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超声波清洗机工作原理

2021-08-04 19:37
超声波是频率高于20kHz的声波,它本身具有很强的能量,而且方向性好,穿透能力强。人们可以利用它的特点来改变材料状态或性能,在生产过程中得到广泛应用。超声波的振动能通过清洗液的作用起到粉碎固体、雾化、乳化、提取和凝聚等作用。超声波与声波类似,均为机械振动在介质中的传播,只是两者的频率有所差异。利用超声波清洗,可以借助于超声波的作用产生振动,通过该种疏密相间的振动来拉伸、压缩液体,在“疏”的位置,形成空穴,“密”的位置则会产生压缩。在超声波的振动下,清洗液内部会频繁拉伸、压缩,促使微气泡产生、破裂,在破裂时,周围清洗液会进入气泡中心,以巨大的速度产生水击。在具体运行过程中,通过肉眼是可以直接观察到整个作用过程的,此时,如果将手指放置在清洗液中,会产生针刺的感觉。这就是超声波的超声空化现象。经过一段时间的清洗之后,外表的污垢会慢慢脱落,达到清洁的目的。

超声波清洗机清洗原理


超声波清洗作用包括超声波本身具有的能量作用,真空洞穴破坏时产生的能量作用以及超声波对清洗液的搅拌流动作用这三种作用,分别称为加速度作用、空化作用和直进流作用。当使用的超声波频率在28~100kHz范围内时,超声波的三种作用都存在。当频率比较低的时候,起主要作用的是空化作用,当频率特别高的时候,起主要作用的是加速度作用与直进流作用。
 
加速度作用
超声波具有很高的能量,它在清洗液中传播时,把能量传递给质点,质点再将能量传递到清洗对象表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波,纵波传播的过程中质点的振动方向与波的方向一致。在此过程中,质点运动造成质点分布不匀,出现疏密不同的区域。在质点分布稀疏区域,声波形成负声压,在质点分布致密区域,声波形成正声压,并形成正负声压的交替连续变化。这种变化使得质点获得一定动能和加速度。质点振动加速度大小符合以下公式:
 
其中:α为质点振动的加速度,m/s,ρ为清洗液密度,kg/m2,c为声波在清洗液中的传播速度,m/s,(对于水,ρc等于1.46×106kg/(m2·s)),f为超声波频率,H2,I为超声波强度或输出的功率密度,W/cm2。由此式可知,对于半波长为1mm的高频超声波,在这样小的距离中就要出现方向相反的相当于重力加速度数百万倍的加速度变化,以及成千大气压的声压压强的变化,清洗液质点把这些能量传给污垢并造成它们的解离分散,因此加速度作用清洗的效果是非常明显的。

 
空化作用(Cavitation)
在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗,其原理可用“空化”现象来解释,清洗效果和超声波在液体中产生的“空化”强度有密切的关系。超声波振动在液体中传播,当其声波压强达到一个大气压时,超声波的功率密度约为0.35W/cm2,这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值就可以轻易达到真空或负压;但实际上是无负压现象存在的,因而在液体中产生一个很大的力,将液体分子拉裂成空洞(空化核),此空洞为真空或非常接近真空,此空洞在信号电压(或超声波压强)值下一个半周达到最大时。由于周围压力的增大而被压碎,此时液体分子激烈碰撞产生非常强大的冲击力,将被清洗物体表面的污物撞击下来,这些无数细小而密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称之为“空化”作用。这种空化作用非常容易在固体与液体的交界处产生,因而对于浸入超声作用下液体中的物体具有超乎寻常的清洗作用。另外,由于超声波具有很强的穿透固体的作用,可以穿透到被清洗物的另一侧表面,以及所有浸入介质中的内腔、盲孔、狭缝,将清洗物表面附着的污垢剥落,达到完美的清洗效果。同时超声波还有乳化中和作用,能更有效防止被清洗掉的油污重新附着在被清洗物件上。所以这种“空化”作用对浸入超声波作用下的液体中物体内外表面(如管件、箱体件)均能得到清洗,这是超声波清洗优于其它清洗手段的重要方面。
超声波清洗机清洗原理
超声波空化除污过程

超声波以正压和负压交替连续变化的方式向前传播,负压时在清洗液中造成微小的真空洞穴,这时溶解在清洗液中的气体会很快进入这些真空洞穴并形成气泡;正压时,真空洞穴气泡被绝热压缩,最后被压破,在气泡破裂的瞬间会产生上千个大气压的冲击波,能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。若清洗过程中产生了可见的空气气泡将对空化作用产生抑制效果而降低清洗效率。这种现象在低频率的超声波范围内频繁而激烈地发生。真空洞穴破裂时产生的高压符合以下公式:
其中,p为真空洞穴界面压力,Pa;Po为标准大气压,Pa;ro为真空洞穴最初半径,cm;r为真空洞穴破裂前最大的半径,cm。
超声波清洗机清洗原理
超声振动在清洗液中的传播

直进流作用
直进流就是超声波的能量沿声波的传播方向而流动的清洗液,使清洗件表面的清洗液产生对流。直进流由于非线性效应会产生声流和微声流,而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流,所有这些作用,能够破坏污物,除去或削弱边界污层,增加搅拌、扩散作用,加速可溶性污物的溶解,强化清洗液的清洗作用。一般情况下超声波清洗机在低频下工作。低频情况下超声波清洗主要靠真空洞穴产生以及破裂的作用,而产生真空洞穴的效率与超声波声学参数和清洗液的物理化学性质有关。为了获得良好的清洗效果必须选则合适的清洗液和适当的超声波声学参数。因此影响超声波清洗效率的因素主要有:①超声波的声强或声压;②超声波的频率;③清洗液的性质及温度;④其它影响超声波清洗效率的因素,如驻波等。
 

超声波清洗的主要作用机理是超声空化作用,主要表现在以下几个方面。

(1)存在于清洗液中的微气泡(空化核)在超声波发生器及换能器的作用下将超声发生源的声能转变为超声振动,当压力达到一定数值时,微气泡将迅速膨胀,然后又突然间闭合,在微气泡闭合的瞬间所产生的冲击波能在其周围产生上千个大气压,通过清洗液质点的传播,把能量传递到清洗件表面释放,在污物层和表层间的间隙和空隙渗透,使污物层一层一层被剥离,直到污物层被完全剥离。同时,超声波在清洗液中的传播过程连续不断地形成压缩和稀疏的区域(如图1所示)。这些气泡反复地在稀疏区受负压时膨胀,在压缩区受正压时闭合,瞬间释放巨大的能量。因此,当气泡完全消失的瞬间会立即产生强大的冲击波,这就是所谓的超声空化效应。空化效应产生的巨大冲击力及强烈振动反复作用可破坏不溶性的污物,使其分散脱落于清洗液中。
(2)蒸汽型空化作用对污物层的直接反复冲击一方面破坏了污物与清洗件表面的吸附,另一方面引起污物层的疲劳破坏而削弱或者除去边界污层,加速了可溶性污物的溶解,从而强化了清洗的作用。
(3)对于有油污包裹而粘附在清洗件表面的固体粒子,由于超声空化的作用,清洗液在传播过程中产生的正负交变声压,在清洗件和油污之间迅速分散而乳化,固体粒子立即自行脱落。
(4)空化气泡本身在振荡过程中的辐射扭力作用于液体本身,从而导致液体本身的环流,称为声流。所有这些作用,都加快了破坏污物层的脱落,强化了清洗的进程。
(5)超声空化在污物与清洗液之间所产生的高速微射流也能除去或削弱边界污层,增加搅拌作用。加快可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用。此外,清洗液本身的振动还会对清洗做出很大的贡献(超声波清洗设备示意图如图2所示)。
超声波清洗机原理图
超声波清洗机结构简图

 

超声波清洗力的来源


超声波清洗一般采用2种清洗剂:化学溶剂和水粉剂,对污物油脂均有溶解渗透作用,这是一种化学作用力。而超声波的空化作用却是物理性的,超声波清洗是结合了化学作用和物理作用。首先靠化学作用对污物进行渗透、溶解,然后再通过超声波“空化”作用所产生的冲击力将物体表面的污物层剥离,对之进行搅拌、分散、乳化并防止已脱离物体表面的污物重新附着在物体上。

超声波清洗机工作原理

 
超声波清洗机的构成
超声波清洗机由以下几部分组成:
1)超声波系统:包括换能器和超声波发生器。
换能器:换能器采用特种耐高温、耐振动、高粘度的树脂胶辅以特殊的方法加以固定,绝不脱落,且可耐受100℃~150℃的高温。
超声波发生器:大功率超声波发生器可由超音频IGBT电力电子器件为主要元件构成,该种超声波发生器电路先进,结构完整,辅以灵敏可靠的集成控制系统。各种超声波发生器可独立工作,亦可多组并联使用,以完成大规模清洗工程。
2)加热及温度控制系统。加热器通常采用不锈钢管材制成,可耐酸碱。加热的目的是将清洗剂加热以增加清洗机的洗涤效果。温度自动控制,可在适当范围内随意调整。
3)清洗槽:清洗槽一般采用不锈钢经氩弧焊焊制而成,槽体上设置有排渣检修口、保温隔声层等,要保证水位至少应高出换能器盒200mm以上。
4)槽液循环过滤系统。在该系统中设有过滤器,对槽液进行动态过滤,以维持槽液的清洁度。当工件出槽,经过过滤的液体流经槽体上部的喷淋环节对工件进行一次冲洗,以便冲掉工件出槽时表面粘附的油污,以避免其对下道槽液造成污染。
5)输送系统:根据被清洗工件的形状、体积、批量等确定超声波清洗机的输送方式及控制方式。
6)喷淋漂洗系统:根据被清洗工件的表面状况,有的清洗机配备喷淋漂洗工序,将超声波清洗和喷淋清洗有机地结合起来。
7)烘干系统。根据被清洗工件的状况,有的清洗机配备烘干系统,烘干系统主要由加热器、风机、吹风喷嘴等组成,温度自动控制。
 
超声波清洗工艺流程一般来说,清洗的工艺流程依被清洗物体清洗的难易程度及清洗数量而决定。主要清洗流程如下:
1)热浸洗或喷洗:目的是将工件上的污染物软化、分离、溶解,并减轻下道清洗工序的负荷。
2)超声波清洗:利用超声波产生的强烈空化作用及振动将工件表面的污垢剥离脱落,同时还可将油脂性的污物分解、乳化。
3)冷漂洗:利用流动的净水将已脱落但尚浮在工件表面上污物冲洗干净。
4)超声波漂洗:溶剂为干净的清水,工件浸入后,利用超声波将浮在工件各边、角及孔隙处的污物清洗干净。
5)热净水及冷净水漂洗:进一步去除悬附在工件表面上的污物微粒。
6)热风烘干:利用一定的温度和风速,使零件表面快速干燥。


以上就是超声波清洗机的清洗原理及工作原理。超声波清洗具有清洗净度高、速度快和清洗均匀等特点。广泛应用于精密零件装配、成型和加工等生产环节。普遍要求既能够均匀的清洗掉尘埃或颗粒附着物、机油、水点等污物又不能对被清洗工件产生损伤。由于能够穿透细微的缝隙和小孔,所以能清洗复杂形状的零件。超声波清洗是现代工艺最有效和不可缺少的清洗手段,超声波清洗技术将被更加普遍的应用在生产和生活的各个领域。
 


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