恒電流密度滾鍍鋅試驗(yàn)研究

姜立軍，李哲林，杜貴平

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

恒電流密度滾鍍鋅試驗(yàn)研究

姜立軍*，李哲林，杜貴平

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

設(shè)計(jì)了一種適合滾鍍的電流密度傳感與測試裝置，采用全數(shù)字控制的高頻開關(guān)電源，在恒電流密度下進(jìn)行了滾鍍鋅閉環(huán)控制試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在相同工件、相同時(shí)間的條件下，恒電流密度閉環(huán)控制模式比恒電壓模式節(jié)能 10%，且膜厚均值較大；隨著電鍍時(shí)間延長，恒電流密度閉環(huán)控制模式下的鍍層厚度變化趨于平緩，但鍍層厚度分散程度較恒電壓控制模式時(shí)大。

堿性鍍鋅；滾鍍；電流密度；控制；膜厚；能耗

Author’s address:South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

1 前言

電鍍時(shí)，經(jīng)過赫爾槽試驗(yàn)確定合適的電流密度后，根據(jù)工件的種類和數(shù)量，計(jì)算工件表面積；然后設(shè)定電源輸出參數(shù)，電鍍電源進(jìn)入恒壓或恒流工作模式，通過控制電鍍時(shí)間，獲得所需厚度的鍍層。恒定的電流密度是得到穩(wěn)定鍍層厚度的關(guān)鍵。一般來說，鍍槽中溶液組分、pH、電流效率、工件面積、鍍液溫度等參數(shù)都是基本固定的，因此，采用不同的電流密度范圍進(jìn)行電鍍，可以獲得所需的鍍層質(zhì)量。

對(duì)于滾鍍而言，工件在電鍍過程中處于翻滾狀態(tài)，電鍍表面積呈現(xiàn)周期性變化[1]；工件表面之間的接觸電阻隨著工件的翻轉(zhuǎn)，也處于變化的狀態(tài)；滾筒翻轉(zhuǎn)過程中，電極接觸狀態(tài)變化，導(dǎo)致電極接觸電阻也是變化的。同時(shí)，由于鍍液流動(dòng)受到滾筒結(jié)構(gòu)的限制，滾筒內(nèi)部溶液濃度及溫度與滾筒外部有較大差別，電流效率降低。因此，在恒壓或恒流工作模式下，工件表面所獲得的實(shí)際電流是不確定的，這往往導(dǎo)致滾鍍工件鍍層厚度分布范圍較大。為了達(dá)到最低鍍層厚度要求，需要延長電鍍時(shí)間或加大電源輸出，但可能導(dǎo)致部分工件鍍層過厚或者產(chǎn)生“眼子印”[2]，造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。其原因在于無法保證工件獲得恒定的電流密度。因此，對(duì)于滾鍍而言，控制電流密度是改進(jìn)電鍍質(zhì)量的重要手段。

2 電流密度在線測量原理

滾鍍過程中，由于零件間的疊合、屏蔽等原因，很難確定施鍍中的有效面積。在大批量的滾鍍生產(chǎn)中，一般通過多次的工藝實(shí)驗(yàn)或依據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)，尋找和總結(jié)出適合具體情況的電流密度值，但這畢竟要花相當(dāng)長的時(shí)間，而且當(dāng)工藝條件改變之后，就必須重新試驗(yàn)摸索。

要獲得電流密度值，關(guān)鍵在于獲得電鍍時(shí)流經(jīng)工件表面的電流及工件有效表面積。直接從變壓器二次測或整流測分流的方法[3-4]測量電鍍電流，并不能精確反映滾筒內(nèi)工件實(shí)時(shí)獲得的電流狀態(tài)；由于滾鍍時(shí)工件有效表面積隨時(shí)變化，因此也不能直接用工件總面積通過計(jì)算來確定電鍍時(shí)工件的實(shí)時(shí)電流密度。

本文采用磁敏專利傳感器[5]，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合滾鍍使用的專用電流密度測量及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)裝置，其工作時(shí)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。其中，測針部件 7深入滾筒內(nèi)，隨工件一起進(jìn)行電鍍，測針面積已知。測針感受到的電流經(jīng)切換開關(guān)1接入軟磁體9，軟磁體9另一端由導(dǎo)線10直接與電源陰極12相接，電鍍開始時(shí)就可以構(gòu)成電流回路。由于磁敏傳感器的輸出端電壓e2會(huì)隨測針電流變化而顯著變化，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q電路，可以保證測量裝置11的輸出端13的輸出電壓與測針電流呈線性關(guān)系，從而作為控制信號(hào)，用以控制電鍍電源的輸出。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Block diagram

當(dāng)測針直徑為0.8 mm，導(dǎo)電部分長為4 mm時(shí)，導(dǎo)電面積AC= 10?3dm2。若鍍件電流密度為1.5 A/dm2，則測針流過電流IC= 1.5 mA，測量電路內(nèi)阻r0= 0.2 ?，測量電路壓降UC= 0.3 mV，因此可以認(rèn)為測針與工件等電位。測針直徑及長度都很小，可以保證使用 1周后再更換，而不至于使導(dǎo)電面積發(fā)生很大變化，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。

3 電源控制策略

數(shù)字化電鍍電源的硬件結(jié)構(gòu)包括主電路和控制電路兩大部分，如圖2所示[6]。主電路包括6部分：輸入整流，功率因數(shù)校正，高頻逆變電路，主功率變壓器，輸出整流和輸出濾波電路?？刂齐娐钒═MS320LF2407A控制器，采樣電路，過溫保護(hù)電路，隔離驅(qū)動(dòng)，上位機(jī)通訊，液晶顯示和CAN通訊電路等。恒電流密度控制的主要工作過程為：首先通過上位機(jī)設(shè)置需要使用的電流密度值，電流密度在線測量裝置實(shí)時(shí)測量滾鍍槽內(nèi)的電流密度，該測量值與設(shè)定值比較，其差值轉(zhuǎn)換為0 ～ 5 V的控制電壓信號(hào)。當(dāng)設(shè)定值大于測量值時(shí)，控制系統(tǒng)控制電鍍電源，調(diào)節(jié)輸出電壓升高，導(dǎo)致電鍍電流增加，測針電流密度增大，直到測量電流密度值與設(shè)定值相等；反之，當(dāng)測量值大于設(shè)定值時(shí)，則降低電源輸出電壓，以保持電流密度恒定。

圖2 電鍍工藝參數(shù)過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 2 Overall structure of parameter control system for electroplating process

4 工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模罕容^高頻電源恒電流密度工作模式和恒壓工作模式下，鍍層厚度均值，鍍層厚度分散程度及單位工件、單位膜厚下的能耗。

采用堿性滾鍍鋅工藝，鍍液溫度30 °C，滾筒轉(zhuǎn)速10 r/min，pH = 14。鍍鋅液配方為：氧化鋅15 g/L，99%片堿 125 ～ 130 g/L，Z-707(主要成分為羧酸類配合物) 6 mL/L，Z-705(主要成分為胺類化合物和煙酸類物質(zhì))依哈氏片最佳條件選擇。

滾筒由青島鑫東勝機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)，其參數(shù)如下：尺寸390 mm × 800 mm(內(nèi)對(duì)角 × 筒身長)；開孔直徑1.5 mm，正三角形排布，120個(gè)/dm2；裝載量40 kg。采用1.0 A/dm2恒電流密度或12 V恒電壓工作模式。

由于正常生產(chǎn)時(shí)工件電鍍時(shí)間為60 min，工件重約18 kg，因此選擇上下各1個(gè)水平所獲得的鍍層厚度及能耗為試驗(yàn)依據(jù)。電鍍效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)在理想鍍層厚度的獲得及其穩(wěn)定性，以及單位質(zhì)量工件獲得單位厚度的鍍層所消耗的能量(下文簡稱為單位能耗)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中控制組表示恒電流密度模式，無控制組表示恒電壓模式。

經(jīng)過計(jì)算可知，在恒電壓模式下，單位質(zhì)量工件獲得單位厚度的鍍層所消耗的平均電能為0.060 kW·h；而在恒電流密度閉環(huán)控制模式下，所消耗的平均電能為0.054 kW·h。因此可以認(rèn)為，恒電流密度閉環(huán)控制 條件下可以節(jié)能10%。

單位工件質(zhì)量獲得單位鍍層厚度所需的電能消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 能耗比較Figure 3 Comparison of energy consumption

在恒電流密度閉環(huán)控制模式下，電鍍時(shí)間少于65 min時(shí)，其能耗指標(biāo)明顯比恒壓模式要低；但在隨后的電鍍過程中，能耗指標(biāo)反而升高，效率降低。分析其原因，可能是隨著電鍍時(shí)間延長，探針同時(shí)被電鍍，導(dǎo)致探針表面積增加。因此，電流密度控制器測得的電流密度比實(shí)際值小，使得電鍍電源必須輸出更高電壓來滿足電鍍時(shí)的恒定電流密度，導(dǎo)致能耗加大。

另一方面，比較了不同膜厚下兩種試驗(yàn)工況的膜厚均勻度，以膜厚標(biāo)準(zhǔn)差表示，結(jié)果見圖4。

圖4 膜厚均勻度比較Figure 4 Comparison of coating thickness uniformity

由圖 4可知，恒電流密度閉環(huán)控制模式下，膜厚標(biāo)準(zhǔn)差隨著厚度增加而平緩增加，表明電鍍工作狀態(tài)相對(duì)平穩(wěn)。但其分散度比無控制組反而要大，這可能與電流密度測試儀的時(shí)間滯后性有關(guān)，還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

在相同工件、相同時(shí)間的條件下，恒電流密度閉環(huán)控制模式比恒電壓控制模式節(jié)能 10%，且膜厚均值較大。隨著電鍍時(shí)間延長，恒電流密度閉環(huán)控制模式下，鍍層厚度變化趨于平緩，而且該模式具有較好的鍍層厚度穩(wěn)定性，但鍍層厚度分散程度較恒電壓工作模式時(shí)大。

[1] 侯進(jìn). 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)零件混合周期的影響[J]. 電鍍與精飾, 2008, 30 (10): 25-27.

[2] 吳雙成. 滾鍍中電流的控制研究[J]. 電鍍與環(huán)保, 1999, 19 (3): 16-20.

[3] 楊國清. 精密電鍍電流的檢測與數(shù)值換算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1999, 14 (2): 69-72, 68.

[4] 侯培國, 韓薇, 崔法毅. 電鍍電流的模糊控制[J]. 控制工程, 2008, 15 (6): 699-671, 719.

[5] 邱安生. 電鍍電流參數(shù)在線測量[J]. 電鍍與環(huán)保, 2007, 27 (1): 32-36.

[6] 李雄濤, 杜貴平, 李樹強(qiáng). 基于電源裝備的電鍍工藝過程控制系統(tǒng)[J].電鍍與涂飾, 2007, 26 (2): 51-53.

[ 編輯：溫靖邦 ]

Experimental study on barrel zinc electroplating at constant current density //

JIANG Li-jun*, LI Zhe-lin, DU Gui-ping

A current density sensing and measuring device suitable for barrel plating was designed. A closed-loop control experiment of barrel zinc electroplating at constant current density was conducted using a fully-digitallycontrolled high-frequency switch power supply. The results showed that the closed-loop constant current density control mode could reduce energy consumption by about 10% and produce coatings with larger average thickness as compared to that by constant voltage control mode for similar workpiece and same plating time. The coating thickness tended to be a constant with extending plating time under constant current density control, but was more scattered than that under constant voltage control.

alkaline zinc plating; barrel plating; current density; control; coating thickness; energy consumption

TQ153.15

A

1004 – 227X (2010) 01 – 0009 – 03

2009–06–18

2009–07–27

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAF34B09）；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域突破項(xiàng)目（20070101-2）。

姜立軍（1968–），男，湖南益陽人，博士，副教授，主要從事在線質(zhì)量監(jiān)控、過程控制研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) ljjiang@scut.edu.cn。