超聲波清洗設備與清洗工藝（寧波鄞州恒科機械有限公司技術部）技術咨詢：0574-88012699　郵箱：cnhengke@126.com超聲波清洗是將超聲波的振動能量傳播到清洗液中，利用兩者的綜合作用，來清除被清洗件上的污垢。　　超聲波清洗在工業上應用比較廣泛，主要用于對零、部件清洗要求比較嚴格的場合，如零件在精加工過程中的清洗、裝配前的清洗、幾何形狀復雜(多孔、深孔、彎孔、盲孔、微孔)的孔類零件的清洗，以及污垢粘附較牢的中小型零件的清洗。　　超聲波清洗除了能清除零、部件表面的油污外，對于零件表面殘留的研磨膏、拋光膏等膏狀污垢也有良好的清洗效果。此外，還可用來清除零件表面輕度的銹蝕層或氧化層。超聲波清洗對于清除積碳效果很好(需采用專門配制的清洗液)，并已有較成熟的使用經驗。　　在內燃機車制造及修理部門，已將超聲波清洗應用于一些中、小型零件和精密偶件的清洗，如缸蓋、滾動軸承、齒輪、閥類零件、泵類零件、各種濾清元件、短軸、高壓油泵柱塞副、噴油器針閥副、高壓油泵出油閥副等的清洗。　　在國外，已采用大功率的超聲波清洗設備，來清洗柴油機機體及機車上的大型零、部件。我國有的柴油機修理工廠也開始采用大功率的超聲波清洗機來清洗待修理的柴油機機體(缸徑為150～230毫米)，并取得了理想的清洗效果。　　采用超聲波清洗，工藝簡單，操作簡便，勞動強度低，清洗質量好，清洗效率高，而且易于實現零、部件清洗自動化，因而是一種很有發展前途的清洗方法。　　一、超聲波清洗原理　　超聲波在本質上和聲波是一樣的，都是機械振動在彈性介質中的傳播過程，超聲波和聲波的區別僅在于頻率范圍的不同。　　聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認為聲波的頻率在20～20000赫范圍內，而振動頻率超過20千赫以上的聲波則稱為超聲波。超聲波中振動頻率在100千赫以下的稱為低頻超聲波；振動頻率在100千赫以上到數十兆赫的稱為高頻超聲波。用于清洗的超聲波所采用的頻率為20～400千赫，屬于低頻及高頻超聲波的范圍。　　超聲波清洗時，在超聲波的作用下，機械振動傳到清洗槽內的清洗液中，使清洗液體內交替出現疏密相間的振動，液體不斷受到拉伸和壓縮。疏的地方受到拉伸，形成微氣泡(空穴)；密的地方受到壓縮。由于清洗液內部受超聲波的振動而頻繁地拉伸和壓縮，其結果使微氣泡不斷地產生和不斷地破裂。微氣泡破裂時，周圍的清洗液以巨大的速度從各個方向伸向氣泡的中心，產生水擊。這種現象可以通過肉眼直接觀察到，即在清洗液中可以看到有劇烈活動的氣泡，而且清洗液上下對流。此時若將手指浸入清洗液中，則有強烈針刺的感覺。上述這種現象稱為超聲空化作用。　　在超聲空化作用一定時間后，被清洗件上的污垢逐漸脫落(當然也有清洗液本身的作用在內)，這就是超聲波清洗的基本原理。　　較長時間的超聲空化作用，會使被清洗件表面的基體金屬有一定程度的剝落，這稱為空化的浸蝕作用。　　超聲沖擊波能在液體中產生微沖流，具有攪拌作用。在不相溶的兩相液體中，微沖流能促使兩液相面加速互相分散，具有乳化作用。　　超聲空化的產生是依附于空化核進行的，而被清洗件表面的縫隙正好是空化核的中心。　　總之，超聲波清洗是超聲空化作用、浸蝕作用、攪拌作用、乳化作用及空化核作用的綜合表現。其中空化作用在超聲波清洗中是起主要作用的，它能破壞污垢微粒在被清洗件表面的粘附狀態。再加上微沖流的作用，使清洗液產生振動和攪拌，將污垢從被清洗件表面清除干凈。而乳化作用則使清洗下來的油污很快地分散、乳化在清洗液中。　　應當指出，超聲波清洗過程中，除了超聲波的上述作用外，還有所采用的清洗液的浸潤、浸透、乳化、分散及溶解等作用，其結果必然大大加速清洗過程，提高清洗效果。　　二、超聲波清洗設備　　超聲波清洗設備主要由超聲波發生器及清洗槽兩大部分組成。在被清洗件批量較大的情況下，還附有清洗液循環裝置；有時為了實現清洗過程自動化，還附有被清洗件傳送裝置。　　一般情況下，超聲波發生器和清洗槽是兩個結構上互相獨立的裝置，它們之間僅用一根電纜線連接起來，以傳送電功率。但也有的超聲波清洗設備是將發生器與清洗槽組合為一體的。　 超聲波發生器是產生超聲頻電信號的功率源。常用的超聲波發生器從結構上分為:電子管式、晶體管式、可控硅管式和高頻電機式四種。其中可控硅管式超聲波發生器體積小、效率高、操作簡便。CFS-3型超聲波發生器就屬于這種類型。　　超聲波發生器的外部結構為一箱體，內裝有各種電氣元件。為了保證這些電氣元件的正常工作，在功率較大的超聲波發生器內還裝有冷卻風扇。發生器外部設有控制臺，控制臺上設有電源開關、高壓開關、功率調節旋鈕、頻率調節旋鈕以及顯示陰極電流和屏極電壓的電流、電壓表。可控硅管式超聲波發生器無頻率調節旋鈕。　　超聲波清洗槽由不銹鋼槽體、換能器及支架等組成。　　換能器是超聲波清洗設備中的主要部件，換能器的功用是將超聲波發生器輸送過來的電功率轉換成超聲波的機械振動，然后通過不銹鋼槽體的輻射，來促使清洗液也產生超聲波的機械振動。　　常用的換能器有磁致伸縮型及壓電型兩種。磁致伸縮型換能器用鐵、鎳、鉆等鐵磁性材料或其合金制成，利用其磁致伸縮效應在高頻電流所形成的磁場中發生超聲波的機械振動。壓電型換能器是用壓電晶體材料(如鋯欽酸鉛、鈦酸鋇等)制成，利用其壓電效應，將電能轉換為超聲波的機械振動。　　磁致伸縮型換能器激發的超聲機械振動屬低頻(頻率為20～60千赫)，適用于較大型零、部件的超聲波清洗。壓電型換能器激發的超聲機械振動屬高頻(頻率為100千赫～1兆赫)，適用于小型零件及形狀復雜零件的清洗。　　　　為了獲得較高的轉換效率，換能器應盡可能地工作在其固有頻率上。因為只有當外加電壓的頻率與換能器的固有頻率相等或相近時，就會產生共振現象，此時輸出的超聲波有最大的振幅值，方能得到最大的輸出功率。　　壓電型換能器的換能效率要較磁致伸縮型換能器為高，而且結構簡單，超聲波分布均勻，因此被廣泛采用。從結構上看，壓電型換能器是在兩種不同密度的材料——鐵塊和鋁塊——之間放置二片鋯鈦酸鉛壓電晶體，然后用螺栓將其夾緊連接而成。　　一般情況下，在一個清洗槽上往往均勻分布地粘結有若干個換能器，其數量視超聲波發生器的輸出功率大小而定。同一組各個換能器的阻抗應相等或相近，以便使各個換能器上載荷均衡。同時還要求各個換能器的工作頻率一致(頻率差應在士0.1%范圍內)，這樣方能使各個換能器均有較高的轉換效率。為此，同一臺設備的換能器必須按阻抗及工作頻率進行選配，選配好的換能器用E-1膠粘結在清洗槽體槽外底部。換能器與清洗槽體的粘結工藝及E-1膠的配方附于本節末。　　為了能滿足超聲波清洗大型零件的需要，還有一種可以浸沒在清洗液中工作的所謂浸沒式換能器。浸沒式換能器外面有密封的殼體，使用時，可以根據大型工件的形狀，將換能器自由放置于清洗槽內，以達到用較小功率的換能器，來清洗較大工件的目的。　　清洗槽體用不銹鋼板焊制而成，具有耐腐蝕、耐疲勞、聲導性能好、強度高、重量輕等特點。槽體采用不銹鋼材料是因為清洗槽內可能使用各種酸、堿清洗液，而且超聲波的能量在超聲空化區域內非常集中，對槽體材料的強度要求較高。中、小型清洗槽的槽壁厚度一般為1～2毫米，大型清洗槽的槽壁厚度則為3～4毫米。清洗槽底要求光整平滑，通過槽底進出管道的連接要緊固，以免漏泄和清洗時產生振動噪音。　　一般場合下，一臺超聲波發生器配備一臺清洗槽，但是一臺大功率的超聲波發生器也可以同時配備幾臺功率較小的清洗槽，只要它們之間功率能匹配相等即可。　　在清洗大型零件或使用大型清洗槽時，除了采用大功率的超聲波發生器外，還常常將幾臺中小功率的超聲波發生器組合使用。如用三臺功率各為2千瓦的超聲波發生器組合起來清洗磨床的花鍵軸即為一例。　　為了使超聲波清洗設備的工作狀態最佳，其發生器的輸出阻抗與換能器的總的動態阻抗應相一致，發生器與換能器的工作頻率也應相一致。這樣，在額定工況下，超聲波發生器通過換能器轉換出來的聲功率最大。 三、超聲波清洗工藝分析　　超聲波的清洗效果取決于超聲波清洗工藝的正確選用。為此，對一些工藝參數(如超聲波頻率、超聲波功率密度、超聲波清洗時間)、被清洗件的放置、對清洗液的要求及其配方等作一簡要分析。　　(一)超聲波頻率　　在超聲波清洗中，首先要正確選用超聲波的頻率。超聲波頻率是起決定性作用的工藝參數，因為它對空化作用有直接的影響。超聲波頻率越低，超聲空化作用越強，清洗效果也比較理想，但噪音較大。故一般采用的超聲波頻率為20千赫左右，此時的空化作用強，清洗效果也比較好。　　對于表面光潔度較高的零件以及具有較小直徑的孔類零件，宜采用波長較短、能量較集中的高頻超聲波清洗。但高頻的超聲振動在清洗液中衰減較大、作用距離較短、空化強度較弱，因而清洗效率也較低。此外，還由于高頻超聲波的方向性所產生的“陰影”，會造成被清洗件的某些部位清洗不到的現象。　　在使用無頻率跟蹤的超聲波清洗機時，需經常調節超聲波發生器的“頻率調節”旋鈕，以便使其輸出信號的頻率與換能器的固有頻率始終保持一致，從而達到空化作用最強、清洗效果最好的目的。　　(二)超聲波功率密度　　超聲波清洗中，清洗效果是隨著超聲波功率密度增加而提高的。但過高的功率密度會由于空化作用過份強烈而引起被清洗件表面的浸蝕(即所謂空化腐蝕)，從而使被清洗件表面受到損傷。這種現象尤其對工件上的各種鍍層以及鋁合金件更為突出。為此，對于油污程度嚴重、形狀復雜、有深孔和盲孔的被清洗件，以及在清洗槽較深、清洗液粘度較大時，可選用較大的功率密度。高頻超聲波清洗時，功率密度也可以選大一些，以抵消其衰減大、作用距離短的弱點。若在粘度較小的清洗液中進行漂洗時，則超聲波功率密度可以選小一些。　　(三)清洗時間　　超聲波清洗的效果和質量與超聲波清洗的時間有關。清洗時間太短會達不到清洗的質量要求；但清洗時間過長，不僅降低工效，而且由于超聲波對被清洗件表面的空化腐蝕作用而影響了零件的表面質量。　　油污程度嚴重、形狀復雜的零件清洗時間宜略長一些；具有各種鍍層的零件、鋁及鋁合金件的清洗時間應短些；表面光潔度較高的零件，一般情況下油污會相對少一些，此時清洗時間也不宜過長。　　對于不同件的具體清洗時間應通過試洗確定之。　　(四)被清洗件的放置及清洗方式　　常用的超聲波清洗方式是將被清洗件放在清洗槽內清洗液中進行清洗，這主要適用于一般中、小型零件。對于外形尺寸較大的大型零件，可采用局部清洗方式。即將被清洗件部分浸入清洗液中進行清洗，待清洗完畢后再將尚未清洗的部位浸入清洗液中繼續清洗，依次直至完全洗遍。對于能在清洗槽中放下的大型零件(如曲軸)，則可采用浸沒式換能器進行超聲波清洗。　　對于油污程度嚴重的零件，可先加熱浸洗或沖洗，然后再采用超聲波清洗。這樣可以提高清洗效率和降低清洗成本。　　對于幾何形狀比較復雜(如有大小不等的孔穴、凹角等)的零件，則可采用多種頻率的超聲波清洗，即分別在幾種不同的超聲波頻率下進行清洗。　　對于要求嚴格的工件，可采用幾種不同配方的清洗液，分槽依次進行超聲波清洗。若使用水溶性清洗液(如堿性清洗液和金屬清洗劑清洗液)進行清洗，則最后應用熱水對工件進行漂洗。　　在同一清洗槽內，超聲波的空化強度并不是均勻相等的。就清洗槽的垂直方向而言，分為空化強烈區和不強烈區。空化強烈區與不強烈區相間，超聲波清洗時，應將被清洗件置于空化強烈區內，以便獲得較好的清洗效果。若工件較大，則可在清洗時使工件作緩慢的移動。空化強烈區內，越接近超聲源，空化強度越高。為此，超聲波清洗時，應使被清洗件盡可能地接近超聲源。若被清洗件離開超聲源太遠，則超聲波的部分能量將被清洗液所吸收。　　對于那些精度較高的零件，在超聲波清洗過程中，為了使它們彼此不至相互撞擊而破壞工件的表面精度，應制備一些形狀簡單的掛具放在清洗槽內，以吊掛各種被清洗件。這樣做還可防止工件直接壓放在清洗槽底的輻射面上。　　對于小型零件，超聲波清洗時，應將它們集中于清洗筐內，然后放入清洗槽中。清洗筐的網眼應盡可能大些(以零件不至于掉落為限)，因為清洗筐的網眼越小，超聲波能量的衰減越大。　　超聲波清洗過程中，可以將吊掛的被清洗件在清洗槽內來回移動，這樣可以使工件能經常通過空化區域，同時也加強了清洗液的攪動，有利于提高清洗效率。　　被清洗件在清洗槽內的安放位置應盡可能地接近槽底輻射面，但絕不能直接擱放在槽底輻射面上。這是因為清洗槽底的超聲波輻射面受壓以后，不但會直接影響超聲波的機械振動，降低清洗效果；而且由于換能器是一直處于工作狀態下，而超聲波能量卻散發不出去，最終會導致換能器從清洗槽底部脫落和換能器中的壓電晶體材料的破損。　　在清洗槽內放置工件時，應將被清洗件的重點清洗部位對準超聲源。同時還應考慮到清洗時要使被清除下來的污垢能順利地從被清洗件內排出，如清洗噴油器時，應將噴油器的噴油孔一端朝上，大孔朝下。　　對于被清洗件上的盲孔的清洗，應先在盲孔內注滿清洗液，然后將盲孔朝下對準超聲源。在清洗過程中，必須使盲孔內的清洗液始終保持充滿狀態，這樣方能取得清洗效果。　　應當指出，有一些零件在清洗前應先進行退磁處理，否則清洗件內殘存的鐵屑不易在清洗中清除干凈。　　(五)對清洗液的要求　　由于超聲波清洗的特點，對于所采用的清洗液應有如下要求: 　　1.對油污、油脂、塵土及膏狀粘附物有良好的溶解能力，清洗效果要好。　　2.要有一定的表面張力、適當的密度和粘度，以有利于空化作用的產生。表面張力大，空化強度強；清洗液粘度小，容易產生空化。　　3.超聲波在清洗液中能量衰減要小。　　4.對精密件的清洗有緩蝕作用。　　5.使用安全，公害要小。　　常用于超聲波清洗的清洗液有:堿性清洗液、金屬清洗劑清洗液、混合烴類有機溶劑(汽油、煤油、柴油等)、鹵代烴類有機溶劑(三氯乙烯等)和芳香烴類有機溶劑(如酒精)。但其中混合烴類有機溶劑由于其表面張力較低，因而超聲空化作用較差。而鹵代烴類有機溶劑則由于其發生振蕩的程度高，溶解油污的能力強等特點，因而比較適用于超聲波清洗。　　(六)清洗液的工作溫度、加熱和過濾　　超聲波清洗時，清洗液的溫度對于超聲空化作用有一定的影響。適當提高清洗液的工作溫度有利于空化作用。對于不同的清洗液均有不同的最佳空化溫度。 　　一般有利于空化的溫度為: 　　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　43～65℃ 　　三氯乙烯　　　　　　　　　　　　　　　32～48℃ 　　混合烴類有機溶劑　　　　　　　　　　　20～35℃ 　　金屬清洗劑清洗液　　　　　　　　　　　20～35℃ 　　但是清洗效果并不是完全取決于最佳空化時的溫度，它還取決于所采用的清洗液在一定溫度時所具有的最佳清洗性能。若只從后者出發考慮，則清洗液溫高(當然也有一定的限度)，清洗效果越好。　　為此，必須對上述兩方面的因素加以綜合考慮，同時還要確保換能器與清洗槽底的粘結強度，故清洗液的工作溫度不宜過高。如在超聲波清洗時，采用金屬清洗液其工作溫度可在45℃左右，而三氯乙烯的工作溫度可在40℃左右。超聲波清洗時，清洗液的清洗性能有如下特點: 　1.低濃度(有一定限度)的清洗液比高濃度的清洗液的清洗能力強。 2.低溫和中溫的清洗液比高溫的清洗液的清洗能力強。　3.對于各種類型的污垢，弱堿性的清洗液比不采用超聲波清洗的強堿性清 洗液的清洗效果要好。　　對于水溶性清洗液可采用蒸汽加熱或用管狀加熱器加熱(即電阻絲加熱)；對于各類有機溶劑只能采用管狀加熱器對其加熱。　　清洗液的加熱應在清洗槽外進行。因為在槽內加熱，會使熱源直接加熱換能器與清洗槽底的粘結部位，從而影響其結合強度。采用蒸汽直接加熱清洗液，造成清洗液濃度的不穩定，因此清洗液的蒸汽加熱應采用熱交換的方法。在被清洗件批量較大的情況下，清洗液比較易于污化。清洗液中污垢成份的增加不僅會降低清洗性能，還會影響超聲空化作用。為此可以采用如圖2-25所示的清洗液過濾凈化循環裝置來處理清洗液。該裝置由清洗槽、清洗液濾清器、電動輸液泵及加熱器等組成，它可以起到清洗液的加熱和濾清的雙重作用。應當指出，在超聲波清洗中，清洗液的循環不能太快，否則會使清洗液中因帶入氣體而影響空化程度。　該裝置中的清洗液濾清器分為粗濾器和精濾器兩部分。粗濾器內裝填有羊毛氈、砂、木屑等物，精濾器可利用報廢的內燃機車燃油濾清器來代替。這樣的粗、精濾器制作方便，成本較低，濾清效果也很好。若要進一步濾清清洗液中直徑為0.002毫米以下的研磨砂粒時，則需要采用靜電過濾等方法。　　 　　采用上述清洗液加熱及過濾凈化循環裝置，不但提高了清洗效果，還可以延長清洗液的使用期限，降低清洗成本。　　　　(七)換能器與清洗槽體的粘結工藝及E-1膠的配方換能器是用粘結的辦法將其粘固在清洗槽體(槽外底部)上，由于換能器是處在高頻振動及較高的工作溫度條件下工作，因此它很容易從槽體上脫落下來。在超聲波清洗設備的維修工作中，修理及膠粘換能器占很大的比重。　　對于脫落下來的換能器，應檢查其完好狀態。若發現其壓電晶體片有破損、緊固螺栓有裂損等，應予以更換。然后將修復或新的換能器用E-1膠粘結到清洗槽體底面。　　E-1膠的配方為: 　　A組　6010環氧樹脂………………………………100份　　　　 聚丁二烯環氧…………………………………30份　　　　 聚硫橡膠………………………………………10份　　B組　4-乙基、2一乙基咪唑………………………7份　　　　 固體咪唑………………………………………3份　　　　 磷苯二甲酸聚烯脂……………………………5份　　C組　石英粉(200～300目)(經高溫焙燒) 　　使用組份: 　　A:B:C=3.5:0.375:0.75(重量比) 　　具體粘結工藝如下:　　　　　　　粘結前，先對不銹鋼槽體的粘結處表面進行噴砂處理，然后進行整形，要求粘結表面粗糙而平整。將待粘結表面清洗干凈，并用丙酮擦凈。然后將其予熱至80℃，用調組好的E-1膠(約2克)放到換能器粘結面的中心，再合放到槽體的粘結部位。此時應一面加壓，一面慢慢地旋轉換能器，使E-1膠從換能器中心均勻地向四周溢出，以避免粘結處有氣泡存在。膠層應越薄越好。　　上完E-1膠后，將清洗槽(連同粘結在上的換能器)放入烘箱，每個換能器上加壓數公斤。然后將烘箱溫度由室溫升高到100℃(約1小時)，再保溫2小時，最后待烘箱冷卻到室溫時即可取出。　　超聲波清洗時，為了保證換能器與清洗槽體之間有足夠的粘結強度，清洗液的工作溫度最好要控制在80℃以下。
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