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，在恒電流密度下進行了滾鍍鋅閉環(huán)控制試驗研究。結(jié)果表明：在相同工件、相同時間的條件下，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，經(jīng)過赫爾槽試驗確定合適的電流密度后，根據(jù)工件的種類和數(shù)量，計算工件表面積；然后設(shè)定電源輸出參數(shù)，電鍍電源進入恒壓或恒流工作模式，通過控制電鍍時間，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行電鍍，可以獲得所需的鍍層質(zhì)量。

對于滾鍍而言，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，由于鍍液流動受到滾筒結(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。為了達到最低鍍層厚度要求，需要延長電鍍時間或加大電源輸出，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，對于滾鍍而言，控制電流密度是改進電鍍質(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驗或依據(jù)操作者的經(jīng)驗，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)長的時間，而且當(dāng)工藝條件改變之后，就必須重新試驗摸索。

要獲得電流密度值，關(guān)鍵在于獲得電鍍時流經(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)工件實時獲得的電流狀態(tài)；由于滾鍍時工件有效表面積隨時變化，因此也不能直接用工件總面積通過計算來確定電鍍時工件的實時電流密度。

本文采用磁敏專利傳感器[5]，設(shè)計了一個適合滾鍍使用的專用電流密度測量及實現(xiàn)閉環(huán)控制的實驗裝置，其工作時的結(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，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，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。控制電路包括TMS320LF2407A控制器，采樣電路，過溫保護電路，隔離驅(qū)動，上位機通訊，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：首先通過上位機設(shè)置需要使用的電流密度值，電流密度在線測量裝置實時測量滾鍍槽內(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。當(dāng)設(shè)定值大于測量值時，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，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

試驗?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)對角 × 筒身長)；開孔直徑1.5 mm，正三角形排布，120個/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)時工件電鍍時間為60 min，工件重約18 kg，因此選擇上下各1個水平所獲得的鍍層厚度及能耗為試驗依據(jù)。電鍍效果的主要評價指標(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驗結(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，電鍍時間少于65 min時，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，可能是隨著電鍍時間延長，探針同時被電鍍，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際值小，使得電鍍電源必須輸出更高電壓來滿足電鍍時的恒定電流密度，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間滯后性有關(guān)，還需進一步試驗研究。

5 結(jié)論

在相同工件、相同時間的條件下，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大。

[1] 侯進. 滾筒轉(zhuǎn)速對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, 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. 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”國家科技支撐計劃項目（2008BAF34B09）；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域突破項目（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。