超声清洗是把被清洗对象放入超声作用下的清洗液中实现清洗的工艺过程。超声清洗被广泛应用于机械、轻工、电子、电气、五金、光电、医疗卫生等多种行业。
6.7.2.1 超声清洗的原理与特点
超声清洗主要是利用超声波的空化作用实现对被清洗物清洗的。超声波在液体中传播时，液体中各点存在着交替变化的声压。当声压为正时，液体受到压缩；当声压为负时，液体受到拉伸。液体中存在的大量微气泡（空化核）在声场的作用下作闭合运动，产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏被清洗件表面的不溶性污物而使它们分散于清洗液中，起到清洗的作用。
空化有蒸汽型空化和气体型空化。蒸汽型空化对污层直接反复冲击，破坏污物与清洗件表面的吸附，使污物层脱离。气体型空化对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡即“钻入”裂缝中作振动与闭合，使污层脱落。由于超声空化作用，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离。
空化气泡在振荡过程中会使液体媒质本身产生一种环流，即所谓声流。它可使振动气泡表面处存在很高的速度梯度和粘滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落。超声空化在固体和液体界面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层，腐蚀固体表面，增加搅拌作用，加速可溶性污物的溶解，强化清洗作用。
大振幅波在介质中传播，使声场中的物体受到一个力的作用，这个力叫辐射力。它引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击，对清洗也起到一定的作用。
超声的清洗作用是上述多种效应共同作用的结果。超声清洗的机理可以简述为：当超声波在清洗液中传播时，会产生空化、辐射压、声流等物理效应，这些效应对污物有机械剥落作用，同时能促进清洗液与污物的化学反应。空化效应在超声清洗中起主要作用。
图6.7-6所示为超声清洗装置示意图。超声振动通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射声波，实现对槽中物件的清洗。
超声清洗有其显著的特点。凡是液体能浸到、空化能产生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面复杂形状的限制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔都能得到清洗。某些场合可以用水剂代替油或有机溶剂进行清洗，或降低酸或碱的浓度进行清洗，以减少环境污染。在一些难以清洗并有损人体健康的场合，可以用超声清洗，并能实现遥控或自动化，如核工业及医疗中的放射性污物的清洗等。超声清洗的清洗速度高，清洗质量好，可降低劳动强度，可减少人们对有害清洗液的直接接触。
图6.7-6 超声清洗示意图
1—超声波发生器 2—被清洗工件 3—清洗篮 4—清洗槽 5—换能器
超声清洗的不足之处是，对声波吸收较大的材料，如棉织物、橡胶和泡沫塑料等，清洗效果较差。
影响超声清洗效果的因素有：声学参数、热力学参数、化学参数、清洗液性质以及清洗时间、盛装容器等。声学参数包括声强、频率、声场分布和波形。热力学参数包括温度、清洗液粘性，化学参数包括清洗液是否与污物发生化学反应等。选择参量对清洗效果非常重要，依据主要是污物类型、污物与被清洗表面的结合强度等。声强要适度，并非功率越大越好。频率范围一般是20～40kHz，清洗大件及污物与清洗件表面结合强度高的物品采用低频，清洗较复杂表面形状、狭缝及污物与清洗件表面结合力弱的物品采用高频。波形有半波、全波及连续波。连续波的清洗效果最好，矩形波比正弦波效果好。清洗槽的几何形状要选择适合于建立混响声场的形状。为避免清洗死角，可以采用双频、多频和扫频等工作方式。不同的清洗剂有不同的最佳温度，水的最佳温度为60℃。液体中含单原子气体，如氦气、氖气和氩气比使用双原子气体，如氮气、氧气要好。
小零件的超声清洗常使用网篮盛放，其透声率与网孔的大小有关。
6.7.2.2 超声清洗设备
1.基本结构
超声清洗机主要由超声发生器、换能器和清洗槽三部分组成。换能器通常置于清洗槽底部或侧壁，也可以安装在一个密封的不锈钢匣中再投入清洗槽，即投入式或浸没式换能器。可以采用喇叭形换能器来增大辐射面积以提高效率。采用夹心式压电换能器可得较大的功率密度。大功率清洗机通常采用电端并联、由一个超声发生器同时驱动多个换能器的组合方式。半穿孔宽频带夹心换能器便于多个并联工作。图6.7.7给出了三种常见的夹心换能器结构。
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图6.7-7 换能器结构示意图
a）一般喇叭形 b）半穿孔形 c）具有两个共振频
清洗槽通常采用不锈钢材料制成，一般采用特制的环氧树脂胶与换能器粘接，也可以在槽底焊接一螺杆，以固定换能器。与换能器粘接的槽壁厚度不宜太厚，一般取1.5～3mm，粘接面需要喷沙处理以粘接更牢固，而与清洗液接触的一面要抛光以减少空化腐蚀。
除基本组成部分外，根据不同应用，会有各种附属设备，如加热器和控温装置、金属网篮或吊架、冷凝与循环过滤回收溶剂系统等。
2.超声清洗设备的分类
超声清洗技术已非常成熟，生产厂和产品系列、品种众多。表6.7-5所列为常见的分类方法。
表6.7-5 超声设备分类表
3.特殊超声清洗设备
此处介绍8种特殊清洗设备，见表6.7-6。
表6.7-6 常见特种超声清洗特点一览表
在实际应用中，根据污物种类不同，会使用不同性质的清洗液及一定的清洗条件，如控制一定的清洗液温度等。表6.7-7给出了常见的超声清洗应用实例。
表6.7-7 超声清洗应用实例表
（续）
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