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超声波清洗 超声波清洗技术的工艺及应用
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超声波是频率在人耳听觉范围上限(20kHz)以上的声波,超声波因其频率高、方向性强、穿透本领大,尤其是在液体中能产生空化现象等特点,已被广泛应用到许多领域。超声波应用技术甚多,主要分为检测超声、医学超声、声表面波、功率超声及高频超声等,超声波清洗技术是功率超声应用Z广泛的一种。
超声清洗有时被称“无刷清洗”,把工件放入超声清洗机中,无需任何刷、搓、滚动等清洗动作,污物“自动”从工件表面脱落,一会儿就干净如新,看起来非常神奇,那么,它究竟是怎样清洗的呢?
一、超声清洗设备
超声清洗设备主要有超声波发生器、超声波换能器和清洗槽三部分。
超声波发生器即电源,是产生电磁振荡信号并提供能量的部分。
超声波换能器即振板,是超声清洗的关键部分,它把超声发生器产生的电磁振动转换成换能器本身的超声振动,并传入清洗槽中引起槽内清洗液产生空化作用,常置于清洗槽底部。
清洗槽是用来容纳清洗液及要清洗的工体的,尺寸和形状应根据需要确定,通常采用不锈钢材料制成。
二、超声清洗的优点
目前,我国工业清洗仍有80%采用化学方法,所用有机溶剂及强酸强碱清洗液,对人体、空气、水源造成严重污染,并且清洗中易腐蚀工件。而超声波清洗采用非ODS水基清洗剂,所以超声波清洗是绿色清洗。
超声波清洗法是一种先进的清洗方法,它具有独特的清洗效果。适用于清洗几何形状复杂的工件(如带有盲孔、深孔、弯孔、狭缝的工件)和不同材料的组合件。尤其适用于精度高、光洁度高、清洗质量要求高的中小型工件的清洗。只要工件浸到声场存在的地方,都可以被清洗。
超声波清洗技术的优点归纳如下:
1、清洗速度快,效率高;
2、不需人手接触清洗液,避免繁重肮脏的体力劳动,安全可靠;
3、可延长被清洗部件的使用寿命;
4、节省能耗、工作场地和人工等;
5、对带有深孔、细缝等形状和结构复杂的工件尤为适用;
6、超声波清洗采用非ODS水基溶剂,可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害,是绿色环保的清洗技术。
三、超声波清洗的工艺参数
超声波清洗主要靠超声空化作用,超声空化作用的强弱与工艺参数和清洗液的物理化学性质有关。为获得良好的清洗效果,必须选择合适的清洗液和工艺参数。超声波清洗的主要工艺参数有:
1、超声波的振动频率
声波振动频率对空化作用影响较大,所以必须选择合适的振动频率,一般超声波清洗振动频率范围在20kHz~80kHz。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。
超声波频率越低,在液体中产生空化越容易,产生的力度大,作用也越强,适用于较难清洗的污垢,如工件粗、脏、初洗;频率高则超声波方向性强,波长较短,能量集中,适合于表面光洁度高,具有小深孔、狭窄的缝隙、精细工件的清洗。但频率不能过高,否则波长减短,空化作用反而减弱,从而降低了清洗效率。
稳定的混响场对清洗有利,如果清洗槽中有驻波场,则因声压分布不均而使清洗工件得不到均匀的清洗,因此,在可能的条件下,清洗槽的几何形状要选择适合建立混响场的形状。此外,可以采用双频、多频和扫频工作方式以避免清洗盲区。
2、超声波功率密度
为了提高清洗效率,往往采用较高的超声波功率密度。特别是对于油污严重、形状复杂、有深孔的制件要求用较高的功率密度在较深的清洗槽内清洗。
过高的功率密度会由于空化作用太强而引起金属表面的浸蚀(即空化腐蚀),这对于具有各种镀层的零件、铝及铝合金件和精密的、表面光洁度甚高的工件危害较大。而且,超声功率太大,使液体中声强过高,会产生大量气泡,在声波表面形成一道屏障,声波不易辐射到整个缸体中,造成远离声源的地方清洗效果减弱。
一般用辐射板(即清洗槽底板)单位面积上的功率来进行设计,替代ODS清洗工艺的超声波清洗设备常按0.3~0.5W/cm2配置。
3、清洗液温度
清洗过程要破坏污染物对工件表面的粘附,增加热能有利于克服粘附力。提高温度可以增加清洗介质的活性,降低清洗介质的表面张力,降低污染物的粘度,提高清洗的效率和效果。但并不是温度越高越好,对不同性质的清洗介质来说,其Z佳效果和Z佳空化效应也有一定的温度范围,水基清洗剂的Z佳温度范围是35~65℃。温度还影响清洗介质的蒸汽压、表面张力、粘度和密度四个物理因素,温度升高到沸点时空化效应就会失去。
4、清洗剂的选择
超声波清洗采用非ODS水基清洗剂,它成本低、效果好、使用安全,对环境污染少,是符合环保要求的绿色清洗剂。应根据被清洗工件材质的不同,工件表面粘附污垢组份的不同选择不同的清洗剂。
5、超声波清洗时间
超声波清洗的效果和清洗质量,与超声波清洗的时间有关。时间太短清洗质量达不到标准,时间太长,降低了清洗效率,还会引起零件表面产生空化腐蚀。一般情况下,油污重、形状复杂的零件,清洗时间可长。表面光洁度高、油污轻的零件,清洗时间可短。有各种镀层的零件和铝及铝合金零件的清洗时间可短。
四、超声波清洗的工艺过程
在选择合适超声波清洗参数的前提下,其清洗工序和工艺流程也十分重要。清洗过程实质上是工件表面、污染物、清洗介质三者之间复杂的物理、化学和机械作用过程。
Z常用的超声波清洗形式如下图所示,它是将零件浸入盛有清洗液的超声波清洗槽内,超声波发生器把50Hz常用电转换成超声频的电能,传输给换能器,再由超声波换能器将高频电能转换成超声振动,辐射至清洗液内进行清洗。
先进的超声波清洗工艺,一般采用多槽式全自动、联合清洗程序。利用可编程控制器(PLC)对变频调速器进行控制以构成传输链条的平稳启动,快速位移,平稳减速停机,利用光电定位装置使工件能准确到位。清洗时将工件装入用透声材料做成的网篮中,进行自动、定时、循环清洗。对于有大量污垢的工件可采用浸、喷、冲等方法进行预清洗,然后再进行超声波清洗。
超声波清洗工艺多选用水基清洗剂,由于这类清洗剂比ODS清洗剂对油脂及亲油污物的溶解性、渗透性和分散性能力差。所以必须采用多槽式超声波加温脱脂、超声波加温清洗,以加快污物的溶解和分散,使污物脱离工件(粗洗)。超声波漂洗(精洗)是用纯水洗去工件表面所残留的清洗介质,因在清洗槽中工件表面污物虽然被清除,但工件仍处在不太干净的污染介质中。
高压冲淋是采用全方位从上至下的方式进行高压纯水喷射,以冲洗小盲孔及缝隙中的污染介质。对冲淋后的洁净工件进行快速热风烘干或蒸汽烘干,以防工件表面氧化腐蚀。油水分离和过滤系统的作用:一是采用油水分离器和表面溢流装置及时清除清洗液表面的油污;二是采用网式、袋式及磁性分离方法对清洗液进行逐级过滤,以保证清洗液的相对干净。
五、超声波清洗技术在机械制造业中应用
在机械制造过程中,工件在油漆、电镀、热处理、防锈、装配前,以及装配过程中都需要清洗,清洗是多种工艺过程中反复进行的一项工序,清洗质量直接关系到机械产品的加工性能以及产品的整体性能。传统的清洗方法有人工刷洗、在含有ODS的溶剂浸洗、电解清洗、喷淋清洗、高压喷洗、气相清洗等,存在工人劳动强度大、清洗质量不稳定、效率较低等缺点。超声波清洗作为一种先进、GX、绿色非ODS的现代清洗技术,在机械行业正越来越得到广泛的应用。
1、除油脂包括乳化油、润滑油、防锈油等各种油脂。工件在防锈封存前、电镀前和涂装前都必须进行除油清洗,超声波清洗的关键是选用含针对性的表面活性剂和乳化剂的清洗液。
2、除锈及氧化皮钢铁零件在轧制或热处理后,表面会生成一层5~10μm的氧化铁,超声波清洗可以用弱酸代替强酸、强碱,减少了公害,避免了氢脆。作为镀膜前处理工艺,提高了镀膜质量。
3、除污垢除污垢清洗主要有:
①除积碳:积碳是燃油和机油在高温缺氧条件下燃烧生成的硬质碳化物,与金属表面吸附,分子间结合强度极大,用一般方法很难去除,还可能损坏了活塞表面的光洁度。改用超声波清洗,清除彻底,不损坏工件表面质量,而且效率高。
②油腻和油泥:工件被机油污染,再落入尘土,形成油腻附着力很强;油泥是机油、焦油、含氧酸、碳化物、灰及水的混合物,结合强度可达10~15kPa,用超声波清洗非常彻底。
③涂镀前的清洗:电镀和喷漆前的清洗效果直接影响涂镀质量的好坏。除蜡和抛光膏清洗一直是困扰电镀业的难题,用超声波清洗则会解决这一难题。作为镀膜前处理工艺,提高了镀膜质量。
超声波清洗技术已广泛应用于机械零部件的清洗(特别是精密零部件)、工件表面处理(如除锈、除油、磷化、钝化等)、镀前处理等领域,是清洗轴承、油泵、油嘴、液压元件、钟表零件、五金工具、汽车部件等的良好方法。随着技术的进步,超声波清洗应用正日益扩大,除机械及相关行业外,目前,已应用于电子、YL卫生、工艺美术、医药及家庭等领域。
超声波清洗的发展趋势是清洗装置的大型化,主要因为清洗物件在增大,超声电源功率在提高,一方面从原先的数百瓦到目前的数十千瓦,甚至更高;另一方面,由多台中小功率的超声电源组合使用代替大功率超声电源。此外,超声波清洗的另一发展趋势是超声清洗装置的自动化,超声波清洗多为多步清洗,从清洗到烘干,采用现代控制技术,实现超声波清洗生产线的自动化。
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