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浅析超声波清洗机中超声波技术

  1.刖目超声清洗技术的机理研究及设备开发与超声清洗工艺研究及应用在我国已有近50年的历史,几乎是与国外同步进行的。上世纪80年代前,我国的超声清洗研制单位无论从研制队伍还是从生产上讲,有一定规模的为数不多。上世纪80年代后,特别是90年代开始,随着改革开放的深入和国民经济的飞速发展,以及科技的不断进步,尤其是先陈思忠(1938―),男,研究员,中国声学学会会士,上海声学学会理事,《声学技术》、《舰船电子工程》等杂志编委。主要从事工业超声的研制工作。

  进制造技术的需求,超声清洗技术的研究与超声清洗设备的研制得到了迅速发展,研制队伍不断壮大,研制单位不断增多。

  超声清洗属于物理力清洗,其本身为绿色清洗,若在清洗液中添加适宜的清洗剂则属组合清洗,更具明显的清洗效果。超声清洗与现代科技发展及先进制造工艺密切相关,是目前功率超声中应用最为广泛的领域之一。超声清洗在各种化学、物理以及机械的清洗中是较为有效的一种手段,它被广泛应用于机械、光学、电子、轻工、纺织、化工、航空航天、船舶、原子能以及医疗医药等工业部门。

  2.超声波清洗技术的特点与机理超声波清洗与其它清洗相比具有洗净率高、残留物少(见表1)、清洗时间短,清洗效果好的优点(见)。凡是能被液体浸到的被清洗件,超声对它都有清洗作用,不受清洗件表面形状限制,例如深孔、狭缝、凹槽,都能得到清洗。由于超声波发生器采用D类工作放大,换能器的电声效率高,因此超声清洗具有高效节能的特点,是一种真正高速、高质量、易实现自动化的清洗技术。若清洗剂采用非ODS清洗剂,则具有绿色环保清洗作用。超声清洗对玻璃、金属等反射强的物体清洗效果好,而不适宜纺织品、多孔泡沫塑料、橡胶制品等声吸收强的材料。

  超声清洗效果比较超声清洗槽内液体的某一点受压情况超声波清洗机理分两种情况,一种情况是超声清洗在中、低频时,即频率在20kHz130kHz范围内,特别是在20kHz40kHz情况下,把液体放入清洗槽内,槽内作用超声波。由于超声波与声波一样,是一种疏密的振动波,介质中的压力作交替变化。如对液体中某一确定点进行观察,这点的压力如曲线A所示。以静压(一般为一个大气压)为中心,产生压力的增减,若依次增加超声波强度,压力振幅也随着增加。像曲线B所示,并产生所谓负的压力。在此区域液体中会产生一种撕拉的力,且形成真空的空泡,并又被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速增长,然后又突然闭合。在气泡闭合时,由于液体相互碰撞,将产生强大的冲击波,其最大的压强Pmax由(1)式表示。

  其中P0为静水压,Rm为空穴的初始半径,R为空穴半径,根据(1)式估算,局部压强可达到上千个大气压。这就是平常所说的超声空化。超声空化有一个阈值,其含义为使液体产生空化的最低声强或声压幅值。空化阈Pc可由式(2)表示:其中。为表面张力系数,Pv为蒸气压,R0为气泡核半径,可见空化阈值随液体不同而不同。同一种液体,在不同的压力下,其空化阈值不一样,它随着压力增加而增加,与液体粘滞系数有关。粘度大,表面张力大,空化阈值高。空化阈值还与工作频率有关,频率越高其空化阈值也越高,产生空化越难。气泡在声场下作振动,但不一定破裂,只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可使气泡破灭。气泡的谐振频率由式(3)给出。

  空化阈值与频率的关系曲线如所示。空化技术洗净技术阈值还与液体含气量有关,含气量愈少,空化阈值愈高。空化阈值与超声波作用时间长短时间有关,超声波辐射时间愈长空化阈值愈低。空化阈值与清洗液温度有关,清洗液温度升高,对空化有利,但温度过高时,气泡中蒸汽压增大,因此气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。对于水清洗液,较适宜的温度为60C左右。根据以上中低频超声清洗机理,可选择最佳工作状态,从而得到最佳清洗效果。

  第二种情况:超声清洗工作频率在1MHz左右甚至高达3MHz,有时被称之为兆赫级超声清洗。由于频率太高,声波在清洗液中很难发生空化,其清洗机理一般认为主要由于声压梯度、粒子速度及声流的作用,而空化效应是次要的。这种超声清洗的特点是清洗方向性强,清洗时一般将零件表面置于与声束平行的方向。

  从上述超声清洗机理可知,超声清洗主要由超声空化引起,空化效应是主要因素。气泡的爆破产生的高压高温冲击波减小了污垢与被清洗件之间的粘着力,引起污垢的破坏和脱离;同时气泡的振动能对被清洗物表面进行擦洗,气泡还能钻入裂缝中振动,使污层脱落。当某些固体表面被油粘附时,油被超声波乳化,迅速脱离被清洗件表面。超声空化在被清洗件表面会产生很高的速度梯度和声流,能进一步削弱或除去边界层污染,同时超声振动还会引起介质质点的强烈振动,使被清洗件表面受到强烈的冲击,使污物迅速脱离表面。


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