这是一种效果显著的强化清洗方法。优点是操作简单、清洗质量好、清洗速度快、能快速清洗有空腔和沟槽等形状复杂的零件。另外，这种方法易于实现机械化和自动化。但缺点是一次性投资较高。但实际上，将投资和效益相比还是合算的。

1.超声波清洗的原理及使用要求

超声波清洗是利用了超声波在液体中的空化作用。在超声波的作用下，液体分子时而受拉，时而受压，形成一个个微小的空腔（激发成细小气泡，直径为50～500μm，并被清洗液蒸气充满），即所谓的“空化泡”。由于空化泡的内外压力相差悬殊，待空化泡破裂时，会产生局部液力冲击波（压力可达几百个大气压）。在这种压力作用下，粘附在金属表面的各类污垢会被剥落。与此同时，在超声场的作用下，清洗液的脉动和搅拌加剧，溶解和乳化加速，从而强化了清洗。

最常见的超声波清洗是采用槽内浸洗，即将零件浸入盛有清洗液的超声波清洗槽内，超声波换能器产生的超声振动由清洗槽底部辐射至清洗液内部进行清洗。这种方法很适合于清洗中小型零部件。对于尺寸和质量都较大的零件，可根据零件形状和局部清洗要求，将超声波换能器设计成特殊形状以便进行局部清洗或浸洗。图5-4所示为超声波清洗示意图。

对清洗要求严格的零件往往采用多步清洗法。重垢零件先用加热浸洗或高温喷淋，然后再用超声波清洗。几何形状过分复杂（如大小不等的孔穴，凹角等）的零部件，可采用多频率清洗（即在几种不同的超声波频率的作用下进行清洗）。

不同污垢和不同清洗剂应选择不同的工艺规范。清洗固体污垢时，主要靠空化泡破裂产生冲击波去破坏；而清洗液体污垢时，则主要靠液流循环冲刷，即靠不破裂的脉动气泡对液流循环起主要作用。

2.超声波清洗的主要影响因素

图5-4 超声波清洗示意图

1—清洗槽 2—换能器

超声波频率、声波功率密度、清洗液性质和温度以及零件在超声场的位置等基本因素对清洗的作用有很大的影响。

（1）超声波频率 超声波频率决定空化泡破裂产生冲击波的强度。超声波清洗的频率一般为20～100kHz。对于表面粗糙度要求较高，具有小直径孔或狭缝的零件，用波长较短、能量集中的高频超声波清洗（一般40kHz以上）较好。但高频超声振动在清洗液中衰减较大，作用距离较短，空化强度也较弱，清洗效率较低，而且由于高频的方向性而产生的“阴影”区，使零件某些部位清洗不到。在使用无频率跟踪的超声波清洗装置时，需要经常调节发生器的频率旋钮，使其输出信号的频率与换能器的固有振动频率保持一致，此时空化最强，在透明的清洗液中可以看到白色聚流，用手试探时有针刺感。在使用水或水洗剂时由于空化作用引起的物理清洗力对低频有利，一般用15～30kHz的超声波。清洗钟表零件时用40kHz的频率较好。当然在进行半导体制造工艺的硅片清洗时，则可以选用兆赫级超声波清洗设备。

（2）超声波的功率密度 超声波功率密度对超声波清洗效率影响很大。使用超声清洗的主要参数就是功率，或更确切地说，是清洗池内被清洗件表面处的功率密度的大小，它直接影响到超声声强的大小。声强大小又是直接影响空化效果的因素。

超声清洗效果不一定完全和功率与清洗时间的乘积成正比。可以想象，有时用小功率的清洗机，花费很长时间也不会有特别明显的效果。

如果功率达到一定值，则可以很快将污垢去除。功率过大，空化强度过强，清洗效果虽好，但会使较精密的零件产生蚀点，得不偿失，而且清洗缸底部振动处空化严重，很容易受到水点腐蚀，减少超声波清洗机的寿命。太高的声强会造成空化泡过多，形成声波屏障，使声波不容易传播到整个液体空间。在远离声源的地方，声波强度会减弱很快，不能形成有效的清洗。超声波的功率密度越高，空穴作用越强，其清洗效果越好，对表面污垢严重、形状复杂、有深孔不通孔的零件，应选用较大的功率密度。但是，功率密度太大，长时间的强洗会由于空穴作用发生腐蚀。频率20～50kHz、超声能量密度2～3W/Vm²最好；而使用溶剂时，能量密度为1～2W/Vm²。一般情况下，超声波的功率密度设在0.5～1W/Vm²。

（3）清洗温度 清洗温度的升高对空化作用有利，对于超声波来说，其空穴作用在30～40℃时最强。但温度升高，会使空化泡冲击力下降，清洗液中产生的气泡会遮断声波，使超声波减弱。因此，必须保持一定的温度范围（清洗液一般在45℃左右，三氯乙烯为75℃，水为60℃左右）。对于易蒸发和易燃的清洗液，温度不宜太高。如对于油脂类的脏污，使用水基清洗剂时在较高的温度下清洗效果好，一般场合液温设在50～60℃。各种不同的清洗液，空化强度随温度有一个最大值，表5-2表明了在相同超声强度和超声频率下，相同时间内铝在不同液体中温度与腐蚀量的关系。

表5-2 铝在不同液体中温度与腐蚀量的关系（单位：mg）

（4）零件的位置 零件表面接近并面向发生器时，清洗质量最好。一般都把零件放在金属网内，故应采用带有聚焦系统的发生器。被清洗零件不能直接压在超声振动的辐射面上。应将重点清洗部位对准超声源，被洗下的污染物应能顺利地排出零件，以便于清洗液在清洗槽内对流。一般来说，清洗液液面至少应该高于振动表面100mm以上。例如在300W、24kHz的超声清洗机内的清洗液液面约高120mm；在600W、24kHz的超声清洗机内的清洗液液面约高150mm。由于单频清洗机受驻波场的影响，波节处振幅很小，波峰处振幅大造成清洗不均匀。因此一般最佳清洗物应该放置在波峰处。或者附加其他手段使物品上下移动，均匀清洗。当选用了多频和调频清洗后，效果也要好一些。

（5）其他 清洗大量污垢的零件一般采用浸泡、喷射的方法进行预洗。在清洗了大部分污垢之后，再用超声清洗余下的污垢，则效果更好。清洗小物品及形状复杂的物品时，如果采用清洗网或者使清洗物旋转，一边振动一边用超声辐射，就能取得均匀清洗的良好效果。

总之，超声波清洗机功率的大小，清洗缸内的功率密度的设计，换能器频率及功率的选择、换能器在清洗缸中摆放的位置（底部、侧面、上部等），清洗液的选择及清洗温度等因素影响着清洗的效果，使用者应更多地听取权威生产厂家的指导，以取得最佳的使用效果。

3.超声波清洗机的组成和分类

（1）设备的基本构成 超声波清洗设备主要由三部分组成，即超声频电源（也称为超声频电功率源）、超声换能器和清洗槽，如图5-5所示。

超声频电源将工业电转换成超声频电能；超声换能器是将超声频电能转换成同频率的机械能，并通过清洗媒液向清洗工件辐射超声波，达到清洗的目的。清洗槽是盛清洗媒液的容器，它可以是单槽也可以由多个单槽组合成连续的生产线。

图5-5 超声波清洗设备示意图(www.daowen.com)

1—清洗槽 2—超声换能器 3—超声频电源

超声波清洗的辅助设备因清洗媒液的不同而有所差别。清洗媒液为水基清洗剂，一般在清洗槽内安装电加热器。加热可大大提高超声波的清洗效率。另一类超声波清洗的媒液为有机溶剂，如酮、二氯甲烷、苯和氟利昂等，其辅助设备还需有冷凝器、油水分离器及过滤回收有机溶剂的装置。现在，市场上供应的绝大部分是应用水基清洗媒液的超声波清洗设备。

（2）超声频电功率源 超声频电功率源是将工业用电转换成超声频电功率的输出装置，又称超声电源。超声电源可分为振荡放大型和逆变型两种类型。振荡放大型由振荡器、放大器和匹配电路组成。振荡器产生一定频率的信号以便推动放大器。放大器是将振荡信号放大而达到一定的功率输出。匹配电路就是通过对输出变压器进行阻抗匹配，和通过外加电感器调谐，使换能器获得最大的电功率。逆变型的超声电源常用晶闸管逆变电路，利用电脉冲触发晶闸管导通，再利用换向电容使流过晶闸管的电流反向来关断，以超声频率使晶闸管交替地导通和关断，使直流电逆变为超声电能。由于晶闸管的开关速度受限制，这类电源工作频率一般低于20kHz。

（3）超声波换能器 超声换能器有两种类型：一类是磁致伸缩型；另一类为电致伸缩型，又称压电换能器。磁致伸缩型换能器较少应用。电致伸缩型即压电换能器是应用最广的换能器，是用压电材料（如锆钛酸铝、钛酸钡等）制成的。其换能原理是由这些压电材料的特殊电学性能所致。当压电材料受到外部应力作用时，处于压缩状态或伸长状态时会形成电压，称为压电效应。而在这些材料的两端加电压时，它又会产生伸缩的机械振动，称为递压电效应。当外部加有交变电压时，它就会产生压缩式伸张的连续变化，并产生超声波。图5-6所示是压电式换能器产生超声波的示意图。

（4）超声波清洗槽 超声波清洗槽最基本的要求是透声。工业上一般都应用既透声又耐腐蚀的不锈钢制造，如304、316不锈钢。其厚度为1.5～3mm，过厚会影响声的辐射，过薄自然强度不够。同时，为避免超声空化对槽壁产生空化腐蚀，要求槽壁不锈钢要平整并抛光。尤其是粘有换能器的辐射板，不能有伤痕。在使用中要防止工件划伤。

图5-6 压电式换能器产生超声波的示意图

a）没有外加电压时 b）上接电源的正极，

下接电源负极时 V）上接电源负极，下接电源正极时 d）外接40kHz交流电源时

换能器的电功率也有设计要求。辐射板所能承受的电功率强度一般低于1.5W/Vm²，大多数辐射板承受的电功率强度应为0.5～1W/Vm²。过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀。同时由于过剧烈的空化所产生的气泡会影响能量传递，使远离辐射面的液体空间的声强变弱，而达不到均匀清洗的目的。

（5）分类 超声波清洗机主要根据设备复杂程度和应用领域来分类，一般分为单缸式、组合式、生产线式和浸入式。

1）单缸式超声波清洗机。主要用于小批量的物件的清洗，同时，对于清洗物件的要求不高，不需要进行预处理等工作。

2）组合式超声波清洗机。结构较单缸式清洗机复杂，主要是集中了浸泡、清洗和漂洗等功能。它的特点是有一定集成度，清洗效果比单纯的超声清洗好一些。适用于有较高要求的清洗部件，如汽车发动机零部件、中小型电器零部件装配前的预处理等。

3）生产线式超声波清洗机 这种超声波清洗机已经超出了一般清洗机的概念，而成为一种大的流水生产线式的清洗过程。它可以集成各种外加设备，集浸泡、水漂洗、超声漂洗、去离子水喷洗、烘干等功能于一身。主要用于满足大型机械设备零件、钢板等体积大、批量大的清洗要求。

4.超声波清洗分类

超声波清洗都是在一定的液体媒质的条件下进行的，选择媒液是以能充分发挥超声波的作用，达到去污目的为原则的。首先根据清洗介质性质的不同，可以分为液体介质、气相介质和空气介质等类型。其中液体介质和气相介质超声波清洗应用较多，而空气介质的超声波清洗属于特种清洗类别，使用不太广泛。

超声清洗又可根据清洗液的不同分为两大类：使用水溶性质清洗液的超声清洗和使用有机溶剂的超声气相清洗。

（1）使用水溶性质清洗液的超声清洗 由于水是产生空穴效果最好的液体，通常用清水做媒液，用量不很大，也不需要采用喷射或搅拌的方法来使水剧烈流动。但由于清水对油性污垢的分散能力较差，因此实际上常采用表面活性剂或酸、碱水溶液做超声波的媒液。清洗方法按照频率的不同可分为以下四种。

1）低频超声清洗。频率一般为15～25kHz，特点是空化低，气泡数量较少，然而爆破力强，清洗时间短，渗透作用较浅，而且噪声较大，适宜于清洗较大的和较为沉重的物件或较厚的污垢。

2）高频超声清洗。频率一般大于30kHz，它的特点是空化低，空化泡较多，声波的渗透作用较强，可以渗透到物件表面的细孔、狭缝内。清洗的时间比低频要长一点。适宜于清洗轻便、精细或者较为复杂的元器件。

3）双频超声清洗。低频25～28kHz，高频46～48kHz。由于采用了双频超声波，使得清洗缸内的驻波场均匀度有较大的提高，从而改善了清洗效果。

4）调频超声清洗。单频超声清洗在缸内形成驻波场，尽管双频清洗有所改善，但在某些地方还是不免存在一定的驻波波节，如果采用了调频清洗，并且有一定的带宽。则声波场的均匀度更好。

（2）使用有机溶剂的超声气相清洗 使用有机溶剂时，通常先加热清洗剂使之沸腾产生蒸气，把工件放到清洗机的蒸气区域内，冷工件碰到蒸气产生凝雾，并与工件表面污染物产生作用，随着液滴下落而带走污染物；然后把工件浸入超声波清洗缸内，通过强烈的超声空化作用进行第二次清洗；再用蒸馏回收的洁净清洗液进行喷淋并冲掉表面的残存污染物；最后把工件停留在蒸气区中进行干燥。超声气相清洗因采用有机溶剂为清洗液，具有极强的溶解污垢的能力，再经超声清洗后功能更加强大，效果更加显著。可供不同的清洗对象和清洗场合使用。

但有机溶剂存在易燃、易爆和有毒的问题，因此水溶液作为介质还是使用得比较广泛。