淺析汽車鋼化玻璃破碎的制造過程控制方法

馬明輝

橫河電機（中國）有限公司 上海 200061

引言

玻璃以良好的視線和足夠的強度，一直是汽車工業(yè)的最佳選擇，隨著終端消費者對汽車外觀和功能要求的不斷提高，汽車的外形和功能逐漸多樣化和復(fù)雜化，汽車玻璃也隨之變得復(fù)雜，玻璃的破碎機率也隨之變大，汽車安全玻璃，同時作為整車的外觀件和功能件，必須有穩(wěn)健的制程系統(tǒng)來保證其全生命周期的安全性。玻璃是一種非晶無機非金屬材料，由多種無機礦物（如石英砂、長石、純堿等）為主要原料，再加入少量輔助原料制成的，它的主要成分為二氧化硅和其他氧化物，普通玻璃的化學(xué)組成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是硅酸鹽復(fù)鹽[1]，是一種無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。汽車安全玻璃主要分兩類，夾層玻璃和鋼化玻璃，這兩種玻璃都是采用熱處理的方式，在表面形成應(yīng)力層，使機械強度和耐沖擊強度得到提高，并具有特殊的碎片狀態(tài)[2]、強度、安全性和熱穩(wěn)定性。如果應(yīng)力被破壞，會導(dǎo)致玻璃立即破碎，失去一切功能，因此控制住影響應(yīng)力的因素，就意味著控制住了破碎。

1 原理概述

1.1 玻璃鋼化

玻璃淬火后形成表面的壓應(yīng)力，使玻璃的機械強度、耐熱沖擊性和安全性能大大提高，淬火過程被稱為強化或鋼化，淬火玻璃俗稱鋼化玻璃或預(yù)應(yīng)力玻璃。淬火是對玻璃進行的一種特殊的熱處理，將玻璃制品加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上50～60℃，然后在冷卻介質(zhì)（如空氣、液體）中急速均勻冷卻（如風(fēng)冷淬火、液冷淬火等）。在該過程的開始階段,玻璃內(nèi)層和表面層將產(chǎn)生很大的溫度梯度，并產(chǎn)生較大的應(yīng)力，見圖1（a）。隨著溫度的提高，由此引起的應(yīng)力由于玻璃的黏滯流動而被松弛，造成了有溫度梯度而無應(yīng)力的狀態(tài)，見圖1（b）。然后急速冷卻，隨著溫度梯度逐漸消除，松弛的應(yīng)力在玻璃表面產(chǎn)生均勻分布的強大的壓應(yīng)力層（永久應(yīng)力）見圖1（e），所以，也可以說淬火過程就是使玻璃獲得最大預(yù)應(yīng)力（永久壓應(yīng)力）的加工過程[3]。

圖1 鋼化玻璃表面產(chǎn)生應(yīng)力層的過程圖

1.2 淬火程度

也就是鋼化程度，是衡量鋼化玻璃質(zhì)量（性能）的重要指標，玻璃表面正壓力越大，鋼化程度越高，碎片尺寸越小。因為玻璃中的內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生來自溫度梯度的存在，所以，不同厚度的玻璃在相同的條件下，鋼化程度是不同的，根據(jù)GB15763.2-2016的定義，鋼化玻璃表面應(yīng)力不應(yīng)低于90MPa。

1.3 鋼化玻璃的特性

玻璃是典型的脆性材料，其抗拉強度只有抗壓強度的1/10～1/15，即抗壓不抗拉張，玻璃的機械破損大都是由于承受了過大的拉力所致。玻璃在承受彎曲力、機械沖擊力以及熱沖擊力時，最終在玻璃被破壞表面所承受的都是拉應(yīng)力，以平板玻璃為例,玻璃經(jīng)過淬火以后，在玻璃厚度方向上的應(yīng)力分布呈拋物線形[4]，表面層為壓應(yīng)力，約占玻璃厚度的2/5（雙面），內(nèi)層為拉應(yīng)力，約占玻璃厚度的3/5，應(yīng)力分布如圖2（a）所示，這種應(yīng)力分布使其機械強度大大提高。當鋼化玻璃受到外界壓應(yīng)力作用時，由于力的合成，結(jié)果最大張應(yīng)力值不在玻璃表面，而是移向玻璃的內(nèi)層，使得玻璃可以經(jīng)受更大的壓應(yīng)力載荷而不損壞，玻璃的抗彎強度大大提高，如圖2（c）所示。而退火玻璃在同樣的壓應(yīng)力作用下，其另一面承受的是較大的張力，并有可能在這一拉力的作用下破損，如圖2（b）所示，當鋼化玻璃受到外界拉應(yīng)力作用時，由于力的合成，其表面的壓應(yīng)力可以抵消一部分外界應(yīng)力，使得玻璃可以經(jīng)受更大的拉應(yīng)力而不壞，玻璃的抗機械沖擊強度和抗熱沖擊強度大大提高，而退火玻璃在同樣的拉應(yīng)力下可能或破損。

圖2 鋼化玻璃應(yīng)力分布

1.4 引起鋼化玻璃破碎的五類原因

第一，玻璃中有可見的浮法缺陷，如結(jié)石、氣泡、夾雜物、裂紋、劃傷、爆邊等缺陷時，鋼化后在缺陷周圍形成較大的預(yù)應(yīng)力集中或者造成表面壓應(yīng)力的不均勻，使玻璃達到應(yīng)力失衡狀態(tài)而產(chǎn)生破碎；

第二，鋼化程度過高引起破裂，當鋼化程度過高、玻璃表面壓應(yīng)力過大時，使玻璃內(nèi)應(yīng)力平衡超過臨界狀態(tài)而破碎；

第三，鋼化成品玻璃，受到高靜載外力作用，玻璃表面壓應(yīng)力過大，超過壓應(yīng)力的極限，使玻璃內(nèi)應(yīng)力平衡超過臨界狀態(tài)而破碎；

第四，鋼化成品玻璃，受到點狀沖擊，沖擊力瞬間破壞掉玻璃內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)而破碎；

第五，浮法玻璃生產(chǎn)中如果存在硫化鎳（NiS）雜質(zhì)，在鋼化后的硫化鎳（NiS）晶相變化會從玻璃內(nèi)部打破內(nèi)應(yīng)力平衡，造成破碎。

2 工藝過程概述

汽車鋼化玻璃既要滿足安全性和外形尺寸方面的要求，又要滿足美觀和溯源方面的要求，所以鋼化玻璃在大多數(shù)條件下都要有瓷釉印刷，并且會在鋼化玻璃上集成一些附件，以滿足一些整車功能上的設(shè)計要求。

2.1 工藝過程設(shè)計

以一般汽車鋼化玻璃的生產(chǎn)過程為例，鋼化為物理鋼化，不包含局部鋼化過程，整個過程可以分為3部分：①前處理工序；②熱彎鋼化工序；③后加工工序。

具體工藝流程，如圖3鋼化玻璃制造工藝流程圖所示。

圖3 鋼化玻璃制造工藝流程圖

2.2 工藝實現(xiàn)

以工業(yè)化的玻璃制造廠比較常見的配置，結(jié)合基本的工業(yè)效率，人機工學(xué)等方面的需求，選用每個工藝步驟所需要的材料，工具和設(shè)備。

2.2.1 原片玻璃，原片選擇浮法玻璃，根據(jù)成品的規(guī)格確定顏色和厚度，根據(jù)設(shè)備能力與浮法玻璃供應(yīng)商確定長寬尺寸。

2.2.2 形狀切割，采用數(shù)控自動切割機和金剛石滾輪刀具，加切割油。

2.2.3 磨邊，用數(shù)控自動研磨機和金剛石砂輪刀具，加冷卻液。

2.2.4 鉆孔，用數(shù)控自動鉆孔機和金剛石鉆頭，加冷卻液。

2.2.5 清洗，加溫自動清洗機和尼龍毛刷，加水清洗。

2.2.6 瓷釉印刷，絲網(wǎng)印刷機，加漿體瓷釉或銀漿。

2.2.7 玻璃加熱，采用漸進式分段電加熱爐，上下加熱。

2.2.8 成型，以中空模具，靠重力成型，鋼化采用高壓風(fēng)冷。

2.2.9 鋼化后冷卻到室溫，采用低壓風(fēng)冷。

2.2.10 產(chǎn)品檢驗，采用仿形檢具檢測3D尺寸，并通過工作臺和人工檢驗玻璃的外觀，以及浮法玻璃缺陷。

2.2.11 附件安裝前的玻璃底劑涂布，利用工作臺固定，人工手持工具涂布底劑。

2.2.12 附件安裝，采用簡易工裝定位，簡易安裝設(shè)備，由人工完成附件裝配。

2.2.13 靜置固化，采用平放形式的周轉(zhuǎn)容器，人工移動。

2.2.14 成品檢驗，用仿形工裝加人工檢測形式。

2.2.15 包裝，根據(jù)客戶要求，以及玻璃的特點，采用專用周轉(zhuǎn)器具。

2.2.16 運輸交付，鏟車裝卸，卡車運輸。

3 工藝控制點的選擇

根據(jù)鋼化玻璃的原理，破碎的分類，以及工業(yè)化制造的特點，結(jié)合工藝過程設(shè)計，分析并確定整個過程的質(zhì)量控制點。

3.1 原片檢驗

浮法玻璃生產(chǎn)是連續(xù)的，包裝形式是大尺寸，多數(shù)量的，因此，質(zhì)量工程師需要結(jié)合不同供應(yīng)商的質(zhì)量績效和GB2828抽樣標準進行來料抽檢，針對破碎控制的因素，此工序的控制點有三個：①玻璃厚度，用千分尺測量，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范書或GB11614判斷結(jié)果；②浮法缺陷檢查，主要檢查氣泡，內(nèi)部雜質(zhì)，結(jié)石，劃傷，裂紋等，判斷標準同上；③錫面方向，與包裝上的標識一致。

3.2 形狀切割

形狀切割有兩步，切割和掰邊落料，此工序?qū)ζ扑榈挠绊懯顷吅螽a(chǎn)生大的爆邊和裂紋，造成缺陷的原因和切割速度，切割壓力和掰邊壓力，以及切割刀的壽命有直接關(guān)系，因此此處控制點是設(shè)備參數(shù)確認，包括切割速度，切割壓力，刀具壽命，切割油流量。根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，充分考慮不同顏色和不同厚度的玻璃，在項目開發(fā)階段做好DOE，確定一個合理的控制范圍，量產(chǎn)階段可以通過每班點檢設(shè)備參數(shù)來從源頭控制，也需要抽檢玻璃磨邊后的邊部質(zhì)量來監(jiān)控是否有異常。

3.3 磨邊

磨邊是用金剛石砂輪把銳利的切割邊緣磨成弧形，減小在鋼化時的應(yīng)力集中程度，不同厚度的玻璃的邊部弧線必須單獨設(shè)計，不同的弧線由不同的砂輪槽型決定，砂輪的槽型在磨削玻璃的同時也在損傷自身的形狀，因此，必須對砂輪的槽型進行修復(fù)，磨邊缺陷對破碎有影響的是爆邊和焦邊，對這兩個缺陷有直接影響的是磨削速度，磨削量和砂輪槽型，因此，此處控制點是磨削速度，磨削量，砂輪修復(fù)頻次和冷卻液的流量，控制標準由工藝工程師和質(zhì)量工程師在項目階段的DOE結(jié)果確定。

3.4 鉆孔

玻璃的鉆孔一般采用上下對穿的形式，當然也有其他形式，這里不做討論，鉆孔工序所產(chǎn)生的缺陷：爆邊和裂紋，會對鋼化玻璃的破碎造成直接影響，產(chǎn)生這些缺陷的原因與鉆頭的進給速度和冷卻有關(guān)，因此，此處的控制點為鉆頭的進給速度，冷卻液流量和鉆頭壽命。

3.5 瓷釉印刷

汽車玻璃的瓷釉以黑色為主，由于黑色瓷釉的吸熱能力與玻璃的吸熱能力不同，在鋼化過程中，有瓷釉的部分和無瓷釉的部分內(nèi)應(yīng)力分布有所不同，為減少內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力的不平衡狀況，兩部分之間加入點狀矩陣過度，由產(chǎn)品工程師模擬完成，此處的控制點為確認絲網(wǎng)的形狀是否與標準相一致。

3.6 鋼化前的玻璃加熱

加熱的目的是達到Tg點以上，以便熱彎成型，根據(jù)鋼化的原理，玻璃在加熱過程中，盡可能讓玻璃整體均勻受熱，工藝工程師在項目開發(fā)階段確認加熱爐各段加熱單元的溫度設(shè)定和輸出功率，確保玻璃加熱均勻，因此，此工序的控制點為溫度波動曲線，以及玻璃的前進速度是否在標準設(shè)定區(qū)域，在加熱過程中，如果出現(xiàn)異常破碎，必須立即清理傳送系統(tǒng)，保證沒有碎玻璃劃傷后續(xù)的玻璃，此處異常控制點必須有標準預(yù)案和傳送裝置的檢驗標準。

3.7 熱彎和鋼化

玻璃在加熱到Tg點以上，用模具使玻璃達到需要的形狀，之后用鋼化模具放到高壓風(fēng)口出急速冷卻，完成鋼化過程。汽車玻璃的熱彎和鋼化一般都是連續(xù)進行的，用中空模具支撐玻璃邊緣完成熱彎和鋼化，雖然熱彎過程也會造成一些破碎，但熱彎過程主要由模具控制，有模具工程師管理，在此不做質(zhì)量控制點。熱彎成型的速度會導(dǎo)致裂紋和褶皺，進而導(dǎo)致破碎，可以作為一個質(zhì)量控制點。鋼化的風(fēng)壓和鋼化時間直接決定鋼化強度，會直接導(dǎo)致在鋼化過程中破碎，以及后續(xù)成品檢驗和使用階段的破碎，因此，鋼化風(fēng)壓和鋼化時間是重要的控制點。

3.8 鋼化后冷卻

鋼化完成后，玻璃的溫度也會在250度以上，不能直接進行后續(xù)操作，必須把玻璃的溫度降到室溫，正常情況下不影響應(yīng)力，這里不做特別管控，但如果在此過程有玻璃異常破碎，必須立即清理該區(qū)域，保證沒有碎玻璃劃傷后續(xù)的玻璃，此處異?？刂泣c必須有標準預(yù)案和傳送裝置的檢驗標準。

3.9 鋼化玻璃檢驗

鋼化玻璃產(chǎn)品檢驗有很多，對于破碎有重大關(guān)系的是表面應(yīng)力的檢驗和碎片的檢驗，這兩項直接反應(yīng)鋼化程度，此處設(shè)為控制點，①表面應(yīng)力用專門的儀器測量，根據(jù)穩(wěn)定性設(shè)定每1小時或2小時抽檢兩片，根據(jù)GB9656定義，表面正應(yīng)力應(yīng)不小于105MPa；②根據(jù)GB9656定義，汽車鋼化玻璃的碎片要求為40-400片/50mm×50mm，碎片越多，越容易破碎，從破碎角度考慮，碎片數(shù)量控制在110-160片比較安全。

3.10 后工序

后工序以裝配附件為主，在加工之前需要對玻璃在工裝或設(shè)備上定位，以保證所有部件的裝配尺寸能達到設(shè)計要求，由于汽車玻璃都是3D尺寸，所以玻璃在工裝上定位，一般采用中心定位，玻璃的四條邊上有6個點受力，玻璃在定位的過程中一定會產(chǎn)生變形，壓力層會受到?jīng)_擊，如果靜載力過大或沖擊過大，也會造成破碎。有金屬件和鋼化玻璃集配在一起時，如果兩者的初始型面相差很大，在集配到一起以后，也會對玻璃的正壓力產(chǎn)生影響，因此后工序的控制點有以下3個：①工裝定位的速度，定位機構(gòu)的壓力，由設(shè)備工程師根據(jù)產(chǎn)品不同來設(shè)置。②附件型面尺寸，通過來料抽檢，確定批次差異，如果附件和玻璃的形面偏差較大，按異常處理，更換原料批次，再進行正常生產(chǎn)。③如果在裝配過程中玻璃碎在工裝上，必須清理干凈整個工裝，保證沒有碎玻璃劃傷后續(xù)的玻璃，此處異?？刂泣c是有標準預(yù)案和工裝的檢驗標準。

3.11 包裝與運輸

汽車玻璃的成品包裝，一般情況下是根據(jù)客戶的使用條件設(shè)計和配置的，并需經(jīng)過路試驗證。在量產(chǎn)過程中的控制點為：監(jiān)控包裝容器是否損壞；玻璃不可與包裝器具的金屬部位直接接觸，玻璃受力點有橡膠或泡沫做緩沖；運輸方式必須和路試的方式一致，如果不一致，按變更的流程，重新做路試。

4 重要控制點管控方法簡述

4.1 溫度的控制

加熱和鋼化過程對于溫度的控制要求要準確，變化可控，一般由鋼化爐和加熱爐的加熱程序控制，根據(jù)溫度傳感器的反饋，控制中心自動調(diào)整加熱單元的升溫或停止加熱，以符合每個產(chǎn)品特有的溫度曲線，因此作為測量和反饋結(jié)果的溫度傳感器，其定期校驗和維護，必須作為特殊的管控點加以特別關(guān)注。

4.2 表面應(yīng)力的測量

表面應(yīng)力的測量值直接反應(yīng)鋼化程度，其檢驗結(jié)果是調(diào)整鋼化參數(shù)的重要依據(jù)，檢測設(shè)備的校準周期必須控制在一年以內(nèi)，根據(jù)實際工作環(huán)境調(diào)整。每班次都要對比樣件測量的結(jié)果來驗證檢測設(shè)備的變化。

4.3 碎片的檢測

碎片檢測是破壞性的，出于制造成本的考慮，不可能做很多次的抽檢，但是每次有原料變化或鋼化參數(shù)變化時，一定要做碎片的確認，并且需要曬制碎片藍圖，存檔備查，記錄保留期限按法規(guī)和客戶的要求執(zhí)行。

5 硫化鎳自爆管控

硫化鎳的產(chǎn)生是來自浮法玻璃工藝，汽車玻璃制造商無法控制其來源，一旦發(fā)現(xiàn)由于硫化鎳原因產(chǎn)生自爆的缺陷，應(yīng)立即追溯同一批次的原片玻璃，進行全檢或報廢，對于鋼化好的玻璃，可以采取均質(zhì)處理，加速硫化鎳的晶變，引爆有硫化鎳的玻璃，此控制方法不在正常的鋼化生產(chǎn)質(zhì)量控制范圍。

6 結(jié)束語

浮法玻璃和鋼化玻璃的特性及鋼化原理表明，鋼化玻璃的破碎不可避免，但可以從工藝條件和工裝設(shè)備的控制上減小發(fā)生的概率，無論是在生產(chǎn)過程中，還是在客戶使用時，只要從機理出發(fā)進行分析，找到影響因素，并找到合適的探測和控制手段，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)，一定能夠控制好鋼化玻璃破碎事件的發(fā)生。