超声波原理

2019-03-11 19:03:00 zixun
超声波原理: 超声波清洗是基於空化作用, 即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此 产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。 随着超声频率的 提高,气泡数量增加而爆破冲击力减弱,因此,高频超声特别适用於小颗粒污垢 的清洗而不破环其工件表面。 空化泡的扩大以及爆裂(内爆) 气泡是在液体中施加高频(超声频率)、高强度的声波而产生的。因此,任何超 声清洗系统都必须具备三个基本元件:盛放清洗液的槽、将电能转化为机械能的 换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。 换能器和发生器: 超声清洗系统最重要的部分是换能器。现存两种换能器,一种是磁力 换能器,由镍或镍合金制成;一种压电换能器,由锆钛酸铅或其他陶 瓷制成。 将压电材料放入电压变化的电场中时,它会发生变形,这 就是所谓的'压电效应'。相对来说,磁力换能器是用会在变化的磁场 中发生变形的材料制成的。 无论使用何种换能器,通常最基本的因素为其产生的空化效应的强 度。超声波和其它声波一样,是一系列的压力点,即一种压缩和膨胀 交替的波(如下图示)。如果声能足够强,液体在波的膨胀阶段被推 开,由此产生气泡;而在波的压缩阶段,这些气泡就在液体中瞬间爆 裂或内爆,产生一种非常有效的冲击力,特别适用於清洗。这个过程 被称做空化作用 声波的压缩和膨胀 从理论上分析,爆裂的空化泡会产生超过 10,000 psi 的压力和 20,000 °F (11,000 °C) 的高温,并在其爆裂的瞬间冲击波会迅速 向外辐射。单个空化泡所释放的能量很小,但每秒钟内有几百万的空 化泡同时爆裂,累计起来的效果将是非常强烈的,产生的强大的冲击 力将工件表面的污物剥落,这就是所有超声清洗的特点。 如果超声能量足够大,空化现象会在清洗液各处产生,所以超声波能 够有效清洗微小的裂缝和孔。 空化作用也促进了化学反应并加速了表 面膜的溶解。 然而只有在某区域的液体压力低於该气泡内气体压力时才会在该区 域产生空化现象, 故由换能器产生的超声波振幅足够大时才能满足这 一条件。产生空化所需的最小功率被称做空化临界点。不同的液体存 在不同的空化临界点, 故超声波能量必须超过该临界点才能达到清洗 效果。也就是说,只有能量超过临界点才能产生空化泡,以便进行超 声清洗。 频率的重要性: 当工作频率很低(在人的听觉范围内)就会产生噪音。当频率低於 20kHz 时,工 作噪音不仅变得很大, 而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所规定的安全 噪音的限度。 在需要高功率去除污垢而不用考虑工件表面损伤的应用中,通常选 择从 20kHz 到 30kHz 范围内的较低清洗频率。该 频率范围内的清洗频率常常被 用於清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。洁康公司 提供 20KHz 的磁力换 能器和 25KHz 的压电换能器。 Cavitation Strength Relative to 40 kHz 高频通常被用於清洗较小、较精密的零件,或清除微小颗粒。高频还被用於被工 件表面不允许损伤的应用。 使用高频可从几个方面改善清洗性能。随着频率的增 加, 空化泡的数量呈线形增加, 从而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小 的缝隙中。如果功率保持不变,空化泡变小,其释放的能量相应减少,这样有效 地减小了对工件表面的损伤。 高频的另一个优势在於减小了粘滞边界层(泊努里 效应),使得超声波能够'发现'极细小的微粒。这种情况近似於小溪中水位降低 时可以看清溪底的小石子。 洁康公司提供了一系列中间频率的产品,有 40kHz、80kHz、120kHz 和 170kHz。 清洗极微小的颗粒时,可选用频率为 350kHz 的产品。洁康公司近来推出了用於 此类场合的 MicroCoustics 系统,其频率为 400kHz。 超声清洗的优越性: 超声清洗目前已被认识到的优点如下: 高精度 由於超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔, 故可以应用与任何零部件或装配 件的清洗。 被清洗件为精密部件或装配件时,超声清洗往往成为能满足其特殊技 术要求的唯一的清洗方式; 快速 超声清洗相对常规清洗方法在工件除尘除垢方面要快得多。 装配件无须拆卸即可 清洗。超声清洗可节省劳动力的优点往往使其成为最经济的清洗方式; 一致 无论被清洗件是大是小,简单还是复杂,单件还是批量或在自动流水线上,使用 超声清洗都可以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度。 超声波清洗特点: 超声波清洗与各种化学的、物理的、电化的和物化的清洗方法比较,具有以下独 特的优点: ◆ 能快速、彻底地清除工件表面上的各种污垢。 ◆ 能清洗带有空腔、沟槽等形状复杂的精密零件,对工件表面无损害。 ◆ 可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人体的损害。 ◆ 可采用各种清洗剂,根据不同的溶剂达到不同的效果,如:除油、除锈或磷 化。 ◆ 大幅度降低劳动强度,杜绝隐患,如:节省溶剂、清洁纸、能源、工作场地 和人工等。 超声清洗工艺及清洗液的选择: 在购买清洗系统之前,应对被清洗件做如下应用分析: 明确被洗件的材料构成、结构和数量; 分析并明确要清除的污物; 决定所要使用的清洗方法, 判断应用水性清洗液还是用溶剂, 最终需做清洗实验。 只有这样,才能提供合适的清洗系统、设计合理的清洗工序以及清洗液。 化学药剂的选择: 考虑到清洗液的物理特性对超声清洗的影响,其中蒸汽压、表面张力、黏度以及 密度应为最显着的影响因素。 温度能影响这些因素,所以它也会影响空化作用的 效率。 任何清洗系统必须使用清洗液。水性系统通常由敞口槽组成,工件浸没其中。而 复杂的系统会由多个槽组成,并配备循环过滤系统、冲淋槽、干燥槽以及其它附 件。 对於使用溶剂的系统, 多为超声波汽相除油脂清洗机, 常配备废液连续回收装置。 超声波汽相清除油脂过程是由溶剂蒸发槽和超声浸洗槽组成的集成式多槽系统 完成的。在热的溶剂蒸汽和超声激荡共同作用下,油、脂、蜡以及其他溶於溶剂 的污垢就被除去。经过一系列清洗工序后下料的工件发热、洁净、干燥。 选择清洗液时,应考虑以下三个因素: 清洗效率:选择最有效的清洗溶剂时,一定要作实验。如在现有的清洗工艺中引 入超声,所使用的溶剂一般不必变更; 操作简单:所使用的液体应安全无毒、操作简单且使用寿命长; 成本: 最廉价的清洗溶剂的使用成本并不一定最低。使用中必须考虑到溶剂的清 洗效率、安全性、一定量的溶剂可清洗多少工件利用率最高等因素 当然,所选择的清洗溶剂必须达到清洗效果,并应与所清洗的工件材料相容。水 为最普通的清洗液,故使用水基溶液的系统操作简便、使用成本低、应用广泛。 然而对於某些材料以及污垢等并不适用於水性溶液,那么还有许多溶剂可供选 用。 清洗件处理: 超声清洗的另一个考虑因素是清洗件的上、 下料或者说是放置清洗件的工装的设 计。清洗件在超声清洗槽内时,无论清洗件还是清洗件篮都不得触及槽底。清洗 件总的横截面积不应超过超声槽横截面积的 70%。橡胶以及非刚化塑料会吸收超 声波能量,故将此类材料用於工装时应谨慎。绝缘的清洗件也应引起特别注意。 工装篮设计不当, 或所盛工件太重,纵使最好的超声清洗系统的效率也会被大大 降低。任何材料,如果网眼高於 50 目,对於超声波就表现出实体的性能,将超 声波反射回去。 当网眼大於 1/4 英寸时, 对於超声波才表现出开放式材料的性能。 钩子、架子以及烧杯都可用来支持清洗件。 洁康牌家用超声波清洗机的应用: 1、家庭应用:日常使用的物品如金银珠宝、首饰、头饰、胸针、眼镜、表链、 水笔、光碟、刮须刀、梳子、牙刷、假牙、茶具等还有奶瓶、奶咀及水果如葡萄、 樱桃、草莓,这些饰物、工具和水果在被清洗的同时还进行了消毒杀菌,另外手 部也可用超声波进行美容护肤, 长期使用可保持皮肤幼嫩润滑充满弹性。利用洁 康超声波清洗器还可以进行调酒、香醇酒类、自动搅拌鸡蛋等。 2、眼镜、光学仪器:一切光学镜片,如各种眼镜(包括隐形眼镜)、放大镜、 望远镜、显微镜、相机、摄像机等之镜头零件等经洁康超声波清洗后,所有世间 真情尽显无遗。 3、玉石、饰物加工行业:在研磨抛光等加工过程中,大量粉尘污物会沾附在玉 石、饰物上,而这些工件往往形状复杂,缝隙又多,传统的清洗方法常常一筹莫 展,而洁康超声波清洗器则独到奇效。 4、钟表、精密仪器:有了洁康超声波清洗器,钟表、精密仪器免除了逐一拆装 螺丝、齿轮、游丝发条、表链等的麻烦,只须把外壳卸下,整个放进装有相应清 洗剂(如汽油)的清洗槽内,便可以取得事半功倍的清洗效果。 5、银行、办公室、财务、工艺美术、广告行业、办公用品:如打印机、喷头、 针笔、钢笔、画笔、喷咀、喷雾器经常堵塞,印章也常常因印泥的沾附而模糊不 清, 常用洁康超声波清洗器可保流畅清晰。如结合适量洗洁精或其他清洗剂会有 更好效果。 6、通信器材、电器维修:手机、对讲机、随身听等电器的精密线路板、零配件 利用洁康超声波清洗机结合无水酒精清洗, 可得到极佳的无尘无污染完全彻底的 清洗效果。 7、医疗单位、院校:各种医疗器械如手术器具、牙科的假牙、牙模、照视镜、 化验室实验的烧杯试管等的清洗,各类药剂试剂的混和、化合均可提高效率、提 高清洁净度、加速化学反应和缩短时间。 8、送礼佳品:每逢佳节或如开展览会、招待会、联谊会、校友会、评奖会等需 筹备礼品、纪念品、奖品时,洁康超声波清洗机以其独特的产品创意,别致的方 便型包装, 新颖独特的清洗方式,显著而多用的功效……让您不再为挑选礼品而 左右为难,因为清洗、杀菌、美容护肤多功能合而为一体的洁康牌超声波清洗机 实为新一代的送礼佳品。 超声波清洗机在行业的应用及清洗优点: 超声波清洗机用于各行业的清洗:汽车行业、五金行业、电子行业、实验室、印 刷行业、电镀行业、光学行业、精密零件行业、眼镜行业、首饰行业、玉器行业、 钟表行业、半导体行业、通信器材行业、贵金属行业、不锈钢行业、电力行业等 等行业。 超声波清洗优点:相比其他多种的清洗方式, 超声波清洗机显示出了巨大的优越 性,尤其在专业化,集团化的生产企业中,已逐渐用超声波清洗朵取代了传统的 浸洗、涮洗、压力冲洗、振动清洗和蒸气清洗等等工艺方法;超声波清洗机的高 效率和高清洁度,得益于其超声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击力, 所以很容易将带有复杂外形,内腔和细空的零部件清洗干净;对一般的除油、防 锈、磷化等工艺过程,在超声波作用下只需两三分钟即可完成,其速度比传统清 洗方法可提高几倍,甚至几十倍,清洁度也能达到高标准,这在许多对产品表面 质量和生产率要求较高的场合, 更突出地显示了用其它处理应运人以达到或不可 取代的结果。 归纳其优点如下: ①清洗效果好, 清洁度高且全部工件清洁度一致; ②清洗速度快,提高生产效率;③不须人手接触清洗液,安全可靠;④对深孔、 细缝和工伯隐蔽处亦可清洗干净;⑤节省溶剂、热能、工作场地和人工等。 电子行业超声波清洗机:PCB 电路板的清洗。我国电子行业中,绝大多数企业都 在使用 PCB,PCB 组件焊接采用的助焊剂分为水溶型、松香型和免清洗型三类, 使用较多的为前两种,多采用超声波清洗(也有不少是采用酒精刷洗),免清洗 型原则上应该不清洗, 但是, 目前世界各国的大多数厂家即使采用免清洗型焊剂 焊接组件,仍需要清洗。特别是高密度 PCB 以及高密度 IC 出脚不清洗或不采用 超声波清洗,必将导致高密度线路之间和 IC 出脚之间吸附尘埃,一旦环境湿度 大,极易发生高密度线间和脚间短路而出现故障,而一旦环境干燥,短路故障又 自行消失, 这类故障又不易查找。所以世界各国的电子整机厂均坚持对 PCB 板作 超声波清洗。在我国,军工电子整机厂已开始推广,并收到了因此举既提高了产 品可靠性,又降低了售后服务成本的双重效益。 电镀行业超声波清洗机:主要应用于电镀件、真空镀饰件、锁具、马达零件、轴 承、压铸件、冲压件、表壳表带、眼镜架、不锈钢餐具、压缩机、钟表零部件、 精密纺织器材、精密模具、齿轮、曲轴、阀门、散热器等精密金属零部件及各类 金属零件生产加工过程中油污、腊脂、碎屑的清除。超声波在电镀工业清洗主要 分电镀镀前清洗(前处理)及镀后清洗(后处理)。电镀前处理清洗包括清洗各 类五金零件抛光后腊脂的清洗及零件加工过程中油污、碎屑的清除。电镀后处理 清洗包括清洗电镀过程中的残留电镀液剂及各类残留物。 医用超声波清洗机: 超声波清洗机用于医疗行业可以彻底清洗手术机械及手术附 件的各种污渍,排出人工清洗不彻底的问题,所以国家卫生部公布《内镜清洗消 毒技术操作规范》,在规范中规定:“内镜及附件用后应当立即清洗、消毒或灭 菌…需在超声波清洗机内清洗 5--10 分钟。 ”和采用戊二醛、 环氧乙烷浸泡消毒、 灭菌。在《医疗机构口腔诊疗器械消毒技术操作规范》中规定:牙科器械“应当 采用超声清洗”和采用环氧乙烷、戊二醛浸泡消毒、灭菌。 实验室用超声波清洗机:主要用于生物化学、微生物学、药物学、物理学、动物 学、农学、医学、食品、制药等行业的实验分析或实验器具的清洗,还广泛应用 电子、光学、机械、汽车、电镀、液压、珠宝首饰等待业的破碎、郛化、分散、 助溶、提到、消泡脱气、加速化学反应等。 汽车行业超声波清洗机:主要用于清洗气门、点火栓、燃料泵、油箱、蓄电池电 极、活塞环、机器操纵盘零件上的油脂、防腐剂、塑料残留物、研磨磨料、石墨 等。
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