專利名稱：用于對物品進(jìn)行均勻電阻加熱的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電阻加熱。更具體地說，本發(fā)明涉及用于通過電阻加熱來均勻地加熱不規(guī)則形狀的物品的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
電阻加熱是一種用于加熱例如金屬工件之類的導(dǎo)電物品的有效且能量有效的方法。在該過程中，電流流經(jīng)工件。可通過控制電流強(qiáng)度容易地調(diào)節(jié)加熱程度。
一般地，電阻加熱方法提供對工件的可靠和均勻加熱；不過，具有不規(guī)則形狀或其中包括開口、變薄部分或其它特征的工件會出現(xiàn)特定的問題。這些不規(guī)則性會破壞電流通路并阻止進(jìn)行均勻加熱。例如，開口會導(dǎo)致鄰近其周邊的電流集中，從而引起熱點。同樣地，物品的變薄橫截面或橫向部分會集中電流并產(chǎn)生熱點。在不規(guī)則形狀工件上建立均勻的電流流動通常是困難的，因為電流往往采取通過工件的最短通路；因此，特定區(qū)域可能被擋住而被較少加熱。當(dāng)裝配例如機(jī)動車輛的結(jié)構(gòu)組件等較薄的工件時，該問題尤其顯著。
響應(yīng)于上述問題，Arnosky在美國專利NO.3,737,618中公開了一種用于加熱槽形管的兩階段過程。在第一階段的過程中，四組電極附著在該管的末端部分，并且給其施加電壓以對末端部分預(yù)熱。在第二階段中，從該管中移除兩組電極以便同時對末端部分和槽形區(qū)域加熱。此外，Gomez在美國專利N0.6,897,407中公開了一種兩階段過程，其中第一組電極對工件預(yù)熱，而第二組分流電極使電流繞過工件的小橫截面區(qū)域。第一階段涉及使電流流經(jīng)工件，其中較小區(qū)域橋接導(dǎo)電，從而所述區(qū)域被較輕程度地加熱。在第二階段中，移除分流電極并且加熱整個工件。
上述兩種現(xiàn)有技術(shù)的方法均涉及對對稱工件的多階段處理。因此，這些系統(tǒng)無法提供對高度不規(guī)則物件(piece)加熱所需的控制；并且，現(xiàn)有技術(shù)的過程的兩階段特性使其在高速自動化過程中的使用變得復(fù)雜。從而，應(yīng)當(dāng)理解，需要一種單階段方法和設(shè)備，借助所述方法和設(shè)備，可利用電阻加熱均勻地加熱包括不規(guī)則特征的工件并且其中工件的測量參數(shù)有助于控制加熱系統(tǒng)。如下詳述，本發(fā)明滿足上述需要。

發(fā)明內(nèi)容
提供了 一種用于提供正以電阻加熱過程進(jìn)行加熱的物品中的受控加熱分布(profile)的方法。所述方法包括借助多個電極接觸物品，選擇包括至少兩個電極的第一相關(guān)組，并且建立第一相關(guān)組的電極之間的電流流動。所述方法還包括選擇包括至少兩個電極的第二相關(guān)組，第二相關(guān)組不同于第一相關(guān)組。還在第二相關(guān)組的電極之間建立電流流動以便向正進(jìn)行電阻加熱的物品提供受控加熱分布。
可在第 一相關(guān)組的電極之間建立電流流動之后建立第二相關(guān)組的電極之間的電流。此外，可在第二相關(guān)組的電極之間建立電流流動之前終止第一相關(guān)組的電極之間的電流流動。所述方法還可包括選擇包括所述多個電極中的至少兩個的第三相關(guān)組以及建立第三相關(guān)組的電極之間的電流流動的步驟。
可包括控制各個相關(guān)組的電極之間的電流流動的次序、持續(xù)時間和量值中至少之一的步驟。此外，可由預(yù)選的程序控制各個相關(guān)組的電極之間的電流流動。也可通過對物品的測量參數(shù)(例如物品的溫度和/或電阻)的響應(yīng)來控制電流流動?？墒褂脴蚪訕?gòu)件(bridgingmember )來控制工件的開口和/或變薄部分的區(qū)域中的電流流動。


圖l是按照本發(fā)明的附著了電極的物品的頂視圖；圖2是按照本發(fā)明的角接電極的頂視圖3是按照本發(fā)明的控制器、若干電極、電源以及傳感器的示意
圖4是按照本發(fā)明的具有插接式填充構(gòu)件的物品的側(cè)剖面圖；圖5是按照本發(fā)明的具有插接式填充構(gòu)件的物品的側(cè)剖面圖；圖6是按照本發(fā)明的具有一體化填充構(gòu)件的物品的側(cè)剖面圖；圖7是按照本發(fā)明的具有凹陷部分和填充構(gòu)件的物品的側(cè)剖面
圖8是按照本發(fā)明的具有凹陷部分和填充構(gòu)件的物品的側(cè)剖面圖；以及
圖9是按照本發(fā)明的具有減縮的橫截面和附著的有線接頭的物品的側(cè)視圖。
具體實施例方式
如上所述，通常難以建立不規(guī)則形狀的工件中的均勻電流流動。本發(fā)明提供了一種多電極系統(tǒng)和方法，其中多個電極附在工件上，按照不同的次序?qū)@些電極的相關(guān)組施加電壓以均勻地加熱該工件。
現(xiàn)參考圖1，其中示出了用于加熱不規(guī)則形狀工件10的本發(fā)明的一個具體實現(xiàn)。由附在工件10周邊的一系列電極12a-12i接觸所述工件。電極12a-12i中的每一個均可選擇性地與電流源和/或地連接?？赏ㄟ^配電盤、控制器等建立可選擇的連接，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
在本發(fā)明的操作中，選擇性地對這些電極的組(這里將這種組稱為"相關(guān)組")施加電壓以便可控制和引導(dǎo)工件中的電流流動。例如，可對電極12a和12f施加電壓以便使電流基本上沿工件10的所有寬度
8流動。該電流通路可能不能充分加熱電極12c和12b的區(qū)域中的工件角落，而該區(qū)域可:f皮在電極12b和/或12c和12f之間建立的電流加熱。類似地，該區(qū)域可由電極12i和12d之間流通的電流加熱。在有些情況下，可通過利用多于兩個電極建立電流通路。例如，可利用電極12b以及12i和12h之中的每一個之間的電流通路來加熱工件的該角落中的區(qū)域?；蛘?，可利用被設(shè)計用于適應(yīng)角落的電極(例如圖2中所示的角接電極lla和/或lib)來加熱工件的角落區(qū)域。在本發(fā)明的使用中，可依次對電極的不同組合施加電壓，在有些情況下可同時對電極的各種組合施加電壓，以便快速、有效地使工件10達(dá)到均勻的溫度。可按照測量的參數(shù)或存儲的程序調(diào)整施加給工件的電流脈沖的計時、持續(xù)時間和量值的控制，以便提供和維護(hù)工件中的均勻溫度。
現(xiàn)參考圖3，其中示出了包括與多個電極12a-12e通信的控制器14和電源16的本發(fā)明的另一個特征?？刂破?4操作為通過電源16選擇性地對電極12a-12e的不同組合施加電壓以便執(zhí)行本發(fā)明的方法，并且可操作為控制各個/相關(guān)組的電極之間的電流流動的次序、持續(xù)時間和/或量值之中的至少之一?？刂破鬟€可按照其中存儲的預(yù)選程序?qū)﹄姌O施加電壓。
在其它情況下，系統(tǒng)還包括也與控制器通信的例如溫度傳感器18的傳感器。溫度傳感器可以是光學(xué)高溫計、紅外線敏感照相機(jī)、熱電耦陣列或操作為感測工件的溫度并提供使控制器能夠適當(dāng)?shù)乜刂茖﹄姌O的電壓施加的控制信號的其它任何這種裝置。在特定情況下，溫度傳感器提供指示工件中的熱能分布的信號。該信號攜帶指示工件中的熱點和冷區(qū)的信息，并且控制器可通過適當(dāng)?shù)刈x取該信號來選擇性地對特定的電極組施加電壓或去除對其施加的電壓，以便提供和維護(hù)裝置上的所需溫度分布。典型地，該分布將是均勻的溫度分布；不過，在有些情況下，可能需要維護(hù)預(yù)選的非均勻分布，并且這可由本發(fā)明實現(xiàn)。
如本領(lǐng)域中已知，金屬物體的一些參數(shù)或物理性質(zhì)將作為該金屬溫度的函數(shù)而變化，可感測并使用這樣的參數(shù)作為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的一部分。例如，當(dāng)金屬溫度增高時，其表現(xiàn)出電阻下降?？奢p松地測量工件電阻的空間分布并用來控制加熱。例如，上述電極還可起用于測量工件中的電阻的探針的作用，從而起到傳感器陣列的作用。鐵和其它鐵磁合金的磁性質(zhì)也作為其溫度的函數(shù)而變化，并且也可測量這些性質(zhì)，并類似地使用這些性質(zhì)來提供控制信號。
在順序地處理一批配置相似的工件的那些情況下，可基于分析一個工件或數(shù)目較少的工件來建立一組控制簡檔，并且可將這些簡檔存儲在控制器中，用于處理隨后的工件，而不需對每一個工件都進(jìn)行謹(jǐn)慎的溫度測量。
工件中出現(xiàn)孔或其它開口的變薄或窄小部分會引發(fā)電阻加熱過
程中的一些特定問題。例如，圖1的工件10中包括孔20。流過具有孔20的區(qū)域的電流往往集中在沿該孔周邊的各處，從而在某些區(qū)域產(chǎn)生熱點。在有些情況下，可通過使用有效地圍繞該開口"導(dǎo)引，，電流的適當(dāng)電極組來減輕該問題。不過，在有些情況下，該方案是困難或者不切實際的。因此，按照本發(fā)明的另一個方面，布置導(dǎo)電的填充構(gòu)件以便使電流在開口上分流，從而提供均勻的流量以致提供均勻加熱。
現(xiàn)參考圖4，其中示出工件10的一部分，其中布置了填充部件22以便填充孔20并且讓電流流過該孔。填充構(gòu)件22可由任何導(dǎo)電材料制造，并且最好不與工件起反應(yīng)。可將填充構(gòu)件制造得厚于工件；不過，較大的填充構(gòu)件會導(dǎo)致可能影響工件的溫度均勻性的散熱，為此應(yīng)當(dāng)在設(shè)計本發(fā)明的系統(tǒng)時考慮填充構(gòu)件的熱容。填充構(gòu)件不是在所有情況下都需要接觸工件的整個外圍。接觸的程度取決于電流流動的方向和開口自身的特點。如圖4中示例，以插頭(plug)形式示出了填充構(gòu)件22，填充構(gòu)件可在工件被引入設(shè)備中時上升和下降來接觸工件。如所示，插頭與開口剛好相配；不過，在其它情況下，插頭可包括輪緣或其它特征以幫助接觸的定位和確定。例如，圖5示出了其中插頭24是錐形構(gòu)件的系統(tǒng)。
按照本發(fā)明，可在將工件放入設(shè)備中之前將填充構(gòu)件插入工件，
10或者可在把工件放在設(shè)備中之后把填充構(gòu)件插入。在有些情況下，由設(shè)備自動地放置填充構(gòu)件和從工件中取出。在另外一些情況下，填充構(gòu)件實際上可以是工件自身的一部分。在這種情況下，填充構(gòu)件可由
通過薄腹板(在有些情況下，開孔腹板(perforated web))連到工件的剩余部分的工件的薄弱部分限定。在熱處理之后，可用穿孔操作等移除該一體化的填充構(gòu)件，并且在有些情況下，最好在工件仍處在高溫時執(zhí)行該穿孔操作，而在其它情況下，可在硬化操作等之后執(zhí)行。圖6示出了具有一體化填充構(gòu)件42的工件40的橫截面，其中一體化填充構(gòu)件42通過變薄的腹板部分44保持在工件40上。
在有些情況下，要由電阻加熱來加熱的物品具有在所述物品內(nèi)的凹陷或空洞區(qū)，所述凹陷或空洞區(qū)構(gòu)成了其中可能發(fā)生非均勻加熱的變薄區(qū)域。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在這種區(qū)域中的均勻加熱，如圖7中所示。可通過插入填充構(gòu)件52為具有凹陷區(qū)54的物品50提供靠近所述凹陷區(qū)54的均勻電阻加熱。填充構(gòu)件52與上述的填充構(gòu)件22和24相似，并且能夠使電流流經(jīng)其中。
物品50的凹陷區(qū)54還可與填充構(gòu)件56橋接，如圖8中所示。填充構(gòu)件56包含跨越凹陷區(qū)54的距離、面積和/或體積的多個線路或薄片58。填充構(gòu)件52也同樣如此。
轉(zhuǎn)到圖9，示出了本發(fā)明的不同實施例，其中物品60的橫截面從厚截面62縮減到薄截面64。例如，并且只為示例性目的，物品60可以表示正在進(jìn)行電阻加熱熱處理的螺栓、釘形沖頭或機(jī)械張力試樣。本發(fā)明可通過把包括多個橋接電極68的填充構(gòu)件附著在區(qū)66上，提供沿物品60的均勻加熱。附著在區(qū)66上的電極68可與控制器l4連接。電極68中的一個或多個也可充當(dāng)其中監(jiān)控區(qū)66的溫度和/或電阻的傳感器18 (圖3)。
鑒于這里提出的教導(dǎo)，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的其它修改和變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。前述的附圖、討論和說明示例了特定實施例，而不是對其實踐的限制。由下面的權(quán)利要求(包括等同權(quán)利要求)對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1、一種用于提供正以電阻加熱過程加熱的物品中的受控加熱分布的方法，所述方法包括步驟用多個電極接觸物品，所述多個電極包括至少三個電極；提供操作為按照預(yù)選程序或物品的測量參數(shù)來控制所述多個電極之間的電流的控制器；選擇包括所述多個電極中的至少兩個的第一相關(guān)組；建立所述第一相關(guān)組的電極之間的電流流動；選擇包括所述多個電極中的至少兩個的第二相關(guān)組，所述第二相關(guān)組不同于所述第一相關(guān)組；建立第二相關(guān)組的電極之間的電流流動；以及借助控制器按照預(yù)選程序或物品的測量參數(shù)控制第一相關(guān)組和第二相關(guān)組的電極之間的電流流動，以便提供正以電阻加熱過程加熱的物品中的受控加熱分布。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在所述第一相關(guān)組的電極之 間建立電流流動之后建立第二相關(guān)組的電極之間的電流流動。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在第二相關(guān)組的電極之間建 立電流流動之前終止第一相關(guān)組的電極之間的電流流動。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在第二相關(guān)組的電極之間建 立電流流動之后終止第 一相關(guān)組的電極之間的電流流動。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在終止第二相關(guān)組的電極之 間的電流流動之前終止第 一相關(guān)組的電極之間的電流流動。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所迷多個電極包括多于三個電極。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，還包括選擇包括所述多個電極中 的至少兩個的第三相關(guān)組；以及建立第三相關(guān)組的電極之間的電流流動的步驟。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中控制器控制所述相關(guān)組的電極之間的電流流動的次序、持續(xù)時間和量值中至少之一。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其中控制器按照預(yù)選程序控制所 述電流流動。
10、 如權(quán)利要求8所述的方法，其中控制器響應(yīng)于所述物品的測 量參數(shù)控制所述電流流動。
11、 如權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述參數(shù)包括溫度。
12、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所迷參數(shù)包括所述物品在 溫度上的空間變化。
13、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述參數(shù)包括所述物品的電阻。
14、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述參數(shù)包括所述物品在 電阻上的空間變化。
15、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物品包括限定在其上的 開口或變薄部分，并且所述方法還包括布置與所述開口或變薄部分接 觸的導(dǎo)電填充構(gòu)件的步驟，所述填充構(gòu)件操作為在所述開口或變薄部 分上傳導(dǎo)電流。
16、 一種用于加熱工件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個電極，包括至少三個電極，所述電極被配置為接觸所述工件； 控制器，當(dāng)所述電極與所述工件接觸時，所述控制器操作為按照 預(yù)選程序或所述工件的測量參數(shù)選擇性地建立I. 包括所述多個電極中的至少兩個的第 一相關(guān)組之間的 第一電流流動；以及II. 包括所述多個電極中的至少兩個的第二相關(guān)組之間的 第二電流流動。
17、 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還操作為控制 所述電流流動的至少一個特征，所述特征選自于由所述電流流動的次 序、計時、持續(xù)時間、量值及其組合組成的組。
18、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述控制器操作為按照預(yù) 選程序控制所述至少 一 個特征。
19、 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括操作為測量 所述工件的至少一個物理性質(zhì)的傳感器，并且所述控制器操作為按照 測量的所述工件的物理性質(zhì)控制所迷至少一個特征。
20、 如權(quán)利要求19所迷的系統(tǒng)，其中所述傳感器操作為測量所 述工件的溫度。
21、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器操作為測量所 述工件的溫度的空間分布。
22、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器操作為測量所 述工件的電阻。
23、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器操作為測量所 述工件的電阻的空間分布。
24、 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述工件包括限定在其上 的開口或變薄部分，并且所述系統(tǒng)包括致動器，所述致動器操作為布 置導(dǎo)電的填充構(gòu)件以便所述填充構(gòu)件與開口或變薄部分的周邊的至 少一部分接觸，以致電流流動可從中通過。
25、 一種用于對具有限定在其上的開口或變薄部分的工件進(jìn)行均 勻電阻加熱的方法，所述方法包括提供導(dǎo)電的填充構(gòu)件；將所述填充構(gòu)件布置為與所述工件中的開口或變薄部分的周邊 的至少一部分電通信；以及建立通過所述工件的電流流動，由此所述電流流動對所迷工件進(jìn) 行電阻加熱，并且所述填充構(gòu)件使至少一部分所述電流繞過所述開口 或變薄部分。
26、 一種用于對具有限定在其上的開口或變薄部分的工件進(jìn)行均 勻電阻加熱的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一和第二電極，操作為與所述工件建立電通信；電流源，與所述第一電極和所迷第二電極電通信，所述電流源選擇性地操作為建立通過與所述第一和第二電極電通信的工件的電流流動；以及導(dǎo)電的填充構(gòu)件，被配置為布置成與所述工件中的開口或變薄部 分的周邊的至少一部分電通信，由此當(dāng)所述電流流過所述工件時，所 述填充構(gòu)件使所述至少一部分電流繞過所述開口或變薄部分。
全文摘要
提供了一種用于提供正以電阻加熱過程加熱的物品中的受控加熱分布的方法。所述方法包括用多個電極接觸物品，選擇包括至少兩個電極的第一相關(guān)組，并且建立所述第一相關(guān)組的電極之間的電流流動。所述方法還包括選擇包括至少兩個電極的第二相關(guān)組，第二相關(guān)組與第一相關(guān)組不同。為了向正進(jìn)行電阻加熱的物品提供受控加熱分布，也在所述第二相關(guān)組的電極之間建立電流流動?？稍诘谝幌嚓P(guān)組的電極之間建立電流流動之后建立第二相關(guān)組的電極之間的電流流動。此外，可在第二相關(guān)組的電極之間建立電流流動之前終止第一相關(guān)組的電極之間的電流流動。所述方法還可包括選擇包括所述多個電極中的至少兩個電極的第三相關(guān)組并且建立第三相關(guān)組的電極之間的電流流動的步驟。可包括控制各相關(guān)組的電極之間的電流流動的次序、持續(xù)時間和量值中至少之一的步驟。此外，可由預(yù)選程序控制各相關(guān)組的電極之間的電流流動。還可通過對物品的測量參數(shù)(例如物品的溫度和/或電阻)的響應(yīng)控制電流流動。
文檔編號H05B3/00GK101467484SQ200780015086
公開日2009年6月24日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者T·馬赫羅維奇 申請人:諾布爾先進(jìn)技術(shù)公司