汽車防彈玻璃分層失效分析與改進(jìn)

王 坤，張懿琪，李 華

汽車防彈玻璃分層失效分析與改進(jìn)

王 坤，張懿琪，李 華

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

為提升防彈玻璃總成的使用壽命，降低防彈玻璃總成在使用過程中發(fā)花分層。文章對(duì)一款重型通用戰(zhàn)術(shù)車輛的汽車防彈玻璃分層進(jìn)行分析，通過建立故障樹，運(yùn)用航天質(zhì)量問題處理原則“雙五條”標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)可能存在的工藝參數(shù)因素、原材料因素、制造過程因素、外部環(huán)境因素等失效原因逐項(xiàng)排查確認(rèn)，確定失效的主要原因?yàn)椴ＡЭ偝稍诟邷丨h(huán)境下，玻璃與聚碳酸酯（PC）板膨脹系數(shù)不一樣，兩者之間一直在作膨脹拉伸的形變。通過優(yōu)化了玻璃總成生產(chǎn)工藝及外部的倉儲(chǔ)防護(hù)裝備等改進(jìn)措施，改進(jìn)效果明顯，從而提升防彈玻璃的使用壽命，提升產(chǎn)品的質(zhì)量表現(xiàn)。

防彈玻璃；失效改進(jìn)；故障樹

汽車防彈玻璃是一種透明防彈復(fù)合玻璃組合系統(tǒng)，由玻璃（或有機(jī)玻璃）和優(yōu)質(zhì)工程塑料經(jīng)特殊加工得到的一種復(fù)合型材料，通過聚乙烯醇縮丁醛（Polyvinyl Butyral, PVB）膠片在高溫高壓合釜聚合形成。具有重量輕、抗沖擊性、阻燃性、透光性好和無飛濺等優(yōu)點(diǎn)[1]。若防彈玻璃分層失效，將會(huì)影響駕駛員的視線，導(dǎo)致車輛正常行駛受阻，產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患。

1 汽車防彈玻璃結(jié)構(gòu)及失效

某車輛使用的防彈玻璃總成具有防護(hù)性能及電加熱性能要求，按照《裝甲車輛用防彈玻璃規(guī)范》（GJB 3030－1997）可防80 m處53式7.62 mm普通彈。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，防彈復(fù)合玻璃選用四種材料組成，從外到里依次為平板玻璃、PVB膠片、聚氨基甲酸酯（polyurethane, PU）膠片、聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）板[2]，如圖1所示。

圖1 防彈玻璃結(jié)構(gòu)圖

防彈玻璃總成的安裝方式為防彈玻璃帶框總成通過螺栓緊固及密封條緊固到駕駛室上。防彈玻璃帶框總成由防彈玻璃總成、防彈玻璃固定框及聚氨酯膠組成，防彈玻璃總成與防彈玻璃固定框通過聚氨酯膠連接，通過聚氨酯膠固化后形成的封閉整體來達(dá)到保護(hù)玻璃的要求。

市場(chǎng)反饋防彈玻璃總成出現(xiàn)水波紋的現(xiàn)象，即防彈玻璃總成失效，如圖2所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，水波紋出現(xiàn)在防彈玻璃下部位，分層位置處于玻璃下沿30 mm以內(nèi)，若范圍較大，將影響駕駛員的視線，引起客戶抱怨等。

圖2 防彈玻璃失效

2 防彈玻璃分層失效原因分析

通過對(duì)防彈玻璃的失效件拆解及工藝結(jié)構(gòu)確定，初步分析玻璃和PC板之間的PU夾層與相鄰的材料脫層導(dǎo)致了分層，以玻璃總成分層問題建立故障樹，如圖3所示。對(duì)故障樹4個(gè)底事件逐項(xiàng)進(jìn)行梳理、分析，查找原因。

圖3 故障樹圖

2.1 原因分析

2.1.1工藝參數(shù)不合理

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及行業(yè)制造工藝，該產(chǎn)品工藝流程由預(yù)處理工序（切割、磨邊和清洗干燥）、合片工序、高壓釜膠合工序、鐵框打膠工序、電加溫接線、檢驗(yàn)工序、包裝工序七個(gè)工序構(gòu)成。其中關(guān)鍵工序?yàn)楹掀ば颉⒏邏焊z合工序及鐵框打膠工序。其中，各工序的工藝參數(shù)嚴(yán)格按照材料的特性、使用條件的要求等因素進(jìn)行設(shè)定并通過工藝方案的評(píng)審及驗(yàn)證。故工藝參數(shù)不合理因素可排除。

2.1.2原材料不合格

產(chǎn)品原材料種類有4種，分別為平板玻璃、PVB膠片、PU膠片、PC板，均采用國內(nèi)外知名供應(yīng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品。按照原材料檢驗(yàn)規(guī)程，對(duì)原材料的尺寸、厚度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果符合要求。同時(shí)，每批次原材料隨機(jī)挑選做成小樣件進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境測(cè)試（耐輻照、耐熱性、耐寒性、恒溫恒濕等）。查看檢驗(yàn)記錄，記錄完整，檢驗(yàn)合格，可排除原材料不合格的因素。

2.1.3未按工藝要求生產(chǎn)制造

按照生產(chǎn)流程圖及產(chǎn)品工序流程進(jìn)行生產(chǎn)制造過程查看，其中預(yù)處理工序包含玻璃的切割、磨邊、清洗和干燥。排查現(xiàn)場(chǎng)情況，操作人員嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書上及操作規(guī)程要求進(jìn)行施工作業(yè)，符合工藝要求，生產(chǎn)過程記錄完整。合片工序及高壓釜膠合工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，查看現(xiàn)有生產(chǎn)合片操作過程，操作符合《合片操作規(guī)程》規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)記錄完整。高壓釜膠合工序檢查輸入高壓釜的運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)正確。查看生產(chǎn)過程記錄，記錄完整。

鐵框打膠工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，質(zhì)量管控要點(diǎn)為玻璃垂直放置，單面打膠，待膠干后再人工翻轉(zhuǎn)鐵框打另一面膠。用聚氨酯填充膠把鐵框與玻璃間隙處填充滿，可對(duì)玻璃四周起到密封保護(hù)作用，也能緩解外界因素對(duì)玻璃的損害。在對(duì)問題玻璃返廠后，對(duì)前風(fēng)窗玻璃故障件進(jìn)行拆解，鐵框拆解后發(fā)現(xiàn)聚氨酯膠沒有將玻璃及邊框間的間隙完全填滿（見圖4），鐵框內(nèi)側(cè)進(jìn)水銹蝕，整體打膠過程存在不符合打膠流程文件要求的情況。故此因素不可排除。

圖4 失效件拆解圖

2.1.4生產(chǎn)環(huán)節(jié)溫度和濕度超標(biāo)

工藝文件對(duì)合片室的溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定：1）溫度要求：溫度控制在20～25 ℃；2）濕度要求：相對(duì)濕度控制在18%～28%；3）溫、濕度監(jiān)控周期4 h。經(jīng)查看，故障產(chǎn)品《合片班生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表》中對(duì)合片室溫度、濕度、清潔度項(xiàng)目的記錄完整，且都符合設(shè)定的參數(shù)要求，此因素可排除。

2.1.5玻璃受到高溫沖擊影響

按照防彈玻璃設(shè)計(jì)要求和GJB 3030－1997要求，玻璃在（70±2）℃的高溫內(nèi)放置24 h后，超出邊部15 mm的部分無明顯變化（參考GJB 3030－1997的第3.6.3條），視為合格產(chǎn)品[3]。在環(huán)境溫度達(dá)到80 ℃的時(shí)候，PU膠片就會(huì)開始軟化，若環(huán)境變化高溫天氣，車輛在室外暴曬后，密封的車內(nèi)溫度可達(dá)到80 ℃以上，見圖5。

圖5 實(shí)車測(cè)量溫度圖

為了驗(yàn)證產(chǎn)品高溫環(huán)境對(duì)玻璃的脫層影響情況，通過對(duì)原材料及總成針對(duì)環(huán)境溫度不同進(jìn)行驗(yàn)證。其中，對(duì)原材料玻璃和PC板在不同溫度下的伸縮性對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示；玻璃總成不同環(huán)境溫度的變化如表2所示；高溫測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表1 玻璃及PC板在不同溫度下的伸縮比

試驗(yàn)樣品試驗(yàn)溫度/℃參數(shù)原始尺寸/mm試驗(yàn)1H/mm試驗(yàn)2H/mm試驗(yàn)3H/mm試驗(yàn)4H/mm 玻璃170長(zhǎng)500.2500.2500.2500.2500.2 寬500500500500500 PC板1長(zhǎng)498.80499.00499.32499.70500.10 寬499.20499.30499.66499.98500.60 玻璃280長(zhǎng)500500500500500 寬500500500500500 PC板2長(zhǎng)500.0500.3500.7501.2501.8 寬499.5499.7500.3500.9501.4 玻璃390長(zhǎng)499.8499.8499.8499.8499.8 寬500500500500500 PC板3長(zhǎng)500.5500.9501.6502.2502.6 寬499.30499.62500.50500.96501.40

表2 玻璃總成不同環(huán)境溫度的變化

樣品序號(hào)樣品原始狀態(tài)耐熱性試驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)參考表標(biāo)準(zhǔn) 70 ℃80 ℃90 ℃ 1號(hào)已裝車輛拆卸件，試驗(yàn)前已分層 原分層區(qū)域面積擴(kuò)大，出現(xiàn)新的分層區(qū)域各分層區(qū)域面積繼續(xù)增加破壞性試驗(yàn)，依據(jù)PU膠片軟化溫度計(jì)車內(nèi)最高溫度設(shè)定 2號(hào)已裝車輛拆卸件，試驗(yàn)前未分層 出現(xiàn)大面積分層區(qū)域各分層區(qū)域面積繼續(xù)增加 3號(hào)新生產(chǎn)件 出現(xiàn)輕微分層區(qū)域，距離邊界9 mm原分層區(qū)域面積增加，出現(xiàn)新的分層區(qū)域 4號(hào)庫存產(chǎn)品，未裝車，未分層無明顯變化，未分層 GJB 3030－1997 5號(hào)新生產(chǎn)件無明顯變化，未分層

通過對(duì)原材料及玻璃總成不同環(huán)境下的變化率進(jìn)行試驗(yàn)，環(huán)境溫度的變化將會(huì)導(dǎo)致玻璃分層問題的發(fā)生，玻璃受到高溫沖擊影響因素不可排除。

2.2 定位結(jié)果

玻璃總成裝車后，因環(huán)境溫度較高，整車駕駛室內(nèi)部溫度更高（夏季高溫，駕駛室內(nèi)部溫度可高達(dá)86 ℃），防彈玻璃總成在高溫存儲(chǔ)放置環(huán)境下，因玻璃與PC板膨脹系數(shù)不一樣，兩者之間一直在作膨脹拉伸的形變。同時(shí)，因PU膠片固有屬性，在溫度高于80 ℃后會(huì)開始發(fā)生軟化，直接影響PU膠片的粘接性能，致使玻璃、PU膠片、PC板三者受力拉伸變形，玻璃框聚酯膠填充不滿，未能有效的對(duì)邊框及邊緣進(jìn)行保護(hù)，從而在玻璃邊緣部位開始緩慢的出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

3 采取的措施

3.1 更改打膠工藝

增設(shè)升降機(jī)設(shè)備及訂做玻璃帶框總成擺放架子，將打膠工藝從雙面變更為一次性單面，減少打膠過程中的翻轉(zhuǎn)。前期打膠工藝為玻璃垂直放置，單面打膠，等待膠干后再人工翻轉(zhuǎn)鐵框打另一面膠，此工藝及設(shè)備存在鐵框與玻璃腔聚氨酯填充不滿的風(fēng)險(xiǎn)，如圖7所示。現(xiàn)更改為使用升降設(shè)備，玻璃水平放置一次性完成打膠，可有效觀測(cè)打膠的飽滿程度，減少膠體流動(dòng)膠內(nèi)形成空腔的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)針對(duì)鐵框打膠工藝進(jìn)行論證細(xì)化，修訂完善鐵框安裝工序流程文件。

圖7 整改件拆解圖

3.2 增加防護(hù)設(shè)備

參考GJB 3030－1997第5.3.2條的產(chǎn)品儲(chǔ)存環(huán)境盡量保持通風(fēng)、干燥、陰涼[4]。針對(duì)出現(xiàn)夏季溫度過高的不確定因素，在車輛存儲(chǔ)高溫環(huán)境下，防彈玻璃增加遮陽防護(hù)板，如圖8所示。防護(hù)板上具有反光膜，避免陽光直射，有效防止太陽照射升溫，以避免車內(nèi)溫度過高。同時(shí)在該車型的使用說明書上明確告知用戶的倉儲(chǔ)環(huán)境要求，避免長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境暴曬。

圖8 遮陽罩示意圖

4 措施驗(yàn)證

1）對(duì)更改打膠工藝后的玻璃帶框總成進(jìn)行拆解，邊框與玻璃間聚氨酯填充完整，無空腔等缺陷，玻璃與鐵框之前牢固可靠。2）通過對(duì)整車玻璃總成增加遮陽防護(hù)板，在同樣的外界環(huán)境下，駕駛室內(nèi)部溫度由原來的89.3 ℃降低為60.4 ℃。有效的降低了駕駛室內(nèi)部溫度。3）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，更改打膠工藝，增加遮陽防護(hù)板的玻璃總成大幅度降低了玻璃總成的分層現(xiàn)象數(shù)量。

5 結(jié)論

通過對(duì)車輛防彈玻璃總成分層問題的相關(guān)因素進(jìn)行分析，確定了防彈玻璃總成分層的內(nèi)外部失效原因，采取了合理有效措施進(jìn)行改進(jìn)并驗(yàn)證。通過改變打膠工藝，有效提升了防彈玻璃總成鐵框與玻璃形成的腔的聚氨酯填充。通過對(duì)整車玻璃總成增加遮陽防護(hù)板，有效的緩解了外界因素對(duì)玻璃的損害，降低了防彈玻璃分層的概率，提升了防彈玻璃總成的壽命，提高客戶滿意度。

[1] 劉星星,段國偉,張光宇.一種防彈玻璃密封結(jié)構(gòu)的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(3):142-143,158.

[2] 孟秀華,龐曉光.防彈玻璃探索研究與實(shí)踐[J].中國科技縱橫,2021(10):55-56.

[3] 劉正.不同聚碳酸酯(PC)層合結(jié)構(gòu)對(duì)防彈玻璃性能影響的研究[J].玻璃與搪瓷,2016,44(1):14-19,36.

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Analysis and Improvement on Delamination of Automotive Bulletproof Glass

WANG Kun, ZHANG Yiqi, LI Hua

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710043, China )

In order to improve the service life of bulletproof glass assembly and reduce the blooming and delamination of bulletproof glass assembly during use. This paper analyzes the delamination of the bulletproof glass of a heavy general tactical vehicle and establishes a fault tree, and uses the "double five" standard method of the aerospace quality problem handling principle to check and confirm the possible causes of failure, such as process parameter factors, raw material factors, manufacturing process factors, external environmental factors, and so on.The main reason for determining the failure is that the expansion coefficient of glass is different from that of polycarbonate(PC) board at high temperature, and the deformation of expansion and stretching has been carried out between them. By optimizing the glass assembly production process and external storage protection equipment and other improvement measures, the improvement effect is obvious, thus improving the service life of bulletproof glass and improving the quality performance of products.

Bulletproof glass; Failure improvement; Fault tree

U469

A

1671-7988(2023)19-133-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.026

王坤（1990－），男，工程師，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品失效及改進(jìn)，E-mail:414235920@qq.com。