超声波清洗

超声波清洗 图片来自知乎

超声波清洗（ultrasonic cleaning）是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。

目录

原理

超声波是一种频率超出人类听觉范围20 kHz以上的声波。超声波的传播要依靠弹性介质，其传播时,使弹性介质中的粒子振荡,并通过介质按超声波的传播方向传递能量,这种波可分为纵向波和横向波。在固体内,两者都可以传送,而在气体和液体内,只有纵向波可以传送。超声波能够引起质点振动,质点振动的加速度与超声频率的平方成正比。因此,几十千赫兹的超声会产生极大的作用力,强超声波在液体中传播时,由于非线性作用,会产生声空化。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力,对污层的直接反复冲击,一方面破坏污物与清洗件表面的吸附,另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中。气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。气泡还能“钻入”裂缝中做振动,使污物脱落。对于有油脂性污物,由于超声空化作用,两种液体在界面迅速分散而乳化,当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时,油被乳化,固体粒子即脱落。空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流,即所谓声流。他可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力,促使清洗件表面污物的破坏和脱落,超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层,腐蚀固体表面,增加搅拌作用,加速可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用。此外,超声振动在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击。

影响清洗因素

清洗介质：采用超声波清洗，一般有两类清洗剂即化学溶剂和水基清洗剂。清洗介质的化学作用可以加速超声波清洗效果，超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，依对物件进行充分、彻底的清洗。

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，但对于精密的表面光洁度甚高的物件，采用长时间的高功率密度清洗会对物件表面产生空化、腐蚀。

超声频率：适用于工件粗、脏、初洗，频率高则超声波方向性强，适合于精细的物件清洗。

清洗高温：一般来说，超声波在30℃~40℃时的空化效果最好，清洗剂也不是温度越高，作用越显著，有可能会高温失效，通常超声波在超过85°C时，清洗效果已变差。所以实际应用超声波清洗时，采用50°C~70°C的工作温度。

历史发展

超声波清洗技术最早出现于20世纪30年代早期,当时,位于美国新泽西州的美国无线电公司的一个实验室中的技术人员尝试用自制的简陋超声波清洗系统清洗某些物体,但试验未获成功。在此基础上,超声波清洗技术在20世纪50年代有了很大的发展,当时使用的超声波工作频率在20～ 40 kHz之间。该范围内的超声波被应用在数千种不同的工作场合下,其中许多是别的清洗手段不能很好发挥作用的场合。超声波可以对工件施加非常巨大的能量,尤其适用于清除牢固地附着在基底上的污垢。然而在某些情况下,超声波强大的能量也会损伤粘有污垢而性质脆弱的基底材料。在过去的十几年中,超声波领域中出现了一些技术革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全系数。在此期间,超声波技术,特别是中高频超声波清洗技术有了新的发展,并成为行业的亮点。

近年来,人们发现用兆声波(根据超声波的频率不同,把40 kHz及其以下的称为常规或低频超声波,把1 000 kHz以上的称为高频超声波,又称兆频超声波,简称兆声波)清洗可以去除掉半导体材料表面上的超细污垢微粒,并且不会损伤基底材料的表面。目前这项技术已经得到了很快的普及。

工艺流程

一般来说,清洗的工艺流程依被清洗物体清洗的难易程度及清洗数量而决定。主要清洗流程如下:

1)热浸洗或喷洗: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)超声波漂洗: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。

清洗机的构成

超声波清洗机由以下几部分组成:

1)超声波系统:包括换能器和超声波发生器。

(1)换能器: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:大功率超声波发生器可由超音频IGBT电力电子器件为主要元件构成,该种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。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。

2)加热及温度控制系统。加热器通常采用不锈钢管材制成,可耐酸碱。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。

3)清洗槽:清洗槽一般采用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,要保证水位至少应高出换能器盒200 mm以上。

4)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,以便冲掉工件出槽时表面粘附的油污,以避免其对下道槽液造成污染。

5)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。

6)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。

7)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。

清洗剂

超声波清洗剂技术特点

清洗效果好，清洁度高且全部工件清洁度一致。

清洗速度快，提高生产效率，不须人手接触清洗液，安全可靠。

对深孔、细缝和工件隐蔽处亦可清洗干净。

对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工。

超声波清洗方式超过一般以的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，象一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。超声清洗的原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质—清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相同的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。

这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种被称为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。

超声波清洗的作用机理主要有以下几个方面：因空化泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层的一部分在冲击波作用下被剥离下来、分散、乳化、脱落。因为空化现象产生的气泡，由冲击形成的污垢层与表层间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡和声压同步膨胀，收缩，象剥皮一样的物理力反复作用于污垢层，污垢层一层层被剥离，气泡继续向里渗透，直到污垢层被完全剥离。这是空化二次效应。超声波清洗中清洗液超声振动对污垢的冲击。超声加速化学清洗剂（RT-808超声波清洗剂）对污垢的溶解过程，化学力与物理力相结合，加速清洗过程。

超声波清洗的主要参数

频率：20~90KHz

清洗介质：采用超声波清洗，一般两类清洗剂：化学溶剂、水基清洗剂（RT-808超声波清洗剂）等。　清洗介质的化学作用，可以加速超声波清洗效果，超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，以对物件进行充分、彻底的清洗。

功率密度：功率密度=发射功率（W）/发射面积（cm2）通常≥0.3W/cm2，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。但对于精密的、表面光洁度甚高的物件，采用长时间的高功率密度清洗会对物件表面产生“空化”腐蚀。

超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生的空化越容易，产生的力度大，作用也越强，适用于工件（粗、脏）初洗。频率高则超声波方向性强，适用于精细的物件清洗。

清洗温度：一般来说，超声波在30℃-40℃时的空化效果最好。清洗剂则温度越高，作用越显著。通常实际应用超声波时，采用50℃-70℃的工作温度。

应用领域

超声波清洗广泛应用于表面喷涂处理行业、机械行业、电子行业、医疗行业、半导体行业、钟表首饰行业、光学行业、纺织印染行业。其他行业等，并由易净超声波清洗提供，具体如下：

1、 表面喷涂处理行业：（清洗的附着物：油、机械切屑、磨料、尘埃、抛光蜡）电镀前的清除积炭、清除氧化皮、清除抛光膏、除油除锈、离子镀前清洗、磷化处理，金属工件表面活化处理等。不锈钢抛光制品、不锈钢刀具、餐具、刀具、锁具、灯饰、手饰的喷涂前处理、电镀前清洗。

2、机械行业：（清洗的附着物：切削油、磨粒、铁屑、尘埃、指纹）

3、防锈油脂的去除；量具的清洗；机械零部件的除油除锈；发动机、发动机零件、变速箱、减振器、轴瓦、油嘴、缸体、阀体、化油器及汽车零件及底盘漆前除油、除锈、磷化前的清洗；过滤器、活塞配件、滤网的疏通清洗等。精密机械部件、压缩机零件、照相机零件、轴承、五金零件、模具、尤其在铁路行业，对列车车厢空调的除油去污、对列车车头各部件的防锈、除锈、除油非常适合。

4、医药行业：（清洗的附着物：血液、明胶、尘、指纹、血渍、蛋白；医药研发中化学合成振荡溶解等）

注射器、手术器械、滴管、研究实验用具、玻璃容器、牙科用具、食道镜、气管支镜、直肠镜、显微镜的消毒、杀菌、清洗等。

5、半导体行业：（清洗的附着物：血液、明胶、尘、指纹、血渍、蛋白）半导体晶片的高清洁度清洗。

6、 钟表首饰行业：（清洗的附着物：油漆、凡立水、油脂、染料、塑胶残留物、尘埃、指纹）

清除灰尘、氧化层、抛光膏、贵金属、装饰品、计器、表带、表壳、表针、数字盘、油泥等。

7、 光学行业：（清洗的附着物：油漆、凡立水、油脂、染料、锈、塑胶残留物、尘埃、指纹）

玻璃镜片、树脂镜片、显微镜、望远镜、相机镜头、镀膜玻璃、棱镜、透镜等光学制品的镀膜前后及装配前工序间清洗；在光电行业主要应用于ITO导电玻璃、LCD基板清洗、液晶片封装后残留液晶清洗。

8、 纺织印染行业：（清洗的附着物：指纹、尘、油墨、染料、塑胶残留物、橡胶残渣）

清洗、喷丝板、拉丝板，纺织锭子、纤维丝（不锈钢丝、镍丝、铜丝等）进行除油去污

9、其他行业：（清洗的附着物：手垢、尘埃、指纹、汗渍）印章、号牌、硬币高级陶器、银制品、金制品、银行磁卡等。

新发展

随着应用范围的扩大,超声波清洗技术也有了新的发展。传统的超声波清洗设备由于自动化程度不高而难以保证零件清洗的均匀性,近年来逐渐出现了自动化程度高、灵活性强的自动化超声波清洗设备。不但实现了超声波清洗的自动化控制和批量作业,还稳定了清洗工艺、提高了清洗质量。这类超声波清洗设备将超声波清洗和化学清洗、漂洗、脱水、烘干等工艺结合,因而有非常高的清洗效率。在传动、烘干、清洗方面通常使用PLC控制,实现了清洗过程的全自动化。

《中国清洗行业ODS的整体淘汰计划》的实施,清洗行业以前所沿用的ODS有机溶剂将被逐步禁止使用。碳氢溶剂由于拥有众多优点且经济环保而流行起来。但碳氢溶剂闪点限制了其在超声波清洗方面的应用,在超声波清洗领域引入超声波碳氢真空清洗,不但克服了碳氢溶剂的缺点,又达到了环保的目的。而且在真空状态下进行超声波碳氢清洗还能强化清洗作用,提高清洗效果并达到较高的自动化程度。超声波碳氢真空清洗已成为今后环保型超声波清洗的发展方向。

近年来还出现了超声波清洗的一种特殊应用-超声波除垢。超声波除垢主要是利用超声波强声场处理流体,使流体中成垢物质在超声场的作用下的物理形态和化学性能发生一系列变化,使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管、器壁形成积垢。作为超声清洗的特殊应用,超声防垢广泛应用在锅炉、热交换装置和管道防垢、除垢领域。

此外任金莲等还提出了超声波清洗的一种新方法———超声振动清洗方法,这是一种无需清洗液且有别于常规超声波清洗机理的超声波振动清洗方法。这种方法利用超声波在固体介质中传播时能引起介质质点极大的加速度和作用力这一特点,将超声波经变幅杆与振动头传送给被清洗工件,从而使工件介质质点在平衡位置高速振动,致使污物被振松而脱离工件,从而达到清洗目的。目前该超声波振动清洗装置已用于显像管自动生产线上。