超声波清洗机质量和清洗效果若干问题的探讨

摘要本文讨论超声换能器的结构及在清洗槽中的排列和粘结对超声清洗机质量的影响， 同时 讨论了影响超声清洗效果的一些因素。关键词超声波换能器 清洗效果 清洗机．超声波清洗机的质量超声清洗设备根据清洗对象和生产规模的要求， 其组成和结构差别很大，可以是复杂、庞大的设备，也 可以是非常简单的结构。这里着重探讨由超声频电源、 换能器和清洗槽组成超声波清洗设备的核心部分的质量问题 。  1．1超声换能器结构的选择在低超声频段(20—100KHz)，目前工业上绝大多数是采用单螺钉夹紧的夹心式压电换能器(复合换能器)，结构上的差别主要在于辐射体(与不锈钢板粘接的铝块)的形状，一种是锥体喇叭；另一种直棒形状。 喇叭状换能器的声辐射效率比棒状换能器高，即同样的输入电功率．在清洗槽中得到较大的声功率，而消耗在换能器上的电功率较少，因而换能器的发热也低．当输入换能器的电功率相同时， 由于喇叭辐射面的面积比棒状换能器大，所以辐射面的声强较低，与其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小。清洗槽(或浸入式换能器）的寿命延长。所以在一般情况下采用喇叭状换能器较好，为进一步提高声辐射效率、展宽频带，我国研制 出一种半穿孔结构的宽频带超声清洗换能器”， 这种换能器尤其在较高频段{40KHz以上)，其优点更为突出． 因为它可以削弱横向振动所带来的不良影 响由于频带较宽，也有利于扫频清洗．在某些场合，例如清洗较深螺孔时．宜采用高辐射声强的换能器，此时换能器的辐射体常具有尖削聚焦形状，以提高辐射面的声强。这种换能器一般不是粘结在清洗槽上，而是直接插入液体中进行清洗。 1 2换能器在清洗槽中的分布及粘结问题目前有些超声清洗机商品，粘在清洗槽底或壁上的换能器分布过密，一个紧挨一个的排列．输入换能器的电功率强度达到每平方厘米2-3瓦，这样高的强度一方面会加快不锈钢板表面(与清洗液接触的表面)的 空化腐蚀，缩短使用寿命，另一方面由于声强过高。会 在钢板表面附近产生大量较大的气泡，增加声传播损，在远离换能器的地方削弱清洗作用。一般选用功率 强度每平方厘米低于1.5瓦为宜(按粘有换能器的钢板面积计算)。如果清洗槽较深， 除槽底粘有换能器外， 在槽壁上也应考虑粘结换能器。换能器与清洗槽的粘结质量对超声清洗机整机的质量影响很大．不但要粘牢，而且要求胶层均匀、不缺胶和不允许有裂缝，使超声能量最大限度地向清洗液中传输，以提高整机效率和清洗效果。目前有些清洗设备为避免换能器从清洗槽上掉下来。采取螺钉加粘胶的固定 方式，这种连接方式虽然换能器不会掉下来，但是存在许多隐患。如果螺钉焊接质量差，例如不垂直于不锈钢板表面，则胶层不均匀，甚至有裂痕或缺胶，能量传输会削弱；另一方面．如果焊接不好也会影响不锈钢表面的平整，导致加速空化腐蚀，缩短使用寿命．判断粘结质量的方法之一，是在清洗槽装水并开机工作一段时间后，测量换能器的温升。如果在众多的换能器中某个换能器温升特别快，则表明该换能器可能粘结不好．因为此时声辐射不好，电能量大部分消耗在换能器上而发热。另一个方法是在小信号条件下逐个测量 换能器的电阻抗大小来判别粘结质量。目前在超声波清洗机的性能方面还存在一些模糊的认识：认为功率越大，换能器数目越多．其性能越好，价值越高，甚至以此论价．这种认识是不全面的． 如上述，换能器布得过密，功率密度过大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蚀．另一方面， 目前超声 波清洗机商品所标的功率大多是电功率而不是声功率，如果所标是指消耗工频功率，则超声波清洗机质量的优劣应该由效率来判断。如果效率低，在同样清洗效果时则耗电大，反而增加了用户的费用。超声清洗机的效率包括两部分．一是超声频电源的效率．即输入换能器的 高频电功率与消耗工频电功率之百分比；另一部分是电声转换效率，即进入清洗液中的声功率与输入换能器的电功率之百分比．目前我国在工业生产中还没有一种简便的方法和设备来测量电声转换效率。各厂家所标的超声波清洗机的功率是含糊不清的，亟需有行业的统一标准． 2．影响超声清洗效果的因素超声清洗的主要机理是超声空化作用．超声空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关，所以要得到良好的清洗效果 必须选择适当的声学参数和清洗液。2 1声强或声压的选择在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压。 而负压要超过液体的强度才能产生空化。使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。各种液体具有不同的空化阈值，在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化。对于一般液体，空化阈值约为每平方厘米1／3瓦(声压的千方正比于声强)．声强增加时，空化泡的最大半径与起始半径的比值增大，空化强度增大， 即声强愈高，空化愈强烈．有利于清洗作用。但不是声功率越大越好，声强过高．会产生大量无用的气泡，增加散射衰减，形成声屏障，同时声强增大也会增加非线性衰减，这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。对于一些难清洗干净的污物，例如金属表面的氧化物，化纤喷丝板孔中污物的清洗，则需要采用较高的声强．此时被清洗面应贴近声源，这时大多不采用槽式清洗器．而用棒状聚焦式换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗．2 2频率的选择超声空化阈值和超声波的频率有密切关系．频率越高，空化阈越高，换句话说，频率越高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大；频率低，空化容易产生，同时在低频情况下，液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔．使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，增高空化强度，有利于清洗作用．目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致分为三个频段；低频超声清洗(20一50KHz)， 高频超声清洗(50—200KHz)和兆赫超声清洗(700KHz一1MHz以上)．低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合。频率的低端，空化强度高。易腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而且空化噪声大．40KHz左右的频率，在相同声强下，产生的空化泡数量比频率为20KHz时多，穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪声较小．但空化强度较低，适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合，高频超声清洗适用于计算机。