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超聲波清洗 圖片來自知乎

超聲波清洗（ultrasonic cleaning）是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機中，空化作用和直進流作用應用得更多。

原理

超聲波是一種頻率超出人類聽覺範圍20 kHz以上的聲波。超聲波的傳播要依靠彈性介質，其傳播時,使彈性介質中的粒子振盪,並通過介質按超聲波的傳播方向傳遞能量,這種波可分為縱向波和橫向波。在固體內,兩者都可以傳送,而在氣體和液體內,只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質點振動,質點振動的加速度與超聲頻率的平方成正比。因此,幾十千赫茲的超聲會產生極大的作用力,強超聲波在液體中傳播時,由於非線性作用,會產生聲空化。在空化氣泡突然閉合時發出的衝擊波可在其周圍產生上千個大氣壓力,對污層的直接反覆衝擊,一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面也會引起污物層的破壞而脫離清洗件表面並使它們分散到清洗液中。氣泡的振動也能對固體表面進行擦洗。氣泡還能「鑽入」裂縫中做振動,使污物脫落。對於有油脂性污物,由於超聲空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當固體粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面時,油被乳化,固體粒子即脫落。空化氣泡在振動過程中會使液體本身產生環流,即所謂聲流。他可使振動氣泡表面存在很高的速度梯度和粘滯應力,促使清洗件表面污物的破壞和脫落,超聲空化在固體和液體表面上所產生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層,腐蝕固體表面,增加攪拌作用,加速可溶性污物的溶解,強化化學清洗劑的清洗作用。此外,超聲振動在清洗液中引起質點很大的振動速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的衝擊。

影響清洗因素

清洗介質：採用超聲波清洗，一般有兩類清洗劑即化學溶劑和水基清洗劑。清洗介質的化學作用可以加速超聲波清洗效果，超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結合，依對物件進行充分、徹底的清洗。

功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好，但對於精密的表面光潔度甚高的物件，採用長時間的高功率密度清洗會對物件表面產生空化、腐蝕。

超聲頻率：適用於工件粗、髒、初洗，頻率高則超聲波方向性強，適合於精細的物件清洗。

清洗高溫：一般來說，超聲波在30℃~40℃時的空化效果最好，清洗劑也不是溫度越高，作用越顯著，有可能會高溫失效，通常超聲波在超過85°C時，清洗效果已變差。所以實際應用超聲波清洗時，採用50°C~70°C的工作溫度。

歷史發展

超聲波清洗技術最早出現於20世紀30年代早期,當時,位於美國新澤西州的美國無線電公司的一個實驗室中的技術人員嘗試用自製的簡陋超聲波清洗系統清洗某些物體,但試驗未獲成功。在此基礎上,超聲波清洗技術在20世紀50年代有了很大的發展,當時使用的超聲波工作頻率在20～ 40 kHz之間。該範圍內的超聲波被應用在數千種不同的工作場合下,其中許多是別的清洗手段不能很好發揮作用的場合。超聲波可以對工件施加非常巨大的能量,尤其適用於清除牢固地附着在基底上的污垢。然而在某些情況下,超聲波強大的能量也會損傷粘有污垢而性質脆弱的基底材料。在過去的十幾年中,超聲波領域中出現了一些技術革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全係數。在此期間,超聲波技術,特別是中高頻超聲波清洗技術有了新的發展,並成為行業的亮點。

近年來,人們發現用兆聲波(根據超聲波的頻率不同,把40 kHz及其以下的稱為常規或低頻超聲波,把1 000 kHz以上的稱為高頻超聲波,又稱兆頻超聲波,簡稱兆聲波)清洗可以去除掉半導體材料表面上的超細污垢微粒,並且不會損傷基底材料的表面。目前這項技術已經得到了很快的普及。

工藝流程

一般來說,清洗的工藝流程依被清洗物體清洗的難易程度及清洗數量而決定。主要清洗流程如下:

1)熱浸洗或噴洗:目的是將工件上的污染物軟化、分離、溶解,並減輕下道清洗工序的負荷。

2)超聲波清洗:利用超聲波產生的強烈空化作用及振動將工件表面的污垢剝離脫落,同時還可將油脂性的污物分解、乳化。

3)冷漂洗:利用流動的淨水將已脫落但尚浮在工件表面上污物沖洗乾淨。

4)超聲波漂洗:溶劑為乾淨的清水,工件浸入後,利用超聲波將浮在工件各邊、角及孔隙處的污物清洗乾淨。

5)熱淨水及冷淨水漂洗:進一步去除懸附在工件表面上的污物微粒。

6)熱風烘乾:利用一定的溫度和風速,使零件表面快速乾燥。

清洗機的構成

超聲波清洗機由以下幾部分組成:

1)超聲波系統:包括換能器和超聲波發生器。

(1)換能器:換能器採用特種耐高溫、耐振動、高粘度的樹脂膠輔以特殊的方法加以固定,絕不脫落,且可耐受100℃～150℃的高溫。

(2)超聲波發生器:大功率超聲波發生器可由超音頻IGBT電力電子器件為主要元件構成,該種超聲波發生器電路先進,結構完整,輔以靈敏可靠的集成控制系統。各種超聲波發生器可獨立工作,亦可多組並聯使用,以完成大規模清洗工程。

2)加熱及溫度控制系統。加熱器通常採用不鏽鋼管材製成,可耐酸鹼。加熱的目的是將清洗劑加熱以增加清洗機的洗滌效果。溫度自動控制,可在適當範圍內隨意調整。

3)清洗槽:清洗槽一般採用不鏽鋼經氬弧焊焊制而成,槽體上設置有排渣檢修口、保溫隔聲層等,要保證水位至少應高出換能器盒200 mm以上。

4)槽液循環過濾系統。在該系統中設有過濾器,對槽液進行動態過濾,以維持槽液的清潔度。當工件出槽,經過過濾的液體流經槽體上部的噴淋環節對工件進行一次沖洗,以便衝掉工件出槽時表面粘附的油污,以避免其對下道槽液造成污染。

5)輸送系統:根據被清洗工件的形狀、體積、批量等確定超聲波清洗機的輸送方式及控制方式。

6)噴淋漂洗系統:根據被清洗工件的表面狀況,有的清洗機配備噴淋漂洗工序,將超聲波清洗和 噴 淋 清 洗 有機地結合起來。

7)烘乾系統：根據被清洗工件的狀況,有的清洗機配備烘乾系統,烘乾系統主要由加熱器、風機、吹風噴嘴等組成溫度自動控制。

清洗劑

超聲波清洗劑技術特點

清洗效果好，清潔度高且全部工件清潔度一致。

清洗速度快，提高生產效率，不須人手接觸清洗液，安全可靠。

對深孔、細縫和工件隱蔽處亦可清洗乾淨。

對工件表面無損傷，節省溶劑、熱能、工作場地和人工。

超聲波清洗方式超過一般以的常規清洗方法，特別是工件的表面比較複雜，象一些表面凹凸不平，有盲孔的機械零部件，一些特別小而對清潔度有較高要求的產品如：鐘錶和精密機械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達到很理想的效果。超聲清洗的原理是由超聲波發生器發出的高頻振盪信號，通過換能器轉換成高頻機械振盪而傳播到介質—清洗溶劑中，超聲波在清洗液中疏密相同的向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的微小氣泡。

這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區迅速閉合。在這種被稱為「空化」效應的過程中，氣泡閉合可形成超過1000大氣壓的瞬間高壓，連續不斷地產生瞬間高壓就象一連串小「爆炸」不斷地衝擊物件表面，使物件的表面及縫隙中的污垢迅速剝落，從而達到物件表面淨化的目的。

超聲波清洗的作用機理主要有以下幾個方面：因空化泡破滅時產生強大的衝擊波，污垢層的一部分在衝擊波作用下被剝離下來、分散、乳化、脫落。因為空化現象產生的氣泡，由衝擊形成的污垢層與表層間的間隙和空隙滲透，由於這種小氣泡和聲壓同步膨脹，收縮，象剝皮一樣的物理力反覆作用於污垢層，污垢層一層層被剝離，氣泡繼續向里滲透，直到污垢層被完全剝離。這是空化二次效應。超聲波清洗中清洗液超聲振動對污垢的衝擊。超聲加速化學清洗劑（RT-808超聲波清洗劑）對污垢的溶解過程，化學力與物理力相結合，加速清洗過程。

超聲波清洗的主要參數

頻率：20~90KHz

清洗介質：採用超聲波清洗，一般兩類清洗劑：化學溶劑、水基清洗劑（RT-808超聲波清洗劑）等。　清洗介質的化學作用，可以加速超聲波清洗效果，超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結合，以對物件進行充分、徹底的清洗。

功率密度：功率密度=發射功率（W）/發射面積（cm2）通常≥0.3W/cm2，超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好。但對於精密的、表面光潔度甚高的物件，採用長時間的高功率密度清洗會對物件表面產生「空化」腐蝕。

超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產生的空化越容易，產生的力度大，作用也越強，適用於工件（粗、髒）初洗。頻率高則超聲波方向性強，適用於精細的物件清洗。

清洗溫度：一般來說，超聲波在30℃-40℃時的空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著。通常實際應用超聲波時，採用50℃-70℃的工作溫度。

應用領域

超聲波清洗廣泛應用於表面噴塗處理行業、機械行業、電子行業、醫療行業、半導體行業、鐘錶首飾行業、光學行業、紡織印染行業。其他行業等，並由易淨超聲波清洗提供，具體如下：

1、 表面噴塗處理行業：（清洗的附着物：油、機械切屑、磨料、塵埃、拋光蠟）電鍍前的清除積炭、清除氧化皮、清除拋光膏、除油除銹、離子鍍前清洗、磷化處理，金屬工件表面活化處理等。不鏽鋼拋光製品、不鏽鋼刀具、餐具、刀具、鎖具、燈飾、手飾的噴塗前處理、電鍍前清洗。

2、機械行業：（清洗的附着物：切削油、磨粒、鐵屑、塵埃、指紋）

3、防鏽油脂的去除；量具的清洗；機械零部件的除油除銹；發動機、發動機零件、變速箱、減振器、軸瓦、油嘴、缸體、閥體、化油器及汽車零件及底盤漆前除油、除銹、磷化前的清洗；過濾器、活塞配件、濾網的疏通清洗等。精密機械部件、壓縮機零件、照相機零件、軸承、五金零件、模具、尤其在鐵路行業，對列車車廂空調的除油去污、對列車車頭各部件的防鏽、除銹、除油非常適合。

4、醫藥行業：（清洗的附着物：血液、明膠、塵、指紋、血漬、蛋白；醫藥研發中化學合成振盪溶解等）

注射器、手術器械、滴管、研究實驗用具、玻璃容器、牙科用具、食道鏡、氣管支鏡、直腸鏡、顯微鏡的消毒、殺菌、清洗等。

5、半導體行業：（清洗的附着物：血液、明膠、塵、指紋、血漬、蛋白）半導體晶片的高清潔度清洗。

6、 鐘錶首飾行業：（清洗的附着物：油漆、凡立水、油脂、染料、塑膠殘留物、塵埃、指紋）

清除灰塵、氧化層、拋光膏、貴金屬、裝飾品、計器、錶帶、表殼、錶針、數字盤、油泥等。

7、 光學行業：（清洗的附着物：油漆、凡立水、油脂、染料、銹、塑膠殘留物、塵埃、指紋）

玻璃鏡片、樹脂鏡片、顯微鏡、望遠鏡、相機鏡頭、鍍膜玻璃、稜鏡、透鏡等光學製品的鍍膜前後及裝配前工序間清洗；在光電行業主要應用於ITO導電玻璃、LCD基板清洗、液晶片封裝後殘留液晶清洗。

8、 紡織印染行業：（清洗的附着物：指紋、塵、油墨、染料、塑膠殘留物、橡膠殘渣）

清洗、噴絲板、拉絲板，紡織錠子、纖維絲（不鏽鋼絲、鎳絲、銅絲等）進行除油去污

9、其他行業：（清洗的附着物：手垢、塵埃、指紋、汗漬）印章、號牌、硬幣高級陶器、銀製品、金製品、銀行磁卡等。

新發展

隨着應用範圍的擴大,超聲波清洗技術也有了新的發展。傳統的超聲波清洗設備由於自動化程度不高而難以保證零件清洗的均勻性,近年來逐漸出現了自動化程度高、靈活性強的自動化超聲波清洗設備。不但實現了超聲波清洗的自動化控制和批量作業,還穩定了清洗工藝、提高了清洗質量。這類超聲波清洗設備將超聲波清洗和化學清洗、漂洗、脫水、烘乾等工藝結合,因而有非常高的清洗效率。在傳動、烘乾、清洗方面通常使用PLC控制,實現了清洗過程的全自動化。

《中國清洗行業ODS的整體淘汰計劃》的實施,清洗行業以前所沿用的ODS有機溶劑將被逐步禁止使用。碳氫溶劑由於擁有眾多優點且經濟環保而流行起來。但碳氫溶劑閃點限制了其在超聲波清洗方面的應用,在超聲波清洗領域引入超聲波碳氫真空清洗,不但克服了碳氫溶劑的缺點,又達到了環保的目的。而且在真空狀態下進行超聲波碳氫清洗還能強化清洗作用,提高清洗效果並達到較高的自動化程度。超聲波碳氫真空清洗已成為今後環保型超聲波清洗的發展方向。

近年來還出現了超聲波清洗的一種特殊應用-超聲波除垢。超聲波除垢主要是利用超聲波強聲場處理流體,使流體中成垢物質在超聲場的作用下的物理形態和化學性能發生一系列變化,使之分散、粉碎、鬆散、鬆脫而不易附着管、器壁形成積垢。作為超聲清洗的特殊應用,超聲防垢廣泛應用在鍋爐、熱交換裝置和管道防垢、除垢領域。

此外任金蓮等還提出了超聲波清洗的一種新方法———超聲振動清洗方法,這是一種無需清洗液且有別於常規超聲波清洗機理的超聲波振動清洗方法。這種方法利用超聲波在固體介質中傳播時能引起介質質點極大的加速度和作用力這一特點,將超聲波經變幅杆與振動頭傳送給被清洗工件,從而使工件介質質點在平衡位置高速振動,致使污物被振松而脫離工件,從而達到清洗目的。目前該超聲波振動清洗裝置已用於顯像管自動生產線上。