从设计角度减少钢化玻璃自爆的方法探讨.doc_钢化玻璃自爆对策

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从设计角度减少钢化玻璃自爆的方法探讨

【摘要】钢化玻璃自爆是玻璃加工行业内常见的一个失效模式，目前，很多专家从玻璃自身特性及其生产工艺等方面对其自爆的原因进行了详细的分析，但都没有从整车设计角度，对如何减少钢化玻璃自爆进行分析研究。本文由钢化玻璃自爆的原因谈起，探讨了由于设计原因导致钢化玻璃自爆的多种因子，提出了从设计上减少钢化玻璃自爆的多种方法。具有实用价值。

【关键词】设计 钢化玻璃自爆 方法

【Abstract】Bursting is one of failure modes for tempered gla, in these yeas ,many experts in the field of gla have studied out a lot of solutions to reduce the rate failure mode for tempered gla, But these solutions just base on characteristics of gla or the proce to tempered gla, not on the design of gla for auto.The paper starts with the reason of the failure mode, and gives some advice to reducing the rate of bursting of tempered gla by correct designs.【Key words】design tempered gla solution 0前言

为了提高玻璃的机械性能及安全性能，对普通浮法玻璃进行钢化是全球公认的最好方法。平板玻璃经过钢化后，玻璃表面形成压应力，钢化玻璃的机械性能、耐冲击性能有了很大的提高。图1为钢化玻璃的内应力情况。

钢化玻璃是一种常见的安全玻璃，在汽车行业有着广泛的应用。钢化玻璃的安全性能，主要来源于它的永久应力。根据钢化玻璃的钢化原理，钢化玻璃钢化后，玻璃内部存在的张应力等于压应力，达到一个整体的平衡，无论在生产的过程中或者是成品使用过程中，一旦内应力的平衡被打破，玻璃就会发生爆裂，即玻璃产生自爆。

图1

1钢化玻璃自爆原因分析 1.1硫化镍结石

钢化玻璃内部的硫化镍膨胀是导致钢化玻璃自爆的主要原因。玻璃经钢化处理后，表面层形成压应力。内部板芯层呈张应力，压应力和张应力共同构成一个平衡体。玻璃本身是一种脆性材料，耐压但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是张应力引发的。

NiS是一种晶体，存在二种晶相：高温相α－NiS和低温相β－NiS，相变温度为379℃。玻璃在加热时，由于钢化炉内温度高于相变温度，NIS完全转化成α－NIS。由于钢化玻璃的急冷，α－NiS不能完全转化成后β－NiS，而被冻结。在室温环境下，α－NiS是不稳定的，有逐渐转变为β－NiS的趋势。这种转变伴随着约2--4%的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力。如果这种张应力出现在平面应力集中或者内应力的地方时，膨胀产生的压力可以使整块玻璃破裂。所以，除了选用质量比较好的浮法玻璃原片，减少玻璃因为硫化镍结石含量和降低钢化玻璃张应力办法外，从设计角度出发，尽量使钢化玻璃应力均匀，减少钢化玻璃应力集中的范围，减小玻璃生产加工的难度是有效降低钢化玻璃自爆风险的有效手段。

1.2钢化玻璃使用环境不良

钢化玻璃加工完成后一经安装，其使用环境决定了使用的效果。钢化玻璃使用环境不良，很可能导致钢化玻璃的某点或者某小面积受到冲击，导致钢化玻璃的局部应力过大，增加钢化玻璃应力不均等缺陷的严重程度，或者在使用的过程中改变玻璃的内部应力，加大钢化玻璃自爆的风险，当钢化玻璃的张应力大于玻璃的抗张极限时，钢化玻璃就会发生爆裂。

故良好的使用环境设计是减少钢化玻璃自爆的一个重要手段。

2设计角度减少玻璃自爆的方法 2.1玻璃的造型设计

玻璃在整车上的作用不仅仅是透光舒适的要求，更是装饰的需要。根据现阶段汽车造型的发展趋势，在整车上使用玻璃的面积越来越大，曲面越来越复杂。

对于玻璃本身而言，面积越大曲面越复杂，生产加工时的难度就越大，内应力就越不容易控制，玻璃自爆的风险也就越大，特别是复合曲面弯玻璃，需要靠模具或成型环辅助成型，使玻璃型面及周边弧度达到设计要求。但生产商为减少模具投入，往往采用玻璃软化后靠自重成型原理来进行生产，这样生产那些大球面玻璃时，就要提高炉温及玻璃加热温度，然后靠自重成型原理，使玻璃中心局部球面达到设计要求。这种成型模式往往会造成玻璃型面不光顺，局部拉伸变形量大，易造成玻璃表面应力和内应力分布不均匀，从而导致玻璃存在自爆隐患。另外，上面提到的辅助成型环，在玻璃钢化时，成型环与玻璃四周边缘直接接触，这样方种钢化生产出来的玻璃存在两个自爆隐患：

一、玻璃四周边缘10毫米左右区域下表面吹风量受成型环阻隔，相对其它区域，吹风量明显小了许多，从而造成玻璃边缘的形成应力与其它区域的应力有较大的差异，已致引起玻璃自爆，并且这也是玻璃产生自爆的主要内因之一；

二、成型环与玻璃周边贴合程度不同，受热胀冷缩影响，也会引起玻璃周边边缘应力分布不均匀，同样也可能导致玻璃发生自爆。所以在售后的统计中，复合曲面钢化玻璃比单曲面弯钢化玻璃的自爆率远远要高。

为了减少复合曲面钢化玻璃自爆，建议对玻璃中心球面大于17毫米或曲面复杂的玻璃选用凹凸模具辅助成型，同时对成型环结构进行控制，从而达到整片玻璃应力分布均匀。2.2玻璃与周边环境的间隙设计

由于玻璃为脆性材料，特别是考虑钢化玻璃表面应力的特殊性，钢化玻璃的连接应采用软连接。

对于钢化玻璃自爆而言，玻璃与周边零件间隙越大，玻璃自爆的风险就越小，但是在钢化玻璃与车身配合的设计中，同时要考虑美观，间隙太大，却不利于整车的外观要求，所以在设计中必须综合考虑。

任何物体都有热胀冷缩现象，玻璃亦然。为了保证钢化玻璃因为温度变化产生热胀冷缩现象后，玻璃与其他零件没有硬接触，必须对玻璃与其他零件的间隙进行计算，设计时给予考虑。

玻璃的膨胀量可以通过以下公式进行计算：

Δb=αΔTL

式中

α－为玻璃的线膨胀系数（1/℃）Δb—膨胀量（mm）ΔT—温差(℃)L—边长（mm）

5玻璃的线热胀系数为1×10 /℃，通过计算，一块边长1500mm的玻璃，当温度升高40℃时，玻璃的伸长量为0.6ｍｍ。

在设计的时候，同时应该考虑因玻璃的大小不同，玻璃的加工公差也不同的因素；也要考虑跟玻璃配合的零件和车身钣金的热涨冷缩尺寸变化大小，通过合理的尺寸链分析，给玻璃与其他零件的配合设计合理的间隙。图2所示的尺寸A，尺寸B都应该根据每个零件的生产工艺要求，设计合理的间隙，只有这样，才能保证玻璃在安装使用的过程中，不会因为钢化玻璃和其他零件因为热胀冷缩导致玻璃与其他零件出现硬接触，导致钢化玻璃自爆。

图2

如果在安装玻璃时，玻璃与两边钣金接触，在不考虑钣金热胀冷缩的情况下，由于温度差产生的玻璃膨胀的温度挤压应力可以通过以下公式进行计算。

σtk =αEΔT

式中

σtk－温差应力标准值（N/mm2或MPａ）α－为玻璃的线膨胀系数（1/℃）

2E－为玻璃的弹性模量（N/ｍｍ）ΔT为温度差（℃）

ΔT=40℃时，两边与钣金干涉时产生的应力为

－55σt=1×10×0.72×10×40=28.8MPａ

通过分析钢化急冷的物理过程，可知钢化玻璃表面张力和内部的最大张应力在数值上有粗略的比例关系，即张应力是压应力的1/2～1/3。国内汽车玻璃厂家一般将钢化玻璃表面张力设定在100MPa左右，钢化玻璃自身的张应力约为32MPa～46MPa，玻璃的抗张强度是59MPa～62MPa。

由于挤压应力的产生，严重增加了钢化玻璃的自爆风险，甚至足可以导致钢化玻璃自爆。2.3钢化玻璃开孔的设计

钢化玻璃上开孔的设计同样是一个比较常见的设计，在很多两厢车后风挡的设计中，经常在后风挡上设计一个安装雨刮的圆孔。

在钢化玻璃上进行开孔设计时，由于在钢化玻璃速冷时，孔的边缘较玻璃其它部分冷却快。所以在孔的边缘，会产生比较明显的应力集中。在很多客车用钢化玻璃设计时，在玻璃上开有很大的孔，玻璃厂家从工艺上采取了很多措施，例如应力补偿等方法，但都没有办法消除孔边缘部分的应力问题。

为降低由于开孔造成的应力问题，降低钢化玻璃因为开孔产生自爆的可能性，要尽量保证开孔的边部距离玻璃边缘最好1.5倍孔的直径以上，最小不能小于1.5倍半径。

另外由于孔径越大，产生应力集中的面积也越大，导致钢化玻璃在应力集中面积上爆裂的概率越大，所以在设计和工艺允许的情况下，尽量减小孔径，以保证钢化玻璃开孔周边的强度。如图3所示，放大图如图4所示。

图3

图4 2.4后风挡上加热丝的设计

现代轿车后风挡通常有除霜的电阻丝，在电阻丝工作的时候，在设计印刷加热丝时，玻璃中间的温度既要能满足除霜效率的要求，而又要保证在70度以下。但实际玻璃两侧的母线的温度却往往高于玻璃中间部分的温度。在温度存在梯度的时候，玻璃内部便会产生暂时热应力。温度高的区域对温度低的区域产生张应力，这种暂时应力会改变原来玻璃的内应力，有可能超过玻璃的抗拉强度，破坏钢化玻璃内部的应力平衡，产生自爆。

由于玻璃是热的不良导体由于这种温度产生的应力可以根据温度挤压应力的公式进行粗略计算。

另外，母线多印刷在黑边区域，如果的温度太高，这样玻璃内表面上收到了由于热膨胀产生的张应力。由于玻璃黑边处成型环的影响，表面压应力较小，当张应力增加到一定程度后，钢化玻璃内应力平衡便会遭到破坏，玻璃便会发生自爆。

所以，在加热丝设计的时候，应该综合考虑玻璃边部与玻璃中间部分的温度差，减小因临时应力产生的应力不均衡，导致玻璃自爆的风险。根据经验，尽量保证母线位置与玻璃中心位置的温度差在5摄氏度之内，最多不能超过10摄氏度。2.5玻璃磨边设计

玻璃的切割是用专用的刀具在玻璃表面造成细微的伤口，然后再进行掰边，其原理是刀具在玻璃上留有刻痕，这时玻璃内部产生三条裂痕，其中两条是沿表面左右分开，另一条是垂直向下伸展的竖缝，在竖缝的端部产生拉应力，再加上曲折的弯力，竖缝向下伸展出去便可把玻璃切断。玻璃在裁划切断时，沿玻璃周边隐藏着许多微小的裂口，虽然这种裂纹用肉眼很难观察到，但这些裂口在各种效应与热应力影响下，会扩展成裂缝，裂缝进一步发展会导致玻璃破裂。

另外在玻璃的上片、下片，包装，运输等过程中，玻璃的边部很可能有着不同程度损坏，存在目视很难发现的微小爆边、划伤、裂纹等缺陷，这些缺陷在生产、包装、运输、安装或者使用的过程中都可能不断的恶化，导致钢化玻璃内应力被破坏，发生钢化玻璃自爆。

为降低因上述缺陷导致钢化玻璃自爆的风险，在玻璃设计的时候，在综合考虑成本、效率的情况下，建议钢化玻璃的磨边采用1号磨边，通过磨边可以去除大部分边部的裂纹、爆边等生产过程中产生的缺陷，降低钢化玻璃自爆的风险。2.6玻璃上粘贴附件设计

应尽量少的在钢化玻璃上粘贴零件。玻璃在温度变化影响下会热胀冷缩。在一般的设计中，在钢化玻璃特别是后风挡玻璃周围通常设计一圈橡胶条来与车身配合。橡胶条的设计也各不相同，有的直接用橡胶卡在玻璃周边，有的用双面胶带粘贴在玻璃上。另外在后风挡上用聚氨脂胶粘贴卡扣、金属片的设计屡见不鲜。经过研究表明由于钢化玻璃与其他零件的热膨胀系数的不同，在不同温度下零件的长度不同，导致钢化玻璃表面受到张应力，这种张应力对钢化玻璃的应力影响虽然不大，但是直接导致钢化玻璃的局部受到的应力不均，增加玻璃自爆的可能性。

在现在的汽车市场上，已经有很多车型的后风挡玻璃周边没有橡胶条等零件。这种设计不但能降低整车成本，减少管理费用，同时对玻璃的应力也有一定的好处。

所以在可能的情况下尽量不粘贴零件在钢化玻璃的表面。如果必须采用粘接附件，尽量采用有弹性的胶带粘接。2.7玻璃黑边的印刷设计

玻璃黑边花边是玻璃对整车装饰的延伸。玻璃的黑边有效的阻挡了钣金的止口、打胶、加热丝母线等带来的缺陷。但是玻璃黑边却对钢化玻璃的应力产生了影响。由于玻璃黑边处的吸热和冷却速度与透明处玻璃存在差异，加上边部成型环的影响。玻璃黑边处的表面压应力较玻璃透明部分的明显偏小。所以玻璃黑边处的耐冲击明显低于透明区域。这也是钢化玻璃往往在黑边处爆裂的主要原因。

大家普遍认为，黑边对玻璃的应力影响不是很大，与成型环对玻璃应力的影响来比，几乎可以忽略不计。但是玻璃黑边的存在对玻璃的加工难度有明显的影响。所以在设计时，要尽量的减小黑边的宽度，减少钢化玻璃从黑边处自爆的概率。2.8玻璃打胶轨迹设计 玻璃装配到车身上，目前车厂普遍采用工艺的聚胺酯胶粘结工艺，但是如对玻璃打胶轨迹设计不科学，也易造成玻璃自爆，如果玻璃上打胶位置与玻璃边缘距离不一致或者距离过大，就会导致玻璃上粘结聚胺酯胶位置受到粘结聚胺酯胶热胀冷缩外力不一致，造成局部受力过大，并且距离过大也易造成玻璃处在悬空状态，从而出现汽车在行驶的过程，玻璃受到外力不一致，导致存自爆的隐患，故在玻璃装配工艺上，必须根据车身的造型，合理设计玻璃打胶轨迹。

三、结论

钢化玻璃的自爆的根本原因是钢化玻璃应力平衡被破坏，改善钢化玻璃的应力是减少钢化玻璃自爆风险的必要措施。但是由于钢化玻璃工艺的局限性，在保证钢化玻璃强度和玻璃的外观情况下，很难保证钢化玻璃表面应力的均匀一致。因此，为了降低钢化玻璃自爆的风险，必须从设计上首先考虑钢化玻璃的生产难度，尽量少的因为设计原因，导致钢化玻璃的加工困难、应力难以控制，或者玻璃钢化安装后二次应力的产生。所以从设计上减少钢化玻璃的自爆，是很有必要的。

四、参考文献