超声波清洗技术在精密仪器中的应用

GeraldPedl

摘 要：超声波清洗技术由于其高效率，低成本和高自动化程度的优点，在机械工业，制药工业甚至人们的日常生活中具有广泛的应用。且由于超声波可以直接穿透工件的特点，超声波在清洗各类精密仪器中尤为重要。本文概述了超声波清洗的原理和过程，总结了超声波清洗在四种精密仪器中的应用，并提出了该技术的改良方向和发展趋势。
关键词：超声波清洗；精密仪器；超声波应用
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0080-03
超声波是指人耳无法捕捉的、频率超过20 kHz的声波。超声波的优点是方向性好、穿透能力强、声能集中且传播距离远等，是目前国际上公认的效率最高、效果最好的清洁方式，目前已在生活各处得以应用，如超声清洗光学零件、超声除螨、超声洗碗机等，其清洁度可达到98%[1]。并且由于超声波可以直接穿透工件，对于缝隙、小孔等细节也能高效清洗的特点，超声波清洗已成为清洗精密仪器的重要技术。
本文将介绍超声波清洗的原理和工艺，重点讨论超声清洗在各种精密仪器中的应用，并对超声清洗技术的改良方向和发展趋势做简要分析。
1 超声波清洗的原理
随着超声波清洗频率的变化，其清洗原理也会随之改变。清洗工件不同时，所使用的清洗频率也不相同。
1.1 低频超声波（20kHz-50kHz）
低频超声清洗的原理主要是空化效应，即超声波使液体产生真空气泡，接着由于声压气泡迅速长大，最终破裂产生强大的冲击波。清洗作用主要通过两个方面实现，一方面是气泡对污垢的反复冲击，使污垢从工件表面剥离；另一方面，在气泡破裂时产生的强大冲击波将污垢层带离工件表面[1-4]。此外，超声波本身所引起的质点振动，也能够使污垢层因剧烈振动而脱落，如图1所示[5]。
目前低频超声清洗在超声清洗技术中应用的最广泛，对清洗各种工件都效果显著，尤其适于清洗较大、较重或者是高密度材料制成的工件。
1.2 高频（50kHz-200kHz）及兆频（700kHz-1MHz）超声波
在此波段空化效应已很难发挥作用，高频超声波和兆频超声波的清洗原理主要是压力波效应，通过高频超声产生的高压声波在污垢表面来回摩擦来清除表面污垢。这种清洗方式效率极高，接近100%，非常适用于清洗微电子元件、集成芯片等这类体积小又容易受损的物件。此外，此方式还可以用来清洗小微颗粒[3，4]。
2 超声波清洗的工艺
2.1 超声波强度
超声波强度是指单位面积超声波功率，超声波强度是影响空化作用形成的重要因素之一。超声波的强度越大，空化效应越强，清洗效果越好。随着清洗对象的变化，超声波强度也应相应地变化，但超声波强度并不是越强越好，当强度过高时，产生过多的空化气泡同时生成声屏障，反而会因此降低清洗效果[1，2]。
2.2 超聲波频率
超声波频率也是影响空化效应的参数之一。根据工件的不同，选择的工作频率也不同。低频超声波清洗可应用于各类工件，但低频超声波由于空化作用强，对工件的侵蚀作用也最强，因此不适用于表面光洁度要求高的工件；高频超声波清洗具有低侵蚀效果，可去除纳米级污垢，适用需要精细清洗的工件，如计算机和微电子元件；兆频超声波能清除亚微米级的污物，同时还完全不损伤工件，非常适合清洗集成电路芯片、硅片及薄膜[1-3]。
2.3 清洗剂的选择
正确选择清洗剂可以帮助超声波达到最佳清洗效果。目前，清洗剂的种类有许多，包括水基和碳氢基清洗剂，其物理化学性质各不相同。选择清洗剂时应遵循以下两个原则：一方面，根据相似相溶原理，选择对污垢具有最佳溶解性的清洗剂；另一方面，应考察粘度、蒸气压和表面张力等参数[1，2，6]。
2.4 清洗的温度和时间
温度也能够对清洗的质量和速度产生很大的影响，当适当地提高清洗剂的温度时，能够相应的增强空化效应。例如，醇类清洗剂的适宜温度约为45℃，水的适宜温度为60℃[1，2]。
对于不同的清洗对象，清洗时间也差距很大，例如清洗电路板大约3min，清洗导管类工件大约需40min[7]。
2.5 清洗的设备
超声波清洗设备通常由三部分构成：发生器、换能器和清洗槽。第一部分是发生器，即电源，将电能转化成电磁振荡信号；第二部分是换能器，即振板，它把电磁振动信号转化成超声振动信号，起到振动清洗的作用，第二部分是超声清洗仪的关键部分；清洗槽用于放置被清洗物，协同清洗剂等产生一系列清洗作用。如图2所示[8]。
3 超声波清洗在精密仪器中的应用
3.1 超声清洗电子元件
超声波可以穿透细小的间隙和孔缝，因此，超声波清洗是清洁形状复杂，表面不平整的电子元件的理想选择。如印制电路板的零件密度高、间距小，手工清洗无法保证印制电路板的清洗质量，并且可能损坏电路板。因此，通常使用超声波清洗电路板，如图3所示[9]。
2001年，孙洪日等利用超声波清洗印制电路板焊接后残留的助焊剂，通过清洗条件的优化，超声波清洗印刷电路板的可靠性得到证实[2]。
此外超声波还被用于清洗电子连接器，2012年，张声勇设计并研究了电子连接器的超声波真空清洗工艺和设备，以碳氢基溶剂为清洗液可提高电子连接器的清洗效率和清洗质量，对清洗其它电子元件具有重要的参考意义[10]。
3.2 超声清洗光学零件
光学零件从加工过程中到镀膜前都需要清洗，确保表面清洁，以提高其激光损伤阈值和光学零件的镀膜附着力。有机污染物、无机污染物和复合污染物是光学零件表面的三种典型污染物，其附着形式也多种多样。而超声波清洗既能保证清洁度又节能省力，因此取代了传统的手工清洗而被广泛应用于光学零件的清洗中。
如2005年，江宗宇等使用全自动超声波清洗技术清洗大口径光学零件。不仅达到了工件清洗的质量要求，而且高效省力，由此证明了超声波批量清洗光学零件的可行性[11]。
再如2016年，孙波等讨论了超声波清洗在光学零件镀膜加工中的应用，总结了其技术原理、清洗设备、清洗工艺等，并提出了改进方法，说明了超声波清洗在清洗光学仪器上的适用性，为光学零件清洗的机械化、自动化提供了依据[6]。
3.3 超声清洗轴承零件
轴承零件属机械加工中的精密仪器，清洗不干净会严重影响其它相关工序和成品的质量。喷淋式清洗、沉浸式清洗和蒸发脱脂清洗是清洗轴承零件的常见方法，但随着超声波清洗技术的发展，具有更好清洗质量和更高效率的超声波清洗技术逐渐受到重视。
如2015年，卢阳等用碳氢溶剂而不是传统的汽油作为超声波清洗剂，清洗成品轴承，效果显著，从而证明了精密轴承不但可以通过超声波清洗的方式进行清洗，而且还可以选择不同种类的清洗剂[12]。
接着在2016年，王自力总结了超声波清洗技术在清洗轴承零件上的应用，综述了其清洗原理、流程及关键技术。证明了超声波对清洗低振动值、低噪声的轴承的重要意义，并为超声波清洗技术在精密轴承上的应用提供了数据支持[13]。
3.4 超声清洗医疗器械
医疗器械中有许多精密仪器，如果清洗不当，这些仪器上附着的血液、体液和细菌等可能会造成患者感染或器械损坏，造成严重影响。超声波清洗不仅能够满足医疗器械清洗的洁净度要求，而且能够杀菌消毒，且超声仪器操作简便，这对医院而言是非常理想的清洗方式。
如在2007年，王素珍等在医用使用国产的半自动多槽式超声波清洗机清洗医疗器械并进行了清洗效果的监测，经证明，超声波清洗机清洗不但能清洗普通污物，还能有效地去除细菌和热源[14]。
2018年，汪四秀等对超声清洗眼科手术器械的基本步骤进行了改良，添加了预处理，多酶超声清洗后，还使用酸性清洗剂和医用润滑剂进行处理，结果较传统的清洗方式，清洗效果更好，对改进超声清洗技术有重要的参考意义[15]。
3.5 超声清洗其它精密仪器
超声波清洗除了应用于电子元件、光学零件、轴承零件和医疗器械领域外，还被应用于制药行业、金属行业和超声除垢等方面。
超声波技术在制药行业中的应用已在业界得到认可，主要用于清洗医用药瓶如输液瓶、氨瓶、口服液瓶以及医用胶塞等，清洗效果显著[4]。
超声波清洗可有效去除金属棒材外部的碳化膜和油，通过一种连续走丝的清洗方式清洗铌丝、钽丝、钨丝、铜丝等金属丝[4]。
超声除垢是最近开发的超声清洗的新应用。超声除垢利用超声波的强声场，使流体中成垢的物质在超声波的作用下松散、松脱、分散、粉碎，从而达到清洗作用。可以应用于热交换装置、管道的防垢和锅炉除垢等[16]。
4 超声波清洗技术的改良
4.1 自动化水平的提高
近年来，超声清洗设备的自动化和灵活性逐步提高。这使得超声波清洗能够在自动化控制和批量作业中实现。自动化清洗设备实现了超声波清洗与化学清洗、漂洗、脱水、烘干等工艺的结合，提高了清洗效率，还节省了大量人力[16]。
4.2 环保型超声清洗技术的出现
由于ODS（Ozone Depleting Substances）是一种对臭氧层有破坏作用的有机溶剂。因此，我国已经出台禁止使用ODS有机溶剂为清洗剂的法律法规，经济环保的碳氢溶剂开始受到重视。为了克服碳氢溶剂的闪点限制，研究人员开发了超声波碳氢化合物真空清洗技术，可以增强清洁效果，提高自动化程度[16]。
此外，任金莲等还提出无需清洗剂的超声波振动清洗法，直接通过固体介質传播超声波，使污染物因强大的作用力和加速度而脱落，为环保型超声波清洗提供了新思路[17]。
4.3 多种均匀清洗方式的出现
清洗过程中形成的驻波会导致清洗不均匀。因此，研究人员发明了各种清洗方式来弱化驻波。如扫频和跳频清洁、多频清洁、声场均匀清洁、液位变化清洁等[1，4]。甚至通过设计特定形状的清洁槽来衰减由驻波引起的声场不均匀性[1]。
5 超声波清洗的发展趋势
虽然目前应用最广泛的是低频超声波清洗，但是随着科技的发展和清洗要求的提高，超声波清洗将会不断地高频化，超声清洗的次效应将会得到更充分的利用，高频超声清洗的原理会被研究得更加透彻，超声清洗工艺也会随之丰富。此外，超声波清洗还将朝着规模化、精细化、环保化、自动化的方向发展，推动生产生活以及科技的进步。
6 结语
本文主要介绍了超声波清洗技术的原理、工艺及超声波清洗在清洗电子元件、光学零件、轴承零件和医疗器械等方面的应用，并提出了超声清洗的改良方向与发展趋势。超声波清洗应用于各种精密仪器或元件时，充分发挥了其穿透性强、清洗精度高的优点。超声波清洗的应用广泛，大到航空航天小到日常生活都离不开它，随着人们清洗要求的不断提高，超声波清洗技术将继续发展下去。
参考文献
[1]康永，郑莉，邵世权.超声波清洗技术研究进展[J].清洗世界，2012，28（04）：12-16.
[2]孙洪日，林国辉.超声波清洗原理与工艺分析[J].电子工艺技术，2001，22（02）：77-78.
[3]李旗，逯力红，丁鏖举.基于超声波的清洗机设计及清洗效果研究[J].大学物理实验，2017，30（05）：31-35.
[4]李雅莉.超声波清洗的原理和实际应用[J].清洗世界，2006，22（07）：31-35.
[5]刘钦，张福礼，王红伟.惯性仪表铍材复杂结构件清洗技术研究[J].新技术新工艺，2018，（02）：39-43.
[6]孙波，焦涛涛，张昊.超声波清洗在光学零件镀膜加工中的应用[J].清洗世界，2016，32（04）：35-39.
[7]刘宏，王赫.超声波清洗技术工艺研究[J].工业技术，2015，30：89-92.
[8]罗登林，丘泰球，卢群.超声波技术及应用——超声波技术[J].日用化学工业，2005，35（05）：323-326.
[9]林伟成.如何对电路板进行正确的超声波清洗[J].电子工艺技术，2005，（02）：88-91.
[10]张声勇.电子连接器超声波真空清洗技术的研究[D].华中科技大学：湖北，2012.
[11]江宗宇，辛企明.大口径光学零件镀前全自动超声波清洗技术[J].光学仪器，2005，27（03）：82-84.
[12]卢阳，李泽强，王玉良等.碳氢超声波清洗轴承试验[J].轴承，2015，03（03）：43-45.
[13]王自力.轴承零件清洗中超声波技术应用探讨[J].工业技术创新，2016，03（04）：656-658.
[14]王素珍，杨海波.超声技术在器械清洗中的应用与效果[J].中华医院感染学杂志，2007，17（06）：698-699.
[15]汪四秀，赵军，夏晓.重复使用的眼科显微手术器械清洗方法的改进及效果评价[J].中华全科医学，2018，16（08）：1389-1402.
[16]李晓东，刘传绍.超声波清洗技术的研究与应用现状[J].清洗世界，2009，25（1）：28-31.
[17]任金莲，张明铎，牛勇.超声波清洗的一种新方法[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2002，（02）：35-37.