超聲波清洗在電鍍前處理中的應用及選型

郝鵬飛，杜 斌

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西太原030024)

電鍍是工業生產的重要組成部分，電鍍前的清洗采用超聲波清洗技術已成為一種新的典型工藝。電鍍處理前的傳統工藝使用酸液對工件進行清洗處理，對環境污染較重，工作環境也比較差；同時，最大的弊端是對結構復雜工件酸洗除銹后的殘酸很難沖洗干凈。超聲波清洗技術應用到電鍍前處理后，不僅能使工件表面和縫隙中的污垢迅速剝落，而且能夠對工件上的殘酸進行徹底清洗，進而使得電鍍層牢固不會返銹，從而提高產品的成品率，減小報廢或返工的機率。

1 超聲波清洗原理

超聲波清洗原理是由超聲波發生器發出的高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振波而傳播到介質，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產生無數微小氣泡，當液體被20 kHz 以上的超聲波沖擊，其聲壓達到一定值時，液體中的微小氣泡（空化核）被正和負的壓力交替作用，迅速增長后突然閉合，在氣泡閉合的瞬間產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓強，這個局部的壓力足以使分子內的化學鍵斷裂，它的特征是反應能力高，而且存在時間很短（一般在1×10-4～1×10-6s），它能使化學效應較易進行。當氣泡破裂時產生的沖擊波作用于工件上，是工件上的附著物（污垢）得到剝離，最終達到清洗的目的，其過程如圖1所示。

圖1 空化作用過程示意圖

2 超聲波清洗系統的結構設計

電鍍前處理所增加的超聲波清洗系統結構主要以浸入式為主，其主要由清洗槽、換能器（超聲振板）、發生器等組成。當然根據清洗工藝要求也有在超聲波清洗系統槽內增加加熱系統、過濾系統、噴淋系統等，使得清洗效果更明顯、更徹底。其結構簡圖如圖2所示。

清洗槽一般采用不銹鋼材質制作，也有采用PP 或鈦材質制作。主要用來盛放需要清洗溶液和工件，其四周或側面設置溢流槽口，使清洗掉的游離污漬溢流出去，或經過濾凈化清洗槽內溶液，保持高效清洗效果。

換能器（即超聲振板），包括外殼、匹配層即聲窗、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜等。主要由一定數量的換能振子布陣而成，現常用的換能振子通常為50 W 或100 W，其數量多少取決于配置清洗所對應的功率數。超聲振板外殼基本上采用全不銹鋼機構，加固密封焊接。放置方式有側壁式及槽底式（即側振及底振），依清洗工件要求及槽體尺寸決定具體放置形式。

發生器為超聲波清洗系統的主要控制單元，它的作用是把我們的市電(220 V 或380 V，50 Hz或60 Hz)轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，通過高頻線與超聲振板連接。通過調節發生器上的開關及調頻旋鈕對超聲振板內振子發出頻率信號，振子開始工作，清洗槽內產生振波；一般超聲信號都是從低振幅狀態逐漸加高至正常工作狀態。發生器對每個陣子工作通過高頻線進行跟蹤反饋，以保持每個振子都工作在諧振點上，避免振子產生沖擊，使其保持超聲振板工作在較高穩定狀態，延長使用壽命。

加熱系統主要是考慮超聲清洗溶劑對溫度的要求，以更利于污垢在溶劑內分解；增加過濾系統目的是為了清除在清洗過程中，清洗槽內浮游污垢或雜質，確保溶劑的再正常使用及清洗；噴淋系統是在工件出清洗槽后沖洗掉其表面的懸浮污垢，確保工件的清洗質量及效果。

3 電鍍前處理典型超聲波清洗工藝

3.1 超聲波除油

圖2 超聲波清洗系統結構簡圖

將黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油過程處于一定頻率的超聲波作用下的除油過程，稱為超聲波除油。在常規電鍍前處理工藝中引入超聲波工藝后，結合除油溶劑、溫度等作用能夠大大強化除油過程、縮短除油時間、提高除油質量、降低化學藥品的消耗量；尤其對許多外形復雜零件、小型精密零件、表面有難除污物的零件及絕緣材料制成的零件有顯著的除油效果，可以省去費時的手工勞動，防止零件的損傷。

3.2 超聲波水洗

在電鍍前處理工藝中，經過常規化學除油或電解除油后（或在超聲波除油后）再增加一道超聲波水洗工序，不僅能夠清除在常規化學除油或電解除油（或超聲波除油）過程中的液體殘留，而且能夠對沒有清洗徹底的污垢進行二次清洗，特別是對于那些工件外型結構復雜，有好多孔洞的工件利用超聲波特有的空化現象能夠再次給于內部徹底的清除，保證后續電鍍的效果。

4 超聲波的參數選擇

4.1 超聲波頻率的選擇

一般頻率：F≥20 kHz 的聲波稱為超聲波，超聲空化閾值和超聲波的頻率有密切關系。頻率越高，空化閾值越高；也就是說頻率越低，空化越容易產生。而且在低頻情況下液體受到的壓縮和稀疏作用有更長的時間間隔，是氣泡在崩潰前生長到較大的尺寸，增高空化強度，有利于清洗作用，所以低頻率超聲波清洗適用于大部分表面或污物和清洗件表面結合強度高的場合。但溶液腐蝕清洗件表面，不適宜清洗表面光潔度高的部件，而且空化噪音大。40 kHz 左右的頻率，在相同聲強下，產生的空化泡數量比頻率為20 kHz 時多，穿透力較強，宜清洗表面形狀復雜或有盲孔的工件，空化噪音較小，但空化強度較低，適合清洗污物與被清洗件表面結合力較弱的場合。

4.2 超聲波功率的選擇

超聲波的功力決定了聲波能量的大小，即聲強的高低。聲強增加時，空化泡的最大半徑與起始半徑的比值增大，空化強度增大，即聲強愈高，空化愈強烈，有利于清洗作用。但聲強過高，會產生大量無用的氣泡，增加散射衰減，形成聲屏障，同時聲強增大也會增加非線性衰減，這樣都會削弱遠離生源地方的效果，同時超聲振板金屬空化嚴重，水點腐蝕也增大，如果振板表面已經收到空化腐蝕，強功率下水底產生空化腐蝕更嚴重，造成設備壽命降低，但超聲波清洗功率選擇小了，清除污垢的能力也會減弱，往往需要長時間的清洗，不但加大超聲清洗時間，而且影響清洗效率。因此要按實際使用情況選擇超聲波的功率大小。

5 超聲波清洗效果的影響因素

5.1 液位的影響

液位離超聲振板的距離對超聲波清洗效果有明顯的影響，經測試發現，當液位過高，會在超聲振板表面產生波紋狀的空化現象，超聲波就很難有效的進入溶液中，不僅不能對工件進行清洗，而且會對超聲振板造成損壞，縮短使用壽命。正常情況下，超聲波洗距離不超過500 mm 為宜，但也不能過低，過低空化產生的沖擊波強度較小，起不到真正超聲波清洗的效果，故應距超聲振板100 mm 以上較為合適。

5.2 清洗時間的影響

根據需去除污垢的情況，應選擇合適的清洗時間，對工件清洗效果有明顯的影響，時間過短，清洗不徹底，起不到清洗的效果；過長時間的清洗，對工件表面有一定的損傷，并達不到快速、大規模清洗生產的目的。因此，根據需清洗工件的產品特性選擇合適清洗時間至關重要。

5.3 清洗劑或清洗液的影響

任何清洗系統必須使用清洗劑或清洗液，由于不同清洗液有不同的物理特性，比如：表面張力、黏度、密度等這些特性均對超聲波空化作用有影響，故這些物理特性勢必影響到超聲波的清洗；在清洗過程中，超聲波清洗方式是物理清洗，配合上各類清洗液或溶劑等的化學清洗方式，對清洗能夠起到明顯的效果。水為最不普通的清洗液，故使用水基溶液相對來說操作比較簡便、使用成本也低、應用比較廣泛。然而有些材料及污垢等并不適用于水性溶液，就需要根據產品的特性調配相應的清洗液。

5.4 溫度的影響

不同的清洗劑或清洗液其對溫度要求不同，以水基清洗液為例，最適宜的清洗溫度大約在40～60 ℃，溫度過低空化效應差，清洗液的化學反應速度慢，清洗效果就會變差。當溫度過高，空化氣泡內氣體壓力增大，引起沖擊聲壓下降，清洗效果也會減弱。

5.5 籃具或工裝的影響

清洗件放置所用籃具或工裝在超聲波清洗系統中對清洗效率也會產生一定影響。籃具或工裝材料的選擇、工件的盛放多少、結構的設計等都會對清洗效率造成影響。比如橡膠以及非剛化塑料會吸收超聲波能量，故做籃具或工裝時需要考慮；工件盛放太多，空化氣泡無法到達某些工件表面的污垢面上，無法產生空化作用而影響清洗效率；一個好籃具或工裝的結構設計在清洗過程中也是非常重要的，如若設計不當，縱使再好的超聲波清洗系統效率也會大大被降低。

總之，在電鍍前處理工藝中引入超聲波清洗工藝，不僅可以使得工件清洗的時間大大縮減，而且清洗質量也有了明顯的提高。但選擇一個理想合適的超聲波清洗系統不僅要對工件表面污垢情況進行分析和了解，進而選擇適當的超聲波頻率及功率，而且也要考慮超聲波清洗的影響因素。隨著超聲波技術的不斷發展，我相信今后超聲波清洗技術其應用領域也會也來越廣，勢必會對電鍍及電鍍清洗工藝的發展帶來促進作用。

[1]陳思忠.超聲波清洗技術與發展[J].洗凈技術，2004(2)：11-12.

[2]馮若.超聲手冊[M].南京：南京大學出版社，2001.

[3]雅莉.超聲波清洗的原理和實際應用[J].清洗世界，2006，22(7)：31-35.

[4]何友秦.超聲波清洗機（一）.聲學技術.1990年02 期.