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脈沖電源簡單介紹

添加時間:2015-05-28

常見的脈沖電流波形有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等。根據確定脈沖波形的幾點原則(實鍍效果、便于分析和研究、易于獲得和調控、便于推廣等),方波是最符合要求的脈沖波形。目前,脈沖電鍍中所使用的電流多為方波脈沖,包括單正脈沖和雙正、負脈沖電源,采用獨特的調制技術,數字化控制。
脈沖電鍍是通過槽外控制方法改善鍍層質量的一個強有力的手段,它比通常的直流電鍍具有更優異的鍍層性能,如耐蝕、耐磨、純度高,導電、焊接及抗變色性能好等,且可大幅度節約稀貴金屬,因此尤其在功能性電鍍中得到較好的應用。
1、脈沖電鍍的基本參數
傳統的直流電鍍只有一個參數--電流或電壓可供調節,而脈沖電鍍有脈沖電流密度(或峰值電流密度)jp、脈沖導通時間Ton和脈沖關斷時間Toff三個獨立的參數。由Ton和Toff可以引出一個重要概念--脈沖占空比γ。
(1)脈沖占空比γ計算公式
脈沖占空比γ指脈沖導通時間Ton占整個脈沖周期(Ton+Toff)的百分比,可用γ=Ton/θ×100%=Ton/(Ton+Toff)×100%表示。
(2)平均電流密度jm、峰值電流密度jp、脈沖占空比γ三者關系式
在一個脈沖周期內,由于電流只在部分時間(Ton)導通,而其它時間(Toff)為零,因此脈沖電鍍的電流密度有平均電流密度和峰值電流密度之分。平均電流密度jm等于峰值電流密度jp與脈沖占空比γ的乘積,可用jm=jp×γ表示。從式中可看出,jm一定時,jp會根據γ的不同而不同。例如,當jm=1A時,若γ=20%則jp=5A,若γ=10%則jp=10A。
2、脈沖電鍍過程
(1)在脈沖導通期Ton內
峰值電流相當于普通直流電流(或平均電流)的幾倍甚至十幾倍。高的電流密度所導致的高過電位使陰極表面吸附原子的總數相當高于直流電沉積,其結果使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率,從而形成具有較細晶粒結構的沉積層。
(2)在脈沖關斷期Toff內
高的過電位使陰極附近金屬離子以極快的速度被消耗,當陰極界面濃度為零或很低時,電沉積過程進入關斷期Toff。在關斷期內,金屬離子向陰極附近傳遞從而使擴散層濃度得以回升。而擴散層金屬離子濃度的回升,又有利于下一個脈沖周期使用較高的峰值電流密度。
脈沖電鍍過程中,當電流導通時,電化學極化增大,陰極區附近金屬離子充分被沉積;當電流關斷時,陰極區附近放電離子又恢復到初始濃度,濃差極化消除,并伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。這樣的過程周期性地貫穿于整個電鍍過程的始末,其中所包含的機理構成了脈沖電鍍的最基本原理。
3、脈沖電鍍的優越性及適用性
(1)鍍層結晶細致
在脈沖導通期內,由于使用較高的電流密度,使晶核的形成速率遠遠大于原有晶體的生長速率,因此可形成結晶細致的鍍層。鍍層結晶細致則密度大、硬度高、孔隙率低,則鍍層的耐蝕、耐磨、焊接、韌性、導電率、抗變色、光潔度等性能大大提高,這對于功能性電鍍來說尤其重要。
所以,脈沖電鍍首先主要適用于功能性電鍍領域,以改善鍍層的各項功能性指標,從而滿足鍍件在不同情況下較高的使用要求。
(2)鍍液分散能力改善
在脈沖關斷期內,陰極區域溶液中導電離子濃度會得到不同程度的回升,溶液電阻率減小,則分散能力改善。因此,脈沖電鍍的鍍層均勻性好,這不僅利于功能性電鍍,對于某些高要求的裝飾性電鍍也非常重要,比如大尺寸工件的裝飾性鍍金、銀等,脈沖電鍍分散能力好的優越性可使工件表面鍍層的顏色均勻一致、質量穩定。
所以,在某些高要求的裝飾性電鍍中,采用脈沖電鍍是有積極意義的。但對于常規的防護-裝飾性電鍍,如自行車、緊固件電鍍等,則沒有必要采用脈沖電鍍。
(3)鍍層純度提高
關斷時間的存在,會產生一些對沉積層有利的吸脫附現象。例如,脈沖導通期內吸附于陰極表面的不溶性雜質(包括添加劑)在關斷期內脫附返回溶液中,從而可得到純度高的鍍層。鍍層純度高,可使鍍層的某些功能性大大提高,比如脈沖鍍銀可提高鍍層的焊接、導電、自潤滑、抗變色等性能,這在軍工、電子、航空航天等領域的鍍銀生產中是難能可貴的。
(4)鍍層沉積速度加快
脈沖關斷期內金屬離子濃度的回升,降低了濃差極化,利于提高陰極電流效率和陰極電流密度,則有可能提高鍍速。脈沖電鍍的這種優越性,可用于某些對鍍層沉積速度要求較快的電鍍生產,比如電子線材的卷至卷連續電鍍。但對于普通的電鍍生產,若選擇脈沖電鍍的目的單純是為了提高生產效率,則似乎有些不太合適。
(5)鍍層氫脆消除或減輕
脈沖導通期內陰極表面吸附的氫在關斷期內從陰極表面脫附,鍍層氫脆消除或減輕,物理性能得到改善。鍍層氫脆小,工件的抗斷裂強度提高,這在對機械強度要求較高的產品的電鍍中無疑有著重要的意義。
4、周期換向脈沖電鍍基本原理
周期換向脈沖電鍍習慣稱雙(即雙向)脈沖電鍍。典型的周期換向脈沖電流波形如圖2所示。在正向脈沖之后引入反向脈沖,正向脈沖比反向脈沖持續時間長,反向脈沖幅度通常大于正向脈沖,大幅度、短時間的反向脈沖所引起的高度不均勻陽極電流分布可使鍍層凸處被強烈溶解而整平。
圖2典型的周期換向脈沖電流
周期換向脈沖電鍍與單脈沖電鍍相比,具有如下優越性。
(1)首先,反向脈沖可有效改善鍍層的厚度分布,鍍層厚度更均勻,整平性更好。
(2)反向脈沖的陽極溶解使陰極表面金屬離子濃度迅速回升,這利于下一個陰極周期使用高的脈沖電流密度,又使得晶核的形成速率大于晶體的生長速率,鍍層致密度進一步提高。
(3)反向脈沖的陽極剝離使鍍層中有機雜質(含光亮劑)的夾附大大減少,因而鍍層純度更高,抗變色能力更強,這一點在氰化鍍銀中尤為突出。
(4)反向脈沖電流使鍍層中夾雜的氫發生氧化,從而可消除氫脆(如電沉積鈀時反向脈沖可除去共沉積的氫)或減小內應力。
(5)周期性的反向脈沖電流使鍍件表面一直處于活化狀態,因此可得到結合力好的鍍層。
(6)反向脈沖有利于減薄擴散層的實際厚度,提高陰極電流效率,因此合適的脈沖參數會使鍍層沉積速度進一步加快。
5、脈沖電鍍電源的頻率
一般,高頻脈沖定義為頻率大于5000Hz,低頻為頻率小于500Hz,中頻則在500~5000Hz之間。用于電鍍的脈沖電源多屬于中頻類型。當使用頻率較低的脈沖時,其改善鍍層質量的效果會打折扣。所以,低頻脈沖電源多用于陽極氧化或其它,而較少用于電鍍,尤其貴金屬電鍍。
當使用頻率較高的脈沖時,脈沖前、后沿極易對導通、關斷時間造成嚴重影響,從而影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發揮。例如,脈沖鍍金,頻率5000Hz(此時脈沖周期0.2ms),占空比20%,則導通時間為40?s。此時,假設脈沖前沿為最小的20?s(實際可能更大),則其比例至少占到了導通時間的50%。若頻率大于5000Hz,占空比小于20%(脈沖鍍金時占空比很多時候選10%),則前沿占導通時間的比例會更大,甚至前沿會大于導通時間。如此,脈沖改善鍍層結晶的作用肯定會受到嚴重影響。實際脈沖電鍍貴金屬生產中,頻率多在1000Hz左右。
尤其當使用頻率更高的脈沖(上萬或幾萬赫)時,其前沿可能遠大于導通時間,后沿可能遠大于關斷時間,則只能得到脈動直流電流,此時脈沖的意義已全無。"高頻脈沖電鍍電源"頻率幾萬赫,其輸出的電流多是脈動電流,實質是一種直流電流,與能夠改善鍍層結晶的方波脈沖電流有本質的區別。嚴格講該電源應叫"高頻脈沖開關電鍍電源",實質是一種開關電源。而真正的"高頻脈沖電鍍電源"是一種以低紋波高頻開關電源為基礎直流電源(目的是減小設備體積、優化組合)的脈沖電源,其輸出為中頻方波脈沖電流。嚴格講該電源應叫"高頻開關脈沖電鍍電源",實質是一種脈沖電源。總之,不管電源名稱如何,判斷其是否脈沖電源,簡單的方法,可看其是否有導通時間和關斷時間(或占空比和頻率)調節范圍,有便是,沒有便不是。
6、脈沖電鍍電源使用注意事項
(1)脈沖電鍍電源與鍍槽間導體的連接
脈沖電鍍電源與鍍槽間連線的電感,阻滯了電流變化導致通過鍍槽的脈沖電流上升時間延緩,引起脈沖波形畸變。采用短、粗、根數多的電纜線,且陰陽極電纜線相絞而用(即陰陽極線纏繞在一起擰成"麻花狀"),可盡量抵消電感效應,減小脈沖波形失真度,提高鍍層質量。
連線一般要求不超過兩米,這使得脈沖電鍍電源距離鍍槽較近,從而增加了電源受腐蝕的幾率,使設備可靠性降低。比較可行的做法是,將脈沖電源與鍍槽隔墻放置,或做有機玻璃罩將其罩住。
(3)脈沖電流的使用或選擇
一般選擇脈沖平均電流與使用直流電流時一樣或稍大。例如,直流鍍時使用電流10A,則脈沖鍍時平均電流也選10A或稍大(此時不考慮占空比大小)。
7、脈沖電源應用于的行業
(1)電鍍行業:在脈沖電鍍過程中,當電流導通時,脈沖(峰值)電流相當于普通直流電流的幾倍甚至幾十倍,正是這個瞬時高電流密度使金屬離子在極高的過電位下還原,從而使沉積層晶粒變細;當電流關斷時,陰極區附近放電離子又恢復到初始濃度,濃差極化消除,這利于下一個脈沖同期繼續使用高的脈沖(峰值)電流密度,同時關斷期內還伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。這樣的過程同期性地貫穿整個電鍍過程的始末,其中所包含的機理構成了脈沖電鍍的最基本原理。實踐證明,脈沖電源在細化結晶,改善鍍層物理化學性能,節約貴重金屬等方面比傳統直流電鍍有著不可比擬的優越性。雙脈沖電源的反向脈沖的陽極化溶解使陰極表面金屬離子濃度迅速回升,這有利于隨后的陰極周期使用高的脈沖電流密度,因而鍍層致密、光亮、孔隙率低;雙脈沖電源的反向脈沖的陽極剝離使鍍層中有機雜質(含光亮劑)的夾附大大減少,因而鍍層純度高,抗變色能力強。
(2)電加工行業:利用電化學加工溶解陽極電極進行的去除性加工,一般用于加工硬度較高的工件,配合電火花加工效率和提高很多,屬于一種新興的加工工藝。
(3)電拋光去毛刺行業:電拋光和去毛刺行業之所以應用脈沖電源,主要原因在于普通直流電源無法將工件死角拋光或去毛刺,使用單脈沖電源的時候脈沖關斷時間有利于工件表面和溶液之間有一個濃度還原的過程,消除濃差極化,有利于死角拋光。而針對有微孔的工件處理一般采用雙脈沖電源效果更好。

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