超声波清洗在电镀前处理中的应用及选型

郝鹏飞，杜 斌

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024)

电镀是工业生产的重要组成部分，电镀前的清洗采用超声波清洗技术已成为一种新的典型工艺。电镀处理前的传统工艺使用酸液对工件进行清洗处理，对环境污染较重，工作环境也比较差；同时，最大的弊端是对结构复杂工件酸洗除锈后的残酸很难冲洗干净。超声波清洗技术应用到电镀前处理后，不仅能使工件表面和缝隙中的污垢迅速剥落，而且能够对工件上的残酸进行彻底清洗，进而使得电镀层牢固不会返锈，从而提高产品的成品率，减小报废或返工的机率。

1 超声波清洗原理

超声波清洗原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振波而传播到介质，清洗溶剂中超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生无数微小气泡，当液体被20 kHz 以上的超声波冲击，其声压达到一定值时，液体中的微小气泡（空化核）被正和负的压力交替作用，迅速增长后突然闭合，在气泡闭合的瞬间产生冲击波，在其周围产生上千个大气压强，这个局部的压力足以使分子内的化学键断裂，它的特征是反应能力高，而且存在时间很短（一般在1×10-4～1×10-6s），它能使化学效应较易进行。当气泡破裂时产生的冲击波作用于工件上，是工件上的附着物（污垢）得到剥离，最终达到清洗的目的，其过程如图1所示。

图1 空化作用过程示意图

2 超声波清洗系统的结构设计

电镀前处理所增加的超声波清洗系统结构主要以浸入式为主，其主要由清洗槽、换能器（超声振板）、发生器等组成。当然根据清洗工艺要求也有在超声波清洗系统槽内增加加热系统、过滤系统、喷淋系统等，使得清洗效果更明显、更彻底。其结构简图如图2所示。

清洗槽一般采用不锈钢材质制作，也有采用PP 或钛材质制作。主要用来盛放需要清洗溶液和工件，其四周或侧面设置溢流槽口，使清洗掉的游离污渍溢流出去，或经过滤净化清洗槽内溶液，保持高效清洗效果。

换能器（即超声振板），包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆等。主要由一定数量的换能振子布阵而成，现常用的换能振子通常为50 W 或100 W，其数量多少取决于配置清洗所对应的功率数。超声振板外壳基本上采用全不锈钢机构，加固密封焊接。放置方式有侧壁式及槽底式（即侧振及底振），依清洗工件要求及槽体尺寸决定具体放置形式。

发生器为超声波清洗系统的主要控制单元，它的作用是把我们的市电(220 V 或380 V，50 Hz或60 Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，通过高频线与超声振板连接。通过调节发生器上的开关及调频旋钮对超声振板内振子发出频率信号，振子开始工作，清洗槽内产生振波；一般超声信号都是从低振幅状态逐渐加高至正常工作状态。发生器对每个阵子工作通过高频线进行跟踪反馈，以保持每个振子都工作在谐振点上，避免振子产生冲击，使其保持超声振板工作在较高稳定状态，延长使用寿命。

加热系统主要是考虑超声清洗溶剂对温度的要求，以更利于污垢在溶剂内分解；增加过滤系统目的是为了清除在清洗过程中，清洗槽内浮游污垢或杂质，确保溶剂的再正常使用及清洗；喷淋系统是在工件出清洗槽后冲洗掉其表面的悬浮污垢，确保工件的清洗质量及效果。

3 电镀前处理典型超声波清洗工艺

3.1 超声波除油

图2 超声波清洗系统结构简图

将黏附有油污的制件放在除油液中，并使除油过程处于一定频率的超声波作用下的除油过程，称为超声波除油。在常规电镀前处理工艺中引入超声波工艺后，结合除油溶剂、温度等作用能够大大强化除油过程、缩短除油时间、提高除油质量、降低化学药品的消耗量；尤其对许多外形复杂零件、小型精密零件、表面有难除污物的零件及绝缘材料制成的零件有显著的除油效果，可以省去费时的手工劳动，防止零件的损伤。

3.2 超声波水洗

在电镀前处理工艺中，经过常规化学除油或电解除油后（或在超声波除油后）再增加一道超声波水洗工序，不仅能够清除在常规化学除油或电解除油（或超声波除油）过程中的液体残留，而且能够对没有清洗彻底的污垢进行二次清洗，特别是对于那些工件外型结构复杂，有好多孔洞的工件利用超声波特有的空化现象能够再次给于内部彻底的清除，保证后续电镀的效果。

4 超声波的参数选择

4.1 超声波频率的选择

一般频率：F≥20 kHz 的声波称为超声波，超声空化阈值和超声波的频率有密切关系。频率越高，空化阈值越高；也就是说频率越低，空化越容易产生。而且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，是气泡在崩溃前生长到较大的尺寸，增高空化强度，有利于清洗作用，所以低频率超声波清洗适用于大部分表面或污物和清洗件表面结合强度高的场合。但溶液腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而且空化噪音大。40 kHz 左右的频率，在相同声强下，产生的空化泡数量比频率为20 kHz 时多，穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪音较小，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。

4.2 超声波功率的选择

超声波的功力决定了声波能量的大小，即声强的高低。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，这样都会削弱远离生源地方的效果，同时超声振板金属空化严重，水点腐蚀也增大，如果振板表面已经收到空化腐蚀，强功率下水底产生空化腐蚀更严重，造成设备寿命降低，但超声波清洗功率选择小了，清除污垢的能力也会减弱，往往需要长时间的清洗，不但加大超声清洗时间，而且影响清洗效率。因此要按实际使用情况选择超声波的功率大小。

5 超声波清洗效果的影响因素

5.1 液位的影响

液位离超声振板的距离对超声波清洗效果有明显的影响，经测试发现，当液位过高，会在超声振板表面产生波纹状的空化现象，超声波就很难有效的进入溶液中，不仅不能对工件进行清洗，而且会对超声振板造成损坏，缩短使用寿命。正常情况下，超声波洗距离不超过500 mm 为宜，但也不能过低，过低空化产生的冲击波强度较小，起不到真正超声波清洗的效果，故应距超声振板100 mm 以上较为合适。

5.2 清洗时间的影响

根据需去除污垢的情况，应选择合适的清洗时间，对工件清洗效果有明显的影响，时间过短，清洗不彻底，起不到清洗的效果；过长时间的清洗，对工件表面有一定的损伤，并达不到快速、大规模清洗生产的目的。因此，根据需清洗工件的产品特性选择合适清洗时间至关重要。

5.3 清洗剂或清洗液的影响

任何清洗系统必须使用清洗剂或清洗液，由于不同清洗液有不同的物理特性，比如：表面张力、黏度、密度等这些特性均对超声波空化作用有影响，故这些物理特性势必影响到超声波的清洗；在清洗过程中，超声波清洗方式是物理清洗，配合上各类清洗液或溶剂等的化学清洗方式，对清洗能够起到明显的效果。水为最不普通的清洗液，故使用水基溶液相对来说操作比较简便、使用成本也低、应用比较广泛。然而有些材料及污垢等并不适用于水性溶液，就需要根据产品的特性调配相应的清洗液。

5.4 温度的影响

不同的清洗剂或清洗液其对温度要求不同，以水基清洗液为例，最适宜的清洗温度大约在40～60 ℃，温度过低空化效应差，清洗液的化学反应速度慢，清洗效果就会变差。当温度过高，空化气泡内气体压力增大，引起冲击声压下降，清洗效果也会减弱。

5.5 篮具或工装的影响

清洗件放置所用篮具或工装在超声波清洗系统中对清洗效率也会产生一定影响。篮具或工装材料的选择、工件的盛放多少、结构的设计等都会对清洗效率造成影响。比如橡胶以及非刚化塑料会吸收超声波能量，故做篮具或工装时需要考虑；工件盛放太多，空化气泡无法到达某些工件表面的污垢面上，无法产生空化作用而影响清洗效率；一个好篮具或工装的结构设计在清洗过程中也是非常重要的，如若设计不当，纵使再好的超声波清洗系统效率也会大大被降低。

总之，在电镀前处理工艺中引入超声波清洗工艺，不仅可以使得工件清洗的时间大大缩减，而且清洗质量也有了明显的提高。但选择一个理想合适的超声波清洗系统不仅要对工件表面污垢情况进行分析和了解，进而选择适当的超声波频率及功率，而且也要考虑超声波清洗的影响因素。随着超声波技术的不断发展，我相信今后超声波清洗技术其应用领域也会也来越广，势必会对电镀及电镀清洗工艺的发展带来促进作用。

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