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钢化玻璃应力斑的成因分析及控制
广州安华磨具 / 2014-10-27

当人们在某种照明条件下,以一定的距离和角度观察钢化玻璃时,在钢化玻璃表面会看一些分布不十分规则的带有颜色的斑纹,这种带颜色的斑纹即我们通常所说的“应力斑”,应力斑的存在虽然不影响玻璃的反射效果(没有反射失真),也不影响玻璃的透射效果(不会影响分辨率,也不会产生光学变形)。它是所有钢化玻璃都具有的一个光学特性,不是钢化玻璃的质量问题或质量缺陷,但钢化玻璃作为安全玻璃应用越来越广泛,人们对玻璃的外观效果要求越来越高,特别是作为大面积幕墙应用时钢化玻璃应力斑的存在会给玻璃的外观带来不利影响,甚至影响到建筑物的整体美观效果,所以人们对应力斑的关注越来越强烈。

1应力斑产生的原因

  所有透明材料都可以划分为各向同性材料和各项异性材料。当光线通过各向同性材料时,光的速度在所有方向都一样,出射光与入射光没有变化,退火良好的玻璃就属于各向同性材料。当光线通过各项异性材料时,入射光分成两种以不同的速度且具有不同的路程的射线,出射光与入射光发生变化,退火不良的玻璃包括钢化玻璃就属于各向异性材料。作为各项异性材料的钢化玻璃,产生应力斑的现象可以用光弹原理进行解释:当一束偏振光通过钢化玻璃时由于玻璃内部存在着永久应力(钢化应力),这束光会分解为两束传播速度不同的偏振光,即快光和慢光,又称双折射现象。当某一点形成的两束光与在另外某一点形成的光束相交时,由于光传播速度的不同在光束相交点存在着相位差,这一点上两束光就会产生干涉现象,当两束光振幅方向相同时,光强加强,产生亮视场,即亮斑;当光振幅方向相反时,光强减弱,产生暗视场,即暗斑。只要在钢化玻璃的平面方向上存在应力分布不均匀就会产生应力斑。

  此外玻璃表面的反射作用使反射光和透射均发生一定的偏振效果,进入玻璃内部的光实际上是带有偏振效果的光,这就是为什么会看到明暗相间的条纹或斑纹的道理。

  2钢化玻璃产生应力斑的工艺因素

  2.1加热因素

  玻璃在进行淬火前平面方向上存在加热不均。加热不均的玻璃在进行淬火冷却后,温度高的区域将产生压应力较小、温度低的区域将产生压应力较大,加热不均会使玻璃表面上产生分布不均的压应力。导致加热不均的因素主要有加热器的功率存在差异,加热功率大的区域温度高,加热功率小的区域温度低;加热器故障不能正常加热;温度传感器失灵或校准不精确;温度设定不合理,炉体的边部有较多散热,温度设定应略高于中部,玻璃中间吸热多于边部,中间相对边部温度略高,这些因素为在设定中如未加体现将导致加热不均;玻璃码放不合理,由于辊道为热的不良导体,如反复使用某一区域会导致该区域温度降低而未放玻璃的区域,该区域温度相对较高,下一批玻璃在此区域加热时温度相对较高;加热炉密封不良,出现局部散热较多致使温度不均等。

 2.2冷却因素

  玻璃的钢化过程为加热后进行急冷,冷却过程与加热过程对钢化应力的形成同样重要。玻璃在进行淬火前平面方向上存冷却不均与出现加热不均一样,也会导致应力不均。冷却强度大的区域形成的表面压应力大,冷却强度小的区域形成的压应力小,冷却不均会使玻璃表面上产生分布不均的应力。导致冷却不均的因素主要有风机风嘴分布不合理,风嘴间隙不均,使玻璃表面的风压分布不均,玻璃表面冷却不均;风嘴堵塞,部分风嘴不能正常送风;辊道导热能力过大,与辊道接触的部位被迅速冷却,先被冷却的部位会形成较大的压应力。玻璃被不均的加热和冷却是应力斑产生的主要原因,只由在钢化炉设计和造作使用中,找出影响加热和冷却不均加各项因素,加强工艺控制,严格遵守操作规程才可以减少应力斑的产生。

  3钢化玻璃产生应力斑的其它因素

  3.1观察角度

  之所以我们能看到应力斑,是由于可见光波段的自然光通过玻璃时发生了偏振,光线从玻璃(透明介质)的表面以某一角度反射时,就有部分光线发生了偏振,同样透过玻璃的折射光也有部分发生偏振,当光线的入射角的正切值与玻璃的折射率相等时反射偏振达到最大值。玻璃的折射率为1.5,反射偏振最大入射角为56。,即光线以56o的入射角从玻璃表面所反射的光几乎全部是偏振光。对钢化玻璃,我们看到的反射光是从两个各为4%反射率的表面反射的,离我们较远的第二表面的反射光经过了存在应力玻璃,这部分光与离我们较近的第一表面的反射光在玻璃表面发生干涉就产生了彩色斑纹,因此在以入射角56。观察玻璃时应力版最明显。同样的道理对于钢化中空玻璃由于反射面较多偏振光也较多,对于有同样应力不均水平的钢化玻璃,我们看到的应力斑更清楚,显得应力斑更重。

  3.2玻璃厚度

  由于光线在不同厚度的玻璃中传播,厚度越大光程越长,光线发生偏振的机会就越多,因此对同样应力水平的玻璃,厚度越大,应力斑的颜色越重. 

  3.3玻璃品种

  玻璃的品种不同,对同样应力水平的玻璃产生应力斑的效果不同,如硼硅酸盐玻璃相对钠钙玻璃应力斑颜色会显得轻一些。

  4结语

  对于钢化玻璃由于其增强原理的特殊性,完全消除应力斑难度很大,但通过选用先进设备,合理的控制生产工艺,是可以加少应力斑产生的,能够达到不影响美观效果的程度。

也不影响玻璃的透射效果(不会影响分辨率,也不会产生光学变形)。它是所有钢化玻璃都具有的一个光学特性,不是钢化玻璃的质量问题或质量缺陷,但钢化玻璃作为安全玻璃应用越来越广泛,人们对玻璃的外观效果要求越来越高,特别是作为大面积幕墙应用时钢化玻璃应力斑的存在会给玻璃的外观带来不利影响,甚至影响到建筑物的整体美观效果,所以人们对应力斑的关注越来越强烈。

1应力斑产生的原因

  所有透明材料都可以划分为各向同性材料和各项异性材料。当光线通过各向同性材料时,光的速度在所有方向都一样,出射光与入射光没有变化,退火良好的玻璃就属于各向同性材料。当光线通过各项异性材料时,入射光分成两种以不同的速度且具有不同的路程的射线,出射光与入射光发生变化,退火不良的玻璃包括钢化玻璃就属于各向异性材料。作为各项异性材料的钢化玻璃,产生应力斑的现象可以用光弹原理进行解释:当一束偏振光通过钢化玻璃时由于玻璃内部存在着永久应力(钢化应力),这束光会分解为两束传播速度不同的偏振光,即快光和慢光,又称双折射现象。当某一点形成的两束光与在另外某一点形成的光束相交时,由于光传播速度的不同在光束相交点存在着相位差,这一点上两束光就会产生干涉现象,当两束光振幅方向相同时,光强加强,产生亮视场,即亮斑;当光振幅方向相反时,光强减弱,产生暗视场,即暗斑。只要在钢化玻璃的平面方向上存在应力分布不均匀就会产生应力斑。

  此外玻璃表面的反射作用使反射光和透射均发生一定的偏振效果,进入玻璃内部的光实际上是带有偏振效果的光,这就是为什么会看到明暗相间的条纹或斑纹的道理。

  2钢化玻璃产生应力斑的工艺因素

  2.1加热因素

  玻璃在进行淬火前平面方向上存在加热不均。加热不均的玻璃在进行淬火冷却后,温度高的区域将产生压应力较小、温度低的区域将产生压应力较大,加热不均会使玻璃表面上产生分布不均的压应力。导致加热不均的因素主要有加热器的功率存在差异,加热功率大的区域温度高,加热功率小的区域温度低;加热器故障不能正常加热;温度传感器失灵或校准不精确;温度设定不合理,炉体的边部有较多散热,温度设定应略高于中部,玻璃中间吸热多于边部,中间相对边部温度略高,这些因素为在设定中如未加体现将导致加热不均;玻璃码放不合理,由于辊道为热的不良导体,如反复使用某一区域会导致该区域温度降低而未放玻璃的区域,该区域温度相对较高,下一批玻璃在此区域加热时温度相对较高;加热炉密封不良,出现局部散热较多致使温度不均等。

 2.2冷却因素

 玻璃的钢化过程为加热后进行急冷,冷却过程与加热过程对钢化应力的形成同样重要。玻璃在进行淬火前平面方向上存冷却不均与出现加热不均一样,也会导致应力不均。冷却强度大的区域形成的表面压应力大,冷却强度小的区域形成的压应力小,冷却不均会使玻璃表面上产生分布不均的应力。导致冷却不均的因素主要有风机风嘴分布不合理,风嘴间隙不均,使玻璃表面的风压分布不均,玻璃表面冷却不均;风嘴堵塞,部分风嘴不能正常送风;辊道导热能力过大,与辊道接触的部位被迅速冷却,先被冷却的部位会形成较大的压应力。玻璃被不均的加热和冷却是应力斑产生的主要原因,只由在钢化炉设计和造作使用中,找出影响加热和冷却不均加各项因素,加强工艺控制,严格遵守操作规程才可以减少应力斑的产生。

 3钢化玻璃产生应力斑的其它因素

 3.1观察角度

 之所以我们能看到应力斑,是由于可见光波段的自然光通过玻璃时发生了偏振,光线从玻璃(透明介质)的表面以某一角度反射时,就有部分光线发生了偏振,同样透过玻璃的折射光也有部分发生偏振,当光线的入射角的正切值与玻璃的折射率相等时反射偏振达到最大值。玻璃的折射率为1.5,反射偏振最大入射角为56。,即光线以56o的入射角从玻璃表面所反射的光几乎全部是偏振光。对钢化玻璃,我们看到的反射光是从两个各为4%反射率的表面反射的,离我们较远的第二表面的反射光经过了存在应力玻璃,这部分光与离我们较近的第一表面的反射光在玻璃表面发生干涉就产生了彩色斑纹,因此在以入射角56。观察玻璃时应力版最明显。同样的道理对于钢化中空玻璃由于反射面较多偏振光也较多,对于有同样应力不均水平的钢化玻璃,我们看到的应力斑更清楚,显得应力斑更重。

  3.2玻璃厚度

  由于光线在不同厚度的玻璃中传播,厚度越大光程越长,光线发生偏振的机会就越多,因此对同样应力水平的玻璃,厚度越大,应力斑的颜色越重. 

  3.3玻璃品种

  玻璃的品种不同,对同样应力水平的玻璃产生应力斑的效果不同,如硼硅酸盐玻璃相对钠钙玻璃应力斑颜色会显得轻一些。

  4结语

  对于钢化玻璃由于其增强原理的特殊性,完全消除应力斑难度很大,但通过选用先进设备,合理的控制生产工艺,是可以加少应力斑产生的,能够达到不影响美观效果的程度。

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