高頻超聲波技術(shù)在繼電器清洗中的應(yīng)用探討

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

超聲波清洗技術(shù)自問世以來，受到了各行各業(yè)的普遍關(guān)注并在電子、機(jī)械、五金、光學(xué)元件、表面處理、儀表儀器、半導(dǎo)體等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。被稱為"無刷清洗"的超聲波清洗技術(shù)的運(yùn)用極大地提高了工作效率和清洗效果。過去，工件上存在的清洗死角、盲孔和難以觸及的藏污納垢之處一直使人們備感茫然，超聲波清洗的開發(fā)和運(yùn)用使這一工作變得輕而易舉。在超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用過程中，一些低頻(≤50KHz)超聲波存在的不足也逐漸顯現(xiàn)，如低頻時(shí)超聲波空化強(qiáng)度高，容易造成工件表面產(chǎn)生空化腐蝕，不適合表面光潔度高的部件。此外，低頻超聲波清洗對微型電磁繼電器的機(jī)械參數(shù)性能會(huì)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致繼電器的機(jī)械參數(shù)變化超差。這些不足限制了低頻超聲波清洗技術(shù)在內(nèi)部有電氣接點(diǎn)的元器件或裝有該類電子元器件的PCB組裝件的清洗。[1]隨著高頻超聲波技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，為超聲波清洗在繼電器等內(nèi)部存在電氣接點(diǎn)的元器件上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文旨在探討高頻超聲波技術(shù)在微型電磁繼電器清洗上的應(yīng)用可行性。

2 高頻超聲波清洗技術(shù)簡介

高頻超聲波的定義是相當(dāng)于低頻而言，如表1所示，一般將≤50KHz的超聲波頻率稱為低頻，該頻段是目前工業(yè)級(jí)的超聲波清洗中使用最為廣泛的，常用頻率包括28KHz和40KHz。超聲波頻率在(51～199)KHz的可稱為高頻，常用頻率包括80KHz、120KHz、170KHz。

表1 超聲波頻率分類列表

美國必能信公司的研究表明，超聲波的頻率直接決定了超聲空化效應(yīng)的強(qiáng)度，超聲頻率與氣泡的尺寸以及空化效應(yīng)的能量強(qiáng)度呈反比[2]。如圖1所示，空化氣泡尺寸越大，在破裂過程中釋放出的能量也越大。

圖1 不同頻率時(shí)空化氣泡對比示意圖

在歐美日等發(fā)達(dá)國家，在需要精密清洗的領(lǐng)域中目前已大量采用高頻超聲波清洗技術(shù)，在取得良好清洗效果的同時(shí)，消除了低頻超聲波清洗對工件表面的損傷問題。在國內(nèi)，高頻超聲波也有用于光學(xué)元件鍍膜前高潔凈度清洗的案例[3]。

另外，與低頻超聲波相比，高頻超聲波還具有能有效去除更小顆粒的優(yōu)勢，如圖2所示，流動(dòng)的液體越接近固體表面時(shí)，液體的流動(dòng)速度越趨近于0，這個(gè)流動(dòng)速度接近于0的液體厚度層稱為“流體邊界層”。“流體邊界層”厚度越大，隱藏在層中的顆粒尺寸也越大，在清洗過程中不易去除。超聲波頻率越高，越有利于減小“流體邊界層”的厚度，更加有利于去除隱藏在“流體邊界層”中的微細(xì)顆粒多余物，不同超聲波頻率對應(yīng)的流體邊界層厚度(水介質(zhì)中)以及最佳的適用顆粒尺寸范圍如表2所示[4]。

圖2 流體邊界層示意圖

表2 不同超聲波頻率流體邊界層厚度及適用顆粒尺寸列表

關(guān)于最佳適用顆粒尺寸范圍，相關(guān)的解釋為：對特定頻率段的超聲波而言，對于超出其上限范圍的顆粒，尚具有一定的清洗效果；對小于下限范圍的顆粒，基本無清洗效果。因此，在清洗過程中，必須針對工件可能攜帶的多余物尺寸選擇適合的超聲波頻率，才能取得預(yù)期的清洗效果。

2 高頻超聲波用于微型電磁繼電器清洗的可行性研究

微型密封電磁繼電器的整件結(jié)構(gòu)緊湊，存在較多夾角以及縫隙，且由于簧片之間的壓力極小，在進(jìn)行低頻超聲波清洗時(shí)容易發(fā)生參數(shù)變化，如圖3所示。

在高頻超聲波用于微型繼電器清洗的可行性研究中，按照下列原則組織進(jìn)行試驗(yàn)：

圖3 某微型繼電器整件結(jié)構(gòu)示意圖

(1)超聲波清洗后不得使繼電器參數(shù)(包括吸合、釋放、觸點(diǎn)壓力等)的變化范圍超出繼電器技術(shù)條件的允許范圍。

(2)不得使繼電器零部件的表面，特別是觸點(diǎn)表面產(chǎn)生空化腐蝕。

(3)不得使繼電器零部件的焊接部位出現(xiàn)引起功能喪失或下降的損壞。

上述第1項(xiàng)可以通過測試試驗(yàn)前后繼電器整件的電參數(shù)及機(jī)械參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，第2、3項(xiàng)可以通過鏡檢以及破壞性的拉力試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。按照上述試驗(yàn)原則組織我公司某微型電磁繼電器樣品進(jìn)行高頻超聲波清洗試驗(yàn)，試驗(yàn)后得出下列結(jié)論：

(1)在一定的時(shí)間內(nèi)，高頻超聲波清洗不會(huì)導(dǎo)致繼電器參數(shù)(電參數(shù)及機(jī)械參數(shù))發(fā)生不可允許的變化，該時(shí)間可稱之為安全清洗時(shí)間。

(2)高頻狀態(tài)下的安全清洗時(shí)間遠(yuǎn)高于低頻狀態(tài)下的安全清洗時(shí)間，一般情況下可高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)，且安全清洗時(shí)間與超聲波清洗頻率成正比。

(3)當(dāng)某個(gè)頻率或多個(gè)頻率組合的高頻超聲波清洗時(shí)間超出安全清洗時(shí)間后，仍會(huì)導(dǎo)致微型繼電器整件的參數(shù)(電參數(shù)及機(jī)械參數(shù))超差。

3 高頻超聲波清洗參數(shù)工藝研究

在精密清洗領(lǐng)域中，要取得對微小多余物的良好清洗效果，一般認(rèn)為需要對下列重點(diǎn)要素進(jìn)行控制，包括：1)清洗劑的選擇；2)超聲波清洗頻率及功率；3)清洗溫度；4)清洗時(shí)間。其中，清洗劑和清洗溫度的選擇需要根據(jù)用戶本身的需求進(jìn)行選定，從目前來看，各行業(yè)中還沒有一種統(tǒng)一的清洗劑以及適用于不同清洗對象的清洗溫度，因此本文中在超聲波清洗設(shè)備的頻率(80KHz、120 KHz、170 KHz)已確定的前提下，重點(diǎn)對清洗時(shí)間進(jìn)行研究與探討。

清洗時(shí)間對工件最終的清洗效果是一項(xiàng)關(guān)鍵性的因素，清洗時(shí)間過短，工件表面粘附的多余物不能徹底去除；清洗時(shí)間過長，工件表面會(huì)因浸泡累計(jì)效應(yīng)被二次污染[5]。在日常的工程運(yùn)用中，一般采用分組試驗(yàn)、觀察對比各組清洗效果的方法來確定清洗時(shí)間，存在試驗(yàn)組數(shù)多、耗時(shí)長以及工作量大的不足。本文嘗試先通過理論計(jì)算得出清洗掉特定尺寸顆粒多余物所需的時(shí)間，再通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證。計(jì)算的基本原則為：

理論上，當(dāng)清洗過程中作用在附著在工件表面的多余物上的力大于多余物與工件表面之間的結(jié)合力時(shí)，多余物就會(huì)從初始位置發(fā)生位移并最終脫落。也就是清洗介質(zhì)在顆粒多余物上所作的功，必須能夠保證顆粒多余物擺脫多余物與簧片之間的結(jié)合力并發(fā)生一定的位移，這個(gè)作用在多余物上的功所消耗的時(shí)間就是清洗所需的時(shí)間。

文獻(xiàn)[6]通過建立污染觸點(diǎn)的界面模型，對已經(jīng)受到污染的觸點(diǎn)界面對顆粒多余物的附著力進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為有機(jī)液體(有機(jī)污染)的彎月面力Fm以及粘性力Fv共同組成了金屬表面有機(jī)污染物對顆粒多余物的粘著力Fad，且存在一個(gè)特定厚度的有機(jī)膜層，使粘著力達(dá)到最大。其中污染觸點(diǎn)與顆粒多余物的接觸界面模型見圖4，附著力的界面模型見圖5。

圖5 顆粒多余物與金屬平面間相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的附著力界面模型

顆粒多余物與污染工件表面之間的粘著力計(jì)算公式如下式所示。

Fad=Fm+Fv

(1)

式中，F(xiàn)ad為粘著力，F(xiàn)m=2πRγ1(1+cosθ)為彎月面力，F(xiàn)v=6πKvR2/S0為法向粘性力，R為顆粒半徑，γ1為液體表面張力，θ為液體與表面的接觸角，v為顆粒離開平面過程中與平面的相對速度，S0是顆粒與金屬平面的最近距離，K為有機(jī)膜的粘度系數(shù)。

因此，可以通過計(jì)算簧片表面附著的微粒多余物的粘著力來計(jì)算清洗去除這些顆粒多余物所需的功率，然后根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)清洗介質(zhì)(超聲波產(chǎn)生的空化氣泡)能夠提供給多余物的功率，就可以計(jì)算出理論的清洗時(shí)間。計(jì)算所需的邊界條件如下：

微粒多余物的直徑為20μm(本公司部分故障產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的多余物尺寸為10μm～20μm，此處取上限值)；

附著在簧片表面上的有機(jī)污染為從線圈中揮發(fā)并再次凝結(jié)的液體石蠟(來源于漆包線制造過程添加的潤滑劑)，粘度系數(shù)K(40℃)為32cps，表面張力γ1為3.31mN/m；

超聲波產(chǎn)生的單個(gè)空化氣泡爆破時(shí)瞬間水柱沖力為(100～200)m/s，此處取最大值200m/s，空化氣泡產(chǎn)生至爆破的時(shí)間周期為10-7s，單個(gè)空化氣泡產(chǎn)生的能量為1.41×10-7J(注：相關(guān)參數(shù)由美國BRANSON公司提供)；

顆粒多余物自金屬表面離開時(shí)的啟動(dòng)速度設(shè)為10m/s(經(jīng)驗(yàn)值)；

當(dāng)化學(xué)吸附膜的厚度超過3nm時(shí)，吸附膜的隧道效應(yīng)消失，此時(shí)觸點(diǎn)表現(xiàn)為接觸電阻增大，在分析非吸附膜造成的觸點(diǎn)失效問題時(shí)，吸附膜厚度(即顆粒與金屬平面的最近距離)取3nm；

空化氣泡對多余物的作用方式為逐個(gè)連續(xù)作用，多余物離開初始位置的距離相當(dāng)于自身直徑的1倍時(shí)視作被去除。

由上述給定的邊界條件計(jì)算彎月面力最大值，可得：

(2)

由上述給定的邊界條件計(jì)算法向粘性力，可得：

Fv=6πKvR2/S0=192π×10-12/3×10-9≈0.201N

(3)

由式(1)計(jì)算，可得：

Fad=Fm+Fv≈0.201N

(4)

計(jì)算單個(gè)空化氣泡對清洗對象所作的功，可得：

W=P·t=1.41×10-7×10-7=1.41×10-14W

(5)

式中，W為單個(gè)空化氣泡所作的功，P為單個(gè)空化氣泡的能量，t為單個(gè)空化氣泡產(chǎn)生至爆破的時(shí)間周期。

計(jì)算去除直徑20μm的顆粒多余物所需作的功，可得：

W=F·S=0.2011×20×10-6=4.022×10-6W

(6)

式中，W為去除一個(gè)直徑20μm顆粒所需作的功，F(xiàn)為克服粘著力Fad所需的作用力，S為多余物離開初始位置的距離。

根據(jù)下式計(jì)算從金屬表面清洗掉該多余物所需的時(shí)間為：

(7)

(8)

式中，T為去除多余物所需的超聲波清洗時(shí)間。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，要去除一個(gè)直徑約20μm、附著在有化學(xué)吸附膜層的簧片表面的顆粒多余物，超聲波清洗時(shí)間不應(yīng)少于28.5s。進(jìn)行清洗前可以根據(jù)需要去除的顆粒多余物的實(shí)際情況，根據(jù)(1-2)～(1-7)計(jì)算所需的大致清洗時(shí)間。

為保證清洗質(zhì)量的可靠性，建議在清洗時(shí)間理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上適當(dāng)延長20%～40%，但時(shí)間不宜過長，以防止清洗過程中出現(xiàn)浸泡累計(jì)效應(yīng)，對產(chǎn)品造成二次污染。

4 高頻超聲波清洗在微型繼電器上的應(yīng)用

在本公司的2XX-1型微型電磁繼電器裝配生產(chǎn)過程中應(yīng)用高頻超聲波清洗技術(shù)，清洗工藝參數(shù)按照經(jīng)研究與優(yōu)化后的參數(shù)(見表3)進(jìn)行設(shè)置，清洗劑選用某國產(chǎn)除油能力良好的脫脂清洗劑。

高頻超聲波清洗的應(yīng)用點(diǎn)設(shè)置在繼電器整件焊接磁鋼后的清洗工序以及繼電器整件套殼封裝前的最后一道清洗工序中，控制對象分別為焊接磁鋼后的助焊劑殘留物(有機(jī)污染)以及繼電器整件在裝配過程中從外界吸附而來的微小顆粒多余物。助焊劑清洗后的效果采用鏡檢和離子污染度檢測的方式進(jìn)行評(píng)估，微小顆粒多余物清洗后的效果采用鏡檢的方式進(jìn)行評(píng)估。

表3 清洗工藝參數(shù)

對繼電器整件焊接磁鋼后的清洗效果進(jìn)行檢測，助焊劑經(jīng)清洗后已經(jīng)觀察不到任何殘留(如圖6和圖7)，離子污染物測試結(jié)果為0，因此可以認(rèn)為工件表面的助焊劑殘留已被完全去除[7]。

圖6 清洗前的磁鋼部位 圖7 清洗后的磁鋼部位

對套殼封裝前的繼電器整件的清洗效果進(jìn)行檢測，在高倍顯微鏡下觀察簧片部位，清洗前后鏡檢情況分別如圖8和圖9所示，鏡檢結(jié)果表明，簧片部位吸附的微小顆粒多余物已被完全去除，在公式1～7計(jì)算的基礎(chǔ)上制定的清洗工藝參數(shù)合理可行，高頻超聲波清洗取得預(yù)期的效果。

圖8 清洗前的簧片部位 圖9 清洗后的簧片部位

對應(yīng)用情況以及應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤、收集與整理，可以得出下列一些結(jié)論：

(1)不同頻率的超聲波對于不同尺寸的顆粒具有不同的清洗效果，頻率越低(28KHz～40KHz)，對大顆粒(>20μm)的清洗效果明顯，但易造成微型電磁繼電器的參數(shù)發(fā)生變化以及造成觸點(diǎn)表面空化腐蝕。

(2)高頻(80KHz～170KHz)超聲波清洗對大顆粒(>20μm)的清洗效果不明顯，對<20μm的微細(xì)顆粒作用較為明顯，不易引起微型電磁繼電器的參數(shù)發(fā)生變化。從試驗(yàn)情況來看，即使是長達(dá)30min的高頻超聲波清洗，也不會(huì)造成觸點(diǎn)表面產(chǎn)生空化腐蝕。

(3)要取得最佳的清洗效果，應(yīng)將不同頻率段的超聲波綜合進(jìn)行運(yùn)用，清洗顆粒多余物的原則應(yīng)按先大后小的方式進(jìn)行。

5 結(jié)束語

長期以來，由于低頻超聲波清洗存在的一些不足，如清洗時(shí)間過長對光潔度高的工件表面存在空化腐蝕等，導(dǎo)致在微型電磁繼電器領(lǐng)域的應(yīng)用上受到了一定的局限。但隨著高頻超聲波清洗技術(shù)的出現(xiàn)，在取得良好清洗效果的同時(shí)，也有效的消除了低頻超聲波清洗對工件表面的損傷問題。通過高頻超聲波清洗技術(shù)在微型電磁繼電器上的應(yīng)用可行性以及應(yīng)用工藝參數(shù)的研究，可以認(rèn)為高頻超聲波清洗技術(shù)在電磁繼電器(含微型電磁繼電器)的清洗應(yīng)用方面——特別是在控制微細(xì)顆粒(15μm以下)多余物方面有廣泛的應(yīng)用前景。在本文中，嘗試通過理論計(jì)算的方法來估算需要去除的特定尺寸的多余物所需的清洗時(shí)間，通過生產(chǎn)驗(yàn)證，該計(jì)算方法具有一定的可行性。