超声波清洗技术及其在汽车工业中的应用

超声波清洗技术的机理研究、超声波清洗工艺研究及应用，在国外已有近50年的历史，我国起步较晚。上世纪80年代前，我国的超声波清洗研制单位无论从研制队伍还是从生产上讲，有些规模的为数很少。上世纪80年代后，特别是90年代开始，随着我国国民经济的飞速发展，以及科技的不断进步，尤其是**制造技术的需求，超声波清洗技术的研究与超声波清洗设备的研制得到了迅速发展。

超声波清洗属于物理力清洗，其本身为**清洗。目前，超声波清洗已成为国内外*有效的清洗手段，并逐步深入到科技领域的诸多方面和各种生产环节，特别是汽车工业领域的应用更为普遍。

1超声波清洗技术内涵

1.1超声波清洗技术的机理当声波的频率高达超过人耳听觉范围的频率*限(20kHz)时称为超声波，它是一种交变电压，在液体中传播时出现稀疏密集状态。在密集状态时，液体受到正压力，而在稀疏状态时，液体受到拉力即负压力，在介质即清洗液中形成纵向传播的一种机械波。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50~500μm的气泡，这种气泡中充满着溶液蒸汽。在压缩的半波期间，气泡迅速闭合，以每秒2.5万~2.8万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。超声波清洗主要靠这种“空化”效应，空化效应是主要因素。气泡的爆破产生的高压高温冲击波减小了污垢与被清洗件之间的粘着力，引起污垢的破坏和脱离;同时气泡的振动能对被清洗物表面进行擦洗，气泡还能钻入裂缝中振动，使污层脱落。当某些固体表面被油粘附时，油被超声波乳化，迅速脱离清洗件的表面。超声波空化在清洗件表面会产生很高的速度梯度和声流，能进一步削弱或除去边界层污染，同时超声波振动还会引起介质质点的强烈振动，清洗件表面受到强烈的冲击，使污物迅速脱离表面。

1.2超声波清洗的优点

1.2.1速度快

能快速、彻底地清除工件表面上的各种污垢，不必将物件拆开和刷洗，省时省力，降低人工成本，提高了生产效率，一般来说，超声波清洗时间是其它清洗方式的1/4~1/10。

1.2.2清洗效果好

就清洗方式而言，在工业中的清洗方式一般为手工清洗、有机溶剂清洗、蒸汽气相清洗、高压水射清洗和超声波清洗。超声波清洗被国际公认为当前效率*高、效果*好的清洗方式。无论工件多么复杂，将其放入清洗液内，只要是能接触到液体的部位，超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂、手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。

超声波清洗和其它清洗方法的比较，见表1。1.2.3清洗成本低

在所有清洗方式中，清洗成本可分为:设备成本

表1超声波清洗和其它清洗方法的比较

清洗方法                                                           剩余残留物/%

浸润式清洗                                                        70

蒸汽式清洗                                                        65

气相清洗或高压水射清洗                                   10

刷子清洗(在有机溶剂中)                                     8

超声波清洗                                                        0~0.5

和消耗成本。超声波清洗设备使用寿命约为10年，除设备购置成本高于手工清洗和有机碱性溶剂刷洗外，低于气相清洗和高压水射清洗;对于消耗成本，以有效尺寸为600mm×400mm×350mm，功率为1kW，价格约为1万元的超声波清机为例，工作1h，耗电1度，费用约为1.0元，一次清洗可对一定数量的工件同时清洗，清洗时间仅为3~15min，所以每件清洗费用很低;碱性金属清洗剂1kg，价格约为20元，可反复使用20~50h，相当于0.4~1元/h。使用碱性清洗剂清洗，清洗时间长，且基本是单个清洗，效率低。因此对消耗成本而言，采用超声波清洗，不仅清洗效果*好，成本低，而且还节省劳动力成本。

1.2.4益于环境保护

超声波清洗通常采用水基清洗液代替有机溶剂和强酸、强碱的人工清洗，改善了劳动环境、避免了对人体的伤害、减少了对空气、水源的污染，有利于环境的保护，属于**清洗。

1.2.5对工件表面无损超声波清洗通常使用水基清洗剂，对工件表面没有损伤。

1.3超声波清洗设备的基本组成超声波清洗设备无论功率大小，基本上由清洗

缸、换能器、超声波发生器三部分组成。其中大型多槽式超声波清洗设备还包括机械传动装置、清洗液回流过滤装置、温度控制装置、喷流装置和烘干设备，如果是气相式超声波设备还包括一台冷水机。若用碳氢化合物溶剂清洗，则还需真空及干燥设备。1.4超声波清洗技术参数的选择

1.4.1超声波功率的选择超声波清洗效果不一定与所加功率和工作时间成正比，有时用小功率花费很长时间也没有清除污垢，而如果功率达到一定数值，则有可能很快将污垢去除。若超声功率太大，这时液体中空化强度大大超声波清洗适宜于其它方法粗洗后的精洗，特增加，较精密的零件将产生蚀点，造成不必要的损别适合形状复杂或带有深孔、盲空的零件，能取得其失，同时清洗缸底部振动板空化也十分严重，使缸的它方法无可比拟的清洗效果。寿命缩短。另外，超声功率选得太大，使液体中声强2.1除油脂过高，会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，包括去除乳化油、润滑油、防锈油等各种油脂。声波不易辐射到整个缸体中，造成远离声源的地方工件在防锈封存前、电镀前和涂装前都必须进行除清洗作用减弱。所以选择合适的声强是必须的。鉴油清洗，超声波清洗的关键是选用含针对性的表面于目前混响场声强测量的技术尚不够成熟，目前还活性剂和乳化剂的清洗液。是用单位面积上的功率来进行设计，一般一台标准2.2除锈及氧化皮超声清洗器输出功率密度大多选在0.3~0.6W/cm2之间。至于连续波聚焦超声清洗一般选在每平方厘米几十瓦左右，脉冲聚焦超声清洗可选得更高。

1.4.2工作频率的选择

目前常用的超声清洗器工作频率在20~40kHz之间。工作频率低，在使用水或水清洗剂时由空穴作用引起的物理清洗力显然有利，但空化引起的噪声大，噪声分贝数大大超过有关标准，所以20kHz及以下的频率目前很少使用，除非降噪措施跟上。对于小间隙、狭缝、深孔的零件的清洗，选用高一些频率较好。国外有的用几百千赫兹清洗精密钟表零件。对于清洗像硅片表面零点几微米的微小颗粒污物，频率可选在兆赫兹级范围。

1.4.3清洗笼的选择

在清洗小零件物品时，常需要使用网笼，但是网笼会引起超声衰减，所以网笼尺寸要尽可能大，但又不会使小零件掉出。

1.4.4清洗液温度的选择水基清洗液适宜的清洗温度约在40~60°C，尤其在冷天。若清洗液温度过低，则空化效应差，清洗效果也不好。因此大部分清洗设备在缸内设置加热保温控制。如果温度太高，空泡内气体压力增加，引起冲击声压下降，对清洗反而不利。

2　超声波清洗的主要用途

超声波清洗适宜于其它方法粗洗后的精洗，特别适合形状复杂或带有深孔、盲空的零件，能取得其它方法无可比拟的清洗效果。

2.1　除油脂

包括去除乳化油、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。

2.2　除锈及氧化皮

钢铁零件在轧制或热处理后，表面就会生成一层5～10μm厚的氧化铁，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。作为镀膜前处理基础工艺环节，提高了镀膜质量。

2.3除污垢

2.3.1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*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。

2.3.2油腻和油泥

工件被机油污染，再落入尘土，形成的油腻附着力很强;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(1~1.5)×104Pa，用超声波清洗可非常彻底地去除。