汽車防彈玻璃分層失效分析與改進

王 坤，張懿琪，李 華

汽車防彈玻璃分層失效分析與改進

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花分層。文章對一款重型通用戰術車輛的汽車防彈玻璃分層進行分析，通過建立故障樹，運用航天質量問題處理原則“雙五條”標準方法對可能存在的工藝參數因素、原材料因素、制造過程因素、外部環境因素等失效原因逐項排查確認，確定失效的主要原因為玻璃總成在高溫環境下，玻璃與聚碳酸酯（PC）板膨脹系數不一樣，兩者之間一直在作膨脹拉伸的形變。通過優化了玻璃總成生產工藝及外部的倉儲防護裝備等改進措施，改進效果明顯，從而提升防彈玻璃的使用壽命，提升產品的質量表現。

防彈玻璃；失效改進；故障樹

汽車防彈玻璃是一種透明防彈復合玻璃組合系統，由玻璃（或有機玻璃）和優質工程塑料經特殊加工得到的一種復合型材料，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點[1]。若防彈玻璃分層失效，將會影響駕駛員的視線，導致車輛正常行駛受阻，產生嚴重安全隱患。

1 汽車防彈玻璃結構及失效

某車輛使用的防彈玻璃總成具有防護性能及電加熱性能要求，按照《裝甲車輛用防彈玻璃規范》（GJB 3030－1997）可防80 m處53式7.62 mm普通彈。在結構設計上，防彈復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 防彈玻璃結構圖

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到保護玻璃的要求。

市場反饋防彈玻璃總成出現水波紋的現象，即防彈玻璃總成失效，如圖2所示。經現場查看，水波紋出現在防彈玻璃下部位，分層位置處于玻璃下沿30 mm以內，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

通過對防彈玻璃的失效件拆解及工藝結構確定，初步分析玻璃和PC板之間的PU夾層與相鄰的材料脫層導致了分層，以玻璃總成分層問題建立故障樹，如圖3所示。對故障樹4個底事件逐項進行梳理、分析，查找原因。

圖3 故障樹圖

2.1 原因分析

2.1.1工藝參數不合理

根據產品結構及行業制造工藝，該產品工藝流程由預處理工序（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、檢驗工序、包裝工序七個工序構成。其中關鍵工序為合片工序、高壓釜膠合工序及鐵框打膠工序。其中，各工序的工藝參數嚴格按照材料的特性、使用條件的要求等因素進行設定并通過工藝方案的評審及驗證。故工藝參數不合理因素可排除。

2.1.2原材料不合格

產品原材料種類有4種，分別為平板玻璃、PVB膠片、PU膠片、PC板，均采用國內外知名供應商生產的產品。按照原材料檢驗規程，對原材料的尺寸、厚度進行檢測，結果符合要求。同時，每批次原材料隨機挑選做成小樣件進行相關的環境測試（耐輻照、耐熱性、耐寒性、恒溫恒濕等）。查看檢驗記錄，記錄完整，檢驗合格，可排除原材料不合格的因素。

2.1.3未按工藝要求生產制造

按照生產流程圖及產品工序流程進行生產制造過程查看，其中預處理工序包含玻璃的切割、磨邊、清洗和干燥。排查現場情況，操作人員嚴格按照作業指導書上及操作規程要求進行施工作業，符合工藝要求，生產過程記錄完整。合片工序及高壓釜膠合工序為關鍵工序，查看現有生產合片操作過程，操作符合《合片操作規程》規定，現場相關記錄完整。高壓釜膠合工序檢查輸入高壓釜的運行參數，參數正確。查看生產過程記錄，記錄完整。

鐵框打膠工序為關鍵工序，質量管控要點為玻璃垂直放置，單面打膠，待膠干后再人工翻轉鐵框打另一面膠。用聚氨酯填充膠把鐵框與玻璃間隙處填充滿，可對玻璃四周起到密封保護作用，也能緩解外界因素對玻璃的損害。在對問題玻璃返廠后，對前風窗玻璃故障件進行拆解，鐵框拆解后發現聚氨酯膠沒有將玻璃及邊框間的間隙完全填滿（見圖4），鐵框內側進水銹蝕，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生產環節溫度和濕度超標

工藝文件對合片室的溫度和濕度參數進行了規定：1）溫度要求：溫度控制在20～25 ℃；2）濕度要求：相對濕度控制在18%～28%；3）溫、濕度監控周期4 h。經查看，故障產品《合片班生產日報表》中對合片室溫度、濕度、清潔度項目的記錄完整，且都符合設定的參數要求，此因素可排除。

2.1.5玻璃受到高溫沖擊影響

按照防彈玻璃設計要求和GJB 3030－1997要求，玻璃在（70±2）℃的高溫內放置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），視為合格產品[3]。在環境溫度達到80 ℃的時候，PU膠片就會開始軟化，若環境變化高溫天氣，車輛在室外暴曬后，密封的車內溫度可達到80 ℃以上，見圖5。

圖5 實車測量溫度圖

為了驗證產品高溫環境對玻璃的脫層影響情況，通過對原材料及總成針對環境溫度不同進行驗證。其中，對原材料玻璃和PC板在不同溫度下的伸縮性對比測試結果如表1所示；玻璃總成不同環境溫度的變化如表2所示；高溫測試試驗結果如圖6所示。

表1 玻璃及PC板在不同溫度下的伸縮比

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

表2 玻璃總成不同環境溫度的變化

樣品序號樣品原始狀態耐熱性試驗后實驗參考表標準 70 ℃80 ℃90 ℃ 1號已裝車輛拆卸件，試驗前已分層 原分層區域面積擴大，出現新的分層區域各分層區域面積繼續增加破壞性試驗，依據PU膠片軟化溫度計車內最高溫度設定 2號已裝車輛拆卸件，試驗前未分層 出現大面積分層區域各分層區域面積繼續增加 3號新生產件 出現輕微分層區域，距離邊界9 mm原分層區域面積增加，出現新的分層區域 4號庫存產品，未裝車，未分層無明顯變化，未分層 GJB 3030－1997 5號新生產件無明顯變化，未分層

通過對原材料及玻璃總成不同環境下的變化率進行試驗，環境溫度的變化將會導致玻璃分層問題的發生，玻璃受到高溫沖擊影響因素不可排除。

2.2 定位結果

玻璃總成裝車后，因環境溫度較高，整車駕駛室內部溫度更高（夏季高溫，駕駛室內部溫度可高達86 ℃），防彈玻璃總成在高溫存儲放置環境下，因玻璃與PC板膨脹系數不一樣，兩者之間一直在作膨脹拉伸的形變。同時，因PU膠片固有屬性，在溫度高于80 ℃后會開始發生軟化，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，未能有效的對邊框及邊緣進行保護，從而在玻璃邊緣部位開始緩慢的出現分層現象。

3 采取的措施

3.1 更改打膠工藝

增設升降機設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。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鐵框打另一面膠，此工藝及設備存在鐵框與玻璃腔聚氨酯填充不滿的風險，如圖7所示。現更改為使用升降設備，玻璃水平放置一次性完成打膠，可有效觀測打膠的飽滿程度，減少膠體流動膠內形成空腔的風險。同時針對鐵框打膠工藝進行論證細化，修訂完善鐵框安裝工序流程文件。

圖7 整改件拆解圖

3.2 增加防護設備

參考GJB 3030－1997第5.3.2條的產品儲存環境盡量保持通風、干燥、陰涼[4]。針對出現夏季溫度過高的不確定因素，在車輛存儲高溫環境下，防彈玻璃增加遮陽防護板，如圖8所示。防護板上具有反光膜，避免陽光直射，有效防止太陽照射升溫，以避免車內溫度過高。同時在該車型的使用說明書上明確告知用戶的倉儲環境要求，避免長時間高溫環境暴曬。

圖8 遮陽罩示意圖

4 措施驗證

1）對更改打膠工藝后的玻璃帶框總成進行拆解，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）通過對整車玻璃總成增加遮陽防護板，在同樣的外界環境下，駕駛室內部溫度由原來的89.3 ℃降低為60.4 ℃。有效的降低了駕駛室內部溫度。3）經統計，更改打膠工藝，增加遮陽防護板的玻璃總成大幅度降低了玻璃總成的分層現象數量。

5 結論

通過對車輛防彈玻璃總成分層問題的相關因素進行分析，確定了防彈玻璃總成分層的內外部失效原因，采取了合理有效措施進行改進并驗證。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。通過對整車玻璃總成增加遮陽防護板，有效的緩解了外界因素對玻璃的損害，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構的研究[J].汽車實用技術,2019,44(3):142-143,158.

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

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

[4] 孟興蛟.防彈玻璃應用淺析[J].建材發展導向,2016, 14(12):57-59.

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，研究方向為產品失效及改進，E-mail:414235920@qq.com。