超聲波清洗技術(shù)在精密儀器中的應(yīng)用

華奕愷

摘 要：超聲波清洗技術(shù)由于其高效率，低成本和高自動(dòng)化程度的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械工業(yè)，制藥工業(yè)甚至人們的日常生活中具有廣泛的應(yīng)用。且由于超聲波可以直接穿透工件的特點(diǎn)，超聲波在清洗各類(lèi)精密儀器中尤為重要。本文概述了超聲波清洗的原理和過(guò)程，總結(jié)了超聲波清洗在四種精密儀器中的應(yīng)用，并提出了該技術(shù)的改良方向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗；精密儀器；超聲波應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0080-03

超聲波是指人耳無(wú)法捕捉的、頻率超過(guò)20 kHz的聲波。超聲波的優(yōu)點(diǎn)是方向性好、穿透能力強(qiáng)、聲能集中且傳播距離遠(yuǎn)等，是目前國(guó)際上公認(rèn)的效率最高、效果最好的清潔方式，目前已在生活各處得以應(yīng)用，如超聲清洗光學(xué)零件、超聲除螨、超聲洗碗機(jī)等，其清潔度可達(dá)到98%[1]。并且由于超聲波可以直接穿透工件，對(duì)于縫隙、小孔等細(xì)節(jié)也能高效清洗的特點(diǎn)，超聲波清洗已成為清洗精密儀器的重要技術(shù)。

本文將介紹超聲波清洗的原理和工藝，重點(diǎn)討論超聲清洗在各種精密儀器中的應(yīng)用，并對(duì)超聲清洗技術(shù)的改良方向和發(fā)展趨勢(shì)做簡(jiǎn)要分析。

1 超聲波清洗的原理

隨著超聲波清洗頻率的變化，其清洗原理也會(huì)隨之改變。清洗工件不同時(shí)，所使用的清洗頻率也不相同。

1.1 低頻超聲波（20kHz-50kHz）

低頻超聲清洗的原理主要是空化效應(yīng)，即超聲波使液體產(chǎn)生真空氣泡，接著由于聲壓氣泡迅速長(zhǎng)大，最終破裂產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。清洗作用主要通過(guò)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，一方面是氣泡對(duì)污垢的反復(fù)沖擊，使污垢從工件表面剝離；另一方面，在氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波將污垢層帶離工件表面[1-4]。此外，超聲波本身所引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，也能夠使污垢層因劇烈振動(dòng)而脫落，如圖1所示[5]。

目前低頻超聲清洗在超聲清洗技術(shù)中應(yīng)用的最廣泛，對(duì)清洗各種工件都效果顯著，尤其適于清洗較大、較重或者是高密度材料制成的工件。

1.2 高頻（50kHz-200kHz）及兆頻（700kHz-1MHz）超聲波

在此波段空化效應(yīng)已很難發(fā)揮作用，高頻超聲波和兆頻超聲波的清洗原理主要是壓力波效應(yīng)，通過(guò)高頻超聲產(chǎn)生的高壓聲波在污垢表面來(lái)回摩擦來(lái)清除表面污垢。這種清洗方式效率極高，接近100%，非常適用于清洗微電子元件、集成芯片等這類(lèi)體積小又容易受損的物件。此外，此方式還可以用來(lái)清洗小微顆粒[3，4]。

2 超聲波清洗的工藝

2.1 超聲波強(qiáng)度

超聲波強(qiáng)度是指單位面積超聲波功率，超聲波強(qiáng)度是影響空化作用形成的重要因素之一。超聲波的強(qiáng)度越大，空化效應(yīng)越強(qiáng)，清洗效果越好。隨著清洗對(duì)象的變化，超聲波強(qiáng)度也應(yīng)相應(yīng)地變化，但超聲波強(qiáng)度并不是越強(qiáng)越好，當(dāng)強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生過(guò)多的空化氣泡同時(shí)生成聲屏障，反而會(huì)因此降低清洗效果[1，2]。

2.2 超聲波頻率

超聲波頻率也是影響空化效應(yīng)的參數(shù)之一。根據(jù)工件的不同，選擇的工作頻率也不同。低頻超聲波清洗可應(yīng)用于各類(lèi)工件，但低頻超聲波由于空化作用強(qiáng)，對(duì)工件的侵蝕作用也最強(qiáng)，因此不適用于表面光潔度要求高的工件；高頻超聲波清洗具有低侵蝕效果，可去除納米級(jí)污垢，適用需要精細(xì)清洗的工件，如計(jì)算機(jī)和微電子元件；兆頻超聲波能清除亞微米級(jí)的污物，同時(shí)還完全不損傷工件，非常適合清洗集成電路芯片、硅片及薄膜[1-3]。

2.3 清洗劑的選擇

正確選擇清洗劑可以幫助超聲波達(dá)到最佳清洗效果。目前，清洗劑的種類(lèi)有許多，包括水基和碳?xì)浠逑磩湮锢砘瘜W(xué)性質(zhì)各不相同。選擇清洗劑時(shí)應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：一方面，根據(jù)相似相溶原理，選擇對(duì)污垢具有最佳溶解性的清洗劑；另一方面，應(yīng)考察粘度、蒸氣壓和表面張力等參數(shù)[1，2，6]。

2.4 清洗的溫度和時(shí)間

溫度也能夠?qū)η逑吹馁|(zhì)量和速度產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)適當(dāng)?shù)靥岣咔逑磩┑臏囟葧r(shí)，能夠相應(yīng)的增強(qiáng)空化效應(yīng)。例如，醇類(lèi)清洗劑的適宜溫度約為45℃，水的適宜溫度為60℃[1，2]。

對(duì)于不同的清洗對(duì)象，清洗時(shí)間也差距很大，例如清洗電路板大約3min，清洗導(dǎo)管類(lèi)工件大約需40min[7]。

2.5 清洗的設(shè)備

超聲波清洗設(shè)備通常由三部分構(gòu)成：發(fā)生器、換能器和清洗槽。第一部分是發(fā)生器，即電源，將電能轉(zhuǎn)化成電磁振蕩信號(hào)；第二部分是換能器，即振板，它把電磁振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成超聲振動(dòng)信號(hào)，起到振動(dòng)清洗的作用，第二部分是超聲清洗儀的關(guān)鍵部分；清洗槽用于放置被清洗物，協(xié)同清洗劑等產(chǎn)生一系列清洗作用。如圖2所示[8]。

3 超聲波清洗在精密儀器中的應(yīng)用

3.1 超聲清洗電子元件

超聲波可以穿透細(xì)小的間隙和孔縫，因此，超聲波清洗是清潔形狀復(fù)雜，表面不平整的電子元件的理想選擇。如印制電路板的零件密度高、間距小，手工清洗無(wú)法保證印制電路板的清洗質(zhì)量，并且可能損壞電路板。因此，通常使用超聲波清洗電路板，如圖3所示[9]。

2001年，孫洪日等利用超聲波清洗印制電路板焊接后殘留的助焊劑，通過(guò)清洗條件的優(yōu)化，超聲波清洗印刷電路板的可靠性得到證實(shí)[2]。

此外超聲波還被用于清洗電子連接器，2012年，張聲勇設(shè)計(jì)并研究了電子連接器的超聲波真空清洗工藝和設(shè)備，以碳?xì)浠軇榍逑匆嚎商岣唠娮舆B接器的清洗效率和清洗質(zhì)量，對(duì)清洗其它電子元件具有重要的參考意義[10]。

3.2 超聲清洗光學(xué)零件

光學(xué)零件從加工過(guò)程中到鍍膜前都需要清洗，確保表面清潔，以提高其激光損傷閾值和光學(xué)零件的鍍膜附著力。有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物和復(fù)合污染物是光學(xué)零件表面的三種典型污染物，其附著形式也多種多樣。而超聲波清洗既能保證清潔度又節(jié)能省力，因此取代了傳統(tǒng)的手工清洗而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)零件的清洗中。

如2005年，江宗宇等使用全自動(dòng)超聲波清洗技術(shù)清洗大口徑光學(xué)零件。不僅達(dá)到了工件清洗的質(zhì)量要求，而且高效省力，由此證明了超聲波批量清洗光學(xué)零件的可行性[11]。

再如2016年，孫波等討論了超聲波清洗在光學(xué)零件鍍膜加工中的應(yīng)用，總結(jié)了其技術(shù)原理、清洗設(shè)備、清洗工藝等，并提出了改進(jìn)方法，說(shuō)明了超聲波清洗在清洗光學(xué)儀器上的適用性，為光學(xué)零件清洗的機(jī)械化、自動(dòng)化提供了依據(jù)[6]。

3.3 超聲清洗軸承零件

軸承零件屬機(jī)械加工中的精密儀器，清洗不干凈會(huì)嚴(yán)重影響其它相關(guān)工序和成品的質(zhì)量。噴淋式清洗、沉浸式清洗和蒸發(fā)脫脂清洗是清洗軸承零件的常見(jiàn)方法，但隨著超聲波清洗技術(shù)的發(fā)展，具有更好清洗質(zhì)量和更高效率的超聲波清洗技術(shù)逐漸受到重視。

如2015年，盧陽(yáng)等用碳?xì)淙軇┒皇莻鹘y(tǒng)的汽油作為超聲波清洗劑，清洗成品軸承，效果顯著，從而證明了精密軸承不但可以通過(guò)超聲波清洗的方式進(jìn)行清洗，而且還可以選擇不同種類(lèi)的清洗劑[12]。

接著在2016年，王自力總結(jié)了超聲波清洗技術(shù)在清洗軸承零件上的應(yīng)用，綜述了其清洗原理、流程及關(guān)鍵技術(shù)。證明了超聲波對(duì)清洗低振動(dòng)值、低噪聲的軸承的重要意義，并為超聲波清洗技術(shù)在精密軸承上的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持[13]。

3.4 超聲清洗醫(yī)療器械

醫(yī)療器械中有許多精密儀器，如果清洗不當(dāng)，這些儀器上附著的血液、體液和細(xì)菌等可能會(huì)造成患者感染或器械損壞，造成嚴(yán)重影響。超聲波清洗不僅能夠滿(mǎn)足醫(yī)療器械清洗的潔凈度要求，而且能夠殺菌消毒，且超聲儀器操作簡(jiǎn)便，這對(duì)醫(yī)院而言是非常理想的清洗方式。

如在2007年，王素珍等在醫(yī)用使用國(guó)產(chǎn)的半自動(dòng)多槽式超聲波清洗機(jī)清洗醫(yī)療器械并進(jìn)行了清洗效果的監(jiān)測(cè)，經(jīng)證明，超聲波清洗機(jī)清洗不但能清洗普通污物，還能有效地去除細(xì)菌和熱源[14]。

2018年，汪四秀等對(duì)超聲清洗眼科手術(shù)器械的基本步驟進(jìn)行了改良，添加了預(yù)處理，多酶超聲清洗后，還使用酸性清洗劑和醫(yī)用潤(rùn)滑劑進(jìn)行處理，結(jié)果較傳統(tǒng)的清洗方式，清洗效果更好，對(duì)改進(jìn)超聲清洗技術(shù)有重要的參考意義[15]。

3.5 超聲清洗其它精密儀器

超聲波清洗除了應(yīng)用于電子元件、光學(xué)零件、軸承零件和醫(yī)療器械領(lǐng)域外，還被應(yīng)用于制藥行業(yè)、金屬行業(yè)和超聲除垢等方面。

超聲波技術(shù)在制藥行業(yè)中的應(yīng)用已在業(yè)界得到認(rèn)可，主要用于清洗醫(yī)用藥瓶如輸液瓶、氨瓶、口服液瓶以及醫(yī)用膠塞等，清洗效果顯著[4]。

超聲波清洗可有效去除金屬棒材外部的碳化膜和油，通過(guò)一種連續(xù)走絲的清洗方式清洗鈮絲、鉭絲、鎢絲、銅絲等金屬絲[4]。

超聲除垢是最近開(kāi)發(fā)的超聲清洗的新應(yīng)用。超聲除垢利用超聲波的強(qiáng)聲場(chǎng)，使流體中成垢的物質(zhì)在超聲波的作用下松散、松脫、分散、粉碎，從而達(dá)到清洗作用。可以應(yīng)用于熱交換裝置、管道的防垢和鍋爐除垢等[16]。

4 超聲波清洗技術(shù)的改良

4.1 自動(dòng)化水平的提高

近年來(lái)，超聲清洗設(shè)備的自動(dòng)化和靈活性逐步提高。這使得超聲波清洗能夠在自動(dòng)化控制和批量作業(yè)中實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)化清洗設(shè)備實(shí)現(xiàn)了超聲波清洗與化學(xué)清洗、漂洗、脫水、烘干等工藝的結(jié)合，提高了清洗效率，還節(jié)省了大量人力[16]。

4.2 環(huán)保型超聲清洗技術(shù)的出現(xiàn)

由于ODS（Ozone Depleting Substances）是一種對(duì)臭氧層有破壞作用的有機(jī)溶劑。因此，我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)禁止使用ODS有機(jī)溶劑為清洗劑的法律法規(guī)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的碳?xì)淙軇╅_(kāi)始受到重視。為了克服碳?xì)淙軇┑拈W點(diǎn)限制，研究人員開(kāi)發(fā)了超聲波碳?xì)浠衔镎婵涨逑醇夹g(shù)，可以增強(qiáng)清潔效果，提高自動(dòng)化程度[16]。

此外，任金蓮等還提出無(wú)需清洗劑的超聲波振動(dòng)清洗法，直接通過(guò)固體介質(zhì)傳播超聲波，使污染物因強(qiáng)大的作用力和加速度而脫落，為環(huán)保型超聲波清洗提供了新思路[17]。

4.3 多種均勻清洗方式的出現(xiàn)

清洗過(guò)程中形成的駐波會(huì)導(dǎo)致清洗不均勻。因此，研究人員發(fā)明了各種清洗方式來(lái)弱化駐波。如掃頻和跳頻清潔、多頻清潔、聲場(chǎng)均勻清潔、液位變化清潔等[1，4]。甚至通過(guò)設(shè)計(jì)特定形狀的清潔槽來(lái)衰減由駐波引起的聲場(chǎng)不均勻性[1]。

5 超聲波清洗的發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前應(yīng)用最廣泛的是低頻超聲波清洗，但是隨著科技的發(fā)展和清洗要求的提高，超聲波清洗將會(huì)不斷地高頻化，超聲清洗的次效應(yīng)將會(huì)得到更充分的利用，高頻超聲清洗的原理會(huì)被研究得更加透徹，超聲清洗工藝也會(huì)隨之豐富。此外，超聲波清洗還將朝著規(guī)模化、精細(xì)化、環(huán)保化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，推動(dòng)生產(chǎn)生活以及科技的進(jìn)步。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了超聲波清洗技術(shù)的原理、工藝及超聲波清洗在清洗電子元件、光學(xué)零件、軸承零件和醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用，并提出了超聲清洗的改良方向與發(fā)展趨勢(shì)。超聲波清洗應(yīng)用于各種精密儀器或元件時(shí)，充分發(fā)揮了其穿透性強(qiáng)、清洗精度高的優(yōu)點(diǎn)。超聲波清洗的應(yīng)用廣泛，大到航空航天小到日常生活都離不開(kāi)它，隨著人們清洗要求的不斷提高，超聲波清洗技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展下去。

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