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超聲波清洗的有效范圍闡述

近10年來，超聲波清洗設(shè)備正在朝兩個(gè)方面發(fā)展。其一是，各種類型的多缸或傳動(dòng)鏈?zhǔn)交蛏凳匠暻逑瓷a(chǎn)線（全自動(dòng)超聲波清洗機(jī)設(shè)備）相繼面市；其二是，低頻超聲波清洗機(jī)向高頻超聲波清洗機(jī)的發(fā)展。在美國、日本、歐洲以及亞太市場上，多缸式超聲波清洗設(shè)備總量已呈明顯上升之勢，高達(dá)總量的50％，而多工位半自動(dòng)、全自動(dòng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)交蛏凳匠暡ㄇ逑淳€體設(shè)備也已上升到總量的40％以上。 我國超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成效。一是機(jī)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、燃油過濾器、閥門的清洗。二是印制電路板、硅片、晶片、元器件殼、座、鐵路系統(tǒng)用的信號(hào)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(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)具等光學(xué)系統(tǒng)及取樣玻璃片的清洗。四是醫(yī)用器具、食品、制藥、生化等試驗(yàn)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(xiàn)有各類超聲波清洗設(shè)備制造企業(yè)近40家，但其分布主要集中在東南沿海地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，沿海地區(qū)的廠家占全國總數(shù)的85％，可見經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)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(qū)推廣普及的前景十分廣闊。就產(chǎn)品水平而言，當(dāng)代產(chǎn)品與20世紀(jì)70—80年代的產(chǎn)品相比，技術(shù)進(jìn)步也十分明顯。

    近年來，由于對汽車制動(dòng)器生產(chǎn)線、冰箱壓縮機(jī)生產(chǎn)線的傳統(tǒng)清洗工藝實(shí)行技術(shù)改造，擬采用超聲波清洗工藝。在國外汽車底盤架、轎車外殼噴涂前的超聲波清洗，配合專用清洗液，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(yīng)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(shè)備，例如清洗金屬顆粒礦物質(zhì)表面的泥土、膠體類物質(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的應(yīng)用報(bào)告稱：超聲波清洗能除去反應(yīng)罐或化學(xué)處理桶殼表面的污物，比用普通方法節(jié)約能源，費(fèi)用低且減少環(huán)境污染，清洗過程簡單，只要在溶器中灌滿水，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。 歐洲的一些廠家曾清洗過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(dá)到要求，而且超聲波清洗只需要一次處理即能達(dá)到要求，既節(jié)省溶劑，提高效率，又減少環(huán)境污染。 隨著超聲波清洗設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣泛，各種經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)的新穎超聲波清洗設(shè)備正在取代已面市的老式設(shè)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(tǒng)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、專用清洗架(籃)及清洗液的過濾循環(huán)系統(tǒng)。 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，國外市場上已有商用的兆赫超聲波清洗設(shè)備。美國Verteq、Imtec、ProSys公司已開發(fā)出這類設(shè)備用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，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，而且可加快漂洗過程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附著。兆赫超聲波清洗是國外許多大規(guī)模集成電路制造廠家生產(chǎn)過程中不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(fù)雜的，里面牽涉許多因素和作用，可以體現(xiàn)超聲波清洗作用的主要有以下三點(diǎn)。 (1)空穴作用 當(dāng)強(qiáng)力的超聲波輻射到液體中，清洗液以靜壓(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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)生無數(shù)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(qiáng)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(jī)理。試驗(yàn)中這種強(qiáng)力的清洗作用，能在數(shù)十秒內(nèi)對鋁箔侵蝕成無數(shù)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(nèi)進(jìn)行機(jī)械另部件的清洗，清洗機(jī)的超聲波強(qiáng)度大多設(shè)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(dá)到105倍，由這個(gè)強(qiáng)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(yīng)去油污的清洗，只能在電子工業(yè)的半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)合結(jié)果，將形成“駐波”現(xiàn)象，(見圖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(jì)算。 液深(λ/2)＝聲速/頻率÷2 這個(gè)液體深度的正倍數(shù)數(shù)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(shè)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(qiáng)力清洗的連續(xù)振蕩方式。頻率調(diào)制和多頻率的方式，清洗時(shí)清洗不均現(xiàn)象較多，對污染嚴(yán)重物體的清洗不太適應(yīng)。 表 2 超聲波的產(chǎn)生方式 方 式 內(nèi) 容 特 征 連續(xù)振蕩 振幅及頻率是固定的 可強(qiáng)力清洗。由駐波作用使清洗不均，應(yīng)增加搖動(dòng)，達(dá)到清洗均勻性。 加寬調(diào)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(diào)制（FM振蕩） 振蕩頻率實(shí)行數(shù)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，清洗均勻，不易得到強(qiáng)力的超聲波。 多頻率交替 每一種頻率發(fā)生復(fù)數(shù)個(gè)頻率 清洗均衡，不易得到強(qiáng)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合使用 可獲得常規(guī)超聲波10倍或20倍的強(qiáng)度，性能高。 但清洗面小，噪聲大 清洗條件的選擇設(shè)定主要有以下數(shù)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(yīng)將物體在上下數(shù)十毫米內(nèi)加以搖動(dòng)，這是減少清洗不良的常用方法。