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电镀用定脉宽开关电源和低纹波整流电源
 
慧聪网   2006年1月9日11时28分      

1 前言

  电镀产品的质量除了与电镀工艺、添加剂、工人操作水平等有关外,还与电镀设备有相当重要关系。最基本的电镀设备----电镀电源,其整流方式与直流脉动大小对某些镀种有着十分重要的影响。

  直流电源波形对电镀质量有突出的影响,例如:高频率定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源电镀时会产生特殊效应,这也是普通直流电源电镀无法达到的效果,有些现象还不能用常规电化学理论来加以解释。而直流波形对电镀沉积的影响目前还难以从理论上进行预测,只能通过大量的试验来作相对比较,筛选出适宜的波形。

  本文仅就定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波系数整流电源在电镀行业中的应用所取得的一些经验和教训加以介绍,以期让电镀界同仁在选择整流电源、解决电镀故障、提高电镀质量方面引起足够重视。

2 低纹波整流电源

  从三相四线交流供电通过各种整流器获得的是脉动直流电,不是纯直流,或多或少地含有交流成分。为了比较脉动成份的多少,可用纹波系数来表示,其含义为交流成份在直流成分中占的百分比,其数值越小,交流成份越少,越接近纯直流。

  目前,低纹波系数整流电源中输出纹波系数的大小尚无统一规定,一般认为纹波系数小于5%的整流电源可称为低纹波电源。

3 获得低纹波的途径

  整流器输出直流的纹波大小与整流程式有关,而要获得低纹波输出,则必须采用滤波或其它特殊措施。

3.1 普通硅整流器


  采用调压器调压,50~60Hz工频变压器降压的普通硅整流器,其纹波系数都较大,其由大到小的次序为:单向半波整流?单相全波(双半波或桥式)整流?三相半波整流?三相全波桥式整流或带平衡电抗器的六相双反星形整流。

  硅整流器一般未采用滤波措施,除用调压器调压带平衡电抗器的六相双反星形硅整流器外,大都不可能获得低纹波直流。因此,普通硅整流器不太可能实现自动控制,且稳定性差,电镀质量很难控制和提高。

3.2 普通可控硅整流器

  利用改变可控硅管导通角来调整输出平均直流大小的普通可控硅整流器,可控硅管输出的是间断脉冲波,其纹波系数的影响因素较多:

  (1) 可控硅的导通角越小,纹波越大;当可控硅全导通时,输出波形与硅整流器相同。换言之,整流器的负荷率越低(大马拉小车),其输出纹波系数越大。
  (2) 整流方式影响输出纹波,其规律与硅整流器一致,而相同整流方式的可控硅整流器比硅整流器纹波要大。
  (3) 整流相数越多,纹波系数越小。为此,便出现了不少十二相整流的可控硅整流器,相对纹波系数就越小。

3.3 滤波

  利用电容、电感贮能元件进行滤波,是将脉动直流转变为较为平滑的直流的常用措施。

  电容滤波,对工频整流只适合于非常小功率的整流电源。例如输出10A的单相全波整流器,要达到低纹波输出,其滤波电容要达0.1F以上。随着频率的提高,所需电容量减小。高频开关电源其频率已达音频,因而易采用电容滤波实现低纹波输出。具有稳流稳压功能的高频开关定脉宽稳压/稳流脉冲电源电源,其输出纹波都较小,但有一类高频开关电源其调压方式类似可控硅整流器,不具稳流功能,其纹波则大。

  采用三相五柱芯六相或十二相整流的可控硅整流器,再采用电感(平波电抗器)滤波,也能获得低纹波或超低纹波输出。与稳流稳压的高频开关电源相比,也具有一定的优越性。例如:不采用积木式并联输出即可制成大功率整流器,对元器件的要求相对较低,控制线路较为简单,维护维修较易,相对售价较低,因而也受到人们的欢迎。

3.4 特殊措施

  当生产工艺需要低纹波直流输出时,相应试验(例如赫尔槽试验)用电源,也应当采用定宽高频稳压稳流脉冲电源和低纹波直流电源。

  大容量电容滤波,在开机瞬间,由于电容充电量大,会产生很大的浪涌电流,易损坏整流元件。对于工艺试验而又要求低纹波输出的单相小整流器,可采用特殊方法来获得低纹波直流输出。例如:

  (1) 采用电容电感的π形滤波,但体积与重量较大,大电流输出。
  (2) 采用适量电容滤波,用普通双极性大功率三极管,利用直流负反馈环节获得低纹波输出;但输出电流不易做大,一般在50A/48V输出以下。
  (3) 电容滤波后利用具有恒流特性的低压大功率场效应管(VMOS管)调整直流输出,此法较为廉价且简单,一般在100A/24V输出以下。
  (4)定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源,贵金属电镀用较好,1500A/48V输出以下。

4 采用低纹波电源的电镀工艺

4.1 镀铬

  镀铬必须采用低纹波直流电源,否则光亮范围窄,镀层易发花、发灰,这一点已为不少人认同,但实践中仍有因对其认识不足,往往由于纹波系数过大影响套铬质量而束手无策的事时有发生。

  例1 某厂小件镀装饰铬,覆盖能力非常差,反复调整镀液中硫酸与铬酐的比值,仍无效。经现场查验,采用1000A老式可控硅整流器且平均电流仅200A左右,负荷率很低,显然输出纹波系数太大。为验证系电源问题,现场在电流电路中串接一只大功率调压器线包作电感滤波,在输出电压低时,几乎无直流输出。临时换接一台双反星形输出的硅整流器,镀铬即转为正常。

  例2 某厂镀铬上午生产正常,下午即出现装饰铬局部发灰,无法生产,怀疑镀液故障,反复加硫酸、碳酸钡调整一两天,均无法解决。分析原因,镀液成分不可能突变,怀疑硅整流管有损坏造成波形残缺而增大纹波。用钳形电流表测定各整流管电流,发现断路2支,更换新管后,故障消除。

  例3 镀铬很少有人作赫尔槽试验。当年在某地推广CS稀土镀铬时,提供样品作小试。有的单位在实验室用单相小整流器作赫尔槽试验,发现光亮范围并不宽而持否定态度。笔者认为是实验电源纹波系数太大造成,专门开发了用VMOS管控制的恒流试验电源,再作试验,证明稀土镀铬的确具有宽的光亮电流密度范围,体现了“三高一低”的优点。

  镀铬不允许中途断电,否则镀层立即发灰,其原因是铬为极易钝化的金属,在断电瞬间,已经钝化,再通电后在钝化的铬上沉积的第二层铬即为灰色。输出纹波系数过大时,脉动部分的低谷处,也易造成铬层或亮镍层钝化或者不能使已局部钝化处活化(特别是低电流密度部位)。当亮镍镀液中糖精、含硫的低区走位剂过多时,镍层更易钝化,高纹波直流的活化作用差,亮镍上套铬时未活化部分会沉积不上铬,或者使铬层发灰、发黄、起彩(三价铬不当时更易导致低电流密度区起彩)。

  镀微裂纹硬铬,输出纹波过大时,裂纹不细密且分布不均匀。

4.2 光亮酸性镀铜

  一般情况下,光亮镀铜都有一个规律:从赫尔槽试片上看,阴极电流密度越大的地方,镀层光亮整平性越好;电流密度越低,光亮整平性越差。试图扩展低电流密度区光亮范围,始终是电镀工作者不断追求的目标。这就要从光亮剂、工艺配方与工艺条件、设备等多方面入手。可以认为,光亮酸性镀铜是迄今光亮整平性最好的镀种之一。但在实践中,采用同样的配方、工艺条件,使用相同的光亮剂,得到的光亮整平性与光亮范围,却可能出现较大差异。究其原因,与所用直流电源输出纹波系数大小有很大关系。具有关资料,二十多年前,国内在开发MN系列光亮酸性镀铜添加剂时,即对采用不同整流程式的,也即具有不同纹波系数的直流电源所得镀层光亮范围作过系统试验,结论很明确:输出纹波系数越小,镀层光亮整平性越好,光亮电流密度范围越宽。事实上,纹波小时,光亮剂的用量也会越小。遗憾的是,时至今日,问及许多电镀厂点工艺技术人员,对此都感到陌生,并未引起重视。为此次提醒在光亮酸性镀铜时,一定要采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波系数直流电源,不可随便选用电镀用整流器。

  另一方面,对这种现象的机理缺乏研究。推测光亮剂的吸附需要相对平稳的电极电位,即电极电位越平稳,光亮剂的吸附性越好,特别在低电流密度区,即阴极过电位低的地方,脉动直流产生的谐波更会降低光亮剂的吸附效果。另一个事实是,在直流电镀时有效的添加剂,在脉冲电镀时就不一定凑效或效能降低。因而脉冲电镀的重要课题之一是开发相应波形下的专用添加剂。

4.3 半光亮和光亮镀镍

  通常情况下,光亮镀镍对整流输出纹波系数要求没有镀铬和光亮酸性镀铜那样高,但也确实需要采用普通低纹波输出直流电源,才能确保光亮镀镍层质量,且能保证后续套铬的质量。有好多单位在做精品装饰镀时,都不同程度地出现过镀亮镍层时由电源引发质量问题的事例。原先使用的都是调压器式六相双反星形带平衡电抗器的老式硅整流器,质量还可以,因老式机器操作控制比较麻烦、稳定性较差,后改用12V普通可控硅整流器,大电流使用时效果还可以,但在小电流输出时就很不理想,镀层出现发花、发灰等钝化现象,使用18V普通可控硅电源,效果更差,致使后续套铬频频出现质量问题,要指出的是,套铬电源没有问题。开始时只是在镀镍液和光亮剂上找原因,做试验,一直不得其解,最后查到是否是电源引起,换用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源,问题一下子就解决了,效果一直很好,后续镀铬也一直不再发生类似质量问题。这里有二点需要特别予以重视,第一,仍然是普通可控硅电源额定输出电压电流与实际使用之间不能相差太大,致使输出纹波太大。使用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波输出电源就不会出现以上问题。

4.4 硫酸盐光亮酸性镀锡

  硫酸盐光亮酸性镀锡本身就是不易镀好的镀种,其原因是大生产中易引入杂质且不好处理(包括四价锡离子)、允许温度范围窄,目前光亮剂多数不理想,可供选择的中间体远不如镀亮镍的多,因而镀层光亮范围很不易调宽。另一个不太引人重视的是,该工艺也要求采用低纹波系数直流电源,否则会出现与光亮酸性镀铜相类似的故障。不重视电镀整流电源的选择,有时会造成雪上加霜。

4.5 电泳涂漆

  电泳涂漆时若直流纹波系数大,涂层孔隙率高、涂层与基体结合力下降、抗盐雾试验不易过关。因此,该工艺也要求采用低纹波系数直流电源。由于电泳涂漆的特殊性,对电流电源还有一些特殊要求。例如:
(1) 机应具有软启动功能;
(2) 槽电压已超过人体安全电压,因而在手工操作时,电源应具有定时自动关机报警的功能,否则易产生触电事故。

4.6 电镀合金

  合金电沉积的难点:一是保持镀层中合金成份比例无明显波动,二是在宽的电流密度范围内合金成份比例一致。采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波系数直流电源,有利于解决上述问题。

5 纹波系数过大的其它问题

5.1 有效值与平均值的比值问题

  整流电源电流表反映的是电流平均值,而对电沉积起作用的是电流有效值。直流电源纹波系数越大,有效值与平均值的比值就越大,即电流表反映出的电流准确性降低。有过这样的实例:镀亮镍原先采用1000A双反星形硅整流器后换成可控硅整流器,镀同样多的定型工件,原先开200A,镀层老是烧焦,不明究竟。其实原因在于可控硅整流器在“大马拉小车”时纹波系数太大,虽电流表反映为200A,但电流有效值已大大超过200A,因而镀层烧焦。因此换用了纹波系数大的整流器,应重新摸索最佳电流密度,且可控硅的不同导通角下其值又不相同。当按直流安培小时数值补充光亮剂等材料以及铝件硬质阳极氧化按安培小时数来推测氧化膜厚度时,由于低纹波输出的有效值与平均值的误差较小且双值恒定,才易于获得较准确的数值。

5.2 镀液温升问题

  氯化物镀锌和锌酸盐镀锌以及氰化物镀锌夏天最头痛的问题之一是因欧姆热造成镀液温升(特别是滚镀),从而加大添加剂消耗量,恶化镀液、镀层性能。这里要特别指出,采用纹波系数大的直流电源,会加快温升。可以这样来解释:任何非纯直流与正弦波,都能分解为纯直流与一次、二次、三次、多次谐波。纹波系数越大,其谐波分量也越大。一般情况下,交流谐波对直流电沉积无贡献,但却能产生大量欧姆热,加快了镀液温升。可见,采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波系数直流电源,有利于降低镀液温升,提高电镀质量。

5.3 特殊情况

  一般情况下,如镀锌、普通镀镍等对直流纹波系数要求不太高的电镀工艺,采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波输出电源,都会有益无害。

  特殊情况下也有例外,例如不加有机光亮剂的普通氰化物镀铜、焦磷酸盐镀铜,直流纹波系数大些,镀层光亮性反而会好些。可见,直流波形对电沉积的影响是复杂的。建议开展电镀新工艺试验时,须对这一问题能作系统试验,筛选出适宜的波形。

6 使用低纹波可控硅整流电源注意的问题

  (1) 在选择使用低纹波输出可控硅整流电源时,应根据工艺要求选取额定输出电源电压接近最大需求值,避免使用中产生“大马拉小车”现象,保证可控硅整流电源输出纹波系数始终保持在较低值范围内。广州大恒工业电器生产的定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波输出整流电源在额定输出的10%时,仍可保持输出纹波系数在4%以下,效果很好,即使在额定输出电压较高而实际输出电压较低时,输出纹波系数也可在4%以下,电源的通用性也较好。

  (2) 低纹波输出整流电源一旦因整流管有损坏而造成缺相运行或因控制部分有故障,也会产生大的纹波。因此,为保持其良好性能,应经常进行维护、检修。最好能备有一台示波器及时查看输出直流波形。

7 结束语

  必须充分重视直流电源波形对电镀质量的影响。采用定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波电源能提高大部分镀种的电镀质量。定脉宽高频稳压/稳流脉冲电源和低纹波输出电源具有明显优越性,是大部分镀种应该采用的电源。本文提出的观点和意见可供参考,不当之处望批评指正。
 
作者:傅学胜 
 
 
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