应用物理学论文
摘 要： 超声波清洗主要是安装在清洗槽内的超声波换能器在清洗液中发射足够的超声波能量，在液体内部形成空化效应。通过借助这种在清洗液中的空化效应产生比较强的冲击力，对物体表面的杂质、污垢以及油腻等进行清洗。随着科学技术的发展进步，针对放射性滤芯表面吸附和烧结的饼状物质的清洗需要实现自动化。除清洗方法之外，清洗设备也是保证清洗效率的重要因素之一。通过研究引入最佳的清洗设备和清洗工艺路线，可有效地解决放射性滤芯的清洗技术难题，提高清洗效率。本文针对超声波清洗设备的结构和原理进行分析，探究超声波清洗技术的特点及应用。
关键词： 超声波清洗; 滤芯; 结构原理; 应用;
在机械设备制造行业中，工业清洗设备是重要的组成部分，对国家经济发展有着密切的关系，在清洗行业中有着重要的地位。制造业生产、加工的每个环节需要相应的清洗，应当注重清洗设备的发展和创新，推动我国机械设备制造行业的发展，构建良好的国际品牌。在超声波清洗技术中心，主要通过能量转化降低人工刷洗滤芯过程，可有效降低人体受到的放射性物质的伤害，是一项绝对绿色环保的清洗技术。
1 、超声波清洗设备的结构和工作原理
1.1 、超声波清洗设备结构分析
一般来说，超声波清洗设备可以分为单槽和多槽两种类型。单槽型的超声波清洗设备主要有超声波发生器、超声波换能器以及加热元件、测温元件、控制系统等。在具体的运行中，借助超声波发生器将工频电转换成超过20KHZ的高频电信号，并通过超声波换能器实现电能向机械能的转化。
清洗滤芯的槽体材质为316L，整个清洗液储存在槽体内，清洗工件时，将工件装入清洗吊篮中，并放入槽体内部；部分工件也可以通过其他专用的升降机构等装置进行清洗。多槽类型超声波清洗设备主要有超声波发生器、超声波换能器、对台套槽体、加热元件、测温元件等控制系统组合而成。根据不同工件的清洗要求，多槽清洗设备通常采取全自动控制，完成整个过程的上下料和清洗过程。
1.2 、超声波清洗的工作原理分析
超声波清洗设备主要是借助超声波发生器将20kHz以上频率的振荡型号进行放大，借助超声波换能器完成机械振动的转换，借助声辐射对工件进行清洗，通过清洗液发生的振动，产生相应的微小气泡，在超声波方向产生负压区，在正压区迅速闭合形成上千大气压瞬间爆破，通过无数个围观高压冲击波对工件进行清洗。通过这样的清洗方式，可以将工件表面或者隐藏位置的异物进行爆裂和剥离，对工件进行彻底清洗，并且对环境和工件本身不会产生污染和损伤。
2、 超声波清洗的工艺特征和工艺参数
2.1、 超声波清洗工艺特点
相对于传统的浸洗、刷洗和高压清洗等工艺来说，超声波清洗具有速度快、精度高、一致性、废液少等特点。超声波能量可以穿透非常细小的缝隙和小孔，超声波清洗具有盲孔、深孔、弯孔、夹缝等较为复杂的中小型工件清洗，有着非常好的清洗精度和效率，针对一些中小型的零部件，可以在清洗专用框内一次性摆放若干个，再加上清洗液的作用，可以有效提高清洗速度和效率，降低人工工作量。
在超声波清洗槽内，对于装配件的清洗液不需要将装配件拆解成单个零部件，对其装配体可以直接清洗。在具体清洗工件之前，需要对被清洗件的材料结构、数量进行分析和明确，明确需要清洗的污染物和清洗度。通过对这些数据的了解和掌握，才能更加准确选择清洗工艺和清洗液。在最终清洗工艺确定之前，需要借助清洗实验进行验证，设计合适的清洗设备，并最终实现对工件的无损清洗目标。
超声波清洗的效果受到震动频率、功率以及清洗液的影响。通常情况下，超声波清洗的振动频率在20～120kHz，频率较低情况下产生的噪声较大，波长较短，能量比较集中，一般在小而精密的零件清洗中应用。频率较高的情况下，波长减短，空化效果减弱，清洗的效率比较低。对于一些有误较多、形状复杂的零件，可以采取较高功率的方式进行清洗，需要做好功率控制，如果功率过大，虽然可以提高清洗效果，但是，由于空化作用比较强，会对精密的工件产生一定的影响。同时，超声清洗作业受到清洗液温度和物理特征的影响，清洗液的液面应比换能器振动平面高，高度控制在100mm为最佳。清洗液的选择中，需要考虑对工件以及清洗槽体的腐蚀影响。
2.2 、超声波清洗的工艺参数分析
超声波清洗主要是借助超声空化作用，其空化作用受到工艺参数以及清洗液的物理性质影响，要想保证超声波清洗效果，必须选择合适的清洗液，并明确清洗工艺参数。
第一，超声波振动频率。超声波清洗中，空化作用是最重要的环节，声波振动频率对其有着很大的影响，应当注重振动频率的选择区间，一般来说，超声波清洗振动频率控制在20～80kHz。空化阈值对于超声波频率有着一定影响，频率与空化阈值呈正比。超声波的频率低，液体越容易发生空化，产生力度比较大，作业也比较强，通常在较难清洗的污垢中应用。功率高则超声波方向性强，波长相对较短，一般在表面光洁度高的部件清洗中使用，对深孔、缝隙等惊喜工件进行清洗。同时，频率不能够过高，使得波长不断变短，反而弱化空化作用，使得清洗效率降低。如果在清洗槽中具有一定的驻波场，因为声压的不均衡分析，使得工件得不到有效的清洗。因此，清洗槽的形状应当适合混响场特点，借助双频、多频等方式，避免出现清洗盲区。
第二，超声波功率密度。为了能够提高超声波清洗效率，一般采用密度较高的超声波功率，尤其是油污严重、形状复杂并且具有深孔的工件，借助高功率密度再生的清洗槽中清洗。同时，避免功率密度过高一面给工件带来侵蚀，特别是带有镀层、表面光洁度高以及铝合金等工件。超声波功率如果过大，液体中的声波过高，产生的气泡比较多，难以辐射整个缸体，影响到清洗效果。
第三，清洗液温度。在工件清洗中，需要对工件表面的污染物黏附性进行破坏，通过热能可以克服黏附力，提高温度强化清洗介质活性，降低介质的表面张力，增强清洗效率。
虽然温度可以降低黏附力，提高清洗效果，但并非温度越高越好，结合清洗液介质的不同性质，最佳效果和空化作用对温度有着一定的限制，如水基清洗液的最佳温度在35～60℃。另外，温度还可以影响介质的蒸汽压、表面张力、黏度以及密度等，如果温度达到沸点则会使得空化效应失效。
第四，清洗液选择。放射性滤芯的清洗通常使用酸、碱等作为清洗剂，其成本相对可控，效果明显。根据滤芯的材质不同，所处的工艺环境不同，其表面黏附的放射性物质成分也有所差异。通过针对性的选择合适的清洗剂，是能够保证清洗效率的主要因素之一。
第五，超声波清洗时间。超声波清洗的还见对清洗效果和质量有着直接影响，时间较短则达不到清洗要求，如果清洗时间过长则影响清洗效率，甚至对工件表面造成空化腐蚀。一般来说，对于一些表面烧结物料比较严重的工件进行清洗时，可以适当增加清洗时间，对于表面较为光洁、烧结物料较轻的工件，需要控制好清洗时间。
3、 超声波技术在放射性滤芯清洗工艺中的应用
铀纯化转化生产线所使用的的滤芯主要以管状丝网结构为主。材质主要以不锈钢、蒙乃尔为主。在不同的使用条件中，其过滤的物质成分也完全不相同。流化床内使用时，整个过程实现的是气固分离的目的。在具体使用时，随着使用周期的延长，通过滤芯的气体中夹带的放射性物料或粉尘在滤芯的表面或内部空隙中的积累量逐步增加，滤芯表面的放射性物质黏附层也越来越厚，进一步造成系统气流阻力过大，滤芯失效。则滤芯需要更换清洗再生，并作为备用元件进行使用管理。
通过对超声波清洗技术的调研以及超声波清洗实验设备的安装调试，清洗周期明显降低，清洗效果明显，实现了安全环保的要求。结合生产线放射性滤芯的多样性和复杂性，仅仅依靠简单的化学法是完全无法满足生产需求的。后期由于生产线的产能提升，对于滤芯的需求量越来越大，再加上滤芯具有放射性，在一定程度上对人体具有伤害性，完全依赖传统的人工刷洗存在一定的辐射防护的风险。
结合我们前期对放射性滤芯进行化学浸泡的化学清洗方法为基础，开展针对多样性、复杂性的放射性滤芯清洗设备的研究，确立一种“物理+化学”为主的多类型放射性滤芯新型碱萃、超声清洗、漂洗、钝化的工艺路线和设备设施。提升放射性滤芯的再循环清洗能力，并实现含铀滤芯的再生循环利用和放射性废物的最小化处理。
4、 结语
随着生产线的发展以及放射性固体废物处置的严格管控，放射性滤芯元件的清洗再利用技术将越来越重要。超声波清洗技术是一种先进的清洗技术，现已被广泛的应用和推广。
参考文献
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