超聲波清洗機原理詳解

1 前言．

在市場經濟的環境下，對產品質量要求越來越高。為保證產品質量，許多企業在產品生產過程中，將采用清洗工藝來提高產品質量，為企業創造良好的經濟效益。

當前在一些工業產品生產過程中，應用超聲波清洗是一種洗凈效果好，價格經濟，有利于環保的清洗工藝。超聲波清洗機可以應用于清洗各式各樣體形大小，形狀復雜，清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鐘表零件、照相機零件、油咀油泵、汽車發動機零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環、銑刀、鋸片、寶石、注射器及各種光學鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導體晶片及器件、顯象管內的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類產品。
一種物件的清洗可以根據其污垢的性質，采用機械物理力清洗的方法或化學力清洗的方法，還可以用各種組合方法來進行清洗。
若是用自來水或凈水為清洗液的超聲波清洗屬物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗滌劑，則屬于組合清洗，對不同的清洗對象選用不同的洗滌劑，更具有明顯的清洗效果。
超聲波清洗機原理詳解

2 超聲波清洗的原理

把液體混入清洗槽內，給槽內作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，介質的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點進行觀察，這點的壓力如圖2曲線A所示。以靜壓(一般一個大氣壓)為中心，產生壓力的增減，若依次增強超聲波的強度，則壓力振幅也隨著增加，像圖2曲線B那樣，并產生負的壓力。

所謂負壓，但實際上負的壓力是不存在的，這是在液體中產生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動，當聲壓達到超聲波清洗一定值 時，氣泡將迅猛增長，然后又突然閉合，在氣泡閉合時，由于液體間相互碰撞產生強大的沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓的壓力。這也就是所說 的“超聲空化”。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)因空化現象產生如圖3a所示的氣泡。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，產生像剝皮那樣的物理力重復作 用于污垢層，污垢一層層被剝開，如圖3b所示，小氣泡再繼續向前推進，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應。

(3)超聲清洗中 清洗液的超聲振動本身對清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超聲波在清洗液中傳播時，它將引起質點的振動，位移幅度1．32lLm，速度0． 16m／s，加速度為2．04X104m／sz，(約為2刪g的重力加速度)，聲壓為1．45X105Pa，這表明清洗物表面的污垢層每秒將遭到2萬次的激烈沖擊。
(4)清洗劑也溶解了污垢，產生乳化分散的化學力。

超聲清洗的主要原理是超聲空化作用，要獲得良好的清洗效果，合理選擇清洗槽中聲場的聲學參數和清洗液的物理化學性質是十分重要的。

既然空化是主要的，那么如何產生空化呢?一般來說，空化不僅由介質特性決定，而且也與聲場有關。空化閡的高低受到許多因素制約，主要有如下幾個因素：

(1) 空化閡與工作頻率fa有關。頻率越高，空化閡值越高，產生空化越難。氣泡在聲場的作用下將進行振動，但不一定發生崩潰(破滅)，只有當聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可能使氣泡破滅，而當聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時，氣泡只進行復雜的振動，一般不發生氣泡破滅。
(2)空化閡與介質中氣泡半徑有關，半徑越小，空化閡越高。
(3)空化閡與聲波作用時間長短有關，聲波幅射時間越長，空化閡越低。

(4)空化閡與環境靜壓力有關，靜壓力越大，空化閡越高。
(5)空化閡與介質的粘滯性有關，粘度大，表面張力大，空化閡高。
(6)空化閡與液體含氣量有關，含氣量越少，空化閡越高。
(7)空化閡與清洗液溫度有關，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。對于水清洗液較適宜的溫度約為60℃。

根據超聲清洗的機理我們可選擇*狀態，并得到*的清洗效果。還應注意選擇*的聲強。聲強過高會產生大量氣泡，在聲波表面形成一道屏障，使聲波不易輻射到整個液體空間，因而在遠離聲源的地方，清洗作用減弱。同時過高的聲強，氣泡膨脹過大，以至于在聲波壓縮相內，氣泡來不及閉合。聲強一般選在1W／cm2—2W／cm2，對于一些金屬表面氧化膜難于清洗的污垢，則應采用較高的聲強。超聲波清洗機原理詳解

3 超聲波清洗的應用

超聲波清洗設備一般可分為通用和兩種機型。

3．1 通用超聲波清洗機

超聲波清洗機的結構一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開布局兩種形式，一般小功率(200W以下)清洗機用一體式結構，而大功率清洗機采用分體式結構。超聲波清洗機分體式結構由三個主要部分組成，如圖4所示。

(1)清洗缸；
清洗缸：清洗缸是用來裝載清洗液及被清洗工件的不銹鋼容器，大多數工件可先裝在網狀框架內，再一起放人缸內清洗。
(2)超聲波發生器；
超聲波發生器：超聲清洗機用的超聲波發生器，從使用的元器件種類可以分電子管式的，可控硅式的和晶體管式的。近幾年來已經發展到用大功率“功率模塊”的方 式。其輸出功率從幾十瓦直到幾千瓦，工作頻率從15kHz—40kHz。
(3) 超聲波換能器；

超聲清洗機用的超聲波發生器，有以下特點：
(1)隨著清洗液深度不同，換能器共振頻率和阻抗變化很大。但是實踐表明，槽內放進適量清洗物后，基本上就可以穩定在某一定數值上。
(2)一般來說，由于清洗負載變動較小，可以不要求復雜的頻率自動跟蹤電路。
(3)實用超聲波發生器，大多數采用大功率自激式反饋振蕩器。

超聲波換能器：超聲波清洗機用的換能器主要有以下幾種：
①磁致伸縮換能器

國內用的磁致伸縮換能器大多數是用鎳片疊成的窗口型換能器，將它銀焊在清洗缸底部，然后用導線在窗口上繞一定卷數而成。此種換能器能承受較大功率，且可靠性好，使用壽命長。缺點為效率較壓電換能器低，原材料鎳片價格貴。
②壓電式換能器

這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一臺清洗機用多個換能器，經粘接劑粘接在清洗缸底部且經并聯聯接組成一臺清洗機的換能器。換能器基元之間距(對于頻率20kHz)一般在5—10mm為佳，太大了容易產生彎曲振動，且振動板受到腐蝕，同時輻射面相對減少。
通用超聲清洗機清洗零件適用性強，已廣泛應用于電子、鐘表、光學、機械、汽車、航空、原子能工業、醫療器械等許多行業。

3．2 超聲波清洗機

一般安裝在某些特定物件清洗的生產流水線上。
圖6為典型的軟磁器件超聲波清洗設備，被清洗物件從進料口可傳動的不銹鋼網帶送入超聲波清洗槽清洗，再經噴淋、烘干等工序后出料，實現被清洗物件可直接包裝入庫。各工序簡要說明如下：

①進料：物件進料可采用半自動進料或

⑧出料：物件出料可采用自動收料或手工收料方式，格被清洗物件裝入包裝盒內。
通過上述工序就完成了物件實現利用超聲波清洗的全過程。

目前，還有一種超聲汽相清洗機，它是選用有機溶劑作清洗液，具有*的溶解污垢的能力，用于清洗半導體晶片等潔凈度要求特別高的物件。

杭州聚同電子有限公司多年來已研制、開發、生產了多系列通用超聲波清洗機，產品廣 泛應用于全國各地的大中型企業，同時還按用戶特殊要求研制、開發、生產了用于清洗軟磁器件、精密軸承零件、鋸片、汽車等零件的超聲波清洗設備，在生產 中發揮了良好的作用

參考資料：杭州聚同電子有限公司