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超聲波清洗的技術(shù)原理

時(shí)間:2013/5/27閱讀:635
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 超聲波清洗的技術(shù)原理

超聲波清洗是基於空化作用,即在清洗液中無(wú)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(lái)。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(gè)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(hào)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(chǎng)中時(shí),它會(huì)發(fā)生變形,這就是所謂的’壓電效應(yīng)’。相對(duì)來(lái)說(shuō),磁力換能器是用會(huì)在變化的磁場(chǎng)中發(fā)生變形的材料制成的。
無(wú)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(gè)過程被稱做空化作用。
從理論上分析,爆裂的空化泡會(huì)產(chǎn)生超過10,000psi的壓力和20,000°F(11,000°C)的高溫,并在其爆裂的瞬間沖擊波會(huì)迅速向外輻射。單個(gè)空化泡所釋放的能量很小,但每秒鐘內(nèi)有幾百萬(wàn)的空化泡同時(shí)爆裂,累計(jì)起來(lái)的效果將是非常強(qiáng)烈的,產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊力將工件表面的污物剝落,這就是所有超聲清洗的特點(diǎn)。
如果超聲能量足夠大,空化現(xiàn)象會(huì)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(shí)才會(huì)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(shí)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(shuō),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(huì)產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低於20kHz時(shí),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。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(gè)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(duì)工件表面的損傷。高頻的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(shí)可以看清溪底的小石子。
40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗極微小的顆粒時(shí),可選用頻率為350kHz的產(chǎn)品。近來(lái)推出了用於此類場(chǎng)合的MicroCoustics系統(tǒng),其頻率為400kHz。

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