检测玻璃产品中的应力是质量控制的关键
                                                      
                                                       Alex Redner 著
                                          （Strainoptic Technologies Incorporated）
                                                 
                                                    李莉 钦明亮 马建伟 译
                       （北京高光科技有限公司 北京市海淀区长春桥路11 号万柳亿城大厦C1 座303 室，100089）



摘要：残余应力的检测需要提高检测质量、减少检测成本。这篇文章阐述了几种提高观测可靠性的方法，同时还给出了基于PC 机测试的几种方法并讨论了其优点。

    玻璃是易碎材料，大多数玻璃的碎裂发生在生产过程中引入残余张力的部位。玻璃生产的质量控制必须消除这些潜在的问题，从而确保退火玻璃不存在超过指定标准的残余应力，或者热处理玻璃存在一个压应力保护层。产品规格必须明确规定应力标准。
   
    举例来说，美国ASTM C1048 标准要求热处理玻璃必须具有3500-10000psi 的表面压应力，或大于5500psi 的边缘压应力，而完全钢化玻璃的表面和边缘应力都不小于10000psi。玻璃的钢化和热处理不仅广泛应用于浮法玻璃，同时也越来越多地应用于餐桌用具、玻璃容器和冲压玻璃。无论对于退火玻璃还是钢化玻璃，残余应力的检测都是进行质量控制、确保产品质量的不可缺少的基础环节。
   
    由于玻璃是透明物体，因此利用光弹技术即可轻松地检测残余应力。

利用光弹效应测量应力

    众所周知，光弹效应可用于检测任何透明材料的残余应力。检测光路如图1 所示。

    残余应力使玻璃产生双折射效应。在主应力S1 和S2 两个方向上，偏振光以不同的速度传播，经过厚度为t 的玻璃后，快慢两束光之间产生了一个光程差R，R 与主应力的大小有关：
                                                         
                                                        S = S1 - S2
                                                        R = S * t * CB
                        
                                  

                                                     图1 偏光计中的光路

    式中，CB 是材料应力常数（或称Brewster 常数），t 是材料厚度。使用后面将要介绍的目测或自动测量方法，可以测得Rt，并求得应力值：
                                                       
                                                       S = R/1·CB
   
表1 列出了几种常见玻璃的材料常数。

        玻璃种类                 Brewster 常数 1012m2/N                 条纹常数：psi-in/条纹
         Soda lime                        2.55                                  1270
         Zerodor                            5                                   1080
         Borosillicate                    3.8                                   850
         Aluminosillicate                 2.6                                   1250
         60 Pb0                             2                                   1600


彩色图案观测法测量应力

    检测应力的最简单的方法是目测观察彩色条纹。将带有应力的玻璃样品放在偏光仪中，就会看到彩色图案。对于有经验的操作人员，依据表2 所示的颜色对照表，即可估算出与显示颜色对应的延迟量。表2 在以下条件下有效：
􀂃  延迟量很小（如退火玻璃）
􀂃  在观测区域，样品的应力方向应与偏光计的轴对准
􀂃  只进行定性测量
􀂃  操作人员必须经过训练，有丰富的经验
   
    当使用已标定的参考标准代替颜色对照表时，可以大大提高估值的可靠性。参考量规（图2 所示）与被观测样品一起放在偏光计中。操作人员不再需要判断观察到的颜色，只需要将观测到的图案与量规中的颜色进行核对。操作标准还是很有价值的培训工具，建议用于操作人员的培训中。
                                                     
                                                 
                                                      图2 标定用参考量规


分析仪旋转测量法（Senarmont 定量应力测定法）
   
     这种方法可实现定量的延迟测量，原理见图3。当延迟量R=α/180·α时，分析仪旋转α角使黑色（0 级）条纹移动到新的位置。分数α/180称为分数条纹级数N。使用这种方法需要对所有的部件进行精确对准，如图3 所示。被测应力的方向必须与偏振器/分析仪的P.A.轴向成45°角。
                                         
                                            

                                                   图3 分析仪旋转法测量原理

 
            
                    在暗视场偏光器中观测到的颜色                              使用全波延迟器观测到的颜色

                    延迟量R（nm）       条纹级数                              条纹级数      延迟量R（nm）

黑                       0                 0                                      1             -565
灰                      150                                                                     -415
浅黄                    250                                                                     -315
黄                      300               0.5                                   -0.5            -265
橘黄（深黄）            450                                                                     -115
红                      500                                                                     -65
蓝紫(1 级条纹)          565                1                                      0              0
蓝                      600                                                                      35
蓝绿                    650                                                                      85
绿黄                    750                                                                      185
黄                      850               1.5                                    0.5             285
橘黄                    950                                                                      385
红                      1050                                                                     485
蓝紫                    1130               2                                      1              565
绿                      1300                                                                     735
绿黄                    1400                                                                     835
粉红                    1500                                                                     935
紫                      1695               3                                      2              1130
绿                      1750                                                                     1185


    这种方法只有训练有素的操作人员才能使用，因为黑色条纹移向POI 的过程中不停地变换颜色，而且对基于颜色的信号的解析更需要丰富的经验。使用这种方法时，在视场中放置一片彩色玻片可以提高检测的灵敏度。而在样品旁放置一个已标定过的量规便于操作者进行训练并消除在判断条纹是否与已知点有效交叉的时候可能产生的误差。

补偿器法

    补偿器法使用很简单。操作人员只需移动1/4 测量楔，直到在测量点观测到黑色条纹为止（见图4a 和4b），然后在计数器或读数盘上读取测量楔的位置即可。即便无经验的操作人员经过最基本的培训后也可进行精确读数。使用单色光时必须对补偿器校准。

                               
                      图4a 用DWC 补偿器测钢化玻璃的边缘应力    图4b 用1/4 测量楔测量表面应力（GASP）



基于PC 机的检测仪器

    依赖于对彩色条纹的观察显然会限制检测的精确性、速度和可靠性。在当前的技术条件下，对产品的质量和检测过程的可靠性要求很高，因此必须寻找更客观和准确的检测方法。

    目前有两种基于PC 机的检测方法：
   
    全视场观察，并使用数字图像分析方法
􀂃 
    应力扫描仪，并使用光谱分析仪

    数字图像分析系统（DIAS）（见图5）使用了一个CCD 照相机和一个可安装在PC 机上的数字化面板，可以获得一个512 x 512 点阵的图像。根据客户要求设计的软件，允许进行所需的质量控制操作。将被测样品置于视场内，即可得到相应的图像。

                          

                                             图5 观测10 块面板的数字图像分析系统


通常可以观测到以下结果：
􀂃
    检测到被测区域内的最大应力及其位置
􀂃 
    沿着所选检测线的应力图
􀂃 
    应力的全视场观测，显示为由颜色标示的等压线图
􀂃 
    拒绝报警DIAS 方法主要退火玻璃的观测。当然，也可应用于其它热处理玻璃的观测。

    应力扫描仪是基于光谱分析（SCA）方法。这些仪器（见图6）可以精确测量某一点的应力（分辨率为1mm），并且速度很快，>1000 点/分钟。
                                           

                                          

                                          图6 用于钢化玻璃在线监测的SCA 应力扫描仪

    在某些应用中，随着产品在生产线上的移动，数据被记录下来，结果显示为数字数据（如最大值）或图像。

    应力扫描仪主要应用于浮法玻璃、钢化玻璃和热处理玻璃等光学玻璃及光学玻璃产品的应力观测，这些产品不需要高灵敏度的图像观测。

结论
  
    本文讨论的测量方法广泛应用于工业生产中。显然，使用彩色图案观测法的仪器价格最低，但对使用技能要求最高，且需要对操作人员进行培训。
   
    这种检测的高劳动力成本唯有使用基于PC 机的系统可降低，基于PC 机的系统具有在线监测、客观、可靠的优点。

参考文献

1. ASTM 标准手册，费城，PA C1048-89，热处理平板玻璃--类热强化，类FT 镀膜和非镀膜玻璃，卷15.02。

2. ASTM 标准说明手册，F218-68，分析玻璃中的应力。

3. C1279 退火、热处理和完全钢化平板玻璃的边缘和表面应力的无损伤光弹法检测（未发表）。

4. PS-100 偏光计系统、SA-100 偏光计指导手册，Strainoptics 公司。