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智能式刷镀电源系列

智能化刷镀电源的特点与应用

发布时间:2019-05-18 16:11:14    来源:费敬银原创

镀层厚度显示智能式刷镀电源的特点与应用

费敬银

西北工业大学 710072

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1. 前言

电刷镀技术是在电镀(有槽电镀)技术的基础上逐步改进、完善、发展起来的一种新型表面加工方式,是高速电镀的一种特殊形式。因此,刷镀电源的发展与电镀电源的发展是同步的。

所有的刷镀电源,都是附加有特定辅助功能的直流电源。因此,可根据直流电源的整流方式、附加功能、输出波形、智能化特点等对刷镀电源的类别进行区分。

根据整流方式的不同,可将用于刷镀的直流电源分为四个大类:① 大容量蓄电池;②直流发电机; ③硅整流电源(含可控硅整流电源);④开关电源(高频逆变电源)。不同类型直流电源的基本特点、发展趋势、以及选购原则简述如下。

 

2. 直流电源的种类

(1)大容量蓄电池:蓄电池是最简单的直流电源(将化学能直接转化为电能的直流电源)。处在无法提供工业电力、也无移动式交流发电机的偏远、野外施工现场,可以将大功率工业蓄电池作为简易的刷镀电源使用。使用工业蓄电池的不便之处是无法连续调节蓄电池的输出电压。除非万不得已,较少有人将蓄电池作为刷镀电源使用。

(2)直流发电机:直流发电机是将机械能直接转化为直流电的一种能量转化装置,可以提供刷镀需要的直流电,且输出电压可任意调控。虽然从原理上讲,直流发电机可以用作刷镀电源,但与其它形式整流的电源相比没有太多的优势,且体积庞大,如今,除了用于军工目的,很少有人使用这类电源。

(3)硅整流电源(含可控硅整流电源):伴随着大功率半导体技术的飞速发展,将交流电变为直流电变得简单易行。硅整流电源就是利用大功率半导体器件将工业交流电转化为直流电的一种电源形式。对于刷镀用硅整流电源,先通过变压器将工频交流的电压降压到安全电压(36V)以下,再经调压器调压后输送给大功率整流二极管(如整流桥等)整流输出含有纹波的直流,经滤波、稳压后即可输出符合刷镀电压要求的直流电。硅整流电源质量稳定、可靠,是20世纪70年代末至本世纪初刷镀电源的主要形式。

如果将经过变压器降压后的交流电输送给晶闸管,通过控制晶闸管的导通角来改变输出电压,就构成了可控硅整流刷镀电源的主体。

由于硅整流电源(含可控硅电源)必须使用变压器(调压器),而大电流的变压器必须使用粗铜线绕制,因此,这类刷镀电源通常笨重而昂贵,正逐步被开关电源(高频逆变电源)所代替。

(4)开关电源(也称高频逆变电源或脉冲电源):近年来,随着现代电子科技的快速发展,大电流功率开关管(IGBT)的稳定性显著提高,高频/高压整流技术取得了突破性进展。由于高频/高压整流过程中不需要体积庞大、笨重的变压器(和低压调压器),开关电源以其具有重量轻、体积小、成本低等特点,正逐步成为当前整流电源的主体。但是,如果其重要的整流器件质量不稳定,与传统的硅整流电源相比,大电流开关电源的可靠性要略差一些。因刷镀所需的电流通常不会超过200A,用开关电源作为刷镀电源,基本上不存在可靠性问题。

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3. 刷镀电源的基本特点

刷镀是一种特殊的无槽电镀形式,因此,与电镀用直流电源相比,刷镀电源应具备以下特性。

(1)   电源应具有恒压输出特性:在电镀生产中,一般是控制电源输出电流的大小,一旦核准电源输出的电流值,在整过电镀过程中应保持电流值稳定不变,因此,电镀电源输出具备恒流特性。而用于刷镀的电源则不同,在刷镀过程中,无法严格控制阳极与工件接触面积的大小、且经常出现开路现象,故不宜使用具有恒流特性的电镀电源。因此,用于刷镀的直流电源应具备恒压特性,且恒压值不应随负载的变化而变化(即具有平硬的外特性)。

(2)   电源输出电压应连续可调:刷镀时,需要经过多个步骤(如电净、活化、形成镀层等)才能完成一个完整的刷镀过程,每一个步骤要求在特定的电压下完成,因此,刷镀电源的输出电压应能根据工艺步骤的要求而任意调整。早期的刷镀工艺,要求刷镀电源的输出电压范围是0~30V(如果使用的是FJY系列刷镀产品,电压范围是0~15V)。

(3)   电源输出极性可任意转换:在刷镀过程中,经常会改变电源的输出极性,如电净时,工件作阴极;活化时,工件作阳极;沉积镀层时,工件作阴极。因此,刷镀电源应具备极性转换功能。改变电源输出极性的最简单方法是调换线夹子。也可用双刀双掷开关换向、双路继电器换向或固态电子换向电路换向。为了便于电源维修,最好采用双路继电器换向。

(4)   电源应具有过流、短路保护装置:在刷镀过程中,经常会出现短路现象(如阳极包套破损等)。为了防止因短路而损坏电源或灼伤工件,刷镀电源应有短路和限流保护电路,确保在外路短路时不出现意外。

(5)   电源应具有电量记录装置(库仑计):刷镀过程的每一步都是一个电化学反应过程,电化学反应进行的量(反应量)可用库伦定律(或法拉第电解定律)表示,即参与反应物质的量与流过回路的电量成正比。如果发生的电化学反应是沉积金属的还原反应,则沉积出金属的量与流经回路的电量成正比。一旦确定了从某种镀液中还原金属的电流效率(或耗电系数),就可以依据电量计记录的电量值折算出析出金属镀层的质量(或厚度)。

(6)   电源轻便、可靠;刷镀电源应体积小、重量轻,便于运输(去故障设备现场修复)、且可靠耐用。

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4. 刷镀电源发展方向

近年来,关于新型刷镀电源广告的宣传很多,称谓也是五花八门,很令人发懵。对于希望购买刷镀电源从事刷镀技术应用的新手,通常不知道刷镀电源在那些方面的改进符合刷镀技术未来发展的方向。本文提出几个要点,供读者参考。

(1)   维修用刷镀电源应轻量化、实用化。刷镀维修通常需要去故障设备现场进行服务,如果刷镀电源太笨重(如硅整流刷镀电源),不便去施工现场进行服务(如去野外工地修复挖掘机、采矿机械、筑路工程机械等)。因此,研发性能可靠、轻便的高频逆变刷镀电源,具有广泛的适用性。

(2)   电源输出波形可人为设定。在电镀领域,对于不同的镀种,人们会选用具有不同输出波形的电源进行电镀(如半波整流电源镀铜、不对称交-直流电源低温镀铁、脉冲电源镀金等)。要了解更多关于电源输出波形与镀层性能相关性的研究成果,可参阅费敬银等发表的学术论文(如:“Electrodeposition of Zn-Co alloys with pulse containing reverse current”,Electrochimica Acta,2005, 50(13); “脉冲电沉积法制备高P镍基合金镀层”,中国腐蚀与防护学报,2012,32(6),“脉冲电沉积高速Ni 工艺研究”,中国腐蚀与防护学报,2013,33(4)等)。虽然刷镀是一种无槽电镀方式,但是,其工作原理与电镀相同。因此,刷镀电源的输出波形也会对镀层的性能产生显著影响。但是,在刷镀界,较少有人研究过电源输出波形与刷镀层性能之间的依赖关系。有些电源供应商号称其可提供脉冲电源,其实,所提供的只是高频逆变脉冲电源,根本不是人们希望的输出波形可按需调制的多波形输出电源。在国外,人们利用计算机辅助控制技术,生产出了大电流的、输出波形可人为调控的刷镀电源,为开展新型功能性刷镀奠定了基础。

(3)   具有单片机数据采集、分析、输出、控制的特殊用途刷镀电源。目前市场上能够购买到功能最全的刷镀电源是附加有电量计的刷镀电源,利用电流积分电路将刷镀时流经回路的电量记录下来,进而为核算刷镀层的厚度提供依据。然而,在实际刷镀过程中,镀液的电流效率是在不断变化的,仅有电量记录的刷镀机难以满足精确化控制的需要,而是需要对整个刷镀过程进行智能化数据采集与控制。例如,钻具螺纹防粘扣表面刷镀技术应用、煤矿机械深孔修复、航天精密部件无氰镀金、远程导弹抗电磁干扰表面刷镀、受控核聚变高导电表面改性层等过程中,需要严格控制每一步骤的工艺参数,如电压、时间、转速、电量乃至需要实时显示镀层厚度等,开发特殊用途的智能化刷镀电源,精确控制刷镀实施过程,是保证镀层质量的关键要素。

(4)   实用型专用刷镀电源研发。虽然具有较多功能的刷镀电源为刷镀工作者的技术研究和工程应用提供了方便,但是,在实际刷镀生产过程中,有时需要操作简便的实用型刷镀电源。如一般镀锡电源、装饰镀金电源、液压杆(油缸)修复专用电源等。专门使用FJY油缸修复技术修复液压系统局部缺陷的用户,电源的输出电流在50A以内即可满足施工要求。因为液压系统的局部破坏,虽然深度大,但破坏的面积较小,刷镀时不需要电源有较大的电流输出。选用功率较小、重量轻的刷镀电源,更便于去现场(特别是野外施工工地)进行维修服务。对于专门使用FJY无氰镀金技术的用户,只需要精确地控制输出电压,镀金电源应有镀层厚度显示功能。因为金原料价格昂贵,刷镀过程中必须精确控制镀金层厚度,以免造成不必要的浪费。

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5. FEIST镀层厚度实时监测显示智能式刷镀电源

虽然国内外刷镀电源供应商提供的刷镀电源品种繁多、名称各异,但是,依据电源具有的基本功能,可将其归为两类:1. 具有极性转换功能的直流电源(内置换向继电器),是市场上销量最大的刷镀电源;2. 在换向直流电源的基础上,内置电量计(库仑计),该电源是上世纪80年代后期国内普遍使用的刷镀电源。

西北工业大学自20世纪60年代开始,一直致力于刷镀技术、产品的研究、开发与应用。发表了近200篇与刷镀相关的学术研究论文,结合航空、航天、航海工程的需要研制具有专用特性的刷镀电源。FEIST镀层厚度实时显示刷镀电源是目前国内唯一能够直接显示刷镀层厚度的实用新型刷镀电源。与内置电量计的刷镀电源不同,该电源的厚度显示窗口可以显示当前镀层厚度的真实值,便于操作者精确控制刷镀过程,为实现精确、柔性刷镀提供了方便。

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6.特别说明

专门就刷镀电源进行介绍的目的是便于初学者、或刷镀电源购买者能购快速了解可刷镀的直流电源应具备的基本特点、发展现状,以及选购刷镀电源时应注意的事项。虽然文中所述的内容客观、真实,但并不否定市场上可能有性能更为丰富刷镀电源的存在。

 

 

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