脈沖電鍍電源的工作原理及技術(shù)研究

　　3.2 電流波形

　　周期換向脈沖電流的波形一般有以下幾種：

　　3.2.1 有關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向

　　一個(gè)正向脈沖之后緊接著一個(gè)反向脈沖，其波形，如圖3所示。

　　這種波形兼有脈沖和換向的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，正、反向脈沖的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時(shí)間選擇發(fā)生沖突。因此，這種形式若作為槽外控制改善鍍層質(zhì)量的手段，其功能極不完善，在實(shí)際生產(chǎn)中極少應(yīng)用。

　　3.2.2 無關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向

　　一個(gè)無關(guān)斷時(shí)間的正向脈沖后緊接著一個(gè)無關(guān)斷時(shí)間的反向脈沖，其波形，如圖4所示。正、反向脈沖持續(xù)時(shí)間通常在ms級(jí)，（如正向20ms，反向1ms），這種波形通常也稱為方波交流電，與普通正弦波交流電波形相異，但頻率大致相同，約50Hz左右。這種波形正向脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、幅度小，反向脈沖持續(xù)時(shí)間短、幅度大，其反向脈沖的不均勻電流密度分布補(bǔ)償作用較明顯，改善鍍層厚度分布的效果較明顯。其適用于對(duì)鍍層均勻性要求較高的電鍍場(chǎng)合（如印刷線路板鍍銅，可明顯縮小孔內(nèi)、外鍍層厚度比）。但因其脈沖無關(guān)斷時(shí)間，且頻率較低，改善鍍層結(jié)晶的效果尚不理想，因此不宜用于（尤其對(duì)鍍層結(jié)晶要求較高的）貴金屬電鍍。

　　3.2.3 脈動(dòng)脈沖換向

　　一組正向脈沖之后緊接著一組反向脈沖，即：正、反向脈沖均為群波而非單個(gè)波形，其波形，如圖2所示。

　　這種波形為典型的周期換向脈沖波形，在功能性電鍍生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛。相對(duì)于有關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向，其克服了正、反向脈沖的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時(shí)間選擇發(fā)生沖突的缺點(diǎn)。相對(duì)于無關(guān)斷時(shí)間的單個(gè)脈沖換向，其克服了脈沖無關(guān)斷時(shí)間、改善鍍層結(jié)晶不理想的缺點(diǎn)。所以，脈動(dòng)脈沖換向同時(shí)具有改善鍍層厚度分布和改善鍍層結(jié)晶狀況的雙重效果。

　　3.2.4 多組脈沖換向

　　多組脈沖換向簡(jiǎn)稱多脈沖，其波形，如圖5所示。它是在脈動(dòng)脈沖換向的基礎(chǔ)上增加可編程序功能，在每一個(gè)程序或時(shí)段內(nèi)采用的脈沖參數(shù)可各不相同。而普通的脈動(dòng)脈沖換向，其各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)好后，直到電鍍過程結(jié)束，便不再改變。

　　多組脈沖換向的優(yōu)點(diǎn)如下：

　　（1）各層間應(yīng)力相互抵消，鍍層脆性下降，抗疲勞強(qiáng)度增強(qiáng);

　　（2）各層間多次重疊，則鍍層孔隙率降低，致密性、耐蝕性提高;

　?。?）各層間組分不同，有可能產(chǎn)生奇異的效果。

　　4middot;脈沖電鍍電源

　　脈沖電鍍電源是產(chǎn)生脈沖電流的電源，它一般先由基礎(chǔ)直流電源產(chǎn)生低紋波直流電流，然后再通過功率器件斬波形成脈沖電流。斬波電路可采用可控硅電子開關(guān)電路和晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)電路等。

　　4.1 脈沖電鍍電源的波形

　　圖1為理想的方波脈沖電流波形，但由于受脈沖電鍍電源內(nèi)部電感、電容等器件及外加負(fù)載的影響，實(shí)際應(yīng)用中的脈沖波形不可能如圖1所示。實(shí)際脈沖電鍍中的電流波形近似于梯形，可簡(jiǎn)單地用圖6中的波形來表示。

　　在電鍍體系中，電極/溶液界面間的雙電層近似于一個(gè)平板電容器，板間具有很高的電容。當(dāng)向該電鍍體系施加脈沖電流時(shí)，必須首先給雙電層充電。雙電層充滿電（脈沖電流密度從零增至峰值）需要一定的時(shí)間tc，脈沖電流密度不可能從零垂直增至峰值，而是需要一定的“爬坡”?！芭榔隆彼枰臅r(shí)間可簡(jiǎn)單地視作脈沖的上升時(shí)間（確切的脈沖上升時(shí)間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的10%上升到90%所需要的時(shí)間），上升時(shí)間也稱作“上升沿”、“前沿”、“上沖”等。

　　當(dāng)脈沖電流密度“爬坡”至峰值并持續(xù)一段時(shí)間tb后，開始進(jìn)入關(guān)斷期。進(jìn)入關(guān)斷期后，脈沖電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，但雙電層放電（從滿電釋放至零）會(huì)使電流維持一段時(shí)間td。所以，此時(shí)脈沖電流密度不可能從峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”?！跋缕隆彼枰臅r(shí)間可簡(jiǎn)單地視作脈沖的下降時(shí)間（確切的脈沖下降時(shí)間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的90%下降到10%所需要的時(shí)間），下降時(shí)間也稱作“下降沿”、“后沿”、“下沖”等。

　　正是由于脈沖前、后沿的客觀存在，使實(shí)際脈沖電鍍中的電流波形不可能是理想的方波，而是一種不規(guī)則的近似于梯形的波形。目前尚無法確知前、后沿對(duì)鍍層質(zhì)量的影響有多大，但可確知其存在會(huì)使脈沖電鍍瞬時(shí)高電位的有利作用得不到充分發(fā)揮。所以，脈沖電鍍中總是要求脈沖前、后沿盡可能小，一般要求前沿20~100μs，后沿30~100μs。其實(shí)，不應(yīng)只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于（或等于）導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間也很必要。否則，若前沿（遠(yuǎn)）大于導(dǎo)通時(shí)間，后沿（遠(yuǎn)）大于關(guān)斷時(shí)間，則鍍槽內(nèi)只能得到在平均電流附近變化的脈沖電流，即：脈沖電流實(shí)際變成了直流電流，其波形，如圖7所示。

　　4.2 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［2］。當(dāng)使用頻率較低的脈沖電源時(shí)，其改善鍍層質(zhì)量的效果會(huì)稍差。所以，低頻脈沖電源多用于陽(yáng)極氧化或其他工藝，而較少用于電鍍，尤其是貴金屬電鍍。當(dāng)使用頻率較高的脈沖電鍍電源時(shí)，脈沖前、后沿極易對(duì)導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間造成嚴(yán)重影響，從而影響脈沖電鍍瞬時(shí)高電位有利作用的充分發(fā)揮。例如：脈沖鍍金，頻率5000Hz（此時(shí)脈沖周期0.2ms），占空比20%，則導(dǎo)通時(shí)間為40μs，此時(shí)，假設(shè)脈沖前沿為最小的20μs（實(shí)際可能更大），則其比例至少占到了導(dǎo)通時(shí)間的50%;若頻率大于5000Hz，占空比小于20%（脈沖鍍金時(shí)占空比很多時(shí)候選10%），則前沿占導(dǎo)通時(shí)間的比例會(huì)更大，甚至前沿會(huì)大于導(dǎo)通時(shí)間，如此，脈沖電鍍改善鍍層結(jié)晶的作用肯定會(huì)受到嚴(yán)重影響。實(shí)際脈沖電鍍貴金屬生產(chǎn)中，頻率多在1000Hz左右。

　　當(dāng)使用頻率更高的脈沖電源（上萬或幾萬Hz）時(shí)，其輸出的電流多是如圖7所示的電流波形，實(shí)質(zhì)是一種直流電流，與能夠改善鍍層結(jié)晶的方波脈沖電流有本質(zhì)的區(qū)別。

　　4.3 脈沖電鍍電源使用注意事項(xiàng)

　?。?）脈沖電鍍電源與鍍槽間導(dǎo)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(dǎo)致通過鍍槽的脈沖電流上升時(shí)間延緩，引起脈沖波形畸變。采用短、粗、根數(shù)多的電纜線，且陰、陽(yáng)極電纜線相絞而用，可盡量抵消電感效應(yīng)，減小脈沖波形失真度，提高鍍層質(zhì)量。

　　連線一般要求不超過2m，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(shè)備可靠性降低（脈沖電源比普通電源更不耐腐蝕）。比較可行的