超音波清洗

超音波清洗是現在工業中最有效和不可缺少的清洗手段，超音波清洗器是利用超音波的化學清洗劑與空化作用結合，對工件進行清洗的儀器。首先靠清洗劑化學作用對污物進行滲透，溶解，然後在通過超音波空化作用的產生的衝擊力將物體表面的污物層剝離，對之進行攪拌、分散、乳化並防止已脫離物件表面的污物重新附著在物體上。

基本介紹

• 中文名：超音波清洗器
• 外文名：ultrasonic cleaner

介紹

超音波清洗髮展到今天，已在工業的各個領域乃至人們的日常生活中得到廣泛地套用，國內外的實踐表明，超音波清洗是現在工業中最有效和不可缺少的清洗手段。本文著重描述了超音波清洗的物理特性、原理作用、方法用法等。

清洗的原理

超音波發生器將工頻電能轉變成20KHz以上的高頻電信號，通過高頻電纜輸送到換能器上。一般超音波換能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽內裝滿了液體，當換能器被加上高頻電壓後，它的壓電陶瓷元件在電場作用下便產生縱向振動。超音波換能器（又稱聲頭）是一種高效率的換能元件，能將電能轉換成強有力的超音波振動，在產生超音波振動時，仿佛是一個小的活塞，振幅很小，但加速度很大；清洗槽上具有多個換能器，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振動，這個振動通過固定在底板的換能器傳播到清洗液中，振動在清洗液中傳播就達到了對侵入其中工件清洗的目的。超音波發生器的輸出阻抗與換能器總的動態阻抗相一致，發生器的工作頻率與換能器的工作頻率相一致。因此要求同一發生器所用的換能器阻抗相接近，以致各個換能器負荷均衡，同時要求各換能器的工作頻率一致（相差應在±0.1%範圍內），以使在同一頻率下均有較高的轉換效率。

影響超音波清洗最重要的一個作用：空化作用（CAVITAON）

在液體中傳播的超音波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用“空化”現象來解釋；清洗效果和超音波在液體中產生的“空化”強度有密切的關係。超音波振盪在液體中傳播，當其聲波壓強達到一個大氣壓時，超音波頻率密度約為0.35/cm，這時在液體中傳播的超音波的聲波壓強峰值就可以輕易達到真空或負壓，但實際上是無負壓現象存在的，因而在液體中產生一個很大的力，將液體分子拉裂成空洞（空化核），此空洞為真空或非常接近真空，此空洞在信號電壓（或超音波壓強）值下一個半周達到最大時，由於周圍的壓力的增多而被壓碎，此時液體分子激烈碰撞產生非常強大的衝擊力，將被清洗物體表面的污物撞擊下來。這些無數細小而密集的氣泡破裂時產生衝擊波的現象被稱為“空化”作用。這種空化作用非常容易在固體與液體的交界處產生，因而對於侵入超音波作用下的液體中的物體具有超乎尋常的清洗作用。另外，由於超音波具有很強的穿透固體的作用，所以這種“空化”作用對侵入超音波作用下的液體中的物體內外表面（如管件）均能得到清洗，這就是超音波清洗優於其它傳統清洗手段的重要方面。

清洗來源

超音波清洗一般採用兩種清洗劑；化學溶劑和水粉劑。就對污物油脂來說均有溶解滲透作用，這是一種化學作用力。而超音波的空化作用卻是物理性的。超音波清洗是結合了化學作用和物理作用。首先靠化學作用對污物進行滲透，溶解，然後在通過超音波空化作用的產生的衝擊力將物體表面的污物層剝離，對之進行攪拌、分散、乳化並防止已脫離物件表面的污物重新附著在物體上。

清洗裝置

超音波清洗裝置主要由超音波換能器、清洗槽及發生器三部分組成。此外有的還附有清洗液循環裝置（如泵、過濾器、加熱器等）以及製件的傳送裝置。

超音波換能器是超音波清洗裝置的關鍵組成部分、其作用是將電氣振盪轉換成彈性機械振動（超聲振動）。常用的換能器由其工作原理而言有磁致伸縮式換能器和壓電式換能器兩種。從工作頻率來分有高頻換能器（一般工作在幾百KHz）和低頻換能器（一般工作在幾十KHz）。為了取得高的轉換率，換能器均工作在其固有共振頻率。

超音波清洗槽類似一個容器，內盛有清洗液及被洗製件。一般情況下，換能器直接連線（粘接或焊接）在清洗槽的底部，將清洗槽作為超聲振動輻射板。為了是其有較好的耐腐蝕性，耐疲勞性和導聲性能，清洗槽或超聲振動輻射板常用不鏽鋼製成。

超音波清洗裝置空化強度的估計可採用鋁箔法---測定鋁箔的空化腐蝕；化學法---用氯離子的釋放；以及空化計法---測量空化噪聲。

清洗效果

由於超音波的空化作用，其清洗效果遠遠優於其它傳統清洗手段，所能達到的清洗效果。在以往的傳統清洗手段中費時又費工，清潔度很難達到要求，因此產品質量上不去，嚴重地影響了企業的生產發展。在當今社會高科技發展潮流中，各行各業競爭相當激烈。企業要能立足於當今社會，那么產品質量一定要過硬，高品質的產品是離不開高清潔度的零部件的。以往的傳統清洗手段已無法適應於高清潔度的零部件清洗需要。在七十年代中期，國內的超音波清洗機終於問世。它的發展也經歷了電子管式、閘管式、電晶體式、及VMOS管式等幾個階段。電子管式超音波清洗機由於管子自身的弱點，已很少生產。目前國內外生產的超音波清洗機多為晶閘管式，由於受到器件本身特性的限制，這類清洗機多為2KW以下，工作頻率也較低，約為20KHz而且其效率僅達到80%左右，故障率也較高。電晶體及VM05管式超音波清洗機由於受管子容量的限制，只適用於小功率的超音波清洗，且控制電路也比較複雜。雷士超音波設備廠從事研製超音波清洗設備已有多年的歷史，從國外引進先進技術，採用進口元器件及原材料配套，率先研製出系列電路頻率自動跟蹤的超高頻、高功率、性能穩定的超音波清洗機。該機體積小、重量輕，操作簡便，效率可達90%以上，功率因數達到0.95以上，從而滿足了廣大用戶特定的情洗要求。

適用性

超音波清洗髮展到今天，已在工業的各個領域乃至人們的日常生活中得到廣泛地套用，國內外的實踐表明，超音波清洗是現在工業中最有效和不可缺少的清洗手段。超音波清洗主要用於嚴格的場合，尤其是在元器件生產過程中已經經過精密加工，幾何形狀複雜的製件，如射油泵和噴油器的柱塞、套筒、出油閥體、光學儀器、鐘錶零件、精密傳動部件、高精度軸承、汽車工業的漆前處理，電鍍行業的鍍前處理，真空離子鍍的鍍前處理等等，已越來越離不開超音波清洗機。值得一提的是，採用無錫雷士超音波清洗機的超音波清洗工藝，將在提高清洗效率尤其是減少環境污染等方面來革命性的變化，因為採用該套清洗技術，可以用弱酸或無酸取代強鹼，卻能得到同樣甚至更佳的清洗效果。

物理量

超音波清洗工藝的選擇主要是指清洗液的選擇及配製，超音波清洗的方式，清洗液的溫度，超音波的頻率，超音波的功率密度以及清洗時間等因素的選擇。

清洗液

選用合適的清洗液，對於超音波清洗效果具有很大影響。由於超音波清洗的原理主要是空號作用，所以選擇清洗液時除了依據製件本身的材料，油垢或機械雜質的主要組成外。還必須考慮選擇的清洗液粘度要小，表面張力要小，以利於清洗液的空化。在清洗質量要求嚴格的情況下，還常常採用幾種不同的清洗液，分槽或一次進行超音波清洗，而每種清洗液的作用各有不同。如光學零件的清洗先採用了三氯乙烯，氫氧化鈉水溶液，合成洗滌劑，水和酒精等各種清洗液。又如半導體器件的清洗採用了丙酮，1#混合清洗液，2#混合清洗液和離子水等等。經多種清洗液的多次清洗，製件表面達到了預期的效果。

清洗方式

最常見的超音波清洗形式是槽內浸沒洗，即將製件浸沒盛有清洗液的超音波清洗槽內，超音波換能器產生的超聲振動由清洗槽底輻射至清洗液內進行清洗。這對於中小型製件尤為適宜。對於尺寸和重量都較大的製件可採用局部清洗法，即將製件局部侵入清洗液進行清洗，待清洗完畢後再將未經清洗的部分侵入清洗液進行清洗，直到完全洗遍。

另一種方法是根據大型製件的形狀和局部清洗的部位要求，將超音波換能器設計成特殊形狀來實現局部清洗。對於清洗要求嚴格的製件採用幾種不同清洗液，分槽依次進行超音波清洗。此外，還可與其它清洗方法配合清洗，如電子元件的清洗是加熱侵洗和超音波清洗配合使用。對於油脂特稠，特厚的製件，也常常先用加熱侵洗或高溫噴洗，然後在用超音波清洗的多步清洗法。對於幾何形狀過分複雜，如有大小不等的孔穴凹角的製件，可採用多頻率清洗，即在幾種不同的超音波頻率作用下進行清洗。

清洗頻率

引入清洗液的超聲振動頻率，對於超音波清洗的效果有很大影響，這是由於超音波頻率獨有空化作用影響很大的緣故。一般採用20KHz左右。在20KHz左右空化作用易於產生，清洗效果較為明顯。但對於表面光潔度要求很高，具有較小直徑的孔或狹縫的製件，宜用波長較短、能量集中的高頻清洗機清洗，有時頻率可達800KHz左右。但高頻的超聲振動在清洗液中衰減較大，作用距離較短、空化強度也較弱，清洗效率較低，而且由於高頻的方向性而產生的“陰影”區使製件的有些部位清洗不到。在使用無頻率跟蹤的超音波清洗裝置是，需要經常調節發生器的頻率旋鈕，使其輸出信號的頻率與換能器的固有振動頻率保持一致，此時空化最強，在透明的清洗液中可以看到有很多白色聚流，以手探試，有如針刺感覺。

為了提高超音波清洗效率，往往採用較高的功率密度。但太高的功率密度會由於空化作用強而引起對製件表面的侵蝕（即空化腐蝕），是製件受損，這對於具有各類鍍層或鋁層及鋁合金製件尤為突出。過分的提高功率密度還由於飽和作用也無效果。對於油污嚴重、形狀複雜的功率密度也較大，在以水或酒精燈清洗漂洗時功率密度可以取小些。

清洗溫度

由於清洗液的空化作用與其溫度有關，溫度升高有利於空化，但隨之蒸氣壓也相應增加，超過一定的溫度反而使空化作用降低，因此必須保持一定的溫度範圍，如水溶劑清洗液一般在45℃左右，三氯乙烯清洗液在75℃左右，水則為60℃左右，對於易蒸發依然的清洗液不宜溫度太高。

清洗時間

超音波清洗的效果和質量與超音波清洗的時間有關，時間太短不能達到清洗的質量要求。但時間太長不僅效率低，而且由於製件表面發生空化腐蝕而影響質量。油污嚴重，形狀複雜的製件清洗時間長一些。具有各類鍍層的製件，鋁及鋁合金製件清洗時間不宜過長。表面光潔度較好的製件一般情況下油污相對小些，清洗時間也不宜過長，具體清洗時間的確定必須經過實驗而定。

清洗物件

為了提高清洗效果，保證超音波清洗裝置的正常使用，被清洗的製件在清洗槽內的位置是值得注意的。①避免將製件直接壓在超聲振動的輻射面上，以致輻射面不能發生預期的振動，而使清洗裝置達不到正常的工作狀態。這對於重量較大的製件尤為重要。製件應採用專用工具掛於清洗槽內並儘量接近輻射面。②須將重點清洗部位對準超聲源。③應考慮被洗下的污物能順利地排出清洗槽。④要便於清洗液在清洗槽內對流，在採用清洗液循環使用和不斷補充時，進液速度不宜太快，否則由於補入的清洗液內含氣較多，會減弱空化作用。⑤對於盲孔的清洗，應先在盲孔內灌滿清洗液，然後將盲孔向下對準超聲源，在清洗過程中，必須一直保持孔內充滿清洗液，才能取得顯著的效果。⑥有些製件採用超音波清洗時應先退磁，否則殘存的鐵屑不易消除。

洗工藝流程

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

1熱清洗法：目的是將工件上的污染物軟化、分離、溶解。

2超音波清洗：利用超音波產生的強烈空化作用振動將工件表面的污垢剝離脫落，同時還可以將油脂性的污物分解、乳化。

3冷漂洗：利用流動的淨水將已脫落但尚浮在工件表面的污物沖洗乾淨。

4超音波漂洗：溶劑為乾淨的清水，工件侵入後，利用超音波將浮在工件各邊、角及孔隙處污物清洗乾淨。

5熱淨水及冷淨水漂洗：進一步去除懸附在工件表面上的污物微粒。

清洗液對照表

清洗液	常用材料	適用性
鹼溶液	NaOH，Ca（OH）2; 等稀釋液	1、清洗各類油脂污垢; 2、清洗溫度宜高; 3、鋁及鋁合金製件不適用
酸溶液	硫酸、硝酸、鹽酸等稀釋液	1、清洗各類油脂及其它機械雜質。; 2、能去除薄的氧化皮
石油溶劑	工業汽油、溶劑汽油、煤油、輕柴油、航空汽油等	1、適用清除各類製件油污或雜質。; 2、須有安全通風裝置。
有機溶劑	四氯化碳、三氯乙烯、丙酮、酒精、乙醚等	1、具有較好的溶油作用適用於各類油垢的清洗。; 2、有較好絕緣性能，常用於元器件，零部件的清洗。; 3、常作脫水劑。; 4、清洗溫度不宜過高。三氯乙烯、四氯化碳、乙醚等有毒。
其它	不少情況下，常用上述各類溶液合成另一種清洗液，如用苯、62%醋丁酯、18%丙酮、20%鹽酸、氨水、去離子水組成1#混合液。; 雙氧水、氨水、去離子水組成2#混合液。	1、適用於要求嚴格的場合。電子元器件及不鏽鋼製件尤其如此。; 2、一般情況混合液現配現用，不宜貯存。