朱錦杰 王永杰

（上海耀皮康橋汽車玻璃有限公司 上海市 201315）

0 引言

玻璃因具有獨(dú)特的光學(xué)性能及優(yōu)異的理化性能，在乘用車領(lǐng)域，玻璃在車體上的應(yīng)用比例有逐漸擴(kuò)大的趨勢，從前后擋風(fēng)玻璃、車門，逐漸擴(kuò)大到前后三角窗和全景天窗。相對金屬鈑金，玻璃強(qiáng)度低，易碎。車體都是復(fù)雜曲面，復(fù)雜曲面玻璃不能用輥壓成型，必須使用模壓才能得到接近數(shù)模的玻璃，而模壓成型會造成鋼化應(yīng)力缺陷。模具和玻璃一般在玻璃邊部相互接觸，邊部應(yīng)力的控制是曲面玻璃鋼化是否合格的關(guān)鍵因素。

1 玻璃鋼化原理及數(shù)值模擬

1.1 玻璃鋼化原理

玻璃的鋼化通常分為物理鋼化和化學(xué)鋼化，汽車玻璃采用物理鋼化。其基本原理為：將玻璃加熱到接近軟化溫度Tf，短暫保持一定時(shí)間，然后使玻璃均勻地強(qiáng)制冷卻，玻璃在冷卻過程中，表面和中間層出現(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)致收縮不一致，使玻璃表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力。由于玻璃的抗壓強(qiáng)度比抗張強(qiáng)度大得多，從而提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

玻璃的鋼化加熱溫度不能過高，也不能過低。若溫度過高，玻璃產(chǎn)生變形；溫度過低，鋼化強(qiáng)度不夠。其最佳鋼化溫度為玻璃由脆性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的過渡階段中的某一溫度范圍，即接近軟化溫度的一個(gè)特殊溫度區(qū)（Tg～Tf）。Tg為玻璃的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，在此區(qū)域內(nèi)玻璃處于一種特殊狀態(tài)，既不是固體，又不是液體，通常被稱之為黏彈體。玻璃的（Tg～Tf）與其化學(xué)組成有關(guān)，普通硅酸鹽玻璃及汽車玻璃對應(yīng)的（Tg～Tf）為550～730 ℃。固化后形成永久殘余應(yīng)力，壓應(yīng)力的存在使得玻璃表面的微裂紋得到閉合，從而增加玻璃的強(qiáng)度。如圖1和圖2所示。

圖1 壓應(yīng)力使裂紋收縮

圖2 張應(yīng)力使裂紋擴(kuò)張

1.2 鋼化應(yīng)力數(shù)值模擬

歐洲早在幾百年前就知道用介質(zhì)急冷能得到強(qiáng)度較高的玻璃，但是其中的力學(xué)原理是近代彈性力學(xué)發(fā)展到一定階段，專家才得出很好的解釋。而近幾十年來，有限元技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得鋼化玻璃應(yīng)力分布能數(shù)值量化，模擬的過程和結(jié)果對工程技術(shù)人員理解玻璃鋼化有很大的幫助作用。鋼化玻璃有限元模型如圖3所示。

圖3 鋼化玻璃有限元模型

模擬玻璃鋼化一般步驟是在玻璃表面施加對流散熱層，先計(jì)算玻璃在快速冷卻的條件下不同厚度層的溫度。由于玻璃的導(dǎo)熱率較低，在冷卻一段時(shí)間后，玻璃外表面和中間的溫度出現(xiàn)了一定的差異。圖4為3.2 mm厚的玻璃截面的溫度分布，表面淺色表示溫度低，中間深色表示溫度較高。

圖4 冷卻過程中玻璃各層溫度分布

所有點(diǎn)的溫度下降趨勢如圖5所示，玻璃表面溫度比中間溫度下降快，圖6的溫度曲線顯示中間層溫度比表面層高23 ℃。

圖5 玻璃某點(diǎn)溫度下降

圖6 玻璃截面溫度分布曲線

將計(jì)算好的隨時(shí)間變化的溫度場賦予具有彈性模量和膨脹率的玻璃，因?yàn)檩^熱中間層玻璃比表面的玻璃收縮慢，當(dāng)兩側(cè)玻璃表面已經(jīng)冷卻硬化后，中間層還在收縮，但是這種收縮受到已經(jīng)硬化的上下表面拉制，不能自由收縮的中間層會對玻璃上下表面形成壓力，這種壓應(yīng)力隨著玻璃硬化而最后殘余下來，中間層形成張應(yīng)力。 見圖7和圖8。

圖7 玻璃張壓應(yīng)力分層圖

圖8 應(yīng)力曲線

計(jì)算結(jié)果顯示負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為張應(yīng)力，張應(yīng)力為50 MPa的時(shí)候壓應(yīng)力為-110 MPa。玻璃表面壓應(yīng)力與單位碎片粒數(shù)成正比，實(shí)驗(yàn)表面應(yīng)力達(dá)到110 MPa時(shí)，碎片達(dá)到60～70粒。但是應(yīng)力不能過大，表面應(yīng)力過大是鋼化玻璃自爆的原因之一。

有了有限元鋼化數(shù)值模型，能很直觀地看到影響玻璃鋼化效果的因素。同一類玻璃，厚度和換熱冷卻速度是決定玻璃鋼化效果的主要因素。不同厚度玻璃的應(yīng)力分布見圖9和圖10。

圖9 3.2 mm厚度玻璃應(yīng)力分布

從圖9和圖10得出，同樣的玻璃參數(shù)在一樣的薄膜系數(shù)（對流冷卻系數(shù)）條件下，3.5 mm厚度的壓應(yīng)力比3.2 mm的應(yīng)力大得多。這是由于玻璃中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生取決于玻璃中溫度梯度的存在，玻璃越厚，冷卻時(shí)的溫度梯度就越大。因此條件相同時(shí)，玻璃越厚，鋼化程度越高，當(dāng)玻璃厚度減少10%時(shí)，其鋼化程度則下降6%。當(dāng)玻璃厚度減少10%時(shí)，其鋼化程度則下降6%。

化學(xué)組成和厚度相同的玻璃，在加熱溫度相同時(shí)，其鋼化程度則由對流冷卻強(qiáng)度決定。冷卻速率越快，鋼化程度越高。鋼化玻璃利用風(fēng)機(jī)將一定壓力和風(fēng)量的外部低溫空氣直接吹到熱玻璃表面，計(jì)算使用的換熱系數(shù)為160 W/m2，結(jié)果如圖11所示，表面壓應(yīng)力為-190.8 MPa 。而烘彎玻璃成形后冷卻是用風(fēng)扇緩慢冷卻，如浮法玻璃的退火段，計(jì)算使用對流換熱系數(shù)為40 W/m2，結(jié)果如圖12所示，表面壓應(yīng)力為-37 MPa，所以前擋烘彎玻璃強(qiáng)度很低，撞擊后立即碎裂，靠PVB黏在一起，起到保護(hù)駕乘人員的目的 。

2 邊部應(yīng)力形成機(jī)理以及控制方法

2.1 邊部應(yīng)力的形成

玻璃表面壓應(yīng)力的大小和分布是決定玻璃鋼化效果的主要因素，制造過程中經(jīng)常說的邊部應(yīng)力應(yīng)該全稱為邊部應(yīng)力缺陷，主要原因是成形時(shí)玻璃和模具的接觸主要在玻璃邊部，加上玻璃的切割截面也不正對風(fēng)柵，導(dǎo)致玻璃邊部區(qū)域未能和大部分玻璃中間區(qū)域一起急冷，這是玻璃邊部應(yīng)力缺陷的主要形成原因。但是這種缺陷的應(yīng)力分布情況到底是怎么樣，傳統(tǒng)的計(jì)算一般很難得到，用光學(xué)測試應(yīng)力也只是得到分散的應(yīng)力數(shù)值，而有限元得出的結(jié)果直觀易懂。圖13為玻璃與模具接觸處的溫度示意圖，圖14為接觸處截面的溫度曲線。

圖14 接觸處截面的溫度曲線

從圖13和圖14處可以看出，玻璃和模具接觸處因冷風(fēng)吹不到，溫度明顯偏高。

溫度偏高到一定程度，會使得張應(yīng)力擴(kuò)展到玻璃表面，玻璃表面應(yīng)力分布不均，在后續(xù)使用過程中，玻璃會產(chǎn)生自爆。烘彎玻璃由于應(yīng)力較小，張應(yīng)力更加容易穿出。從圖15的玻璃表面應(yīng)力分布圖中可以看到和模具接觸部分的壓應(yīng)力明顯偏大甚至出現(xiàn)正的壓應(yīng)力。而圖16的截面圖上，深色的張應(yīng)力區(qū)域偏向玻璃和模具接觸的一面。

圖15 邊部應(yīng)力表面分布圖

圖16 邊部應(yīng)力截面分布圖

2.2 邊部應(yīng)力的控制

邊部張應(yīng)力使得該處表面的微裂紋張開，大大降低了玻璃的強(qiáng)度。為了避免玻璃邊部區(qū)域出現(xiàn)過大張應(yīng)力，一般汽車玻璃針對強(qiáng)鋼化的后擋風(fēng)玻璃和微鋼化的前擋風(fēng)玻璃分別采取若干措施來控制邊部張應(yīng)力。

2.2.1 前風(fēng)擋烘彎玻璃

針對前風(fēng)擋烘彎玻璃，一般采取4個(gè)措施：①在玻璃冷卻段，上下表面風(fēng)壓要一致；②金屬擋塊、纖維棉等都是造成邊部出現(xiàn)張應(yīng)力的因素，即使不能去除，也要與玻璃保持一定間距，讓冷風(fēng)能吹過去；③盡可能減少玻璃和烘彎模的接觸面積；④成形時(shí)，盡可能降低玻璃在烘彎模上的相對滑動(dòng)。

2.2.2 后擋鋼化玻璃

針對后擋鋼化玻璃，采取如下措施：①冷環(huán)上覆蓋厚薄均勻的低導(dǎo)熱通風(fēng)良好的網(wǎng)布；②合理設(shè)置凸模和凹模的壓合間隙；③冷環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，和玻璃接觸面要盡量小并且保證玻璃在冷環(huán)上的有效高度；④鋼化急冷時(shí)，上下風(fēng)壓一致。

3 結(jié)語

有限元方法可以直觀定量分析出鋼化玻璃的應(yīng)力分布，其結(jié)果對工程設(shè)計(jì)人員理解玻璃應(yīng)力分布和缺陷有很大幫助；邊部張應(yīng)力是減弱鋼化和烘彎玻璃強(qiáng)度的主要因素，生產(chǎn)過程中應(yīng)避免其伸出表面和擴(kuò)大。