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雜化，汽車玻璃也隨之變得復雜，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，必須有穩健的制程系統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，普通玻璃的化學組成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是硅酸鹽復鹽[1]，是一種無規則結構的非晶態固體。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[2]、強度、安全性和熱穩定性。如果應力被破壞，會導致玻璃立即破碎，失去一切功能，因此控制住影響應力的因素，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應力玻璃。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變溫度Tg以上50～60℃，然后在冷卻介質（如空氣、液體）中急速均勻冷卻（如風冷淬火、液冷淬火等）。在該過程的開始階段,玻璃內層和表面層將產生很大的溫度梯度，并產生較大的應力，見圖1（a）。隨著溫度的提高，由此引起的應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力的狀態，見圖1（b）。然后急速冷卻，隨著溫度梯度逐漸消除，松弛的應力在玻璃表面產生均勻分布的強大的壓應力層（永久應力）見圖1（e），所以，也可以說淬火過程就是使玻璃獲得最大預應力（永久壓應力）的加工過程[3]。

圖1 鋼化玻璃表面產生應力層的過程圖

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。因為玻璃中的內應力的產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GB15763.2-2016的定義，鋼化玻璃表面應力不應低于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力，以平板玻璃為例,玻璃經過淬火以后，在玻璃厚度方向上的應力分布呈拋物線形[4]，表面層為壓應力，約占玻璃厚度的2/5（雙面），內層為拉應力，約占玻璃厚度的3/5，應力分布如圖2（a）所示，這種應力分布使其機械強度大大提高。當鋼化玻璃受到外界壓應力作用時，由于力的合成，結果最大張應力值不在玻璃表面，而是移向玻璃的內層，使得玻璃可以經受更大的壓應力載荷而不損壞，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力作用時，由于力的合成，其表面的壓應力可以抵消一部分外界應力，使得玻璃可以經受更大的拉應力而不壞，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力下可能或破損。

圖2 鋼化玻璃應力分布

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應力集中或者造成表面壓應力的不均勻，使玻璃達到應力失衡狀態而產生破碎；

第二，鋼化程度過高引起破裂，當鋼化程度過高、玻璃表面壓應力過大時，使玻璃內應力平衡超過臨界狀態而破碎；

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

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應力平衡狀態而破碎；

第五，浮法玻璃生產中如果存在硫化鎳（NiS）雜質，在鋼化后的硫化鎳（NiS）晶相變化會從玻璃內部打破內應力平衡，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計要求。

2.1 工藝過程設計

以一般汽車鋼化玻璃的生產過程為例，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

以工業化的玻璃制造廠比較常見的配置，結合基本的工業效率，人機工學等方面的需求，選用每個工藝步驟所需要的材料，工具和設備。

2.2.1 原片玻璃，原片選擇浮法玻璃，根據成品的規格確定顏色和厚度，根據設備能力與浮法玻璃供應商確定長寬尺寸。

2.2.2 形狀切割，采用數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，鋼化采用高壓風冷。

2.2.9 鋼化后冷卻到室溫，采用低壓風冷。

2.2.10 產品檢驗，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，根據客戶要求，以及玻璃的特點，采用專用周轉器具。

2.2.16 運輸交付，鏟車裝卸，卡車運輸。

3 工藝控制點的選擇

根據鋼化玻璃的原理，破碎的分類，以及工業化制造的特點，結合工藝過程設計，分析并確定整個過程的質量控制點。

3.1 原片檢驗

浮法玻璃生產是連續的，包裝形式是大尺寸，多數量的，因此，質量工程師需要結合不同供應商的質量績效和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，根據產品規范書或GB11614判斷結果；②浮法缺陷檢查，主要檢查氣泡，內部雜質，結石，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，此工序對破碎的影響是掰邊后產生大的爆邊和裂紋，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系，因此此處控制點是設備參數確認，包括切割速度，切割壓力，刀具壽命，切割油流量。根據不同的產品要求，充分考慮不同顏色和不同厚度的玻璃，在項目開發階段做好DOE，確定一個合理的控制范圍，量產階段可以通過每班點檢設備參數來從源頭控制，也需要抽檢玻璃磨邊后的邊部質量來監控是否有異常。

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，減小在鋼化時的應力集中程度，不同厚度的玻璃的邊部弧線必須單獨設計，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，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，砂輪修復頻次和冷卻液的流量，控制標準由工藝工程師和質量工程師在項目階段的DOE結果確定。

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，產生這些缺陷的原因與鉆頭的進給速度和冷卻有關，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應力分布有所不同，為減少內部內應力的不平衡狀況，兩部分之間加入點狀矩陣過度，由產品工程師模擬完成，此處的控制點為確認絲網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階段確認加熱爐各段加熱單元的溫度設定和輸出功率，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定區域，在加熱過程中，如果出現異常破碎，必須立即清理傳送系統，保證沒有碎玻璃劃傷后續的玻璃，此處異常控制點必須有標準預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，在此不做質量控制點。熱彎成型的速度會導致裂紋和褶皺，進而導致破碎，可以作為一個質量控制點。鋼化的風壓和鋼化時間直接決定鋼化強度，會直接導致在鋼化過程中破碎，以及后續成品檢驗和使用階段的破碎，因此，鋼化風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，不能直接進行后續操作，必須把玻璃的溫度降到室溫，正常情況下不影響應力，這里不做特別管控，但如果在此過程有玻璃異常破碎，必須立即清理該區域，保證沒有碎玻璃劃傷后續的玻璃，此處異常控制點必須有標準預案和傳送裝置的檢驗標準。

3.9 鋼化玻璃檢驗

鋼化玻璃產品檢驗有很多，對于破碎有重大關系的是表面應力的檢驗和碎片的檢驗，這兩項直接反應鋼化程度，此處設為控制點，①表面應力用專門的儀器測量，根據穩定性設定每1小時或2小時抽檢兩片，根據GB9656定義，表面正應力應不小于105MPa；②根據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備上定位，以保證所有部件的裝配尺寸能達到設計要求，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生變形，壓力層會受到沖擊，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，定位機構的壓力，由設備工程師根據產品不同來設置。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。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的玻璃，此處異常控制點是有標準預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，一般情況下是根據客戶的使用條件設計和配置的，并需經過路試驗證。在量產過程中的控制點為：監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，根據溫度傳感器的反饋，控制中心自動調整加熱單元的升溫或停止加熱，以符合每個產品特有的溫度曲線，因此作為測量和反饋結果的溫度傳感器，其定期校驗和維護，必須作為特殊的管控點加以特別關注。

4.2 表面應力的測量

表面應力的測量值直接反應鋼化程度，其檢驗結果是調整鋼化參數的重要依據，檢測設備的校準周期必須控制在一年以內，根據實際工作環境調整。每班次都要對比樣件測量的結果來驗證檢測設備的變化。

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和客戶的要求執行。

5 硫化鎳自爆管控

硫化鎳的產生是來自浮法玻璃工藝，汽車玻璃制造商無法控制其來源，一旦發現由于硫化鎳原因產生自爆的缺陷，應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質量控制范圍。

6 結束語

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備的控制上減小發生的概率，無論是在生產過程中，還是在客戶使用時，只要從機理出發進行分析，找到影響因素，并找到合適的探測和控制手段，利用不斷發展的新技術，一定能夠控制好鋼化玻璃破碎事件的發生。