熱空氣等離子體處理的制作方法
【專利摘要】本公開涉及熱空氣等離子體處理。本公開包括大氣等離子體系統(tǒng)和用于對表面進行等離子體處理的方法。等離子體系統(tǒng)可包括等離子體探頭，等離子體探頭被配置為接收處于大氣壓或在大氣壓之上的源空氣，并從探頭端部釋放等離子體。等離子體系統(tǒng)還可包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)和熱源，空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括被配置為將源空氣供應(yīng)到等離子體探頭的空氣供應(yīng)導管，熱源被配置為使空氣供應(yīng)系統(tǒng)中的源空氣的溫度升高到環(huán)境溫度之上。熱源可包括設(shè)置在空氣供應(yīng)導管中的內(nèi)聯(lián)加熱器。源空氣可被加熱到25℃至1000℃的溫度。熱空氣等離子體系統(tǒng)可將更高的等離子體劑量提供到所處理的表面，并且可允許減少的循環(huán)時間和較大的等離子體處理工作窗口。
【專利說明】
熱空氣等離子體處理
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開涉及(例如)使用熱空氣以增加等離子體劑量的空氣等離子體處理。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體是包括多個帶電粒子的物質(zhì)狀態(tài)，由于等離子體中的粒子是帶電的，因此有時被稱為電離氣體云?？諝饣虼髿獾入x子體是壓力與周圍大氣的壓力基本匹配的等離子體，而不是低壓或真空水平壓力的等離子體。因此，用于實施空氣等離子體處理的所需設(shè)備和成本相對較低，并且可將等離子體處理直接用在生產(chǎn)線中。空氣或大氣等離子體可用于修改所處理組件的表面能，因此可用于提高兩個組件之間的結(jié)合。然而，空氣等離子體處理面對多種挑戰(zhàn)，包括工具成本高、循環(huán)時間長以及處理工作窗口相對較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在至少一個實施例中，提供一種大氣等離子體系統(tǒng)。所述大氣等離子體系統(tǒng)可包括:等離子體探頭，被配置為接收處于大氣壓或在大氣壓之上的源空氣，并從探頭端部釋放等離子體;空氣供應(yīng)系統(tǒng)，包括空氣供應(yīng)導管，所述空氣供應(yīng)導管被配置為將源空氣供應(yīng)到等離子體探頭;熱源，被配置為使在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中的源空氣的溫度升高到環(huán)境溫度之上。
[0004]在一個實施例中，所述熱源包括內(nèi)聯(lián)加熱器。所述內(nèi)聯(lián)加熱器可形成空氣供應(yīng)導管的至少一部分。在一個實施例中，所述熱源至少部分地圍繞空氣供應(yīng)導管的一部分。所述熱源可包括電阻線圈、感應(yīng)加熱器和熱流體循環(huán)系統(tǒng)中的至少一個。在另一個實施例中，所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括連接到空氣供應(yīng)導管的空氣罐，并且所述熱源被配置為加熱所述空氣罐中的空氣。所述熱源可被配置為將源空氣加熱到溫度為25°C至1000°C。
[0005]在至少一個實施例中，提供一種對表面進行等離子體處理的方法。所述方法可包括:將包括空氣供應(yīng)導管的空氣供應(yīng)系統(tǒng)中的源空氣加熱到在環(huán)境溫度之上的溫度，將加熱的源空氣經(jīng)由空氣供應(yīng)導管提供到等離子體探頭，在等離子體探頭中產(chǎn)生大氣等離子體，將等離子體從等離子體探頭的端部釋放到所述表面上。
[0006]在一個實施例中，所述加熱步驟包括:利用設(shè)置在空氣供應(yīng)導管中的內(nèi)聯(lián)加熱器來加熱源空氣。在另一個實施例中，所述加熱步驟包括:利用至少部分地圍繞空氣供應(yīng)導管的一部分的熱源來加熱源空氣。所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)可包括空氣罐，并且所述加熱步驟可包括加熱所述空氣罐中空氣。所述釋放步驟可包括:使等離子體探頭端部相對于所述表面以至少75mm/s的速度移動和/或?qū)牡入x子體探頭的端部到所述表面的距離維持為至少1mmο所述加熱步驟可包括:將源空氣加熱到25°C至1000 °C的溫度。在另一個實施例中，所述加熱步驟可包括:將源空氣加熱到至少為100°C的溫度。
[0007]在至少一個實施例中，提供一種大氣等離子體處理系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括:等離子體探頭，被配置為接收處于大氣壓或在大氣壓之上的源空氣，并從探頭端部釋放等離子體；空氣供應(yīng)導管，被配置為將源空氣供應(yīng)到等離子體探頭;熱源，被配置為使在空氣供應(yīng)導管中的源空氣的溫度升高;夾具，被配置為接收將被等離子體處理的組件。
[0008]在一個實施例中，所述熱源包括內(nèi)聯(lián)加熱器。所述熱源可被配置為:將源空氣加熱到25 °C至1000 V的溫度。在一個實施例中，所述等離子體探頭被配置為:使等離子體探頭端部相對于所述夾具的組件接收表面以至少75mm/s的速度移動。在另一個實施例中，所述等離子體探頭被配置為:在從等離子體探頭的端部到組件的被夾具接收的表面的距離至少為1mm的情況下，釋放等離子體。
【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)實施例的包括內(nèi)聯(lián)加熱器的大氣等離子體系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2是根據(jù)實施例的包括外部熱源的大氣等離子體系統(tǒng)的示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)實施例的包括感應(yīng)加熱系統(tǒng)的大氣等離子體系統(tǒng)的示意圖；
[0012]圖4是根據(jù)實施例的包括熱空氣罐的大氣等離子體系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖5是根據(jù)實施例的用于熱空氣等離子體處理的方法的流程圖；
[0014]圖6是包括來自室溫等離子體處理和熱空氣等離子體處理的表面能測試的數(shù)據(jù)的表格。
【具體實施方式】
[0015]根據(jù)需要，在此公開本發(fā)明的詳細實施例；然而，應(yīng)理解的是，公開的實施例僅為本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種和替代的形式來體現(xiàn)。附圖不一定按比例繪制;可夸大或最小化一些特征，以顯示特定組件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為用于教導本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種形式使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0016]空氣或大氣等離子體處理可用于修改所處理組件的表面能。例如，等離子體處理可增大所處理組件的表面能，使所處理組件更有活性并使所處理組件更牢固地結(jié)合到其它組件或材料?？諝獾入x子體處理中涉及大量的控制由所處理組件接收的等離子體劑量的控制參數(shù)。對接收的等離子體劑量有重要影響的兩個參數(shù)是:等離子體探頭或射流在組件的表面移動的速度，和從組件的表面到等離子體探頭的端部的距離。較慢的探頭速度通常使由組件接收的等離子體劑量增加，而較快的速度通常使所述劑量減少。較小的探頭距離(例如，從探頭端部到組件表面)通常使由組件接收的等離子體劑量增加，而較大的距離通常使所述劑量減少。反過來，這兩個參數(shù)可影響幾個另外的工藝參數(shù):循環(huán)時間和處理工作窗
□ O
[0017]循環(huán)時間與等離子體處理的速度有關(guān)，并且該循環(huán)時間是對一個組件或一組組件或一批組件進行等離子體處理所用的時間。為了使所處理的組件在給定探頭距離下接收預定的最小的等離子體劑量水平，必須使用特定的最小的探頭速度(例如，線速度)。因此，對于給定的最小的劑量水平和探頭距離，探頭的速度是循環(huán)時間的限制因素。目前，傳統(tǒng)的空氣等離子體系統(tǒng)必須使用相對較慢的探頭速度，以輸送足夠的等離子體劑量。例如，目前的空氣等離子體系統(tǒng)中的探頭速度可約為50mm/s。在大批量的產(chǎn)業(yè)中，循環(huán)時間會是重要的參數(shù)，并且會影響在生產(chǎn)線中有效地或高效地實施等離子體處理的能力。在目前的速度(例如，約50mm/s)下，對于單個系統(tǒng)來說循環(huán)時間可能太長而不能滿足批量需求。因此，可能需要多個空氣等離子體系統(tǒng)，這標志著很高的設(shè)備成本和生產(chǎn)設(shè)施的空間占用面積。因此，增加探頭速度并減少循環(huán)時間的空氣等離子體處理工藝的改進將提高生產(chǎn)率并降低成本。
[0018]會影響等離子體處理工藝的速度和/或質(zhì)量的另一個參數(shù)是等離子體處理工作窗口，所述等離子體處理工作窗口是從等離子體探頭的端部到處理中的部件/組件的距離。與探頭速度類似，工作窗口會是等離子體處理工藝中的限制因素。由空氣等離子體探頭產(chǎn)生的等離子體可具有羽狀或火炬狀。因此，由所處理的組件接收的強度或劑量可隨著距探頭端部的距離的增加而減小。因此，與最小的探頭速度類似，在給定探頭速度下會存在不能被超過的最大的探頭端部距離，以輸送預定的劑量。此外，由于離開等離子體探頭的等離子體的溫度非常高，因此存在從組件表面到探頭端部的最小距離。如果等離子體探頭到組件表面太近，則高溫等離子體可能燃燒、熔化或以其它方式損壞組件。如果等離子體探頭距離組件太近的另一個潛在并發(fā)問題是如果組件稍微沒對準或系統(tǒng)公差過于寬松，則探頭實際上可能接觸組件或與組件碰撞。因此，等離子體處理工藝可具有最小的探頭端部距離和最大的探頭端部距離，這可稱為等離子體處理工作窗口。
[0019]在目前使用的傳統(tǒng)的空氣等離子體系統(tǒng)中，等離子體處理工作窗口相對較小。例如，使用標準的探頭速度(例如，約50mm/s)的空氣等離子體系統(tǒng)可需要探頭端部距離約為6mm±l-2mm。雖然6mm的探頭端部距離是可行的，但在等離子體處理工藝中所述探頭端部距離可能要求非常小的偏差。例如，在處理期間，將要被等離子體處理的組件可被夾持在夾具中。通常，人或機器人將組件拿起并放置在夾具中，這本身具有一定程度的偏差。因此，組件位置相對于探頭端部的偏差可能使探頭端部移出工作窗口距離范圍。在一個示例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于機器人裝載夾具來說，探頭距離的偏差可高達約2mm。探頭距離的2mm偏差可足以使組件移出工作窗口:要么太近(其可引起燃燒/熔化)要么太遠(等離子體劑量不足)。因此，對空氣等離子體處理工藝進行增加最大的探頭端部距離并擴大等離子體處理工作窗口的改進將使等離子體處理工藝更加穩(wěn)健。
[0020]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有更高離子強度(例如，較強的等離子體羽流的空氣等離子體工藝可改善循環(huán)時間和等離子體處理工作窗口。在至少一個實施例中，公開一種空氣等離子體處理工藝，其中，用于空氣等離子體處理工藝的源空氣在進入等離子體探頭之前被加熱。在不局限于任何特別理論的情況下，基于化學和熱力學認為:當空氣被加熱時，圍繞原子核軌道運行的電子從熱中獲得能量，并且電子從它們被限定的運行軌道脫離的概率更高。一旦電子從原子核跳躍并脫離，空氣原子就不再是中性的。因此，在電場中發(fā)生空氣電離的幾率較高，這會產(chǎn)生較強的等離子體羽流。
[0021]參照圖1到圖4，示出了空氣或大氣(例如，環(huán)境壓力)等離子體系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng)10包括具有探頭端部14的等離子體探頭12。等離子體系統(tǒng)10可以是任何適合的空氣等離子體系統(tǒng)(諸如AC(交流)勵磁(例如，電暈放電)、DC(直流)勵磁(例如，電弧)、無線電波勵磁或微波勵磁系統(tǒng))?？諝獾入x子體系統(tǒng)的基本原理是現(xiàn)有技術(shù)中已知的并且將不詳細解釋。通常，通過加熱氣體或使氣體受到強的電磁場來產(chǎn)生等離子體。例如，在DC等離子體系統(tǒng)中，通過高電壓放電(例如，5-15kV，1-1OOkHz)來產(chǎn)生脈沖電弧。源氣體(可以是壓縮空氣)流過脈沖電弧并被激發(fā)，并轉(zhuǎn)換成等離子體狀態(tài)。然后，該等離子體通過探頭端部被引導到處理中的組件36的表面上。
[0022]空氣等離子體系統(tǒng)10包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)，所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括空氣供應(yīng)16，所述空氣供應(yīng)16可將源氣體供應(yīng)到等離子體探頭12。空氣供應(yīng)導管16可以是軟管、粗管、細管或其它類型的導管。源氣體可以是環(huán)境空氣或者它可以是受控組合物(諸如，氮、氧、氬、氟或它們的混合物)。源氣體可被加壓，以便于等離子體從探頭端部14射出。例如，源氣體可來自壓縮空氣源或者可通過風扇或管道系統(tǒng)移動，所述風扇或管道系統(tǒng)可以是空氣供應(yīng)系統(tǒng)的一部分。在傳統(tǒng)的空氣等離子體系統(tǒng)中，處于環(huán)境溫度(諸如，約20°C (例如，室溫))的源氣體被提供到等離子體探頭12。然而，在本公開中，提供一種空氣等離子體系統(tǒng)10，其中，源氣體被加熱到環(huán)境溫度之上，以產(chǎn)生更強的等離子體羽流。
[0023]參照圖1到圖4，示出了利用熱的源氣體的空氣等離子體系統(tǒng)10的幾個實施例。然而，示出的用于加熱的方法和裝置僅為示例，可使用使源氣體的溫度升高到環(huán)境溫度之上的任何合適的方法或裝置。參照圖1，內(nèi)聯(lián)加熱器(inline heater)或加熱元件18設(shè)置在空氣供應(yīng)導管16中或設(shè)置為空氣供應(yīng)導管16的一部分。內(nèi)聯(lián)加熱器可以是諸如通過運載、運輸和/或直接接觸或加熱源空氣而形成空氣供應(yīng)導管16的一部分的任何裝置。內(nèi)聯(lián)加熱器可用在諸如烘烤、熱收縮、殺菌、干燥和其它應(yīng)用的應(yīng)用中并且將不詳細描述。通常，內(nèi)聯(lián)加熱器包括具有進氣口 22和出氣口 24的管子或?qū)Ч?0，并且加熱元件設(shè)置在進氣口 22和出氣口 24之間。任何適合的加熱方法可用作加熱元件(諸如電阻線圈或感應(yīng)加熱)?？梢砸匀魏芜m合的方式(諸如，通過調(diào)節(jié)加熱元件的瓦數(shù)、調(diào)節(jié)經(jīng)過加熱元件(例如，電阻線圈)電流的量或調(diào)節(jié)加熱元件的電阻(例如，使用電位計))來控制空氣的溫度。如果內(nèi)聯(lián)加熱器18成為系統(tǒng)10的一部分，則空氣供應(yīng)導管16可被分割成可分別連接到進氣口 22和出氣口 24的環(huán)境溫度部分26和熱空氣部分28。溫度傳感器(諸如，熱電偶)可位于出氣口24中、出口氣24附近或鄰近出氣口 24或在熱空氣部分28的起點、以在空氣離開加熱器18并前往探頭12時便于控制空氣溫度。
[0024]參照圖2和圖3，示出了通過熱源30對空氣供應(yīng)導管16進行外部加熱的空氣等離子體系統(tǒng)10。與內(nèi)聯(lián)加熱器相比，熱源30可通過加熱空氣供應(yīng)導管16本身來間接地加熱空氣供應(yīng)導管16中的空氣。在一個實施例中，圖2中示出了它的示例，熱源30可包括圍繞空氣供應(yīng)導管16延伸并加熱空氣供應(yīng)導管16的包裹物或套子。熱源30可包括環(huán)繞空氣供應(yīng)導管16的加熱帶并包括電阻加熱元件(諸如導線或線圈)。熱源30還可包括液體或氣體加熱系統(tǒng)，其中，被加熱的液體或氣體經(jīng)過在包裹物/套子/夾套中的管子或?qū)Ч?，從而將熱傳遞到空氣供應(yīng)導管16。例如，可使用逆流加熱系統(tǒng)，在所述逆流加熱系統(tǒng)中可使用熱流體、油或水作為傳熱介質(zhì)。傳熱介質(zhì)可以由加熱器(局部地或遠遠地)加熱，并且可通過使用栗(未示出)使所述傳熱介質(zhì)在與源空氣的流動方向相反的方向上循環(huán)。因此，可通過從傳熱介質(zhì)傳遞熱能來加熱源空氣。如圖3中所示，熱源30還可包括環(huán)繞空氣供應(yīng)導管16的感應(yīng)線圈32。為了使感應(yīng)線圈加熱元件是有效的，空氣供應(yīng)導管可以由導電材料(諸如，金屬)制成。除了圍繞空氣供應(yīng)導管16的套子或包裹物之外，還可使用加熱空氣供應(yīng)導管的其它方法。例如，可設(shè)置紅外加熱器并且所述紅外加熱器被配置為加熱空氣供應(yīng)導管16，或者可使用火焰基加熱器(flame-based heaters)(諸如，直接火焰)，或者通過燃燒基加熱器(combust1n-based heaters)間接地加熱空氣供應(yīng)導管16。
[0025]參照圖4，示出了源空氣在運行通過空氣供應(yīng)導管16之前被加熱的等離子體系統(tǒng)10的示例。在一個實施例中，從熱空氣罐34供應(yīng)源空氣。在一個實施例中，空氣供應(yīng)導管16和熱空氣罐34可形成空氣供應(yīng)系統(tǒng)。熱空氣罐34還可被加壓，使得熱空氣罐34將加熱并壓縮的空氣提供到空氣供應(yīng)導管16和等離子體探頭12?？墒褂萌魏芜m合的方法來加熱罐34。例如，圖1至圖3中示出的和上文描述的加熱空氣供應(yīng)導管16的方法(諸如，電阻加熱器/線圈(例如，類似于電熱水器)、感應(yīng)加熱、液/氣加熱或其它方式)都可以應(yīng)用到罐34。這些熱源可以在罐34的內(nèi)部或在罐34的外部。還可通過將罐擱置在燃燒器42(類似于燃氣熱水器)上來加熱所述罐。在一個實施例中，所述罐可包含可被加熱到它的蒸發(fā)溫度的液體，從而形成可用作源空氣的熱氣體。例如，水可以被煮沸(例如，在100°C、1個大氣壓下)，并且水蒸汽可形成源氣體的全部或一部分。因此，源空氣全都可以在罐中被加熱并以己加熱的狀態(tài)傳遞到等離子體探頭12，而不是在運行通過空氣供應(yīng)導管16時加熱源空氣。在上文描述的任何一個實施例中，熱空氣或熱氣體可包括全部的空氣源或者可以與其它的空氣源或氣體源組合以形成全部的空氣源。例如，可使用內(nèi)聯(lián)加熱器來加熱空氣，并且被加熱的空氣可以與未加熱的空氣結(jié)合以形成中間溫度的空氣源。同樣地，來自熱罐的熱空氣可與未加熱的空氣結(jié)合以形成空氣源。因此，雖然空氣供應(yīng)導管16示出為單個軟管或?qū)Ч?，但空氣供?yīng)導管16可分成單獨的多個軟管和/或單獨的軟管可組合來形成空氣供應(yīng)導管16。
[0026]空氣供應(yīng)導管16可由適合于源氣體的溫度和/或壓力的任何材料形成?？諝夤?yīng)導管16可形成為硬管或鋼性管，或者它可形成為柔性軟管。在源空氣被加熱到相對較高溫度(諸如100°C或更高)的實施例中，由高溫材料形成的硬管或鋼性管可被用于空氣供應(yīng)導管16，或者至少用于熱空氣部分28。例如，空氣供應(yīng)導管16或至少是熱空氣部分28可由金屬管子或?qū)Ч苄纬?。在一個實施例中，空氣供應(yīng)導管16或熱空氣部分28可由鋼(諸如，不銹鋼)形成。在源空氣被加熱到相對較低溫度(諸如，小于100°C)的實施例中，可使用柔性軟管(諸如由聚合物形成的那些柔性軟管)。適合于柔性氣動軟管的塑料的非限制性示例可包括尼龍、PVC、腈、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯或其它。雖然剛性(例如，金屬)管被描述為適合于高溫源空氣，但其還可用于低溫源空氣。同樣地，柔性軟管可用于高溫源空氣，只要所述柔性軟管能夠承受使用溫度。為了將源空氣維持在目標溫度或期望的溫度，可使空氣供應(yīng)導管16沿著它的長度的全部或至少一部分(例如，熱空氣部分28的部分或全部)絕熱?？墒褂萌魏芜m合的方式提供絕熱(諸如，絕熱包裹、包含絕熱材料的外部管子或?qū)Ч?、泡沫絕熱(預制的或膨脹的)或其它)。
[0027]在至少一個實施例中，源空氣被加熱到環(huán)境空氣溫度之上。例如，如果環(huán)境溫度是約為20°C的標準室溫，則源空氣可被加熱到20°C之上并且在到達探頭12時溫度在環(huán)境溫度之上。如上所述，認為當空氣被加熱時，圍繞原子核軌道運行的電子從熱中獲得能量，并且從它們被限定的運行軌道脫離的概率較高，在電場中發(fā)生空氣電離的幾率較高，這可產(chǎn)生較強的等離子體羽流。相應(yīng)地，通常認為，較高的空氣溫度將產(chǎn)生較強的等離子體羽流。因此，理論上，可使源空氣的溫度最大化以提供盡可能強的等離子體羽流。然而，諸如成本、設(shè)備或待等離子體處理的材料的各種考慮可導致源空氣溫度的實際限制。
[0028]源空氣可被加熱到至少為25、30、50、75、100、150、250、500或1000°C的溫度。規(guī)定范圍內(nèi)，源空氣可被加熱到25至1000°C的溫度或其任何子區(qū)間。例如，源空氣可被加熱到25至750°C、25至500°C、30至250°C、50至250°C、75至250°C、100至250°C、100至500°C或在25至100tC中的其它區(qū)間的溫度。如上所述，高溫通常可引起較強的等離子體羽流，這可增加探頭速度和/或探頭距離。然而，較高的溫度需要更多的能量并且會需要更昂貴的裝置。此外，對于一些實施例，源空氣升高相對較低的溫度可足以提高等離子體羽流強度。因此，可基于應(yīng)用的期望屬性或需求來調(diào)節(jié)源空氣的溫度升高。較高的溫度可引起較少的循環(huán)時間和更穩(wěn)健的工藝，而較低的溫度可更具有成本效益和/或更節(jié)能。上文描述的溫度范圍和值可以是源空氣離開加熱源(例如，內(nèi)聯(lián)加熱器、感應(yīng)加熱空氣供應(yīng)導管或熱空氣罐/源)時的溫度，或者可以是當源空氣到達等離子體探頭時的溫度。如果空氣供應(yīng)導管16是絕熱的，則這兩個溫度基本會相同。然而，如果空氣供應(yīng)導管不是絕熱的或者如果空氣供應(yīng)導管16的長度很長，則空氣達到探頭時的空氣溫度會明顯小于空氣在熱源處的最高溫度。為了維持源空氣溫度，沿著空氣供應(yīng)導管16的長度可使用多個熱源?？砂ㄉ衔拿枋龅臒嵩吹娜我饨M合(包括多重的一個或更多個加熱源)。例如，可從熱罐供應(yīng)源空氣，并且還可使用位于探頭附近的內(nèi)聯(lián)加熱器來加熱源空氣以維持溫度或提高溫度。另一個示例可包括跟在加熱的包裹物或帶后面的內(nèi)聯(lián)加熱器，以維持溫度或提高溫度。
[0029]如上所述，等離子體羽流的強度可影響多個等離子體處理參數(shù)(包括探頭速度或工作窗口(例如，探頭端部距離))。由于所公開的熱的源空氣，探頭速度可被增加和/或探頭端部距離可被增加。探頭速度可被測量為在探頭端部和待處理的組件36的表面和/或夾持組件36的夾具38之間的相對速度。傳統(tǒng)的空氣等離子體處理的探頭速度可約為50mm/s、探頭端部距離約6mm，以將足夠的等離子體劑量提供到所處理的表面。在至少一個實施例中，具有熱的源空氣的等離子體系統(tǒng)可至少具有75、100、150、250、400、600或1000111111/8的探頭速度(例如，相對于被處理表面或夾具)。例如，探頭速度可具有75至1000mm/S或其任何子區(qū)間(諸如，100 至 1000mm/s、150 至 750mm/s、250 至 750mm/s、400 至 750mm/s、500 至 700mm/s 或其它區(qū)間)的速度。除了增加探頭速度或者代替增加探頭速度，可增加從探頭端部到所處理表面的距離(或工作窗口)。在至少一個實施例中，探頭端部距離可至少為8、10、12、15、20或25mm。例如，探頭端部距離可從8mm至25mm，或其任意子區(qū)間(諸如，8至20mm、10至20mm、12至20mm、12至18mm、14至18mm或其它區(qū)間)。探頭端部距離的以上值和范圍還可被應(yīng)用為從探頭端部到接收并夾持待處理的組件36的夾具38的表面40的距離。在探頭端部距離是從探頭端部到夾具來計算的實施例中，以上用于探頭端部距離的值和范圍可調(diào)整(例如，增加)為考慮處理中的組件的厚度。例如，如果待處理的組件具有5mm的厚度，則探頭端部距離可至少為 13、15、17、20、25或30臟(而不是8、10、12、15、20或25臟)。
[0030]如上所述，雖然公開的加熱的源空氣可允許探頭速度和/或距離的增加，但應(yīng)理解傳統(tǒng)的速度和距離也可以使用熱的源空氣并且在傳統(tǒng)的參數(shù)條件下所述熱的源空氣可提供較強的等離子體羽流。然而，增加等離子體探頭速度和距離同時維持足夠的等離子體劑量可具有多個益處。增加探頭速度可使循環(huán)時間減少或使處理一部分部件或一組部件所需的時間減少。減少的循環(huán)時間可允許更大量的待處理部件并且可允許等離子體處理更加無縫地并入大容量生產(chǎn)線中。此外，減少的循環(huán)時間可減少生產(chǎn)線中需要的等離子體處理系統(tǒng)的數(shù)量或尺寸，從而降低成本并減小等離子體處理工藝的占地面積(例如，平方英尺)。
[0031]增加探頭端部距離或工作窗口尺寸也可改善等離子體處理工藝(例如，通過使等離子體處理更加穩(wěn)健)。如上所述，可將待等離子體處理的組件36(通過手或通過機器人)裝載在夾具38上。這個裝夾過程會固有一定程度的偏差(例如，約2mm)。如果工作窗口小，則所述偏差可將組件帶出工作窗口并且等離子體處理會變得無效或?qū)M件有害。傳統(tǒng)的等離子體處理的工作窗口可約為6mm ± 1- 2mm。由此約2mm的預期偏差能夠使組件置于工作窗口的外部，因此，約2mm的預期偏差可能是有問題的。然而，通過使用公開的熱的源空氣來增加有效的探頭端部距離，工作窗口可被擴大，使得幾毫米的偏差不會造成無效的等離子體處理。(例如)在距離探頭端部16mm情況下依然能夠提供足夠劑量的等離子體處理可因此更好地吸收或補償幾毫米的偏差(例如，I至3mm)。
[0032]公開的包括熱的源空氣的空氣等離子體系統(tǒng)10和加熱源空氣的各種方法可用在使用傳統(tǒng)的或典型的空氣等離子體處理的任何應(yīng)用中。例如，在進行粘接或噴漆工藝之前，公開的系統(tǒng)可用于活化(例如，增加表面能)和/或清潔塑料和/或金屬表面。空氣等離子體系統(tǒng)可用于處理任何類型的表面(諸如金屬、塑料、復合材料(例如，纖維復合材料)或陶瓷)。在至少一個實施例中，例如，可使用粘合劑或粘結(jié)劑來處理兩個配合表面中的一個或兩個，以提高粘合。在另一個實施例中，例如，可在涂覆涂層或油漆層之前處理單個表面。
[0033]參照圖5，示出了用于利用熱的源空氣來對一對配合的汽車組件進行等離子體處理的流程圖100的示例。在步驟102中，可將第一組件36放置在夾具38中以待被等離子體處理。可手動地或通過機器人(例如，使用真空)將組件36裝載到夾具38(固定的)中。在步驟104中，可使用將熱的源空氣提供到等離子體探頭的系統(tǒng)對第一組件36的表面進行等離子體處理。如上所述，熱的源空氣可允許等離子體探頭具有增加的速度和/或探頭端部距離或工作窗口。類似于步驟102和104，在步驟106和108中，可將第二組件36固定并對第二組件36進行表面等離子體處理。在步驟110中，可將粘合劑施加到等離子體處理表面中的一個或兩個。在步驟112中，可將兩個組件壓在一起以粘合所述組件。根據(jù)粘合劑的類型，可應(yīng)用熱和/或壓力以協(xié)助粘合劑的固化。
[0034]可將流程圖100中描述的方法應(yīng)用到汽車制造過程。在汽車的制造和組裝期間，很多組件被粘合或噴漆。待處理的組件可以是金屬(諸如鋼(例如，不銹鋼)、鈦、鋁及其合金或其它)。在一個實施例中，所述金屬可以是片材的形式。所述組件還可以是聚合物(諸如，聚酯、乙烯基類、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或其它)。此外，所述組件可包括復合材料(諸如，纖維增強復合材料，例如，玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、片狀成型料(SMC)、塊狀成型料(BMC)或其它)。所述組件可以是粘合的、涂覆的或噴漆的任何汽車組件。例如，車身板、行李箱蓋、保險杠、擋泥板或其它。一些部件可由兩個組件形成，一個具有較高質(zhì)量的“A”級表面，一個是較自然的結(jié)構(gòu)。例如，行李箱蓋可以由內(nèi)組件和外組件形成，其中，內(nèi)行李箱蓋組件是結(jié)構(gòu)組件，外行李箱蓋組件是A級表面組件。
[0035]因此，在一個示例中，內(nèi)行李箱蓋組件和外行李箱蓋組件可由SMC形成，并且可使用具有熱的源空氣的等離子體系統(tǒng)對各個組件的表面進行等離子體處理。在將組件處理之后，可使用粘合劑(諸如，環(huán)氧樹脂、硅樹脂、氨基甲酸乙酯或丙烯酸基粘合劑)將它們粘合在一起。在另一個示例中，外行李箱蓋或其它外部組件(諸如引擎蓋或保險杠)可具有使用具有熱的源空氣的等離子體系統(tǒng)進行等離子體處理的外表面，然后，所述表面可被噴漆。
[0036]參照圖6，示出了水浸透試驗(water wet out test)的結(jié)果。水浸透試驗可通過測試水是否會完全潤濕表面(例如，接觸角為0°)來測量表面的表面能。準備了兩個聚丙烯的樣品，一個接受室溫空氣等離子體處理，另一個接受具有熱的源空氣的等離子體處理。等離子體處理均是在探頭速度為600mm/s、探頭端部距離為16mm的條件下執(zhí)行。如上所述，這個速度和距離明顯大于傳統(tǒng)使用的(例如，約50mm/s和6mm)。用于熱的空氣等離子體的源空氣被加熱到約100°C的溫度并被壓縮到約30psi的壓力。用于空氣等離子體系統(tǒng)的電壓源為240Vo
[0037]如圖6中的表格中所示，室溫等離子體處理的聚丙烯樣品不允許水完全潤濕表面。相比之下，熱空氣等離子體處理的樣品允許水完全潤濕表面，表示由于接收的等離子體劑量的增加使表面能顯著增加。使用達因測試工具包在兩個樣品上進行達因水平測試，測試的結(jié)果在圖6中示出。如圖所示，室溫等離子體處理結(jié)果是表面能為48dynes/cm，熱空氣等離子體處理結(jié)果是表面能為72dynes/cm。圖6中表格的第三行示出各個等離子體處理樣品的表面能水平的定性指示。在高探頭速度和大探頭距離下的室溫等離子體的表面能相對較低，而熱空氣等離子體的表面能仍很高。因此，圖6中的結(jié)果表示用于熱空氣等離子體的等離子體羽流比室溫等離子體強，并接收更大劑量的等離子體。因此，熱空氣等離子體處理允許大幅度地提高速度和探頭端部距離，并仍將足夠的等離子體劑量提供到所處理的組件。這些提高可允許較少的循環(huán)時間和更加穩(wěn)健的處理工藝。
[0038]雖然上面描述了示例性實施例，但是并不意味著這些實施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。另外，說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限制，并且應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可作出各種改變。因此，可組合各個實施例的特征以形成本發(fā)明的進一步的實施例。
【主權(quán)項】
1.一種大氣等離子體系統(tǒng)，包括: 等離子體探頭，被配置為接收處于大氣壓或大于大氣壓的源空氣，并從探頭端部釋放等咼子體； 空氣供應(yīng)系統(tǒng)，包括空氣供應(yīng)導管，所述空氣供應(yīng)導管被配置為將源空氣供應(yīng)到等離子體探頭； 熱源，被配置為使在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中的源空氣的溫度升高到環(huán)境溫度之上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述熱源包括內(nèi)聯(lián)加熱器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述內(nèi)聯(lián)加熱器形成空氣供應(yīng)導管的至少一部分。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述熱源至少部分地圍繞空氣供應(yīng)導管的一部分。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述熱源包括電阻線圈、感應(yīng)加熱器和熱流體循環(huán)系統(tǒng)中的至少一個。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括連接到空氣供應(yīng)導管的空氣罐，并且所述熱源被配置為加熱所述空氣罐中的空氣。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣等離子體系統(tǒng)，其中，所述熱源被配置為將所述源空氣加熱到25°C至1000°C的溫度。8.一種對表面進行等離子體處理的方法，包括: 將包括空氣供應(yīng)導管的空氣供應(yīng)系統(tǒng)中的源空氣加熱到大于環(huán)境溫度的溫度； 將加熱的源空氣經(jīng)由空氣供應(yīng)導管提供到等離子體探頭； 在等離子體探頭中產(chǎn)生大氣等離子體； 將等離子體從等離子體探頭的端部釋放到所述表面上。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述加熱步驟包括:利用設(shè)置在空氣供應(yīng)導管中的內(nèi)聯(lián)加熱器來加熱源空氣。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述加熱步驟包括:利用至少部分地圍繞空氣供應(yīng)導管的一部分的熱源來加熱源空氣。
【文檔編號】H05H1/24GK105873346SQ201610081225
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發(fā)明人】趙海波, 帕特里克·杰姆斯·布蘭查德
【申請人】福特全球技術(shù)公司