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超聲波清洗機的原理和應用

文章出處:東莞市南方力勁機械有限公司 人氣:-發表時間:2017-05-26

1 前言. 

在市場經濟的環境下,對産品質量要求越來越高。爲保證産品質量,許多企業在産品生産過程中,將采用清洗工藝來提高産品質量,爲企業創造良好的經濟效益。

當前在一些工業産品生産過程中,應用超聲波清洗是一種洗淨效果好,價格經濟,有利于環保的清洗工藝。超聲波清洗機可以應用于清洗各式各樣體形大小,形狀複雜,清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鍾表零件、照相機零件、油咀油泵、汽車發動機零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環、銑刀、鋸片、寶石、醫用注射器及各種光學鏡頭等;還可以用于清洗印制板、半導體晶片及器件、顯象管內的精密零件、磁性元件、矽片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類産品。 

一種物件的清洗可以根據其汙垢的性質,采用機械物理力清洗的方法或化學力清洗的方法,還可以用各種組合方法來進行清洗。 

若是用自來水或淨水爲清洗液的超聲波清洗屬物理力的清洗,若在清洗液中添加一些洗滌劑,則屬于組合清洗,對不同的清洗對象選用不同的洗滌劑,更具有明顯的清洗效果。 

2超声波清洗的原理 把液体故人清洗槽内,给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波,介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察,这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心,产生压力的增减,若依次增强超声波的强度,则压力振幅也随着增加,像图2曲线B 

那樣,並産生負的壓力。 

所謂負壓,但實際上負的壓力是不存在的,這是在液體中産生撕裂的力,且形成真空的空泡,並被後面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動,當聲壓達到超聲波清洗一定值時,氣泡將迅猛增長,然後又突然閉合,在氣泡閉合時,由于液體間相互碰撞産生強大的沖擊波,在其周圍産生上千個大氣壓的壓力。這也就是所說的“超聲空化”。超聲清洗就是利用了空化作用的沖擊波,其清洗過程中由下列四個因素作用所引起。

超声波1.jpg


(1)因空泡破滅時産生強大的沖擊波,汙垢層在沖擊波的作用下被剝離下來,即分散及脫落。 

(2)因空化現象産生如圖3a所示的氣泡。由沖擊形成的汙垢層與表面之間的間隙和空隙滲透,由于這種小氣泡與聲壓同步膨脹,收縮,産生像剝皮那樣的物理力重複作用于汙垢層,汙垢一層層被剝開,如圖3b所示,小氣泡再繼續向前推進,直到汙垢層被剝下爲止。這就是空化二次效應。 

(3)超聲清洗中清洗液的超聲振動本身對清洗的作用力。例如:20kHz,2W/cm2的超聲波在清洗液中傳播時,它將引起質點的振動,位移幅度1.32lLm,速度0.16m/s,加速度爲2.04X104m/sz,(約爲2刪g的重力加速度),聲壓爲1.45X105Pa,這表明清洗物表面的汙垢層每秒將遭到2萬次的激烈沖擊。 

(4)清洗劑也溶解了汙垢,産生乳化分散的化學力。 

超聲清洗的主要原理是超聲空化作用,要獲得良好的清洗效果,合理選擇清洗槽中聲場的聲學參數和清洗液的物理化學性質是十分重要的。 

既然空化是主要的,那麽如何産生空化呢?一般來說,空化不僅由介質特性決定,而且也與聲場有關。空化閡的高低受到許多因素制約,主要有如下幾個因素: 

(1)空化閡與工作頻率fa有關。頻率越高,空化閡值越高,産生空化越難。氣泡在聲場的作用下將進行振動,但不一定發生崩潰(破滅),只有當聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可能使氣泡破滅,而當聲波的頻率高于氣泡的諧振頻率時,氣泡只進行複雜的振動,一般不發生氣泡破滅。

(2)空化閡與介質中氣泡半徑有關,半徑越小,空化閡越高。

(3)寶化閡與聲波作用時間長短有關,聲波幅射時間越長,空化闡越低。

(4)空化阂与环境静压力有关,静压力越 大,空化阂越高。

(5)空化閡與介質的粘滯性有關,粘度大,表面張力大,空化閡高。

(6)空化閡與液體含氣量有關,含氣量越少,空化閡越高。

(7)空化閡與清洗液溫度有關,清洗液溫度升高,對空化有利。但清洗液溫度過高時,氣泡中蒸氣壓增大,因在氣泡閉合期增強了緩沖作用而使空化減弱。而溫度還與清洗液的溶解度有關。對于水清洗液較適宜的溫度約爲60Y。

根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态,并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡,在声波表面形成一道屏障,使声波不易辐射到整个液体空间,因而在远离声源的地方,清洗作用减弱。同时过高的声强,气泡膨胀过大,以至于在声波压缩相内,气泡来不及闭合。声强一般选在1W/cm2—2W/cm2,对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢,则应采用较高的声强。3 超声波清洗的应用

超聲波清洗設備一般可分爲通用和專用兩種機型。

3.1 通用超声波清洗机

超聲波清洗機的結構一般有超聲電源和清洗器合爲一體或分開布局兩種形式,一般小功率(200W以下)清洗機用一體式結構,而大功率清洗機采用分體式結構。超聲波清洗機分體式結構由三個主要部分組成,如圖4所示。

(1)清洗缸;

(2)超聲波發生器;

(3)超声波换能器; 清洗缸:清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器,大多数工件可先装在网状框架内,再一起放人缸内清洗。超声波发生器:超声清洗机用的超声波发生器,从使用的元器件种类可以分电子管式的,可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。其输出功率从几十瓦直到几千瓦,工作频率从15kHz—40kHzo

超聲清洗機用的超聲波發生器,有以下特點:

(1)隨著清洗液深度不同,換能器共振頻率和阻抗變化很大。但是實踐表明,槽內放進適量清洗物後,基本上就可以穩定在某一定數值上。 

(2)一般來說,由于清洗負載變動較小,可以不要求複雜的頻率自動跟蹤電路。

(3)实用超声波发生器,大多数采用大功率自激式反馈振荡器。 超声波换能器:超声波清洗机用的换能器主要有以下几种:

①磁致伸缩换能器 国内用的磁致伸缩换能器大多数是用镍片叠成的窗口型换能器,将它银焊在清洗缸底部,然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率,且可靠性好,使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低,原材料镍片价格贵。

②压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器,勘L形结构如图5。

這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一台清洗機用多個換能器,經粘接劑粘接在清洗缸底部且經並聯聯接組成一台清洗機的換能器。換能器基元之間距(對于頻率20kH4一般在5—10mm爲佳,太大了容易産生彎曲振動,且振動板受到腐蝕,同時輻射面相對減少。

通用超聲清洗機清洗零件適用性強,已廣泛應用于電子、鍾表、光學、機械、汽車、航空、原子能工業、醫療器械等許多行業。

3.2 专用超声波清洗机

一般安裝在某些特定物件清洗的生産流水線上。

圖6爲典型的軟磁器件超聲波清洗設備,被清洗物件從進料口可傳動的不鏽鋼專用網帶送人超聲波清洗槽清洗,再經噴淋、烘幹等工序後出料,實現被清洗物件可直接包裝入庫。各工序簡要說明如下:

①進料:物件進料可采用半自動進料或

②压电式换能器 目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器,勘L形结构如图5。

這種換能器一般有兩片壓電陶瓷晶片組成。一台清洗機用多個換能器,經粘接劑粘接在清洗缸底部且經並聯聯接組成一台清洗機的換能器。換能器基元之間距(對于頻率20kH4一般在5—10mm爲佳,太大了容易産生彎曲振動,且振動板受到腐蝕,同時輻射面相對減少。 

通用超聲清洗機清洗零件適用性強,已廣泛應用于電子、鍾表、光學、機械、汽車、航空、原子能工業、醫療器械等許多行業。 

3.专用超声波清洗机 一般安裝在某些特定物件清洗的生産流水線上。 

圖6爲典型的軟磁器件超聲波清洗設備,被清洗物件從進料口可傳動的不鏽鋼專用網帶送人超聲波清洗槽清洗,再經噴淋、烘幹等工序後出料,實現被清洗物件可直接包裝入庫。各工序簡要說明如下:

進料:物件進料可采用半自動進料或

出料:物件出料可采用自動收料或手工收料方式,格被清洗物件裝入包裝盒內。

通過上述工序就完成了物件實現利用超聲波清洗的全過程。

目前,還有一種超聲汽相清洗機,它是選用有機溶劑作清洗液,具有極強的溶解汙垢的能力,用于清洗半導體晶片等淨治度要求特別高的物件。

江蘇無錫市美斯特超聲電子設備有限公司奶多年來已研制、開發、生産了如心、100巾、250w、500巾、1Lw、2Lw、5kv等系列通用超聲波清洗機,産品廣泛應用于全國各地的大中型企業,同時還按用戶特殊要求研制、開發、生産了用于清洗軟磁器件、精密軸承零件、鋸片、汽車等零件的專用超聲波清洗設備,在生産中發揮了良好的作用。


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