電鍍屬于電解加工過程。不言而喻，電源的性能、類型、特征等因素必將對電鍍工藝過程產生重要影響。特別是在現(xiàn)代電鍍技術飛速發(fā)展的今天，電鍍電源更具有重要地位。因此，了解電鍍電源對電鍍工藝過程的影響很有必要。本文就電鍍電源和低紋波系數(shù)整流電源在電鍍行業(yè)中的應用所取得的一些經驗和教訓加以介紹，以期讓電鍍界同仁在選擇整流電源、解決電鍍故障、提高電鍍質量方面引起足夠重視。
1·整流器的基本原理及類型
1.1傳統(tǒng)硅整流器
硅整流器使用歷史長，技術成熟，目前是整流器主流產品。
1.1.1整流電路。工業(yè)生產中一般采用三相調壓器調壓，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。為了比較脈動成份的多少，可用紋波系數(shù)來表示，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系數(shù)不同。其由大到小的次序為：三相半波整流、三相全波橋式整流或帶平衡電抗器的六相雙反星形整流。其中后者工作時整流元件并聯(lián)導通，波形最為平滑，整流效率較高，工作也較為可靠，時最為常用的一種。
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、電感貯能元件進行濾波，是將脈動直流轉變?yōu)檩^為平滑的直流的常用措施。但實際生產中，除試驗用的小型整流器之外，工業(yè)生產基本上不進行濾波。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，要達到低紋波輸出，其濾波電容要達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通角來調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，輸出波形脈動系數(shù)更大。
1.1.2.整流元件類型
整流元件即通常所說的二極管。由于整流器所有的輸出電流都要經過整流元件，因此，可以說是整流器的心臟。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。雖然可控硅技術已有了長足的發(fā)展，且在電鍍上應用也日趨增多，但筆者還是推薦使用硅整流器。其原因主要是波形問題?？煽毓枵魇遣捎每刂普髟〞r間與截止時間長短來控制電流的。整流器滿負荷使用時波形好。但輸出電流較小時電流波形變差。電流越小，波形越差。而硅整流器輸出電流大小對波形幾乎無影響。
1.2開關電源
目前一種新型電鍍電源設備-開關電源正在發(fā)展之中。它兼有硅整流器的波形平滑性優(yōu)點及可控硅整流器的調壓方便的優(yōu)點，電流效率最高(可達90%以上)，體積最小，是大有前途的整流器。目前制造技術已解決了功率問題，數(shù)千安培至上萬安培的大功率開關電源已進入生產實用階段。
目前市售的開關電源電路屬于“硬開關”，由于模塊在電流通斷過程的儲能釋放問題，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“開關”損耗，并造成了對電子模塊的沖擊，使用過程設備故障率也較高。
最為先進的開關電源是“軟開關”電源電路。工作過程電子模塊通斷換向點正好處于電流為零的瞬間，因此無“開關”損耗及能量沖擊，今一步提高了整流效率，將低了故障率。但這類開關電源的技術難度較大，成本也較“硬開關”高，國內生產“軟開關”電鍍電源的為數(shù)不多?？上驳氖俏沂虚_關電源的生產技術已步入國內的前列。青島艾特電子技術有限公司最新研發(fā)的XBD系列諧振變頻電鍍電源，采用西安交大的諧振軟開關核心技術，生產的電鍍電源產品具有更高的電流效率及可靠性。該產品目前已批量生產，投入銷售。從而為廣大電鍍用戶提供了更大的開關電源選擇余地。
開關電源其頻率已達音頻，通過濾波實現(xiàn)低紋波輸出更為簡便易行。而且穩(wěn)流、穩(wěn)壓等功能更易實現(xiàn)。因此，開關電源，特別是使用“軟開關”電源電路的開關電源是今后發(fā)展的方向。
1.3脈沖電源設備
隨著電力電子科學技術的發(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算機等進行控制，因此，除實現(xiàn)脈沖輸出之外，一般具備多種控制功能。
1.3.1.自動穩(wěn)流穩(wěn)壓。傳統(tǒng)硅整流器電流或電壓無法自動穩(wěn)定，隨電網電壓的波動而波動。而脈沖電源則擁有高精度的自動調節(jié)功能。如電網三相電壓波動達上百伏時，脈沖電源輸出電壓可以幾乎不變。脈沖電源的自動調節(jié)功能一般具有二種模式：
第一，恒電流限壓模式。當電鍍工藝參數(shù)，如零件面積、溫度、濃度、酸堿度等工藝條件發(fā)生改變時，常規(guī)整流器電流會發(fā)生波動。而恒電流模式下，輸出電流自動恒定在設定值不發(fā)生改變。這對需精確計算硬鉻厚度情況下是很有用的。采用恒流模式時的限壓功能目的是保護設備不被燒壞。
第二，恒電壓限流模式。當電鍍工藝參數(shù)發(fā)生改變時，輸出電壓自動恒定在設定值不發(fā)生改變。這種模式硬鉻電鍍不常使用，但對于鋁氧化著色則大有作用。
1.3.2多段式運行模式。鋁陽極氧化或硬鉻電鍍時，往往需要進行反向電解、大電流沖擊、階梯送電等操作。傳統(tǒng)電源只能靠手工實現(xiàn)。而具有多段式運行模式的脈沖電源則只需提前設定，生產時可自動按順序進行自動調節(jié)。這一功能對硬鉻電鍍是非常有用的。目前國產脈沖電源已達到三段式運行，每一段時間可在0～255秒內調節(jié)設定。
1.3.3雙向脈沖功能。正負脈沖頻率、占空比、正反向輸出時間均可獨立調節(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，由同一臺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，國產多功能脈沖電源技術已趨于成熟，其中脈沖波形垂直程度，波形平穩(wěn)程度、穩(wěn)定性、抗干擾性等指標達到甚至超過了國外水平。
直流電源波形對電鍍質量有突出的影響，例如：高頻率定脈寬高頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流脈沖電源電鍍時會產生特殊效應，這也是普通直流電源電鍍無法達到的效果，有些現(xiàn)象還不能用常規(guī)電化學理論來加以解釋。
而直流波形對電鍍沉積的影響目前還難以從理論上進行預測，只能通過大量的試驗來作相對比較，篩選出適宜的波形。
2·電鍍電源對電鍍工藝的影響
2.1鍍鉻
各類電鍍工藝中，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，這一點已為不少人認同，但實踐中仍有因對其認識不足，往往由于紋波系數(shù)過大影響套鉻質量而束手無策的事時有發(fā)生。因此，電鍍電源的選擇就更顯重要。
對于經常使用反向電解的電鍍硬鉻生產，需要電源極性換向裝置。簡單的方法是使用手動換向開關。由于電流很大，開關通、斷時會形成較大的電火花，開關很容易損壞。將觸點浸入變壓器油中可以延長使用壽命?？煽毓枵髌鲗崿F(xiàn)換向比較容易，由于是無觸點換向，不會產生火花腐蝕。如電流變化不大時，可考慮使用可控硅極換向裝置。
電源波形對鍍鉻的影響較大。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，反復調整鍍液中硫酸與鉻酐的比值，仍無效。經現(xiàn)場查驗，采用1000A老式可控硅整流器，且平均電流僅200A左右，負荷率很低，顯然輸出紋波系數(shù)太大。換接一臺雙反星形輸出的硅整流器，鍍鉻即轉為正常。另有某廠鍍鉻上午生產正常，下午即出現(xiàn)裝飾鉻局部發(fā)灰，無法生產，懷疑鍍液故障，反復加硫酸、碳酸鋇調整一兩天，均無法解決。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，輸出紋波過大時，裂紋不細密且分布不均勻。
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。需要從光亮劑、工藝配方與工藝條件、設備等多方面入手。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)大小有很大關系。據有關資料，二十多年前，國內在開發(fā)MN系列光亮酸性鍍銅添加劑時就已證實。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，光亮劑的用量也會越小。遺憾的是時至今日并未引起電鍍工藝技術人員的重視。
2.3半光亮和光亮鍍鎳
通常情況下，光亮鍍鎳對整流輸出紋波系數(shù)要求沒有鍍鉻和光亮酸性鍍銅那樣高，但也確實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量，且能保證后續(xù)套鉻的質量。如某廠使用的調壓器式六相雙反星形帶平衡電抗器的老式硅整流器，質量一致較好。
后改用12V普通可控硅整流器，大電流使用時效果還可以，但在小電流輸出時就很不理想，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)質量問題，要指出的是，套鉻電源沒有問題。開始時只是在鍍鎳液和光亮劑上找原因，做試驗，一直不得其解，最后查到是否是電源引起，換用波紋系數(shù)較小的開關電源，問題一下子就解決了，效果一直很好，后續(xù)鍍鉻也一直不再發(fā)生類似質量問題。
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，降低鍍層內應力，并提高鍍液分散能力。不加光亮劑，或只加直流電鍍時1/100的光亮劑，可獲得光亮鍍層。金屬鍍層的尺寸也達到了鈉米晶級。因此，在當前鎳價上漲，而脈沖整流器價格下降時期，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，其原因是大生產中易引入雜質且不好處理(包括四價錫離子)、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不如鍍亮鎳的多，因而鍍層光亮范圍很不易調寬。另一個不太引人重視的是，該工藝也要求采用低紋波系數(shù)直流電源，否則會出現(xiàn)與光亮酸性鍍銅相類似的故障。不重視電鍍整流電源的選擇，有時會造成雪上加霜。
國外有公司對不加光亮劑的脈沖鍍錫做過研究，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。這種晶體對于鍍層提高耐熱蝕、熔融錫浸潤性等性能是非常重要的。
2.5電泳涂裝。
電泳涂漆時若直流紋波系數(shù)大，也會增加涂層孔隙率，涂層與基體的結合力也下降、抗鹽霧試驗不易過關。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，對電流電源還有一些特殊要求。例如：
(1)整機應具有軟啟動功能;
(2)電源應具有定時自動關機報警的功能。這是由于槽電壓已超過人體安全電壓，因而在手工操作時，易產生觸電事故。
2.6貴金屬電鍍
很早以來，脈沖電鍍在貴金屬方面就已獲得了成功應用。目前在貴金屬工業(yè)生產中仍有大量的應用。之所以成功，糾其原因，主要是貴金屬電鍍規(guī)模普遍偏小，脈沖電源設備已與解決。而普通重金屬電鍍，大功率脈沖電源設備，無論從制造方面，還是價格上，均難以推廣。
2.7電鍍合金及復合電鍍
合金電沉積的難點：一是保持鍍層中合金成份比例無明顯波動，二是在寬的電流密度范圍內合金成份比例一致。采用低紋波系數(shù)直流電源，有利于提高鍍層質量。
同樣，使用脈沖電鍍也可得到高品質的鍍層。銅錫、鈷鎳、鎳鎢等工藝使用脈沖電鍍已進行了詳盡的研究。但目前應用尚少。
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。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用。
3·其它應注意的問題。
3.1鍍液溫升問題
紋波系數(shù)大的直流電源及脈沖電源往往會加快溫升。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，交流諧波對直流電沉積無貢獻，但卻能產生大量歐姆熱，加快了鍍液溫升?？梢姡捎枚}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題之一是鍍液溫升(特別是滾鍍)過快，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整流器負荷率對文波系數(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。選擇整流器時應根據工藝要求選取額定輸出電源電壓接近最大需求值，避免使用中產生“大馬拉小車”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行。對于三相電鍍電源二言，雖然某一相電出現(xiàn)故障，但此時的整流器輸出電流波形卻只相當于單項，三減一不等于二，等于一。因此，為保持其良好性能，應經常進行維護、檢修。最好能備有一臺示波器及時查看輸出直流波形。
4·結束語
必須充分重視直流電源波形對電鍍質量的影響。采用低紋波電源或功能性脈沖電源能改善電鍍質量。電鍍生產中應注意電鍍整流器的正確選用。
關鍵詞：電鍍設備
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