超聲波清洗技術(shù)的原理與應(yīng)用

摘要：許多企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中采用清洗工藝提供產(chǎn)品質(zhì)量。超聲波清洗工藝是一種洗凈效果好，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，有利于環(huán)保的清洗工藝。本論文主要從超聲波清洗原理、構(gòu)造、超聲波清洗機(jī)的選用等方面做出相關(guān)論述，在此基礎(chǔ)上對超聲波清洗技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：超聲波；清洗工藝；清洗技術(shù)

前言

超聲波清洗工藝是一種洗凈效果好，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，有利于環(huán)保的清洗工藝。超聲波清洗工藝可以應(yīng)用于清洗各式各樣體形大小，形狀復(fù)雜，清潔度要求高的許多工件。例如可用于清洗鐘表零件、照相機(jī)零件、油咀油泵、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、精密軸承零件、齒輪、活塞環(huán)、銑刀、鋸片、寶石、醫(yī)用注射器及各種光學(xué)鏡頭等；還可以用于清洗印制板、半導(dǎo)體晶片及器件、顯象管內(nèi)的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插頭座、焊片、電極引線等電子類產(chǎn)品。

1.超聲波清洗的原理

超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。如圖1，圖2所示：清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆，由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破壞其工件表面。由于超聲波固有的穿透力，所以可以清洗各種表面復(fù)雜，形狀特異的物件，對小孔和縫隙都有很好的清洗效果，對不吸音或吸音系數(shù)小的物體清洗效果最佳。

圖1 空化泡的擴(kuò)大以及爆裂（內(nèi)爆）圖2 氣泡分離污垢圖示

2.超聲波清洗機(jī)的構(gòu)造

清洗液里面的氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的。因此，任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個(gè)基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號的超聲波發(fā)生器。

超聲波清洗槽用堅(jiān)固彈性好、耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成，底部安裝有超聲波換能器振子；超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻高壓，通過電纜聯(lián)結(jié)線傳導(dǎo)給換能器，換能器與振動(dòng)板一起產(chǎn)生高頻共振，從而使清洗槽中的溶劑受超聲波作用對污垢進(jìn)行洗凈。

超聲波清洗設(shè)備一般可分為通用和專用兩種機(jī)型：

2.1.通用超聲波清洗機(jī)

超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)一般有超聲電源和清洗器合為一體或分開布局兩種形式，一般小功率（200W以下）清洗機(jī)用一體式結(jié)構(gòu)，而大功率清洗機(jī)采用分體式結(jié)構(gòu)。

2.2.專用超聲波清洗機(jī)

一般安裝在某些特定物件清洗的生產(chǎn)流水線上。

3.超聲波清洗機(jī)的選用

隨著科技的進(jìn)步，精密清洗的工件越來越精細(xì)，清潔度要求也越來越高。在精密清洗的應(yīng)用上（如線路板、二極管、液晶體、半導(dǎo)體等）使用傳統(tǒng)的頻率（20～30KHz），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)不但沒法達(dá)到清洗的要求，而且還可能造成工件的損傷。

在購買清洗系統(tǒng)之前，應(yīng)對被清洗件做如下應(yīng)用分析：

3.1.清洗方法和清洗液類型的確定

明確被洗件的材料構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和數(shù)量，分析并明確要清除的污物，這些都是決定所要使用什么樣的清洗方法，判斷應(yīng)用水性清洗液還是用溶劑的先決條件。選擇清洗液時(shí)，應(yīng)考慮以下三個(gè)因素：

3.1.1.清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時(shí)，一定要作實(shí)驗(yàn)。

3.1.2.操作簡單：所使用的液體應(yīng)安全無毒、操作簡單且使用壽命長。

3.1.3.成本： 使用中必須考慮到溶劑的清洗效率、安全性、一定量的溶劑可清洗多少工件利用率最高等因素。當(dāng)然，所選擇的清洗溶劑必須達(dá)到清洗效果，并應(yīng)與所清洗的工件材料相容。

3.2.所選的功率和頻率要適合

超聲波清洗若選擇功率太大，空化強(qiáng)度將大大增加，清洗效果雖然提高了，但這時(shí)使較精密的零件也產(chǎn)生蝕點(diǎn)，而且清洗缸底部振動(dòng)板處空化嚴(yán)重，水點(diǎn)腐蝕也增大。一般使用 28-40kHz 左右。對小間隙、狹縫、深孔的零件清洗，用高頻（一般 40kHz 以上）較好，甚至幾百 kHz 。

3.3.清洗液清洗溫度的正確選擇

水清洗液最適宜的清洗溫度為40-60℃。因此有部分清洗機(jī)在清洗缸外邊繞上加熱電熱絲進(jìn)行溫度控制，當(dāng)溫度升高后空化易發(fā)生，所以清洗效果較好。當(dāng)溫度繼續(xù)升高以后，空泡內(nèi)氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降。

3.4.清洗液量和清洗零件位置確定

一般清洗液液面高于振動(dòng)子表面 100mm 以上為佳。由于單頻清洗機(jī)受駐波場的影響，波節(jié)處振幅很小，波幅處振幅大造成清洗不均勻。因此最佳選擇清洗物品位置應(yīng)放在波幅處。

4.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，制定出了一批先進(jìn)典型的清洗工藝如：

4.1. 高頻超聲清洗

這是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百分之百。高頻清洗進(jìn)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。

4.2.聚焦式清洗

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，其電功率在連續(xù)波情況下一般為 500 ～ 700W。

4.3.多頻清洗

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。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。

4.4.掃頻和跳頻的清洗

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，在第一諧振點(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。

超聲波清洗機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程及現(xiàn)在超聲波清洗機(jī)的普遍應(yīng)用證明超聲波清洗技術(shù)是有著傳統(tǒng)清洗技術(shù)無可比擬優(yōu)勢的，實(shí)踐也證明如此，在一些電子，電鍍，制藥等行業(yè)超聲波清洗已成為必不可少的清洗環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，超聲波清洗應(yīng)用行業(yè)也在進(jìn)一步普及，已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的多個(gè)方面。在不遠(yuǎn)的將來超聲波清洗技術(shù)將成為一門主要的清洗技術(shù)之一。

作者簡介：

邵振江（1973-），男，天津市，機(jī)械工程師，大學(xué)本科，一直從事于半導(dǎo)體機(jī)械設(shè)備的研發(fā)、制造與維修工作。