超声波清洗的原理
前言
超声波清洗工艺是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗工艺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、焊片、电极引线等电子类产品。
1.超声波清洗的原理
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。如图1，图2所示：清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆，由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此，高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破坏其工件表面。由于超声波固有的穿透力，所以可以清洗各种表面复杂，形状特异的物件，对小孔和缝隙都有很好的清洗效果，对不吸音或吸音系数小的物体清洗效果最佳。
图1 空化泡的扩大以及爆裂（内爆）图2 气泡分离污垢图示
2.超声波清洗机的构造
清洗液里面的气泡是在液体中施加高频（超声频率）、高强度的声波而产生的。因此，任何超声清洗系统都必须具备三个基本元件：盛放清洗液的槽、将电能转化为机械能的换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。
超声波清洗槽用坚固弹性好、耐腐蚀的优质不锈钢制成，底部安装有超声波换能器振子；超声波发生器产生高频高压，通过电缆联结线传导给换能器，换能器与振动板一起产生高频共振，从而使清洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净。
超声波清洗设备一般可分为通用和专用两种机型：
2.1.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。
2.2.专用超声波清洗机
一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。
3.超声波清洗机的选用
随着科技的进步，精密清洗的工件越来越精细，清洁度要求也越来越高。在精密清洗的应用上（如线路板、二极管、液晶体、半导体等）使用传统的频率（20～30KHz），我们会发现不但没法达到清洗的要求，而且还可能造成工件的损伤。
在购买清洗系统之前，应对被清洗件做如下应用分析：
3.1.清洗方法和清洗液类型的确定
明确被洗件的材料构成、结构和数量，分析并明确要清除的污物，这些都是决定所要使用什么样的清洗方法，判断应用水性清洗液还是用溶剂的先决条件。选择清洗液时，应考虑以下三个因素：
3.1.1.清洗效率：选择最有效的清洗溶剂时，一定要作实验。
3.1.2.操作简单：所使用的液体应安全无毒、操作简单且使用寿命长。
3.1.3.成本： 使用中必须考虑到溶剂的清洗效率、安全性、一定量的溶剂可清洗多少工件利用率最高等因素。当然，所选择的清洗溶剂必须达到清洗效果，并应与所清洗的工件材料相容。
3.2.所选的功率和频率要适合
超声波清洗若选择功率太大，空化强度将大大增加，清洗效果虽然提高了，但这时使较精密的零件也产生蚀点，而且清洗缸底部振动板处空化严重，水点腐蚀也增大。一般使用 28-40kHz 左右。对小间隙、狭缝、深孔的零件清洗，用高频（一般 40kHz 以上）较好，甚至几百 kHz 。
3.3.清洗液清洗温度的正确选择
水清洗液最适宜的清洗温度为40-60℃。因此有部分清洗机在清洗缸外边绕上加热电热丝进行温度控制，当温度升高后空化易发生，所以清洗效果较好。当温度继续升高以后，空泡内气体压力增加，引起冲击声压下降。
3.4.清洗液量和清洗零件位置确定
一般清洗液液面高于振动子表面 100mm 以上为佳。由于单频清洗机受驻波场的影响，波节处振幅很小，波幅处振幅大造成清洗不均匀。因此最佳选择清洗物品位置应放在波幅处。
4.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，制定出了一批先进典型的清洗工艺如：
4.1. 高频超声清洗
这是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，因此清洗的关键不是气泡，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。高频清洗进来发展较快，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。
4.2.聚焦式清洗
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。聚焦式清洗要求达到高的声强，目前选用的频率以低频为主，常用 20kHz 和 15kHz 两种频率，其电功率在连续波情况下一般为 500 ～ 700W。
4.3.多频清洗
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动各自频率的换能器。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。
4.4.扫频和跳频的清洗
扫频和跳频清洗都是为了改善缸中的声场结构，前者解决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化，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。
超声波清洗机技术的发展过程及现在超声波清洗机的普遍应用证明超声波清洗技术是有着传统清洗技术无可比拟优势的，实践也证明如此，在一些电子，电镀，制药等行业超声波清洗已成为必不可少的清洗环节。随着现代科技的发展，超声波清洗应用行业也在进一步普及，已经渗透到工业生产和科学研究的多个方面。在不远的将来超声波清洗技术将成为一门主要的清洗技术之一。
免责声明：文章来源于网络，如有侵权请联系作者删除。
