背景技术：
本公开总体上用于热处理连续材料的系统和方法，且更具体地，涉及用于快速成列热处理连续产品的系统和方法。
如本文所使用的连续产品是指使用连续生产系统制造的产品，诸如片材、条或线材。例如，在连续产品的制造过程中，连续材料可以由圆筒(例如，卷轴或卷轴)提供，并且可以通过任何数量的成列制造步骤，一个接一个直接进行，使得一个步骤的输出作为下一步骤的输入，直到连续产品完全形成和包装。这些制造步骤中的一个或多个步骤不经意或有意地赋予连续产品的表面有机物并不罕见。这些污染物可包括例如临时涂料、润滑剂和其它有机化合物。可能需要除去这些有机污染物以避免制造步骤之间或在产品被包装之前的污染，以改善连续产品的外观和可用性。
从连续产品的表面除去这些有机污染物的一种方法涉及使用有机溶剂(例如碳氟化合物)从产品的表面溶解和洗涤这些污染物。然而，使用有机溶剂来清洁产品的表面有几个缺点。例如，这些缺点包括所需的清洁时间的量以及与管理有机溶剂烟雾和/或再循环有机溶剂相关的附加成本和设备。
从连续产品的表面除去这些有机污染物的另一种方法涉及作为生产之后和包装之前的中间方法的连续产品的批量热处理。对于这种方法，连续产品可以被装载到临时保持器(例如，圆筒、线轴或卷筒)上，然后放置在炉内以将产品加热到足够的温度以从表面除去有机污染物。然而，这种方法还具有几个缺点，包括额外的时间、成本和与之相关的设备：将连续产品装载到临时保持器上，将产品运输到炉中，将炉加热至合适的温度以除去有机污染物，使产品冷却，将产品从炉中取出，并且然后将连续产品从临时保持器转移到另一个保持器(例如，圆筒、线轴或卷筒)上进行包装。此外，该方法以电力和/或燃料的形式消耗大量的能量，以将炉的整个内部加热到合适的温度以从连续产品的表面除去有机污染物。此外，由于连续产品在装载到炉内之前被装载到临时保持器上，所以产品的外部部分将不会以与设置在更靠近临时保持器下方的产品的部分相同的速率加热。因此，该方法不允许对连续产品进行均匀的受控加热。
技术实现要素：
本公开总体上涉及用于连续产品的成列热处理的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用电阻加热来对导电连续产品进行成列热处理的系统和方法。
在一个实施例中，一种用于热处理连续导电产品的成列热处理系统包括配置成接触连续导电产品的第一电极和被配置为接触连续导电产品的第二电极，使得连续导电产品的一部分设置在第一电极和第二电极之间。成列热处理系统包括耦合到第一电极和第二电极的电源，其中电源被配置为在第一电极和第二电极之间施加电偏压以电阻加热设置在第一电极和第二电极之间的连续导电产品的部分。
在另一个实施例中，一种方法包括推进连续导电产品通过成列热处理系统。该方法包括通过在与连续导电产品电接触的第一电极和第二电极之间施加电偏压来电阻加热连续导电产品。该方法包括在电阻加热连续导电产品期间和/或之后供给至少一种气流以改变连续导电产品附近的气氛。
在另一个实施例中，一种用于制造连续导电产品的连续生产系统包括配置成接收连续材料并输出连续导电产品的成列生产系统，并且包括成列热处理系统，所述成列热处理系统被配置为从直列生产系统接收连续导电产品并且输出热处理的连续导电产品。成列热处理系统包括配置成接触连续导电产品的第一电极和第二电极，配置成提供连续导电产品附近的气流的气体供给系统，以及配置成在第一电极和第二电极之间施加电偏压以电阻加热设置在第一电极和第二电极之间的连续导电产品的一部分的电源。连续生产系统包括了包括存储器和处理器的控制器，其中控制器被配置为基于存储在存储器中的指令来控制成列生产系统和成列热处理系统。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本技术的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在所有附图中相同的符号表示相同的部件，在附图中：
图1是示出根据本方法的实施例的具有成列热处理系统的连续生产系统的示意图；
图2是示出根据本方法的实施例的具有成列电阻加热热处理系统的连续生产系统的一部分的示意图；
图3是示出根据本方法的实施例的具有成列等离子体热处理系统的连续生产系统的一部分的示意图；
图4至图8是示出根据本方法的实施例的等离子体弧相对于图3的成列等离子体热处理系统的连续产品的各种位置和取向的示意图；
图9是示出根据本方法的实施例的具有成列激光热处理系统的连续生产系统的一部分的示意图；以及
图10和图11是示出根据本方法的实施例的激光束相对于图9的成列激光热处理系统的连续产品的各种位置和取向的示意图。
具体实施方式
下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施方式特定的决定来实现开发者的具体目标，诸如遵守与系统相关的和与业务有关的约束，其可以从一个实施方式到另一个实施方式而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，它们将是设计、制作和制造的常规工作。
当引入本公开的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包容性的，并且意味着除了所列出的元件之外可以存在附加元件。
本实施例涉及用于连续产品的成列热处理的系统和方法。如本文所讨论的连续产品包括任何连续生产的结构，诸如由导电材料(例如，钢、铁或低合金铁材料、高合金黑色金属材料、钴基合金、镍基合金或铜基合金)或非导电材料(例如碳基产品、碳纤维产品、半导体产品或陶瓷产品)制成的片材或板、条、实线或管状线。如本文所使用的，导电连续产品通常具有小于或等于约10欧姆·米的电阻率，并且非导电连续产品通常具有大于或等于约1x1014欧姆·米的电阻率。如本文所用的热处理是指将连续产品进行至少一个热循环，其中连续产品首先被快速加热并且然后随之冷却。应当理解，连续产品通常可以被描述为具有与连续产品的长度(例如，最长尺寸)一致的运动方向。因此，可以注意到，本文使用的术语上游和下游用于描述连续生产系统或热处理系统的两个元件相对于通过连续生产系统的连续产品的运动的相对位置。可以将热处理系统的某些元件描述为具有相对于连续产品的纵向位置，该纵向位置是连续产品穿过热处理系统的路径的位置。此外，热处理系统的某些元件可以被描述为具有相对于连续产品(例如，具有圆形横截面的连续线材产品)的径向位置，该径向位置是围绕轴线的径向位置，该轴线与连续产品在穿过热处理系统时的长度和/或运动一致(例如，延伸穿过中心并沿连续线材产品长度的轴线)。
所公开的热处理系统可以与连续生产系统的生产和/或包装设备成列定位，其在时间和操作成本方面提供了优于批量热处理的显著优点。如上所述，连续产品的表面可以包括来自各种加工步骤的有机污染物(例如，润滑剂和/或涂层)，并且这些有机污染物可以经由公开的成列热处理系统被除去(例如降解和/或汽化)。此外，所公开的热处理系统可用于在某些类型的连续产品的表面内部或之上产生物理转化，诸如相变或化学反应。因此，除了清洁连续产品的表面之外，某些公开的热处理系统可用于彻底干燥溶剂或水分的连续产品，以经由烧结来改变连续产品的微结构，和/或形成连续产品上的玻璃状表面层。此外，在某些实施例中，所公开的热处理系统可以利用电阻加热、等离子体加热或激光加热来热处理各种导电或非导电的连续产品。可以理解，这些加热方法中的每一个使得能够直接快速地加热连续产品的一部分。
图1是示出根据本方法的实施例的连续生产系统10的示意图。所示的连续生产系统10包括三个系统：成列处理系统12、成列热处理系统14和成列包装系统16。处理系统12接收连续的原料或中间材料18作为输入，并执行材料18的一个或多个操作(例如，挤出、弯曲、轧制、拉伸等)以产生连续产品20。然后将连续产品20引入热处理系统14中，其中连续产品20经受至少一个热循环(例如，涉及加热区域22中的快速加热和在热处理系统14的冷却区域24中的随后冷却)，以产生热处理的连续产品26。然后将热处理的连续产品26引入包装系统16，其中热处理的连续产品26被包装，产生适合于分配和/或零售的包装产品28。可以理解，所示的连续生产系统10仅作为示例提供，并且在其它实施例中，连续生产系统10可以包括其它系统或布置，而不否定本方法。例如，在其它实施例中，热处理系统14可以设置在多个处理系统12之间，以清洁连续产品20的表面(或连续的中间产品)，以限制或防止下游处理系统12的污染。
目前预期的连续生产系统10的一个具体示例是用于制造管状焊丝的连续生产系统10。应当理解，虽然本实施例涉及管状焊丝的生产，但是由金属、陶瓷或半导体制成的其它连续生产产品，诸如其它线材、条、片材或板也可以使用本文描述的成列热处理技术。对于该示例，连续的原料或中间材料18可以是连续的金属条，其可以从卷轴或圆筒进料到处理系统12中。应当理解，在某些实施例中，当金属条的第一卷轴耗尽时，可以装载金属条的第二卷轴，并且来自第一卷轴的金属条的端部可以对接焊接到第二卷轴的金属条的开始部分，以提供金属条到连续生产系统10的基本上连续的供应。
继续通过该示例，处理系统12接收连续的原料或中间材料18(例如，金属条)，并且执行金属条的一个或多个操作以形成连续产品20(例如，焊丝)。这些操作可以涉及例如张紧、成型、弯曲、轧制、挤压、压缩和/或纹理化金属条。此外，这些操作可以包括将粒状芯材料添加到部分成形的金属条，将金属条围绕颗粒芯材料压缩，或者将金属条形成为焊丝的任何其它合适的操作。可以理解，添加到金属条表面的润滑剂可以促进这些操作。
接下来，继续通过该示例，热处理系统14接收连续产品20(例如，管状焊丝)，并且施加一个或多个加热和冷却循环来热处理焊丝。在某些实施例中，热处理的主要目的可以是从焊丝的表面除去任何有机润滑剂或涂层。然而，在某些实施例中，热处理也可以有效地从焊丝(例如，从金属条或从焊丝的粒状芯)除去残留的水分或有机溶剂，这可以改善某些焊丝的性能和贮存寿命。另外，在某些实施例中，热处理可用于烧结焊丝的粒状芯。因此，可以理解，除了从焊丝的表面除去不想要的有机物之外，热处理系统14提供的热处理在某些实施例中可用于有意地改变焊丝的物理和/或化学性质作为连续生产系统10的一部分。
接下来，继续通过该示例，包装系统16从热处理系统14接收热处理的连续产品26(例如，热处理的焊丝)。例如，在某些实施例中，包装系统16可以将焊丝切割成装载到卷轴上以分配和/或零售的特定长度。在某些实施例中，包装系统16可以可替代地将焊丝包装成线圈、盒、滚筒或其它合适的包装或分配机构。
因此，本公开的成列热处理系统14可用于连续产品的制造。如下所述，所公开的热处理系统14可以使用三种不同的加热方法中的一种来实现，每种加热方法具有用于某些类型的连续产品的效用。所公开的加热方法包括：电阻加热(用于导电连续产品)、等离子体加热(用于导电和非导电连续产品)和激光加热(用于导电和非导电连续产品)。这些实施例中的每一个在下面详细讨论。
电阻加热
在本方法的某些实施例中，成列热处理系统14可以使用电阻加热来热处理导电连续产品。电阻加热(也称为焦耳加热或欧姆加热)是指由于电流流过导电材料而释放的热量。对于使用电阻加热的热处理系统14的实施例，电极通常沿着连续产品的表面放置，使得当适当的电偏压(例如，电压)施加到电极时，电流穿过并电阻加热设置在电极之间的连续产品的一部分。
图2是示出根据本方法的实施例的包括成列电阻加热热处理系统42的实施例的连续生产系统40的一部分的示意图。类似于图1，图2所示的连续生产系统40的一部分具有设置在连续生产系统40内的处理系统12的下游和包装系统16的上游的热处理系统42。因此，对于所示的连续生产系统40，连续产品20进入热处理系统42，穿过加热区域22，穿过冷却区域24，并且然后作为热处理的连续产品26离开热处理系统42。因此，图2所示的热处理系统42的实施例包括包含热处理系统42的内部部件的壳体44，并且包括第一开口46，连续产品20通过该第一开口46进入热处理系统42，以及第二开口48，热处理的连续产品26通过该第二开口48离开热处理系统42。应该理解，第一和第二开口46和48可以被适当地成形以适应连续地通过壳体44移动的连续产品。例如，在管状焊丝构成连续产品20的情况下，第一和第二开口46和48可以是大体圆形的开口46和48，管状焊丝可以通过该开口46和48连续移动。在其它实施例中，在连续产品是片材或条的情况下，第一和第二开口46和48可以是大致矩形的开口46和48，片材或条可以通过该开口46和48连续移动。此外，在某些实施例中，第一和第二开口46和48可以仅略大于连续产品20的尺寸，使得如下所述，当一个或多个气流被设置到壳体44中时，只有小的气流可以逸出连续产品20与第一和第二开口46和48之间的壳体44。在其它实施例中，热处理系统42可以不包括壳体44。
热处理系统42还包括设置在壳体44内的第一电极50和第二电极52。特别地，图2所示的第一电极和第二电极50和52是机械地偏置连续产品20的旋转轮电极。此外，所示的旋转轮电极50和52各自包括两个轮部分。也就是说，第一旋转轮电极50包括设置在连续制品20的相对侧上的顶轮部分50a和底轮部分50b。类似地，第二旋转轮电极52包括设置在连续产品20的相对侧上的顶轮部分52a和底轮部分52b。在涉及连续线材产品的某些实施例中，旋转轮电极50和52可类似于用于对电弧焊接系统中的焊丝通电的旋转轮电极。在其它实施例中，电极50和52可以仅包括一个旋转轮部分(例如，单个圆筒，如50a或52a)。在另外的其它实施例中，电极50和52可以被实施为相对固定的(例如非旋转的)电极，当它们前进通过热处理系统42时，该电极沿连续产品20的表面被拖动。
电极50和52通常由高导电材料制成。例如，在某些实施例中，电极50和52包括银、铜、铝、钨或其合金。更具体地，在某些实施例中，电极50和52可以由基于铜或银的烧结化合物或由诸如铜-铍的沉淀增强合金制成。另外，在某些实施例中，电极50和52可以包括诸如碳化钨的耐磨材料，以改善电极的寿命。此外，电极50和52通常安装在绝缘块或绝缘轴承54上，使得电极50和52与热处理系统42的其它部分电隔离，以防止与连续生产系统40的其它部分的操作的干扰。还可以注意到，可以调整所示电极50和52的半径53，以调节电极50和52与连续产品20之间的接触量，电极50和52的电阻，或调节以实现电极50和52所需的旋转速度。此外，在某些实施例中，电极50和52之间的距离55可以是固定的，可以手动变化(例如，在制造运行之间通过操作者)，或者可以以自动化方式(例如，通过在控制器的方向下的致动器，如下所述)机械式变化。
如图2所示，电极50和52电耦合到电源56并与连续产品20电接触。因此，在电源56、电极50和52以及设置在电极50和52之间的连续产品20的部分58之间形成电路。电源56通常能够横跨电极50和52施加电偏压，使得电流穿过并且电阻加热位于电极50和52之间的连续产品20的部分58。在某些实施例中，电源56可以能够控制或改变电压和/或电流输出。例如，在某些实施例中，电源56可以是能够提供恒定电流/可变电压输出或恒定电压/可变电流输出的焊接电源(也称为焊接电源)。尽管被示出为设置在壳体44的外部，但是在其它实施例中，电源56可以设置在热处理系统42的壳体44内。
图2所示的热处理系统42还包括耦合到热处理系统42的气体供给系统60。气体供给系统60通常能够提供一个或多个气流(例如，惰性气流、反应气流或组合)以提供在连续产品20的至少一部分附近(例如，在壳体44的至少一部分内)的受控气氛。例如，在某些实施例中，气体供给系统60可以包括一个或多个气瓶、压力调节器、流量调节阀、压缩机或可用于输送连续产品20附近的一个或多个气流的任何其它合适部件。在某些实施例中，气流可包括氮气、氩气、氦气、氧气或其组合。在某些实施例中，气体供给系统60可以是焊接系统的保护气体供给系统或其修改版本。在某些实施例中，气体供给系统60可以在连续产品20附近提供惰性气流，以限制或防止在热处理的加热部分和/或冷却部分期间连续产品20的氧化或大气污染。在其它实施例中，诸如当期望形成氧化物层(例如，玻璃状氧化物涂层)时，由气体供给系统60提供的一个或多个气流可以包括氧气以引起连续产品20的氧化。
另外，如图2所示，在某些实施例中，热处理系统42可以包括一个或多个气体喷嘴62，其接收由气体供给系统16提供的一个或多个气流的至少一部分，并将这些气流的这一部分引向连续产品20的一个或多个表面(例如，提供冷却或淬火效果)。在其它实施例中，气体喷嘴62可以另外或可替代地定位在热处理系统42的壳体44内的其它位置(例如，在加热区域22内，入口46附近，出口48附近)。通过具体示例，在某些实施例中，一个或多个气体喷嘴62可以被定位成提供一个或多个气流的一部分朝着加热区域22内、冷却区域24内或加热区域22和冷却区域24二者内的连续产品20的表面。另外，可以理解，在某些实施例中，无论定位如何，气体喷嘴62可以能够输送足够的惰性气流以提供整个壳体44内(例如，在加热区域22和冷却区域24内)的惰性气氛(例如，足够低的氧气和/或水分含量)。在某些实施例中，如下所述，电偏压可以不施加在第一电极和第二电极50和52之间以开始电阻加热，直到连续产品20附近或壳体44内的气氛组成适合于热处理(例如，足够的惰性以防止连续产品20的表面的氧化，或足够的富氧以在连续产品20的表面处引起氧化)。此外，尽管被示出为设置在壳体44的外部，但是在其它实施例中，气体供给系统60可以设置在热处理系统42的壳体44内。
连续生产系统40包括能够控制热处理系统42以及处理系统12和/或包装系统16的操作的控制器64。例如，控制器64可以是可编程逻辑控制器(plc)或具有能够存储指令的存储器66和能够执行指令以便控制连续生产系统40(例如，处理系统12、热处理系统42，和/或包装系统16)的操作的另一合适控制器。因此，所示的控制器64通信地耦合到处理系统12、包装系统16以及热处理系统42的部件，如图2中的虚线所示。因此，对于所示实施例，控制器64通常能够接收指示这些系统中的每一个的状态的信号，并且能够向这些系统中的每一个提供控制信号以控制连续生产系统40的操作。应当注意，仅作为一个示例提供了具有监视和控制连续生产系统40的操作的单个控制器64的所示实施例。在其它实施例中，控制器64可以仅监视和控制热处理系统42的操作，并且可以向控制连续生产系统40的较大部分的另一个控制器报告以及从中接收指令。对于这种实施例，控制器64可以被实现为热处理系统42的一部分，并且甚至可以包括在热处理系统42的壳体44内。
如图2所示，在某些实施例中，控制器64通信地耦合到热处理系统42的多个部件。例如，在所示实施例中，控制器64通信地耦合到电源56和气体供给系统60二者。因此，控制器64可以接收指示来自电源56和/或气体供给系统60的控制电路和/或传感器的一个或多个参数的信号，并且可以向电源56和/或气体供给系统60提供控制信号来修改这些参数。对于电源56，这些参数可以包括例如由电源56施加的操作状态(例如，on或off)、电压设置、电流设置、温度或电压或电流的量，以及其它参数。对于气体供给系统60，这些参数可以包括例如操作状态(例如，on或off)、气瓶的压力、气体调节器或阀的位置、沿着流动路径的压力、气体流量或气流中的氧气或水分含量，以及其它参数。
另外，如图2所示，控制器64可以通信地耦合到一个或多个传感器70以监视热处理系统42的操作。示例传感器70的非限制性列表包括能够测量连续产品20通过热处理系统42的推进速率和/或电极50和52之间的距离55的位移传感器，能够测量电极50和52之间的电偏压的电压传感器，能够测量进入壳体44或由一个或多个气体喷嘴62释放的气体流量的气流传感器，能够测量连续产品20附近的气氛组成的气体组成传感器(例如，氧传感器、燃烧传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、水分传感器)，以及其它类型的传感器。在某些实施例中，传感器70可以包括温度传感器，诸如高温计(例如，红外(ir)温度计)、热电偶、热敏电阻或能够直接或间接地测量在它穿过热处理系统42时在各个点处连续产品20的温度的任何其它合适的温度传感器。在其它实施例中，一个或多个传感器70可以不存在，并且控制器64可以替代地提供基于由操作者提供的操作参数和/或来自将热处理系统42的潜在参数与不同连续产品20的潜在温度分布相关联的模型的操作参数的控制信号。
因此，由传感器70(例如，温度传感器)收集的测量可以被控制器64用来确定位于电极50和50之间的连续产品20的部分58的加热速率和峰值温度52，以及横跨连续产品20的温度分布。在某些实施例中，控制器64可以调节连续生产系统40的一个或多个参数，以便提供连续产品的均匀加热。例如，在某些实施例中，均匀加热可以涉及控制器64调节系统40的参数，以确保连续产品20穿过加热区域22时连续产品20的不同部分经历的平均或峰值温度变化小于特定量(例如，小于约10％或小于约5％)。通过具体示例，在某些实施例中，控制器64可以调节连续产品20通过热处理系统44的推进速率，以实现连续产品20的部分58中的均匀加热。然而，由于热处理系统42与处理系统12和包装系统16成列设置，所以连续产品20在整个连续生产系统40中的推进速率将受到这种变化影响。
因此，在某些实施例中，控制器64可以具体地调节热处理系统42的参数，以实现连续产品20的均匀加热，使得连续生产系统40的其它参数(例如，连续产品20的推进速度)可以保持不变。例如，对于图2所示的电阻加热热处理系统42，控制器64可以调节电极50和52之间的距离55以及电极50和52之间的电偏压和/或电流，以实现均匀的电阻加热而不调节连续产品20的推进速率。可以注意到，在某些实施例中，控制器64可以不向电源56发出信号以在电极50和52之间施加电偏压，直到连续产品20的推进速率高于阈值，直到壳体44内的气氛和/或水分含量低于阈值，或其组合。在其它实施例中，控制器64可以向电源56发信号，以逐渐增加与连续产品20的推进速率的逐渐增加成比例的电极50和52之间的电偏压。
等离子体加热
在本方法的某些实施例中，图1的热处理系统14可以使用等离子体加热来热处理连续的产品。如本文所用的等离子体加热是指使用诸如氩等离子体的离子化气体来热处理连续产品。对于使用等离子体加热的热处理系统14的实施例，将至少一个电极和至少一个对应的靶标放置在连续产品附近，使得当在电极和对应的靶标之间形成等离子体电弧时，设置在等离子电弧附近的连续产品被快速加热。对于利用等离子体加热的所公开的实施例，由于在电极和靶标之间形成等离子体电弧，所以该技术可适用于导电和非导电连续产品二者。
图3是示出根据本方法的实施例的包括成列等离子体热处理系统82的实施例的连续生产系统80的一部分的示意图。可以理解，在某些实施例中，等离子体热处理系统82包括类似于图2的电阻加热热处理系统42的几个特征(例如，电源56、气体供给系统60、控制器64、传感器70、气体喷嘴70)，如上所述。为了简洁起见，图3的等离子体热处理系统82和图2的电阻加热热处理系统42之间的差异在下面的描述中突出显示，而本公开的其余部分可以适用于任一实施例。
等离子体热处理系统82的加热区域22包括一个或多个等离子体炬84和设置在壳体44内的一个或多个对应的靶标86。在其它实施例中，等离子体热处理系统82可以在没有壳体44的情况下实施。热处理系统82的等离子体炬84接收来自一个或多个电源56的电力和由气体供给系统60提供的气流。例如，在某些实施例中，等离子体炬84可以是用于气钨电弧焊(gtaw)或等离子体焊接的焊炬的修改版本。等离子体炬84各自包括当在等离子体炬84的电极和对应的靶标86之间施加合适的电偏压时能够电离气流的电极(例如，非消耗性钨电极)。靶标86可以是能够快速扩散热量的水冷铜块或其它合适的导电靶标。在某些实施例中，等离子体炬84也可以是水冷的。因此，等离子体炬84各自能够形成等离子体弧88，该等离子体弧88快速加热设置在等离子体弧88附近的连续产品20的部分90。
图3的等离子体炬84示出为转移的电弧等离子体炬84。对于这种等离子体炬84，可以在等离子体炬84中每一个等离子体炬的电极和气体喷嘴之间建立初始导电弧。尽管这些导电弧暂时建立，但是一个或多个电源56可以在等离子体炬84的电极和对应的靶标86之间施加增加的电偏压，以建立等离子体弧88。在其它实施例中，等离子体炬84可以是非转移的等离子体炬84，靶标86可以不存在，并且等离子体弧88可以形成在等离子体炬84的电极和气体喷嘴之间。可以理解，缺少靶标86的这种实施例可能更便宜建立，且更容易实现。然而，也可以理解，在某些实施例中，使用转移的电弧等离子体炬84和对应的靶标86，如图3所示。可以在等离子体加热期间提供对等离子体弧88的更大控制。
还可以理解，与上述电阻加热技术不同，等离子体弧88可以能够与可能残留在连续产品20的表面上的有机污染物直接化学反应。实际上，对于其中期望氧化物层(例如，玻璃状氧化物涂层)的连续产品，当壳体44内(或由炬84接收的气流内)的气氛具有足够的反应性(例如，含有足够的氧气)时，这种层可以形成。然而，对于其它连续产品20，可以在连续产品20附近(例如，在壳体44的至少一部分内)保持惰性气氛，以限制或防止在热处理期间连续产品20的氧化。
在某些实施例中，提供给等离子体炬84(在本文中称为等离子体气流)的气流可由氩气、氦气或氮气或其组合组成，其被离子化以形成等离子体弧88。另外，在某些实施例中，提供给等离子体热处理系统80的一个或多个气体喷嘴62的气流可以具有与等离子体气流相同的组成，同时起惰性气体或惰性气体混合物的不同作用。在其它实施例中，气流可具有不同的组成。例如，在某些实施例中，提供给一个或多个气体喷嘴62的气流可以包括在等离子体加热期间和/或之后引向连续产品的一个或多个表面的反应性气体(例如，氧气)，以促进在连续产品20的表面处的特定反应。
对于热处理系统82，当热处理连续产品20时，控制器64可以调整多个参数以实现所需的加热(例如，均匀的加热速率、均匀的峰值温度和/或均匀的温度分布)。例如，控制器64可以监视和控制由气体供给系统60提供到等离子体炬84的气体流的流动速率和由电源56在等离子体炬84的电极与靶标84之间的施加的电偏压，这影响每个等离子体弧88的功率和形状。另外，传感器70可以包括能够测量连续产品20、等离子体弧88或二者的温度的直接或间接温度感测装置。例如，传感器70高温计测量连续产品20的一部分的温度和/或等离子体弧88的温度。在某些实施例中，传感器70可以包括测量每个等离子体弧相对于连续产品20的形状和位置的相机88。
在某些实施例中，可以通过控制等离子体炬84和对应靶标86的位置来实现所需的加热。例如，在某些实施例中，等离子体炬84和靶标86的位置可以是固定的，手动可调节，或使用由控制器64控制的致动器以自动方式机械调节。例如，等离子体炬84和对应的靶标86之间的距离可以被调节以控制等离子体弧88的温度和稳定性。另外，可以调节等离子体炬84和连续产品20之间的距离以及炬84的径向和/或纵向位置以实现连续产品20的所需加热。还可以注意到，在某些实施例中，控制器64可以不向电源56发出信号，以在炬84和对应的靶标86之间施加电偏压，直到连续产品20的推进速率高于阈值，直到壳体44内的气氛的氧气和/或水分含量低于阈值，或其组合。在其它实施例中，控制器64可以向电源56发信号以逐渐增加与连续产品20的推进速率的逐渐增加成比例的炬84的热量输出。
考虑到前述内容，图4至图8是示出了多个等离子体弧88相对于连续产品20的各种位置和取向的示意图。可以理解，图4至图8中呈现的位置和取向仅仅是示例，并且在所公开的等离子体热处理系统82的某些实施例中，其它位置和取向是可能的。另外，在图4至图8中，等离子体炬84的位置由其电极92的位置表示，并且生成指向其相应靶标86的等离子体弧88，而等离子体炬84的其余部分，包括各种气体流动路径、喷嘴，电气连接等，为了简单和清楚而省略。另外，可以理解，尽管图4至图8中的各个电极92、靶标86、等离子体弧88被示出为具有特定形状，这些仅作为简化的非限制性示例提供，并且在其它实施例中，其它形状是可能的。
图4示出了围绕等离子体热处理系统82的示例实施例的连续产品20的表面的各种等离子体源的定位。在图4中，第一电极92a和靶标86a设置在连续产品20(例如，上方)的第一侧上，并且第一等离子体弧88a在两者之间延伸。第二电极92b和靶标86b设置在连续产品20(例如，下方)的第二相对侧，并且第二等离子体弧88b在两者之间延伸。此外，等离子体弧88a和88b纵向取向(即，沿着连续产品20的运动的长度和方向延伸)并且加热连续产品20的最接近等离子体弧88a和88b的部分90。在某些实施例中，等离子体弧88a和88b可以基本上平行于连续产品20的运动方向对准。在其它实施例中，等离子体弧88a和88b可以偏移，使得等离子体弧88a和88b通常纵向取向(例如，等离子体弧88a和88b的长度通常沿着连续产品20的运动方向延伸)，但不能相对于连续产品20的运动方向精确地平行设置(例如，偏移45度或更小)。在其它实施例中，任何数量的附加电极92和对应的靶标86可设置在连续产品20的上方和下方，以向连续产品20的部分90提供所需加热。
在其它实施例中，等离子体弧88可以具有相对于连续产品20的长度和运动的横向取向。图5至图8示出了等离子体热处理系统82的示例实施例的具有围绕表面的各种横向取向等离子体源的示例连续线材产品20的前(例如，横截面)视图。可以理解，在图5至图8中示出的等离子体弧88的取向相对于连续产品20的长度和运动横向(例如，垂直)设置，在其它实施例中，等离子体弧88可以偏移(例如，不完全垂直)，而不会消除本方法的影响。
特别地，图5和图6示出了具有横向取向的等离子体弧88的等离子体热处理系统82(如图3所示)的加热区域22内的不同点处的示例连续线产品20的两个不同前视图。在图5中所示的视图中，第一电极92a和靶标86a设置在连续产品20(例如，上方)的第一侧上，并且第一等离子体弧88a在两者之间延伸。第二电极92b和靶标86b设置在连续产品20(例如，下方)的第二相对侧上，并且第二等离子体弧88b在两者之间延伸。在图6所示的视图中，第三电极92c和靶标86c设置在连续制品20的第三侧(例如左侧)上，并且第三等离子体弧88c在两者之间延伸。此外，在图6中，第四电极92d和靶标86d设置在连续产品20的第四相对侧(例如右侧)上，并且第四等离子体弧88d在两者之间延伸。
因此，对于图5和图6所示的示例，随着连续线材产品20推进通过等离子体热处理系统82的加热区域22，首先将连续线材产品20的顶侧和底侧分别暴露于等离子体弧88a和88b的一部分，如图5所示。随后，连续线材产品20的左侧和右侧暴露于等离子体弧88c和88d的一部分(如图6所示)。因此，图7是来自图5和图6的示例的连续产品20的前视图，示出了等离子体弧88a-d(为了清楚而省略了电极92a-92d和靶标86a-86d)的相对位置。因此，图7示出了连续线材产品20的大部分表面设置在等离子体弧88a-88d中的至少一个附近，以提供连续线材产品20的有效加热。
图8是连续产品20的前视图，如图7所示，但另外具有四个等离子体弧88e、88f、88g和88h，其位置相对于初始的四个等离子体弧88a-88d的位置径向偏移。因此，图8示出了使用额外的等离子体弧(例如，设置在初始四个等离子体弧88a-88d的下游的加热区域22中)，连续线材产品20的大部分表面的更大部分被设置在等离子体弧88a-88h中的至少一个附近，以提供对连续线材产品20的有效加热。可以理解，在某些实施例中，在推进通过等离子体热处理系统82的加热区域22时，可以使用围绕连续线材产品20的表面移动(例如，改变径向位置，旋转)的更少的等离子体弧88来实现图7-8中所示的等离子体弧88。
激光加热
在本方法的某些实施例中，图1的热处理系统14可以使用激光加热来热处理连续产品。如本文所使用的激光加热是指通过用相干光源(诸如激光)照射连续产品来快速加热连续产品。对于使用激光加热的热处理系统14的实施例，至少一个激光照射连续产品的表面以提供快速加热效果。所公开的激光加热技术适用于导电和非导电连续产品。
图9是示出根据本方法的实施例的包括成列激光热处理系统102的实施例的连续生产系统100的一部分的示意图。可以理解，在某些实施例中，激光热处理系统102包括类似于图2的电阻加热热处理系统42的几个特征(例如，气体供给系统60、控制器64、传感器70、气体喷嘴70)，如上所述。为了简洁起见，图9的激光热处理系统102和图2的电阻加热热处理系统42之间的差异在下面的描述中突出显示，而本公开的其余部分可以适用于任一实施例。
激光热处理系统102的加热区域22包括设置在壳体44内的一个或多个激光器104。与上述热处理系统相比，激光热处理系统102可以从壳体44中受益更多，以保护系统的光学部件，以及将激光漏光限制在周围环境中。激光热处理系统102的激光器104从一个或多个合适的激光电源106接收电力。在某些实施例中，激光器104还可以接收由气体供给系统60提供的冷却气流，如图9所示。在其它实施例中，激光器104可以是水冷却的，或者可以使用壳体44内的气氛来主动或被动地冷却。在某些实施例中，可以直接或间接地测量激光器104的温度，以防止激光器104在热处理期间过热。在某些实施例中，激光器104和电源106可以是用于激光焊接的激光器和电源的修改版本。
当向激光器104提供电力时，发射激光束108，其照射在连续产品20的一个或多个表面上，快速加热由激光108撞击的连续产品20的部分110。由于激光108的频率范围可能影响连续产品20的加热，所以激光器104的频率范围可以以连续产品20的表面容易吸收的频率来选择，以促进加热。此外，在某些实施例中，由激光器104产生的激光104可以是脉冲的或连续的。
对于激光热处理系统102，可以通过控制器64来调整多个参数，以在热处理连续产品20时达到所需的加热(例如，均匀的加热速率、均匀的峰值温度和/或均匀的温度分布)。例如，控制器64可以监视和控制由电源106供应到激光器104的平均和峰值电力，和/或由激光器104发射的激光108的平均和峰值强度，以实现连续产品20的所需加热。对于激光器104是可调整的实施例，传感器70可以包括光谱传感器，并且控制器64可以基于由传感器70执行的测量来监视和控制激光108发射的频率。对于其中激光器104是脉冲激光器的实施例，控制器64可以监视和控制发射的激光108的脉冲频率。此外，可以注意到，在某些实施例中，控制器64可以不向电源106发信号，以向激光器104提供电力，直到连续产品20的推进速率高于阈值，直到壳体44内的气氛的氧气和/或水分含量低于阈值，或其组合。在其它实施例中，控制器64可以向电源106发信号，以逐渐增加与连续产品20的推进速率的逐渐增加成比例的提供给激光器104的电力。
在某些实施例中，可以通过控制激光108如何撞击在连续产品20的表面上来实现所需的加热。在某些实施例中，激光器104的位置和/或任何数量的光束控制特征(例如，反射镜、偏转器、扩散器、透镜、滤光器等)可以固定、手动调节或使用由控制器64控制的致动器以自动方式机械调节。这些光束控制特征通常可以能够调节激光108的方向、形状和/或焦点。例如，在某些实施例中，控制器64可以监视和控制激光器104和/或一个或多个光束控制特征的位置以提供连续产品20的所需加热。通过具体示例，控制器64可以调节激光器104和连续产品20的表面之间的相应距离。另外，也可以调节相对于连续产品20的激光器104的径向和/或纵向位置，以实现连续产品20的所需加热。
图10和11是示出激光束108相对于连续线材产品20的各种示例位置和取向的示意图。可以理解，图10和图11中呈现的位置、取向和光束形状仅仅是非限制性示例。另外，在图10和11中，为了简化，激光器104被表示为箭头。可以理解，在其它实施例中，类似于图10和图11中所示的表面覆盖可以使用较少的激光器104(例如，单个激光器)和一个或多个适当定位的光束控制特征(例如，光束偏转器或反射器)来实现。对于这种实施例，箭头104可代替地表示光束控制特征(诸如光束偏转器或反射器)的位置，并且激光108可以是从一个或多个激光器104朝向连续产品20的表面的偏转或反射激光108。还可以理解的是，在某些实施例中，当推进通过激光热处理系统102的加热区域22时，可以使用围绕连续线材产品20的表面移动(例如，改变径向位置，旋转等)的激光束108来实现。
考虑到前述内容，图10和图11示出了根据激光热处理系统102的实施例的具有围绕连续线材产品20的表面设置的各种激光器104的示例连续线材产品20的前(例如横截面)视图。对于图10所示的实施例，第一激光器104a设置在连续产品20(例如，上方)的第一侧上，并且用激光束108a撞击连续产品20。第二激光器104b设置在连续产品20(例如，下方)的第二相对侧上，并且用激光束108b撞击连续产品20的相对侧。在其它实施例中，可以围绕连续产品20的表面设置任何数量的激光束108，以向连续产品20的部分110提供所需的加热。可以理解，在某些实施例中，均匀加热可以通过用一个或多个激光束108撞击连续产品20的整个暴露表面(例如，整个周向横截面面积)来实现，如图10和11所示。
图10中所示的激光束108a和108b是相对漫射的激光束，意味着所示出的激光束108a和108b分别随着距激光器104a和104b的增加距离而在尺寸和体积上增长(例如，展开)。因此，所得到的激光束108a和108b可以在形状上基本上为圆锥形(对于具有圆形孔径的激光器104)或基本上矩形的锥体(对于具有矩形或狭缝孔径的激光器104)。如图10所示，两个相对漫射的激光束108a和108b能够撞击连续线材产品20的大部分或整个表面。然而，可以理解的是，随着激光束108a和108b扩展，输送到激光束108a和108b的每单位面积(即，通量)的连续线材产品20的撞击表面的能量的量减小。因此，对于图10所示的实施例，激光器104a和104b应具有足够的强度(例如，具有足够高的总通量)，使得激光束108a和108b仍然具有足够高的通量以在扩散之后加热连续产品20。
对于图11中所示的实施例，四个激光器104a、104b、104c和104d围绕连续线材产品20径向定位，大约相差90度，每个用相应的激光束108a、108b、108c和108d撞击连续线材产品20的大部分或整个表面。由于激光束108a-108d被聚焦得更多，因此随着距相应激光器104a-104d的增加距离，激光束108a-108d具有相对恒定的尺寸和体积(例如，不扩展)。可以理解，由于激光束108a-108d基本上不扩展或扩散，所以输送到激光束108a-108d的每单位面积(即，通量)的连续线产品20的撞击表面的能量的量随着距激光器104a-104d的增加距离而相对恒定。因此，与图10所示的实施例不同，对于图11的非漫射激光器104a-104d，激光器104a-104d与连续产品20的表面之间的距离不会显著影响连续产品20的加热。另外，对于图11所示的实施例，激光器104a-104d可以比图10的漫射激光器104a和104b的电力更低(例如，通量上更低)，同时提供类似的加热效果。
目前公开的实施例的技术效果包括连续产品的成列快速热处理。目前公开的热处理系统在时间和成本方面提供了超过批量热处理工艺的许多优点。例如，所公开的热处理系统的实施例有效地从连续产品的表面清洁有机材料，干燥水分或溶剂的连续产品，和/或在连续产品的表面内或表面上产生相变或化学反应。此外，在某些实施例中，所公开的热处理系统可以利用电阻加热、等离子体加热或激光加热来在热处理期间均匀地加热各种不同的连续产品。因此，所公开的热处理系统实施例能够以成本有效的方式进行各种导电或非导电连续产品的直接成列热处理。
尽管在本文中仅示出和描述了该技术的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。