摘要：鋼化玻璃是一種應(yīng)用于很多領(lǐng)域的常見材料，給人們帶來方便，然而其自爆情況屢見不鮮。有關(guān)鋼化玻璃研究的文獻(xiàn)較多，但極少有涉及主機(jī)廠對汽車鋼化玻璃供應(yīng)商進(jìn)行自爆管理與分析。為此，對汽車鋼化玻璃的自爆原理進(jìn)行了分析，并針對主機(jī)廠整理的供應(yīng)商，對鋼化玻璃進(jìn)行自爆管理與相關(guān)工藝進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：鋼化玻璃；自爆；硫化鎳；內(nèi)應(yīng)力；風(fēng)柵設(shè)計(jì)

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-08-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.030

1 汽車中的鋼化玻璃

汽車中對玻璃的使用有以下類別：a.車身玻璃，即前后擋玻璃、門窗玻璃、角窗玻璃、天窗玻璃等。b.帶透鏡的汽車燈具，即前后大燈、剎車燈、組合燈、貫穿燈、日行燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈等。c.儀表與顯示，即儀表臺、抬頭顯示（HUD）、車機(jī)屏幕、內(nèi)外后視鏡、主副駕化妝鏡等。

由于鋼化玻璃成本高于浮法玻璃，一般只有需要滿足安全性的地方才使用鋼化玻璃，也即只有車身玻璃會使用鋼化玻璃。鋼化玻璃碎裂時(shí)會裂成小碎塊，碎裂后無法看到玻璃對側(cè)情況，故前擋風(fēng)玻璃與前門玻璃必須使用雙層夾膠玻璃［1］。而天窗玻璃由于需要兼顧碎片不能脫落的特性與一定的防爆強(qiáng)度，所以需要使用半鋼化夾膠玻璃。車身其余玻璃皆為鋼化玻璃（也可選擇雙層夾膠玻璃，但成本更高），包括后擋玻璃、后門玻璃、角窗玻璃等。

鋼化玻璃是由浮法玻璃經(jīng)加熱爐加熱、爐內(nèi)壓制成形，之后經(jīng)淬冷鋼化，得到的具有一定強(qiáng)度的玻璃。實(shí)際上，如果沒有形狀變化的要求，如裝修用的平面玻璃，成形工藝可以省略。但汽車玻璃隨車身形狀來設(shè)計(jì)，存在一定曲率，如后擋玻璃曲率較大、角窗玻璃曲率較小。鋼化玻璃的強(qiáng)度來源于淬冷工藝。由于外層玻璃受冷風(fēng)急速冷卻，導(dǎo)致玻璃內(nèi)外層溫度變化不均勻，玻璃外層溫度低先硬化，密度大，形成壓應(yīng)力；內(nèi)層溫度高，密度小，體積大，被外層玻璃外拉，形成拉應(yīng)力。拉壓應(yīng)力即為鋼化玻璃的內(nèi)應(yīng)力，鋼化玻璃的壓應(yīng)力即為表面應(yīng)力。當(dāng)玻璃承受外力時(shí)先抵消表面應(yīng)力，從而提高承載能力，增強(qiáng)玻璃自身抗沖擊性［2］。同時(shí)，表面應(yīng)力為玻璃表層提供了向內(nèi)的力，當(dāng)鋼化玻璃表面產(chǎn)生極小的裂紋時(shí)，向內(nèi)的力將玻璃表面拉緊，防止玻璃的破碎。

2 汽車鋼化玻璃自爆原理

汽車玻璃內(nèi)部受兩個(gè)力，即玻璃鋼化時(shí)的內(nèi)應(yīng)力與硫化鎳的張力，玻璃的材料強(qiáng)度約為160 MPa，如果玻璃內(nèi)部存在超過160 MPa的應(yīng)力，玻璃存在自爆風(fēng)險(xiǎn)。

鋼化玻璃生產(chǎn)時(shí)首先將浮法玻璃加熱至630～750 ℃，使其軟化以便成形。冷卻時(shí)，浮法玻璃自帶的硫化鎳會由α態(tài)轉(zhuǎn)為β態(tài)，體積增大2%～4%，由于硫化鎳膨脹，體積越大時(shí)受玻璃壓力越大，膨脹速度越慢。通常需要7天左右才能完成大部分的轉(zhuǎn)化。因此玻璃自爆往往發(fā)生于市場車輛，主機(jī)廠廠內(nèi)車輛往往較少涉及鋼化玻璃自爆。

2.1 硫化鎳的張力

玻璃在生產(chǎn)過程中需要沙子、石英巖等多種材料，而天然礦石中都帶有鎳元素，芒硝等還原劑中帶有硫元素，需要通過置換反應(yīng)生成硫化鎳［3］。經(jīng)測量，玻璃內(nèi)部直徑0.32 mm的硫化鎳就可以產(chǎn)生超過160 MPa的張力，所以硫化鎳顆粒大于0.32 mm時(shí)，鋼化玻璃會在爐內(nèi)淬冷時(shí)直接碎裂。直徑0.1 mm的硫化鎳可提供約80 MPa的張力，所以需要將硫化鎳顆粒大小控制在0.1 mm以內(nèi)，去除0.1～0.3 mm的硫化鎳顆粒，是防止鋼化玻璃自爆的要點(diǎn)。

2.2 玻璃鋼化內(nèi)應(yīng)力

鋼化玻璃在淬冷時(shí)形成了內(nèi)應(yīng)力，這將直接影響到玻璃的內(nèi)應(yīng)力分布［4］。張應(yīng)力為表面壓應(yīng)力的0.4～0.6倍，則表面壓應(yīng)力最低（國標(biāo)）為90 MPa時(shí)，內(nèi)部張應(yīng)力為36～54 MPa，而表面壓應(yīng)力為150 MPa時(shí)，內(nèi)部張應(yīng)力為60～90 MPa。很顯然，過大的張應(yīng)力會導(dǎo)致中間層裂開，從而發(fā)生自爆。影響玻璃鋼化內(nèi)應(yīng)力的要素有玻璃厚度、玻璃形狀、淬冷參數(shù)及淬冷風(fēng)柵模型等。

a.玻璃厚度。淬冷實(shí)質(zhì)是向玻璃外層吹冷風(fēng)。汽車安全玻璃認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB 9656—2021中，要求玻璃受外力碎裂后，以起爆點(diǎn)為圓心，75 mm為半徑以外的區(qū)域，隨機(jī)選擇50 mm×50 mm的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)玻璃碎片數(shù)≥40塊，經(jīng)換算，這意味著汽車用鋼化玻璃表面應(yīng)力的要求為≥90 MPa，也就是說，僅對壓應(yīng)力層最外側(cè)應(yīng)力值有要求，且不同玻璃厚度下的壓應(yīng)力要求無差異。

b.玻璃形狀。平板玻璃，無論是鋼化玻璃或是浮法玻璃，橫截面上溫度基本均勻，不會存在橫向上的拉壓應(yīng)力。汽車中后擋玻璃為了滿足外觀與空氣動力學(xué)的需求，往往存在一定的弧度。這些弧度是成形時(shí)壓出來的，導(dǎo)致玻璃會獲得橫向上的拉壓應(yīng)力。由于玻璃內(nèi)部本身存在縱向拉應(yīng)力，橫向拉應(yīng)力會加大玻璃內(nèi)部的拉應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃自爆。

c.風(fēng)柵淬冷結(jié)構(gòu)與參數(shù)。為了滿足淬冷的各項(xiàng)條件，對淬冷設(shè)備也有一定要求。將鋼化玻璃淬冷使用的出風(fēng)設(shè)備稱為風(fēng)柵，它擁有諸多出風(fēng)口的柵狀結(jié)構(gòu)。對于平面玻璃，僅需要設(shè)計(jì)出風(fēng)均勻的平面型風(fēng)柵即可；但對于后擋玻璃，由于存在一定曲率，為了防止局部應(yīng)力過強(qiáng)，必須減弱局部位置的淬冷。

為了使整塊玻璃應(yīng)力均勻，要對風(fēng)柵的形狀及淬冷時(shí)的參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，下面進(jìn)行具體分析。

a.風(fēng)柵位置。風(fēng)柵到玻璃的距離直接影響風(fēng)接觸到玻璃時(shí)的流速，除此之外，如果風(fēng)柵某些位置過窄，可能導(dǎo)致中心區(qū)域熱風(fēng)無法排出。另外，某些特殊構(gòu)造會使局部區(qū)域產(chǎn)生氣壓渦旋或出風(fēng)異常，影響鋼化效果。

b.風(fēng)柵噴嘴風(fēng)速。由于淬冷使用的風(fēng)為常溫，風(fēng)速是另一個(gè)直接影響淬冷時(shí)間的因素。過低的風(fēng)速導(dǎo)致淬冷更接近自然冷卻，導(dǎo)致鋼化不足，而過高的風(fēng)速使淬冷的內(nèi)應(yīng)力過大，導(dǎo)致玻璃更易自爆。

c.淬冷時(shí)間。淬冷時(shí)間即為吹風(fēng)時(shí)間。

2.3 無關(guān)的影響因素

玻璃搭載等外力不是玻璃自爆的影響因素。汽車玻璃搭載到車身上，作為整體只受到玻璃膠搭載到車身上的外力。該外力相比其內(nèi)應(yīng)力非常小，假設(shè)玻璃長度為1 200 mm，寬度600 mm，玻璃厚度3.5 mm，壓縮后打膠寬度為5 mm，鋼化玻璃密度為2.6 g/cm3，g為9.8 m/s2，則膠給玻璃的拉力壓強(qiáng)為3.57 kPa。實(shí)際上由于玻璃搭載不完全均勻，以及玻璃膠固化導(dǎo)致接觸面積的減小，玻璃拉力壓強(qiáng)最大可達(dá)10 kPa。由于鋼化玻璃材料強(qiáng)度約為160 MPa，該拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該強(qiáng)度［5］。

3 鋼化玻璃供應(yīng)商對鋼化玻璃的管控

由于圖紙已經(jīng)確認(rèn)玻璃形狀、厚度，后續(xù)無法調(diào)整這些參數(shù)，因此無法對上文中玻璃鋼化內(nèi)應(yīng)力的兩方面進(jìn)行管理，它們的管控只能通過前期的車身設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

3.1 硫化鎳的管控

本文以多家國內(nèi)較為知名的汽車玻璃廠商為例。當(dāng)浮法玻璃生產(chǎn)完成后，各家汽車玻璃廠家都會使用拍照設(shè)備對玻璃取樣拍照，確認(rèn)樣本中硫化鎳與其他缺陷的數(shù)量，進(jìn)而對整批材質(zhì)進(jìn)行判定。

F公司：原片廠將礦石納入后，為了消除鎳元素的影響，使用大量磁鐵吸附鐵、鎳等元素，降低礦石中的鎳含量。當(dāng)浮法玻璃生產(chǎn)完畢后，隨機(jī)選擇一整塊完整玻璃，取5塊不同位置10 mm×10 mm的區(qū)域，通過顯微鏡對該區(qū)域的缺陷進(jìn)行視覺確認(rèn)，通過缺陷率判定這一批次產(chǎn)品率是否在合格范圍內(nèi)。

A公司：原片廠將礦石納入后，為了消除鎳元素的影響，同樣使用大量磁鐵吸附鐵、鎳等元素，降低礦石中的鎳含量。浮法玻璃生產(chǎn)過程中，以攝像頭進(jìn)行全檢，將所有0.1 mm以上的氣泡、結(jié)石等缺陷檢出，將該塊玻璃進(jìn)行人工復(fù)核，如人工復(fù)核證實(shí)缺陷為硫化鎳顆粒，報(bào)廢這塊玻璃防止流出。

S公司：為了減少磁鐵吸附的作業(yè)，采購了更高規(guī)格的二氧化硅原料，同時(shí)追加應(yīng)力檢查，通過抽樣檢查的方式防止內(nèi)應(yīng)力過大。

3.2 風(fēng)柵設(shè)計(jì)

風(fēng)柵設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮與其配套的淬冷參數(shù)，這將直接影響鋼化玻璃淬冷效果，從而影響內(nèi)應(yīng)力。

3.3 勻質(zhì)爐提前引爆可能自爆的鋼化玻璃

勻質(zhì)爐是供應(yīng)商防止自爆的重要工具，它內(nèi)部溫度較高，可以達(dá)到300 ℃。在較高的溫度下，玻璃更快轉(zhuǎn)化為α態(tài)部品，這是因?yàn)楦邷叵虏Ａ芏刃?，?nèi)部壓強(qiáng)小，有利于硫化鎳的轉(zhuǎn)化。經(jīng)對比，在勻質(zhì)爐中放置1 h和放在常溫下3天硫化鎳的轉(zhuǎn)換量相當(dāng)，所以可以將玻璃放入勻質(zhì)爐放置3～4 h，防止玻璃自爆［6］。由于勻質(zhì)爐體積的限制，這種爐具一般用來處理較小面積的鋼化玻璃，如三角窗、四角窗玻璃等。對于后擋風(fēng)玻璃，更大的面積意味著更大的勻質(zhì)設(shè)備、更大的存放倉庫，對供應(yīng)商的成本要求較高。

本質(zhì)上，勻質(zhì)的意義就是在玻璃生產(chǎn)后存放、出荷后防止鋼化玻璃在主機(jī)廠自爆，提前引爆是一種較好的方法，通過提前引爆玻璃，可降低整車維修費(fèi)用、物流費(fèi)用以及人工等成本。

4 設(shè)計(jì)階段對鋼化玻璃自爆問題的處理

4.1 玻璃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮曲率

在開發(fā)車身時(shí)，為了設(shè)計(jì)更時(shí)尚的外觀與空氣動力，有的車型將玻璃設(shè)計(jì)為連接到側(cè)圍的后擋玻璃。其兩側(cè)的彎折近70°，曲率過大時(shí)，玻璃表面形變會強(qiáng)行增大內(nèi)部的張應(yīng)力，造成彎折位置內(nèi)應(yīng)力極大。如果車型設(shè)計(jì)即考慮玻璃曲率的要求對其進(jìn)行一定的限制，則可以減少一部分玻璃自爆案件的發(fā)生。

4.2 玻璃設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮厚度

假設(shè)鋼化玻璃足夠厚，其中心處一定是自然冷卻，玻璃中心處張應(yīng)力應(yīng)接近0；假設(shè)鋼化玻璃足夠薄，其中心處的淬冷應(yīng)接近邊緣位置，內(nèi)部張應(yīng)力應(yīng)接近于表面的壓應(yīng)力。對于自爆問題而言，越厚的玻璃自爆可能性越低。然而，厚玻璃導(dǎo)致制造成本的上升，所以設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定適合的玻璃厚度，目前汽車后擋玻璃厚度一般為3.5～4 mm。

4.3 可選擇取消部分鋼化玻璃的設(shè)計(jì)

最容易自爆的玻璃是后擋玻璃，因?yàn)樗钦囎畲蟮匿摶Ａ?。以極星4為例，它使用流媒體后視鏡，在沒有后擋玻璃的情況下，將后窗臺位置當(dāng)作小型儲物空間。某些車型也在探究將后擋玻璃設(shè)計(jì)為液晶顯示屏，將后視攝像頭拍攝的影像投影在后液晶顯示屏上的做法［7］。

5 未來方向

目前，每臺汽車鋼化玻璃自爆會造成多方面的損失，包括往返的物流費(fèi)用、受損零件的成本、更換相關(guān)零件的人工成本，以及造成車輛延遲交付的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這就需要供應(yīng)商對硫化鎳、玻璃內(nèi)應(yīng)力都有管控能力，需要主機(jī)廠項(xiàng)目開發(fā)時(shí)對玻璃形狀的設(shè)計(jì)滿足制造端工程能力的要求。

a.風(fēng)柵設(shè)計(jì)追加流體熱力學(xué)仿真技術(shù)。通過流體熱力學(xué)仿真技術(shù)，使用MATLAB等程序構(gòu)筑玻璃熱力學(xué)模型，通過該模型確認(rèn)鋼化內(nèi)應(yīng)力。通過對比模型內(nèi)應(yīng)力與實(shí)際生產(chǎn)測量的玻璃內(nèi)應(yīng)力，不斷調(diào)整模型模擬的淬冷參數(shù)，直到實(shí)際內(nèi)應(yīng)力與模型玻璃的內(nèi)應(yīng)力曲線擬合度達(dá)到95%。將該模型的淬冷參數(shù)取出，利用這些淬冷參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的風(fēng)柵。這種方式將風(fēng)柵設(shè)計(jì)、淬冷參數(shù)與內(nèi)應(yīng)力三者構(gòu)筑成兩個(gè)獨(dú)立的模型，降低了風(fēng)柵設(shè)計(jì)的難度，更高精度的保證了鋼化玻璃的內(nèi)應(yīng)力在合適范圍內(nèi)。

b.微觀檢查時(shí)追加智能識別技術(shù)。近年來AI（智能化）是企業(yè)生產(chǎn)的大勢所趨，更多機(jī)器人、智能設(shè)備已經(jīng)投入使用。鋼化玻璃的智能檢查也可以使用數(shù)據(jù)庫的方式，進(jìn)行智能學(xué)習(xí)。通過數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)氣泡、顆粒、硫化鎳等外觀特征，可以防止攝像頭自動識別的誤判情況，防止帶有硫化鎳的玻璃流出。

c.開發(fā)大尺寸的勻質(zhì)爐。勻質(zhì)爐可以提前引爆有自爆可能的鋼化玻璃。但勻質(zhì)爐一般較小，對于體型較小的鋼化玻璃，可以使用勻質(zhì)爐；對于較大的后擋玻璃，目前還沒有勻質(zhì)爐可以將后擋玻璃放入。因此，針對某些特殊曲率的玻璃，定制更大的勻質(zhì)爐也可以減少出廠后玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)。

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