電鍍屬于電解加工過(guò)程。不言而喻，電源的性能、類(lèi)型、特征等因素必將對(duì)電鍍工藝過(guò)程產(chǎn)生重要影響。特別是在現(xiàn)代電鍍技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電鍍電源更具有重要地位。因此，了解電鍍電源對(duì)電鍍工藝過(guò)程的影響很有必要。本文就電鍍電源和低紋波系數(shù)整流電源在電鍍行業(yè)中的應(yīng)用所取得的一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)加以介紹，以期讓電鍍界同仁在選擇整流電源、解決電鍍故障、提高電鍍質(zhì)量方面引起足夠重視。
1·整流器的基本原理及類(lèi)型
1.1傳統(tǒng)硅整流器
硅整流器使用歷史長(zhǎng)，技術(shù)成熟，目前是整流器主流產(chǎn)品。
1.1.1整流電路。工業(yè)生產(chǎn)中一般采用三相調(diào)壓器調(diào)壓，50Hz三相工頻變壓器降壓的普通硅整流器。各種整流電路獲得的均是脈動(dòng)直流電，不是純直流，或多或少地含有交流成分。為了比較脈動(dòng)成份的多少，可用紋波系數(shù)來(lái)表示，其含義為交流成份在直流成分中占的百分比，其數(shù)值越小，交流成份越少，越接近純直流。
各種整流電路的波動(dòng)系數(shù)不同。其由大到小的次序?yàn)椋喝喟氩ㄕ?、三相全波橋式整流或帶平衡電抗器的六相雙反星形整流。其中后者工作時(shí)整流元件并聯(lián)導(dǎo)通，波形最為平滑，整流效率較高，工作也較為可靠，時(shí)最為常用的一種。
為了獲得低紋波輸出，則必須采用濾波或其它特殊措施。利用電容、電感貯能元件進(jìn)行濾波，是將脈動(dòng)直流轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為平滑的直流的常用措施。但實(shí)際生產(chǎn)中，除試驗(yàn)用的小型整流器之外，工業(yè)生產(chǎn)基本上不進(jìn)行濾波。特殊情況可使用大電感。電容在低電壓、大電流情況下不適用于濾波。電容濾波，對(duì)工頻整流只適合于非常小功率的整流電源。例如輸出10A的單相全波整流器，要達(dá)到低紋波輸出，其濾波電容要達(dá)0.1F以上。隨著頻率的提高，所需電容量減小。
可控硅利用改變可控硅管導(dǎo)通角來(lái)調(diào)整輸出平均直流大小的普通可控硅整流器，可控硅管輸出的是間斷脈沖波，其紋波系數(shù)的受導(dǎo)通角控制，輸出紋波系數(shù)大于普通硅整流電路。特別是在使用電流低于額定電流較大的情況下，輸出波形脈動(dòng)系數(shù)更大。
1.1.2.整流元件類(lèi)型
整流元件即通常所說(shuō)的二極管。由于整流器所有的輸出電流都要經(jīng)過(guò)整流元件，因此，可以說(shuō)是整流器的心臟。整流元件分為硅整流元件和可控硅整流元件二種。鍍鉻整流器主要使用硅整流元件。雖然可控硅技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，且在電鍍上應(yīng)用也日趨增多，但筆者還是推薦使用硅整流器。其原因主要是波形問(wèn)題。可控硅整流是采用控制整流元件導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制電流的。整流器滿(mǎn)負(fù)荷使用時(shí)波形好。但輸出電流較小時(shí)電流波形變差。電流越小，波形越差。而硅整流器輸出電流大小對(duì)波形幾乎無(wú)影響。
1.2開(kāi)關(guān)電源
目前一種新型電鍍電源設(shè)備-開(kāi)關(guān)電源正在發(fā)展之中。它兼有硅整流器的波形平滑性?xún)?yōu)點(diǎn)及可控硅整流器的調(diào)壓方便的優(yōu)點(diǎn)，電流效率最高(可達(dá)90%以上)，體積最小，是大有前途的整流器。目前制造技術(shù)已解決了功率問(wèn)題，數(shù)千安培至上萬(wàn)安培的大功率開(kāi)關(guān)電源已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。
目前市售的開(kāi)關(guān)電源電路屬于“硬開(kāi)關(guān)”，由于模塊在電流通斷過(guò)程的儲(chǔ)能釋放問(wèn)題，雖然較硅整流器、可控硅整流器電流效率都高，但仍有較大的“開(kāi)關(guān)”損耗，并造成了對(duì)電子模塊的沖擊，使用過(guò)程設(shè)備故障率也較高。
最為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源是“軟開(kāi)關(guān)”電源電路。工作過(guò)程電子模塊通斷換向點(diǎn)正好處于電流為零的瞬間，因此無(wú)“開(kāi)關(guān)”損耗及能量沖擊，今一步提高了整流效率，將低了故障率。但這類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)難度較大，成本也較“硬開(kāi)關(guān)”高，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)“軟開(kāi)關(guān)”電鍍電源的為數(shù)不多。可喜的是我市開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)技術(shù)已步入國(guó)內(nèi)的前列。青島艾特電子技術(shù)有限公司最新研發(fā)的XBD系列諧振變頻電鍍電源，采用西安交大的諧振軟開(kāi)關(guān)核心技術(shù)，生產(chǎn)的電鍍電源產(chǎn)品具有更高的電流效率及可靠性。該產(chǎn)品目前已批量生產(chǎn)，投入銷(xiāo)售。從而為廣大電鍍用戶(hù)提供了更大的開(kāi)關(guān)電源選擇余地。
開(kāi)關(guān)電源其頻率已達(dá)音頻，通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)低紋波輸出更為簡(jiǎn)便易行。而且穩(wěn)流、穩(wěn)壓等功能更易實(shí)現(xiàn)。因此，開(kāi)關(guān)電源，特別是使用“軟開(kāi)關(guān)”電源電路的開(kāi)關(guān)電源是今后發(fā)展的方向。
1.3脈沖電源設(shè)備
隨著電力電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電鍍整流器正在由單一功能向多功能發(fā)展。由于脈沖電源主要是由嵌入式單片計(jì)算機(jī)等進(jìn)行控制，因此，除實(shí)現(xiàn)脈沖輸出之外，一般具備多種控制功能。
1.3.1.自動(dòng)穩(wěn)流穩(wěn)壓。傳統(tǒng)硅整流器電流或電壓無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)定，隨電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)。而脈沖電源則擁有高精度的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。如電網(wǎng)三相電壓波動(dòng)達(dá)上百伏時(shí)，脈沖電源輸出電壓可以幾乎不變。脈沖電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能一般具有二種模式：
第一，恒電流限壓模式。當(dāng)電鍍工藝參數(shù)，如零件面積、溫度、濃度、酸堿度等工藝條件發(fā)生改變時(shí)，常規(guī)整流器電流會(huì)發(fā)生波動(dòng)。而恒電流模式下，輸出電流自動(dòng)恒定在設(shè)定值不發(fā)生改變。這對(duì)需精確計(jì)算硬鉻厚度情況下是很有用的。采用恒流模式時(shí)的限壓功能目的是保護(hù)設(shè)備不被燒壞。
第二，恒電壓限流模式。當(dāng)電鍍工藝參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，輸出電壓自動(dòng)恒定在設(shè)定值不發(fā)生改變。這種模式硬鉻電鍍不常使用，但對(duì)于鋁氧化著色則大有作用。
1.3.2多段式運(yùn)行模式。鋁陽(yáng)極氧化或硬鉻電鍍時(shí)，往往需要進(jìn)行反向電解、大電流沖擊、階梯送電等操作。傳統(tǒng)電源只能靠手工實(shí)現(xiàn)。而具有多段式運(yùn)行模式的脈沖電源則只需提前設(shè)定，生產(chǎn)時(shí)可自動(dòng)按順序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。這一功能對(duì)硬鉻電鍍是非常有用的。目前國(guó)產(chǎn)脈沖電源已達(dá)到三段式運(yùn)行，每一段時(shí)間可在0～255秒內(nèi)調(diào)節(jié)設(shè)定。
1.3.3雙向脈沖功能。正負(fù)脈沖頻率、占空比、正反向輸出時(shí)間均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，使用靈活、方便。配合硬鉻電鍍工藝，可獲得不同物理性能的鍍層。
1.3.4直流疊加功能。輸出正反向脈沖電流的同時(shí)，由同一臺(tái)電源疊加輸出一純直流成分，更拓寬了脈沖電源的使用范圍及用途。
近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)多功能脈沖電源技術(shù)已趨于成熟，其中脈沖波形垂直程度，波形平穩(wěn)程度、穩(wěn)定性、抗干擾性等指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外水平。
直流電源波形對(duì)電鍍質(zhì)量有突出的影響，例如：高頻率定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源電鍍時(shí)會(huì)產(chǎn)生特殊效應(yīng)，這也是普通直流電源電鍍無(wú)法達(dá)到的效果，有些現(xiàn)象還不能用常規(guī)電化學(xué)理論來(lái)加以解釋。
而直流波形對(duì)電鍍沉積的影響目前還難以從理論上進(jìn)行預(yù)測(cè)，只能通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)作相對(duì)比較，篩選出適宜的波形。
2·電鍍電源對(duì)電鍍工藝的影響
2.1鍍鉻
各類(lèi)電鍍工藝中，鍍鉻是受電源波形影響最大的鍍種之一。鍍鉻必須采用低紋波直流電源，否則光亮范圍窄，鍍層易發(fā)花、發(fā)灰，這一點(diǎn)已為不少人認(rèn)同，但實(shí)踐中仍有因?qū)ζ湔J(rèn)識(shí)不足，往往由于紋波系數(shù)過(guò)大影響套鉻質(zhì)量而束手無(wú)策的事時(shí)有發(fā)生。因此，電鍍電源的選擇就更顯重要。
對(duì)于經(jīng)常使用反向電解的電鍍硬鉻生產(chǎn)，需要電源極性換向裝置。簡(jiǎn)單的方法是使用手動(dòng)換向開(kāi)關(guān)。由于電流很大，開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)會(huì)形成較大的電火花，開(kāi)關(guān)很容易損壞。將觸點(diǎn)浸入變壓器油中可以延長(zhǎng)使用壽命。可控硅整流器實(shí)現(xiàn)換向比較容易，由于是無(wú)觸點(diǎn)換向，不會(huì)產(chǎn)生火花腐蝕。如電流變化不大時(shí)，可考慮使用可控硅極換向裝置。
電源波形對(duì)鍍鉻的影響較大。而且往往容易被操作者忽視。如某廠小件鍍裝飾鉻，覆蓋能力非常差，反復(fù)調(diào)整鍍液中硫酸與鉻酐的比值，仍無(wú)效。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，采用1000A老式可控硅整流器，且平均電流僅200A左右，負(fù)荷率很低，顯然輸出紋波系數(shù)太大。換接一臺(tái)雙反星形輸出的硅整流器，鍍鉻即轉(zhuǎn)為正常。另有某廠鍍鉻上午生產(chǎn)正常，下午即出現(xiàn)裝飾鉻局部發(fā)灰，無(wú)法生產(chǎn)，懷疑鍍液故障，反復(fù)加硫酸、碳酸鋇調(diào)整一兩天，均無(wú)法解決。分析原因，鍍液成分不可能突變，懷疑硅整流管有損壞造成波形殘缺而增大紋波。用鉗形電流表測(cè)定各整流管電流，發(fā)現(xiàn)斷路2支，更換新管后，故障消除。
鍍微裂紋硬鉻，輸出紋波過(guò)大時(shí)，裂紋不細(xì)密且分布不均勻。
采用脈沖電鍍鉻，也可得到優(yōu)良的鍍層。研究表明，當(dāng)采用工藝條件為：頻率1000Hz，占空比通：斷=1/5，平均電流密度40A/dm2，30度溫度，獲得的鍍鉻層耐磨性提高三倍;耐腐蝕性提高5倍。
2.2光亮酸性鍍銅
一般情況下，光亮鍍銅都有一個(gè)規(guī)律：從赫爾槽試片上看，陰極電流密度越大的地方，鍍層光亮整平性越好;電流密度越低，光亮整平性越差。試圖擴(kuò)展低電流密度區(qū)光亮范圍，始終是電鍍工作者不斷追求的目標(biāo)。需要從光亮劑、工藝配方與工藝條件、設(shè)備等多方面入手。光亮酸性鍍銅是迄今光亮整平性最好的鍍種之一。但在實(shí)踐中，采用同樣的配方、工藝條件，使用相同的光亮劑，得到的光亮整平性與光亮范圍，卻可能出現(xiàn)較大差異。究其原因，與所用直流電源輸出紋波系數(shù)大小有很大關(guān)系。據(jù)有關(guān)資料，二十多年前，國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)MN系列光亮酸性鍍銅添加劑時(shí)就已證實(shí)。規(guī)律是：輸出紋波系數(shù)越小，鍍層光亮整平性越好，光亮電流密度范圍越寬。而且，紋波越小，光亮劑的用量也會(huì)越小。遺憾的是時(shí)至今日并未引起電鍍工藝技術(shù)人員的重視。
2.3半光亮和光亮鍍鎳
通常情況下，光亮鍍鎳對(duì)整流輸出紋波系數(shù)要求沒(méi)有鍍鉻和光亮酸性鍍銅那樣高，但也確實(shí)需要采用普通低紋波輸出直流電源，才能確保光亮鍍鎳層質(zhì)量，且能保證后續(xù)套鉻的質(zhì)量。如某廠使用的調(diào)壓器式六相雙反星形帶平衡電抗器的老式硅整流器，質(zhì)量一致較好。
后改用12V普通可控硅整流器，大電流使用時(shí)效果還可以，但在小電流輸出時(shí)就很不理想，鍍層出現(xiàn)發(fā)花、發(fā)灰等鈍化現(xiàn)象，使用18V普通可控硅電源，效果更差，致使后續(xù)套鉻頻頻出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，要指出的是，套鉻電源沒(méi)有問(wèn)題。開(kāi)始時(shí)只是在鍍鎳液和光亮劑上找原因，做試驗(yàn)，一直不得其解，最后查到是否是電源引起，換用波紋系數(shù)較小的開(kāi)關(guān)電源，問(wèn)題一下子就解決了，效果一直很好，后續(xù)鍍鉻也一直不再發(fā)生類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題。
研究表明，采用脈沖電源鍍鎳同樣可提高鍍層孔隙率，延展性，硬度，降低鍍層內(nèi)應(yīng)力，并提高鍍液分散能力。不加光亮劑，或只加直流電鍍時(shí)1/100的光亮劑，可獲得光亮鍍層。金屬鍍層的尺寸也達(dá)到了鈉米晶級(jí)。因此，在當(dāng)前鎳價(jià)上漲，而脈沖整流器價(jià)格下降時(shí)期，考察選用脈沖電鍍還是很有必要的。
2.4硫酸鹽酸性鍍錫
硫酸鹽光亮酸性鍍錫本身就是不易鍍好的鍍種，其原因是大生產(chǎn)中易引入雜質(zhì)且不好處理(包括四價(jià)錫離子)、允許溫度范圍窄，目前光亮劑多數(shù)不理想，可供選擇的中間體遠(yuǎn)不如鍍亮鎳的多，因而鍍層光亮范圍很不易調(diào)寬。另一個(gè)不太引人重視的是，該工藝也要求采用低紋波系數(shù)直流電源，否則會(huì)出現(xiàn)與光亮酸性鍍銅相類(lèi)似的故障。不重視電鍍整流電源的選擇，有時(shí)會(huì)造成雪上加霜。
國(guó)外有公司對(duì)不加光亮劑的脈沖鍍錫做過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)采用占空比25%-30%，頻率1000-10000Hz的波形，可得到亞鈉米鍍層晶體。這種晶體對(duì)于鍍層提高耐熱蝕、熔融錫浸潤(rùn)性等性能是非常重要的。
2.5電泳涂裝。
電泳涂漆時(shí)若直流紋波系數(shù)大，也會(huì)增加涂層孔隙率，涂層與基體的結(jié)合力也下降、抗鹽霧試驗(yàn)不易過(guò)關(guān)。因此，該工藝也要求采用低紋波系數(shù)直流電源。由于電泳涂漆的特殊性，對(duì)電流電源還有一些特殊要求。例如：
(1)整機(jī)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能;
(2)電源應(yīng)具有定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)報(bào)警的功能。這是由于槽電壓已超過(guò)人體安全電壓，因而在手工操作時(shí)，易產(chǎn)生觸電事故。
2.6貴金屬電鍍
很早以來(lái)，脈沖電鍍?cè)谫F金屬方面就已獲得了成功應(yīng)用。目前在貴金屬工業(yè)生產(chǎn)中仍有大量的應(yīng)用。之所以成功，糾其原因，主要是貴金屬電鍍規(guī)模普遍偏小，脈沖電源設(shè)備已與解決。而普通重金屬電鍍，大功率脈沖電源設(shè)備，無(wú)論從制造方面，還是價(jià)格上，均難以推廣。
2.7電鍍合金及復(fù)合電鍍
合金電沉積的難點(diǎn)：一是保持鍍層中合金成份比例無(wú)明顯波動(dòng)，二是在寬的電流密度范圍內(nèi)合金成份比例一致。采用低紋波系數(shù)直流電源，有利于提高鍍層質(zhì)量。
同樣，使用脈沖電鍍也可得到高品質(zhì)的鍍層。銅錫、鈷鎳、鎳鎢等工藝使用脈沖電鍍已進(jìn)行了詳盡的研究。但目前應(yīng)用尚少。
2.8鋁氧化。
采用脈沖氧化比普通直流氧化具有明顯的優(yōu)勢(shì)。氧化膜層硬度，厚度，速率等方面性能顯著提高。
在軍工等制品方面已得到較多的應(yīng)用。
3·其它應(yīng)注意的問(wèn)題。
3.1鍍液溫升問(wèn)題
紋波系數(shù)大的直流電源及脈沖電源往往會(huì)加快溫升。從理論上分析，這是由于任何非純直流與正弦波，都能分解為純直流與一次、二次、三次、多次諧波。紋波系數(shù)越大，其諧波分量也越大。一般情況下，交流諧波對(duì)直流電沉積無(wú)貢獻(xiàn)，但卻能產(chǎn)生大量歐姆熱，加快了鍍液溫升?？梢?jiàn)，采用定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源和低紋波系數(shù)直流電源，有利于降低鍍液溫升。特別是氯化物鍍鋅和鋅酸鹽鍍鋅夏天最頭痛的問(wèn)題之一是鍍液溫升(特別是滾鍍)過(guò)快，加大添加劑消耗量，惡化鍍液、鍍層性能。采用平滑直流有利于將低鍍槽溫度。
3.2整流器負(fù)荷率對(duì)文波系數(shù)的影響。
工作電流越接近整流器的額定電流，波形越平滑。特別是可控硅整流電源更為明顯。選擇整流器時(shí)應(yīng)根據(jù)工藝要求選取額定輸出電源電壓接近最大需求值，避免使用中產(chǎn)生“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，保證整流電源輸出紋波系數(shù)始終保持在較低值。
整流電源由于因整流管有損壞而造成缺相運(yùn)行。對(duì)于三相電鍍電源二言，雖然某一相電出現(xiàn)故障，但此時(shí)的整流器輸出電流波形卻只相當(dāng)于單項(xiàng)，三減一不等于二，等于一。因此，為保持其良好性能，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)、檢修。最好能備有一臺(tái)示波器及時(shí)查看輸出直流波形。
4·結(jié)束語(yǔ)
必須充分重視直流電源波形對(duì)電鍍質(zhì)量的影響。采用低紋波電源或功能性脈沖電源能改善電鍍質(zhì)量。電鍍生產(chǎn)中應(yīng)注意電鍍整流器的正確選用。
關(guān)鍵詞：電鍍?cè)O(shè)備
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