超聲波清洗原理
加入技術(shù)交流群
超聲波在超聲波在本質(zhì)上和聲波是一樣的，都是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程，超聲波和聲波的區(qū)別僅在于頻率范圍的不同。聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認為聲波的頻率在20～20000赫范圍內(nèi)，而振動頻率超過20千赫以上的聲波則稱為超聲波。超聲波中振動頻率在100千赫以下的稱為低頻超聲波；振動頻率在100千赫以上到數(shù)十兆赫的稱為高頻超聲波。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，在超聲波的作用下，機械振動傳到清洗槽內(nèi)的清洗液中，使清洗液體內(nèi)交替出現(xiàn)疏密相間的振動，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(nèi)部受超聲波的振動而頻繁地拉伸和壓縮，其結(jié)果使微氣泡不斷地產(chǎn)生和不斷地破裂。微氣泡破裂時，周圍的清洗液以巨大的速度從各個方向伸向氣泡的中心，產(chǎn)生水擊。這種現(xiàn)象可以通過肉眼直接觀察到，即在清洗液中可以看到有劇烈活動的氣泡，而且清洗液上下對流。此時若將手指浸入清洗液中，則有強烈針刺的感覺。上述這種現(xiàn)象稱為超聲空化作用。
超聲清洗就是利用了空化作用的沖擊波，其清洗過程中由下列四個因素作用所引起。
(1)因空泡破滅時產(chǎn)生強大的沖擊波，污垢層在沖擊波的作用下被剝離下來，即分散及脫落。
(2)因空化現(xiàn)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(fù)作用于污垢層，污垢一層層被剝開，小氣泡再繼續(xù)向前推進，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。但清洗液溫度過高時，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(nèi))，這就是超聲波清洗的基本原理。
較長時間的超聲空化作用，會使被清洗件表面的基體金屬有一定程度的剝落，這稱為空化的浸蝕作用。
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(xiàn)。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的油污很快地分散、乳化在清洗液中。
應(yīng)當指出，超聲波清洗過程中，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(jié)果必然大大加速清洗過程，提高清洗效果。
。
4. 超聲波清洗效果及相關(guān)參數(shù)：
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(jié)合，以對物體進行充分、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，采用長時間的高功率密度清洗會對物體表面產(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. 一般來說，超聲波在30oС~40oС時空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著。通常實際應(yīng)用超聲波清洗時，采用30oС~60oС的工作溫度。
5.超聲波清洗特點：
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(fù)雜，將其放入清洗液內(nèi)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜、手工及其它清洗方式不能完全有效地進行清洗的工件，具有顯著的清洗效果。清洗時液體內(nèi)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(jù)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(shè)備成本和消耗成本。超聲波清洗設(shè)備使用壽命約為十年，除設(shè)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，價格約為1萬元的超聲波清洗機為例，工作一小時，耗電1度，費用約為0.5元，堿性金屬清洗劑1公斤，價格約為20元，可反復(fù)使用20-50個小時（根據(jù)污染程度而定），相當于0.4-1元/小時，而一般工件清洗時間僅為3-15分鐘即可，且一次清洗可對一定數(shù)量及體積的工件同時清洗，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(jié)省的勞動力成本，遠遠低于其他各類清洗方法。
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的損害， 有清洗潔凈度高、清洗速度快等。
超 聲 波 設(shè) 備 的 組 成
標準超聲波清洗設(shè)備由三部分組成：超聲波發(fā)生器（又稱超聲波電源）、換能器及其它的輔助系統(tǒng)。超聲波發(fā)生器將工頻電轉(zhuǎn)變成 28KHZ以上的高頻電信號，通過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(nèi)裝滿了液體，當換能器被加上高頻電壓后，它的壓電陶瓷元件在電場作用下便產(chǎn)生縱向振動。超聲波換能器（又稱聲頭）是一種高效率的換能元件，能將電能轉(zhuǎn)換成強有力的超聲波振動，在產(chǎn)生超聲波振動時，仿佛是一個小的活塞，振幅很小，約只有幾微米。但這個振動加速度很大（幾十至幾千個g）；槽上具有許多個換能器，施加相同的頻率及相位的電能時，就合成了一個巨大的活塞進行往復(fù)振動，這種振動的現(xiàn)象，就是平時我們所說的超聲波。以下是超聲波的組成部分說明：
(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頭具有效率高、壽命長、不易發(fā)生故障的優(yōu)點。換能器采用特種耐高溫、耐振動、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（電源）：采用功率MOS管超聲波發(fā)生器，電路先進，結(jié)構(gòu)完整，輔以靈敏可靠的集成控制系統(tǒng)，保證了超聲波清洗機在各種負載下穩(wěn)定工作。發(fā)生器體積小巧，外觀新穎，操作十分簡便，產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)水準可與國外同類產(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(guī)模清洗工程。維修簡單，若有一組發(fā)生故障時，不影響其它各組的工作，此點對于生產(chǎn)線來說，更為重要。機箱內(nèi)裝有散熱風(fēng)扇施行強制冷風(fēng)，確保長期工作的安全性。
(3)加熱及溫度控制系統(tǒng)：加熱器采用鑄鋁加熱片，可耐酸堿，壽命長。加熱的目的是將清洗劑加熱以增加清洗機的洗滌效果，溫度自動控制，可在適當范圍內(nèi)隨意調(diào)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(shè)置有排渣檢修口、保溫隔聲層等
(5)槽液循環(huán)過濾系統(tǒng)：在該系統(tǒng)中設(shè)有過濾器，對槽液進行動態(tài)過濾，以維持槽液的清潔度。當工件出槽，經(jīng)過過濾的液體流經(jīng)槽體上部的噴淋環(huán)節(jié)對工件進行一次沖洗，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(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、電葫蘆、自行葫蘆、滾筒、轉(zhuǎn)盤、龍門架、機械手、吊籃、推盤等等。
(7)噴淋漂洗系統(tǒng)：根據(jù)被清洗工件的表面狀況，有的清洗機配備噴淋漂洗工序，將超聲波清洗和噴淋清洗有機地結(jié)合起來。
(8)烘干系統(tǒng)：根據(jù)被清洗工件的狀況，有的清洗機配備烘干系統(tǒng)，烘干系統(tǒng)主要由加熱器、風(fēng)機、吹風(fēng)噴嘴等組成，溫度自動控制。
超聲波設(shè)備的應(yīng)用
7、清洗應(yīng)用表
應(yīng)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。近年來諸多電鍍廠商采用超聲波清洗技術(shù)設(shè)備，替代電鍍線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(xù)加工質(zhì)量，有時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?shù)那逑匆?，可方便快捷地實現(xiàn)工件表面徹底清潔，并使工件表面具有較高的活性，有時甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。
傳統(tǒng)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(nèi)同時去除工件表面的油、銹、并避免了因強酸清洗伴隨產(chǎn)生的氫脆問題?！ ?
2）.制藥工業(yè)
超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過眾多制藥企業(yè)的應(yīng)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)過翻轉(zhuǎn)注水、超聲清洗、內(nèi)外沖洗、空氣吹干、翻轉(zhuǎn)等流程而實現(xiàn)的。
3）.濾芯
無論何種用途的過濾器，使用一段時間后，都會由于雜質(zhì)而造成通透性降低而報廢，普通濾芯價格較低還可以，但對于化纖行業(yè)，一只進口濾芯，價格近萬元，棄之實在可惜。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（尤其整盤絲），超聲波洗絲機是根據(jù)實際生產(chǎn)需要而設(shè)計的一種連續(xù)走絲，高效清洗設(shè)備，粗洗部分由清洗液儲槽、換能器、循環(huán)泵、過濾器及配套管道系統(tǒng)組成，金屬絲經(jīng)超聲波粗洗精洗后，再經(jīng)過吹干，從而完成整個清洗過程。整套設(shè)備集成控制，簡潔、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行清洗，速度快，無損傷，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(yīng)，防止過腐蝕，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(yīng)用十分廣泛，甚至應(yīng)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。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進步，超聲波清洗技術(shù)將被更普遍地應(yīng)用在生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。
選用超聲波清洗設(shè)備時要考量的問題
一、功率的選擇
? ? 超聲波清洗效果不一定與（功率 × 清洗時間）成正比，有時用小功率，花費很長時間也沒有清除污垢。而如果功率達到一定數(shù)值，有時很快便將污垢去除。若選擇功率太大，空化強度將大大增加，清洗效果是提高了，但這時使較精密的零件也產(chǎn)生蝕點，得不償失，而且清洗缸底部振動板處空化嚴重，水點腐蝕也增大，在采用三氯乙烯等有機溶劑時，基本上沒有問題，但采用水或水溶性清洗液時，易于受到水點腐蝕，如果振動板表面已受到傷痕，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，用 400kHz 。若用寬帶調(diào)頻清洗，效果更良好。
三、清洗籃的使用
?? 在清洗小零件物品時，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 時使用 10mm 以上的網(wǎng)眼為好。當然有時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，要專門制作。
四、清洗液溫度的選擇
?? 水清洗液最適宜的清洗溫度為 40-60℃ ，尤其在天冷時若清洗液溫度低空化效應(yīng)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(xù)升高以后，空泡內(nèi)氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降，反應(yīng)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子表面 100mm 以上為佳。由于單頻清洗機受駐波場的影響，波節(jié)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(yīng)放在波幅處。
六、超聲波清洗工藝及清洗液的選擇
在購買清洗系統(tǒng)之前，應(yīng)對被清洗件做如下應(yīng)用分析： 明確被洗件的材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和數(shù)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(yīng)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驗來驗證。只有這樣，才能提供合適的清洗系統(tǒng)、設(shè)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(yīng)為最顯著的影響因素。溫度能影響這些因素，所以它也會影響空化作用的效率。 任何清洗系統(tǒng)必須使用清洗液。
。選擇清洗液時，應(yīng)考慮以下三個因素：
1 ．清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時，一定要做實驗。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 ．操作簡單：所使用的液體應(yīng)安全無毒、操作簡單且使用壽命長；
3 ．成本：最廉價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(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)操作簡便、使用成本低、應(yīng)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將工件表面的污垢剝離脫落，同時還可將油脂性的污物分解、乳化，
3）冷漂洗：利用流動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(qū)分的清洗系統(tǒng)
水性系統(tǒng)：通常由敞口槽組成，工件浸沒其中。而復(fù)雜的系統(tǒng)會由多個槽組成，并配備循環(huán)過濾系統(tǒng)、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。
溶劑系統(tǒng)：多為超聲波汽相除油脂清洗機，常配備廢液連續(xù)回收裝置。超聲波汽相清除油脂過程是由溶劑蒸發(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
? ?超聲清洗的另一個考慮因素是清洗件的上、下料或者說是放置清洗件的工裝的設(shè)計。清洗件在超聲清洗槽內(nèi)時，無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)超過超聲槽橫截面積的 70% 。橡膠以及非剛化塑料會吸收超聲波能量，故將此類材料用于工裝時應(yīng)謹慎。絕緣的清洗件也應(yīng)引起特別注意。工裝籃設(shè)計不當，或所盛工件太重，縱使最好的超聲清洗系統(tǒng)的效率也會被大大降低。鉤子、架子以及燒杯都可用來支持清洗件。
九、機器工作方式
根據(jù)每天工作時間、待清洗工件種類、待清洗工件數(shù)量、清洗溶劑種類、和投入資金來選用全自動、半自動、手動等工作方式和傳動部件。
超聲波清洗機相關(guān)文章:超聲波清洗機原理
負離子發(fā)生器相關(guān)文章:負離子發(fā)生器原理
評論