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的技術(shù)與進(jìn)展

發(fā)布時間:2024-04-23
技術(shù)洗凈技術(shù)發(fā)表科研院所、企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者、高層管理人員的科研成果、研究報告,及時反映行業(yè)z新技術(shù)水平,推動行業(yè)健康發(fā)展。
來稿要求文章內(nèi)容具有科學(xué)性、系統(tǒng)性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)性,引用的資料真實(shí)可信,格式符合科技論文的要求,z好有創(chuàng)新或自己的研究成果。
責(zé)任編輯:董鵬華電話超聲波清洗技術(shù)與進(jìn)展陳思忠(上海船舶電子設(shè)備研究所,上海,200025)術(shù)參數(shù)的選擇、超聲波設(shè)備的組成以及超聲波技術(shù)的z新進(jìn)展。
1.刖目超聲清洗技術(shù)的機(jī)理研究及設(shè)備開發(fā)與超聲清洗工藝研究及應(yīng)用在我國已有近50年的歷史,幾乎是與國外同步進(jìn)行的。上世紀(jì)80年代前,我國的超聲清洗研制單位無論從研制隊伍還是從生產(chǎn)上講,有一定規(guī)模的為數(shù)不多。上世紀(jì)80年代后,特別是90年代開始,隨著改革開放的深入和國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,以及科技的不斷進(jìn)步,尤其是先陳思忠(1938―),男,研究員,中國聲學(xué)學(xué)會會士,上海聲學(xué)學(xué)會理事,《聲學(xué)技術(shù)》、《艦船電子工程》等雜志編委。主要從事工業(yè)超聲的研制工作。
進(jìn)制造技術(shù)的需求,超聲清洗技術(shù)的研究與超聲清洗設(shè)備的研制得到了迅速發(fā)展,研制隊伍不斷壯大,研制單位不斷增多。
超聲清洗屬于物理力清洗,其本身為綠色清洗,若在清洗液中添加適宜的清洗劑則屬組合清洗,更具明顯的清洗效果。超聲清洗與現(xiàn)代科技發(fā)展及*制造工藝密切相關(guān),是目前功率超聲中應(yīng)用z為廣泛的領(lǐng)域之一。超聲清洗在各種化學(xué)、物理以及機(jī)械的清洗中是較為有效的一種手段,它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子、輕工、紡織、化工、航空航天、船舶、原子能以及醫(yī)療醫(yī)藥等工業(yè)部門。
技術(shù)洗凈技術(shù)2.超聲波清洗技術(shù)的特點(diǎn)與機(jī)理超聲波清洗與其它清洗相比具有洗凈率高、殘留物少(見表1)、清洗時間短,清洗效果好的優(yōu)點(diǎn)(見)。凡是能被液體浸到的被清洗件,超聲對它都有清洗作用,不受清洗件表面形狀限制,例如深孔、狹縫、凹槽,都能得到清洗。由于超聲波發(fā)生器采用d類工作放大,換能器的電聲效率高,因此超聲清洗具有節(jié)能的特點(diǎn),是一種真正高速、高質(zhì)量、易實(shí)現(xiàn)自動化的清洗技術(shù)。若清洗劑采用非ods清洗劑,則具有綠色環(huán)保清洗作用。超聲清洗對玻璃、金屬等反射強(qiáng)的物體清洗效果好,而不適宜紡織品、多孔泡沫塑料、橡膠制品等聲吸收強(qiáng)的材料。
超聲清洗效果比較超聲清洗槽內(nèi)液體的某一點(diǎn)受壓情況超聲波清洗機(jī)理分兩種情況,一種情況是超聲清洗在中、低頻時,即頻率在20khz130khz范圍內(nèi),特別是在20khz40khz情況下,把液體放入清洗槽內(nèi),槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣,是一種疏密的振動波,介質(zhì)中的壓力作交替變化。如對液體中某一確定點(diǎn)進(jìn)行觀察,這點(diǎn)的壓力如曲線a所示。以靜壓(一般為一個大氣壓)為中心,產(chǎn)生壓力的增減,若依次增加超聲波強(qiáng)度,壓力振幅也隨著增加。像曲線b所示,并產(chǎn)生所謂負(fù)的壓力。在此區(qū)域液體中會產(chǎn)生一種撕拉的力,且形成真空的空泡,并又被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場作用下的振動,當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時,氣泡將迅速增長,然后又突然閉合。在氣泡閉合時,由于液體相互碰撞,將產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波,其z大的壓強(qiáng)pmax由(1)式表示。
其中p0為靜水壓,rm為空穴的初始半徑,r為空穴半徑,根據(jù)(1)式估算,局部壓強(qiáng)可達(dá)到上千個大氣壓。這就是平常所說的超聲空化。超聲空化有一個閾值,其含義為使液體產(chǎn)生空化的z低聲強(qiáng)或聲壓幅值??栈損c可由式(2)表示:其中。為表面張力系數(shù),pv為蒸氣壓,r0為氣泡核半徑,可見空化閾值隨液體不同而不同。同一種液體,在不同的壓力下,其空化閾值不一樣,它隨著壓力增加而增加,與液體粘滯系數(shù)有關(guān)。粘度大,表面張力大,空化閾值高??栈撝颠€與工作頻率有關(guān),頻率越高其空化閾值也越高,產(chǎn)生空化越難。氣泡在聲場下作振動,但不一定破裂,只有當(dāng)聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時才可使氣泡破滅。氣泡的諧振頻率由式(3)給出。
空化閾值與頻率的關(guān)系曲線如所示。空化技術(shù)洗凈技術(shù)閾值還與液體含氣量有關(guān),含氣量愈少,空化閾值愈高??栈撝蹬c超聲波作用時間長短時間有關(guān),超聲波輻射時間愈長空化閾值愈低。空化閾值與清洗液溫度有關(guān),清洗液溫度升高,對空化有利,但溫度過高時,氣泡中蒸汽壓增大,因此氣泡閉合期增強(qiáng)了緩沖作用而使空化減弱。對于水清洗液,較適宜的溫度為60c左右。根據(jù)以上中低頻超聲清洗機(jī)理,可選擇z佳工作狀態(tài),從而得到z佳清洗效果。
第二種情況:超聲清洗工作頻率在1mhz左右甚至高達(dá)3mhz,有時被稱之為兆赫級超聲清洗。由于頻率太高,聲波在清洗液中很難發(fā)生空化,其清洗機(jī)理一般認(rèn)為主要由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用,而空化效應(yīng)是次要的。這種超聲清洗的特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng),清洗時一般將零件表面置于與聲束平行的方向。
從上述超聲清洗機(jī)理可知,超聲清洗主要由超聲空化引起,空化效應(yīng)是主要因素。氣泡的爆破產(chǎn)生的高壓高溫沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的粘著力,引起污垢的破壞和脫離;同時氣泡的振動能對被清洗物表面進(jìn)行擦洗,氣泡還能鉆入裂縫中振動,使污層脫落。當(dāng)某些固體表面被油粘附時,油被超聲波乳化,迅速脫離被清洗件表面。超聲空化在被清洗件表面會產(chǎn)生很高的速度梯度和聲流,能進(jìn)一步削弱或除去邊界層污染,同時超聲振動還會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈振動,使被清洗件表面受到強(qiáng)烈的沖擊,使污物迅速脫離表面。
3.超聲清洗技術(shù)參數(shù)的選擇超聲清洗效果不一定與所加功率和工作時間成正比,有時用小功率花費(fèi)很長時間也沒有清除污垢,而如果功率達(dá)到一定數(shù)值,則有可能很快將污垢去除。若超聲功率太大,這時液體中空化強(qiáng)度大大增加,較精密的零件將產(chǎn)生蝕點(diǎn),造成不必要的損失,同時清洗缸底部振動板空化也十分嚴(yán)重,使缸的壽命縮短。另外一點(diǎn):超聲功率選得太大,使液體中聲強(qiáng)過高,會產(chǎn)生大量氣泡,在聲波表面形成一道屏障,聲波不易輻射到整個缸體中,造成遠(yuǎn)離聲源的地方清洗作用減弱。所以選擇合適的聲強(qiáng)是必須的。鑒于目前混響場聲強(qiáng)測量的技術(shù)尚不夠成熟,目前還是用單位面積上的功率來進(jìn)行設(shè)計,一般一臺標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗器輸出功率密度大多選在0.30.6w/cm2之間。至于連續(xù)波聚焦超聲清洗一般選在幾十瓦每平方厘米左右,脈沖聚焦超聲清洗可選得更高。
3.2工作頻率的選擇目前常用的超聲清洗器工作頻率在2040khz之間。工作頻率低,在使用水或水清洗劑時由空穴作用引起的物理清洗力顯然有利,但空化引起的噪聲大,噪聲分貝數(shù)大大超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),所以20khz及以下的頻率目前很少使用,除非降噪措施跟上。
對于小間隙、狹縫、深孔的零件的清洗,選用高一些頻率較好。國外有的用幾百千赫茲清洗精密鐘表零件。對于清洗像硅片表面零點(diǎn)幾微米的微小顆粒污物,頻率可選在兆赫茲級范圍。
3.3清洗籠的選擇在清洗小零件物品時,常需要使用網(wǎng)籠。但是網(wǎng)籠會引起超聲衰減。為改變網(wǎng)眼尺寸后測技術(shù)洗凈技術(shù)量的透射率結(jié)果。從中看出,當(dāng)頻率為28khz時,網(wǎng)眼尺寸大于1mm以上為好。
3.4清洗液溫度的選擇水清洗液適宜的清洗溫度大約在4060°c間,網(wǎng)眼尺寸與聲波透射率的關(guān)系尤其在冷天。若清洗液溫度過低,則空化效應(yīng)差,清洗效果也不好。因此有部分清洗器在缸內(nèi)設(shè)置加熱保溫控制。如果溫度繼續(xù)升高,空泡內(nèi)氣體壓力增加,引起沖擊聲壓下降,對清洗不利(見)。從中看出,在各種不同的清洗液中,空化強(qiáng)度對鋁的腐蝕量隨溫度變化有個z佳值。表2表明在相同超聲強(qiáng)度和相同頻率下,相同時間內(nèi),鋁在不同液體中的溫度與腐蝕量的關(guān)系。
3.5清洗液量的選擇清洗液量一般高于振子表面100mm以上為清洗物品在缸中位置的選擇佳,但根據(jù)清洗器功率大小有所不同,例如功率為300w、頻率為25khz的清洗器液面高約100 120mm;而功率為600w時,液面可到150mm左右。由于單頻清洗器受駐波場的影響,波節(jié)處振幅很小,而波幅處振幅很大,造成清洗不均勻,z佳選擇是被清洗件位置應(yīng)放在波幅處(見),或使物品上下移動,使清洗均勻。
4.超聲波清洗設(shè)備的基本組成超聲波清洗設(shè)備無論功率大小,基本上由清表2鋁在不同液體中的空化腐蝕量/mg 溫度水煤油苯酒精丙酮10|洗凈技術(shù)技術(shù)洗凈技術(shù)洗缸、換能器、超聲波發(fā)生器三部分組成。其中大型多槽式清洗器還包括機(jī)械傳動裝置、清洗液回流過濾裝置、溫度控制裝置、噴流裝置和烘干設(shè)備,如果是氣相式超聲設(shè)備還包括一臺冷水機(jī)。若用碳?xì)浠衔锶軇┣逑矗瑒t還需真空及干燥設(shè)備。
也稱為清洗槽。清洗缸尺寸的選擇應(yīng)根據(jù)超聲電功率大小而定,如果以每只50w標(biāo)準(zhǔn)換能器進(jìn)行組裝,則缸底尺寸基本上以。5w/cm2進(jìn)行計算,至于深度應(yīng)考慮上面所述的液面高度,還應(yīng)適當(dāng)滿足被清洗件的尺寸要求。缸的材料大多選用不銹鋼,厚度在1.53.0mm之間,缸底加工必須平整,還需噴砂處理。
超聲清洗器的換能器有磁致伸縮換能器和壓電式換能器兩種,由于前者材料價格貴、電聲效率低,目前基本上不用;而壓電式換能器電聲效率高、價格便宜、安裝方便,目前被超聲清洗器普遍采用。壓電式換能器的結(jié)構(gòu)形式主要為單螺釘緊固的縱向振動換能器,由兩片中心穿孔的壓電陶瓷晶片及前后蓋板組成。為了提高清洗器的工作穩(wěn)定性和效率,還發(fā)展了一種半穿孔結(jié)構(gòu)式寬頻帶換能器,這種換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在換能器輻射面上沿著軸向均勻地鉆有一定數(shù)量、同一深度的孔,構(gòu)成半穿孔結(jié)構(gòu)。在一定孔深時,鉆孔的孔徑越大,頻帶越寬;在一定穿孔面積時,孔越深,頻帶寬度也加寬。這種換能器比一般換能器頻帶寬度大一倍以上,可達(dá)到±2khz左右,其電聲效率在頻帶范圍內(nèi)仍能達(dá)到80%以上,比普通換能器電聲效率高,從而克服了大功率超聲清洗器中普通換能器由于頻帶窄,給多個換能器并聯(lián)帶來的麻煩。半穿孔結(jié)構(gòu)式換能器還能減弱輻射面的橫向振動,有利于高頻換能器的輻射面的增加,對改善超聲清洗設(shè)備的性能是有利的。
近來又發(fā)展了一種雙頻清洗用的縱振換能器,這種換能器有兩個諧振頻率,這種雙頻超聲波的作用能大大改善清洗缸的聲場分布,提高清洗效果。還有一種聚焦式超聲清洗換能器,其輻射面功率承受達(dá)幾十瓦上百瓦/平方厘米。這種換能器一般由三節(jié)組成,節(jié)為縱向壓電振子,第二節(jié)為變幅桿,第三節(jié)為輻射器,第三節(jié)材料用經(jīng)過特殊工藝處理的能耐高疲勞強(qiáng)度的不銹鋼或鈦合金材料組成。
目前*的發(fā)生器主要有兩種形式,一種是上世紀(jì)70年代末80年代初上普遍采用的自激式d類晶體管(或模塊)開關(guān)功率放大器。其特點(diǎn)為線路簡短,換能器是自激振蕩器的一個部件,所以隨著負(fù)載頻率的變化,振蕩器頻率能跟著變化,有頻率跟蹤的功能。要實(shí)現(xiàn)大功率超聲波發(fā)生器采用多路合成容易,電路可靠性、可維修性較好。其缺點(diǎn)是無保護(hù)電路,功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)。另一種超聲波發(fā)生器是他激式的,且末級采用功率模塊的開關(guān)電源式的功率放大器,其前置控制不管是模擬的還是數(shù)字的,均采用pwm(脈寬調(diào)制)方式,頻率可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)、特點(diǎn)頻率穩(wěn)定度尚好,功率可連續(xù)調(diào)節(jié)。由于采用高壓、大電流igbt或m0s模塊,大功率清洗用超聲發(fā)生器體積較小,可靠性較好,且開關(guān)電源控制電路技術(shù)成熟(0.53kw的單板發(fā)生器已有商品),是超聲清洗器用發(fā)生器的發(fā)展方向之一。
5.超聲波清洗技術(shù)的新進(jìn)展超聲波清洗技術(shù)經(jīng)過幾十年來的理論探討和應(yīng)用研究,無論設(shè)備還是工藝上均取得了較大的發(fā)展,有關(guān)單位相繼研發(fā)了一大批新的產(chǎn)品,也制訂出了一些*典型的清洗工藝。
高頻超聲清洗對于像硅片表面小至零點(diǎn)幾微米的超微污物粒子,常規(guī)的*無能為力,即使增加功率密度也無濟(jì)于事。近來發(fā)展了一種兆赫茲級的高頻超聲清洗技術(shù),由于頻率高,空化效應(yīng)已不起作用,因此清洗的關(guān)鍵不是氣泡,是高頻壓力波的擦洗作用,其對污物的去除率接近。高頻清洗近來發(fā)展較快,主要用于超大規(guī)模集成電路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特種污物的清洗。
對于像紡織行業(yè)的噴絲板、過濾器之類微孔物件的清洗,常規(guī)的超聲清洗效果十分不理想,聲技術(shù)洗凈技術(shù)強(qiáng)達(dá)不到要求,而采用機(jī)械掃描聚焦式超聲清洗,噴絲板微孔中的污物脫離十分明顯。聚焦式清洗要求達(dá)到高的聲強(qiáng),目前選用的頻率以低頻為主,常用20khz和15khz兩種頻率,個別的頻率也有28khz的,其電功率在連續(xù)波情況下一般為500 700w,間隙脈沖工作狀態(tài)下,功率可高一些。
即在一只清洗缸中,安裝有兩種或三種以上不同頻率的換能器,由多只發(fā)生器分別推動各自頻率的換能器。我們知道,清洗器工作頻率高時,在液體中空化強(qiáng)度低而空化密度大,而工作頻率低時則相反。低頻超聲波的強(qiáng)度高,對物體表面清洗有利;高頻超聲波空化密度高,沖擊波能穿達(dá)凹槽、細(xì)縫、深孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)。同時缸中有多種頻率的超聲波,也克服了單頻清洗駐波場造成的清洗不均勻問題。
掃頻和跳頻清洗都是為了改善缸中的聲場結(jié)構(gòu),前者解決了缸中的不均勻駐波場,使清洗均勻。而跳頻和多頻一樣兼顧到高低頻清洗,不同的是跳頻用的是一只換能器和一只發(fā)生器,其換能器本身有兩個諧振頻率,在諧振點(diǎn)帶寬內(nèi)作連續(xù)的頻率變化,然后跳到另一帶寬內(nèi)進(jìn)行掃頻清洗。它是高低頻交替進(jìn)行清洗。
為了提高物件的清洗質(zhì)量,應(yīng)根據(jù)被清洗物的性質(zhì)和污物的類型,選擇合適的清洗工藝及對環(huán)境無污染的非0ds的清洗劑,以及相應(yīng)的配套設(shè)備。近來國內(nèi)外在這方面做了大量研究工作,也投入了大量資金、人力和物力,并取得了相應(yīng)的成超聲波清洗工藝的選擇是指對超聲波清洗方式、清洗液溫度、超聲頻率、超聲功率密度、清洗時間以及清洗液的選擇及配制。至于參數(shù)的選擇,上面已有論述,所以不多展開,在這里主要說明,合適的清洗液對于超聲波清洗效果和環(huán)境保護(hù)具有很大影響。由于超聲波清洗機(jī)理主要是利用空化作用,清洗液的選擇除了要考慮清洗件本身材料、油污、機(jī)械雜質(zhì)外,還必須保證清洗液粘度小、表面張力小,以利于清洗液的空化;有時還需添加助溶劑、穩(wěn)定劑、消泡劑及靜電去除劑等添加劑。近來對環(huán)保的要求越來越嚴(yán),根據(jù)蒙特利爾協(xié)議書,必須全面禁止使用各種0ds清洗劑,因此目前各種0ds清洗劑替代物相繼在研發(fā)和試驗中,為此超聲波水基清洗、超聲波半水基清洗和超聲波碳?xì)浠衔锶軇┣逑匆约跋鄳?yīng)的工藝、相關(guān)的設(shè)備研發(fā)也在同步進(jìn)行。目前要全面*替代0ds清洗劑還有一個相當(dāng)?shù)倪^程,但相信在超聲界和化學(xué)溶劑界的不斷努力下,一個既具有清洗性又具有環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的非0ds超聲清洗技術(shù)將會獲得廣泛的應(yīng)用。
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