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超声波清洗及相关知识

近10年来，超声波清洗设备正在朝两个方面发展。其一是，各种类型的多缸或传动链式或升降式超声清洗生产线相继面市；其二是，低频超声波清洗机向高频超声波清洗机的发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声波清洗设备总量已呈明显上升之势，高达总量的50％，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声波清洗线体设备也已上升到总量的40％以上。

我国超声波清洗技术的应用已经取得了较好的成效。一是机械零部件在电镀前后的清洗或喷涂前的清洗，拆修零部件的清洗，要求高清洗度，如油泵油嘴偶件、轴承、制动器、燃油过滤器、阀门的清洗。二是印制电路板、硅片、晶片、元器件壳、座、铁路系统用的信号控制继电器、元器件、连接件、显像管以及电真空器件等的清洗。三是眼镜、显微镜、望远镜、瞄准具等光学系统及取样玻璃片的清洗。四是医用器具、食品、制药、生化等试验中所用各种瓶罐的清洗。五是喷丝头、精密模具、精密橡胶件、珠宝工艺品等的清洗。

我国现有各类超声波清洗设备制造企业近40家，但其分布主要集中在东南沿海地区。据统计资料，沿海地区的厂家占全国总数的85％，可见经济发达地区对超声波清洗技术的应用不但在先，而且广泛，普及程度高，同时，这又证明超声波清洗技术在中西部地区推广普及的前景十分广阔。就产品水平而言，当代产品与20世纪70—80年代的产品相比，技术进步也十分明显。

近年来，由于对汽车制动器生产线、冰箱压缩机生产线的传统清洗工艺实行技术改造，拟采用超声波清洗工艺。在国外汽车底盘架、轿车外壳喷涂前的超声波清洗，配合专用清洗液，将除锈、去氧化膜及磷化一次清洗处理完成，烘干后即可喷漆等都有了新的应用和发展。

美国Advanced Sonic Proctssing Svstems公司，推出一系列大量清洗煤或贵金属矿物的设备，例如清洗金属颗粒矿物质表面的泥土、胶体类物质，使化学剂发挥更好的作用；洗煤粉除灰去硫等，处理率为每小时十几吨。

美国Dvpont公司在新泽西州制药厂的应用报告称：超声波清洗能除去反应罐或化学处理桶壳表面的污物，比用普通方法节约能源，费用低且减少环境污染，清洗过程简单，只要在溶器中灌满水，加热到65℃，并加入2％的表面活性剂，进行处理2—4h，即可清洗干净。

欧洲的一些厂家曾清洗过9．1m3的罐，以前用甲醇加热到沸点一次处理4—8h，总共要进行5次清洗才能达到要求，而且超声波清洗只需要一次处理即能达到要求，既节省溶剂，提高效率，又减少环境污染。

随着超声波清洗设备的应用范围越来越广泛，各种经过不断完善和改进的新颖超声波清洗设备正在取代已面市的老式设备。

兆赫超声波清洗技术是指采用频率700KHz—2MHz的超声波进行清洗。清洗系统一般由压电换能器陈列、清洗容器和清洗液、高频电功率发生器及控制电路等组成，对于某些特定的清洗对象，有时还配有热空气烘干、专用清洗架(篮)及清洗液的过滤循环系统。

兆赫超声波清洗技术的主要特点，一是避免了高光洁度物体的表面损伤；二是可除去附着在表面的亚微米大小的颗粒；三是浸入液体中，面向换能器的一面能被洗净，所以要进行两面清洗。

目前，国外市场上已有商用的兆赫超声波清洗设备。美国Verteq、Imtec、ProSys 公司已开发出这类设备用于半导体生产线上，在对100—300mm硅片的清洗中，可除去硅片表面上小到0．15μm的微小颗粒，而且可加快漂洗过程并有效地阻止粒子在硅片表面上重新附着。兆赫超声波清洗是国外许多大规模集成电路制造厂家生产过程中不可缺少的标准设备。

超声波的作用原理

超声波清洗的原理，在理论要加以阐述是比较复杂的，里面牵涉许多因素和作用，可以体现超声波清洗作用的主要有以下三点。

(1)空穴作用

当强力的超声波辐射到液体中，清洗液以静压(一个标准气压)为中心进行变化，在压力到零气压以下时，溶解在液体中的氧会形成微小气泡核，进而产生无数近似真空的微小空洞(空穴)。超声波的正压力时的微小空洞，在绝热压缩状态被挤碎，这个发生在挤碎瞬间的强力冲击波，可直接破坏污染物并使之分散在液中，形成清洗机理。试验中这种强力的清洗作用，能在数十秒内对铝箔侵蚀成无数的小孔。

利用空穴作用的清洗，对去油污的效果比较好，通常在28KHZ~50KHZ的频率内进行机械另部件的清洗，清洗机的超声波强度大多设定在0．5~1w／cm2。

(2)加速度

清洗液体经超声波辐射，液体分子发生振动，这种振动加速度在28KHZ时是重力加速度的103倍，在950KHZ时将达到105倍，由这个强力加速度可以对受污物的表面实行剥离清洗。然而，950KHZ的超声波不产生空穴，不适应去油污的清洗，只能在电子工业的半导体制造中，对亚微米粒子的污染进行清洗。

(3)物理化学反应的促进作用

由空穴作用使液体局部发生高温高压(1000气压，5500℃)，再经振动产生的搅拌，促使化学或物理作用的相乘，液体不断地乳化分散，进一步促进化学反应的速率。

清洗液深度的确定

液体中的超声波会因行波、回波的相互干扰及强合结果，将形成“驻波”现象，(见图1)。确定产生驻波的液体深度，能得到最好的超声波辐射效果。产生驻波

的液体深度，可用下面公式计算。

液深(λ/2)＝声速/频率÷2

这个液体深度的正倍数数值，也是最适合的深度，例在20℃水温，28K1c时液深为27mm、54mm、81mm等等，38KHZ时液深为21mm、42mm、63mm等，但是，不同的液体、液温及超声振荡器，其驻波发生情况是不同的。参见表1。

表 1 驻波的产生情况比较

清洗液声速λ/2

水 20℃ 1483mm 27mm

氟里昂 20℃ 717mm 13mm

IPA 20℃ 1168mm 21mm

酸碱清洗剂 20℃ 1483mm 27mm

超声波产生方式和清洗条件的设定

超声波的产生方式由表2表示，可按不同的清洗目的加以选择，目前常用的是能进行强力清洗的连续振荡方式。频率调制和多频率的方式，清洗时清洗不均现象较多，对污染严重物体的清洗不太适应。

表 2 超声波的产生方式

方式内容特征

连续振荡振幅及频率是固定的可强力清洗。由驻波作用使清洗不均，应增加摇动，达到清洗均匀性。

加宽调制振幅变化有良好的脱气效果，对不同物体清洗性好，噪声大。

频率调制（FM振荡）振荡频率实行数千赫的变化能均匀地清洗。清洗效率差，平均输出功率低。

同时多频率多种频率同时发生形成均衡的声场，清洗均匀，不易得到强力的超声波。

多频率交替每一种频率发生复数个频率清洗均衡，不易得到强力清洗。

圆锥形辐射清洗用不锈钢制成的共振体进行超声波辐射。一般在清洗不充分场合使用可获得常规超声波10倍或20倍的强度，性能高。但清洗面小，噪声大清洗条件的选择设定主要有以下数点。

·清洗位置：将清洗物置于驻波压力最大的位置，可获得最佳的清洗效果。但是比驻波大的物体清洗时，易产生清洗不均，这时应将物体在上下数十毫米内加以摇动，这是减少清洗不良的常用方法。

·由网孔引起的衰减：在清洗小型另件时，多使用网篮方式，网篮网孔的大小不当，会造成超声波衰减，使清洗力降低，例在28KHZ场合，网篮的网孔直径需在5mm以上，才可正常清洗。如小的螺钉清洗时，网孔最小要做到1mm，如果衰减大，使用0．1-0．5mm的薄板网蓝，也可得到正常清洗效果。

·频率：对于频率因素涉及的清洗效果，大体可这样认为，采用频率低的针对较难清洗的污垢，频率高的，适合于精密清洗场合。

·液体温度：随着液温的上升，液中生存的气泡会遮断声波，使超声波减弱，但

是在常规做法上都以提高液温来增加清洗能力。适合的液温要针对不同的清洗液和清洗物来确定，一般场合液温在5060℃比较适当。

清洗工序和清洗装置

清洗工序的设定要根据污染的类型，污染程度，处理批量来决定，譬如，眼镜片的清洗一般要10个工序。在使用水系清洗剂时，最基本的工序制定如下：

超声波清洗(水系清洗剂)→超声波清洗(纯水、自来水)→脱水 (干燥)

干燥处理对清洗物的清洗性优劣非常重要，常见的干燥方法有热风干燥、通风干燥、真空干燥、离心脱水干燥、IPA提升干燥等，可按照生产批量、成本、产品精度、被洗物形状等加以选择。

工业用超声波清洗机多为单槽或双槽式、自动清洗形式的清洗机也有多槽形式。近年来，半导体行业用的清洗方式大多采用带950KHZ超声槽的单枚式“US喷淋”高频清洗，可得到高性能的清洗结果，“US喷淋”的方式是将载有950KHZ 超声波所形成的水帷幕，用于液晶玻璃、电路芯片的超精密清洗，尘粒子可接近“零”的程度。

今后不同产品的湿式清洗，如需100％地发挥清洗剂的性能作用，对超声清洗装置将会提出更高的要求。

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动幅射大小不同大致可分为：

1、用超声波使物体或物性变化的功率应用称功率超声，例如：在液体中发生足够大的能量，产生空化作用，能用于清洗、乳化。

2、用超声波得到若干信息，获得通信应用，称检测超声，例如：用超声波在介质中的脉冲反射对物体进行厚度测试称超声测厚。

超声波清洗及应用：

一超声波清洗原理

超声波清洗属物理清洗，把清洗液放入槽内，在槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，在传播过程中，介质的压力作交替变化。在负压区域，液体中产生撕裂的力，并形成真空的气泡。当声压达到一定值时，气

泡迅速增长，在正压区域气泡由于受到压力挤破灭、闭合。此时，液体间相互碰撞产生强大的冲击波。虽然位移、速度都非常小，但加速度却非常大，局部压力可达几千个大气压，这就是所谓的空化效应。

二影响清洗效果的几个因素

1、与频率的关系：一般频率越低空化效果越明显，但噪音相对较高，适用于物体面相对平正的物体。频率越高，空化效果越差，但噪音相对较低，适用于微孔盲孔效多的物体及电子晶体等。

2、与温度有关：一般30℃—50℃的介质温度清洗效果最好。

3、与声强有关：根据频率不同，声强一般选在1—2w/cm2左右。

4、与清洗液有关：一般来说，清洗液的粘度越低含气量越高，清洗效果越好。

5、与清洗液的深度及被清洗物的位置有关。

三超声波清洗在各种领域的应用

由于超声波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性，因此广泛应用于服务业、电子业、医药业、实验室、机械业、硬质合金业、化学工业等诸多领域，下面就个别行业作简单介绍。

1、在服务业中的应用。

日常生产中，眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗，速度快，无损伤，大型的宾馆、饭店用它清洗餐具，不仅清洗效果好，还具有杀灭病毒的作用。

2、超声波在微粉业的应用

众所周知，要取得不同大小的颗粒，是把破碎料放在球磨机内研磨后，经过

不同规格筛子层层筛分而得的。筛子长时间使用后，筛孔会被堵塞（如金刚石筛），用其它方法刷洗会破坏筛子，且效果不理想，经过众多厂家的试验后，用超声波清洗，不仅不损坏筛子，而且筛子上面的堵塞颗粒完全被回收。

3、超声波在制药工业的应用

超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用，特别是对西林瓶、口服液瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到首肯。对于瓶类的清洗，是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机，它经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现的。

4、超声对滤芯的清洗

我们知道，无论何种材质的过滤器或无论何种用途的过滤器，使用一段时间后，都会由于杂质而造成通透性降低而报废，普通滤芯价格较低还可以，但对于化纤行业，一只进口滤芯，价格近万元，弃之实在可惜，我们同其它科研单位合作研制的超声波滤芯清洗机，采用聚能型超声波清洗机，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2 的辐射面上，超声强度大，能够快速将堵塞物去除，同时设备采用反过滤装置，只要您提供波芯，我们就可为您提供整套清洗装置。（该设备洗一根滤芯的时间为10—15分钟）。适用于PP绵滤芯、活性炭滤芯、中空纤维滤芯陶瓷膜滤芯。

5、超声波对金属的清洗

众所周知，金属棒材经挤压成丝后，金属丝的外部往往有一层碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很难让污物去除（尤其整盘丝），超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝，高效清洗设备，粗洗部分由清洗液储槽、

换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成，金属丝经超声波粗洗精洗后，再经过吹干，从而完成整个清洗过程。整套设备集成控制，简洁、方便、效果好，广泛用于钽丝、钨丝、钼丝、铌丝、铜丝（绝缘漆涂覆前）等其它金属丝。

6、超声波清洗技术在磷化处理中的应用

产品喷涂前处理工艺非常重要，一般的传统工艺使用酸液对工件进行处理，对环境污染较重，工作环境较差，同时，最大的弊端是结构复杂零件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。工件喷涂后，时间不长，沿着夹缝出现锈蚀现象，破坏涂层表面，严重影响产品外观和内在质量。超声波清洗技术应用到涂装前处理后，不仅能使物体表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且涂装件喷涂层牢固不会返锈。

超声波清洗在各行各业都可用到，以上的几种仅是具有代表性的行业应用，还有许多新的行业和领域都可以使用超声波清洗，期待着广大使用单位和生产厂家共同开发探索。

超声波测厚及应用

在工业领域中超声波测厚是一门成熟的高新技术，它的最大优点是检测安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在运行状态进行检测。超声测厚仪按工作原理分：有共振法、干涉法及脉冲反射法等。

几种，由于脉冲反射法并不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以超声波脉冲法测厚仪是最受用户欢迎的一种仪表。

1 工作原理

超声波测厚仪主要有主机和探头两部分组成。主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路三部分，由发射电路产生的高压冲击波激励探头，产生超声

发射脉冲波，脉冲波经介质介面反射后被接收电路接收，通过单片机计数处理后，经液晶显示器显示厚度数值，它主要根据声波在试样中的传播速度乘以通过试样的时间的一半而得到试样的厚度。

我厂经营的HT系列超志波测厚仪，在采用国内外先进技术的基础上，运用单片机技术研制的一种低功耗低下限袖珍式的智能测量仪器，不仅有测量不同材质厚度的仪器，而且有单测钢，超薄型的，同时均可配套高温测厚探头。

2 测厚仪应用领域

由于超声波处理方便，并有良好的指向性，超声技术测量金属，非金属材料的厚度，既快又准确，无污染，尤其是在只许可一个侧面可按触的场合，更能显示其优越性，广泛用于各种板材、管材壁厚、锅炉容器壁厚及其局部腐蚀、锈蚀的情况，因此对冶金、造船、机械、化工、电力、原子能等各工业部门的产品检验，对设备安全运行及现代化管理起着主要的作用。

超声清洗与超声测厚仪仅是超声技术应用的一部分，还有很多领域都可以应用到超声技术。比如超声波雾化、超声波焊接、超声波钻孔、超声波研磨、超声波抛光、超声马达等等。超声波技术将在各行各业得到越来越广泛的应用。