变极性脉冲酸洗电源及其控制方式*

曹彪　杨广　杨凯

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

变极性脉冲酸洗电源及其控制方式*

曹彪杨广杨凯

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

摘要：为适应不同的电解酸洗工艺需求,设计了一种基于两级逆变的变极性脉冲酸洗电源及其实时控制方式,该电源具有直流、直流脉冲、交流对称脉冲和交流不对称脉冲等输出形式;通过电特性曲线测试分析和酸洗表面的微观形貌观察研究了交流对称脉冲电流模式下脉冲频率和电流密度对电解酸洗的作用.结果表明:存在与电流密度相对应的最佳脉冲频率,在最佳脉冲频率下进行酸洗,氧化皮去除效率高,工件表面光洁;最佳脉冲频率随电流密度的升高单调增加,脉冲频率对酸洗效果有明显的影响;可以通过实时控制频率的方法来提高酸洗效率和改善酸洗效果.

关键词：电解酸洗;变极性;逆变电源;除锈机理;负载特性

不锈钢具有强度高、耐蚀性好及加工容易等特点,在宇航、化工、汽车、仪器仪表及建筑装饰等方面得到越来越广泛的应用[1].在实际生产中,不锈钢经热轧、退火等各种加工处理后,表面生成一层氧化皮,氧化皮的存在不仅降低了不锈钢的耐蚀性,而且严重影响下道工序的加工质量[2].因此,清除不锈钢表面的氧化皮具有重要的意义.

不锈钢表面氧化皮中的氧化物性能各异,且与基体结合牢固,使其难以被彻底清除.电解酸洗法因其高效、环保等特点成为去除金属表面氧化皮的一种有效方法[3].电解酸洗时,可将工件本身作为阳极或阴极.将工件作为阳极时,酸洗速度快,但容易造成过腐蚀;将工件作为阴极时,酸洗效果较好,但酸洗速度慢且有表面渗氢现象,从而影响工件的力学性能[4].因此,采用交变脉冲电流进行酸洗,成为一种新型的电解酸洗方式.

文中研制了一种变极性脉冲酸洗电源,该电源具有多种电流输出形式,能够满足不同的电解酸洗工艺需求.为了提高电源的处理效果,文中对电解酸洗过程的控制方法进行了研究,探讨在交流对称脉冲电流波形作用下304不锈钢热轧板表面的氧化皮去除行为,分析了脉冲频率及电流密度对电解酸洗效果的作用,以期为变极性酸洗工艺和电源控制提供技术基础.

1变极性脉冲酸洗电源

电源系统结构框图如图1所示.该电源额定输出电流为500 A,空载电压为40 V,脉冲输出频率范围为1 Hz~10 kHz,具有直流(DC)、直流脉冲、交流(AC)对称脉冲和交流不对称脉冲等多种电流输出形式.主电路采用两级逆变式结构,由输入整流滤波电路、前级逆变电路、高频变压器、次级整流滤波电路及后级逆变电路组成,为AC-DC-AC-DC-AC变换方式.前级和后级逆变电路均采用全桥逆变结构,逆变桥由4组MOSFET开关管、反并联二极管及阻容吸收电路构成.前级逆变频率固定为100 kHz,通过改变其脉宽调制(PWM)驱动信号的占空比来实现输出功率的调节.后级用于控制电源的输出形式,通过控制桥臂的导通获得直流、直流脉冲、交流脉冲输出.电源采用前后级协同控制方式实现输出波形幅值、频率与脉冲时间的调节[5].

图1　电源系统结构框图Fig.1　Structure diagram of the power supply

图2　增量式PID控制算法流程图Fig.2　Flowchart of incremental PID control algorithm

控制系统以数字信号处理器(DSP)为控制核心,包括信号采样电路、PWM驱动电路、故障保护电路、人机接口电路等.前级逆变频率较高,采用有限双极性控制实现电路的软开关,可减小开关损耗和电磁干扰[6-7].后级逆变电路实现斩波功能,根据所需要的输出波形由DSP输出相应的桥臂驱动信号.信号采样电路将输出电流值反馈至DSP,经A/D转换后采用增量式比例积分微分(PID)控制算法对前级逆变的PWM占空比进行调节,控制输出电流稳定在给定值,具体的算法流程如图2所示.电压反馈信号用于辨识系统的工作状态.

2实验结果及分析

2.1　实验条件

电解酸洗实验系统如图3所示,由电源、电解槽和电特性测试部分组成.电源为前述的变极性脉冲酸洗电源,两输出端连接到试件,试件置于盛有电解液的电解槽中,电解槽配有搅拌器和水冷却系统,以保证电解液成分均匀,温度稳定.电特性采集部分包括1台DPO3014示波器、1台基于NI-6133的数据采集卡及由LabVIEW构成的数据采集系统,用于实时采集电解酸洗过程中负载端的电流和电压信号.

图3　电解酸洗实验平台示意图Fig.3　Schematic diagram of the electrolytic pickling test platform

实验材料采用尺寸为40 mm×40 mm×4 mm的304不锈钢热轧板,酸洗前作去尘除油处理.电解液采用Na2SO4(150 g/L)和HNO3(60 g/L)配制的水溶液.试样平行放置于电解液中,间距50 mm.从提高酸洗效率的角度,文中重点探讨交流对称脉冲波形同时处理两个工件的方式,酸洗时间固定为2 min,考察电流密度J和输出脉冲频率f对酸洗效果的影响.

2.2　脉冲酸洗的负载特性

根据经验首先选取电流密度50 A/dm2来处理,实验过程中测得的负载端电流电压信号如图4所示.从图可以看出,电流在极性切换初期有一定过冲,然后趋于稳定,电压则在极性切换初期保持平稳,一定时间后出现以较大上升率突变的现象(图中箭头标示处).此后,当脉冲持续时间较长时,电压以波浪状形式缓慢升高,电流则维持稳定,直到电源极性再次切换.

图4　电流密度为50 A/dm2时的负载电压、电流波形Fig.4　Voltage and current waveforms of the load when current density is 50 A/dm2

电特性曲线的变化过程与电解酸洗负载变化有关.在由阳极工件、电解液、阴极工件组成的负载环境中,负载的等效电路模型如图5所示.图中,Cd1、Cd2分别为阳极、阴极双电层电容,Rr1、Rr2分别为两电极附近电化学反应电阻,Re为电解液电阻.电解液始终呈阻性,且成分相对稳定时其阻值可看成定值.极性切换时存在表面双电层电容充电的暂态过程,电极电位不能立即达到稳定值.暂态过程中,一部分电量用于双电层充电,一部分用于电化学反应.当电极电位达到稳态后,全部电量用于电化学反应,即整个负载系统变成由Rr1、Rr2、Re组成的纯阻性系统[8-9].

图5　电解酸洗负载等效电路模型Fig.5　Equivalent circuit model of the load in electrolytic pickling

电源极性切换初期,表面双电层的充电导致电流过冲,电极电位达到稳定后,负载呈纯阻性,负载端电压的变化反映了电解酸洗过程中电化学反应电阻的变化过程.

2.3　脉冲频率的影响

当电流密度一定时,脉冲频率对酸洗的影响是值得探讨的问题.在电流密度为50 A/dm2条件下,选用不同的脉冲频率进行实验,观察负载的电特性和处理效果,以分析频率的影响.图6为不同脉冲频率条件下的电特性曲线测试结果.由图6(a)-6(c)可以看出:当脉冲频率为33、50和100 Hz时,电压在极性切换后2 ms附近发生突变,此后呈现波浪状缓慢上升趋势;当脉冲频率为250 Hz时(见图6(d)),在整个阳极时间和阴极时间段内电压基本稳定,没有观察到明显的突变现象.

图6　不同频率下的负载电压、电流波形(J=50 A/dm2)Fig.6　Voltage and current waveforms of the load with diffe-rent frequencies (J=50 A/dm2)

这意味着突变点可能是酸洗作用的某个临界点.为此，文中采用更多的频率进行处理,并结合处理后的试件表面形貌寻求最佳处理频率.图7为不同条件下的试件表面形貌.从图中可以看出,50、250及2 000 Hz频率处理后的工件表面光洁度高,其中又以250 Hz处理的试样氧化皮去除量最多.细分频率处理结果表明,250 Hz附近频率是电流密度为50 A/dm2时的最佳频率范围,脉冲频率过高或过低都会降低酸洗效率及影响处理效果.

图7　试样表面微观形貌

2.4　酸洗脉冲作用机理分析

不锈钢表面氧化皮的组成由外到内可分为3层,最外层为铁的氧化物,有Fe2O3、Fe3O4、FeO,中

间层为致密稳定的铬尖晶石FeOCr2O3,靠近基体的内层为Cr2O3、NiO等,基体表面则为贫铬层[10-11].电解酸洗时,不锈钢作为阴极和阳极会存在不同的化学反应[12-13].

阳极反应包括

H2O→[O]+2H++2e

(1)

2[O]→O2↑

(2)

(3)

(4)

(5)

NiO+2H+→Ni2++H2O

(6)

阴极反应为

(7)

(8)

(9)

2H++2e→H2↑

(10)

阳极和阴极作用的机理很好地解释了电压变化的原因.结合图6观察,在50 A/dm2的电流密度下,阳极不锈钢表面由氧化物高速溶解状态进入钝态所需时间约为2 ms,继续延长阳极时间氧化物溶解效率将下降,因此在这个时间切换极性是比较合理的.采用250 Hz频率的交流对称脉冲处理时,不锈钢表面氧化皮在阳极作用时间段快速溶解,当表面将发生钝化时,电源极性切换变为阴极.由式(7)-(9) 的阴极电化学反应可知,阴极电解可以解除阳极阶段的表面离子富集,同时,生成的氢气有助于“赶走”附着在工件表面的氧气泡,有助于继续对氧化皮产生机械剥离作用.电源输出极性再次切换时,该工件重新作为阳极,氧化皮溶解速度恢复到初始状态.

如此,氧化皮在阳极酸洗阶段内始终处于较高速溶解状态,提高了电解酸洗效率.同时,随着电源输出极性的切换,阳极反应活性点在工件表面不断生成、消失，且每次出现的位置不断变化,活性点在工件表面“游离”使氧化皮的去除更加均匀,大大降低了处理后工件表面粗糙度.氧气和氢气在工件表面交替生成,可以有效地防止工件渗氢.

交流对称脉冲频率过高不利于氧化皮的溶解,原因是频率过高时氧化皮阳极溶解不充分,而且电极双电层充放电所需电量增加,实际用于电化学反应的电量占比减少,导致酸洗效率降低[15].

3交流脉冲酸洗控制策略探讨

交流脉冲酸洗电源的参数包括电流(电流密度)、脉冲频率和酸洗时间,变极性条件还包括正、负脉冲的幅值和持续时间等.文中重点讨论交流对称脉冲的情况.为了进一步明确最佳脉冲频率及其规律,按照前述实验方法,在不同电流密度条件下以不同频率处理,得到了图8所示的交流对称脉冲的最佳频率fb与电流密度J之间的对应关系.

图8　交流对称脉冲最佳频率与电流密度的关系曲线Fig.8　Relationship curve of the best frequency of AC symmetry pulse with current density

图8表明,最佳处理频率随电流密度的增大而单调增加.根据法拉第第一定律,在工件电解液两相界面发生电化学反应的物质质量与通过界面上的电量成正比,电流密度越大,相同时间内反应生成的离子数越多,越容易造成离子富集使工件表面进入钝态.电流密度的增加,加快了氧化物的溶解和表面钝化,因此最佳处理频率相应提高.

根据这一研究结果,常规的简单控制电流和频率的方法是不够的.更好的处理过程可以通过下述方式达到:①建立实际酸洗条件的最佳频率与电流密度的关系，根据处理工件的表面积选择合适的电流,在相应的最佳频率下酸洗,以提高处理效率和表面质量；②利用控制系统实时检测处理过程的电压信息,设置相应算法识别电压值发生突变的时刻(即工件表面进入钝态的时刻),据此控制电源输出极性切换,如此循环,使电源输出极性切换自动适应当前工艺状况,有利于进一步提高电解酸洗效率、改善酸洗质量；③探讨处理过程电流密度对酸洗效果的影响,采取变电流处理和频率自适应调节的方法实现过程优化控制.交流脉冲酸洗实时控制是今后需进一步开展的工作.

4结论

(1)研制的变极性脉冲酸洗电源实现了直流、直流脉冲、交流对称脉冲和交流不对称脉冲等多种输出方式.交流输出方式使工件表面处于阳极处理与阴极处理的交替切换状态,有利于改善处理过程.

(2)采用交流对称脉冲电流处理时,脉冲频率对酸洗效果有明显的影响,存在最佳处理频率.在最佳频率条件下进行处理,氧化皮去除效率高,酸洗工件表面光洁.

(3)在常用电流密度范围内电解酸洗时,交流对称脉冲的最佳频率随电流密度的升高单调增加.可以通过实时频率控制的方法来提高酸洗效率和改善酸洗效果.

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Bipolar Pulse Pickling Power Supply and its Control Method

CaoBiaoYangGuangYangKai

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract:In order to meet the requirements of various electrolytic pickling processes, this paper designs a bipolar pulse pickling power supply based on a two-stage inverter structure and puts forward its real-time control method. This power supply outputs DC, DC pulse, AC symmetry pulse and AC asymmetry pulse. Through the electrical characteristic analysis and the micro-morphology observation of pickling surface, the effects of pulse frequency and current density on the electrolytic pickling process under the AC symmetry pulse mode are investigated. Experimental results demonstrate that there is an optimal value of pulse frequency corresponding to current density, and the pickling process with the optimal pulse frequency achieves a high removal efficiency of oxide skin with a smooth workpiece surface, and that the pulse frequency of AC symmetry pulse has a significant effect on the pickling result, and the optimal pulse frequency increases with the current density. Therefore, the pickling efficiency and result can be improved by means of the real-time control of pulse frequency.

Key words:electrolytic pickling; variable polarity; inverters; rust removal mechanism; load characteristic

中图分类号：TM464

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.003

作者简介：曹彪(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事焊接电源及其智能控制研究.E-mail: mebcao@scut.edu.cn

*基金项目：广东省教育部产学研结合项目(2012B091100347)

收稿日期：2015-02-12

文章编号：1000-565X(2015)09- 0014- 06

Foundation item： Supported by the Industry-University-Research Joint Project of Guangdong Province and the Ministry of Education(2012B091100347)