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技術(shù)洗凈技術(shù)發(fā)表科研院所、企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者、高層管理人員的科研成果、研究報(bào)告，及時(shí)反映行業(yè)Z新技術(shù)水平，推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展。
來稿要求文章內(nèi)容具有科學(xué)性、系統(tǒng)性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)性，引用的資料真實(shí)可信，格式符合科技論文的要求，Z好有創(chuàng)新或自己的研究成果。
責(zé)任編輯：董鵬華電話超聲波清洗技術(shù)與進(jìn)展陳思忠（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，200025）術(shù)參數(shù)的選擇、超聲波設(shè)備的組成以及超聲波技術(shù)的Z新進(jìn)展。
1.刖目超聲清洗技術(shù)的機(jī)理研究及設(shè)備開發(fā)與超聲清洗工藝研究及應(yīng)用在我國已有近50年的歷史，幾乎是與國外同步進(jìn)行的。上世紀(jì)80年代前，我國的超聲清洗研制單位無論從研制隊(duì)伍還是從生產(chǎn)上講，有一定規(guī)模的為數(shù)不多。上世紀(jì)80年代后，特別是90年代開始，隨著改革開放的深入和國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，以及科技的不斷進(jìn)步，尤其是先陳思忠（1938―），男，研究員，中國聲學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，上海聲學(xué)學(xué)會(huì)理事，《聲學(xué)技術(shù)》、《艦船電子工程》等雜志編委。主要從事工業(yè)超聲的研制工作。
進(jìn)制造技術(shù)的需求，超聲清洗技術(shù)的研究與超聲清洗設(shè)備的研制得到了迅速發(fā)展，研制隊(duì)伍不斷壯大，研制單位不斷增多。
超聲清洗屬于物理力清洗，其本身為綠色清洗，若在清洗液中添加適宜的清洗劑則屬組合清洗，更具明顯的清洗效果。超聲清洗與現(xiàn)代科技發(fā)展及先進(jìn)制造工藝密切相關(guān)，是目前功率超聲中應(yīng)用Z為廣泛的領(lǐng)域之一。超聲清洗在各種化學(xué)、物理以及機(jī)械的清洗中是較為有效的一種手段，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子、輕工、紡織、化工、航空航天、船舶、原子能以及醫(yī)療醫(yī)藥等工業(yè)部門。
技術(shù)洗凈技術(shù)2.超聲波清洗技術(shù)的特點(diǎn)與機(jī)理超聲波清洗與其它清洗相比具有洗凈率高、殘留物少（見表1）、清洗時(shí)間短，清洗效果好的優(yōu)點(diǎn)（見）。凡是能被液體浸到的被清洗件，超聲對它都有清洗作用，不受清洗件表面形狀限制，例如深孔、狹縫、凹槽，都能得到清洗。由于超聲波發(fā)生器采用D類工作放大，換能器的電聲效率高，因此超聲清洗具有節(jié)能的特點(diǎn)，是一種真正高速、高質(zhì)量、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的清洗技術(shù)。若清洗劑采用非ODS清洗劑，則具有綠色環(huán)保清洗作用。超聲清洗對玻璃、金屬等反射強(qiáng)的物體清洗效果好，而不適宜紡織品、多孔泡沫塑料、橡膠制品等聲吸收強(qiáng)的材料。
超聲清洗效果比較超聲清洗槽內(nèi)液體的某一點(diǎn)受壓情況超聲波清洗機(jī)理分兩種情況，一種情況是超聲清洗在中、低頻時(shí)，即頻率在20kHz130kHz范圍內(nèi)，特別是在20kHz40kHz情況下，把液體放入清洗槽內(nèi)，槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣，是一種疏密的振動(dòng)波，介質(zhì)中的壓力作交替變化。如對液體中某一確定點(diǎn)進(jìn)行觀察，這點(diǎn)的壓力如曲線A所示。以靜壓（一般為一個(gè)大氣壓）為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增加超聲波強(qiáng)度，壓力振幅也隨著增加。像曲線B所示，并產(chǎn)生所謂負(fù)的壓力。在此區(qū)域液體中會(huì)產(chǎn)生一種撕拉的力，且形成真空的空泡，并又被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速增長，然后又突然閉合。在氣泡閉合時(shí)，由于液體相互碰撞，將產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，其Z大的壓強(qiáng)Pmax由（1）式表示。
其中P0為靜水壓，Rm為空穴的初始半徑，R為空穴半徑，根據(jù)（1）式估算，局部壓強(qiáng)可達(dá)到上千個(gè)大氣壓。這就是平常所說的超聲空化。超聲空化有一個(gè)閾值，其含義為使液體產(chǎn)生空化的Z低聲強(qiáng)或聲壓幅值?？栈?/span>Pc可由式（2）表示：其中。為表面張力系數(shù)，Pv為蒸氣壓，R0為氣泡核半徑，可見空化閾值隨液體不同而不同。同一種液體，在不同的壓力下，其空化閾值不一樣，它隨著壓力增加而增加，與液體粘滯系數(shù)有關(guān)。粘度大，表面張力大，空化閾值高?？栈撝颠€與工作頻率有關(guān)，頻率越高其空化閾值也越高，產(chǎn)生空化越難。氣泡在聲場下作振動(dòng)，但不一定破裂，只有當(dāng)聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時(shí)才可使氣泡破滅。氣泡的諧振頻率由式（3）給出。
空化閾值與頻率的關(guān)系曲線如所示。空化技術(shù)洗凈技術(shù)閾值還與液體含氣量有關(guān)，含氣量愈少，空化閾值愈高?？栈撝蹬c超聲波作用時(shí)間長短時(shí)間有關(guān)，超聲波輻射時(shí)間愈長空化閾值愈低?？栈撝蹬c清洗液溫度有關(guān)，清洗液溫度升高，對空化有利，但溫度過高時(shí)，氣泡中蒸汽壓增大，因此氣泡閉合期增強(qiáng)了緩沖作用而使空化減弱。對于水清洗液，較適宜的溫度為60C左右。根據(jù)以上中低頻超聲清洗機(jī)理，可選擇Z佳工作狀態(tài)，從而得到Z佳清洗效果。
第二種情況：超聲清洗工作頻率在1MHz左右甚至高達(dá)3MHz，有時(shí)被稱之為兆赫級超聲清洗。由于頻率太高，聲波在清洗液中很難發(fā)生空化，其清洗機(jī)理一般認(rèn)為主要由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，而空化效應(yīng)是次要的。這種超聲清洗的特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng)，清洗時(shí)一般將零件表面置于與聲束平行的方向。
從上述超聲清洗機(jī)理可知，超聲清洗主要由超聲空化引起，空化效應(yīng)是主要因素。氣泡的爆破產(chǎn)生的高壓高溫沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的粘著力，引起污垢的破壞和脫離；同時(shí)氣泡的振動(dòng)能對被清洗物表面進(jìn)行擦洗，氣泡還能鉆入裂縫中振動(dòng)，使污層脫落。當(dāng)某些固體表面被油粘附時(shí)，油被超聲波乳化，迅速脫離被清洗件表面。超聲空化在被清洗件表面會(huì)產(chǎn)生很高的速度梯度和聲流，能進(jìn)一步削弱或除去邊界層污染，同時(shí)超聲振動(dòng)還會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈振動(dòng)，使被清洗件表面受到強(qiáng)烈的沖擊，使污物迅速脫離表面。
3.超聲清洗技術(shù)參數(shù)的選擇超聲清洗效果不一定與所加功率和工作時(shí)間成正比，有時(shí)用小功率花費(fèi)很長時(shí)間也沒有清除污垢，而如果功率達(dá)到一定數(shù)值，則有可能很快將污垢去除。若超聲功率太大，這時(shí)液體中空化強(qiáng)度大大增加，較精密的零件將產(chǎn)生蝕點(diǎn)，造成不必要的損失，同時(shí)清洗缸底部振動(dòng)板空化也十分嚴(yán)重，使缸的壽命縮短。另外一點(diǎn)：超聲功率選得太大，使液體中聲強(qiáng)過高，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，在聲波表面形成一道屏障，聲波不易輻射到整個(gè)缸體中，造成遠(yuǎn)離聲源的地方清洗作用減弱。所以選擇合適的聲強(qiáng)是必須的。鑒于目前混響場聲強(qiáng)測量的技術(shù)尚不夠成熟，目前還是用單位面積上的功率來進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗器輸出功率密度大多選在0.30.6w/cm2之間。至于連續(xù)波聚焦超聲清洗一般選在幾十瓦每平方厘米左右，脈沖聚焦超聲清洗可選得更高。
3.2工作頻率的選擇目前常用的超聲清洗器工作頻率在2040kHz之間。工作頻率低，在使用水或水清洗劑時(shí)由空穴作用引起的物理清洗力顯然有利，但空化引起的噪聲大，噪聲分貝數(shù)大大超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以20kHz及以下的頻率目前很少使用，除非降噪措施跟上。
對于小間隙、狹縫、深孔的零件的清洗，選用高一些頻率較好。國外有的用幾百千赫茲清洗精密鐘表零件。對于清洗像硅片表面零點(diǎn)幾微米的微小顆粒污物，頻率可選在兆赫茲級范圍。
3.3清洗籠的選擇在清洗小零件物品時(shí)，常需要使用網(wǎng)籠。但是網(wǎng)籠會(huì)引起超聲衰減。為改變網(wǎng)眼尺寸后測技術(shù)洗凈技術(shù)量的透射率結(jié)果。從中看出，當(dāng)頻率為28kHz時(shí)，網(wǎng)眼尺寸大于1mm以上為好。
3.4清洗液溫度的選擇水清洗液適宜的清洗溫度大約在4060°C間，網(wǎng)眼尺寸與聲波透射率的關(guān)系尤其在冷天。若清洗液溫度過低，則空化效應(yīng)差，清洗效果也不好。因此有部分清洗器在缸內(nèi)設(shè)置加熱保溫控制。如果溫度繼續(xù)升高，空泡內(nèi)氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降，對清洗不利（見）。從中看出，在各種不同的清洗液中，空化強(qiáng)度對鋁的腐蝕量隨溫度變化有個(gè)Z佳值。表2表明在相同超聲強(qiáng)度和相同頻率下，相同時(shí)間內(nèi)，鋁在不同液體中的溫度與腐蝕量的關(guān)系。
3.5清洗液量的選擇清洗液量一般高于振子表面100mm以上為清洗物品在缸中位置的選擇佳，但根據(jù)清洗器功率大小有所不同，例如功率為300w、頻率為25kHz的清洗器液面高約100 120mm；而功率為600w時(shí)，液面可到150mm左右。由于單頻清洗器受駐波場的影響，波節(jié)處振幅很小，而波幅處振幅很大，造成清洗不均勻，Z佳選擇是被清洗件位置應(yīng)放在波幅處（見），或使物品上下移動(dòng)，使清洗均勻。
4.超聲波清洗設(shè)備的基本組成超聲波清洗設(shè)備無論功率大小，基本上由清表2鋁在不同液體中的空化腐蝕量/mg \\溫度水煤油苯酒精丙酮10|洗凈技術(shù)技術(shù)洗凈技術(shù)洗缸、換能器、超聲波發(fā)生器三部分組成。其中大型多槽式清洗器還包括機(jī)械傳動(dòng)裝置、清洗液回流過濾裝置、溫度控制裝置、噴流裝置和烘干設(shè)備，如果是氣相式超聲設(shè)備還包括一臺(tái)冷水機(jī)。若用碳?xì)浠衔锶軇┣逑?，則還需真空及干燥設(shè)備。
也稱為清洗槽。清洗缸尺寸的選擇應(yīng)根據(jù)超聲電功率大小而定，如果以每只50w標(biāo)準(zhǔn)換能器進(jìn)行組裝，則缸底尺寸基本上以。5w/cm2進(jìn)行計(jì)算，至于深度應(yīng)考慮上面所述的液面高度，還應(yīng)適當(dāng)滿足被清洗件的尺寸要求。缸的材料大多選用不銹鋼，厚度在1.53.0mm之間，缸底加工必須平整，還需噴砂處理。
超聲清洗器的換能器有磁致伸縮換能器和壓電式換能器兩種，由于前者材料價(jià)格貴、電聲效率低，目前基本上不用；而壓電式換能器電聲效率高、價(jià)格便宜、安裝方便，目前被超聲清洗器普遍采用。壓電式換能器的結(jié)構(gòu)形式主要為單螺釘緊固的縱向振動(dòng)換能器，由兩片中心穿孔的壓電陶瓷晶片及前后蓋板組成。為了提高清洗器的工作穩(wěn)定性和效率，還發(fā)展了一種半穿孔結(jié)構(gòu)式寬頻帶換能器，這種換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在換能器輻射面上沿著軸向均勻地鉆有一定數(shù)量、同一深度的孔，構(gòu)成半穿孔結(jié)構(gòu)。在一定孔深時(shí)，鉆孔的孔徑越大，頻帶越寬；在一定穿孔面積時(shí)，孔越深，頻帶寬度也加寬。這種換能器比一般換能器頻帶寬度大一倍以上，可達(dá)到±2kHz左右，其電聲效率在頻帶范圍內(nèi)仍能達(dá)到80%以上，比普通換能器電聲效率高，從而克服了大功率超聲清洗器中普通換能器由于頻帶窄，給多個(gè)換能器并聯(lián)帶來的麻煩。半穿孔結(jié)構(gòu)式換能器還能減弱輻射面的橫向振動(dòng)，有利于高頻換能器的輻射面的增加，對改善超聲清洗設(shè)備的性能是有利的。
近來又發(fā)展了一種雙頻清洗用的縱振換能器，這種換能器有兩個(gè)諧振頻率，這種雙頻超聲波的作用能大大改善清洗缸的聲場分布，提高清洗效果。還有一種聚焦式超聲清洗換能器，其輻射面功率承受達(dá)幾十瓦上百瓦/平方厘米。這種換能器一般由三節(jié)組成，節(jié)為縱向壓電振子，第二節(jié)為變幅桿，第三節(jié)為輻射器，第三節(jié)材料用經(jīng)過特殊工藝處理的能耐高疲勞強(qiáng)度的不銹鋼或鈦合金材料組成。
目前超聲波清洗器的發(fā)生器主要有兩種形式，一種是上世紀(jì)70年代末80年代初上普遍采用的自激式D類晶體管（或模塊）開關(guān)功率放大器。其特點(diǎn)為線路簡短，換能器是自激振蕩器的一個(gè)部件，所以隨著負(fù)載頻率的變化，振蕩器頻率能跟著變化，有頻率跟蹤的功能。要實(shí)現(xiàn)大功率超聲波發(fā)生器采用多路合成容易，電路可靠性、可維修性較好。其缺點(diǎn)是無保護(hù)電路，功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)。另一種超聲波發(fā)生器是他激式的，且末級采用功率模塊的開關(guān)電源式的功率放大器，其前置控制不管是模擬的還是數(shù)字的，均采用PWM（脈寬調(diào)制）方式，頻率可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)、特點(diǎn)頻率穩(wěn)定度尚好，功率可連續(xù)調(diào)節(jié)。由于采用高壓、大電流IGBT或M0S模塊，大功率清洗用超聲發(fā)生器體積較小，可靠性較好，且開關(guān)電源控制電路技術(shù)成熟（0.53kw的單板發(fā)生器已有商品），是超聲清洗器用發(fā)生器的發(fā)展方向之一。
5.超聲波清洗技術(shù)的新進(jìn)展超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過幾十年來的理論探討和應(yīng)用研究，無論設(shè)備還是工藝上均取得了較大的發(fā)展，有關(guān)單位相繼研發(fā)了一大批新的產(chǎn)品，也制訂出了一些先進(jìn)典型的清洗工藝。
高頻超聲清洗對于像硅片表面小至零點(diǎn)幾微米的超微污物粒子，常規(guī)的超聲波清洗器無能為力，即使增加功率密度也無濟(jì)于事。近來發(fā)展了一種兆赫茲級的高頻超聲清洗技術(shù)，由于頻率高，空化效應(yīng)已不起作用，因此清洗的關(guān)鍵不是氣泡，是高頻壓力波的擦洗作用，其對污物的去除率接近。高頻清洗近來發(fā)展較快，主要用于超大規(guī)模集成電路芯片上的污物清洗，以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種污物的清洗。
對于像紡織行業(yè)的噴絲板、過濾器之類微孔物件的清洗，常規(guī)的超聲清洗效果十分不理想，聲技術(shù)洗凈技術(shù)強(qiáng)達(dá)不到要求，而采用機(jī)械掃描聚焦式超聲清洗，噴絲板微孔中的污物脫離十分明顯。聚焦式清洗要求達(dá)到高的聲強(qiáng)，目前選用的頻率以低頻為主，常用20kHz和15kHz兩種頻率，個(gè)別的頻率也有28kHz的，其電功率在連續(xù)波情況下一般為500 700w，間隙脈沖工作狀態(tài)下，功率可高一些。
即在一只清洗缸中，安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器，由多只發(fā)生器分別推動(dòng)各自頻率的換能器。我們知道，清洗器工作頻率高時(shí)，在液體中空化強(qiáng)度低而空化密度大，而工作頻率低時(shí)則相反。低頻超聲波的強(qiáng)度高，對物體表面清洗有利；高頻超聲波空化密度高，沖擊波能穿達(dá)凹槽、細(xì)縫、深孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)。同時(shí)缸中有多種頻率的超聲波，也克服了單頻清洗駐波場造成的清洗不均勻問題。
掃頻和跳頻清洗都是為了改善缸中的聲場結(jié)構(gòu)，前者解決了缸中的不均勻駐波場，使清洗均勻。而跳頻和多頻一樣兼顧到高低頻清洗，不同的是跳頻用的是一只換能器和一只發(fā)生器，其換能器本身有兩個(gè)諧振頻率，在諧振點(diǎn)帶寬內(nèi)作連續(xù)的頻率變化，然后跳到另一帶寬內(nèi)進(jìn)行掃頻清洗。它是高低頻交替進(jìn)行清洗。
為了提高物件的清洗質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)被清洗物的性質(zhì)和污物的類型，選擇合適的清洗工藝及對環(huán)境無污染的非0DS的清洗劑，以及相應(yīng)的配套設(shè)備。近來國內(nèi)外在這方面做了大量研究工作，也投入了大量資金、人力和物力，并取得了相應(yīng)的成超聲波清洗工藝的選擇是指對超聲波清洗方式、清洗液溫度、超聲頻率、超聲功率密度、清洗時(shí)間以及清洗液的選擇及配制。至于參數(shù)的選擇，上面已有論述，所以不多展開，在這里主要說明，合適的清洗液對于超聲波清洗效果和環(huán)境保護(hù)具有很大影響。由于超聲波清洗機(jī)理主要是利用空化作用，清洗液的選擇除了要考慮清洗件本身材料、油污、機(jī)械雜質(zhì)外，還必須保證清洗液粘度小、表面張力小，以利于清洗液的空化；有時(shí)還需添加助溶劑、穩(wěn)定劑、消泡劑及靜電去除劑等添加劑。近來對環(huán)保的要求越來越嚴(yán)，根據(jù)蒙特利爾協(xié)議書，必須全面禁止使用各種0DS清洗劑，因此目前各種0DS清洗劑替代物相繼在研發(fā)和試驗(yàn)中，為此超聲波水基清洗、超聲波半水基清洗和超聲波碳?xì)浠衔锶軇┣逑匆约跋鄳?yīng)的工藝、相關(guān)的設(shè)備研發(fā)也在同步進(jìn)行。目前要全面*替代0DS清洗劑還有一個(gè)相當(dāng)?shù)倪^程，但相信在超聲界和化學(xué)溶劑界的不斷努力下，一個(gè)既具有清洗性又具有環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的非0DS超聲清洗技術(shù)將會(huì)獲得廣泛的應(yīng)用。
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