超声波清洗的工作原理

超声波清洗原理
         超声波在超声波在本质上和声波是一样的，都是机械振动在弹性介质中的传播过程，超声波和声波的区别仅在于频率范围的不同。声波是指人耳能听到的声音，一般认为声波的频率在20～20000赫范围内，而振动频率超过20千赫以上的声波则称为超声波。超声波中振动频率在100千赫以下的称为低频超声波；振动频率在100千赫以上到数十兆赫的称为高频超声波。用于清洗的超声波所采用的频率为20～400千赫，属于低频及高频超声波的范围。
超声波清洗时，在超声波的作用下，机械振动传到清洗槽内的清洗液中，使清洗液体内交替出现疏密相间的振动，液体不断受到拉伸和压缩。疏的地方受到拉伸，形成微气泡(空穴)；密的地方受到压缩。由于清洗液内部受超声波的振动而频繁地拉伸和压缩，其结果使微气泡不断地产生和不断地破裂。微气泡破裂时，周围的清洗液以巨大的速度从各个方向伸向气泡的中心，产生水击。这种现象可以通过肉眼直接观察到，即在清洗液中可以看到有剧烈活动的气泡，而且清洗液上下对流。此时若将手指浸入清洗液中，则有强烈针刺的感觉。上述这种现象称为超声空化作用。
  超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。
(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。
(2)因空化现象产生，由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。
(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力
(4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。
(5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。
(6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。
(7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60度。
　　在超声空化作用一定时间后，被清洗件上的污垢逐渐脱落(当然也有清洗液本身的作用在内)，这就是超声波清洗的基本原理。
较长时间的超声空化作用，会使被清洗件表面的基体金属有一定程度的剥落，这称为空化的浸蚀作用。
超声冲击波能在液体中产生微冲流，具有搅拌作用。在不相溶的两相液体中，微冲流能促使两液相面加速互相分散，具有乳化作用。
超声空化的产生是依附于空化核进行的，而被清洗件表面的缝隙正好是空化核的中心。
总之，超声波清洗是超声空化作用、浸蚀作用、搅拌作用、乳化作用及空化核作用的综合表现。其中空化作用在超声波清洗中是起主要作用的，它能破坏污垢微粒在被清洗件表面的粘附状态。再加上微冲流的作用，使清洗液产生振动和搅拌，将污垢从被清洗件表面清除干净。而乳化作用则使清洗下来的油污很快地分散、乳化在清洗液中。
应当指出，超声波清洗过程中，除了超声波的上述作用外，还有所采用的清洗液的浸润、浸透、乳化、分散及溶解等作用，其结果必然大大加速清洗过程，提高清洗效果。
。
4.　超声波清洗效果及相关参数：
a.清洗介质：采用超声波清洗，一般有两种清洗剂：化学清洗剂和水基清洗剂。清洗介质是化学作用，而超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，以对物体进行充分、彻底的清洗。
b. 功率密度：超声波的功率密度越高，空化效果越强，速度越快，清洗效果越好。单对于精密的、表面光洁度甚高的物体，采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生“空化”腐蚀。
c. 超声波频率： 超声波频率越低，在液体中产生空化越容易，作用也越强。频率高则超声波方向性强，适合于精细的物体清洗。
d. 一般来说，超声波在30o***~40o***时空化效果最好。清洗剂则温度越高，作用越显著。通常实际应用超声波清洗时，采用30o***~60o***的工作温度。
5.超声波清洗特点：
1）、 　清洗效果好　　
就清洗方式而言，运用于工业清洗的清洗方式一般为手工清洗，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。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、手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均匀一致。超声波清洗可根据不同的溶剂达到不同的效果，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。
2）、 清洗成本低　　
在所有清洗方式中，清洗成本大体可分为：设备成本和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为十年，除设备购置成本高于手工清洗和有机碱性溶剂刷洗外，低于气相清洗和高压水射流清洗，对于消耗成本，以功率为1KW，价格约为1万元的超声波清洗机为例，工作一小时，耗电1度，费用约为0.5元，碱性金属清洗剂1公斤，价格约为20元，可反复使用20-50个小时（根据污染程度而定），相当于0.4-1元/小时，而一般工件清洗时间仅为3-15分钟即可，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。
3）、超声波清洗与其他清洗方法的比较：
清洗方法  吹式清洗  浸润式清洗  蒸气式清洗  刷子清洗  超声清洗
残留物％  86  70  65  8  0．5

4) 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， 有清洗洁净度高、清洗速度快等。
超 声 波 设 备 的 组 成       
　　标准超声波清洗设备由三部分组成：超声波发生器（又称超声波电源）、换能器及其它的辅助系统。超声波发生器将工频电转变成 28KHZ以上的高频电信号，通过电缆输送到换能器上。一般超声波换能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽内装满了液体，当换能器被加上高频电压后，它的压电陶瓷元件在电场作用下便产生纵向振动。超声波换能器（又称声头）是一种高效率的换能元件，能将电能转换成强有力的超声波振动，在产生超声波振动时，仿佛是一个小的活塞，振幅很小，约只有几微米。但这个振动加速度很大（几十至几千个g）；槽上具有许多个换能器，施加相同的频率及相位的电能时，就合成了一个巨大的活塞进行往复振动，这种振动的现象，就是平时我们所说的超声波。以下是超声波的组成部分说明：
(1)换能器：采用特种锆酸钛酸铅（PZT）压电陶瓷片组成的三明治式的振动头具有效率高、寿命长、不易发生故障的优点。换能器采用特种耐高温、耐振动、高粘度的树脂胶辅以特殊的方法加以固定绝不脱落，且可耐受100℃~150℃的高温
(2)超声波发生器（电源）：采用功率MOS管超声波发生器，电路先进，结构完整，辅以灵敏可靠的集成控制系统，保证了超声波清洗机在各种负载下稳定工作。发生器体积小巧，外观新颖，操作十分简便，产品质量及技术水准可与国外同类产品相媲美，一经推出便受到了同行的重视，更得到了广大用户的欢迎。各种超声波发生器可独立工作，亦可多组并联使用，以完成大规模清洗工程。维修简单，若有一组发生故障时，不影响其它各组的工作，此点对于生产线来说，更为重要。机箱内装有散热风扇施行强制冷风，确保长期工作的安全性。
(3)加热及温度控制系统：加热器采用铸铝加热片，可耐酸碱，寿命长。加热的目的是将清洗剂加热以增加清洗机的洗涤效果，温度自动控制，可在适当范围内随意调整
(4) 清洗槽：清洗槽采用SU304不锈钢经氩弧焊焊制而成，槽体上设置有排渣检修口、保温隔声层等
(5)槽液循环过滤系统：在该系统中设有过滤器，对槽液进行动态过滤，以维持槽液的清洁度。当工件出槽，经过过滤的液体流经槽体上部的喷淋环节对工件进行一次冲洗，以便冲掉工件出槽，以避免其对下道槽液造成污染 。
(6)输送系统：根据被清洗工件的形状、体积、批量等确定超声波清洗机的输送方式及控制方式。典型的输送方式有——悬链、网带、双链、步进、电葫芦、自行葫芦、滚筒、转盘、龙门架、机械手、吊篮、推盘等等。
(7)喷淋漂洗系统：根据被清洗工件的表面状况，有的清洗机配备喷淋漂洗工序，将超声波清洗和喷淋清洗有机地结合起来。
　　 (8)烘干系统：根据被清洗工件的状况，有的清洗机配备烘干系统，烘干系统主要由加热器、风机、吹风喷嘴等组成，温度自动控制。
超声波设备的应用       
7、清洗应用表
行业部门  清洗产品分类  可清除主要附着物  主要清洗液
电子、电气工业机器另部件  继电器、开关、印制电路板、电位器、真空管另件、半导体元件、硅片、电容器、照相机快门等。    锈、氧货物、盐、手垢、尘；印制板油墨、焊料、油质防腐剂、石腊、磨料、染料。土。  使用有机性清洗液、三氯乙烯、氟、乙醇、丙酮；碱性清洗液、中性、酸性清洗液、水。
玉石加工、钟表、光学、机械等精密工业  仪器、仪表、钟表字盘、另部件；齿轮、弹簧、轴承、宝石、透镜、眼睛架、贵金属装饰品  涂料、喷漆、油脂、复合物、玻璃纤维；
染料、塑料残留物  有机性清洗液（三氯乙烯，氟溶液）；
碱性清洗剂、中性清洗液
汽车业  气门、点火栓、气化栓、燃料泵、蓄电池电极、活塞环、机器操纵盘另件、摩托车和汽车油箱  油、油脂、防腐剂、机械切屑、塑料残留物、研磨磨料、玻璃纤维、尘埃、石墨、焦油  有机性清洗液（三氯乙烯等）、轻油、碱性清洗液
橡胶工业  手套、带、轮胎、外科医用橡胶手套  指纹、尘埃、染料、防腐剂、墨迹、塑料残留物、橡胶残渣  碱性、中性及酸性清洗液
奶酪、酿造业  瓶子、盖、烹调器具、料理盘碟  食物残留物，指印、尘土、染料、蛋白、标签印刷上彩前的墨迹；油脂、硅油  碱性、中性清洗液；
有机清洗液
航空工业  燃料油过滤器、燃料仪器、仪器仪表、注入喷咀、流量控制设备、机械控制设备用的另件、水力水压系列产品  氧化物、尘土、切屑、油类、油脂、磨粉、防腐剂；锈、碳、水垢  有机清洗液、轻油；焦油分离剂酸碱清洗液
印刷业  旋转机、金属板  墨迹、指纹、油、染料  轻油、有机性清洗液
公共事业、电力、煤气、新闻通讯  路灯、燃料油表、电力计、灯泡、软片、电传机、绝缘子。   墨迹、油、尘土、纱屑、锈、泥、接触海水的盐分  有机性清洗剂、轻油、酸碱性清洗液
原子能工业及研究院所  控制棒、燃料泵、铝管类、容器、玻璃、分析试料  放射能量粒子、尘埃、硅油、油脂  碱性、中性清洗液、纯水。有机性清洗液、乙醇、丙酮等
医疗、医研  注射器、手术机械、吸量管、玻璃容器、食道镜、齿科机械、直肠镜、方向镜、显微镜用试料玻璃  血液、凝胶体、指纹、料理物残留物、蛋白（卵白）、混入血液中的污垢  碱性、中性清洗液、纯水
金融机关  图章、标签、号码机、高级陶瓷、金银制品  手垢、尘土、指纹、印泥、糊状物、胶、纱屑  中性、碱性清洗液
机械工具、
五金制品  电镀件前后处理、各种小五金件、丝杆、喷咀、齿轮、夹具、固定装置用附件、弹簧、气门、游标卡尺等工量具  磨料、铁屑、防锈剂、复合物、切削油、冷却油、研磨油；尘土、抛光、氧化物  有机清洗液、复合剂、氟溶剂、轻油、乙醇系列；碱性、中性清洗液
   应用例举如下：　　
1）.电镀前处理　　
电镀工艺，对工件表面清洁度要求较高，而超声波清洗技术是能达到此要求的理想技术。利用超声波清洗技术，可以替代溶剂清洗油污 ；可以替代电解除油；可以替代强酸浸蚀去除碳钢及低合金钢表面的铁锈及氧化皮。近年来诸多电镀厂商采用超声波清洗技术设备，替代电镀线原有的酸碱处理工位获得成功，使电镀件质量及产量较原来有更大提高，并改善了生产环境。　　
冷轧钢板表面一般有油、污或少量铁锈，要洗干净比较容易，但经一般方法清洗后，工件表面仍残留一层非常细薄的浮灰，影响后续加工质量，有时不得不再采用强酸浸泡的办法去除这层浮灰。而采用超声波清洗并适当的清洗液，可方便快捷地实现工件表面彻底清洁，并使工件表面具有较高的活性，有时甚至可以免去电镀前酸浸活化工序。
传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡清洗。如采用超声波综合处理技术，可以快捷地在几分钟内同时去除工件表面的油、锈、并避免了因强酸清洗伴随产生的氢脆问题。　　
2）.制药工业　　
超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。　　
3）.滤芯　　
无论何种用途的过滤器，使用一段时间后，都会由于杂质而造成通透性降低而报废，普通滤芯价格较低还可以，但对于化纤行业，一只进口滤芯，价格近万元，弃之实在可惜。若用超声波滤芯清洗机，采用聚能型超声波清洗机，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的辐射面上，超声强度大，能够快速将堵塞物去除。。适用于PP绵滤芯、活性炭滤芯、中空纤维滤芯陶瓷膜滤芯。　
4）.金属　　
众所周知，金属棒材经挤压成丝后，金属丝的外部往往有一层碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很难让污物去除（尤其整盘丝），超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝，高效清洗设备，粗洗部分由清洗液储槽、换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成，金属丝经超声波粗洗精洗后，再经过吹干，从而完成整个清洗过程。整套设备集成控制，简洁、方便、效果好，广泛用于钽丝、钨丝、钼丝、铌丝、铜丝（绝缘漆涂覆前）等其它金属丝。　　
5.）日常生活清洗　　
日常生产中，眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗，速度快，无损伤，大型的宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用。
6） 其他：
超声搅拌：加快溶解，提高均匀度，加快物理化学反应，防止过腐蚀，加速油水乳化，如：
溶剂染料混合，超声磷化等。
超声凝聚：加速沉淀，分离，如：种子浮选，饮料除渣等。
超声杀菌：杀灭细菌及有机污染物，如：污水处理，除气等。
超声粉碎：降低溶质颗粒度，如：细胞粉碎，化学检测等。
超声封孔：排除间隙气体，提高整体密度，如：工件浸漆等
超声波清洗技术在以上和其它领域的应用十分广泛，甚至应用到日常生活中清洗金银首饰、酒店餐饮具等，大大提高了工作效率和清洗质量。随着经济的发展、科学技术的进步，超声波清洗技术将被更普遍地应用在生产和生活的各个领域。
选用超声波清洗设备时要考量的问题   
一、功率的选择
?   ? 超声波清洗效果不一定与（功率 × 清洗时间）成正比，有时用小功率，花费很长时间也没有清除污垢。而如果功率达到一定数值，有时很快便将污垢去除。若选择功率太大，空化强度将大大增加，清洗效果是提高了，但这时使较精密的零件也产生蚀点，得不偿失，而且清洗缸底部振动板处空化严重，水点腐蚀也增大，在采用三氯乙烯等有机溶剂时，基本上没有问题，但采用水或水溶性清洗液时，易于受到水点腐蚀，如果振动板表面已受到伤痕，强功率下水底产生空化腐蚀更严重，因此要按实际使用情况选择超声功率。
二、频率的选择
?? 超声清洗频率从十几 kHz 到 100kHz 之间，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对低频有利，一般使用 15-40kHz 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 。对钟表零件清洗时，用 400kHz 。若用宽带调频清洗，效果更良好。
三、清洗篮的使用
?? 在清洗小零件物品时，常使用网篮，由于网眼要引起超声衰减，要特别引起注意。当频率为 28khz 时使用 10mm 以上的网眼为好。当然有时清洗是不是采用篮子，而是采用挂、夹等方式（如光电镜片等），是以不同工件的清洗治具也不同，要专门制作。
四、清洗液温度的选择
?? 水清洗液最适宜的清洗温度为 40-60℃ ，尤其在天冷时若清洗液温度低空化效应差，清洗效果也差。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，反应出这两因素的相乘作用。
五、关于清洗液量的多少和清洗零件的位置的确定
?? 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。
六、超声波清洗工艺及清洗液的选择
在购买清洗系统之前，应对被清洗件做如下应用分析： 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。最终的清洗工艺还需做清洗实验来验证。只有这样，才能提供合适的清洗系统、设计合理的清洗工序以及清洗液。考虑到清洗液的物理特性对超声清洗的影响，其中蒸汽压、表面张力、黏度以及密度应为最显着的影响因素。温度能影响这些因素，所以它也会影响空化作用的效率。 任何清洗系统必须使用清洗液。
。选择清洗液时，应考虑以下三个因素：
1 ．清洗效率：选择最有效的清洗溶剂时，一定要做实验。如在现有的清洗工艺中引入超声，所使用的溶剂一般不必变更；
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 ．成本：最廉价的清洗溶剂的使用成本并不一定最低。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。水为最普通的清洗液，故使用水基溶液的系统操作简便、使用成本低、应用广泛。然而对某些材料以及污垢等并不适用于水性溶液，那么还有许多溶剂可供选用。
。主要清洗工艺流程如下：
1）  浸洗或喷洗：目的是将工件上的污染物软化、分离、溶解，并减轻下道清洗工序的负荷。
2）超声波清洗：利用超声波产生的强烈空化作用及振动将工件表面的污垢剥离脱落，同时还可将油脂性的污物分解、乳化，
3）冷漂洗：利用流动的净水将已脱落但尚浮在工件表面上污物冲洗干净。
4）声波漂洗：溶剂为干净的清水，工件浸入后，利用超声波将浮在工件各边、角及孔隙处的污物清洗干净。
5）热净水及冷净水漂洗：进一步去除悬附在工件表面上的污物微粒。
6）热风烘干：利用一定的温度和风速，使零件表面快速干燥。
七、不同的清洗液，要区分的清洗系统
水性系统：通常由敞口槽组成，工件浸没其中。而复杂的系统会由多个槽组成，并配备循环过滤系统、冲淋槽、干燥槽以及其它附件。
溶剂系统：多为超声波汽相除油脂清洗机，常配备废液连续回收装置。超声波汽相清除油脂过程是由溶剂蒸发槽和超声浸洗槽组成的集成式多槽系统完成的。在热的溶剂蒸汽和超声激荡共同作用下，油、脂、蜡以及其他溶于溶剂的污垢就被除去。经过一系列清洗工序后下料的工件发热、洁净、干燥。
八、清洗件处理
?   ?超声清洗的另一个考虑因素是清洗件的上、下料或者说是放置清洗件的工装的设计。清洗件在超声清洗槽内时，无论清洗件还是清洗件篮都不得触及槽底。清洗件总的横截面积不应超过超声槽横截面积的 70% 。橡胶以及非刚化塑料会吸收超声波能量，故将此类材料用于工装时应谨慎。绝缘的清洗件也应引起特别注意。工装篮设计不当，或所盛工件太重，纵使最好的超声清洗系统的效率也会被大大降低。钩子、架子以及烧杯都可用来支持清洗件。
九、机器工作方式
   根据每天工作时间、待清洗工件种类、待清洗工件数量、清洗溶剂种类、和投入资金来选用全自动、半自动、手动等工作方式和传动部件。