影响超声波清洗效果的主要因素

超声波清洗的主要机理是超声波空化作用,超声波空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关,要获得良好的清洗效果必须选择适当的声学参数和清洗液。
1. 超声波声强或声压的选择
在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压,在超声清洗槽 中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化。对于一般液体,空化阈值约为每平方厘米1/3瓦(声压的千方正比于声强).声强增加时,空化泡的**大半径与起始 半径的比值增大,空化强度增大, 即声强愈高,空化愈强烈,有利于清洗作用。但不是声功率越大越好,声强过高.会产生大量无用的气泡,增加散射衰减,形成声屏障,同时声强增大也会增加非线 性衰减,这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。对于一些难清洗干净的污物,例如金属表面的氧化物,化纤喷丝板孔中污物的清洗,则需要采用较高的声强.此时 被清洗面应贴近声源,这时大多不采用槽式清洗器.而用棒状聚焦式换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗。
2. 频率的选择
超声空化阈值和超声波的频率有密切关系。频率越高,空化阈越高,换句话说,频率越高,在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大;频率低,空化 容易产生,同时在低频情况下,液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔.使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸,增高空化强度,有利于清洗作用。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象,大致分为三个频段;低频超声清洗(20一50KHz), 高频超声清洗(50—200KHz)和兆赫超声清洗(700KHz一1MHz以上)。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场 合。频率的低端,空化强度高,易腐蚀清洗件表面,不适宜清洗表面光洁度高的部件,而且空化噪声大。40KHz左右的频率,在相同声强下,产生的空化泡数量 比频率为20KHz时多,穿透力较强,宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件,空化噪声较小。但空化强度较低,适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合, 高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精细清洗,如磁盘、驱动器,读写头,液晶玻璃及平面显示器,微组件和抛光金属件等的清洗。这些清洗对象要求在清洗 过程中不能受到空化腐蚀.要能洗掉微米级的污物。兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损 伤,因为此时不产生空化作用,其清洗机理主要是声压梯度、粒子速度和声流的作用,特点是清洗方向性强,被清洗件一般置于与声束平行的方向。
3. 清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响
清洗剂的选择要从两个方面来考虑:一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂;另一方面要选择表面张力、蒸气压及粘度合适的清洗剂,因为这 些特性与超声空化强弱有关。液体的表面张力大则不容易产生空化,但是当声强超过空化阈值时,空化泡崩溃释放的能量也大,有利于清洗;高蒸气压的液体会降低 空化强度,而液体的粘滞度大也不容易产生空化,因此蒸气压高和粘度大的洁洗剂都不利于超声清洗。此外,清洗液的温度和静压力都对清洗效果有影响,清洗液温 度升高时空化核增加,对空化的产生有利,但是温度过高,气泡中的蒸气压增大,空化强度会降低,所以温度的选择要同时考虑对空化强度的影响,也耍考虑清洗液 的化学清洗作用每一种液体都有一空化活跃的温度,水较适宜的温度是60-80℃,此时空化**活跃。
清洗液的静压力大时,不容易产生空化,所以在密闭加压容器中进行超声清洗或处理时效果较差。
4. 影响超声清洗效果的其它因素
清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响,**好是在清洗过程中液体静止不流动,这时泡的生长和闭合运动能够充分完成。如果清洗液的流速过快,则 有些空化核会被流动的液体带走有些空化核则在没有达到生长闭合运动整过程时就离开声场,因而使总的空化 强度降低。在实际清洗过程中有时为避免污物重新粘附在清洗件上.清洗液需要不断流动更新,此时应注意清洗液的流动速度不能过快,以免降低清洗效果。
被清洗件的声学特性和在清洗槽中的排列对清洗效果也有较大的影响,吸声大的清洗对象,如橡胶,布料等清洗效果差,而对声反射强的清洗件,如金属件, 玻璃制品的清洗效果好。清洗件面积小的一面应朝声源排放,排列要有一定的间距;清洗件不能直接放在清洗槽底部;尤其是较重的清洗件,以免影槽底板的振动, 也避免清洗件擦伤底板而加速空化腐蚀。清洗件**好是悬挂在槽中,或用金属罗筐盛好悬挂.但须注意要用金属丝做成.并尽可能用细丝做咸空格较大的筐,以减少 声的吸收和屏蔽。
清洗液中气体的含量对超声波清洗效果也有影响。在清洗液中如果有残存气体(非空化核)会增加声传播损失,此外在空化泡运动过程中扩散到泡中的气体, 在空化泡崩溃时会降低冲击波强度而削弱清洗作用。因此有些超声清洗设备具有除气功能,在开机时先进行低于 空化阈值的功率水平作振动,以脉冲或间歇方式振动进行除气.然后功率加到正常清洗的功率水平进行超声清洗。
有些超声清洗设备设计附有真空抽气装置{也称真空脱气或负压清洗),其目的就是减少清洗液中的残存气体.

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