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超聲波清洗的有效范圍闡述

近10年來(lái)，超聲波清洗設備正在朝兩個(gè)方面發(fā)展。其一是，各種類(lèi)型的多缸或傳動(dòng)鏈式或升降式超聲清洗生產(chǎn)線(xiàn)（全自動(dòng)超聲波清洗機設備）相繼面市；其二是，低頻超聲波清洗機向高頻超聲波清洗機的發(fā)展。在美國、日本、歐洲以及亞太市場(chǎng)上，多缸式超聲波清洗設備總量已呈明顯上升之勢，高達總量的50％，而多工位半自動(dòng)、全自動(dòng)傳動(dòng)鏈式或升降式超聲波清洗線(xiàn)體設備也已上升到總量的40％以上。 我國超聲波清洗技術(shù)的應用已經(jīng)取得了較好的成效。一是機械零部件在電鍍前后的清洗或噴涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、軸承、制動(dòng)器、燃油過(guò)濾器、閥門(mén)的清洗。二是印制電路板、硅片、晶片、元器件殼、座、鐵路系統用的信號控制繼電器、元器件、連接件、顯像管以及電真空器件等的清洗。三是眼鏡、顯微鏡、望遠鏡、瞄準具等光學(xué)系統及取樣玻璃片的清洗。四是醫用器具、食品、制藥、生化等試驗中所用各種瓶罐的清洗。五是噴絲頭、精密模具、精密橡膠件、珠寶工藝品等的清洗。 我國現有各類(lèi)超聲波清洗設備制造企業(yè)近40家，但其分布主要集中在東南沿海地區。據統計資料，沿海地區的廠(chǎng)家占全國總數的85％，可見(jiàn)經(jīng)濟發(fā)達地區對超聲波清洗技術(shù)的應用不但在先，而且廣泛，普及程度高，同時(shí)，這又證明超聲波清洗技術(shù)在中西部地區推廣普及的前景十分廣闊。就產(chǎn)品水平而言，當代產(chǎn)品與20世紀70—80年代的產(chǎn)品相比，技術(shù)進(jìn)步也十分明顯。

    近年來(lái)，由于對汽車(chē)制動(dòng)器生產(chǎn)線(xiàn)、冰箱壓縮機生產(chǎn)線(xiàn)的傳統清洗工藝實(shí)行技術(shù)改造，擬采用超聲波清洗工藝。在國外汽車(chē)底盤(pán)架、轎車(chē)外殼噴涂前的超聲波清洗，配合專(zhuān)用清洗液，將除銹、去氧化膜及磷化一次清洗處理完成，烘干后即可噴漆等都有了新的應用和發(fā)展。 美國Advanced Sonic Proctssing Svstems公司，推出一系列大量清洗煤或貴金屬礦物的設備，例如清洗金屬顆粒礦物質(zhì)表面的泥土、膠體類(lèi)物質(zhì)，使化學(xué)劑發(fā)揮更好的作用；洗煤粉除灰去硫等，處理率為每小時(shí)十幾噸。 美國Dvpont公司在新澤西州制藥廠(chǎng)的應用報告稱(chēng)：超聲波清洗能除去反應罐或化學(xué)處理桶殼表面的污物，比用普通方法節約能源，費用低且減少環(huán)境污染，清洗過(guò)程簡(jiǎn)單，只要在溶器中灌滿(mǎn)水，加熱到65℃，并加入2％的表面活性劑，進(jìn)行處理2—4h，即可清洗干凈。 歐洲的一些廠(chǎng)家曾清洗過(guò)9．1m3的罐，以前用甲醇加熱到沸點(diǎn)一次處理4—8h，總共要進(jìn)行5次清洗才能達到要求，而且超聲波清洗只需要一次處理即能達到要求，既節省溶劑，提高效率，又減少環(huán)境污染。 隨著(zhù)超聲波清洗設備的應用范圍越來(lái)越廣泛，各種經(jīng)過(guò)不斷完善和改進(jìn)的新穎超聲波清洗設備正在取代已面市的老式設備。 兆赫超聲波清洗技術(shù)是指采用頻率700KHz—2MHz的超聲波進(jìn)行清洗。清洗系統一般由壓電換能器陳列、清洗容器和清洗液、高頻電功率發(fā)生器及控制電路等組成，對于某些特定的清洗對象，有時(shí)還配有熱空氣烘干、專(zhuān)用清洗架(籃)及清洗液的過(guò)濾循環(huán)系統。 兆赫超聲波清洗技術(shù)的主要特點(diǎn)，一是避免了高光潔度物體的表面損傷；二是可除去附著(zhù)在表面的亞微米大小的顆粒；三是浸入液體中，面向換能器的一面能被洗凈，所以要進(jìn)行兩面清洗。

    目前，國外市場(chǎng)上已有商用的兆赫超聲波清洗設備。美國Verteq、Imtec、ProSys公司已開(kāi)發(fā)出這類(lèi)設備用于半導體生產(chǎn)線(xiàn)上，在對100—300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0．15μm的微小顆粒，而且可加快漂洗過(guò)程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附著(zhù)。兆赫超聲波清洗是國外許多大規模集成電路制造廠(chǎng)家生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的標準設備。 超聲波的作用原理 超聲波清洗的原理，在理論要加以闡述是比較復雜的，里面牽涉許多因素和作用，可以體現超聲波清洗作用的主要有以下三點(diǎn)。 (1)空穴作用 當強力的超聲波輻射到液體中，清洗液以靜壓(一個(gè)標準氣壓)為中心進(jìn)行變化，在壓力到零氣壓以下時(shí)，溶解在液體中的氧會(huì )形成微小氣泡核，進(jìn)而產(chǎn)生無(wú)數近似真空的微小空洞(空穴)。超聲波的正壓力時(shí)的微小空洞，在絕熱壓縮狀態(tài)被擠碎，這個(gè)發(fā)生在擠碎瞬間的強力沖擊波，可直接破壞污染物并使之分散在液中，形成清洗機理。試驗中這種強力的清洗作用，能在數十秒內對鋁箔侵蝕成無(wú)數的小孔。 利用空穴作用的清洗，對去油污的效果比較好，通常在28KHZ~50KHZ的頻率內進(jìn)行機械另部件的清洗，清洗機的超聲波強度大多設定在0．5~1w／cm2。 (2)加速度 清洗液體經(jīng)超聲波輻射，液體分子發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)加速度在28KHZ時(shí)是重力加速度的103倍，在950KHZ時(shí)將達到105倍，由這個(gè)強力加速度可以對受污物的表面實(shí)行剝離清洗。然而，950KHZ的超聲波不產(chǎn)生空穴，不適應去油污的清洗，只能在電子工業(yè)的半導體制造中，對亞微米粒子的污染進(jìn)行清洗。 (3)物理化學(xué)反應的促進(jìn)作用 由空穴作用使液體局部發(fā)生高溫高壓(1000氣壓，5500℃)，再經(jīng)振動(dòng)產(chǎn)生的攪拌，促使化學(xué)或物理作用的相乘，液體不斷地乳化分散，進(jìn)一步促進(jìn)化學(xué)反應的速率。 清洗液深度的確定 液體中的超聲波會(huì )因行波、回波的相互干擾及強合結果，將形成“駐波”現象，(見(jiàn)圖1)。確定產(chǎn)生駐波的液體深度，能得到最好的超聲波輻射效果。產(chǎn)生駐波的液體深度，可用下面公式計算。 液深(λ/2)＝聲速/頻率÷2 這個(gè)液體深度的正倍數數值，也是最適合的深度，例在20℃水溫，28K1c時(shí)液深為27mm、54mm、81mm等等，38KHZ時(shí)液深為21mm、42mm、63mm等，但是，不同的液體、液溫及超聲振蕩器，其駐波發(fā)生情況是不同的。 駐波的產(chǎn)生情況比較 清洗液 聲 速 λ/2 水 20℃ 1483mm 27mm 氟里昂 20℃ 717mm 13mm IPA 20℃ 1168mm 21mm 酸堿清洗劑 20℃ 1483mm 27mm 超聲波產(chǎn)生方式和清洗條件的設定 超聲波的產(chǎn)生方式由表2表示，可按不同的清洗目的加以選擇，目前常用的是能進(jìn)行強力清洗的連續振蕩方式。頻率調制和多頻率的方式，清洗時(shí)清洗不均現象較多，對污染嚴重物體的清洗不太適應。 表 2 超聲波的產(chǎn)生方式 方 式 內 容 特 征 連續振蕩 振幅及頻率是固定的 可強力清洗。由駐波作用使清洗不均，應增加搖動(dòng)，達到清洗均勻性。 加寬調制 振幅變化 有良好的脫氣效果，對不同物體清洗性好，噪聲大。 頻率調制（FM振蕩） 振蕩頻率實(shí)行數千赫的變化 能均勻地清洗。清洗效率差，平均輸出功率低。 同時(shí)多頻率 多種頻率同時(shí)發(fā)生 形成均衡的聲場(chǎng)，清洗均勻，不易得到強力的超聲波。 多頻率交替 每一種頻率發(fā)生復數個(gè)頻率 清洗均衡，不易得到強力清洗。 圓錐形輻射清洗 用不銹鋼制成的共振體進(jìn)行超聲波輻射。一般在清洗不充分場(chǎng)合使用 可獲得常規超聲波10倍或20倍的強度，性能高。 但清洗面小，噪聲大 清洗條件的選擇設定主要有以下數點(diǎn)。 ·清洗位置：將清洗物置于駐波壓力最大的位置，可獲得最佳的清洗效果。但是比駐波大的物體清洗時(shí)，易產(chǎn)生清洗不均，這時(shí)應將物體在上下數十毫米內加以搖動(dòng)，這是減少清洗不良的常用方法。