超声波清洗的原理

超声波在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。
  超声清洗就是利用了空化作用的冲击波,其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。
(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波,污垢层在冲击波的作用下被剥离下来,即分散及脱落。
(2)因空化现象产生,由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透,由于这种小气泡与声压同步膨胀,收缩,产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层,污垢一层层被剥开,小气泡再继续向前推进,直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。
(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力
(4)清洗剂也溶解了污垢,产生乳化分散的化学力。
(5)空化阂与介质的粘滞性有关,粘度大,表面张力大,空化阂高。
(6)空化阂与液体含气量有关,含气量越少,空化阂越高。
(7)空化阂与清洗液温度有关,清洗液温度升高,对空化有利。但清洗液温度过高时,气泡中蒸气压增大,因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60度。
  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。
4. 超声波清洗效果及相关参数:
a.清洗介质:采用超声波清洗,一般有两种清洗剂:化学清洗剂和水基清洗剂。清洗介质是化学作用,而超声波清洗是物理作用,两种作用相结合,以对物体进行充分、彻底的清洗。
b. 功率密度:超声波的功率密度越高,空化效果越强,速度越快,清洗效果越好。单对于精密的、表面光洁度甚高的物体,采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生“空化”腐蚀。
c. 超声波频率: 超声波频率越低,在液体中产生空化越容易,作用也越强。频率高则超声波方向性强,适合于精细的物体清洗。
d. 一般来说,超声波在30oС~40oС时空化效果最好。清洗剂则温度越高,作用越显著。通常实际应用超声波清洗时,采用30oС~60oС的工作温度。
5.超声波清洗特点:
1)、  清洗效果好  
就清洗方式而言,运用于工业清洗的清洗方式一般为手工清洗,有机溶剂清洗,蒸汽气相清洗,高压水射流清洗和超声波清洗。不论工件形状多么复杂,将其放入清洗液内,只要是能接触到液体的地方,超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂、手工及其它清洗方式不能完全有效地进行清洗的工件,具有显著的清洗效果。清洗时液体内产生的气泡非常均匀,工件的清洗效果也非常均匀一致。超声波清洗可根据不同的溶剂达到不同的效果,如 :除油、除锈或磷化,配合清洗剂的使用,加速污染物的分离和溶解,可有效防止清洗液对工件的腐蚀。
2)、 清洗成本低  
在所有清洗方式中,清洗成本大体可分为:设备成本和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为十年,除设备购置成本高于手工清洗和有机碱性溶剂刷洗外,低于气相清洗和高压水射流清洗,对于消耗成本,以功率为1KW,价格约为1万元的超声波清洗机为例,工作一小时,耗电1度,费用约为0.5元,碱性金属清洗剂1公斤,价格约为20元,可反复使用20-50个小时(根据污染程度而定),相当于0.4-1元/小时,而一般工件清洗时间仅为3-15分钟即可,且一次清洗可对一定数量及体积的工件同时清洗,因此对于消耗成本而言,采用超声波清洗,不仅清洗效果最好,而且清洗成本相当于不到0.04元/件,还不算节省的劳动力成本,远远低于其他各类清洗方法。

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