超聲波原理
超聲波清洗是基于空化作用,即在清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆。由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高,氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱,因此,高頻超聲特別適用於小顆粒污垢的清洗而不破環(huán)其工件表面。
氣泡是在液體中施加高頻(超聲頻率)、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的。因此,任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個基本元件:盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號的超聲波發(fā)生器。
換能器和發(fā)生器
超聲清洗系統(tǒng)zui重要的部分是換能器。現(xiàn)存兩種換能器,一種是磁力換能器,由鎳或鎳合金制成;一種壓電換能器,由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。 將壓電材料放入電壓變化的電場中時,它會發(fā)生變形,這就是所謂的'壓電效應(yīng)'。相對來說,磁力換能器是用會在變化的磁場中發(fā)生變形的材料制成的。
無論使用何種換能器,通常zui基本的因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。超聲波和其它聲波一樣,是一系列的壓力點(diǎn),即一種壓縮和膨脹交替的波(如下圖示)。如果聲能足夠強(qiáng),液體在波的膨脹階段被推開,由此產(chǎn)生氣泡;而在波的壓縮階段,這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內(nèi)爆,產(chǎn)生一種非常有效的沖擊力,特別適用於清洗。這個過程被稱做空化作用。
如果超聲能量足夠大,空化現(xiàn)象會在清洗液各處產(chǎn)生,所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔。空化作用也促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并加速了表面膜的溶解。
然而只有在某區(qū)域的液體壓力低於該氣泡內(nèi)氣體壓力時才會在該區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象,故由換能器產(chǎn)生的超聲波振幅足夠大時才能滿足這一條件。產(chǎn)生空化所需的zui小功率被稱做空化臨界點(diǎn)。不同的液體存在不同的空化臨界點(diǎn),故超聲波能量必須超過該臨界點(diǎn)才能達(dá)到清洗效果。也就是說,只有能量超過臨界點(diǎn)才能產(chǎn)生空化泡,以便進(jìn)行超聲清洗。
頻率的重要性
當(dāng)工作頻率很低(在人的聽覺范圍內(nèi))就會產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低於20kHz時,工作噪音不僅變得很大,而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應(yīng)用中,通常選擇從20kHz到30kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率。該 頻率范圍內(nèi)的清洗頻率常常被用於清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。JTONE提供20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器。
高頻通常被用於清洗較小、較精密的零件,或清除微小顆粒。高頻還被用於被工件表面不允許損傷的應(yīng)用。使用高頻可從幾個方面改善清洗性能。隨著頻率的增加,空化泡的數(shù)量呈線形增加,從而產(chǎn)生更多更密集的沖擊波使其能進(jìn)入到更小的縫隙中。如果功率保持不變,空化泡變小,其釋放的能量相應(yīng)減少,這樣有效地減小了對工件表面的損傷。高頻的另一個優(yōu)勢在於減小了粘滯邊界層(泊努里效應(yīng)),使得超聲波能夠'發(fā)現(xiàn)'極細(xì)小的微粒。這種情況近似於小溪中水位降低時可以看清溪底的小石子。
JTONE提供了一系列中間頻率的產(chǎn)品,有40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗極微小的顆粒時,可選用頻率為350kHz的產(chǎn)品。JTONE近來推出了用於此類場合的MicroCoustics系統(tǒng),其頻率為400kHz。
超聲清洗的*性
超聲清洗目前已被認(rèn)識到的優(yōu)點(diǎn)如下: | |
高精度 | 由於超聲波的能量能夠穿透細(xì)微的縫隙和小孔,故可以應(yīng)用與任何零部件或裝配件的清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時,超聲清洗往往成為能滿足其特殊技術(shù)要求的*的清洗方式; |
快速 | 超聲清洗相對常規(guī)清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多。裝配件無須拆卸即可清洗。超聲清洗可節(jié)省勞動力的優(yōu)點(diǎn)往往使其成為的清洗方式; |
一致 | 無論被清洗件是大是小,簡單還是復(fù)雜,單件還是批量或在自動流水線上,使用超聲清洗都可以獲得手工清洗*的均一的清潔度。 |
超聲清洗工藝及清洗液的選擇
在購買清洗系統(tǒng)之前,應(yīng)對被清洗件做如下應(yīng)用分析:
只有這樣,才能提供合適的清洗系統(tǒng)、設(shè)計(jì)合理的清洗工序以及清洗液。
化學(xué)藥劑的選擇
考慮到清洗液的物理特性對超聲清洗的影響,其中蒸汽壓、表面張力、黏度以及密度應(yīng)為zui顯著的影響因素。溫度能影響這些因素,所以它也會影響空化作用的效率。
任何清洗系統(tǒng)必須使用清洗液。水性系統(tǒng)通常由敞口槽組成,工件浸沒其中。而復(fù)雜的系統(tǒng)會由多個槽組成,并配備循環(huán)過濾系統(tǒng)、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。
對於使用溶劑的系統(tǒng),多為超聲波汽相除油脂清洗機(jī),常配備廢液連續(xù)回收裝置。超聲波汽相清除油脂過程是由溶劑蒸發(fā)槽和超聲浸洗槽組成的集成式多槽系統(tǒng)完成的。在熱的溶劑蒸汽和超聲激蕩共同作用下,油、脂、蠟以及其他溶於溶劑的污垢就被除去。經(jīng)過一系列清洗工序后下料的工件發(fā)熱、潔凈、干燥。
選擇清洗液時,應(yīng)考慮以下三個因素:
清洗件處理
超聲清洗的另一個考慮因素是清洗件的上、下料或者說是放置清洗件的工裝的設(shè)計(jì)。清洗件在超聲清洗槽內(nèi)時,無論清洗件還是清洗件籃都不得觸及槽底。清洗件總的橫截面積不應(yīng)超過超聲槽橫截面積的70%。橡膠以及非剛化塑料會吸收超聲波能量,故將此類材料用於工裝時應(yīng)謹(jǐn)慎。絕緣的清洗件也應(yīng)引起特別注意。工裝籃設(shè)計(jì)不當(dāng),或所盛工件太重,縱使的超聲清洗系統(tǒng)的效率也會被大大降低。任何材料,如果網(wǎng)眼高於50目,對於超聲波就表現(xiàn)出實(shí)體的性能,將超聲波反射回去。當(dāng)網(wǎng)眼大於1/4英寸時,對於超聲波才表現(xiàn)出開放式材料的性能。鉤子、架子以及燒杯都可用來支持清洗件。
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