1．前言
在鋁型材陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線中，電解著色工藝及技術(shù)處于核心地位。不同的槽體溶液及工藝方法，鋁型材電解著色效果也不一樣，所要求的著色電源波形及施電程序亦不同。按電源形式的不同可為交流著色和特種波形著色兩大類,交流著色方法又分為完全交流著色和直流-交流著色兩種，適應(yīng)的工藝以錫鹽和鎳錫混鹽為主，也用于硒鹽和銅鹽等。完全交流著色方法是日本早期的最主要的著色方法，具有操作簡(jiǎn)單、投資較小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前也是我國(guó)最廣泛采用的著色方法。交流電解著色的負(fù)半周發(fā)生析氫與阻擋層中產(chǎn)生的缺陷的交互作用及沉積反應(yīng)，正半周一方面發(fā)生陽(yáng)極氧化，生成新鮮的氧化膜，修補(bǔ)阻擋層，另一方面消除濃差極化，為陰極反應(yīng)創(chuàng)造條件。直流-交流著色方法真正意義上來說也屬于交流著色，最大的特點(diǎn)是，進(jìn)行交流著色之前有一段時(shí)間的直流處理，在著色槽中處于陽(yáng)極進(jìn)行電解，其目的是使不同部位氧化膜進(jìn)行均勻化處理，同時(shí)改變膜孔結(jié)構(gòu)，防止著色后氧化膜開裂，然后再進(jìn)行完全交流著色，這樣可以得到較均勻的著色效果。
鋁材廠在生產(chǎn)深古銅或黑色料時(shí)，由于著色時(shí)間過長(zhǎng)，鋁材在酸性槽液中浸泡太久，通常會(huì)產(chǎn)生起灰現(xiàn)象，鋁材產(chǎn)品的色澤不夠亮麗，生產(chǎn)效率也較低。 由于金屬離子的析出過程為陰極還原反應(yīng)，據(jù)此，筆者在廣州電器科學(xué)研究院工作期間，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種不對(duì)稱交流著色電源，通過控制交流電源正負(fù)波形的導(dǎo)通時(shí)間，使得負(fù)向波形面積大于正向波形面積，從而縮短著色時(shí)間，其最大的缺點(diǎn)在于生產(chǎn)淺色料時(shí)色差嚴(yán)重，僅能生產(chǎn)深色料。這種電源的輸出波形如圖一所示，其實(shí)質(zhì)為斷續(xù)脈沖波，諧波含量高，并具有直流分量，變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，若正負(fù)波形比例相差過大，將會(huì)損壞電源設(shè)備，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要控制負(fù)向輸出電壓不要大于正向輸出電壓的1.1倍，使用效果不理想。
圖一 傳統(tǒng)不對(duì)稱著色電源電壓波形
2．新型不對(duì)稱直流-交流著色電源研制
為克服上述不對(duì)稱著色電源的缺點(diǎn)，我公司研制出新型不對(duì)稱著色電源，實(shí)現(xiàn)了直流、對(duì)稱交流、不對(duì)稱交流波形任意組合輸出、施電方式多樣化、可控化，可滿足各種色系的著色工藝需求。采用該電源用于電解著色，不僅生產(chǎn)出的鋁材產(chǎn)品色澤純正亮麗，而且大幅度地提高了生產(chǎn)效率和降低了著色工藝環(huán)節(jié)的能耗。
新型不對(duì)稱直流-交流著色電源主電路由三大部分組成，即調(diào)壓器,變壓器和DC-AC電能變換電路，如圖二所示。調(diào)壓器在變壓器原邊實(shí)現(xiàn)交流無級(jí)調(diào)節(jié)，并通過變壓器將電壓變到合適的電壓值，變壓器副邊使用晶閘管實(shí)現(xiàn)換相輸出。
圖二 新型不對(duì)稱DC-AC著色電源系統(tǒng)框圖
其控制系統(tǒng)由PLC、觸發(fā)單元、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及人機(jī)交互系統(tǒng)組成，PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)采樣，通過控制變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器電機(jī)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓閉環(huán)控制。PLC通過RS485通信協(xié)議與人機(jī)交互系統(tǒng)通信，接收著色電源波形、施電程序、輸出電壓等指令。觸發(fā)單元由數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)及脈沖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)通過采樣同步信號(hào)并結(jié)合給定的著色波形選擇指令進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出。
該電源的工作模式包含交流著色、交流不對(duì)稱著色、直流-交流著色及直流-不對(duì)稱交流著色四大類，其中不對(duì)稱交流著色波形分1:2和1:3不對(duì)稱輸出，1:2不對(duì)稱輸出波形為一個(gè)施電周期內(nèi)包含一個(gè)正半周期和兩個(gè)負(fù)半周期波形，1:3不對(duì)稱輸出波形為一個(gè)施電周期內(nèi)包含一個(gè)正半周期和三個(gè)負(fù)半周期波形，每個(gè)半周期的時(shí)間為10ms,電源輸出波形如圖三所示。
(a)直流輸出波形 （b）完全交流輸出波形
（c）1:2不對(duì)稱輸出波形 （d）1:3不對(duì)稱輸出波形
圖三 新型不對(duì)稱直流-交流著色電源輸出波形
新型不對(duì)稱直流-交流著色電源通過人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作方式選擇、輸出波形選擇、顏色選擇、參數(shù)設(shè)定、補(bǔ)色、開停機(jī)等一序列的操作，系統(tǒng)對(duì)設(shè)置的每一組工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久有效的保存，并全自動(dòng)完成著色過程、分段計(jì)時(shí)、全過過程累計(jì)計(jì)時(shí)和工藝曲線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，人機(jī)交互界面如圖四所示。
（a）監(jiān)控界面 （b）顏色選擇界面
（c）輸出波形選擇界面 （d）參數(shù)設(shè)置界面
圖四 人機(jī)交互界面
3．應(yīng)用舉例
國(guó)內(nèi)某鋁材廠有兩條臥式氧化生產(chǎn)線，長(zhǎng)期存在著色效果差、著色成品率低的問題。我公司為該廠設(shè)計(jì)制造兩臺(tái)新型不對(duì)稱著色電源用于更換之前的舊式不對(duì)稱著色電源，主要參數(shù)和主要功能如下：
（1）供電電源：三相50Hz，380V±10%；
（2）直流（DC）和交流（AC）電壓：0-25V；
（3）自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓，精度優(yōu)于±0.5%；
（4）任意設(shè)定預(yù)浸時(shí)間：0～999秒；
（5）直流輸出0~5000A可調(diào)，交流輸出0~10000A可調(diào)；
（6）直流上升時(shí)間15-60秒可調(diào)、直流持續(xù)時(shí)間0-1800秒可調(diào)；
（7）直流-交流轉(zhuǎn)換時(shí)間15-60秒可調(diào)；
（8）交流上升時(shí)間15-60秒可調(diào)、交流持續(xù)時(shí)間0-1800秒可調(diào)。
該鋁材廠目前主要生產(chǎn)香檳、古銅和珍珠黑色料，其槽液成分如下：
表一 槽液成分含量
生產(chǎn)砂香檳、亮光深古銅及珍珠黑色料的電源輸出波形如圖五~圖七所示，其中香檳色屬于淺色系，著色時(shí)間一般在1~2分鐘內(nèi)，因此使用1:1交流著色模式即可滿足工藝要求。亮光深古銅色采用了直流-（1:2）交流不對(duì)稱輸出工作模式，著色時(shí)間比原工藝減少約3分鐘。珍珠黑色采用直流-（1:3）交流不對(duì)稱輸出工作模式，同一面積鋁材的著色時(shí)間比原工藝減少約5分鐘的著色時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2~表4。
表二 砂香檳色鋁材著色工藝數(shù)據(jù)比較
表三 亮光深古銅色著色工藝數(shù)據(jù)比較
表四 珍珠黑色著色工藝數(shù)據(jù)比較
圖五 香檳色鋁材著色工藝曲線圖
圖六 鋁材亮光深古銅色著色工藝曲線圖
圖七 鋁材珍珠黑色著色工藝曲線圖
3．結(jié)束語(yǔ)
簡(jiǎn)要介紹了鋁型材電解著色法及其配套的著色電源裝備的技術(shù)和特點(diǎn),重點(diǎn)闡述了新型不對(duì)稱直流-交流著色電源的主回路結(jié)構(gòu)、控制原理，并給出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工藝曲線圖和實(shí)際著色效果。實(shí)踐證明，這種新型不對(duì)稱直流-交流著色電源能滿足各種色系的著色工藝要求。生產(chǎn)淺色料時(shí)，電源設(shè)置為交流或直流-對(duì)稱交流工作模式，著色速度可根據(jù)工藝的要求靈活調(diào)整，更容易控制鋁材的著色質(zhì)量，使得淺色系著色的均勻性、可重塑性更強(qiáng)；生產(chǎn)深色料時(shí)，電源設(shè)置為不對(duì)稱交流或直流-不對(duì)稱交流工作模式，可提高著色速度，防止鋁材因著色時(shí)間過長(zhǎng)而引起的氧化膜脫落、起灰、著色不均勻等問題，提高了成品率，也大幅度提高了生產(chǎn)效率和降低了著色工藝能耗。