超声波清洗设备与清洗工艺（宁波鄞州恒科机械有限公司技术部）技术咨询：0574-88012699　邮箱：cnhengke@126.com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。　　磁致伸缩型换能器激发的超声机械振动属低频(频率为20～60千赫)，适用于较大型零、部件的超声波清洗。压电型换能器激发的超声机械振动属高频(频率为100千赫～1兆赫)，适用于小型零件及形状复杂零件的清洗。　　　　为了获得较高的转换效率，换能器应尽可能地工作在其固有频率上。因为只有当外加电压的频率与换能器的固有频率相等或相近时，就会产生共振现象，此时输出的超声波有最大的振幅值，方能得到最大的输出功率。　　压电型换能器的换能效率要较磁致伸缩型换能器为高，而且结构简单，超声波分布均匀，因此被广泛采用。从结构上看，压电型换能器是在两种不同密度的材料——铁块和铝块——之间放置二片锆钛酸铅压电晶体，然后用螺栓将其夹紧连接而成。　　一般情况下，在一个清洗槽上往往均匀分布地粘结有若干个换能器，其数量视超声波发生器的输出功率大小而定。同一组各个换能器的阻抗应相等或相近，以便使各个换能器上载荷均衡。同时还要求各个换能器的工作频率一致(频率差应在士0.1%范围内)，这样方能使各个换能器均有较高的转换效率。为此，同一台设备的换能器必须按阻抗及工作频率进行选配，选配好的换能器用E-1胶粘结在清洗槽体槽外底部。换能器与清洗槽体的粘结工艺及E-1胶的配方附于本节末。　　为了能满足超声波清洗大型零件的需要，还有一种可以浸没在清洗液中工作的所谓浸没式换能器。浸没式换能器外面有密封的壳体，使用时，可以根据大型工件的形状，将换能器自由放置于清洗槽内，以达到用较小功率的换能器，来清洗较大工件的目的。　　清洗槽体用不锈钢板焊制而成，具有耐腐蚀、耐疲劳、声导性能好、强度高、重量轻等特点。槽体采用不锈钢材料是因为清洗槽内可能使用各种酸、碱清洗液，而且超声波的能量在超声空化区域内非常集中，对槽体材料的强度要求较高。中、小型清洗槽的槽壁厚度一般为1～2毫米，大型清洗槽的槽壁厚度则为3～4毫米。清洗槽底要求光整平滑，通过槽底进出管道的连接要紧固，以免漏泄和清洗时产生振动噪音。　　一般场合下，一台超声波发生器配备一台清洗槽，但是一台大功率的超声波发生器也可以同时配备几台功率较小的清洗槽，只要它们之间功率能匹配相等即可。　　在清洗大型零件或使用大型清洗槽时，除了采用大功率的超声波发生器外，还常常将几台中小功率的超声波发生器组合使用。如用三台功率各为2千瓦的超声波发生器组合起来清洗磨床的花键轴即为一例。　　为了使超声波清洗设备的工作状态最佳，其发生器的输出阻抗与换能器的总的动态阻抗应相一致，发生器与换能器的工作频率也应相一致。这样，在额定工况下，超声波发生器通过换能器转换出来的声功率最大。 三、超声波清洗工艺分析　　超声波的清洗效果取决于超声波清洗工艺的正确选用。为此，对一些工艺参数(如超声波频率、超声波功率密度、超声波清洗时间)、被清洗件的放置、对清洗液的要求及其配方等作一简要分析。　　(一)超声波频率　　在超声波清洗中，首先要正确选用超声波的频率。超声波频率是起决定性作用的工艺参数，因为它对空化作用有直接的影响。超声波频率越低，超声空化作用越强，清洗效果也比较理想，但噪音较大。故一般采用的超声波频率为20千赫左右，此时的空化作用强，清洗效果也比较好。　　对于表面光洁度较高的零件以及具有较小直径的孔类零件，宜采用波长较短、能量较集中的高频超声波清洗。但高频的超声振动在清洗液中衰减较大、作用距离较短、空化强度较弱，因而清洗效率也较低。此外，还由于高频超声波的方向性所产生的“阴影”，会造成被清洗件的某些部位清洗不到的现象。　　在使用无频率跟踪的超声波清洗机时，需经常调节超声波发生器的“频率调节”旋钮，以便使其输出信号的频率与换能器的固有频率始终保持一致，从而达到空化作用最强、清洗效果最好的目的。　　(二)超声波功率密度　　超声波清洗中，清洗效果是随着超声波功率密度增加而提高的。但过高的功率密度会由于空化作用过份强烈而引起被清洗件表面的浸蚀(即所谓空化腐蚀)，从而使被清洗件表面受到损伤。这种现象尤其对工件上的各种镀层以及铝合金件更为突出。为此，对于油污程度严重、形状复杂、有深孔和盲孔的被清洗件，以及在清洗槽较深、清洗液粘度较大时，可选用较大的功率密度。高频超声波清洗时，功率密度也可以选大一些，以抵消其衰减大、作用距离短的弱点。若在粘度较小的清洗液中进行漂洗时，则超声波功率密度可以选小一些。　　(三)清洗时间　　超声波清洗的效果和质量与超声波清洗的时间有关。清洗时间太短会达不到清洗的质量要求；但清洗时间过长，不仅降低工效，而且由于超声波对被清洗件表面的空化腐蚀作用而影响了零件的表面质量。　　油污程度严重、形状复杂的零件清洗时间宜略长一些；具有各种镀层的零件、铝及铝合金件的清洗时间应短些；表面光洁度较高的零件，一般情况下油污会相对少一些，此时清洗时间也不宜过长。　　对于不同件的具体清洗时间应通过试洗确定之。　　(四)被清洗件的放置及清洗方式　　常用的超声波清洗方式是将被清洗件放在清洗槽内清洗液中进行清洗，这主要适用于一般中、小型零件。对于外形尺寸较大的大型零件，可采用局部清洗方式。即将被清洗件部分浸入清洗液中进行清洗，待清洗完毕后再将尚未清洗的部位浸入清洗液中继续清洗，依次直至完全洗遍。对于能在清洗槽中放下的大型零件(如曲轴)，则可采用浸没式换能器进行超声波清洗。　　对于油污程度严重的零件，可先加热浸洗或冲洗，然后再采用超声波清洗。这样可以提高清洗效率和降低清洗成本。　　对于几何形状比较复杂(如有大小不等的孔穴、凹角等)的零件，则可采用多种频率的超声波清洗，即分别在几种不同的超声波频率下进行清洗。　　对于要求严格的工件，可采用几种不同配方的清洗液，分槽依次进行超声波清洗。若使用水溶性清洗液(如碱性清洗液和金属清洗剂清洗液)进行清洗，则最后应用热水对工件进行漂洗。　　在同一清洗槽内，超声波的空化强度并不是均匀相等的。就清洗槽的垂直方向而言，分为空化强烈区和不强烈区。空化强烈区与不强烈区相间，超声波清洗时，应将被清洗件置于空化强烈区内，以便获得较好的清洗效果。若工件较大，则可在清洗时使工件作缓慢的移动。空化强烈区内，越接近超声源，空化强度越高。为此，超声波清洗时，应使被清洗件尽可能地接近超声源。若被清洗件离开超声源太远，则超声波的部分能量将被清洗液所吸收。　　对于那些精度较高的零件，在超声波清洗过程中，为了使它们彼此不至相互撞击而破坏工件的表面精度，应制备一些形状简单的挂具放在清洗槽内，以吊挂各种被清洗件。这样做还可防止工件直接压放在清洗槽底的辐射面上。　　对于小型零件，超声波清洗时，应将它们集中于清洗筐内，然后放入清洗槽中。清洗筐的网眼应尽可能大些(以零件不至于掉落为限)，因为清洗筐的网眼越小，超声波能量的衰减越大。　　超声波清洗过程中，可以将吊挂的被清洗件在清洗槽内来回移动，这样可以使工件能经常通过空化区域，同时也加强了清洗液的搅动，有利于提高清洗效率。　　被清洗件在清洗槽内的安放位置应尽可能地接近槽底辐射面，但绝不能直接搁放在槽底辐射面上。这是因为清洗槽底的超声波辐射面受压以后，不但会直接影响超声波的机械振动，降低清洗效果；而且由于换能器是一直处于工作状态下，而超声波能量却散发不出去，最终会导致换能器从清洗槽底部脱落和换能器中的压电晶体材料的破损。　　在清洗槽内放置工件时，应将被清洗件的重点清洗部位对准超声源。同时还应考虑到清洗时要使被清除下来的污垢能顺利地从被清洗件内排出，如清洗喷油器时，应将喷油器的喷油孔一端朝上，大孔朝下。　　对于被清洗件上的盲孔的清洗，应先在盲孔内注满清洗液，然后将盲孔朝下对准超声源。在清洗过程中，必须使盲孔内的清洗液始终保持充满状态，这样方能取得清洗效果。　　应当指出，有一些零件在清洗前应先进行退磁处理，否则清洗件内残存的铁屑不易在清洗中清除干净。　　(五)对清洗液的要求　　由于超声波清洗的特点，对于所采用的清洗液应有如下要求: 　　1.对油污、油脂、尘土及膏状粘附物有良好的溶解能力，清洗效果要好。　　2.要有一定的表面张力、适当的密度和粘度，以有利于空化作用的产生。表面张力大，空化强度强；清洗液粘度小，容易产生空化。　　3.超声波在清洗液中能量衰减要小。　　4.对精密件的清洗有缓蚀作用。　　5.使用安全，公害要小。　　常用于超声波清洗的清洗液有:碱性清洗液、金属清洗剂清洗液、混合烃类有机溶剂(汽油、煤油、柴油等)、卤代烃类有机溶剂(三氯乙烯等)和芳香烃类有机溶剂(如酒精)。但其中混合烃类有机溶剂由于其表面张力较低，因而超声空化作用较差。而卤代烃类有机溶剂则由于其发生振荡的程度高，溶解油污的能力强等特点，因而比较适用于超声波清洗。　　(六)清洗液的工作温度、加热和过滤　　超声波清洗时，清洗液的温度对于超声空化作用有一定的影响。适当提高清洗液的工作温度有利于空化作用。对于不同的清洗液均有不同的最佳空化温度。 　　一般有利于空化的温度为: 　　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　43～65℃ 　　三氯乙烯　　　　　　　　　　　　　　　32～48℃ 　　混合烃类有机溶剂　　　　　　　　　　　20～35℃ 　　金属清洗剂清洗液　　　　　　　　　　　20～35℃ 　　但是清洗效果并不是完全取决于最佳空化时的温度，它还取决于所采用的清洗液在一定温度时所具有的最佳清洗性能。若只从后者出发考虑，则清洗液温高(当然也有一定的限度)，清洗效果越好。　　为此，必须对上述两方面的因素加以综合考虑，同时还要确保换能器与清洗槽底的粘结强度，故清洗液的工作温度不宜过高。如在超声波清洗时，采用金属清洗液其工作温度可在45℃左右，而三氯乙烯的工作温度可在40℃左右。超声波清洗时，清洗液的清洗性能有如下特点: 　1.低浓度(有一定限度)的清洗液比高浓度的清洗液的清洗能力强。 2.低温和中温的清洗液比高温的清洗液的清洗能力强。　3.对于各种类型的污垢，弱碱性的清洗液比不采用超声波清洗的强碱性清 洗液的清洗效果要好。　　对于水溶性清洗液可采用蒸汽加热或用管状加热器加热(即电阻丝加热)；对于各类有机溶剂只能采用管状加热器对其加热。　　清洗液的加热应在清洗槽外进行。因为在槽内加热，会使热源直接加热换能器与清洗槽底的粘结部位，从而影响其结合强度。采用蒸汽直接加热清洗液，造成清洗液浓度的不稳定，因此清洗液的蒸汽加热应采用热交换的方法。在被清洗件批量较大的情况下，清洗液比较易于污化。清洗液中污垢成份的增加不仅会降低清洗性能，还会影响超声空化作用。为此可以采用如图2-25所示的清洗液过滤净化循环装置来处理清洗液。该装置由清洗槽、清洗液滤清器、电动输液泵及加热器等组成，它可以起到清洗液的加热和滤清的双重作用。应当指出，在超声波清洗中，清洗液的循环不能太快，否则会使清洗液中因带入气体而影响空化程度。　该装置中的清洗液滤清器分为粗滤器和精滤器两部分。粗滤器内装填有羊毛毡、砂、木屑等物，精滤器可利用报废的内燃机车燃油滤清器来代替。这样的粗、精滤器制作方便，成本较低，滤清效果也很好。若要进一步滤清清洗液中直径为0.002毫米以下的研磨砂粒时，则需要采用静电过滤等方法。　　 　　采用上述清洗液加热及过滤净化循环装置，不但提高了清洗效果，还可以延长清洗液的使用期限，降低清洗成本。　　　　(七)换能器与清洗槽体的粘结工艺及E-1胶的配方换能器是用粘结的办法将其粘固在清洗槽体(槽外底部)上，由于换能器是处在高频振动及较高的工作温度条件下工作，因此它很容易从槽体上脱落下来。在超声波清洗设备的维修工作中，修理及胶粘换能器占很大的比重。　　对于脱落下来的换能器，应检查其完好状态。若发现其压电晶体片有破损、紧固螺栓有裂损等，应予以更换。然后将修复或新的换能器用E-1胶粘结到清洗槽体底面。　　E-1胶的配方为: 　　A组　6010环氧树脂………………………………100份　　　　 聚丁二烯环氧…………………………………30份　　　　 聚硫橡胶………………………………………10份　　B组　4-乙基、2一乙基咪唑………………………7份　　　　 固体咪唑………………………………………3份　　　　 磷苯二甲酸聚烯脂……………………………5份　　C组　石英粉(200～300目)(经高温焙烧) 　　使用组份: 　　A:B:C=3.5:0.375:0.75(重量比) 　　具体粘结工艺如下:　　　　　　　粘结前，先对不锈钢槽体的粘结处表面进行喷砂处理，然后进行整形，要求粘结表面粗糙而平整。将待粘结表面清洗干净，并用丙酮擦净。然后将其予热至80℃，用调组好的E-1胶(约2克)放到换能器粘结面的中心，再合放到槽体的粘结部位。此时应一面加压，一面慢慢地旋转换能器，使E-1胶从换能器中心均匀地向四周溢出，以避免粘结处有气泡存在。胶层应越薄越好。　　上完E-1胶后，将清洗槽(连同粘结在上的换能器)放入烘箱，每个换能器上加压数公斤。然后将烘箱温度由室温升高到100℃(约1小时)，再保温2小时，最后待烘箱冷却到室温时即可取出。　　超声波清洗时，为了保证换能器与清洗槽体之间有足够的粘结强度，清洗液的工作温度最好要控制在80℃以下。
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