超聲波清洗技術(shù)發(fā)展研究

程 欣

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息系,陜西 西安 710100)

超聲波清洗技術(shù)發(fā)展研究

程 欣

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息系,陜西 西安 710100)

文章論述了超聲波清洗技術(shù)的原理特點(diǎn),列舉了現(xiàn)有技術(shù)存在的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題,指出了解決問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

超聲波；清洗技術(shù)；空化

隨著科技的快速發(fā)展,超聲技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地被人們用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。超聲應(yīng)用總體可以分為兩類：一類是利用低功率超聲進(jìn)行信號(hào)的接收采集,比如超聲診斷與檢測(cè)；另一類是應(yīng)用大功率的超聲來(lái)改變材料的性能和狀態(tài),比如,超聲清洗、超聲焊接、超聲治療、超聲研磨、超聲霧化等,其中的超聲清洗已經(jīng)成為大功率超聲應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)手段,應(yīng)用范圍也從最初的機(jī)械、電子傳統(tǒng)行業(yè)逐步擴(kuò)展到醫(yī)藥、食品化工、航天、核工業(yè)等新領(lǐng)域。

1 超聲清洗技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

超聲清洗技術(shù)就是利用超聲換能器向清洗液中輻射超聲波,利用超聲波的能量對(duì)浸在液體中的零部件進(jìn)行潔凈的過(guò)程。與傳統(tǒng)的人工清洗、高壓水射流清洗、有機(jī)溶劑清洗相比優(yōu)勢(shì)明顯:首先,超聲清洗特別適合清洗表面形狀不規(guī)則的工件,比如精密儀器上的暗洞、狹縫、微孔等處,傳統(tǒng)的洗刷方法難以完成,利用超聲清洗則可以取得理想效果,并不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生或者會(huì)產(chǎn)生輕微損傷,安全高效,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,這是超聲清洗最為重要的優(yōu)勢(shì)；其次,適合超聲清洗的工件品種以及對(duì)象也極為廣泛,從原來(lái)傳統(tǒng)電子行業(yè)的半導(dǎo)體器件、機(jī)械零件等發(fā)展到餐具器皿、集成電路、纖維織物等,特別是對(duì)于聲反射強(qiáng)的材料,如金屬、玻璃、塑料等,其清洗效果更好,超聲清洗的污物對(duì)象最初只是針對(duì)塵埃、油污等普通污物進(jìn)行處理,現(xiàn)在對(duì)一些特種污染物也有很好的清洗效果,比如,聚合物、氧化物、放射性污染物等；在很多情況下,完全可以用水作為清洗劑進(jìn)行作業(yè),減少對(duì)環(huán)境的污染,實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2 超聲清洗技術(shù)工作原理

如原理圖所示,超聲波清洗主要設(shè)備由超聲發(fā)生器、超聲換能器和超聲清洗槽三部分組成。發(fā)生器產(chǎn)生電磁信號(hào),是電源；換能器能夠?qū)l(fā)生器產(chǎn)生的電磁振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成本身的超聲振動(dòng),從而在清洗槽中產(chǎn)生空化現(xiàn)象；清洗槽相當(dāng)于容器,用來(lái)放置待清洗工件以及清洗劑。超聲清洗過(guò)程主要是由清洗工件附近或表面的空化現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn),空化現(xiàn)象是在聲波的作用下,存在于液體中的空化核(微氣泡)發(fā)生振動(dòng),當(dāng)超聲波的聲強(qiáng)或聲壓達(dá)到一定閾值時(shí),氣泡迅速膨脹,然后瞬間閉合,產(chǎn)生沖擊波,在氣泡周圍產(chǎn)生1012～ 1013Pa 的壓力及局部高溫,這種物理現(xiàn)象被稱為超聲空化?？栈F(xiàn)象所產(chǎn)生的非常大的壓力能破壞不溶性污物而使它們快速分散于溶液中,再加上蒸汽型空化對(duì)污垢層的直接反復(fù)沖擊,不僅破除了污物與清洗件表面的吸附,同時(shí)也會(huì)引起污物層的破壞而分離。另外,由于空化現(xiàn)象多產(chǎn)生于固體與液體的交界面,所以超聲清洗技術(shù)具有優(yōu)勢(shì),又由于超聲波具有良好的穿透性,可以清洗工件的另一側(cè)表面,以及盲腔、內(nèi)孔等隱蔽部位,使得其表面附著的污垢得以脫落,再加上超聲波的乳化中和等作用,能夠非常有效地防止被清洗油污再一次附著在被清洗工件上,所以,超聲空化現(xiàn)象對(duì)于清洗物件的內(nèi)外表面均有良好的清洗效果。當(dāng)然,除了超聲空化作用外,超聲清洗技術(shù)還依靠包括超聲空化二級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的微聲流的沖擊作用,以及超聲空化在固體和液體表面產(chǎn)生的高速微射流的洗刷作用。

超聲波清洗技術(shù)示意

3 現(xiàn)存問(wèn)題

3.1 專業(yè)人才缺失

筆者分析大量科研資料發(fā)現(xiàn),從事超聲清洗的專業(yè)技術(shù)人員非常缺乏,現(xiàn)有的從業(yè)人員很少有學(xué)習(xí)過(guò)專門的超聲技術(shù)相關(guān)知識(shí)的,多數(shù)都是其他專業(yè)的工作人員兼職,因?yàn)槿狈I(yè)知識(shí)背景,車間現(xiàn)有的超聲清洗工藝不能夠?qū)崿F(xiàn)多角度深層次的研究,超聲物理參數(shù)的影響研究少之又少,更談不上實(shí)驗(yàn)研究的理論分析,實(shí)驗(yàn)室研究與工廠車間的實(shí)際操作間嚴(yán)重脫節(jié),缺乏有效溝通,致使超聲清洗設(shè)備的研發(fā)與改善發(fā)展緩慢。這也是造成該行業(yè)發(fā)展困難的最主要原因。

3.2 研究?jī)?nèi)容單一

分析當(dāng)前科研文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn),超聲清洗研究課題非常單一,基本集中在傳統(tǒng)清洗工藝與超聲清洗技術(shù)對(duì)于被清洗工件清洗效果的簡(jiǎn)單對(duì)比上,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,嚴(yán)重缺乏對(duì)于聲學(xué)性能參數(shù)(如聲功率、聲強(qiáng)和聲波頻率)影響的考慮,比如在超聲清洗中,聲場(chǎng)強(qiáng)度較弱就可能不會(huì)有效地將污染物去除,相反如若太強(qiáng),被清洗的零件就會(huì)損壞,甚至還會(huì)引起聲能分布不均,形成清洗盲區(qū),影響清洗效果。沒(méi)有能夠建立起被清洗工件與各聲學(xué)參量之間最佳的匹配標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí),由于目前此類實(shí)驗(yàn)中,鮮有對(duì)于超聲清洗槽的聲學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)的分析測(cè)試,結(jié)果導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳條件設(shè)置,清洗效果也就很難實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格保證。

3.3 超聲清洗劑品種缺乏多樣化

因?yàn)榍逑磩┑奈锢韰?shù)會(huì)對(duì)超聲空化作用產(chǎn)生影響,而超聲清洗技術(shù)的主要工作機(jī)制就是利用超聲空化現(xiàn)象,所以在不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下(不同的工件或者物理環(huán)境),清洗劑的選擇也是實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)不容忽視的影響因素。首先,針對(duì)不同污物的性質(zhì),選擇去污效果佳的清洗劑,但是目前市面上基本都采用多酶清洗劑,品種過(guò)于單一；其次,還要考慮清洗劑本身的流速等物理參數(shù)對(duì)空化效果的影響,目前的研究基本沒(méi)有涉及這一方面；最后,隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),研發(fā)干凈的清洗劑勢(shì)在必行,從而減少對(duì)于環(huán)境的破壞。只有加強(qiáng)以上三個(gè)環(huán)節(jié)的研究開(kāi)發(fā),才能實(shí)現(xiàn)清洗劑與超聲設(shè)備的有效融合,進(jìn)一步優(yōu)化超聲清洗過(guò)程。

3.4 沒(méi)有有效的超聲清洗聲場(chǎng)測(cè)量方法

超聲清洗過(guò)程中,對(duì)于聲場(chǎng)的測(cè)量是一個(gè)較為復(fù)雜的難題,尤其是在低頻情況下,因?yàn)楫a(chǎn)生空化本身的過(guò)程,就容易使得測(cè)量傳感器損壞,同時(shí),超聲作用產(chǎn)生的空化氣泡會(huì)對(duì)原有的超聲波進(jìn)行散射,發(fā)生振蕩的氣泡也會(huì)產(chǎn)生聲波信號(hào),要想把兩者的聲波信號(hào)加以區(qū)分,必然是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,主要問(wèn)題是定量化困難或者是不能全面、準(zhǔn)確地反映聲場(chǎng)特征,因此,至今還沒(méi)有完全成熟的聲場(chǎng)測(cè)量方法。當(dāng)務(wù)之急就是要能夠找到更為有效的聲場(chǎng)測(cè)量途徑,以便提供可以重復(fù)的、相對(duì)參量可以控制的試驗(yàn)方法,進(jìn)行更加深入的非線性清洗過(guò)程研究。

3.5 忽視了器械擺放位置對(duì)清洗效果的影響

超聲清洗所產(chǎn)生的聲場(chǎng)往往是不均勻的,因?yàn)槁暡〞?huì)在各種物質(zhì)界面來(lái)回反射形成駐波,導(dǎo)致有些地方聲壓較大,有些地方聲壓較小,為了使得工件清洗徹底,最佳的位置是將工件放在聲壓最大處,然而由于缺少聲場(chǎng)的有效測(cè)量,人們往往忽視了工件在聲場(chǎng)中的位置因素,基本都會(huì)將待清洗物件非常隨意地放在清洗槽的底部,導(dǎo)致超聲清洗工件效果不佳。所以,對(duì)被清洗工件在超聲清洗機(jī)中的位置及擺放因素也要予以考慮。

4 結(jié) 論

為了解決目前存在于超聲清洗行業(yè)的諸多問(wèn)題,筆者認(rèn)為,最為關(guān)鍵的解決途徑,就是要全面培養(yǎng)從事超聲清洗的專業(yè)人員,這些技術(shù)人員必須具備相關(guān)的超聲技術(shù)應(yīng)用知識(shí),熟悉超聲清洗的要領(lǐng)和規(guī)則,能夠發(fā)現(xiàn)技術(shù)難點(diǎn)與問(wèn)題瓶頸,依據(jù)具體的清洗環(huán)境變換不同的超聲物理參量,以便尋求衡量各種因素的最佳結(jié)合點(diǎn)。另外,除了超聲知識(shí)儲(chǔ)備以外,清洗從業(yè)人員應(yīng)該同時(shí)具備相關(guān)領(lǐng)域(比如材料學(xué)、化學(xué)等)的專業(yè)知識(shí),也應(yīng)該具備針對(duì)不同的清洗對(duì)象、選用不同的清洗劑,以便能夠滿足不同清洗對(duì)象的要求,以期達(dá)到超聲清洗設(shè)備與化學(xué)清洗劑的完美融合,獲得最佳清洗效果。

綜上所述,全方位合作、多渠道培養(yǎng)專業(yè)人才是目前超聲清洗技術(shù)發(fā)展的方向與趨勢(shì),只有這樣才能滿足實(shí)際超聲清洗技術(shù)要求,提高清洗效果,確保了器械安全,促進(jìn)我國(guó)超聲清洗設(shè)備健康快速發(fā)展。

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10.13939/j.cnki.zgsc.2016.49.079

陜西省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：15JK1180)；陜西學(xué)前師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2015YBKJ036)。

程欣(1979—),女,漢族,陜西西安人,理學(xué)碩士,講師。研究方向：應(yīng)用超聲。