超声波清洗技术的工艺及应用

　　超声波是频率在人耳听觉范围上限(20kHz)以上的声波，超声波因其频率高、方向性强、穿透本领大，尤其是在液体中能产生空化现象等特点，已被广泛应用到许多领域。超声波应用技术甚多，主要分为检测超声、医学超声、声表面波、功率超声及高频超声等，超声波清洗技术是功率超声应用Z广泛的一种。

　　超声清洗有时被称“无刷清洗”，把工件放入超声清洗机中，无需任何刷、搓、滚动等清洗动作，污物“自动”从工件表面脱落，一会儿就干净如新，看起来非常神奇，那么，它究竟是怎样清洗的呢?

一、超声清洗设备

　　超声清洗设备主要有超声波发生器、超声波换能器和清洗槽三部分。

　　超声波发生器即电源，是产生电磁振荡信号并提供能量的部分。

　　超声波换能器即振板，是超声清洗的关键部分，它把超声发生器产生的电磁振动转换成换能器本身的超声振动，并传入清洗槽中引起槽内清洗液产生空化作用，常置于清洗槽底部。

　　清洗槽是用来容纳清洗液及要清洗的工体的，尺寸和形状应根据需要确定，通常采用不锈钢材料制成。

二、超声清洗的优点

　　目前，我国工业清洗仍有80%采用化学方法，所用有机溶剂及强酸强碱清洗液，对人体、空气、水源造成严重污染，并且清洗中易腐蚀工件。而超声波清洗采用非ODS水基清洗剂，所以超声波清洗是绿色清洗。

　　超声波清洗法是一种先进的清洗方法，它具有独特的清洗效果。适用于清洗几何形状复杂的工件(如带有盲孔、深孔、弯孔、狭缝的工件)和不同材料的组合件。尤其适用于精度高、光洁度高、清洗质量要求高的中小型工件的清洗。只要工件浸到声场存在的地方，都可以被清洗。

　　超声波清洗技术的优点归纳如下：

　　1、清洗速度快，效率高;

　　2、不需人手接触清洗液，避免繁重肮脏的体力劳动，安全可靠;

　　3、可延长被清洗部件的使用寿命;

　　4、节省能耗、工作场地和人工等;

　　5、对带有深孔、细缝等形状和结构复杂的工件尤为适用;

　　6、超声波清洗采用非ODS水基溶剂，可有效地降低污染，减少有毒溶剂对人类的损害，是绿色环保的清洗技术。

三、超声波清洗的工艺参数

　　超声波清洗主要靠超声空化作用，超声空化作用的强弱与工艺参数和清洗液的物理化学性质有关。为获得良好的清洗效果，必须选择合适的清洗液和工艺参数。超声波清洗的主要工艺参数有：

　　1、超声波的振动频率

　　声波振动频率对空化作用影响较大，所以必须选择合适的振动频率，一般超声波清洗振动频率范围在20kHz~80kHz。空化阈值和超声波的频率有密切关系，频率越高，空化阈越高。换句话说，频率越高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大。

　　超声波频率越低，在液体中产生空化越容易，产生的力度大，作用也越强，适用于较难清洗的污垢，如工件粗、脏、初洗;频率高则超声波方向性强，波长较短，能量集中，适合于表面光洁度高，具有小深孔、狭窄的缝隙、精细工件的清洗。但频率不能过高，否则波长减短，空化作用反而减弱，从而降低了清洗效率。

　　稳定的混响场对清洗有利，如果清洗槽中有驻波场，则因声压分布不均而使清洗工件得不到均匀的清洗，因此，在可能的条件下，清洗槽的几何形状要选择适合建立混响场的形状。此外，可以采用双频、多频和扫频工作方式以避免清洗盲区。

　　2、超声波功率密度

　　为了提高清洗效率，往往采用较高的超声波功率密度。特别是对于油污严重、形状复杂、有深孔的制件要求用较高的功率密度在较深的清洗槽内清洗。

　　过高的功率密度会由于空化作用太强而引起金属表面的浸蚀(即空化腐蚀)，这对于具有各种镀层的零件、铝及铝合金件和精密的、表面光洁度甚高的工件危害较大。而且，超声功率太大，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障，声波不易辐射到整个缸体中，造成远离声源的地方清洗效果减弱。

　　一般用辐射板(即清洗槽底板)单位面积上的功率来进行设计，替代ODS清洗工艺的超声波清洗设备常按0.3~0.5W/cm²配置。

　　3、清洗液温度

　　清洗过程要破坏污染物对工件表面的粘附，增加热能有利于克服粘附力。提高温度可以增加清洗介质的活性，降低清洗介质的表面张力，降低污染物的粘度，提高清洗的效率和效果。但并不是温度越高越好，对不同性质的清洗介质来说，其Z佳效果和Z佳空化效应也有一定的温度范围，水基清洗剂的Z佳温度范围是35~65℃。温度还影响清洗介质的蒸汽压、表面张力、粘度和密度四个物理因素，温度升高到沸点时空化效应就会失去。

　　4、清洗剂的选择

　　超声波清洗采用非ODS水基清洗剂，它成本低、效果好、使用安全，对环境污染少，是符合环保要求的绿色清洗剂。应根据被清洗工件材质的不同，工件表面粘附污垢组份的不同选择不同的清洗剂。

　　5、超声波清洗时间

　　超声波清洗的效果和清洗质量，与超声波清洗的时间有关。时间太短清洗质量达不到标准，时间太长，降低了清洗效率，还会引起零件表面产生空化腐蚀。一般情况下，油污重、形状复杂的零件，清洗时间可长。表面光洁度高、油污轻的零件，清洗时间可短。有各种镀层的零件和铝及铝合金零件的清洗时间可短。

四、超声波清洗的工艺过程

　　在选择合适超声波清洗参数的前提下，其清洗工序和工艺流程也十分重要。清洗过程实质上是工件表面、污染物、清洗介质三者之间复杂的物理、化学和机械作用过程。

　　Z常用的超声波清洗形式如下图所示，它是将零件浸入盛有清洗液的超声波清洗槽内，超声波发生器把50Hz常用电转换成超声频的电能，传输给换能器，再由超声波换能器将高频电能转换成超声振动，辐射至清洗液内进行清洗。

　　先进的超声波清洗工艺，一般采用多槽式全自动、联合清洗程序。利用可编程控制器(PLC)对变频调速器进行控制以构成传输链条的平稳启动，快速位移，平稳减速停机，利用光电定位装置使工件能准确到位。清洗时将工件装入用透声材料做成的网篮中，进行自动、定时、循环清洗。对于有大量污垢的工件可采用浸、喷、冲等方法进行预清洗，然后再进行超声波清洗。

　　超声波清洗工艺多选用水基清洗剂，由于这类清洗剂比ODS清洗剂对油脂及亲油污物的溶解性、渗透性和分散性能力差。所以必须采用多槽式超声波加温脱脂、超声波加温清洗，以加快污物的溶解和分散，使污物脱离工件(粗洗)。超声波漂洗(精洗)是用纯水洗去工件表面所残留的清洗介质，因在清洗槽中工件表面污物虽然被清除，但工件仍处在不太干净的污染介质中。

　　高压冲淋是采用全方位从上至下的方式进行高压纯水喷射，以冲洗小盲孔及缝隙中的污染介质。对冲淋后的洁净工件进行快速热风烘干或蒸汽烘干，以防工件表面氧化腐蚀。油水分离和过滤系统的作用：一是采用油水分离器和表面溢流装置及时清除清洗液表面的油污;二是采用网式、袋式及磁性分离方法对清洗液进行逐级过滤，以保证清洗液的相对干净。

五、超声波清洗技术在机械制造业中应用

　　在机械制造过程中，工件在油漆、电镀、热处理、防锈、装配前，以及装配过程中都需要清洗，清洗是多种工艺过程中反复进行的一项工序，清洗质量直接关系到机械产品的加工性能以及产品的整体性能。传统的清洗方法有人工刷洗、在含有ODS的溶剂浸洗、电解清洗、喷淋清洗、高压喷洗、气相清洗等，存在工人劳动强度大、清洗质量不稳定、效率较低等缺点。超声波清洗作为一种先进、GX、绿色非ODS的现代清洗技术，在机械行业正越来越得到广泛的应用。

　　1、除油脂包括乳化油、润滑油、防锈油等各种油脂。工件在防锈封存前、电镀前和涂装前都必须进行除油清洗，超声波清洗的关键是选用含针对性的表面活性剂和乳化剂的清洗液。

　　2、除锈及氧化皮钢铁零件在轧制或热处理后，表面会生成一层5~10μm的氧化铁，超声波清洗可以用弱酸代替强酸、强碱，减少了公害，避免了氢脆。作为镀膜前处理工艺，提高了镀膜质量。

　　3、除污垢除污垢清洗主要有：

　　①除积碳：积碳是燃油和机油在高温缺氧条件下燃烧生成的硬质碳化物，与金属表面吸附，分子间结合强度极大，用一般方法很难去除，还可能损坏了活塞表面的光洁度。改用超声波清洗，清除彻底，不损坏工件表面质量，而且效率高。

　　②油腻和油泥：工件被机油污染，再落入尘土，形成油腻附着力很强;油泥是机油、焦油、含氧酸、碳化物、灰及水的混合物，结合强度可达10~15kPa，用超声波清洗非常彻底。

　　③涂镀前的清洗：电镀和喷漆前的清洗效果直接影响涂镀质量的好坏。除蜡和抛光膏清洗一直是困扰电镀业的难题，用超声波清洗则会解决这一难题。作为镀膜前处理工艺，提高了镀膜质量。

　　超声波清洗技术已广泛应用于机械零部件的清洗(特别是精密零部件)、工件表面处理(如除锈、除油、磷化、钝化等)、镀前处理等领域，是清洗轴承、油泵、油嘴、液压元件、钟表零件、五金工具、汽车部件等的良好方法。随着技术的进步，超声波清洗应用正日益扩大，除机械及相关行业外，目前，已应用于电子、YL卫生、工艺美术、医药及家庭等领域。

　　超声波清洗的发展趋势是清洗装置的大型化，主要因为清洗物件在增大，超声电源功率在提高，一方面从原先的数百瓦到目前的数十千瓦，甚至更高;另一方面，由多台中小功率的超声电源组合使用代替大功率超声电源。此外，超声波清洗的另一发展趋势是超声清洗装置的自动化，超声波清洗多为多步清洗，从清洗到烘干，采用现代控制技术，实现超声波清洗生产线的自动化。