超聲波清洗技術(shù)在精密儀器中的應(yīng)用

華奕愷

摘 要：超聲波清洗技術(shù)由于其高效率，低成本和高自動化程度的優(yōu)點，在機械工業(yè)，制藥工業(yè)甚至人們的日常生活中具有廣泛的應(yīng)用。且由于超聲波可以直接穿透工件的特點，超聲波在清洗各類精密儀器中尤為重要。本文概述了超聲波清洗的原理和過程，總結(jié)了超聲波清洗在四種精密儀器中的應(yīng)用，并提出了該技術(shù)的改良方向和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗；精密儀器；超聲波應(yīng)用

中圖分類號：TH133 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0080-03

超聲波是指人耳無法捕捉的、頻率超過20 kHz的聲波。超聲波的優(yōu)點是方向性好、穿透能力強、聲能集中且傳播距離遠等，是目前國際上公認的效率最高、效果最好的清潔方式，目前已在生活各處得以應(yīng)用，如超聲清洗光學(xué)零件、超聲除螨、超聲洗碗機等，其清潔度可達到98%[1]。并且由于超聲波可以直接穿透工件，對于縫隙、小孔等細節(jié)也能高效清洗的特點，超聲波清洗已成為清洗精密儀器的重要技術(shù)。

本文將介紹超聲波清洗的原理和工藝，重點討論超聲清洗在各種精密儀器中的應(yīng)用，并對超聲清洗技術(shù)的改良方向和發(fā)展趨勢做簡要分析。

1 超聲波清洗的原理

隨著超聲波清洗頻率的變化，其清洗原理也會隨之改變。清洗工件不同時，所使用的清洗頻率也不相同。

1.1 低頻超聲波（20kHz-50kHz）

低頻超聲清洗的原理主要是空化效應(yīng)，即超聲波使液體產(chǎn)生真空氣泡，接著由于聲壓氣泡迅速長大，最終破裂產(chǎn)生強大的沖擊波。清洗作用主要通過兩個方面實現(xiàn)，一方面是氣泡對污垢的反復(fù)沖擊，使污垢從工件表面剝離；另一方面，在氣泡破裂時產(chǎn)生的強大沖擊波將污垢層帶離工件表面[1-4]。此外，超聲波本身所引起的質(zhì)點振動，也能夠使污垢層因劇烈振動而脫落，如圖1所示[5]。

目前低頻超聲清洗在超聲清洗技術(shù)中應(yīng)用的最廣泛，對清洗各種工件都效果顯著，尤其適于清洗較大、較重或者是高密度材料制成的工件。

1.2 高頻（50kHz-200kHz）及兆頻（700kHz-1MHz）超聲波

在此波段空化效應(yīng)已很難發(fā)揮作用，高頻超聲波和兆頻超聲波的清洗原理主要是壓力波效應(yīng)，通過高頻超聲產(chǎn)生的高壓聲波在污垢表面來回摩擦來清除表面污垢。這種清洗方式效率極高，接近100%，非常適用于清洗微電子元件、集成芯片等這類體積小又容易受損的物件。此外，此方式還可以用來清洗小微顆粒[3，4]。

2 超聲波清洗的工藝

2.1 超聲波強度

超聲波強度是指單位面積超聲波功率，超聲波強度是影響空化作用形成的重要因素之一。超聲波的強度越大，空化效應(yīng)越強，清洗效果越好。隨著清洗對象的變化，超聲波強度也應(yīng)相應(yīng)地變化，但超聲波強度并不是越強越好，當(dāng)強度過高時，產(chǎn)生過多的空化氣泡同時生成聲屏障，反而會因此降低清洗效果[1，2]。

2.2 超聲波頻率

超聲波頻率也是影響空化效應(yīng)的參數(shù)之一。根據(jù)工件的不同，選擇的工作頻率也不同。低頻超聲波清洗可應(yīng)用于各類工件，但低頻超聲波由于空化作用強，對工件的侵蝕作用也最強，因此不適用于表面光潔度要求高的工件；高頻超聲波清洗具有低侵蝕效果，可去除納米級污垢，適用需要精細清洗的工件，如計算機和微電子元件；兆頻超聲波能清除亞微米級的污物，同時還完全不損傷工件，非常適合清洗集成電路芯片、硅片及薄膜[1-3]。

2.3 清洗劑的選擇

正確選擇清洗劑可以幫助超聲波達到最佳清洗效果。目前，清洗劑的種類有許多，包括水基和碳氫基清洗劑，其物理化學(xué)性質(zhì)各不相同。選擇清洗劑時應(yīng)遵循以下兩個原則：一方面，根據(jù)相似相溶原理，選擇對污垢具有最佳溶解性的清洗劑；另一方面，應(yīng)考察粘度、蒸氣壓和表面張力等參數(shù)[1，2，6]。

2.4 清洗的溫度和時間

溫度也能夠?qū)η逑吹馁|(zhì)量和速度產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)適當(dāng)?shù)靥岣咔逑磩┑臏囟葧r，能夠相應(yīng)的增強空化效應(yīng)。例如，醇類清洗劑的適宜溫度約為45℃，水的適宜溫度為60℃[1，2]。

對于不同的清洗對象，清洗時間也差距很大，例如清洗電路板大約3min，清洗導(dǎo)管類工件大約需40min[7]。

2.5 清洗的設(shè)備

超聲波清洗設(shè)備通常由三部分構(gòu)成：發(fā)生器、換能器和清洗槽。第一部分是發(fā)生器，即電源，將電能轉(zhuǎn)化成電磁振蕩信號；第二部分是換能器，即振板，它把電磁振動信號轉(zhuǎn)化成超聲振動信號，起到振動清洗的作用，第二部分是超聲清洗儀的關(guān)鍵部分；清洗槽用于放置被清洗物，協(xié)同清洗劑等產(chǎn)生一系列清洗作用。如圖2所示[8]。

3 超聲波清洗在精密儀器中的應(yīng)用

3.1 超聲清洗電子元件

超聲波可以穿透細小的間隙和孔縫，因此，超聲波清洗是清潔形狀復(fù)雜，表面不平整的電子元件的理想選擇。如印制電路板的零件密度高、間距小，手工清洗無法保證印制電路板的清洗質(zhì)量，并且可能損壞電路板。因此，通常使用超聲波清洗電路板，如圖3所示[9]。

2001年，孫洪日等利用超聲波清洗印制電路板焊接后殘留的助焊劑，通過清洗條件的優(yōu)化，超聲波清洗印刷電路板的可靠性得到證實[2]。

此外超聲波還被用于清洗電子連接器，2012年，張聲勇設(shè)計并研究了電子連接器的超聲波真空清洗工藝和設(shè)備，以碳氫基溶劑為清洗液可提高電子連接器的清洗效率和清洗質(zhì)量，對清洗其它電子元件具有重要的參考意義[10]。

3.2 超聲清洗光學(xué)零件

光學(xué)零件從加工過程中到鍍膜前都需要清洗，確保表面清潔，以提高其激光損傷閾值和光學(xué)零件的鍍膜附著力。有機污染物、無機污染物和復(fù)合污染物是光學(xué)零件表面的三種典型污染物，其附著形式也多種多樣。而超聲波清洗既能保證清潔度又節(jié)能省力，因此取代了傳統(tǒng)的手工清洗而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)零件的清洗中。

如2005年，江宗宇等使用全自動超聲波清洗技術(shù)清洗大口徑光學(xué)零件。不僅達到了工件清洗的質(zhì)量要求，而且高效省力，由此證明了超聲波批量清洗光學(xué)零件的可行性[11]。

再如2016年，孫波等討論了超聲波清洗在光學(xué)零件鍍膜加工中的應(yīng)用，總結(jié)了其技術(shù)原理、清洗設(shè)備、清洗工藝等，并提出了改進方法，說明了超聲波清洗在清洗光學(xué)儀器上的適用性，為光學(xué)零件清洗的機械化、自動化提供了依據(jù)[6]。

3.3 超聲清洗軸承零件

軸承零件屬機械加工中的精密儀器，清洗不干凈會嚴重影響其它相關(guān)工序和成品的質(zhì)量。噴淋式清洗、沉浸式清洗和蒸發(fā)脫脂清洗是清洗軸承零件的常見方法，但隨著超聲波清洗技術(shù)的發(fā)展，具有更好清洗質(zhì)量和更高效率的超聲波清洗技術(shù)逐漸受到重視。

如2015年，盧陽等用碳氫溶劑而不是傳統(tǒng)的汽油作為超聲波清洗劑，清洗成品軸承，效果顯著，從而證明了精密軸承不但可以通過超聲波清洗的方式進行清洗，而且還可以選擇不同種類的清洗劑[12]。

接著在2016年，王自力總結(jié)了超聲波清洗技術(shù)在清洗軸承零件上的應(yīng)用，綜述了其清洗原理、流程及關(guān)鍵技術(shù)。證明了超聲波對清洗低振動值、低噪聲的軸承的重要意義，并為超聲波清洗技術(shù)在精密軸承上的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持[13]。

3.4 超聲清洗醫(yī)療器械

醫(yī)療器械中有許多精密儀器，如果清洗不當(dāng)，這些儀器上附著的血液、體液和細菌等可能會造成患者感染或器械損壞，造成嚴重影響。超聲波清洗不僅能夠滿足醫(yī)療器械清洗的潔凈度要求，而且能夠殺菌消毒，且超聲儀器操作簡便，這對醫(yī)院而言是非常理想的清洗方式。

如在2007年，王素珍等在醫(yī)用使用國產(chǎn)的半自動多槽式超聲波清洗機清洗醫(yī)療器械并進行了清洗效果的監(jiān)測，經(jīng)證明，超聲波清洗機清洗不但能清洗普通污物，還能有效地去除細菌和熱源[14]。

2018年，汪四秀等對超聲清洗眼科手術(shù)器械的基本步驟進行了改良，添加了預(yù)處理，多酶超聲清洗后，還使用酸性清洗劑和醫(yī)用潤滑劑進行處理，結(jié)果較傳統(tǒng)的清洗方式，清洗效果更好，對改進超聲清洗技術(shù)有重要的參考意義[15]。

3.5 超聲清洗其它精密儀器

超聲波清洗除了應(yīng)用于電子元件、光學(xué)零件、軸承零件和醫(yī)療器械領(lǐng)域外，還被應(yīng)用于制藥行業(yè)、金屬行業(yè)和超聲除垢等方面。

超聲波技術(shù)在制藥行業(yè)中的應(yīng)用已在業(yè)界得到認可，主要用于清洗醫(yī)用藥瓶如輸液瓶、氨瓶、口服液瓶以及醫(yī)用膠塞等，清洗效果顯著[4]。

超聲波清洗可有效去除金屬棒材外部的碳化膜和油，通過一種連續(xù)走絲的清洗方式清洗鈮絲、鉭絲、鎢絲、銅絲等金屬絲[4]。

超聲除垢是最近開發(fā)的超聲清洗的新應(yīng)用。超聲除垢利用超聲波的強聲場，使流體中成垢的物質(zhì)在超聲波的作用下松散、松脫、分散、粉碎，從而達到清洗作用。可以應(yīng)用于熱交換裝置、管道的防垢和鍋爐除垢等[16]。

4 超聲波清洗技術(shù)的改良

4.1 自動化水平的提高

近年來，超聲清洗設(shè)備的自動化和靈活性逐步提高。這使得超聲波清洗能夠在自動化控制和批量作業(yè)中實現(xiàn)。自動化清洗設(shè)備實現(xiàn)了超聲波清洗與化學(xué)清洗、漂洗、脫水、烘干等工藝的結(jié)合，提高了清洗效率，還節(jié)省了大量人力[16]。

4.2 環(huán)保型超聲清洗技術(shù)的出現(xiàn)

由于ODS（Ozone Depleting Substances）是一種對臭氧層有破壞作用的有機溶劑。因此，我國已經(jīng)出臺禁止使用ODS有機溶劑為清洗劑的法律法規(guī)，經(jīng)濟環(huán)保的碳氫溶劑開始受到重視。為了克服碳氫溶劑的閃點限制，研究人員開發(fā)了超聲波碳氫化合物真空清洗技術(shù)，可以增強清潔效果，提高自動化程度[16]。

此外，任金蓮等還提出無需清洗劑的超聲波振動清洗法，直接通過固體介質(zhì)傳播超聲波，使污染物因強大的作用力和加速度而脫落，為環(huán)保型超聲波清洗提供了新思路[17]。

4.3 多種均勻清洗方式的出現(xiàn)

清洗過程中形成的駐波會導(dǎo)致清洗不均勻。因此，研究人員發(fā)明了各種清洗方式來弱化駐波。如掃頻和跳頻清潔、多頻清潔、聲場均勻清潔、液位變化清潔等[1，4]。甚至通過設(shè)計特定形狀的清潔槽來衰減由駐波引起的聲場不均勻性[1]。

5 超聲波清洗的發(fā)展趨勢

雖然目前應(yīng)用最廣泛的是低頻超聲波清洗，但是隨著科技的發(fā)展和清洗要求的提高，超聲波清洗將會不斷地高頻化，超聲清洗的次效應(yīng)將會得到更充分的利用，高頻超聲清洗的原理會被研究得更加透徹，超聲清洗工藝也會隨之豐富。此外，超聲波清洗還將朝著規(guī)?；⒕毣?、環(huán)?；⒆詣踊姆较虬l(fā)展，推動生產(chǎn)生活以及科技的進步。

6 結(jié)語

本文主要介紹了超聲波清洗技術(shù)的原理、工藝及超聲波清洗在清洗電子元件、光學(xué)零件、軸承零件和醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用，并提出了超聲清洗的改良方向與發(fā)展趨勢。超聲波清洗應(yīng)用于各種精密儀器或元件時，充分發(fā)揮了其穿透性強、清洗精度高的優(yōu)點。超聲波清洗的應(yīng)用廣泛，大到航空航天小到日常生活都離不開它，隨著人們清洗要求的不斷提高，超聲波清洗技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展下去。

參考文獻

[1]康永，鄭莉，邵世權(quán).超聲波清洗技術(shù)研究進展[J].清洗世界，2012，28（04）：12-16.

[2]孫洪日，林國輝.超聲波清洗原理與工藝分析[J].電子工藝技術(shù)，2001，22（02）：77-78.

[3]李旗，逯力紅，丁鏖舉.基于超聲波的清洗機設(shè)計及清洗效果研究[J].大學(xué)物理實驗，2017，30（05）：31-35.

[4]李雅莉.超聲波清洗的原理和實際應(yīng)用[J].清洗世界，2006，22（07）：31-35.

[5]劉欽，張福禮，王紅偉.慣性儀表鈹材復(fù)雜結(jié)構(gòu)件清洗技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝，2018，（02）：39-43.

[6]孫波，焦?jié)凉?，張?超聲波清洗在光學(xué)零件鍍膜加工中的應(yīng)用[J].清洗世界，2016，32（04）：35-39.

[7]劉宏，王赫.超聲波清洗技術(shù)工藝研究[J].工業(yè)技術(shù)，2015，30：89-92.

[8]羅登林，丘泰球，盧群.超聲波技術(shù)及應(yīng)用——超聲波技術(shù)[J].日用化學(xué)工業(yè)，2005，35（05）：323-326.

[9]林偉成.如何對電路板進行正確的超聲波清洗[J].電子工藝技術(shù)，2005，（02）：88-91.

[10]張聲勇.電子連接器超聲波真空清洗技術(shù)的研究[D].華中科技大學(xué)：湖北，2012.

[11]江宗宇，辛企明.大口徑光學(xué)零件鍍前全自動超聲波清洗技術(shù)[J].光學(xué)儀器，2005，27（03）：82-84.

[12]盧陽，李澤強，王玉良等.碳氫超聲波清洗軸承試驗[J].軸承，2015，03（03）：43-45.

[13]王自力.軸承零件清洗中超聲波技術(shù)應(yīng)用探討[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016，03（04）：656-658.

[14]王素珍，楊海波.超聲技術(shù)在器械清洗中的應(yīng)用與效果[J].中華醫(yī)院感染學(xué)雜志，2007，17（06）：698-699.

[15]汪四秀，趙軍，夏曉.重復(fù)使用的眼科顯微手術(shù)器械清洗方法的改進及效果評價[J].中華全科醫(yī)學(xué)，2018，16（08）：1389-1402.

[16]李曉東，劉傳紹.超聲波清洗技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].清洗世界，2009，25（1）：28-31.

[17]任金蓮，張明鐸，牛勇.超聲波清洗的一種新方法[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，（02）：35-37.