前后处理|超声波清洗的原理和实际应用
发布时间：2018-04-23
随着科学技术的高速发展,超声技术已越来越多地应用于人们的生产和生活的各个领域。从超声测厚到超声诊断、治疗,超声波焊接,它已为人们所熟悉。但超声设备在清洗行业的应用,人们还不够熟悉和了解。
超声波清洗技术最早出现于20世纪30年代早期,当时,位于美国新泽西州的美国无线电公司的一个实验室中的技术人员尝试用自制的简陋超声波清洗系统清洗某些物体,但试验未获成功。在此基础上,超声波清洗技术在20世纪50年代有了很大的发展,当时使用的超声波工作频率在20～40kHz之间。该范围内的超声波被应用在数千种不同的工作场合下,其中许多是别的清洗手段不能很好发挥作用的场合。超声波可以对工件施加非常巨大的能量,尤其适用于清除牢固地附着在基底上的污垢。然而在某些情况下,超声波强大的能量也会损伤粘有污垢而性质脆弱的基底材料。在过去的十几年中,超声波领域中出现了一些技术革新,提高了清除敏感基底上的污物的安全系数。在此期间,超声波技术,特别是中高频超声波清洗技术有了新的发展,并成为行业的亮点。近年来,人们发现用兆声波(根据超声波的频率不同,把40kHz及其以下的称为常规或低频超声波,把1000kHz以上的称为高频超声波,又称兆频超声波,简称兆声波)清洗可以去除掉半导体材料表面上的超细污垢微粒,并且不会损伤基底材料的表面。目前这项技术已经得到了很快的普及。
1、超声波清洗的优势
1.1、清洗效果好
运用于工业清洗的清洗方式一般为人工清洗、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。超声波清洗被国际公认为是当前效率最高、效果最好的清洗方式,其清洗效率达到了98%以上,清洗洁净度也达到了最高级别。而传统的人工清洗和有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为60%～70%,即使是气相清洗和高压水射流清洗的清洗效率也低于90%。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、人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理想。超声波清洗可根据溶剂的不同达到不同的效果,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。
1.2、清洗成本低
在所有清洗方式中,清洗成本大体为:设备成本和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为十年,设备购置成本高于人工清洗和有机碱性溶剂刷洗,低于气相清洗和高压水射流清洗,对于消耗成本,以有效尺寸为600×400×350mm3,功率为1kW,价格约为1万元的超声波清洗机为例,耗电1kW·h约为0.5元;碱性金属清洗剂1kg,价格约为20元,可反复使用20～50h(根据污染程度而定),相当于0.4～1元/h,而一般工件清洗时间仅为3～15min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。
1.3、避免劳动损伤
以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动,需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件,应用了超声波清洗机以后,不仅改善了劳动环境,杜绝了手工清洗对工件产生的伤害,减轻了劳动强度,而且在大幅提高清洗精度的基础上,清洗时间缩短为原来的四分之一。超声波清洗还可有效地降低污染,减少有毒溶剂对人类的损害。
2、超声波清洗的原理
超声波是一种频率超出人类听觉范围20kHz以上的声波。超声波很像电磁波,能折射、聚焦和反射,然而和电磁波又不同,电磁波可以在真空中自由传播,而超声波的传播要依靠弹性介质。其传播时,使弹性介质中的粒子振荡,并通过介质按超声波的传播方向传递能量,这种波可分为纵向波和横向波。在固体内,两者都可以传送,而在气体和液体内,只有纵向波可以传送。超声波能够引起质点振动,质点振动的加速度与超声频率的平方成正比。因此,几十千赫兹的超声会产生极大的作用力,强超声波在液体中传播时,由于非线性作用,会产生声空化。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力,对污层的直接反复冲击,一方面破坏污物与清洗件表面的吸附,另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中。气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。气泡还能“钻入”裂缝中做振动,使污物脱落。对于有油脂性污物,由于超声空化作用,两种液体在界面迅速分散而乳化,当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时,油被乳化,固体粒子即脱落。空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流,即所谓声流。他可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力,促使清洗件表面污物的破坏和脱落,超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层,腐蚀固体表面,增加搅拌作用,加速可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用。此外,超声振动在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击。由上述超声清洗原理可知,凡是液体浸到空化产生的地方都有清洗作用,不受清洗件表面复杂形状的限制,如部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔都能得到清洗,而这些部件用一般刷洗方法是不能清洗干净的。
3、超声波清洗的主要设备
超声波清洗设备主要由发生器、换能器和清洗槽三部分组成。发生器即电源,产生电磁振荡信号并提供能量;换能器即振板,是超声清洗的关键部分,它把发生器产生的电磁振动转换成换能器本身的超声振动,并传入清洗槽中产生空化作用,通常置于槽底部;清洗槽用来容纳清洗液及待清洗的工件。
4、影响超声波清洗效果的因素
4.1、超声波强度
即单位面积的超声功率。超声清洗的效果好坏取决于空化作用,但空化作用的产生与超声波强度有关,在通常情况下,在单位面积超过0.3W超声功率时(输入电功率为1W)。超声波强度越大,空化作用越明显,清洗作用越好。另外,根据不同的清洗对象,选择适当的超声波强度,如清洗电路板时超声强度可低些,清洗机械零件时超声波强度可高些。
4.2、超声波频率
空化作用还与超声波频率有关,空化的产生存在着一个最小的临界幅度,即空化是随着频率的升高而降低的。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象,大致分为三个频段:低频超声清洗(20～50kHz)高频超声清洗(50～200kHz)和兆赫超声清洗(700～1000kHz)。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合;高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精细清洗。如磁盘、驱动器、读写头、液晶玻璃及平面显示器微组件和抛光金属件等的清洗;兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及薄膜等的清洗。
4.3、清洗溶液的选择
清洗剂的选择要从两个方面考虑,一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂;另一方面要选择表面张力、蒸气压及黏度合适的清洗剂。因为这些特性与超声空化强弱有关。液体的表面张力大则不容易产生空化,但是当声强超过空化阈值时,空化泡崩溃释放的能量也大,有利于清洗。高蒸气压的液体会降低空化强度,而液体的粘滞度大也不容易产生空化,因此蒸气压高和黏度大的清洗剂都不利于超声清洗。
4.4、清洗的温度
清洗温度升高时,对空化的产生有利,但是温度过高气泡中的蒸气压增大,空化强度会降低,所以温度的选择要考虑对空化强度的影响也要考虑清洗液的化学清洗作用。每一种液体都有一空化活跃的温度,水较适宜的温度是60℃左右,此时空化最活跃。
4.5、驻波的影响
清洗槽是有限空间,超声波由声源向液面传播时,在液体和气体的交界面会反射回来而形成驻波。驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小,而在另外一些地方声压最大,这样会造成清洗不均匀的现象。要减少驻波的影响有时清洗槽特意做成不规则的形状以避免驻波的形成。有时在超声电源方面采取扫频的方式,使声压最小处不固定在一个地方,而是不断地移动以达到较均匀的清洗。
5、超声波清洗的应用
由于超声波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越性,因此广泛应用于日常生活、电子业、制药工业、实验室、机械业、金属工业、化学工业等诸多领域。
5.1、日常生活
日常生活中,眼镜、首饰都可以用超声波进行清洗,速度快,无损伤。宾馆、饭店和家庭日常清洗餐具,不仅清洗效果好,还具有杀灭病毒的作用。
5.2、制药工业
超声波清洗技术经过众多制药企业的应用而得到广泛使用,特别是对西林瓶、口服液瓶、氨瓶、大输液瓶的清洗以及对丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面,已经得到肯定。对于瓶类的清洗,是用超声波清洗技术代替原有的毛刷机,经过翻转注水、超声清洗、内外冲洗、空气吹干、翻转等流程而实现。
5.3、电子工业
印制电路板焊接后,一般都会或多或少地有助焊剂残留物附在基板上。这些残留物会对基板造成不良的影响(如短路、漏电、腐蚀、接触不良等)。给电子制造业带来品质上的影响。采用超声波清洗技术,可大大降低残留物的量,进一步提高洁净度。
5.4、金属行业
众所周知,金属棒材经挤压成丝后,金属丝的外部往往有一层碳化膜和油,用酸清洗或其它清洗方法,很难让污物去除(尤其整盘丝),超声波洗丝机是根据实际生产需要而设计的一种连续走丝,高效清洗设备,粗洗部分由清洗液储槽、换能器、循环泵、过滤器及配套管道系统组成,金属丝经超声波粗洗精洗后,再经过吹干,从而完成整个清洗过程。整套设备集成控制,简洁、方便、效果好,广泛用于钽丝、钨丝、钼丝、铌丝、铜丝(绝缘漆涂覆前)等金属丝。
5.5、精密光学仪器
光学仪器的透镜表面常因切片,研磨等加工而造成表层被磨屑、油污等污染,有的已渗入表层微观组织内,用其它工艺清洗很难奏效,但改用高效率的超声波清洗,就可化难为易。
6、超声波清洗技术的新进展
超声波清洗技术经过几十年来的理论探讨和应用研究,无论在设备还是在工艺上均取得了较大的发展,有关单位相继研发了一大批新的产品,也制订出了一些先进典型的清洗工艺。
6.1、高频超声清洗
对于像硅片表面小至零点几微米的超微污物粒子,常规的超声波清洗器无能为力,即使增加功率密度也无济于事。近来发展了一种兆赫兹级的高频超声清洗技术,由于频率高,空化效应已不起作用,因此清洗的关键不是气泡,是高频压力波的擦洗作用,其对污物的去除率接近百分之百。高频清洗近来发展较快,主要用于超大规模集成电路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特种污物的清洗。
6.2、聚焦式清洗
对于像纺织行业的喷丝板、过滤器之类微孔物件的清洗,常规的超声清洗效果十分不理想,声强达不到要求,而采用机械扫描聚焦式超声清洗,喷丝板微孔中的污物脱离则十分明显。聚焦式清洗要求达到高的声强,目前选用的频率以低频为主,常用20kHz和15kHz两种频率,个别的频率也有28kHz的,其电功率在连续波情况下一般为500～700W,间隙脉冲工作状态下,功率可高一些。
6.3、多频清洗
即在一只清洗槽中,安装有两种或三种以上不同频率的换能器,由多只发生器分别推动各自频率的换能器。我们知道,清洗器工作频率高时,在液体中空化强度低而空化密度大,而工作频率低时则相反。低频超声波的强度高,对物体表面清洗有利,高频超声波空化密度高,冲击波能穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构。同时缸中有多种频率的超声波,也克服了单频清洗驻波场造成的清洗不均匀问题。
6.4、扫频和跳频清洗
扫频和跳频清洗都是为了改善槽中的声场结构,前者解决了槽中的不均匀驻波场,使清洗均匀。而跳频和多频一样兼顾到高低频清洗,不同的是跳频用的是一个换能器和一个发生器,其换能器本身有两个谐振频率,在第一谐振点带宽内作连续的频率变化,然后跳到另一带宽内进行扫频清洗,是高低频交替进行清洗。
7、结束语
超声波清洗具有广泛的应用领域和应用价值,相信随着科学技术的不断进步,超声波清洗在清洗领域必将得到快速发展,实现振兴行业、振兴中华,服务于全世界的远大目标。
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