超声波清洗技术详解：原理、参数控制与应用

超声波清洗技术详解：原理、参数控制与应用

超声波清洗技术是一种广泛应用于精密部件清洗的方法，通过高频声波在液体中产生空化效应，实现对各种材料的高效清洁。本文将详细介绍超声波清洗的原理、参数控制以及实际应用中的注意事项，帮助读者全面了解这一技术的核心要点。

超声波清洗 - 完整指南

超声波清洗技术普遍应用于精密部件的清洗，通过超音波配合水基洗剂，可以温和且有效地清洗手表、阀门、医疗器械、植入物、电路板等复杂零件。这种清洗方式适用于大多数材料，但对纯铝或非常薄的较软金属需要谨慎使用，因为超声波的空化作用可能会导致这些材料产生凹陷或腐蚀。对于被厚油脂等污染的部件，建议先进行预清洗。

基于超声波清洗的三个关键参数

1. 机械效应：超声波如何帮助清洗零件？
2. 化学效应：为什么使用洗涤剂很重要？为什么不能只用水清洗？
3. 水的质量：如何选择好的水质量？

如何控制这些参数？

1. 制程控制：检查所有参数并取得完善的清洗效果
2. 提高清洁效率的提示：你可以改变什么？

机械效应 - 超声波清洗

超声波是如何产生的？

当高频声波通过合适的洗涤剂添加剂通过诸如水的清洁液时，会形成数百万个微小气泡并坍塌。这些气泡是流体内声波的拉伸和压缩短语的结果，整个过程称为空化。微波泡在超声波的机械作用下会发生内爆，释放出大量的能量，局部温度会升高。气泡被迫进入裂缝，液体可以渗透到污染物和工件之间，使其完全清洁，没有污垢隐藏。

不同的超声波频率

• 25 KHz：消除强烈污染的最强频率。请勿使用在镜面抛光表面和玻璃、铝等敏感材料。
• 40 KHz：标准频率，可与各种材料兼容，并可消除大量污染。
• 80 kHz：此频率适用于清洗具有复杂几何形状的零件。空化气泡可以进入小孔以清除污染。
• 120 kHz 和 Megasonic兆声：主要用于精密光学元件，用于清洗晶圆等非常敏感的部件。汽蚀功率很低，所以此频率适用于最后清洗去除部件灰尘的制程。
• (80 kHz 及以上仅适用于特殊要求订制)

可能影响气穴空化现象的重要参数

• 外部压力
• 温度 -加热清洗液可减少清洗时间，并可更快清除污垢
• 超声波频率
• 超声功率
• 用于清洗的化学品性质，浓度，密度

将零件定位在清洗工作室中

水基清洗过程的效率与清洗化学物质及表面杂质紧密接触有关。重要的工件定位时常会被低估，尤其是在处理具有复杂几何形状的零件时。

在超声波清洗机中正确零件定位的特性：

• 通过喷涂浸渍或压力喷射的超声波效率
• 自然防护，防止表面机械损伤
• 基片与化学特性之间接触的效率
• 冲洗操作的效率
• 干燥步骤的效率

化学效应 - 水分子的性质

水的极性

水分子由氧气和氢气组成。由于其固有的性质，水分子是极性的，这意味着水具有溶解盐的能力。但水不能与油、脂肪等非极性碳氢化合物混溶。

液体的表面张力

回形针漂浮在水面上，这是一种力量，在该力作用下，表面补偿其重量，由于水分子的极性而导致分子内吸引力（范德华力）。在液体内部，范德华力相互补偿。在液体表面，合力会朝向液体内部。这倾向于收缩液体，其表面像拉伸膜一样表现。

莲花效应

由于其高表面张力，天然水保持其球形。

腐蚀作用 - 铁氧化

当金属铁通过电子转移溶解在水中时会发生这种情况。溶解氧与水分子和电子反应形成氢氧根离子。氢氧化物和铁离子反应形成氢氧化铁。作为氧化物或羟基化合物盐的各种化学组合。

钢丝绒在水中30分钟

• 自来水：350 microS / cm
• DI离子水：1μS/ cm

为什么我们需要使用清洗剂来清洁零件？

• 降低水的表面张力（润湿/湿润效应）
• 使油和脂肪化合物溶解在水溶液中（乳化效果）
• 防止腐蚀（添加防腐剂）

化学作用 - 洗涤剂如何工作？

脱脂 - 油脂的性质

植物和动物的脂肪在苛性碱溶液中皂化

• 甘油三酯不溶于水
• 羧酸根离子和甘油是水溶性
• 注意基底材料对强碱性溶液的敏感性（铜合金失去光泽）

矿物来源皂化的脂肪在化学上是不可能用的。需求表面活性剂效果

什么是表面活性剂？

表面活性剂是由疏水性尾部和亲水性头部组成。疏水尾部的长度和头部的性质将诱导产生胶束的能力和适当的去污力作用。

表面活性剂如何工作？

临界胶束浓度（CMC）：表面活性剂分子开始形成胶束的最小浓度。没有胶束，洗涤剂不能实现清洗性能。在CMC下方，分子是自由的并形成单分子层（以吸附）。在CMC上方，它们形成单分子层。当所有表面都被表面活性剂覆盖时，它们形成胶束。添加更多表面活性剂，形成更多的胶束。表面张力不随表面活性剂的增加而降低。

降低水的表面张力：表面活性剂定位于水分子之间并干扰其“手持”。然后力量降低。对于某些表面活性剂，表面张力可降至〜30 mN / m甚至更低。

乳化油：当油添加到含有表面活性剂的水中时，油被表面活性剂包围。表面活性剂头与水分子结合，而尾部捕获油滴。

将油分散到液体中：表面活性剂吸附到土壤/油滴上

• 亲水基团与水相接触
• 与油或土壤接触的疏水基团
  液滴的稳定有助于防止其与其他液滴聚合（通过排斥力）。头部组之间的排斥力避免了液滴的聚结。

表面活性剂影响：全球机制

具体效果 - 腐蚀抑制：固体表面上的单分子膜疏水效果防止氧化

表面活性剂有四种家族

• 阴离子：用于润湿性
• 阳离子：用于抗静电性和抗菌活性
• 两性表面活性剂：阴离子或阳离子表面活性剂与溶液的pH值有关
• 非离子型：用于乳化效果

表面活性剂的影响；降低水的表面张力，乳化污染物，分散污染物并防止腐蚀。

典型的洗涤剂组成：

• 表面活性剂
• 螯合剂：用于抑制负钙和镁盐效应的组分（与表面活性剂和低溶解性盐沉积反应）
• 溶剂
• pH调节添加剂
• 防腐添加剂
• 特殊添加剂：防腐剂，杀菌剂，抗静电剂，增稠剂......
• 填料

三个会诱导洗涤剂性质的参数：

基底材质- 产品必须与基底材质兼容。其pH值和成分必须适应。

污染- >产品必须对特定污染有效

基底材质-的表面处理-零件时清洗后进行哪些表面处理？

金属基底材质

非金属基底材质

陶瓷- 敏感是材料的成分和表面陈述的函数

眼科光学中的矿物玻璃- 耐化学化合物

蓝宝石- 耐化学化合物

精密光学中的矿物玻璃- 对碱性，酸性产品和磷酸盐敏感。

眼科镜片中的有机镜片（CR39，PA，高指数）- 低敏感度

眼科光学用有机镜片（聚碳酸酯）- 对碱性产品和特定溶剂敏感

重要提示：考虑敏感度：考虑由于pH值和水的电导率引起的腐蚀效应。隔离剂可以溶解一些材料元素并产生孔洞。

一个具体的例子：与钴结合的碳化钨的敏感度。碳化钴颗粒包含在钴基质中。钴可以通过水溶液清洗液快速浸出。钴浸出将对材料的机械性能产生强烈的负面影响。

污染

抛光化合物- 研磨和抛光矿物质的动物和植物脂肪

油和乳液- 矿物油和植物油; 水基乳液

保护漆- 制造过程中用于机械保护的有机层

氧化残留物- 在制造过程或储存过程中对铜合金或敏感钢（20 AP）

翻滚残留物- 用滚筒研磨石进行机械化学抛光后的表面处理

指纹- 在制造过程最后一步和控制之前

基底材质的表面处理

根据清洗后的下一步骤，基底材质的表面必须是亲水的或疏水的。润湿性可以通过测量接触角来评估。液滴将与基底形成一个角度：

• 如果θ> 90°，表面不润湿
• 如果θ<90°，表面部分润湿

最终清洗需要亲水表面以获得没有任何颗粒的表面。用于粘附具有极性或亲水性的特定涂层，并有助于冲洗部件。

需要疏水表面来提供防腐蚀，获得抗静电性能，特定涂层与非极性或疏水性的粘附以及帮助干燥部件。

水质影响 - 冲洗阶段

典型的冲洗步骤

• 自来水冲洗，具有较高的漂洗效果。 （取决于其供应来源,自来水具异质成分）
• 去离子水用于无斑点干燥。(去离子水具有标准化学品质)

水质

自来水

• 清洗溶液的淮备和用干第一次冲洗步骤
• 水质均匀，无需临界表面质量
• 质量非常不同，取决于现场
• 高导电率，高达600-700微 西门子/厘米
• 钙盐和镁盐含量高
• 导致零件上的盐残留物
• 可能被有机和氯材料污染

软化的自来水

• 自来水钙镁含量非常高时，用于首先冲洗步骤
• 与原始自来水类似的质量和导电性
• 排除用钠,代替钙和镁（离子交换剂）
• 抑制低溶解盐沉积
• 可能被细菌污染

再生水

• 准备清洗液, 但是自来水钙镁含量过高
• 由低孔隙率膜过滤产生
• 保留90％的盐; 导电率：10-20微西门子/厘米
• 消除大部分有机和细菌污染

软化水

• 干燥前的最后冲洗步骤，以完全消除残留盐
• 通过离子交换剂（混床树脂）生产和回收利用
• 盐含量极低; 电导率：<0.1微西门子/厘米
• 可能被有机物和细菌污染
• 需要UV和活性炭辅助处理

阳离子交换剂保留Na +等阳离子阴离子交换剂保留Cl-等阴离子。 阳离子和阴离子交换剂的混合物是混合床

R-AR+ + BS+ = R-BR+ + AS+

R-AR- + BS- = R-BR- + AS-

水质量影响 - 微生物学

经常被遗忘的制程关键参数

细菌/藻类将在水性介质（湿度）和20℃至40℃的温度下生长。它们将出现在脱盐水厂和冲洗水槽中。 （如果槽壁光滑，则有细菌。）重要提示：如果产品具有中性pH值且在低温下使用，细菌和藻类也会出现在清洗溶液中。

过程控制 - 清洗解决方案

由于液体的内部吸引力，液体内的气泡被压缩。 所产生的压力（气泡压力）随着气泡半径的减小而升高。 气泡压力法使用比周围环境（水）高的气泡压力。将 气流泵入浸入流体中的毛细管。 毛细管末端的气泡在表面上不断变大，而气泡半径减小。
压力上升到最高水平。此时，气泡已达到其最小半径（毛细管半径）并开始形成半球。除此之外，气泡迅速增大，很快爆裂，从毛细管上撕开，从而在毛细管尖端产生新的气泡。因此在这个过程中产生了一种特征性的压力模式（见图），该模式被评估用于确定表面张力。

测试清洗设备

折射率测量

操作原理基于样品边界处的入射光束和夹在其间的玻璃棱镜的全反射。这使得样品具有比棱镜低的折射率，棱镜由高折射率玻璃制成。

对于一种化合物，折射率将是其浓度和温度的函数。 如果温度固定，可以建立折射率作为浓度函数的标准曲线。

UPC 3000（超声波过程控制器）

简单而直接的监控关键参数，确保清洁质量

• 直接测量温度和电导率
• 监测槽内超声功率的变化
• 最终漂洗槽中去离子水的质量控制
• 根据客户需求进行设备的特定配置
• 通过使用简单的菜单和三个键来控制设备
• 测量在硬水或去离子水中回收的洗涤剂浓度

AQUASNAP

• 系统测量ATP中的细菌。
• 每种细菌都由固定量的ATP组成。
• 捕捉：液体和试剂混合，ATP结合发光的试剂（萤光素酶/萤光素）。
• 光量由设备测量（单位：相对光单位）。
• ATP的数量被反算，并且可以推断出细菌的数量。

达因测试笔

用油墨测定表面张力：该测试方法非常适合作为常规检查生产线上的操作人员。结果可以立即进行评估，并清楚地显示相应受过培训的员工的治疗或清洁程度。标记油墨表明该表面的表面张力至少为30-32mN / m。

接触角测量

为了确定表面能量，需要表面和液滴之间的接触角。这可以通过我们想要表征的材料上水滴形状的图片来确定其液体是水：

• 大角度意味着疏水表面
• 小角度意味着亲水表面

提高清洗效率的提示

水处理（水代表高达95％！）。

稳定水质

过滤器

• 仅适用于孔径在5μm和20μm之间的颗粒
• 漂洗效果良好
• 未经过滤的溶解盐
• 过滤前后具有相似的电导率
• 没有残留细菌和氯

软化装置

• 保留溶解盐
• 过滤前后具有相似的电导率
• 减少冲洗效应（Na +取代Ca2 +和Mg2 +）
• 没有残留细菌和氯

技术的组合

• 保留悬浮颗粒（要调整孔隙率）
• 保持良好的漂洗效果
• 保留细菌和氯
  过滤嚣+软化+纳米过滤

稳定的过程

稳定的工艺和恒定的镜片表面质量需要控制。须要控制的关键参数：

1/ 活动槽的浓度

• 如何控制浓度？
• 如何设置和控制频率？
• 刷新？
• 更换？

2/ 每个槽的超声波功率

• 传感器是否有效?
• 超声波功率是否足够（设备有缺陷） ?

3/ 每个活动槽中的电导率值

• 导电性是否符合供应商标准?
• 电导率与污染之间的关系?

4/ 去离子水槽中的电导率值

• 储备槽中的电导率是否与去离子水单位测量值相匹配?
• 去离子水质量是否达到要求?

电导率？电导率与电阻率相反。 它对应于1米长和1平方米截面的材料部分的电导。