超声波清洗的优势和原理

　　随着科学技术的高速发展,超声技术已越来越多地应用于人们的生产和生活的各个领域。从超声测厚到超声诊断、治疗,超声波焊接,它已为人们所熟悉。但超声设备在清洗行业的应用,人们还不够熟悉和了解。

　　超声波清洗技术最早出现于20世纪30年代早期,当时,位于美国新泽西州的美国无线电公司的一个实验室中的技术人员尝试用自制的简陋超声波清洗系统清洗某些物体,但试验未获成功。在此基础上,超声波清洗技术在20世纪50年代有了很大的发展,当时使用的超声波工作频率在20～40kHz之间。该范围内的超声波被应用在数千种不同的工作场合下,其中许多是别的清洗手段不能很好发挥作用的场合。超声波可以对工件施加非常巨大的能量,尤其适用于清除牢固地附着在基底上的污垢。然而在某些情况下,超声波强大的能量也会损伤粘有污垢而性质脆弱的基底材料。

       在过去的十几年中,超声波领域中出现了一些技术革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全系数。在此期间,超声波技术,特别是中高频超声波清洗技术有了新的发展,并成为行业的亮点。近年来,人们发现用兆声波(根据超声波的频率不同,把40kHz及其以下的称为常规或低频超声波,把1000kHz以上的称为高频超声波,又称兆频超声波,简称兆声波)清洗可以去除掉半导体材料表面上的超细污垢微粒,并且不会损伤基底材料的表面。目前这项技术已经得到了很快的普及。

　　1、超声波清洗的优势

　　1.1、清洗效果好

　　运用于工业清洗的清洗方式一般为人工清洗、有机溶剂清洗、蒸汽气相清洗、高压水射流清洗和超声波清洗。超声波清洗被国际公认为是当前效率最高、效果最好的清洗方式,其清洗效率达到了98%以上,清洗洁净度也达到了最高级别。而传统的人工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为60%～70%,即使是气相清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于90%。不论工件形状多么复杂,将其放入清洗液内,只要是能接触到液体的地方,超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂、人工及其它清洗方式不能完全有效地进行清洗的工件,具有显著的清洗效果。清洗时液体内产生的气泡非常均匀,工件的清洗效果也非常理想。超声波清洗可根据溶剂的不同达到不同的效果,如:除油、除锈或磷化。配合清洗剂的使用,加速污染物的分离和溶解,可有效防止清洗液对工件的腐蚀。

　　1.2、清洗成本低

　　在所有清洗方式中,清洗成本大体为:设备成本和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为十年,设备购置成本高于人工清洗和有机碱性溶剂刷洗,低于气相清洗和高压水射流清洗,对于消耗成本,以有效尺寸为600×400×350mm3,功率为1kW,价格约为1万元的超声波清洗机为例,耗电1kW·h约为0.5元;碱性金属清洗剂1kg,价格约为20元,可反复使用20～50h(根据污染程度而定),相当于0.4～1元/h,而一般工件清洗时间仅为3～15min即可,且一次清洗可对一定数量及体积的工件同时清洗,因此对于消耗成本而言,采用超声波清洗,不仅清洗效果最好,而且清洗成本相当于不到0.04元/件,还不算节省的劳动力成本,远远低于其他各类清洗方法。

　　1.3、避免劳动损伤

　　以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动,需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件,应用了超声波清洗机以后,不仅改善了劳动环境,杜绝了手工清洗对工件产生的伤害,减轻了劳动强度,而且在大幅提高清洗精度的基础上,清洗时间缩短为原来的四分之一。超声波清洗还可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害。

　　2、超声波清洗的原理

　　超声波是一种频率超出人类听觉范围20kHz以上的声波。超声波很像电磁波,能折射、聚焦和反射,然而和电磁波又不同,电磁波可以在真空中自由传播,而超声波的传播要依靠弹性介质。其传播时,使弹性介质中的粒子振荡,并通过介质按超声波的传播方向传递能量,这种波可分为纵向波和横向波。在固体内,两者都可以传送,而在气体和液体内,只有纵向波可以传送。超声波能够引起质点振动,质点振动的加速度与超声频率的平方成正比。因此,几十千赫兹的超声会产生极大的作用力,强超声波在液体中传播时,由于非线性作用,会产生声空化。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力,对污层的直接反复冲击,一方面破坏污物与清洗件表面的吸附,另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中。

      气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。气泡还能“钻入”裂缝中做振动,使污物脱落。对于有油脂性污物,由于超声空化作用,两种液体在界面迅速分散而乳化,当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时,油被乳化,固体粒子即脱落。空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流,即所谓声流。他可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力,促使清洗件表面污物的破坏和脱落,超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层,腐蚀固体表面,增加搅拌作用,加速可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用。此外,超声振动在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击。

     由上述超声清洗机的原理可知,凡是液体浸到空化产生的地方都有清洗作用,不受清洗件表面复杂形状的限制,如部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔都能得到清洗,而这些部件用一般刷洗方法是不能清洗干净的。