超声波清洗机的原理与应用

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1、超声波清洗机的原理与应用作者：苏新颜王广奎1前言．在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座

2、、焊片、电极引线等电子类产品。一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。表1为几种清洗方法洗净效果比较。图1为两种清洗方法洗净效果比较。2超声波清洗的原理把液体放入清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次

3、增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图2曲线B那样，并产生负的压力。所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。(2)因空化现象产生如图3a所示的气泡。由冲击形成的污

4、垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图3b所示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度1．32lLm，速度0．16m／s，加速度为2．04X104m／sz，(约为2删g的重力加速度)，声压为1．45X105Pa，这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到2万次的激烈冲击。(4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。超声清洗的主要原理是超声空

5、化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。既然空化是主要的，那么如何产生空化呢?一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素：(1)空化阂与工作频率fa有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。(2)空化阂与介质中气泡半径有关，半径越小，空化阂越高。(3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅

6、射时间越长，空化阐越低。（4）空化阂与环境静压力有关，静压力越大，空化阂越高。(5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。(6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。(7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60Y。根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态，并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用

7、减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在1W／cm2—2W／cm2，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。3超声波清洗的应用超声波清洗设备一般可分为通用和专用两种机型。3．1通用超声波清洗机超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W以下)清洗机用一体式结构，而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图4