超声波清洗技术在制造业中的应用

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维普资讯 http：//www.cqvip.com清洗世界 2006，22(8)：14-17Cleaning World专论与综述 维普资讯 http：//www.cqvip.com第22卷宋占文等.超声波清洗技术在制造业中的应用·15· 超声波清洗技术在制造业中的应用 宋占文 周东良2 (1.天津现代职业技术学院，天津 300222；2.北京铁路局，北京100860) 摘 要：介绍了采用绿色清洗技术的必要性，论述了超声波清洗的机理、特点、工艺参数及工艺过程，阐述了超声波清洗技术在机械制造业中的应用，分析了超声波清洗其它领域的应用及其发展趋势。 关键词：绿色清洗技术；超声波；制造业 中图分类号： TB559 文献标识码：A Application of cleaning technology of supersonic wavein mechanical manufacturing Industry SONG Zhanwen， ZHOU Dongliang? (1.Tianjin Modern Vocational Technology College， Tianjin 300222；2. Beijing Bureau of railway， Beijing 100860) Abstract： The importance of green cleaning technology was introduced in this paper. The mechanism，characteristics， choices of technological parameters and technological process of supersonic wave cleaningtechnology were discussed. The application of cleaning technology of supersonic wave in mechanical manu-facturing industry was expounded. The application of cleaning technology of supersonic wave in other fieldand its developing tendency were analyzed. Key words： green cleaning technology； supersonic wave； manufacturing industry 近半个世纪以来，氟氯烃(ODS-Ozone DepletingSubstance 臭氧层消耗物质)类清洗技术，它以化学性能稳定、去污力强、毒性低、与金属和非金属材料有极好相溶性及安全速干等独特的优点，在机械制造、电子等行业的清洗领域占据主导地位。但它既是破坏地球表面臭氧层的元凶，又是造成环境污染的源头。 出于对保护臭氧层这一人类面临的全球性环境问题的急迫感，联合国决定在2005年全面禁止使用 ODS类清洗技术―。随之，寻求各种替代 ODS 清洗工艺的研究和开发成为世界各国关注的热点，而超声波清洗技术采用非 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。 ( 收稿日期：2006-03-30 ) ( 作者简介：宋占文(1963-)，男，天津人，工程师，主要从事机械设计与制造工作。 ) 超声波清洗技术 1.1 超声波清洗机理 超声波是指频率高于 20 kHz 的声波，与普通声波相比，它波长很短，频率很高。超声波具有如下特征： 1)可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播； 2)可传递很强的能量； 3)会发生反射、干涉、叠加和共振现象； 4)在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波的两个主要参数是：频率f≥20 kHz；声功率 P≥0.3 W/cm²。 超声波是一种交变电压，在液体中传播时出现稀疏密集状态。超声波发生器经换能器将高频振荡电讯号转换成高频机械振荡，以纵波的形式在清洗液中辐射。在辐射波扩张的半波期间，清洗液的致密性破坏并形成无数直径为50~500 pm 的气泡。这种气泡中充满着溶液蒸汽。在压缩的半波期间，气泡讯速闭合，以每秒2.5~2.8万次的频率在液体中产生出数千万个大气压的微核波，这种现象称为“空化”效应。清洗液产生空化的最低声强和声压幅值称为空化阀。在”空化”效应的连续作用下，清洗液的渗透作用加强，声学辐射压力与声学毛细效应促使清洗介质渗入工件表面的微小凹陷和微孔，脉动搅拌加剧，溶解、分散和乳化加速。这样，工件表面或隐蔽处的污垢被爆裂、剥落，从而将工件彻底清洗干净。这个过程是一种物理效应，对工件与环境无任何污染。 1.2超声波清洗的特点 由于超声波清洗采用非 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：清洗速度快，效率高；不需人手接触清洗液，避免繁重肮脏的体力劳动，安全可靠；可延长被清洗部件的使用寿命；节省能耗(与其它清洗设备相比)、工作场地和人工等；对带有深孔、细缝等形状和结构复杂的工件尤为适用；(特别要强调的是)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。 1.3 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 20 kHz ~ 80 kHz。空化阀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”3]。 2)超声波功率密度(声强度) 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。但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。另一方面，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0.3~0.5 W/cm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。但是，并不是说温度越高越好，对不同性质的清洗介质来说，其最佳效果和最佳空化效应也有一定的温度范围，水基清洗剂的最佳温度范围是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。 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。 1.4 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。最常用的超声波清洗形式如图1所示叫]，它是将零件浸人盛有清洗液的超声波清洗槽内，超声波发生器把50 Hz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。由于超声波换能器不动，这样在清洗槽内形成驻波场，即在声压振幅波节处，声压最小，低于空化阕，失去清洗效果，这些区域是清洗“盲区”，需要人工晃动几次工件，清洗才更彻底，更均匀，这种形式适宜中小型工件的清洗。对于尺寸大的工件，超声波振盒产生的空化冲击波覆盖面积有限，冲击波的强度以振盒为中心逐渐递减，单纯增加换能器的数量既增加了设备投入，也解决不了上述清洗盲区的问题，所以工件不能彻底清洗干净。 图1 普通超声波清洗装置示意图 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[4。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。 2 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。I5.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、高效、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5~10 pm 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，再落人尘土，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10~15 kPa，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5。 3 结束语 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、医疗卫生、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。 ( 参 考 文 商献 ) ( [1] 沈金宝.王锡光主编淘汰氟氯烃清洗技术[M].北京：中国标准出版社.1999 ) ( [2」 王文红.机械制造中的超声波清洗技术[J].机械工程 师.2004，(9)：59-60 ) ( [3] 陈思忠.超声波清洗技术与进展[J].洗净技术.2004， (2)：7-12 ) ( 4 任金莲等.绿色非 ODS 超声波清洗技术[J].声学与电 子工程.2002，(2)：43-46 ) ( 15 张秀棉等.超声波技术及其在汽车工业中的应用[J].满 洗世界，2006，22(1)：13-16 )