超聲波清洗原理

超聲波在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於頻率範圍的不同。聲波是指人耳能聽到的聲音，一般認為聲波的頻率在20～20000赫範圍內，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。用於清洗的超聲波所採用的頻率為20～400千赫，屬於低頻及高頻超聲波的範圍。
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。由於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。
超聲清洗就是利用了空化作用的衝擊波，其清洗過程中由下列四個因素作用所引起。
(1)因空泡破滅時產生強大的衝擊波，汙垢層在衝擊波的作用下被剝離下來，即分散及脫落。
(2)因空化現象產生，由衝擊形成的汙垢層與表面之間的間隙和空隙滲透，由於這種小氣泡與聲壓同步膨脹，收縮，產生像剝皮那樣的物理力重複作用於汙垢層，汙垢一層層被剝開，小氣泡再繼續向前推進，直到汙垢層被剝下為止。這就是空化二次效應。
(3)超聲清洗中清洗液的超聲振動本身對清洗的作用力
(4)清洗劑也溶解了汙垢，產生乳化分散的化學力。
(5)空化閡與介質的粘滯性有關，粘度大，表面張力大，空化閡高。
(6)空化閡與液體含氣量有關，含氣量越少，空化閡越高。
(7)空化閡與清洗液溫度有關，清洗液溫度升高，對空化有利。但清洗液溫度過高時，氣泡中蒸氣壓增大，因在氣泡閉合期增強了緩衝作用而使空化減弱。而溫度還與清洗液的溶解度有關。對於水清洗液較適宜的溫度約為60度。
　　在超聲空化作用一定時間後，被清洗件上的汙垢逐漸脫落(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。
超聲衝擊波能在液體中產生微衝流，具有攪拌作用。在不相溶的兩相液體中，微衝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於空化核進行的，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，它能破壞汙垢微粒在被清洗件表面的粘附狀態。再加上微衝流的作用，使清洗液產生振動和攪拌，將汙垢從被清洗件表面清除乾淨。而乳化作用則使清洗下來的油汙很快地分散、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，還有所採用的清洗液的浸潤、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。
。
4.　超聲波清洗效果及相關參數：
a.清洗介質：採用超聲波清洗，一般有兩種清洗劑：化學清洗劑和水基清洗劑。清洗介質是化學作用，而超聲波清洗是物理作用，兩種作用相結合，以對物體進行充分、徹底的清洗。
b. 功率密度：超聲波的功率密度越高，空化效果越強，速度越快，清洗效果越好。單對於精密的、表面光潔度甚高的物體，採用長時間的高功率密度清洗會對物體表面產生「空化」腐蝕。
c. 超聲波頻率： 超聲波頻率越低，在液體中產生空化越容易，作用也越強。頻率高則超聲波方向性強，適合於精細的物體清洗。
d. 一般來說，超聲波在30oС~40oС時空化效果最好。清洗劑則溫度越高，作用越顯著。通常實際應用超聲波清洗時，採用30oС~60oС的工作溫度。
5.超聲波清洗特點：
1）、 　清洗效果好　　
就清洗方式而言，運用於工業清洗的清洗方式一般為手工清洗，有機溶劑清洗，蒸汽氣相清洗，高壓水射流清洗和超聲波清洗。不論工件形狀多麼複雜，將其放入清洗液內，只要是能接觸到液體的地方，超聲波的清洗作用都能達到。尤其是對於形狀和結構複雜、手工及其它清洗方式不能完全有效地進行清洗的工件，具有顯著的清洗效果。清洗時液體內產生的氣泡非常均勻，工件的清洗效果也非常均勻一致。超聲波清洗可根據不同的溶劑達到不同的效果，如 ：除油、除鏽或磷化，配合清洗劑的使用，加速汙染物的分離和溶解，可有效防止清洗液對工件的腐蝕。
2）、 清洗成本低　　
在所有清洗方式中，清洗成本大體可分為：設備成本和消耗成本。超聲波清洗設備使用壽命約為十年，除設備購置成本高於手工清洗和有機鹼性溶劑刷洗外，低於氣相清洗和高壓水射流清洗，對於消耗成本，以功率為1KW，價格約為1萬元的超聲波清洗機為例，工作一小時，耗電1度，費用約為0.5元，鹼性金屬清洗劑1公斤，價格約為20元，可反覆使用20-50個小時（根據汙染程度而定），相當於0.4-1元/小時，而一般工件清洗時間僅為3-15分鐘即可，且一次清洗可對一定數量及體積的工件同時清洗，因此對於消耗成本而言，採用超聲波清洗，不僅清洗效果最好，而且清洗成本相當於不到0.04元/件，還不算節省的勞動力成本，遠遠低於其他各類清洗方法。
3）、超聲波清洗與其他清洗方法的比較：

清洗方法	吹式清洗	浸潤式清洗	蒸氣式清洗	刷子清洗	超聲清洗
殘留物％	86	70	65	8	0．5

4) 超聲波清洗還可有效地降低汙染，減少有毒溶劑對人類的損害， 有清洗潔淨度高、清洗速度快等。
超 聲 波 設 備 的 組 成
　　標準超聲波清洗設備由三部分組成：超聲波發生器（又稱超聲波電源）、換能器及其它的輔助系統。超聲波發生器將工頻電轉變成 28KHZ以上的高頻電信號，通過電纜輸送到換能器上。一般超聲波換能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽內裝滿了液體，當換能器被加上高頻電壓後，它的壓電陶瓷元件在電場作用下便產生縱向振動。超聲波換能器（又稱聲頭）是一種高效率的換能元件，能將電能轉換成強有力的超聲波振動，在產生超聲波振動時，仿佛是一個小的活塞，振幅很小，約只有幾微米。但這個振動加速度很大（幾十至幾千個g）；槽上具有許多個換能器，施加相同的頻率及相位的電能時，就合成了一個巨大的活塞進行往復振動，這種振動的現象，就是平時我們所說的超聲波。以下是超聲波的組成部分說明：
(1)換能器：採用特種鋯酸鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷片組成的三明治式的振動頭具有效率高、壽命長、不易發生故障的優點。換能器採用特種耐高溫、耐振動、高粘度的樹脂膠輔以特殊的方法加以固定絕不脫落，且可耐受100℃~150℃的高溫
(2)超聲波發生器（電源）：採用功率MOS管超聲波發生器，電路先進，結構完整，輔以靈敏可靠的集成控制系統，保證了超聲波清洗機在各種負載下穩定工作。發生器體積小巧，外觀新穎，操作十分簡便，產品質量及技術水準可與國外同類產品相媲美，一經推出便受到了同行的重視，更得到了廣大用戶的歡迎。各種超聲波發生器可獨立工作，亦可多組並聯使用，以完成大規模清洗工程。維修簡單，若有一組發生故障時，不影響其它各組的工作，此點對於生產線來說，更為重要。機箱內裝有散熱風扇施行強制冷風，確保長期工作的安全性。
(3)加熱及溫度控制系統：加熱器採用鑄鋁加熱片，可耐酸鹼，壽命長。加熱的目的是將清洗劑加熱以增加清洗機的洗滌效果，溫度自動控制，可在適當範圍內隨意調整
(4) 清洗槽：清洗槽採用SU304不鏽鋼經氬弧焊焊制而成，槽體上設置有排渣檢修口、保溫隔聲層等
(5)槽液循環過濾系統：在該系統中設有過濾器，對槽液進行動態過濾，以維持槽液的清潔度。當工件出槽，經過過濾的液體流經槽體上部的噴淋環節對工件進行一次衝洗，以便衝掉工件出槽，以避免其對下道槽液造成汙染 。
(6)輸送系統：根據被清洗工件的形狀、體積、批量等確定超聲波清洗機的輸送方式及控制方式。典型的輸送方式有——懸鏈、網帶、雙鏈、步進、電葫蘆、自行葫蘆、滾筒、轉盤、龍門架、機械手、吊籃、推盤等等。
(7)噴淋漂洗系統：根據被清洗工件的表面狀況，有的清洗機配備噴淋漂洗工序，將超聲波清洗和噴淋清洗有機地結合起來。
　　 (8)烘乾系統：根據被清洗工件的狀況，有的清洗機配備烘乾系統，烘乾系統主要由加熱器、風機、吹風噴嘴等組成，溫度自動控制。
超聲波設備的應用
7、清洗應用表

行業部門	清洗產品分類	可清除主要附著物	主要清洗液
電子、電氣工業機器另部件	繼電器、開關、印製電路板、電位器、真空管另件、半導體元件、矽片、電容器、照相機快門等。	鏽、氧貨物、鹽、手垢、塵；印製板油墨、焊料、油質防腐劑、石臘、磨料、染料。土。	使用有機性清洗液、三氯乙烯、氟、乙醇、丙酮；鹼性清洗液、中性、酸性清洗液、水。
玉石加工、鐘錶、光學、機械等精密工業	儀器、儀表、鐘錶字盤、另部件；齒輪、彈簧、軸承、寶石、透鏡、眼睛架、貴金屬裝飾品	塗料、噴漆、油脂、複合物、玻璃纖維； 染料、塑料殘留物	有機性清洗液（三氯乙烯，氟溶液）； 鹼性清洗劑、中性清洗液
汽車業	氣門、點火栓、氣化栓、燃料泵、蓄電池電極、活塞環、機器操縱盤另件、摩託車和汽車油箱	油、油脂、防腐劑、機械切屑、塑料殘留物、研磨磨料、玻璃纖維、塵埃、石墨、焦油	有機性清洗液（三氯乙烯等）、輕油、鹼性清洗液
橡膠工業	手套、帶、輪胎、外科醫用橡膠手套	指紋、塵埃、染料、防腐劑、墨跡、塑料殘留物、橡膠殘渣	鹼性、中性及酸性清洗液
奶酪、釀造業	瓶子、蓋、烹調器具、料理盤碟	食物殘留物，指印、塵土、染料、蛋白、標籤印刷上彩前的墨跡；油脂、矽油	鹼性、中性清洗液； 有機清洗液
航空工業	燃料油過濾器、燃料儀器、儀器儀表、注入噴咀、流量控制設備、機械控制設備用的另件、水力水壓系列產品	氧化物、塵土、切屑、油類、油脂、磨粉、防腐劑；鏽、碳、水垢	有機清洗液、輕油；焦油分離劑酸鹼清洗液
印刷業	旋轉機、金屬板	墨跡、指紋、油、染料	輕油、有機性清洗液
公共事業、電力、煤氣、新聞通訊	路燈、燃料油表、電力計、燈泡、軟片、電傳機、絕緣子。	墨跡、油、塵土、紗屑、鏽、泥、接觸海水的鹽分	有機性清洗劑、輕油、酸鹼性清洗液
原子能工業及研究院所	控制棒、燃料泵、鋁管類、容器、玻璃、分析試料	放射能量粒子、塵埃、矽油、油脂	鹼性、中性清洗液、純水。有機性清洗液、乙醇、丙酮等
醫療、醫研	注射器、手術機械、吸量管、玻璃容器、食道鏡、齒科機械、直腸鏡、方向鏡、顯微鏡用試料玻璃	血液、凝膠體、指紋、料理物殘留物、蛋白（卵白）、混入血液中的汙垢	鹼性、中性清洗液、純水
金融機關	圖章、標籤、號碼機、高級陶瓷、金銀製品	手垢、塵土、指紋、印泥、糊狀物、膠、紗屑	中性、鹼性清洗液
機械工具、 五金製品	電鍍件前後處理、各種小五金件、絲杆、噴咀、齒輪、夾具、固定裝置用附件、彈簧、氣門、遊標卡尺等工量具	磨料、鐵屑、防鏽劑、複合物、切削油、冷卻油、研磨油；塵土、拋光、氧化物	有機清洗液、複合劑、氟溶劑、輕油、乙醇系列；鹼性、中性清洗液

應用例舉如下：　　
1）.電鍍前處理　　
電鍍工藝，對工件表面清潔度要求較高，而超聲波清洗技術是能達到此要求的理想技術。利用超聲波清洗技術，可以替代溶劑清洗油汙 ；可以替代電解除油；可以替代強酸浸蝕去除碳鋼及低合金鋼表面的鐵鏽及氧化皮。近年來諸多電鍍廠商採用超聲波清洗技術設備，替代電鍍線原有的酸鹼處理工位獲得成功，使電鍍件質量及產量較原來有更大提高，並改善了生產環境。　　
冷軋鋼板表面一般有油、汙或少量鐵鏽，要洗乾淨比較容易，但經一般方法清洗後，工件表面仍殘留一層非常細薄的浮灰，影響後續加工質量，有時不得不再採用強酸浸泡的辦法去除這層浮灰。而採用超聲波清洗並適當的清洗液，可方便快捷地實現工件表面徹底清潔，並使工件表面具有較高的活性，有時甚至可以免去電鍍前酸浸活化工序。
傳統的辦法是採用鹽酸或硫酸浸泡清洗。如採用超聲波綜合處理技術，可以快捷地在幾分鐘內同時去除工件表面的油、鏽、並避免了因強酸清洗伴隨產生的氫脆問題。　　
2）.製藥工業　　
超聲波清洗技術經過眾多製藥企業的應用而得到廣泛使用，特別是對西林瓶、口服液瓶、安瓶、大輸液瓶的清洗以及對丁基膠塞、天然膠塞的清洗方面，已經得到首肯。對於瓶類的清洗，是用超聲波清洗技術代替原有的毛刷機，它經過翻轉注水、超聲清洗、內外衝洗、空氣吹乾、翻轉等流程而實現的。　　
3）.濾芯　　
無論何種用途的過濾器，使用一段時間後，都會由於雜質而造成通透性降低而報廢，普通濾芯價格較低還可以，但對於化纖行業，一隻進口濾芯，價格近萬元，棄之實在可惜。若用超聲波濾芯清洗機，採用聚能型超聲波清洗機，它可把1KW以上的能量集中在200×20mm2的輻射面上，超聲強度大，能夠快速將堵塞物去除。。適用於PP綿濾芯、活性炭濾芯、中空纖維濾芯陶瓷膜濾芯。　
4）.金屬　　
眾所周知，金屬棒材經擠壓成絲後，金屬絲的外部往往有一層碳化膜和油，用酸清洗或其它清洗方法，很難讓汙物去除（尤其整盤絲），超聲波洗絲機是根據實際生產需要而設計的一種連續走絲，高效清洗設備，粗洗部分由清洗液儲槽、換能器、循環泵、過濾器及配套管道系統組成，金屬絲經超聲波粗洗精洗後，再經過吹乾，從而完成整個清洗過程。整套設備集成控制，簡潔、方便、效果好，廣泛用於鉭絲、鎢絲、鉬絲、鈮絲、銅絲（絕緣漆塗覆前）等其它金屬絲。　　
5.）日常生活清洗　　
日常生產中，眼鏡、首飾都可以用超聲波進行清洗，速度快，無損傷，大型的賓館、飯店用它清洗餐具，不僅清洗效果好，還具有殺滅病毒的作用。
6） 其他：
超聲攪拌：加快溶解，提高均勻度，加快物理化學反應，防止過腐蝕，加速油水乳化，如：
溶劑染料混合，超聲磷化等。
超聲凝聚：加速沉澱，分離，如：種子浮選，飲料除渣等。
超聲殺菌：殺滅細菌及有機汙染物，如：汙水處理，除氣等。
超聲粉碎：降低溶質顆粒度，如：細胞粉碎，化學檢測等。
超聲封孔：排除間隙氣體，提高整體密度，如：工件浸漆等
超聲波清洗技術在以上和其它領域的應用十分廣泛，甚至應用到日常生活中清洗金銀首飾、酒店餐飲具等，大大提高了工作效率和清洗質量。隨著經濟的發展、科學技術的進步，超聲波清洗技術將被更普遍地應用在生產和生活的各個領域。
選用超聲波清洗設備時要考量的問題
一、功率的選擇
? ? 超聲波清洗效果不一定與（功率 × 清洗時間）成正比，有時用小功率，花費很長時間也沒有清除汙垢。而如果功率達到一定數值，有時很快便將汙垢去除。若選擇功率太大，空化強度將大大增加，清洗效果是提高了，但這時使較精密的零件也產生蝕點，得不償失，而且清洗缸底部振動板處空化嚴重，水點腐蝕也增大，在採用三氯乙烯等有機溶劑時，基本上沒有問題，但採用水或水溶性清洗液時，易於受到水點腐蝕，如果振動板表面已受到傷痕，強功率下水底產生空化腐蝕更嚴重，因此要按實際使用情況選擇超聲功率。
二、頻率的選擇
?? 超聲清洗頻率從十幾 kHz 到 100kHz 之間，在使用水或水清洗劑時由空穴作用引起的物理清洗力顯然對低頻有利，一般使用 15-40kHz 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 。對鐘錶零件清洗時，用 400kHz 。若用寬帶調頻清洗，效果更良好。
三、清洗籃的使用
?? 在清洗小零件物品時，常使用網籃，由於網眼要引起超聲衰減，要特別引起注意。當頻率為 28khz 時使用 10mm 以上的網眼為好。當然有時清洗是不是採用籃子，而是採用掛、夾等方式（如光電鏡片等），是以不同工件的清洗治具也不同，要專門製作。
四、清洗液溫度的選擇
?? 水清洗液最適宜的清洗溫度為 40-60℃ ，尤其在天冷時若清洗液溫度低空化效應差，清洗效果也差。因此有部分清洗機在清洗缸外邊繞上加熱電熱絲進行溫度控制，當溫度升高後空化易發生，所以清洗效果較好。當溫度繼續升高以後，空泡內氣體壓力增加，引起衝擊聲壓下降，反應出這兩因素的相乘作用。
五、關於清洗液量的多少和清洗零件的位置的確定
?? 一般清洗液液面高于振動子表面 100mm 以上為佳。由於單頻清洗機受駐波場的影響，波節處振幅很小，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放在波幅處。
六、超聲波清洗工藝及清洗液的選擇
在購買清洗系統之前，應對被清洗件做如下應用分析： 明確被洗件的材料構成、結構和數量， 分析並明確要清除的汙物，這些都是決定所要使用什麼樣的清洗方法，判斷應用水性清洗液還是用溶劑的先決條件。最終的清洗工藝還需做清洗實驗來驗證。只有這樣，才能提供合適的清洗系統、設計合理的清洗工序以及清洗液。考慮到清洗液的物理特性對超聲清洗的影響，其中蒸汽壓、表面張力、黏度以及密度應為最顯著的影響因素。溫度能影響這些因素，所以它也會影響空化作用的效率。 任何清洗系統必須使用清洗液。
。選擇清洗液時，應考慮以下三個因素：
1 ．清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時，一定要做實驗。如在現有的清洗工藝中引入超聲，所使用的溶劑一般不必變更；
2 ．操作簡單：所使用的液體應安全無毒、操作簡單且使用壽命長；
3 ．成本：最廉價的清洗溶劑的使用成本並不一定最低。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。當然，所選擇的清洗溶劑必須達到清洗效果，並應與所清洗的工件材料相容。水為最普通的清洗液，故使用水基溶液的系統操作簡便、使用成本低、應用廣泛。然而對某些材料以及汙垢等並不適用於水性溶液，那麼還有許多溶劑可供選用。
。主要清洗工藝流程如下：
1） 浸洗或噴洗：目的是將工件上的汙染物軟化、分離、溶解，並減輕下道清洗工序的負荷。
2）超聲波清洗：利用超聲波產生的強烈空化作用及振動將工件表面的汙垢剝離脫落，同時還可將油脂性的汙物分解、乳化，
3）冷漂洗：利用流動的淨水將已脫落但尚浮在工件表面上汙物衝洗乾淨。
4）聲波漂洗：溶劑為乾淨的清水，工件浸入後，利用超聲波將浮在工件各邊、角及孔隙處的汙物清洗乾淨。
5）熱淨水及冷淨水漂洗：進一步去除懸附在工件表面上的汙物微粒。
6）熱風烘乾：利用一定的溫度和風速，使零件表面快速乾燥。
七、不同的清洗液，要區分的清洗系統
水性系統：通常由敞口槽組成，工件浸沒其中。而複雜的系統會由多個槽組成，並配備循環過濾系統、衝淋槽、乾燥槽以及其它附件。
溶劑系統：多為超聲波汽相除油脂清洗機，常配備廢液連續回收裝置。超聲波汽相清除油脂過程是由溶劑蒸發槽和超聲浸洗槽組成的集成式多槽系統完成的。在熱的溶劑蒸汽和超聲激蕩共同作用下，油、脂、蠟以及其他溶於溶劑的汙垢就被除去。經過一系列清洗工序後下料的工件發熱、潔淨、乾燥。
八、清洗件處理
? ?超聲清洗的另一個考慮因素是清洗件的上、下料或者說是放置清洗件的工裝的設計。清洗件在超聲清洗槽內時，無論清洗件還是清洗件籃都不得觸及槽底。清洗件總的橫截面積不應超過超聲槽橫截面積的 70% 。橡膠以及非剛化塑料會吸收超聲波能量，故將此類材料用於工裝時應謹慎。絕緣的清洗件也應引起特別注意。工裝籃設計不當，或所盛工件太重，縱使最好的超聲清洗系統的效率也會被大大降低。鉤子、架子以及燒杯都可用來支持清洗件。
九、機器工作方式
根據每天工作時間、待清洗工件種類、待清洗工件數量、清洗溶劑種類、和投入資金來選用全自動、半自動、手動等工作方式和傳動部件。

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