标题：超音波清洗
简要
超音波清洗发展到今天，已在工业的各个领域乃至人们的日常生活中得到广泛地应用，国内外的实践表明，超音波清洗是现在工业中最有效和不可缺少的清洗手段。本文着重描述了超音波清洗的物理特性、原理作用、方法用法等
超音波清洗的原理
超音波发生器将工频电能转变成20KHz以上的高频电信号，通过高频电缆输送到换能器上。一般超音波换能器是固定在清洗槽的底板上，清洗槽内装满了液体，当换能器被加上高频电压后，它的压电陶瓷元件在电场作用下便产生纵向振动。超音波换能器（又称声头）是一种高效率的换能元件，能将电能转换成强有力的超音波振动，在产生超音波振动时，仿佛是一个小的活塞，振幅很小，但加速度很大；清洗槽上具有多个换能器，施加相同的频率及相位的电能时，就合成了一个巨大的活塞进行往复振动，这个振动通过固定在底板的换能器传播到清洗液中，振动在清洗液中传播就达到了对侵入其中工件清洗的目的。超音波发生器的输出阻抗与换能器总的动态阻抗相一致，发生器的工作频率与换能器的工作频率相一致。因此要求同一发生器所用的换能器阻抗相接近，以致各个换能器负荷均衡，同时要求各换能器的工作频率一致（相差应在±0.1%范围内），以使在同一频率下均有较高的转换效率。
影响超音波清洗最重要的一个作用：空化作用（CAVITAON）
在液体中传播的超音波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释；清洗效果和超音波在液体中产生的“空化”强度有密切的关系。超音波振荡在液体中传播，当其声波压强达到一个大气压时，超音波频率密度约为0.35/cm，这时在液体中传播的超音波的声波压强峰值就可以轻易达到真空或负压，但实际上是无负压现象存在的，因而在液体中产生一个很大的力，将液体分子拉裂成空洞（空化核），此空洞为真空或非常接近真空，此空洞在信号电压（或超音波压强）值下一个半周达到最大时，由于周围的压力的增多而被压碎，此时液体分子激烈碰撞产生非常强大的冲击力，将被清洗物体表面的污物撞击下来。这些无数细小而密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称为“空化”作用。这种空化作用非常容易在固体与液体的交界处产生，因而对于侵入超音波作用下的液体中的物体具有超乎寻常的清洗作用。另外，由于超音波具有很强的穿透固体的作用，所以这种“空化”作用对侵入超音波作用下的液体中的物体内外表面（如管件）均能得到清洗，这就是超音波清洗优于其它传统清洗手段的重要方面。
超音波清洗力的来源
超音波清洗一般采用两种清洗剂；化学溶剂和水粉剂。就对污物油脂来说均有溶解渗透作用，这是一种化学作用力。而超音波的空化作用却是物理性的。超音波清洗是结合了化学作用和物理作用。首先靠化学作用对污物进行渗透，溶解，然后在通过超音波空化作用的产生的冲击力将物体表面的污物层剥离，对之进行搅拌、分散、乳化并防止已脱离物件表面的污物重新附着在物体上。
超音波清洗的装置
超音波清洗装置主要由超音波换能器、清洗槽及发生器三部分组成。此外有的还附有清洗液循环装置（如泵、过滤器、加热器等）以及制件的传送装置。
超音波换能器是超音波清洗装置的关键组成部分、其作用是将电气振荡转换成弹性机械振动（超声振动）。常用的换能器由其工作原理而言有磁致伸缩式换能器和压电式换能器两种。从工作频率来分有高频换能器（一般工作在几百KHz）和低频换能器（一般工作在几十KHz）。为了取得高的转换率，换能器均工作在其固有共振频率。
超音波清洗槽类似一个容器，内盛有清洗液及被洗制件。一般情况下，换能器直接连接（粘接或焊接）在清洗槽的底部，将清洗槽作为超声振动辐射板。为了是其有较好的耐腐蚀性，耐疲劳性和导声性能，清洗槽或超声振动辐射板常用不锈钢制成。
超音波清洗装置空化强度的估计可采用铝箔法---测定铝箔的空化腐蚀；化学法---用氯离子的释放；以及空化计法---测量空化噪声。
超音波清洗效果
由于超音波的空化作用，其清洗效果远远优于其它传统清洗手段，所能达到的清洗效果。在以往的传统清洗手段中费时又费工，清洁度很难达到要求，因此产品质量上不去，严重地影响了企业的生产发展。在当今社会高科技发展潮流中，各行各业竞争相当激烈。企业要能立足于当今社会，那么产品质量一定要过硬，高品质的产品是离不开高清洁度的零部件的。以往的传统清洗手段已无法适应于高清洁度的零部件清洗需要。在七十年代中期，国内的超音波清洗机终于问世。它的发展也经历了电子管式、闸管式、晶体管式、及VMOS管式等几个阶段。电子管式超音波清洗机由于管子自身的弱点，已很少生产。目前国内外生产的超音波清洗机多为晶闸管式，由于受到器件本身特性的限制，这类清洗机多为2KW以下，工作频率也较低，约为20KHz而且其效率仅达到80%左右，故障率也较高。晶体管及VM05管式超音波清洗机由于受管子容量的限制，只适用于小功率的超音波清洗，且控制电路也比较复杂。雷士超声波设备厂从事研制超音波清洗设备已有多年的历史，从国外引进先进技术，采用进口元器件及原材料配套，率先研制出系列电路频率自动跟踪的超高频、高功率、性能稳定的超音波清洗机。该机体积小、重量轻，操作简便，效率可达90%以上，功率因数达到0.95以上，从而满足了广大用户特定的情洗要求。
超音波清洗的适用性
超音波清洗发展到今天，已在工业的各个领域乃至人们的日常生活中得到广泛地应用，国内外的实践表明，超音波清洗是现在工业中最有效和不可缺少的清洗手段。超音波清洗主要用于严格的场合，尤其是在元器件生产过程中已经经过精密加工，几何形状复杂的制件，如射油泵和喷油器的柱塞、套筒、出油阀体、光学仪器、钟表零件、精密传动部件、高精度轴承、汽车工业的漆前处理，电镀行业的镀前处理，真空离子镀的镀前处理等等，已越来越离不开超音波清洗机。值得一提的是，采用无锡雷士超音波清洗机的超音波清洗工艺，将在提高清洗效率尤其是减少环境污染等方面来革命性的变化，因为采用该套清洗技术，可以用弱酸或无酸取代强碱，却能得到同样甚至更佳的清洗效果。
  
超音波清洗的物理量
超音波清洗工艺的选择主要是指清洗液的选择及配制，超音波清洗的方式，清洗液的温度，超音波的频率，超音波的功率密度以及清洗时间等因素的选择。超音波的清洗液选用合适的清洗液，对于超音波清洗效果具有很大影响。由于超音波清洗的原理主要是空号作用，所以选择清洗液时除了依据制件本身的材料，油垢或机械杂质的主要组成外。还必须考虑选择的清洗液粘度要小，表面张力要小，以利于清洗液的空化。在清洗质量要求严格的情况下，还常常采用几种不同的清洗液，分槽或一次进行超声波清洗，而每种清洗液的作用各有不同。如光学零件的清洗先采用了三氯乙烯，氢氧化钠水溶液，合成洗涤剂，水和酒精等各种清洗液。又如半导体器件的清洗采用了丙酮，1#混合清洗液，2#混合清洗液和离子水等等。经多种清洗液的多次清洗，制件表面达到了预期的效果。超音波清洗的方式最常见的超音波清洗形式是槽内浸没洗，即将制件浸没盛有清洗液的超音波清洗槽内，超音波换能器产生的超声振动由清洗槽底辐射至清洗液内进行清洗。这对于中小型制件尤为适宜。对于尺寸和重量都较大的制件可采用局部清洗法，即将制件局部侵入清洗液进行清洗，待清洗完毕后再将未经清洗的部分侵入清洗液进行清洗，直到完全洗遍。
另一种方法是根据大型制件的形状和局部清洗的部位要求，将超音波换能器设计成特殊形状来实现局部清洗。对于清洗要求严格的制件采用几种不同清洗液，分槽依次进行超音波清洗。此外，还可与其它清洗方法配合清洗，如电子元件的清洗是加热侵洗和超音波清洗配合使用。对于油脂特稠，特厚的制件，也常常先用加热侵洗或高温喷洗，然后在用超音波清洗的多步清洗法。对于几何形状过分复杂，如有大小不等的孔穴凹角的制件，可采用多频率清洗，即在几种不同的超音波频率作用下进行清洗。
超音波清洗的频率引入清洗液的超声振动频率，对于超音波清洗的效果有很大影响，这是由于超音波频率独有空化作用影响很大的缘故。一般采用20KHz左右。在20KHz左右空化作用易于产生，清洗效果较为明显。但对于表面光洁度要求很高，具有较小直径的孔或狭缝的制件，宜用波长较短、能量集中的高频清洗机清洗，有时频率可达800KHz左右。但高频的超声振动在清洗液中衰减较大，作用距离较短、空化强度也较弱，清洗效率较低，而且由于高频的方向性而产生的“阴影”区使制件的有些部位清洗不到。在使用无频率跟踪的超音波清洗装置是，需要经常调节发生器的频率旋钮，使其输出信号的频率与换能器的固有振动频率保持一致，此时空化最强，在透明的清洗液中可以看到有很多白色聚流，以手探试，有如针刺感觉。
为了提高超音波清洗效率，往往采用较高的功率密度。但太高的功率密度会由于空化作用强而引起对制件表面的侵蚀（即空化腐蚀），是制件受损，这对于具有各类镀层或铝层及铝合金制件尤为突出。过分的提高功率密度还由于饱和作用也无效果。对于油污严重、形状复杂的功率密度也较大，在以水或酒精灯清洗漂洗时功率密度可以取小些。超音波清洗的温度由于清洗液的空化作用与其温度有关，温度升高有利于空化，但随之蒸气压也相应增加，超过一定的温度反而使空化作用降低，因此必须保持一定的温度范围，如水溶剂清洗液一般在45℃左右，三氯乙烯清洗液在75℃左右，水则为60℃左右，对于易蒸发依然的清洗液不宜温度太高。超音波清洗的时间超音波清洗的效果和质量与超音波清洗的时间有关，时间太短不能达到清洗的质量要求。但时间太长不仅效率低，而且由于制件表面发生空化腐蚀而影响质量。油污严重，形状复杂的制件清洗时间长一些。具有各类镀层的制件，铝及铝合金制件清洗时间不宜过长。表面光洁度较好的制件一般情况下油污相对小些，清洗时间也不宜过长，具体清洗时间的确定必须经过实验而定。超音波清洗的物件为了提高清洗效果，保证超音波清洗装置的正常使用，被清洗的制件在清洗槽内的位置是值得注意的。①避免将制件直接压在超声振动的辐射面上，以致辐射面不能发生预期的振动，而使清洗装置达不到正常的工作状态。这对于重量较大的制件尤为重要。制件应采用专用工具挂于清洗槽内并尽量接近辐射面。②须将重点清洗部位对准超声源。③应考虑被洗下的污物能顺利地排出清洗槽。④要便于清洗液在清洗槽内对流，在采用清洗液循环使用和不断补充时，进液速度不宜太快，否则由于补入的清洗液内含气较多，会减弱空化作用。⑤对于盲孔的清洗，应先在盲孔内灌满清洗液，然后将盲孔向下对准超声源，在清洗过程中，必须一直保持孔内充满清洗液，才能取得显著的效果。⑥有些制件采用超音波清洗时应先退磁，否则残存的铁屑不易消除。
超音波清洗工艺流程
一般来说，清洗的工艺流程依被清洗物体的难易程度及清洗数量而决定，主要清洗流程如下：
1热清洗法：目的是将工件上的污染物软化、分离、溶解。
2超音波清洗：利用超音波产生的强烈空化作用振动将工件表面的污垢剥离脱落，同时还可以将油脂性的污物分解、乳化。
3冷漂洗：利用流动的净水将已脱落但尚浮在工件表面的污物冲洗干净。
4超音波漂洗：溶剂为干净的清水，工件侵入后，利用超音波将浮在工件各边、角及孔隙处污物清洗干净。
5热净水及冷净水漂洗：进一步去除悬附在工件表面上的污物微粒。
附录清洗液对照表
清洗液
常用材料
适用性
碱溶液
NaOH，Ca（OH）2
等稀释液
1、清洗各类油脂污垢
2、清洗温度宜高
3、铝及铝合金制件不适用
酸溶液
硫酸、硝酸、盐酸等稀释液
1、清洗各类油脂及其它机械杂质。
2、能去除薄的氧化皮
石油溶剂
工业汽油、溶剂汽油、煤油、轻柴油、航空汽油等
1、适用清除各类制件油污或杂质。
2、须有安全通风装置。
有机溶剂
四氯化碳、三氯乙烯、丙酮、酒精、乙醚等
1、具有较好的溶油作用适用于各类油垢的清洗。
2、有较好绝缘性能，常用于元器件，零部件的清洗。
3、常作脱水剂。
4、清洗温度不宜过高。三氯乙烯、四氯化碳、乙醚等有毒。
其它
不少情况下，常用上述各类溶液合成另一种清洗液，如用苯、62%醋丁酯、18%丙酮、20%盐酸、氨水、去离子水组成1#混合液。
双氧水、氨水、去离子水组成2#混合液。
1、适用于要求严格的场合。电子元器件及不锈钢制件尤其如此。
2、一般情况混合液现配现用，不宜贮存。