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超聲波清洗技術與進展

內容來源:超聲波清洗機   發布日期:2016-06-28 09:38:24

 技術洗凈技術發表科研院所、企業及其他機構的專家學者、高層管理人員的科研成果、研究報告,及時反映行業最新技術水平,推動行業健康發展。

  來稿要求文章內容具有科學性、系統性和現實指導性,引用的資料真實可信,格式符合科技論文的要求,最好有創新或自己的研究成果。

  責任編輯:董鵬華電話超聲波清洗技術與進展陳思忠(上海船舶電子設備研究所,上海,200025)術參數的選擇、超聲波設備的組成以及超聲波技術的最新進展。

  1.刖目超聲清洗技術的機理研究及設備開發與超聲清洗工藝研究及應用在我國已有近50年的歷史,幾乎是與國外同步進行的。上世紀80年代前,我國的超聲清洗研制單位無論從研制隊伍還是從生產上講,有一定規模的為數不多。上世紀80年代后,特別是90年代開始,隨著改革開放的深入和國民經濟的飛速發展,以及科技的不斷進步,尤其是先陳思忠(1938―),男,研究員,中國聲學學會會士,上海聲學學會理事,《聲學技術》、《艦船電子工程》等雜志編委。主要從事工業超聲的研制工作。

  進制造技術的需求,超聲清洗技術的研究與超聲清洗設備的研制得到了迅速發展,研制隊伍不斷壯大,研制單位不斷增多。

  超聲清洗屬于物理力清洗,其本身為綠色清洗,若在清洗液中添加適宜的清洗劑則屬組合清洗,更具明顯的清洗效果。超聲清洗與現代科技發展及先進制造工藝密切相關,是目前功率超聲中應用最為廣泛的領域之一。超聲清洗在各種化學、物理以及機械的清洗中是較為有效的一種手段,它被廣泛應用于機械、光學、電子、輕工、紡織、化工、航空航天、船舶、原子能以及醫療醫藥等工業部門。

  技術洗凈技術2.超聲波清洗技術的特點與機理超聲波清洗與其它清洗相比具有洗凈率高、殘留物少(見表1)、清洗時間短,清洗效果好的優點(見)。凡是能被液體浸到的被清洗件,超聲對它都有清洗作用,不受清洗件表面形狀限制,例如深孔、狹縫、凹槽,都能得到清洗。由于超聲波發生器采用D類工作放大,換能器的電聲效率高,因此超聲清洗具有高效節能的特點,是一種真正高速、高質量、易實現自動化的清洗技術。若清洗劑采用非ODS清洗劑,則具有綠色環保清洗作用。超聲清洗對玻璃、金屬等反射強的物體清洗效果好,而不適宜紡織品、多孔泡沫塑料、橡膠制品等聲吸收強的材料。

  超聲清洗效果比較超聲清洗槽內液體的某一點受壓情況超聲波清洗機理分兩種情況,一種情況是超聲清洗在中、低頻時,即頻率在20kHz130kHz范圍內,特別是在20kHz40kHz情況下,把液體放入清洗槽內,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,介質中的壓力作交替變化。如對液體中某一確定點進行觀察,這點的壓力如曲線A所示。以靜壓(一般為一個大氣壓)為中心,產生壓力的增減,若依次增加超聲波強度,壓力振幅也隨著增加。像曲線B所示,并產生所謂負的壓力。在此區域液體中會產生一種撕拉的力,且形成真空的空泡,并又被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動,當聲壓達到一定值時,氣泡將迅速增長,然后又突然閉合。在氣泡閉合時,由于液體相互碰撞,將產生強大的沖擊波,其最大的壓強Pmax由(1)式表示。

  其中P0為靜水壓,Rm為空穴的初始半徑,R為空穴半徑,根據(1)式估算,局部壓強可達到上千個大氣壓。這就是平常所說的超聲空化。超聲空化有一個閾值,其含義為使液體產生空化的最低聲強或聲壓幅值。空化閾Pc可由式(2)表示:其中。為表面張力系數,Pv為蒸氣壓,R0為氣泡核半徑,可見空化閾值隨液體不同而不同。同一種液體,在不同的壓力下,其空化閾值不一樣,它隨著壓力增加而增加,與液體粘滯系數有關。粘度大,表面張力大,空化閾值高。空化閾值還與工作頻率有關,頻率越高其空化閾值也越高,產生空化越難。氣泡在聲場下作振動,但不一定破裂,只有當聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可使氣泡破滅。氣泡的諧振頻率由式(3)給出。

  空化閾值與頻率的關系曲線如所示。空化技術洗凈技術閾值還與液體含氣量有關,含氣量愈少,空化閾值愈高。空化閾值與超聲波作用時間長短時間有關,超聲波輻射時間愈長空化閾值愈低。空化閾值與清洗液溫度有關,清洗液溫度升高,對空化有利,但溫度過高時,氣泡中蒸汽壓增大,因此氣泡閉合期增強了緩沖作用而使空化減弱。對于水清洗液,較適宜的溫度為60C左右。根據以上中低頻超聲清洗機理,可選擇最佳工作狀態,從而得到最佳清洗效果。

  第二種情況:超聲清洗工作頻率在1MHz左右甚至高達3MHz,有時被稱之為兆赫級超聲清洗。由于頻率太高,聲波在清洗液中很難發生空化,其清洗機理一般認為主要由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用,而空化效應是次要的。這種超聲清洗的特點是清洗方向性強,清洗時一般將零件表面置于與聲束平行的方向。

  從上述超聲清洗機理可知,超聲清洗主要由超聲空化引起,空化效應是主要因素。氣泡的爆破產生的高壓高溫沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的粘著力,引起污垢的破壞和脫離;同時氣泡的振動能對被清洗物表面進行擦洗,氣泡還能鉆入裂縫中振動,使污層脫落。當某些固體表面被油粘附時,油被超聲波乳化,迅速脫離被清洗件表面。超聲空化在被清洗件表面會產生很高的速度梯度和聲流,能進一步削弱或除去邊界層污染,同時超聲振動還會引起介質質點的強烈振動,使被清洗件表面受到強烈的沖擊,使污物迅速脫離表面。

  3.超聲清洗技術參數的選擇超聲清洗效果不一定與所加功率和工作時間成正比,有時用小功率花費很長時間也沒有清除污垢,而如果功率達到一定數值,則有可能很快將污垢去除。若超聲功率太大,這時液體中空化強度大大增加,較精密的零件將產生蝕點,造成不必要的損失,同時清洗缸底部振動板空化也十分嚴重,使缸的壽命縮短。另外一點:超聲功率選得太大,使液體中聲強過高,會產生大量氣泡,在聲波表面形成一道屏障,聲波不易輻射到整個缸體中,造成遠離聲源的地方清洗作用減弱。所以選擇合適的聲強是必須的。鑒于目前混響場聲強測量的技術尚不夠成熟,目前還是用單位面積上的功率來進行設計,一般一臺標準超聲清洗器輸出功率密度大多選在0.30.6w/cm2之間。至于連續波聚焦超聲清洗一般選在幾十瓦每平方厘米左右,脈沖聚焦超聲清洗可選得更高。

  3.2工作頻率的選擇目前常用的超聲清洗器工作頻率在2040kHz之間。工作頻率低,在使用水或水清洗劑時由空穴作用引起的物理清洗力顯然有利,但空化引起的噪聲大,噪聲分貝數大大超過有關標準,所以20kHz及以下的頻率目前很少使用,除非降噪措施跟上。

  對于小間隙、狹縫、深孔的零件的清洗,選用高一些頻率較好。國外有的用幾百千赫茲清洗精密鐘表零件。對于清洗像硅片表面零點幾微米的微小顆粒污物,頻率可選在兆赫茲級范圍。

  3.3清洗籠的選擇在清洗小零件物品時,常需要使用網籠。但是網籠會引起超聲衰減。為改變網眼尺寸后測技術洗凈技術量的透射率結果。從中看出,當頻率為28kHz時,網眼尺寸大于1mm以上為好。

  3.4清洗液溫度的選擇水清洗液適宜的清洗溫度大約在4060°C間,網眼尺寸與聲波透射率的關系尤其在冷天。若清洗液溫度過低,則空化效應差,清洗效果也不好。因此有部分清洗器在缸內設置加熱保溫控制。如果溫度繼續升高,空泡內氣體壓力增加,引起沖擊聲壓下降,對清洗不利(見)。從中看出,在各種不同的清洗液中,空化強度對鋁的腐蝕量隨溫度變化有個最佳值。表2表明在相同超聲強度和相同頻率下,相同時間內,鋁在不同液體中的溫度與腐蝕量的關系。

  3.5清洗液量的選擇清洗液量一般高于振子表面100mm以上為清洗物品在缸中位置的選擇佳,但根據清洗器功率大小有所不同,例如功率為300w、頻率為25kHz的清洗器液面高約100 120mm;而功率為600w時,液面可到150mm左右。由于單頻清洗器受駐波場的影響,波節處振幅很小,而波幅處振幅很大,造成清洗不均勻,最佳選擇是被清洗件位置應放在波幅處(見),或使物品上下移動,使清洗均勻。

  4.超聲波清洗設備的基本組成超聲波清洗設備無論功率大小,基本上由清表2鋁在不同液體中的空化腐蝕量/mg \\溫度水煤油苯酒精丙酮10|洗凈技術技術洗凈技術洗缸、換能器、超聲波發生器三部分組成。其中大型多槽式清洗器還包括機械傳動裝置、清洗液回流過濾裝置、溫度控制裝置、噴流裝置和烘干設備,如果是氣相式超聲設備還包括一臺冷水機。若用碳氫化合物溶劑清洗,則還需真空及干燥設備。

  也稱為清洗槽。清洗缸尺寸的選擇應根據超聲電功率大小而定,如果以每只50w標準換能器進行組裝,則缸底尺寸基本上以。5w/cm2進行計算,至于深度應考慮上面所述的液面高度,還應適當滿足被清洗件的尺寸要求。缸的材料大多選用不銹鋼,厚度在1.53.0mm之間,缸底加工必須平整,還需噴砂處理。

  超聲清洗器的換能器有磁致伸縮換能器和壓電式換能器兩種,由于前者材料價格貴、電聲效率低,目前基本上不用;而壓電式換能器電聲效率高、價格便宜、安裝方便,目前被超聲清洗器普遍采用。壓電式換能器的結構形式主要為單螺釘緊固的縱向振動換能器,由兩片中心穿孔的壓電陶瓷晶片及前后蓋板組成。為了提高清洗器的工作穩定性和效率,還發展了一種半穿孔結構式寬頻帶換能器,這種換能器的結構特點是在換能器輻射面上沿著軸向均勻地鉆有一定數量、同一深度的孔,構成半穿孔結構。在一定孔深時,鉆孔的孔徑越大,頻帶越寬;在一定穿孔面積時,孔越深,頻帶寬度也加寬。這種換能器比一般換能器頻帶寬度大一倍以上,可達到±2kHz左右,其電聲效率在頻帶范圍內仍能達到80%以上,比普通換能器電聲效率高,從而克服了大功率超聲清洗器中普通換能器由于頻帶窄,給多個換能器并聯帶來的麻煩。半穿孔結構式換能器還能減弱輻射面的橫向振動,有利于高頻換能器的輻射面的增加,對改善超聲清洗設備的性能是有利的。

  近來又發展了一種雙頻清洗用的縱振換能器,這種換能器有兩個諧振頻率,這種雙頻超聲波的作用能大大改善清洗缸的聲場分布,提高清洗效果。還有一種聚焦式超聲清洗換能器,其輻射面功率承受達幾十瓦上百瓦/平方厘米。這種換能器一般由三節組成,第一節為縱向壓電振子,第二節為變幅桿,第三節為輻射器,第三節材料用經過特殊工藝處理的能耐高疲勞強度的不銹鋼或鈦合金材料組成。

  目前超聲波清洗器的發生器主要有兩種形式,一種是上世紀70年代末80年代初國際上普遍采用的自激式D類晶體管(或模塊)開關功率放大器。其特點為線路簡短,換能器是自激振蕩器的一個部件,所以隨著負載頻率的變化,振蕩器頻率能跟著變化,有頻率跟蹤的功能。要實現大功率超聲波發生器采用多路合成容易,電路可靠性、可維修性較好。其缺點是無保護電路,功率不能連續調節。另一種超聲波發生器是他激式的,且末級采用功率模塊的開關電源式的功率放大器,其前置控制不管是模擬的還是數字的,均采用PWM(脈寬調制)方式,頻率可調、脈沖寬度可調、特點頻率穩定度尚好,功率可連續調節。由于采用高壓、大電流IGBT或M0S模塊,大功率清洗用超聲發生器體積較小,可靠性較好,且開關電源控制電路技術成熟(0.53kw的單板發生器已有商品),是超聲清洗器用發生器的發展方向之一。

  5.超聲波清洗技術的新進展超聲波清洗技術經過幾十年來的理論探討和應用研究,無論設備還是工藝上均取得了較大的發展,有關單位相繼研發了一大批新的產品,也制訂出了一些先進典型的清洗工藝。

  高頻超聲清洗對于像硅片表面小至零點幾微米的超微污物粒子,常規的超聲波清洗器無能為力,即使增加功率密度也無濟于事。近來發展了一種兆赫茲級的高頻超聲清洗技術,由于頻率高,空化效應已不起作用,因此清洗的關鍵不是氣泡,是高頻壓力波的擦洗作用,其對污物的去除率接近百分之百。高頻清洗近來發展較快,主要用于超大規模集成電路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種污物的清洗。

  對于像紡織行業的噴絲板、過濾器之類微孔物件的清洗,常規的超聲清洗效果十分不理想,聲技術洗凈技術強達不到要求,而采用機械掃描聚焦式超聲清洗,噴絲板微孔中的污物脫離十分明顯。聚焦式清洗要求達到高的聲強,目前選用的頻率以低頻為主,常用20kHz和15kHz兩種頻率,個別的頻率也有28kHz的,其電功率在連續波情況下一般為500 700w,間隙脈沖工作狀態下,功率可高一些。

  即在一只清洗缸中,安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器,由多只發生器分別推動各自頻率的換能器。我們知道,清洗器工作頻率高時,在液體中空化強度低而空化密度大,而工作頻率低時則相反。低頻超聲波的強度高,對物體表面清洗有利;高頻超聲波空化密度高,沖擊波能穿達凹槽、細縫、深孔等細微結構。同時缸中有多種頻率的超聲波,也克服了單頻清洗駐波場造成的清洗不均勻問題。

  掃頻和跳頻清洗都是為了改善缸中的聲場結構,前者解決了缸中的不均勻駐波場,使清洗均勻。而跳頻和多頻一樣兼顧到高低頻清洗,不同的是跳頻用的是一只換能器和一只發生器,其換能器本身有兩個諧振頻率,在第一諧振點帶寬內作連續的頻率變化,然后跳到另一帶寬內進行掃頻清洗。它是高低頻交替進行清洗。

  為了提高物件的清洗質量,應根據被清洗物的性質和污物的類型,選擇合適的清洗工藝及對環境無污染的非0DS的清洗劑,以及相應的配套設備。近來國內外在這方面做了大量研究工作,也投入了大量資金、人力和物力,并取得了相應的成超聲波清洗工藝的選擇是指對超聲波清洗方式、清洗液溫度、超聲頻率、超聲功率密度、清洗時間以及清洗液的選擇及配制。至于參數的選擇,上面已有論述,所以不多展開,在這里主要說明,合適的清洗液對于超聲波清洗效果和環境保護具有很大影響。由于超聲波清洗機理主要是利用空化作用,清洗液的選擇除了要考慮清洗件本身材料、油污、機械雜質外,還必須保證清洗液粘度小、表面張力小,以利于清洗液的空化;有時還需添加助溶劑、穩定劑、消泡劑及靜電去除劑等添加劑。近來對環保的要求越來越嚴,根據蒙特利爾協議書,必須全面禁止使用各種0DS清洗劑,因此目前各種0DS清洗劑替代物相繼在研發和試驗中,為此超聲波水基清洗、超聲波半水基清洗和超聲波碳氫化合物溶劑清洗以及相應的工藝、相關的設備研發也在同步進行。目前要全面徹底替代0DS清洗劑還有一個相當的過程,但相信在超聲界和化學溶劑界的不斷努力下,一個既具有清洗性又具有環保性和經濟性的非0DS超聲清洗技術將會獲得廣泛的應用。

 

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