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超聲波清洗設備與清洗工藝知識

超聲波清洗設備主要由超聲波發生器及清洗槽兩大部分組成。在被清洗件批量較大的情況下,還附有清洗液循環裝置;有時為了實現清洗過程自動化,還附有被清洗件傳送裝置。一般情況下,超聲波發生器和清洗槽是兩個結構上互相獨立的裝置,它們之間僅用一根電纜線連接起來,以傳送電功率。但也有的超聲波清洗設備是將發生器與清洗槽組合為一體的。超聲波發生器是產生超聲頻電信號的功率源。常用的超聲波發生器從結構上分為:電子管式、晶體管式、可控矽管式和高頻電機式四種。其中可控矽管式超聲波發生器體積小、效率高、操作簡便。CFS-3型超聲波發生器就屬於這種類型。超聲波發生器的外部結構為一箱體,內裝有各種電氣元件。為了保證這些電氣元件的正常工作,在功率較大的超聲波發生器內還裝有冷卻風扇。發生器外部設有控製台,控製台上設有電源開關、高壓開關、功率調節旋鈕、頻率調節旋鈕以及顯示陰極電流和屏極電壓的電流、電壓表。可控矽管式超聲波發生器無頻率調節旋鈕。超聲波清洗槽由不鏽鋼槽體、換能器及支架等組成。換能器是超聲波清洗設備中的主要部件,換能器的功用是將超聲波發生器輸送過來的電功率轉換成超聲波的機械振動,然後通過不鏽鋼槽體的輻射,來促使清洗液也產生超聲波的機械振動。常用的換能器有磁致伸縮型及壓電型兩種。磁致伸縮型換能器用鐵、鎳、鑽等鐵磁性材料或其合金製成,利用其磁致伸縮效應在高頻電流所形成的磁場中發生超聲波的機械振動。壓電型換能器是用壓電晶體材料(如鋯欽酸鉛、鈦酸鋇等)製成,利用其壓電效應,將電能轉換為超聲波的機械振動。壓電型換能器激發的超聲機械振動屬高頻,適用於小型零件及形狀複雜零件的清洗。為了獲得較高的轉換效率,換能器應盡可能地工作在其固有頻率上。因為隻有當外加電壓的頻率與換能器的固有頻率相等或相近時,就會產生共振現象,此時輸出的超聲波有最大的振幅值,方能得到最大的輸出功率。壓電型換能器的換能效率要較磁致伸縮型換能器為高,而且結構簡單,超聲波分布均勻,因此被廣泛采用。從結構上看,壓電型換能器是在兩種不同密度的材料——鐵塊和鋁塊——之間放置二片鋯鈦酸鉛壓電晶體,然後用螺栓將其夾緊連接而成。一般情況下,在一個清洗槽上往往均勻分布地粘結有若幹個換能器,其數量視超聲波發生器的輸出功率大小而定。同一組各個換能器的阻抗應相等或相近,以便使各個換能器上載荷均衡。同時還要求各個換能器的工作頻率一致(頻率差應在士0.1%範圍內),這樣方能使各個換能器均有較高的轉換效率。為此,同一台設備的換能器必須按阻抗及工作頻率進行選配,選配好的換能器用E-1膠粘結在清洗槽體槽外底部。換能器與清洗槽體的粘結工藝及E-1膠的配方附於本節末。為了能滿足超聲波清洗大型零件的需要,還有一種可以浸沒在清洗液中工作的所謂浸沒式換能器。浸沒式換能器外麵有密封的殼體,使用時,可以根據大型工件的形狀,將換能器自由放置於清洗槽內,以達到用較小功率的換能器,來清洗較大工件的目的。為了使超聲波清洗設備的工作狀態最佳,其發生器的輸出阻抗與換能器的總的動態阻抗應相一致,發生器與換能器的工作頻率也應相一致。這樣,在額定工況下,超聲波發生器通過換能器轉換出來的聲功率最大。

超聲波的清洗效果取決於超聲波清洗工藝的正確選用。為此,對一些工藝參數(如超聲波頻率、超聲波功率密度、超聲波清洗時間)、被清洗件的放置、對清洗液的要求及其配方等作一簡要分析。

A)超聲波頻率  

在超聲波清洗中,首先要正確選用超聲波的頻率。超聲波頻率是起決定性作用的工藝參數,因為它對空化作用有直接的影響。超聲波頻率越低,超聲空化作用越強,清洗效果也比較理想,但噪音較大。故一般采用的超聲波頻率為20千赫左右,此時的空化作用強,清洗效果也比較好。對於表麵光潔度較高的零件以及具有較小直徑的孔類零件,宜采用波長較短、能量較集中的高頻超聲波清洗。但高頻的超聲振動在清洗液中衰減較大、作用距離較短、空化強度較弱,因而清洗效率也較低。此外,還由於高頻超聲波的方向性所產生的“陰影”,會造成被清洗件的某些部位清洗不到的現象。在使用無頻率跟蹤的超聲波清洗機時,需經常調節超聲波發生器的“頻率調節”旋鈕,以便使其輸出信號的頻率與換能器的固有頻率始終保持一致,從而達到空化作用最強、清洗效果最好的目的。  

B)超聲波功率密度  

超聲波清洗中,清洗效果是隨著超聲波功率密度增加而提高的。但過高的功率密度會由於空化作用過份強烈而引起被清洗件表麵的浸蝕(即所謂空化腐蝕),從而使被清洗件表麵受到損傷。這種現象尤其對工件上的各種鍍層以及鋁合金件更為突出。為此,對於油汙程度嚴重、形狀複雜、有深孔和盲孔的被清洗件,以及在清洗槽較深、清洗液粘度較大時,可選用較大的功率密度。高頻超聲波清洗時,功率密度也可以選大一些,以抵消其衰減大、作用距離短的弱點。若在粘度較小的清洗液中進行漂洗時,則超聲波功率密度可以選小一些。  

C)清洗時間  

超聲波清洗的效果和質量與超聲波清洗的時間有關。清洗時間太短會達不到清洗的質量要求;但清洗時間過長,不僅降低工效,而且由於超聲波對被清洗件表麵的空化腐蝕作用而影響了零件的表麵質量。  油汙程度嚴重、形狀複雜的零件清洗時間宜略長一些;具有各種鍍層的零件、鋁及鋁合金件的清洗時間應短些;表麵光潔度較高的零件,一般情況下油汙會相對少一些,此時清洗時間也不宜過長


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