超声波清洗原理与清洗工艺

超声波清洗是将超声波的振动能量传播到清洗液中,利用两者的综合作用,来清除被清洗件上的污垢。
  超声波清洗在工业上应用比较广泛,主要用于对零、部件清洗要求比较严格的场合,如零件在精加工过程中的清洗、装配前的清洗、几何形状复杂(多孔、深孔、弯孔、盲孔、微孔)的孔类零件的清洗,以及污垢粘附较牢的中小型零件的清洗。
  超声波清洗除了能清除零、部件表面的油污外,对于零件表面残留的研磨膏、抛光膏等膏状污垢也有良好的清洗效果。此外,还可用来清除零件表面轻度的锈蚀层或氧化层。超声波清洗对于清除积碳效果很好(需采用专门配制的清洗液),并已有较成熟的使用经验。
  在内燃机车制造及修理部门,已将超声波清洗应用于一些中、小型零件和精密偶件的清洗,如缸盖、滚动轴承、齿轮、阀类零件、泵类零件、各种滤清元件、短轴、高压油泵柱塞副、喷油器针阀副、高压油泵出油阀副等的清洗。
  在国外,已采用大功率的超声波清洗设备,来清洗柴油机机体及机车上的大型零、部件。我国有的柴油机修理工厂也开始采用大功率的超声波清洗机来清洗待修理的柴油机机体(缸径为150~230毫米),并取得了理想的清洗效果。
  采用超声波清洗,工艺简单,操作简便,劳动强度低,清洗质量好,清洗效率高,而且易于实现零、部件清洗自动化,因而是一种很有发展前途的清洗方法。
  一、超声波清洗原理
  超声波在本质上和声波是一样的,都是机械振动在弹性介质中的传播过程,超声波和声波的区别仅在于频率范围的不同。
  声波是指人耳能听到的声音,一般认为声波的频率在20~20000赫范围内,而振动频率超过20千赫以上的声波则称为超声波。超声波中振动频率在100千赫以下的称为低频超声波;振动频率在100千赫以上到数十兆赫的称为高频超声波。用于清洗的超声波所采用的频率为20~400千赫,属于低频及高频超声波的范围。
  超声波清洗时,在超声波的作用下,机械振动传到清洗槽内的清洗液中,使清洗液体内交替出现疏密相间的振动,液体不断受到拉伸和压缩。疏的地方受到拉伸,形成微气泡(空穴);密的地方受到压缩。由于清洗液内部受超声波的振动而频繁地拉伸和压缩,其结果使微气泡不断地产生和不断地破裂。微气泡破裂时,周围的清洗液以巨大的速度从各个方向伸向气泡的中心,产生水击。这种现象可以通过肉眼直接观察到,即在清洗液中可以看到有剧烈活动的气泡,而且清洗液上下对流。此时若将手指浸入清洗液中,则有强烈针刺的感觉。上述这种现象称为超声空化作用。
  在超声空化作用一定时间后,被清洗件上的污垢逐渐脱落(当然也有清洗液本身的作用在内),这就是超声波清洗的基本原理。
  较长时间的超声空化作用,会使被清洗件表面的基体金属有一定程度的剥落,这称为空化的浸蚀作用。
  超声冲击波能在液体中产生微冲流,具有搅拌作用。在不相溶的两相液体中,微冲流能促使两液相面加速互相分散,具有乳化作用。
  超声空化的产生是依附于空化核进行的,而被清洗件表面的缝隙正好是空化核的中心。
  总之,超声波清洗是超声空化作用、浸蚀作用、搅拌作用、乳化作用及空化核作用的综合表现。其中空化作用在超声波清洗中是起主要作用的,它能破坏污垢微粒在被清洗件表面的粘附状态。再加上微冲流的作用,使清洗液产生振动和搅拌,将污垢从被清洗件表面清除干净。而乳化作用则使清洗下来的油污很快地分散、乳化在清洗液中。
  应当指出,超声波清洗过程中,除了超声波的上述作用外,还有所采用的清洗液的浸润、浸透、乳化、分散及溶解等作用,其结果必然大大加速清洗过程,提高清洗效果。
  二、超声波清洗设备
  超声波清洗设备主要由超声波发生器及清洗槽两大部分组成。在被清洗件批量较大的情况下,还附有清洗液循环装置;有时为了实现清洗过程自动化,还附有被清洗件传送装置。
  一般情况下,超声波发生器和清洗槽是两个结构上互相独立的装置,它们之间仅用一根电缆线连接起来,以传送电功率。但也有的超声波清洗设备是将发生器与清洗槽组合为一体的。
  超声波发生器是产生超声频电信号的功率源。常用的超声波发生器从结构上分为:电子管式、晶体管式、可控硅管式和高频电机式四种。其中可控硅管式超声波发生器体积小、效率高、操作简便。CFS-3型超声波发生器就属于这种类型。
  超声波发生器的外部结构为一箱体,内装有各种电气元件。为了保证这些电气元件的正常工作,在功率较大的超声波发生器内还装有冷却风扇。发生器外部设有控制台,控制台上设有电源开关、高压开关、功率调节旋钮、频率调节旋钮以及显示阴极电流和屏极电压的电流、电压表。可控硅管式超声波发生器无频率调节旋钮。
  超声波清洗槽由不锈钢槽体、换能器及支架等组成。
  换能器是超声波清洗设备中的主要部件,换能器的功用是将超声波发生器输送过来的电功率转换成超声波的机械振动,然后通过不锈钢槽体的辐射,来促使清洗液也产生超声波的机械振动。
  常用的换能器有磁致伸缩型及压电型两种。磁致伸缩型换能器用铁、镍、钻等铁磁性材料或其合金制成,利用其磁致伸缩效应在高频电流所形成的磁场中发生超声波的机械振动。压电型换能器是用压电晶体材料(如锆钦酸铅、钛酸钡等)制成,利用其压电效应,将电能转换为超声波的机械振动。

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