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超声波清洗技术发展历史和未来前景

 超声波清洗技术其中原理研究及设备研制开发与超声清洗工艺研究及应用在我国近50年的历史了,是与国外同步进行的。80年代的时候,我国的超声清洗研制单位无论从研制队伍还是从生产上讲,有一定规模的为数不多。

 
进制造技术的需求,超声清洗技术的研究与超声清洗设备的研制得到了迅速发展,研制队伍不断壮大,研制单位不断增多。
 
超声清洗属于物理力清洗,其本身为绿色清洗,若在清洗液中增加适宜的清洗剂则属组合清洗,更具明显的清洗效果。超声清洗与现代科技发展及先进制造工艺密切相关,是目前功率超声中应用最为广泛的畛域之一。超声清洗在各种化学、物理以及机械的清洗中是较为有效的一种手段,它被广泛应用于机械、光学、电子、轻工、纺织、化工、航空航天、船舶、原子能以及医疗医药等工业部分。
 
技术洗净技术2.超声波清洗技术的特点与机理超声波清洗与其它清洗相比具有洗净率高、残留物少(见表1)、清洗时间短,清洗效果好的优点(见)。凡是能被液体浸到的被清洗件,超声对它都有清洗作用,不受清洗件表面形状限制,例如深孔、狭缝、凹槽,都能得到清洗。由于超声波发生器采用D类事情放大,换能器的电声效率高,因此超声清洗具有高效节能的特点,是一种真正高速、高质量、易实现自动化的清洗技术。若清洗剂采用非ODS清洗剂,则具有绿色环保清洗作用。超声清洗对玻璃、金属等反射强的物体清洗效果好,而不适宜纺织品、多孔泡沫塑料、橡胶制品等声吸收强的材料。
 
超声清洗效果对照超声清洗槽内液体的某一点受压情况超声波清洗机理分两种情况,一种情况是超声清洗在中、低频时,即频率在20kHz130kHz范围内,特别是在20kHz40kHz情况下,把液体放入清洗槽内,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,介质中的压力作交替变更。如对液体中某一确定点进行观察,这点的压力如曲线A所示。以静压(大凡为一个大气压)为中心,产生压力的增减,若依次增加超声波强度,压力振幅也随着增加。像曲线B所示,并产生所谓负的压力。在此区域液体中会产生一种撕拉的力,且形成真空的空泡,并又被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动,当声压到达一定值时,气泡将迅速增长,然后又突然闭合。在气泡闭合时,由于液体相互碰撞,将产生强大的冲击波,其最大的压强Pmax由(1)式表示。
 
其中P0为静水压,Rm为空穴的初始半径,R为空穴半径,根据(1)式估算,局部压强可到达上千个大气压。这即是平居所说的超声空化。超声空化有一个阈值,其含义为使液体产生空化的最低声强或声压幅值。空化阈Pc可由式(2)表示:其中。为表面张力系数,Pv为蒸气压,R0为气泡核半径,可见空化阈值随液体不同而不同。同一种液体,在不同的压力下,其空化阈值不一样,它随着压力增加而增加,与液体粘滞系数有关。粘度大,表面张力大,空化阈值高。空化阈值还与事情频率有关,频率越高其空化阈值也越高,产生空化越难。气泡在声场下作振动,但不一定破裂,只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可使气泡破灭。气泡的谐振频率由式(3)给出。
 
空化阈值与频率的关系曲线如所示。空化技术洗净技术阈值还与液体含气量有关,含气量愈少,空化阈值愈高。空化阈值与超声波作用时间长短时间有关,超声波辐射时间愈长空化阈值愈低。空化阈值与清洗液温度有关,清洗液温度升高,对空化有利,但温度过高时,气泡中蒸汽压增大,因此气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。对于水清洗液,较适宜的温度为60C左右。根据以上中低频超声清洗机理,可抉择最佳事情状况,从而得到最佳清洗效果。
 
第二种情况:超声清洗事情频率在1MHz左右乃至高达3MHz,偶然被称之为兆赫级超声清洗。由于频率太高,声波在清洗液中很难发生空化,其清洗机理大凡认为主要由于声压梯度、粒子速度及声流的作用,而空化效应是次要的。这种超声清洗的特点是清洗方向性强,清洗时大凡将零件表面置于与声束平行的方向。
 
从上述超声清洗机理可知,超声清洗主要由超声空化引起,空化效应是主要因素。气泡的爆破产生的高压高温冲击波减小了污垢与被清洗件之间的粘着力,引起污垢的破坏和脱离;同时气泡的振动能对被清洗物表面进行擦洗,气泡还能钻入裂缝中振动,使污层脱落。当某些固体表面被油粘附时,油被超声波乳化,迅速脱离被清洗件表面。超声空化在被清洗件表面会产生很高的速度梯度和声流,能进一步减弱或除去边界层污染,同时超声振动还会引起介质质点的强烈振动,使被清洗件表面受到强烈的冲击,使污物迅速脱离表面。
 
3.超声清洗技术参数的抉择超声清洗效果不一定与所加功率和事情时间成正比,偶然用小功率花费很长时间也没有清除污垢,而如果功率到达一定数值,则有可能很快将污垢去除。若超声功率太大,这时液体中空化强度大大增加,较精密的零件将产生蚀点,造成不必要的损失,同时清洗缸底部振动板空化也十分严重,使缸的寿命缩短。另外一点:超声功率选得太大,使液体中声强过高,会产生大量气泡,在声波表面形成一道屏蔽,声波不易辐射到整个缸体中,造成远离声源的地方清洗作用减弱。所以抉择合适的声强是必须的。鉴于目前混响场声强测量的技术尚不够成熟,目前还是用单位面积上的功率来进行设计,大凡一台标准超声清洗器输出功率密度大多选在0.30.6w/cm2之间。至于连续波聚焦超声清洗大凡选在几十瓦每平方厘米左右,脉冲聚焦超声清洗可选得更高。
 
3.2事情频率的抉择目前常用的超声清洗器事情频率在2040kHz之间。事情频率低,在使用水或水清洗剂时由空穴作用引起的物理清洗力显然有利,但空化引起的噪声大,噪声分贝数大大超过有关标准,所以20kHz及以下的频率目前很少使用,除非降噪措施跟上。
 
对于小间隙、狭缝、深孔的零件的清洗,选用高一些频率较好。国外有的用几百千赫兹清洗精密钟表零件。对于清洗像硅片表面零点几微米的细小颗粒污物,频率可选在兆赫兹级范围。
 
3.3清洗笼的抉择在清洗小零件物品时,常需要使用网笼。但是网笼会引起超声衰减。为改变网眼尺寸后测技术洗净技术量的透射率结果。从中看出,当频率为28kHz时,网眼尺寸大于1mm以上为好。
 
3.4清洗液温度的抉择水清洗液适宜的清洗温度大约在4060°C间,网眼尺寸与声波透射率的关系尤其在冷天。若清洗液温度过低,则空化效应差,清洗效果也不好。因此有片面清洗器在缸内设置加热保温控制。如果温度继续升高,空泡内气体压力增加,引起冲击声压下降,对清洗不利(见)。从中看出,在各种不同的清洗液中,空化强度对铝的腐蚀量随温度变更有个最佳值。表2表明在相像超声强度和相像频率下,相像时间内,铝在不同液体中的温度与腐蚀量的关系。
 
3.5清洗液量的抉择清洗液量大凡高于振子表面100mm以上为清洗物品在缸中位置的抉择佳,但根据清洗器功率大小有所不同,例如功率为300w、频率为25kHz的清洗器液面高约100120mm;而功率为600w时,液面可到150mm左右。由于单频清洗器受驻波场的影响,波节处振幅很小,而波幅处振幅很大,造成清洗不均匀,最佳抉择是被清洗件位置应放在波幅处(见),或使物品上下挪动,使清洗均匀。
 
4.超声波清洗设备的基本组成超声波清洗设备无论功率大小,基本上由清表2铝在不同液体中的空化腐蚀量/mg\\温度水煤油苯酒精丙酮10|洗净技术技术洗净技术洗缸、换能器、超声波发生器三片面组成。其中大型多槽式清洗器还包括机械传动装置、清洗液回流过滤装置、温度控制装置、喷流装置和烘干设备,如果是气相式超声设备还包括一台冷水机。若用碳氢化合物溶剂清洗,则还需真空及干燥设备。
 
也称为清洗槽。清洗缸尺寸的抉择应根据超声电功率大小而定,如果以每只50w标准换能器进行组装,则缸底尺寸基本上以。5w/cm2进行计较,至于深度应考虑上面所述的液面高度,还应适当满足被清洗件的尺寸要求。缸的材料大多选用不锈钢,厚度在1.53.0mm之间,缸底加工必须平整,还需喷砂处理。
 
超声清洗器的换能器有磁致伸缩换能器和压电式换能器两种,由于前者材料代价贵、电声效率低,目前基本上不用;而压电式换能器电声效率高、代价便宜、安装方便,目前被超声清洗器普遍采用。压电式换能器的结构形式主要为单螺钉紧固的纵向振动换能器,由两片中心穿孔的压电陶瓷晶片及前后盖板组成。为了提高清洗器的事情稳定性和效率,还发展了一种半穿孔结构式宽频带换能器,这种换能器的结构特点是在换能器辐射面上沿着轴向均匀地钻有一定数量、同一深度的孔,构成半穿孔结构。在一定孔深时,钻孔的孔径越大,频带越宽;在一定穿孔面积时,孔越深,频带宽度也加宽。这种换能器比大凡换能器频带宽度大一倍以上,可到达±2kHz左右,其电声效率在频带范围内仍能到达80%以上,比普通换能器电声效率高,从而克服了大功率超声清洗器中普通换能器由于频带窄,给多个换能器并联带来的麻烦。半穿孔结构式换能器还能减弱辐射面的横向振动,有利于高频换能器的辐射面的增加,对改善超声清洗设备的性能是有利的。
 
近来又发展了一种双频清洗用的纵振换能器,这种换能器有两个谐振频率,这种双频超声波的作用能大大改善清洗缸的声场分布,提高清洗效果。另有一种聚焦式超声清洗换能器,其辐射面功率承受达几十瓦上百瓦/平方厘米。这种换能器大凡由三节组成,第一节为纵向压电振子,第二节为变幅杆,第三节为辐射器,第三节材料用经过特殊工艺处理的能耐高疲劳强度的不锈钢或钛合金材料组成。
 
目前超声波清洗器的发生器主要有两种形式,一种是上世纪70年代末80年代初国际上普遍采用的自激式D类晶体管(或模块)开关功率放大器。其特点为线路简短,换能器是自激振荡器的一个部件,所以随着负载频率的变更,振荡器频率能跟着变更,有频率跟踪的功效。要实现大功率超声波发生器采用多路合成容易,电路可靠性、可维修性较好。其缺点是无保护电路,功率不能连续调节。另一种超声波发生器是他激式的,且末级采用功率模块的开关电源式的功率放大器,其前置控制不管是模拟的还是数字的,均采用PWM(脉宽调制)方式,频率可调、脉冲宽度可调、特点频率稳定度尚好,功率可连续调节。由于采用高压、大电流IGBT或M0S模块,大功率清洗用超声发生器体积较小,可靠性较好,且开关电源控制电路技术成熟(0.53kw的单板发生器已有商品),是超声清洗器用发生器的发展方向之一。
 
5.超声波清洗技术的新进展超声波清洗技术经过几十年来的理论探讨和应用研究,无论设备还是工艺上均取得了较大的发展,有关单位相继研发了一大批新的产品,也制定出了一些先进典型的清洗工艺。
 
高频超声清洗对于像硅片表面小至零点几微米的超微污物粒子,常规的超声波清洗器无能为力,即使增加功率密度也无济于事。近来发展了一种兆赫兹级的高频超声清洗技术,由于频率高,空化效应已不起作用,因此清洗的环节不是气泡,是高频压力波的擦洗作用,其对污物的去除率接近百分之百。高频清洗近来发展较快,主要用于超大规模集成电路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特种污物的清洗。
 
对于像纺织行业的喷丝板、过滤器之类微孔物件的清洗,常规的超声清洗效果十分不理想,声技术洗净技术强达不到要求,而采用机械扫描聚焦式超声清洗,喷丝板微孔中的污物脱离十分明显。聚焦式清洗要求到达高的声强,目前选用的频率以低频为主,常用20kHz和15kHz两种频率,个别的频率也有28kHz的,其电功率在连续波情况下大凡为500700w,间隙脉冲事情状况下,功率可高一些。
 
即在一只清洗缸中,安装有两种或三种以上不同频率的换能器,由多只发生器分别推进各自频率的换能器。我们知道,清洗器事情频率高时,在液体中空化强度低而空化密度大,而事情频率低时则相反。低频超声波的强度高,对物体表面清洗有利;高频超声波空化密度高,冲击波能穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构。同时缸中有多种频率的超声波,也克服了单频清洗驻波场造成的清洗不均匀问题。
 
扫频和跳频清洗都是为了改善缸中的声场结构,前者办理了缸中的不均匀驻波场,使清洗均匀。而跳频和多频一样兼顾到高低频清洗,不同的是跳频用的是一只换能器和一只发生器,其换能器本身有两个谐振频率,在第一谐振点带宽内作连续的频率变更,然后跳到另一带宽内进行扫频清洗。它是高低频交替进行清洗。
 
为了提高物件的清洗质量,应根据被清洗物的性质和污物的类型,抉择合适的清洗工艺及对环境无污染的非0DS的清洗剂,以及相应的配套设备。近来国内外在这方面做了大量研究事情,也投入了大量资金、人力和物力,并取得了相应的成超声波清洗工艺的抉择是指对超声波清洗方式、清洗液温度、超声频率、超声功率密度、清洗时间以及清洗液的抉择及配制。至于参数的抉择,上面已有论述,所以不多展开,在这里主要说明,合适的清洗液对于超声波清洗效果和环境保护具有很大影响。由于超声波清洗机理主要是行使空化作用,清洗液的抉择除了要考虑清洗件本身材料、油污、机械杂质外,还必须保证清洗液粘度小、表面张力小,以利于清洗液的空化;偶然还需增加助溶剂、稳定剂、消泡剂及静电去除剂等增加剂。近来对环保的要求越来越严,根据蒙特利尔协议书,必须全面不准使用各种0DS清洗剂,因此目前各种0DS清洗剂替代物相继在研发和试验中,为此超声波水基清洗、超声波半水基清洗和超声波碳氢化合物溶剂清洗以及相应的工艺、相关的设备研发也在同步进行。目前要全面彻底替代0DS清洗剂另有一个相当的过程,但相信在超声界和化学溶剂界的不断努力下,一个既具有清洗性又具有环保性和经济性的非0DS超声清洗技术将会获得广泛的应用。
 

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