塵埃、指紋）

清除灰塵、氧化層、拋光膏、貴金屬、裝飾品、計(jì)器、表帶、表殼、表針、數(shù)字盤、油泥等。

7、 光學(xué)行業(yè)：（清洗的附著物：油漆、凡立水、油脂、染料、銹、塑膠殘留物、塵埃、指紋）

玻璃鏡片、樹脂鏡片、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)鏡頭、鍍膜玻璃、棱鏡、透鏡等光學(xué)制品的鍍膜前后及裝配前工序間清洗；在光電行業(yè)主要應(yīng)用于ITO導(dǎo)電玻璃、LCD基板清洗、液晶片封裝后殘留液晶清洗。

8、 紡織印染行業(yè)：（清洗的附著物：指紋、塵、油墨、染料、塑膠殘留物、橡膠殘?jiān)?、?/p>

清洗、噴絲板、拉絲板，紡織錠子、纖維絲（不銹鋼絲、鎳絲、銅絲等）進(jìn)行除油去污

9、其他行業(yè)：（清洗的附著物：手垢、塵埃、指紋、汗?jié)n）印章、號(hào)牌、硬幣高級(jí)陶器、銀制品、金制品、銀行磁卡等。 [1]

隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,超聲波清洗技術(shù)也有了新的發(fā)展。傳統(tǒng)的超聲波清洗設(shè)備由于自動(dòng)化程度不高而難以保證零件清洗的均勻性,近年來逐漸出現(xiàn)了自動(dòng)化程度高、靈活性強(qiáng)的自動(dòng)化超聲波清洗設(shè)備。不但實(shí)現(xiàn)了超聲波清洗的自動(dòng)化控制和批量作業(yè),還穩(wěn)定了清洗工藝、提高了清洗質(zhì)量。這類超聲波清洗設(shè)備將超聲波清洗和化學(xué)清洗、漂洗、脫水、烘干等工藝結(jié)合,因而有非常高的清洗效率。在傳動(dòng)、烘干、清洗方面通常使用PLC控制,實(shí)現(xiàn)了清洗過程的全自動(dòng)化。

《中國(guó)清洗行業(yè)ODS的整體淘汰計(jì)劃》的實(shí)施,清洗行業(yè)以前所沿用的ODS有機(jī)溶劑將被逐步禁止使用。碳?xì)淙軇┯捎趽碛斜姸鄡?yōu)點(diǎn)且經(jīng)濟(jì)環(huán)保而流行起來。但碳?xì)淙軇╅W點(diǎn)限制了其在超聲波清洗方面的應(yīng)用,在超聲波清洗領(lǐng)域引入超聲波碳?xì)湔婵涨逑?不但克服了碳?xì)淙軇┑娜秉c(diǎn),又達(dá)到了環(huán)保的目的。而且在真空狀態(tài)下進(jìn)行超聲波碳?xì)淝逑催€能強(qiáng)化清洗作用,提高清洗效果并達(dá)到較高的自動(dòng)化程度。超聲波碳?xì)湔婵涨逑匆殉蔀榻窈蟓h(huán)保型超聲波清洗的發(fā)展方向。

近年來還出現(xiàn)了超聲波清洗的一種特殊應(yīng)用-超聲波除垢。超聲波除垢主要是利用超聲波強(qiáng)聲場(chǎng)處理流體,使流體中成垢物質(zhì)在超聲場(chǎng)的作用下的物理形態(tài)和化學(xué)性能發(fā)生一系列變化,使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管、器壁形成積垢。作為超聲清洗的特殊應(yīng)用,超聲防垢廣泛應(yīng)用在鍋爐、熱交換裝置和管道防垢、除垢領(lǐng)域。

此外任金蓮等還提出了超聲波清洗的一種新方法———超聲振動(dòng)清洗方法,這是一種無需清洗液且有別于常規(guī)超聲波清洗機(jī)理的超聲波振動(dòng)清洗方法。這種方法利用超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)能引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)極大的加速度和作用力這一特點(diǎn),將超聲波經(jīng)變幅桿與振動(dòng)頭傳送給被清洗工件,從而使工件介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在平衡位置高速振動(dòng),致使污物被振松而脫離工件,從而達(dá)到清洗目的。目前該超聲波振動(dòng)清洗裝置已用于顯像管自動(dòng)生產(chǎn)線上。 [3]

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