1 概述
電解著色是鋁型材表面進(jìn)行著色處理的一種技術(shù)，是在鋁型材表面陽(yáng)極氧化之后，電泳或封孔之前，對(duì)需要著色的鋁型材進(jìn)行的一道工序，其原理是通過(guò)電化學(xué)作用使著色溶液的重金屬離子沉積在陽(yáng)極氧化膜孔的底部,通過(guò)光的干涉作用形成各種顏色。不同的槽體溶液及工藝方法，鋁型材電解著出的色彩效果也不一樣，所要求的著色電源提供的電流或電壓的大小、波形及工作時(shí)間長(zhǎng)短也不同。為滿足人們追求不同的種類、色彩的需要，目前在生產(chǎn)使用的著色電源種類也繁多，鋁型材電解著色的方法主要分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)的工藝是錫鹽和鎳錫混鹽為主。交流著色方法又稱淺田法，完全交流著色方法是日本早期的最主要的著色方法，由于著色電源直接采用電網(wǎng)交流頻率，簡(jiǎn)單、易行，目前也是我國(guó)最廣泛采用的著色方法。直流-交流著色方法真正意義上來(lái)說(shuō)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(kāi)裂。然后再進(jìn)行完全交流著色，這樣可以得到較均勻的顏色，特別是著淺色優(yōu)勢(shì)明顯。我國(guó)早期引進(jìn)的歐洲國(guó)家生產(chǎn)的著色電源，例如：意大利ELCA、德國(guó)及西班牙生產(chǎn)的著色電源均為此類。
特種波形著色分為住化法、均勻化和多波形等，多用于鎳鹽著色工藝。日本在特種波形著色方面的研究和工業(yè)應(yīng)用令人矚目，在著色波形、槽液控制設(shè)備和操作工藝等方面做了相當(dāng)細(xì)致的研究。其中，均勻化著色方法具有著色均勻，著色時(shí)間短，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，已在世界上有超過(guò)一百多條線使用。該著色技術(shù)要求對(duì)槽液雜質(zhì)的控制較為嚴(yán)格。
2 均勻化著色電源研究
均勻化著色是一種定電流密度控制的直流脈沖電解著色技術(shù)。鋁經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化后先作為陽(yáng)極處理（稱之為P處理），然后作為陰極按60~1800次/min通以正負(fù)脈沖電壓，正負(fù)脈沖電壓的時(shí)間比ta/tc為0.005~0.30（稱之為C處理）。均勻化著色電源輸出電流波形如圖1所示：
圖1 鋁材表面均勻化著色電源輸出電流波形
在P處理過(guò)程中，電流密度的范圍應(yīng)在300A/m2以內(nèi)，比較合適的使用范圍是5~50A/m2；通電時(shí)間范圍應(yīng)在2分鐘之內(nèi)，比較合適的使用范圍是20~50s。P處理的作用主要是使鋁基層和氧化膜多孔層之間致密的氧化鋁層（阻擋層）成長(zhǎng)，厚度增加，氧化膜均勻化，可改善電解著色時(shí)顏色的附著性，還能防止發(fā)生著色時(shí)氧化膜的剝落現(xiàn)象。
在C處理過(guò)程中，電流密度的范圍應(yīng)在100A/m2以內(nèi)，比較合適的使用范圍是5~50A/m2；電流周期頻率范圍為1~30Hz，比較好的使用范圍是2~20Hz；電流的正負(fù)占空比（ta/tc）范圍為0.005~0.30，使用比較理想的范圍是0.01~0.25。在C處理過(guò)程中，正向電流的主要作用是能有效地抑制繼續(xù)進(jìn)行的電解著色中多孔性的氧化膜溶解產(chǎn)生的老化現(xiàn)象及金屬氫氧化物的析出現(xiàn)象，防止發(fā)生剝落現(xiàn)象對(duì)氧化膜造成破壞，使電解著色能夠穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行，從而獲得濃厚、附著性好的著色氧化膜。
著色電源主回路見(jiàn)圖2所示。在變壓器降壓，全控橋整流后，再利用麥克墨萊電路控制電流的輸出方向，可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)波形的輸出。其控制原理是：調(diào)節(jié)三相全控整流橋電流輸出來(lái)控制電源輸出電流的大小，通過(guò)控制麥克墨萊電路中四個(gè)半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)滿足輸出波形的要求。
圖2 鋁材表面均勻化著色電源主回路原理框圖
整流控制電路的傳遞函數(shù)模型如圖3所示。PI調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)K取值對(duì)控制系統(tǒng)影響較大，從系統(tǒng)仿真結(jié)果可看出，PI調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)K取值越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但是K值太大，系統(tǒng)將波動(dòng)，K取值小時(shí)，系統(tǒng)過(guò)度平滑，但時(shí)間較長(zhǎng)。因此選取合適的K值可使整流控制系統(tǒng)達(dá)到較理想的效果。
圖3 整流控制電路傳遞函數(shù)模型
圖4 整流控制電路階躍輸出仿真波形
圖5是整流控制電路K=30實(shí)際輸出的響應(yīng)波形，由于錄波的采樣器件轉(zhuǎn)換比值選取較大，在0點(diǎn)附近存在死區(qū)和滯后轉(zhuǎn)換，當(dāng)整流輸出穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)換到錄波器的電壓只有0.06V，所以顯示波形有些滯后。輸出波形與圖3－3（a）的仿真波形相似，PI調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)K選取30較為合適。
圖5 整流控制電路實(shí)際輸出階躍波形
圖6是樣機(jī)在電阻負(fù)載下輸出的電流、電壓的波形全過(guò)程，圖中P處理時(shí)間是3s，輸出電流是750 A，電壓30V；間隔時(shí)間是10s；C處理時(shí)間是5s，輸出電流是1000 A，電壓±40V，正向脈沖寬度為20ms，周期為200 ms，與設(shè)置值完全符合。圖7是圖6中C處理放大后的波形。
圖6 樣機(jī)在電阻負(fù)載下輸出的電流、電壓波形
圖7 經(jīng)放大后的C處理環(huán)節(jié)波形
為了便于參數(shù)設(shè)置和用戶使用，電源設(shè)備配置了智能觸摸屏作為人機(jī)界面，具有操作方便、指示清晰、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)。
圖8 鋁材表面均勻化著色電源的人機(jī)界面
3 均勻化著色方法應(yīng)用舉例
我公司是國(guó)內(nèi)唯一的均勻化著色電源制造商，為國(guó)內(nèi)某鋁材廠設(shè)計(jì)制造的均勻化著色電源的主要參數(shù)和主要功能如下：
電壓及范圍：三相、頻率50Hz、380V±20%
額定輸出電壓：±30V～±80V
額定輸出電流：1000A～4000A
最小輸出電流：額定輸出電流的10%輸出電流精度：±3%以下
輸出電流紋波：7%以下（在額定電流的30%～100%內(nèi)）
入槽靜泡時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定
P處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定
P處理與C處理間隔時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定
C處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定
C處理時(shí)脈沖周期：20ms～300ms內(nèi)設(shè)定
C處理時(shí)正脈沖寬度：10ms～100ms內(nèi)設(shè)定
能滿足二次C處理的要求
能滿足補(bǔ)色（即再進(jìn)行C處理）的要求
有必要的保護(hù)措施
著色電源可設(shè)置的波形見(jiàn)圖9和圖10所示。
圖9 可設(shè)置的輸出波形
圖10 在補(bǔ)色狀態(tài)下輸出的波形
現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)時(shí)時(shí)的波形見(jiàn)圖11和圖12。由于電解槽的極化效應(yīng)，在正負(fù)轉(zhuǎn)換的瞬間會(huì)出現(xiàn)較大的電流尖峰。
圖11 輸出3000A時(shí)的波形 圖12 輸出2000A時(shí)的波形
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果：上料面積100m2， 20μm黑中帶紅，著色時(shí)間440秒。
4 結(jié)束語(yǔ)
簡(jiǎn)要介紹了鋁型材電解著色技術(shù)和特點(diǎn),重點(diǎn)闡述了均勻化著色電源的主回路結(jié)構(gòu)、控制模型、控制參數(shù)和樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，并給出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際波形和實(shí)際著色效果。我國(guó)鋁型材表面處理技術(shù)通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收，目前與國(guó)外相比沒(méi)有本質(zhì)的差別。但是從工藝水平、裝備條件、技術(shù)管理、環(huán)?？紤]、品質(zhì)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量等方面與國(guó)外先進(jìn)水平比較仍有不少差距。本文主要介紹了均勻化著色電源的開(kāi)發(fā)研制和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)情況，旨在共同分享技術(shù)研發(fā)的成果，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)和工藝進(jìn)步。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用及檢驗(yàn)，我公司自主研制的均勻化著色電源能完全滿足均勻化著色工藝的要求，大幅度降低了設(shè)備采購(gòu)成本，達(dá)到了取代同類進(jìn)口產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)需求的目的。