物理钢化玻璃应力斑形成及控制方法浅析

物理钢化玻璃应力斑形成及控制方法浅析

彭立嘉

东莞南玻工程玻璃有限公司广东东莞523141

摘要：为响应国家节能降耗的号召，玻璃幕墙因其良好的光学性能及节能效果得到广泛应用，随着玻璃幕墙的大面积使用，玻璃性能及外观质量受到广泛关注，特别钢化玻璃应力斑问题，直接影响了玻璃视觉效果，本文通过对物理钢化玻璃应力斑形成原理、影响因素及生产过程中的控制方法进行简要分析，希望可以对玻璃深加工企业改善钢化玻璃应力斑问题有一定参考价值。

关键词：物理钢化；应力斑；形成因素；控制方法

引言：在日常光照下，我们以一定角度及距离观察物理钢化玻璃，会发现钢化玻璃部分位置出现不规则彩色斑纹，这种彩色斑纹是钢化玻璃所具有的光学现象，通常称为“应力斑”，因物理钢化玻璃是一种预应力玻璃，玻璃中会分布不均匀的应力，入射光通过这种各向异性的材料时，会分成两种不同速度不同路程的射线，在某一点形成的两束光与另外某一点形成的光束相交时，因相位差而产生干涉现象，两束光偏振方向相同时，产生亮斑，振幅方向相反时出现暗斑。

一、物理钢化玻璃应力斑形成原因

物理钢化过程，实际是玻璃热胀冷缩的过程，通常是利用加热炉丝将玻璃加热到一定的温度（低于玻璃软化温度），然后通过风栅将玻璃快速冷却，玻璃外表面因迅速冷却而收缩，而内部收缩较慢，因内外收缩程度不一致致使玻璃表面产生压应力，而内部形成张应力，最终导致外层粒子密实而中间层较为疏松。当一束偏振光通过钢化玻璃这种各向异性材料时，会分解为两束传播速度不同的偏振光，如图1所示，当某一点形成的两束光与在另一点形成的光束相交时，由于光传播速度不同，光束相交点存在着光程差，在这一点上两束光就会产生干涉现象。λ表示光的波长，根据光学相关定律，当光程差δ=kλ（k=0，1，2，等）时，该点为振动加强的地方，产生亮视场，即亮斑，当光程差δ=（2k+1）λ/2（k=0，1，2，3，等）时，光强减弱，产生暗视场，即暗斑。钢化玻璃表面存在不均匀的应力即会出现应力斑。

图1.玻璃产生应力斑原理图

二、物理钢化玻璃应力斑影响因素及控制方法

因物理钢化玻璃的加工原理，玻璃面板上会产生分布不均的应力，偏振光照射时会出现光程差，因光的干涉作用而出现应力斑，故应力斑是所有物理钢化玻璃所具有的光学特性，影响应力斑不仅有玻璃自身因素，钢化加工工艺及设备状况对应力斑的影响也很大，现从以下几点浅析钢化玻璃应力斑的影响因素：

1.玻璃厚度及观察角度

在实际生产过程中，往往会发现越厚的玻璃应力斑越重，这是因为越厚的玻璃应力越不均匀，且玻璃厚度大光程差越大，出现偏振的机会更多，另不同角度观察，应力斑的程度也不一样。根据布儒斯特定律可知，自然光在玻璃面上反射和折射时，反射光和折射光都是部分偏振光，只有当光以布儒斯特角入射时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，反射光与折射光互相垂直。设θ1为入射角，θ2为折射角，我们有：n1sin（θ1）=n2sin（θ2），光从空气入射到玻璃，空气折射率n1=1，玻璃折射率n2=1.5，此时θ1+θ2=π/2，计算得到θ1=arctan（1.5/1）=56.3°，及光以56.3°的入射角从玻璃表面反射的光几乎都为偏振光，此角度两束偏振光发生干涉现象时会出现比较明显的彩色斑纹，因此，在以入射角56.3°观察玻璃应力斑时最为明显。

2.玻璃加热的均匀性

玻璃的加热方式主要为辐射加热、对流加热和热传导三种方式，玻璃进入加热炉中，加热元件、陶瓷辊道还有炉壁保温材料等都会辐射热量加热玻璃，而对流加热，主要是靠加热元件旁的热平衡气管进行，气管中的压缩空气经过加热后，一方面加热玻璃，一方面平衡炉内温度，而热传导主要是通过陶瓷辊轮完成，但陶瓷辊轮导热系数低，传递到玻璃表面的热量相对较少，故非主要的加热方式。理想状态下玻璃在出炉时受热均匀，但实际情况无法保证玻璃均匀加热，在淬冷时就会出现不同程度的应力斑，温度偏低时，应力斑呈现带状发白，温度偏高过热时，则呈现出局部发红，如何确保均匀的温度场至关重要。

在实际生产过程中，我们通过对设备的常规维护及相关工艺参数调整来获得相对均匀的温度场，如定期检查加热炉丝的运行状况，对于老旧及断裂的炉丝及时更换，确保炉丝加热正常，加热功率一致，检查对流装置，要保证对流风机运转平稳，使炉内温度均匀、平稳。在生产时可以根据实际观察，对单炉丝的温度进行微调，如图2所示，现场观察，圆圈位置上边部发红，分析为由于边部无其余吸热体，局部温度过高，导致玻璃边部温度过高，而圆圈位置中部区域条状应力斑集中，室外偏光镜观察明显，经位置对比在7#炉丝区域。对于发红位置，我们相应降低对应炉丝温度，减少吸热，而对于带状发亮区域，需要相应提高温度，促使该位置玻璃能快速吸热，通过微调相应炉丝温度，我们有效降低了应力斑，图3为微调后的效果。

图2图3

3.玻璃淬冷的均一性

玻璃的淬冷是玻璃钢化过程中最为重要的环节，它对玻璃最终应力的形成起着决定作用，我们理想的状态是让玻璃按工艺要求匀速冷却，获得均匀的应力。但实际生产过程中因玻璃淬冷受风压大小、空气温度、气流量、风刀口与玻璃间距等的影响，往往出现冷却不均匀的现象，导致玻璃应力分布不均。在实际生产过程中，我们往往通过定期检修冷却设备来确保玻璃淬冷效果，如我们会定期疏通风嘴，将风嘴中杂质及时处理，确保无堵塞，保证吹风的均匀性，同时定期测量风刀的高度，确保高度一致，另石棉辊的稳定性及石棉绳缠绕均匀性对玻璃淬冷也起到关键作用，石棉辊在使用一段时间后部分出现变形现象，传送过程中有抖动，极大影响玻璃冷却均匀性，对于变形较大的石棉辊应及时处理。另在缠绕石棉绳时也应分布均匀，无集中缠绕，石棉绳破损需及时更换，因石棉辊也会吸热，在检修设备是可在石棉辊上刷一层耐高温漆，减低石棉辊的吸热传热，使玻璃在风栅段均匀冷却。

三、结束语

总而言之，应力斑是物理钢化玻璃所具有的光学现象，虽无法消除，但是通过设备良好的维护及生产过程中工艺参数合理的调整，可以在一定程度降低钢化玻璃应力斑的程度，特别是在加热材料的改善，如加热炉丝可以再细化，点式加热的方式理论上可确保玻璃加热的均匀性，另调整风压大小，风刀水平位置，都能相应减轻应力斑程度。

参考文献：

[1]靳成龙.浅析物理钢化玻璃应力斑的控制方法[J].建筑玻璃与工业玻璃，2017.

[2]马军，赵国华.钢化玻璃应力斑的成因分析及控制[J].玻璃深加工.2009.

[3]白振中；张会文.工程玻璃深加工技术手册[M].中国建材工业出版社，2014（04）.