汽车玻璃边缘应力的自动检测

                                                        Alex S. Redner 著
                                                  Strainoptic Technologies, Inc.

                                                            李 莉 译
                                 北京高光科技有限公司 海淀区长春桥路11号万柳亿城大厦C1座303，100089

                                            关键词：测量应力 边缘应力 汽车玻璃 质量控制


摘要：汽车玻璃的质量受到由于弯曲、加热和夹层工艺引起的一组复杂的应力的影响。张应力在玻璃的边缘附近扩展。如果不加以控制，这些张应力会导致玻璃在日后的使用过程中破裂。例如汽车挡风玻璃的边缘压应力如果不够高就会破裂。为了保证产品质量，避免其在使用过程中破裂，必须在汽车玻璃的生产过程中严格贯彻质量控制程序。汽车玻璃制造商使用手动边缘应力仪检测玻璃外围若干个点的压应力和张应力。然而这种目测读数的方法耗时耗工。由于夹层挡风玻璃的延迟量较低，因此这种目测方法的重复性不尽人意。因此，一种新型的使用轻巧、便携、基于PC 机的测量探头自动检测边缘应力的测量系统应运而生。这种新系统消除了由操作者引起的误差，并具有数据存储的功能，已备将来查看和分析。

引子

    钢化玻璃的钢化工艺的目的是在玻璃的表面和边缘产生一个压应力保护层。在热弯和夹层玻璃中，也存在表面压应力，但是值要小得多，而弯曲应力的值却相当高。在边缘附近的一段区域内，应力呈剖物线型分布，如图1 所示。玻璃边缘的应力分布远比图1 所示复杂得多。除了表面

                           

                                       图1 钢化玻璃和退火玻璃沿厚度方向分布的应力
 

冷却外，边缘也有热量散失，以致于在图2 所示的表面E 产生边缘压应力并使其中层张应力增加来平衡边缘压应力。S.T.Gulati 博士曾做过钢化玻璃、热弯玻璃和夹层玻璃的应力分析报告。他强烈建议把应力的检测作为质量控制的系统化的必要的组成部分从而消除日后潜在的玻璃碎裂的情况发生。玻璃的表面应力与冷却时的温度分布有关，还与热弯和夹层玻璃的弯曲情况有关。如图2 所示，假设冷却率和热风的速率相等，那么，玻璃的边缘表面“E”将产生压应力，其值依尺寸不同，与表面应力成比例。表面E 和F 的压应力与中层张力相平衡。在某些情况下，只要由于弯曲产生额外的表面张应力，张力区域就会达到玻璃的表面（如图2 所示）。

                       

                                                图2 接近边缘的表面应力和中层应力

    通过透射光测量平均表层应力，结果如图3 所示，显示了从边缘起小距离（典型值为12-25mm）内的平均张应力的最大值。平均值较大的正的张力是由不理想的边缘冷却速率引起的，预示着潜在的弯曲问题。S.T.Gulati 博士指出1000psi（7MPa）的表层张应力将导致玻璃在不久的将来碎裂。

                   
                       

                                               图3 表层应力—到边缘距离的关系曲线


测量边缘应力和表层应力
   
    采用光弹测试方法，利用光束传播可以揭示出边缘压力和张力的不平衡。补偿器（符合ASTM 测量方法C1279）在3-4mm 玻璃的检测中能达到0.3MPa 的应力分辨率。在ASTM的测试程序中包含一种外推法，这种方法常用于底边深度大于0.25mm 的情况。然而该测试程序既浪费时间又需要操作人员有丰富的经验。因此，在汽车工业中不能广泛应用。通常的做法是，在玻璃的底边检测边缘应力，考虑到最边缘的应力相当高，附加一个经验常数。观测条纹测量法广泛应用在汽车玻璃的检测中（见图4）。

                                   



新的检测方法

    为了消除观测条纹法的低灵敏度和主观性，一种新型的基于PC 机的、便携式边缘应力仪（PES-100）应运而生。这款仪器可用来检测任一段靠近边缘并与边缘垂直的短线上的应力。检测方法是在SCA 方法的基础上做一些变化，包括数据获取速率的提高，灵敏度的提高，可以进行夹层玻璃的张力层小应力值的精确测量，还可以提高钢化玻璃边缘应力的检测范围等。便携式探测器的数据获取速率是1000 点/秒。沿一条线检测50mm 长的距离只需2-3 秒。

    除了实现期望数量的点的扫描外，还可得到图5 所示的一个计算结果表，并保存数据文件，从而使检测提供完整的文件备份。图6 中一个操作人员正在用PES-100 检测置于可旋转工作台上的挡风玻璃。

                                     

                               图5 对一块挡风玻璃周边5 个点进行扫描后以表格形式表示的测量结果


                                   

                                图5 对一块挡风玻璃周边5 个点进行扫描后以表格形式表示的测量结果



软件

    在这个新系统的开发过程中，对于如何获得有效的边缘应力值的问题给予了特别的考虑。在汽车玻璃中，底边的深度 d 没有固定的标准，而在工业玻璃中，d 的范围是0.5 - 2mm。考虑到在边缘区域，有一个较陡峭的应力梯度，如图3 所示，那么如果不定义边缘区域，测量结果将是没有任何意义的。ASTM 方法C1279 指定了一种基于两个已知测量点x1 和x2的线性外推法。在工业中，通常用这种方法检测底边。图7 即是用PES 测量得到的实验数据，显示的是推断区域数据的获取和选择。
 
                      
                                                   
                                                     图7 PES-100 测得的曲线



这一新开发的软件可以：
􀂃  执行ASTM 的线性外推法；
􀂃  测量一点P；
􀂃  执行如下运算：应力 = 应力（P 点）+ 常数；
    软件可以编辑，从而适应用户根据自身要求选择的外推法和一些参数。

结论

    本文介绍了一种新型便携式边缘应力测量系统。该系统是基于PC 机的、全自动的测量系统，其数据的获取不依赖于操作人员，可获得精确的边缘压应力和接近边缘的张力的平均测量值。

参考文献

    [1]Gulati,S.T.等，“汽车挡风玻璃的延时破裂”，材料科学论坛，第210-213 卷，第415-424页，Transtec 出版社，瑞士，1966 年。
    [2]Redner,A.S.，Voloshin,A.S.，“钢化玻璃的表面应力和边缘应力”，第九届国际实验力学会议论文集，第二册，第884-891 页，1966 年8 月。
    [3]ASTM C1279，“利用光弹效应无损伤测量退火、热强化以及完全钢化平板玻璃的标准测量方法”，ASTM，Conshohocken，PA，2000 年。
[4]Redner,A.S.，“利于计算机光谱辅助分析的光弹测量方法”，实验力学25 (2)，第148-153页，1985 年6 月。