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近年来不断在研究超声波清洗技术的发展

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近年来不断在研究超声波清洗技术的发展

发布日期:2019-01-29 作者: 点击:

超声清洗器的换能器有磁致伸缩换能器和压电式换能器两种,由于前者材料代价贵、电声效率低,目前基本上不用;而压电式换能器电声效率高、代价便宜、安装方便,目前被超声清洗器普遍采用。压电式换能器的结构形式主要为单螺钉紧固的纵向振动换能器,由两片中心穿孔的压电陶瓷晶片及前后盖板组成。为了提高清洗器的事情稳定性和效率,还发展了一种半穿孔结构式宽频带换能器,这种换能器的结构特点是在换能器辐射面上沿着轴向均匀地钻有一定数量、同一深度的孔,构成半穿孔结构。在一定孔深时,钻孔的孔径越大,频带越宽;在一定穿孔面积时,孔越深,频带宽度也加宽。这种换能器比大凡换能器频带宽度大一倍以上,可到达±2kHz左右,其电声效率在频带范围内仍能到达80%以上,比普通换能器电声效率高,从而克服了大功率超声清洗器中普通换能器由于频带窄,给多个换能器并联带来的麻烦。半穿孔结构式换能器还能减弱辐射面的横向振动,有利于高频换能器的辐射面的增加,对改善超声清洗设备的性能是有利的。

近来又发展了一种双频清洗用的纵振换能器,这种换能器有两个谐振频率,这种双频超声波的作用能大大改善清洗缸的声场分布,提高清洗效果。另有一种聚焦式超声清洗换能器,其辐射面功率承受达几十瓦上百瓦/平方厘米。这种换能器大凡由三节组成,第一节为纵向压电振子,第二节为变幅杆,第三节为辐射器,第三节材料用经过特殊工艺处理的能耐高疲劳强度的不锈钢或钛合金材料组成。

目前超声波清洗器的发生器主要有两种形式,一种是上世纪70年代末80年代初国际上普遍采用的自激式D类晶体管(或模块)开关功率放大器。其特点为线路简短,换能器是自激振荡器的一个部件,所以随着负载频率的变更,振荡器频率能跟着变更,有频率跟踪的功效。要实现大功率超声波发生器采用多路合成容易,电路可靠性、可维修性较好。其缺点是无保护电路,功率不能连续调节。另一种超声波发生器是他激式的,且末级采用功率模块的开关电源式的功率放大器,其前置控制不管是模拟的还是数字的,均采用PWM(脉宽调制)方式,频率可调、脉冲宽度可调、特点频率稳定度尚好,功率可连续调节。由于采用高压、大电流IGBT或M0S模块,大功率清洗用超声发生器体积较小,可靠性较好,且开关电源控制电路技术成熟(0.53kw的单板发生器已有商品),是超声清洗器用发生器的发展方向之一。

5.超声波清洗技术的新进展超声波清洗技术经过几十年来的理论探讨和应用研究,无论设备还是工艺上均取得了较大的发展,有关单位相继研发了一大批新的产品,也制定出了一些先进典型的清洗工艺。

高频超声清洗对于像硅片表面小至零点几微米的超微污物粒子,常规的超声波清洗器无能为力,即使增加功率密度也无济于事。近来发展了一种兆赫兹级的高频超声清洗技术,由于频率高,空化效应已不起作用,因此清洗的环节不是气泡,是高频压力波的擦洗作用,其对污物的去除率接近百分之百。高频清洗近来发展较快,主要用于超大规模集成电路芯片上的污物清洗,以及硅晶片、陶瓷、光掩模等特种污物的清洗。

对于像纺织行业的喷丝板、过滤器之类微孔物件的清洗,常规的超声清洗效果十分不理想,声技术洗净技术强达不到要求,而采用机械扫描聚焦式超声清洗,喷丝板微孔中的污物脱离十分明显。聚焦式清洗要求到达高的声强,目前选用的频率以低频为主,常用20kHz和15kHz两种频率,个别的频率也有28kHz的,其电功率在连续波情况下大凡为500700w,间隙脉冲事情状况下,功率可高一些。

即在一只清洗缸中,安装有两种或三种以上不同频率的换能器,由多只发生器分别推进各自频率的换能器。我们知道,清洗器事情频率高时,在液体中空化强度低而空化密度大,而事情频率低时则相反。低频超声波的强度高,对物体表面清洗有利;高频超声波空化密度高,冲击波能穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构。同时缸中有多种频率的超声波,也克服了单频清洗驻波场造成的清洗不均匀问题。

扫频和跳频清洗都是为了改善缸中的声场结构,前者办理了缸中的不均匀驻波场,使清洗均匀。而跳频和多频一样兼顾到高低频清洗,不同的是跳频用的是一只换能器和一只发生器,其换能器本身有两个谐振频率,在第一谐振点带宽内作连续的频率变更,然后跳到另一带宽内进行扫频清洗。它是高低频交替进行清洗。

为了提高物件的清洗质量,应根据被清洗物的性质和污物的类型,抉择合适的清洗工艺及对环境无污染的非0DS的清洗剂,以及相应的配套设备。近来国内外在这方面做了大量研究事情,也投入了大量资金、人力和物力,并取得了相应的成超声波清洗工艺的抉择是指对超声波清洗方式、清洗液温度、超声频率、超声功率密度、清洗时间以及清洗液的抉择及配制。至于参数的抉择,上面已有论述,所以不多展开,在这里主要说明,合适的清洗液对于超声波清洗效果和环境保护具有很大影响。由于超声波清洗机理主要是行使空化作用,清洗液的抉择除了要考虑清洗件本身材料、油污、机械杂质外,还必须保证清洗液粘度小、表面张力小,以利于清洗液的空化;偶然还需增加助溶剂、稳定剂、消泡剂及静电去除剂等增加剂。近来对环保的要求越来越严,根据蒙特利尔协议书,必须全面不准使用各种0DS清洗剂,因此目前各种0DS清洗剂替代物相继在研发和试验中,为此超声波水基清洗、超声波半水基清洗和超声波碳氢化合物溶剂清洗以及相应的工艺、相关的设备研发也在同步进行。目前要全面彻底替代0DS清洗剂另有一个相当的过程,但相信在超声界和化学溶剂界的不断努力下,一个既具有清洗性又具有环保性和经济性的非0DS超声清洗技术将会获得广泛的应用。

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