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玻璃技术在白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯制造中的应用前言由于本文中的叙述针对电光源行业的几种常见灯种的玻璃材料，本文中所说的玻璃仅指狭义的无机玻璃（主要是硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃）。本文讲述了玻璃的性质和一些基本概念、定义，在制灯过程中常见的和玻璃相关的工艺、问题、处理方法，以及一些相关的技术，意在为工作在制灯行业技术岗位上的人员，以及其他有兴趣的人，提供一些基本的技术支持。本小册子的附录囊括了一些对于技术人员有用的资料和实例。目录页码 玻璃的基本性质1玻璃种类2玻璃成型的重要方面一、几何形状3二、暂时热应力4三、永久应力5四、不匹配应力（结构应力）7偏光器和偏光计的介绍一、 偏光器9二、 偏光计12三、 浸油13玻璃裂口分析14在喇叭制造中的常见问题18在芯柱制造中的常见问题22在封口过程中的常见问题25在烧尖过程中的常见问题28附录315957玻璃的基本性质玻璃有一些独特性质，这些性质使得它与其他固体有很大不同：玻璃对光透明，不透气。在室温下玻璃不经过弯曲或者产生塑性形变就可以被弄断弄碎。玻璃是电的绝缘体，而且可以承受相当高的温度。以上性质使得玻璃成为照明产品材料的一个不错的选择，但这些性质同时也要求我们在制造玻璃物件时采取一些特殊的成型技术。在低温下（玻璃转变范围以下）玻璃对于其强度极限（断裂点）表现为完全弹性的。不像金属，玻璃不可锻，不可延展，玻璃会“脆断”。玻璃物件的强度和它的表面状态有很大关系。表面的应力、“应力集中元”、裂缝和划痕都会在很大程度上减小玻璃的强度。在现实应用中，玻璃被弄断弄碎需要的平均应力大约为：良好表面上为40Mpa (大约相当于每平方米4000吨的压力)，或者经常使用而损伤了的表面上为20Mpa。严重的表面损伤会使得玻璃强度下降更多。第二个破裂容易发生的地方是接触面，比如：玻璃金属封接面，不同种玻璃间的封接面，玻璃和环氧树脂、灯泥、胶间的接触面。高温下（玻璃转变范围以上）玻璃就象黏稠流体，温度越高，黏度越小（流动性越好）。此时玻璃可以被塑造，扩展，压制，吹制，和与其他材料封接。在压力下玻璃可以产生塑性形变，还可以贴在几乎任何差不多相同温度的物体上。玻璃的转化范围是指：玻璃从弹性体（硬而脆）变为塑性体的温度范围。本文中认为其上限为退火点，下限为应变点。（不过玻璃黏度本来就没有突变，有很多书把转化范围上限定义为软化点Tf，下限为转变点Tg。）关于玻璃各温度参考点参见附录IV。和大多数固体材料一样，玻璃热胀冷缩，膨胀的比率遵循热膨胀系数。玻璃和其他物质封接时，很重要的一点就是使得玻璃和对应材料的膨胀系数相匹配。如果匹配不好就可能发生破裂。一般的玻璃窗上用的玻璃其热膨胀系数大约为9.5 ppm/C.，这意味着10厘米长的这样的玻璃升温100摄氏度会伸长大约0.1毫米。这看起来似乎很小，但是要压缩玻璃产生这样的形变你却要施加很大的力。可以试想把10厘米长的玻璃拉伸或压缩0.1毫米需要多大的力。玻璃种类荧光灯和白炽灯的制造中最常用的两种玻璃是铅玻璃和钙玻璃。钙玻璃的得名的由来是在玻璃熔炉中加入了白云灰岩。（注：此处的“钙玻璃”即指钠钙玻璃，下同。如果只有CaO和SiO2，在高温下只能行成两种不互融的液体，不能形成玻璃。）钙玻璃便宜而环保，被用于大多数荧光灯和白炽灯的泡壳中。例如我公司T8灯管用的钙玻璃Osram905。高强度气体放电灯外套壳和芯柱则是使用硼硅酸盐玻璃制作的。硼硅酸盐玻璃的使用温度比钙玻璃高，用做生产也更昂贵。硼硅酸盐玻璃的得名是源于在玻璃中加入的硼砂。我公司HID车间使用的相应的硼硅酸盐玻璃为BJ-40。铅玻璃的得名源自在玻璃中加入的氧化铅（PbO）。氧化铅加宽了玻璃成形的温度范围（使玻璃的黏度随温度变化的曲线斜率减小，也就是俗称的“料性”变长）并且提高了其电阻率。玻璃成形操作范围的提高对于复杂的形状，例如如喇叭、芯柱等，的成形很有帮助。而在一些白炽灯中高电压和高工作温度可能会引起电流穿过玻璃，这些白炽灯就要求高的电阻率。玻璃的导电过程也就是玻璃的电解过程，可以引起芯柱的爆夹板。铅玻璃作为“封接玻璃”很出名，因其经常用做对导线的和对泡壳的封接。我公司的T8芯柱上使用的玻璃为：铅玻璃Philips291。铅玻璃之外还有一种封接玻璃值得提及。由于铅有毒性，有些封接玻璃，比如做喇叭和排气管的，已经开始使用不含铅的玻璃。这种玻璃的性质和含铅玻璃相似，但是无毒而环保。这样的玻璃将会逐渐在大多数白炽灯和荧光灯产品中得到应用。目前比较常用的无铅封接玻璃是Philips360，而Osram186/273有时也用来做封接。（关于无铅玻璃的一些材料参见附录I）玻璃成形的重要方面一、几何形状：由于玻璃的强度与其表面状态有关，任何可以将应力聚集于玻璃表面的事物都可能引发问题。不妨把使得应力集中的因素称为“应力集中元”。一种最常见和严重的“应力集中元”是凹角。在玻璃制造用语中，玻璃折向自身内部的锐角叫做凹角。这种凹角中，接缝处的曲率半径非常小。下图描绘了玻璃表面上的一个典型的凹角和一个有合适曲率半径的角。凹角起的作用恰似杠杆把力集中到一点。凹角这样的几何形状一出现则一定会让这个区域强度变弱。适当的加热和成形技术可以避免形成凹角。第二个常见的问题是在一薄玻璃块和一厚玻璃块封接的时候，两者之间没有平滑的过渡。邻近结合处（薄块）的区域就成为了应力集中元。下图给出了由薄块到厚块过渡结构的几个强的和弱的例子。这类问题在玻璃过渡加热的时候，或玻璃加热后变硬前可被移动/拉伸的时候，比较常见。第三个常见的问题是表面缺陷，包括刻痕、磨痕、小裂口、颤痕/拖痕、碎裂。他们在某种意义上和凹角相似。但不同的是他们作为应力集中元效果更强。就算一个深度仅为0.1mm的表面小裂口都可以让这个小裂口的尖端的应力加强几百倍。玻璃上有刻痕或刻槽的时候，其宽度和深度的比决定其对玻璃强度的弱化程度。深度比宽度小的时候，对玻璃的强度影响很小。但是，在深度远大于宽度的时候（就象小裂口/碎裂出现时的情况）玻璃强度会被很大程度上弱化。（应力集中元的影响的详细讨论参见附录II）二、暂时热应力：玻璃受热膨胀。当一个区域比另一个更热时就可以出现应力，原因是玻璃热的区域膨胀，而冷的区域抵抗这种膨胀。下图说明了：退火玻璃管被加热到玻璃转变范围以下，然后再被冷却，这样的过程中产生的应力情况。玻璃受热/冷却产生的应力会和已有的应力叠加。例如：某工厂生产的玻璃喇叭管，外表面原来就有的压应力。这种应力是由喇叭管的生产过程产生的。如果加热过程可以使退火（没有应力）的玻璃外表面产生的压应力，那么对于该种喇叭管的加热则会产生的压应力（+）。如果冷却过程可以使退火玻璃管在外表面产生的张应力，对于该种喇叭管，合应力为的张应力。加热或冷却过程产生的暂时应力的大小和冷热区域间的温度差有直接的关系。快热快冷产生的应力比慢热慢冷大。同样加热速率下，厚玻璃中产生的暂时应力比薄玻璃大，因为玻璃越厚，热量传到非加热面用的时间也越长。所以一般人们加热厚件玻璃加热比加热薄玻璃慢。（见附件III）三、永久应力：永久热应力和暂时应力不同，有永久应力的玻璃在室温下还有应力。玻璃被加热到转化点以上时，从弹性体向塑性体转变。在如此高温下，玻璃受力可以移动/变形，所以应力会被“释放”。玻璃从上述高温冷却时，某区域会比其他部分更早的通过转变点。这意味着其他部分还是可塑的时候，玻璃冷的部分已经变硬了。冷的部分影响热的部分移动（使其收缩），所以此时没有应力。热的部分冷到足以变硬的时候，冷的部分已经变冷很多了。最后降到常温时，各部分收缩的大小取决于其有多热，所以现在的冷的部分会比现在的热的部分的收缩要小。这就在玻璃先冷却的表面产生了压应力，在后冷却的表面产生了张应力。下面的图演示了这个过程：上图说明了为什么多数玻璃件在外表面有压应力，因为外表面先冷却。压应力让玻璃强度增加。因为这样的压应力分布在容易被碰撞、划伤、挤压的表面，所以大多数玻璃制品在没有被完全退火的时候强度更大。（见附录III和附录IV）玻璃一般只在张力下，而不是压力下，被破坏。事实上玻璃可以承受很大的压力。要注意不让在张应力下的玻璃表面被划伤或着受其他损伤。例如，灯的有张应力的内表面是不容易受损伤的。永久应力可以是很有用的。钢化玻璃（淬火玻璃）比一般的玻璃强度大6倍。所谓钢化玻璃两个表面先一起冷却。这样，在两个表面之间的玻璃最后冷却，所以最后成张应力。因为玻璃不能从内部开始受损伤（要先从表面被破坏），所以钢化玻璃强度很大。如前所述，应力都是可以叠加的。由低温下加热或者弯曲形成的压应力和张应力会和成形时产生的永久应力相叠加。如果这个和应力过大，而且它被表面缺陷增强（集中），玻璃就会破裂。永久应力可以被以退火的方式“释放”或消除。退火之所以能消除玻璃应力，是因为退火过程中，玻璃被加热到恰高于转化点，此时玻璃虽然是硬的但也可以很缓慢的移动来减弱施加在上面的力。在此之后玻璃被缓慢冷却，使得玻璃冷却过程中各部分没有温度差。这样的话就不会产生应力，因为玻璃在经过转变点之后每一个部分都收缩相同的比例。（见附录IV）四、不匹配应力（结构应力）：多数材料都是热胀冷缩的。然而它们的膨胀/收缩程度并不相同。有些材料在低温/中等温度/高温下膨胀的程度差不多，但有些则不然。很多金属和有些陶瓷在某些温度间膨胀的厉害，而在其他温度范围膨胀比较小。这种行为经常是由材料内部结构变化引起的。（见附录V）这些膨胀/收缩行为的不同在人们在高温下封接两种材料时显得非常重要。收缩程度的不同将导致应力的产生。下图说明了这个过程：上图的左面，材料加热时膨胀；中间材料被封接在一起（注意此时A的膨胀程度比B大得多）；上图右面，封接后的材料回到了室温。由于材料AB的热胀冷缩特性，两种材料都趋向于回到它们的原始尺寸（如虚线所描出）。但由于它们被封在了一起，它们又不能象正常时那样收缩。材料A收缩程度会比正常时小，B的收缩程度会比正常时大。这样的话材料B将受到一个使它压缩的力，同时材料A会受到一个使它拉伸的力。这种应力对于两种硬的材料封接在一起的情况很典型。使得这两种材料膨胀/收缩行为相匹配是很重要的。就算这一点已经做得很好了，仍然会有小的差别导致应力。这样的应力常常出现在：灯头泥和玻璃间、喇叭玻璃和灯管玻璃间、印油和玻璃间、导丝和喇叭玻璃间，以及在其他的两种不同的材料封接在一起的情况。同样要注意的是，这样的应力会和暂时应力和其他永久应力（还有其他外力）叠加。应力集中元使得这些应力集中起来时，就会产生碎裂。偏光器和偏光计的介绍一、偏光器：偏光器是一种用来观察透明物件上的应力的效果的仪器。下图是偏光器结构的示意图。光源毛玻璃起偏器待测物件全波片检偏器观察者光是电磁波。最简单的情况是单色平面波，其可以看作电场和磁场各自在互相垂直的平面内做简谐振荡。所以光具有偏振性。前面说过，玻璃是非晶体，其在任何方向上折射率都是相同的（各向同性）。玻璃受力后，在受力方向上折射率发生变化，从而导致：在受力方向上偏振的光对应的折射率和与受力方向垂直的方向偏振的光对应的折射率不同。不同偏振方向的光折射率不同的现象被称为双折射。偏光器正是利用玻璃（其实也可以是其他材料）在应力下产生双折射现象的原理，来观察玻璃内的应力情况的。偏光器由以下几个部分构成（见上图）：光源：这里的光源只是一个普通的灯泡，最好用白炽灯炮这样的光谱比较连续的灯泡。绝大多数光源产生的光并不具有统一的偏振方向，而可以看作偏振方向没有偏好性地平均分布的偏振光的叠加。不过不要紧，挑一个普通的白炽灯泡好了。毛玻璃：或者用透光而不透明的其他材料。它的作用是形成一个面光源，便于观察。起偏器：就是一个偏振片，作用是：只允许在在一个方向上振动的电场经过。所以经过了起偏器的光都是线偏振光，其电矢量都在起偏器的光轴（图中镜片上的黑线）方向振动。待测物件：就是你要测量其应力的部件，比如一个芯柱。全波片：全波片的作用是：让平行于其慢轴方向偏振的光和平行于其快轴（快轴和慢轴垂直）方向偏振的光在经过全波片后产生整整一倍波长的光程差。大家注意：全波片只是对于某个波长的单色光而言才是“全波”。（本文附录IV中的波片均针对535nm的光而言。实际上偏光计上可以根据需要使用各种波长的波片。）对于其他波长的光，显然同样的光程差却不是一倍波长（一个周期）。这是偏光器工作原理的关键之一。另外要注意的是：我们最好把全波片的光轴方向和起偏器光轴方向成45度角放置。检偏器：虽然名字不同但还是一个偏振片。注意此片光轴方向（图中也用黑线标出）和起偏器垂直。偏光器和偏光仪的详细的工作原理的和部分数学推导见附录IV，这里仅给大家大概的了解：待测物件没有应力的情况：从起偏器出来的光都是偏振方向沿其光轴线偏振光。如果待测物件没有应力，线偏振光经过待测物件仍然是线偏振光，偏正方向也没有变。如果没有全波片，显然这样的光由于偏振方向和检偏器光轴垂直，将会完全被检偏器挡住。此时如果没有杂光，观察者会看到屏幕上一片漆黑。但是由于所谓“全波片”存在，“全波片”对应的那个波长的光经过全波片后没什么变化（改变相位改变了一整个周期，当然和没变一样），所以最后还是那个方向上的线偏振光，还是要被检偏器完全挡住。但是对于绝大多数其他波长的光，“全波片”将会把他们变成椭圆偏振光，最极端的情况（此时“全波片”对于特定波长的光相当于半波片），是变成和原来偏振方向垂直的线偏振光。显然，椭圆偏振光在任何方向上都是有投影（分量）的，所以不能被检波片完全挡住，有光透出。（而那个极端的和原来偏振方向垂直的线偏振光，更是全部透了出来。）大致上：全波片光程差对应的相位差越接近2n+的光，透过的越多。本文中的偏光器的“全波片”其“全波”对应的光的波长为535nm左右（黄绿光）。而可见光范围大致为380780nm。所以可见光中黄绿光被挡住的最多，然后越向两端（红/紫）透过的光就越多。这样，很多偏光器的屏幕（检偏器）在没有应力的时候，被测物件和背景都一片紫红。放入有应力的待测物件的情况：波片本身可以看作双折射的偏光器件。有应力的玻璃物件，其双折射的偏光效应不妨看作和“全波片”叠加（等于在全波片前面又加了一个“几分之一波片”）。这样，产生的效果相当于：它们两的和，相当于产生了一个“和”光程差。为了便于理解可以把原来的全波片和有应力的玻璃，整个看成另一个“全波片”，但其“全波”对应的波长改变了，可能比535nm多，也可能比535nm少，取决于待测物件在全波片光轴方向的应力种类：张应力还是压应力；而偏离535nm的程度也取决于应力大小。例如：和光程差535nm（即“全波”对应的波长偏向变长）。那么原来基本被挡住的比535nm稍短的波长的光（蓝绿光）就会有更多透出检偏器，而波长比535nm稍长的光（橙黄）就更加被压制，样品上该区域就成蓝绿色。反之，则会有更多橙黄光透出，而蓝绿光被压制，而显橙黄色。使用检偏器的注意事项：1、如果应力的方向（双折射的一个光轴的方向）和起偏器给出的线偏振光平行或者垂直，这样的应力的玻璃对光当然没有任何影响，这样的应力也丝毫观察不到。为了观察应力，并且大致判断大小，需要尽量让样品应力方向和“全波片”光轴方向平行或垂直，也就是和起偏器光轴方向成45度角。2、即使如此，假如应力不是只在一个方向，而是XY方向都有，那么这里它们造成的光学上的效果会相互抵消。假如两个方向上的应力还一样大（也就是应力均匀分布），那么应力不管有多大都不能通过偏光器看出来。注意这种情况，不要误判为没有应力。3、应力造成了双折射，对同种玻璃，同样大小应力造成的双折射程度（折射率差）相同。但是随着厚度不同，同样的折射率差引起的光程差也不同。换句话说：同样的应力下，厚度大的地方更“鲜艳”。（同样“鲜艳”则厚度小的地方应力大）。4、极端情况：一般的偏光器可以观察的应力范围都小于全波片产生的光程差（本文中为535nm）。如果应力很大，将导致样品和“全波片”的和效果变成“两波片”或者“三波片”，甚至更多这样的话应力自然也很难判断了。也请注意这种情况，不要误判。偏光器的调整和使用：如果知道各个镜片的光轴方向，当然按照上面的示意图排列起来就可以了。可惜的是，很多偏光器上没有标，使用前需要手动调整各个镜片。下面是一套调整方法：1、先使得起偏器和检偏器光轴垂直：很简单，就是把样品和全波片拿开，起偏器和检偏器之间什么都没有。此时点亮光源，转动起偏器，使得检偏器透过的光最暗。2、再使得全波片的光轴（本文中波片的光轴都指慢轴，实际上波片快慢轴成90度角，这里即使互换也没有关系）和起偏器成45度角：把全波片放回去，转动之，可以发现转动到两个（互相垂直的）方向上通过检偏器的光最暗。把全波片转到这两个方向正中间即可（此时一般屏幕成紫红色，且此时屏幕最亮）。3、确定一个和起偏器光轴成45度角的方向，并确定不同颜色代表的应力种类：将一根退火（没有应力）的玻璃棒（管），作为待测物件放入全波片和起偏器之间，同时用下述方法用手掰动（注意不要伤手）。此时玻璃棒一边为张应力，另一边为压应力。保持这样的用力，转动玻璃棒（管）。在玻璃棒上的颜色最鲜艳的时候的玻璃棒方向就是要找的方向。（另外一种方法是，找到两个垂直的，使玻璃棒上看不出应力的方向，然后取这两个方向的中间的角度。）这样，还可以同时确定：究竟是蓝色对应的是张应力，还是黄色对应张应力（你拇指按的地方是压应力，如上图）。不妨把这个方向标出来，比如沿此方向贴一张纸条，上面写类似这样的东西： （表示此方向上蓝色代表张应力）记住：假如此时你把玻璃棒转动45度，颜色就会消失。如果继续转动到90度，颜色又会重新出现，不过颜色和刚才相反。（X方向的张应力在偏光器上的效果相当于Y方向上的压应力。）二、偏光计：偏光计和偏光器工作方法类似。偏光计的结构示意图如下图。偏光计和偏光器仅有一个部件不同：一个1/4波片取代了原来的全波片（注意，和全波片不同，1/4玻片光轴方向必须和起偏器光轴平行或垂直）。正是这个四分之一波片使得偏光计可以测量应力的大小，而不只是观察有无应力。光源毛玻璃起偏器待测物件1/4波片检偏器观察者观察有应力的玻璃的时候，没有应力的部分你会看到黑色，有张应力你会看到白色，有压应力你还是会看到白色。所以最好总是先在偏光器上看出应力的种类，再在偏光计上确定其大小。这个过程其实很容易，因为大多数偏光计可以在四分之一波片和全波片之间切换（即既可以做偏光计也可以做偏光器）。测量应力大小的方法是转动检偏器，直到有应力的区域也变暗。从角度刻度盘可以读出一个读数，这也就是检偏器转过的角度。进行应力测量时，很重要的一点就是注意不要转过头。一个方法是转到最暗之后继续转动，到和原来一样亮，看两次转过的角度是否相同。如果还是不同的话，就左右转动检偏器，在光刚出现的方向和刚消失的方向的正中间就是这里要找的方向（使得应力区域最暗的方向）。关于偏光计的工作原理和一些数学推导也请参见附录IV，将会和偏光器一起介绍。被测样品的厚度直接影响上面提到的，使应力区域亮光消失的角度。最好每次考虑测量应力时都参考转动角度/厚度( R/mm)。这里使用mm很方便，当然只要你保持单位一致性，要用其他单位也随便。下表列出了某些不同灯的位置和组件可以接受的应力水平：最大可以接受的应力水平( R/mm)位置铅玻璃 钙玻璃 硼硅酸盐玻璃外表面7/mm6/mm8/mm内表面 11/mm10/mm 12/mm玻璃壁内部 21/mm19/mm24/mm和其他材料的接触处 11/mm10/mm12/mm这些应力水平只是一个大致的参考。在某些场合，应力水平可以允许比较高，或者要控制的比较低。最终的应力水平要求取决于实际成品的使用。（参见附录VI和附录VII）三、浸油：玻璃部件表面的曲线/面可以起和一副眼睛的镜片类似的作用。它们会使光线弯曲，从而扭曲看到的图像。此效果在分析灯的部件，诸如芯柱、喇叭、封口部位、和成品灯时，变得很重要。大体的经验法则是：如果玻璃样品是平的，或者要被观察的区域是平的，这就不需要矫正。偏光计的光会从平的区域垂直于表面穿过。但如果感兴趣的区域是弯曲的，比如灯壁，你在偏光计中看到的图像就不能代表玻璃真实的应力情况。所谓浸油是折射率和待测玻璃折射率匹配的油。把曲面浸入油内，透镜般的作用就没有了。若油和玻璃折射率非常接近，玻璃就很难被分辨出来了，但是应力和不透明的区域在偏光计上可以很容易看出来。观察在浸油内的玻璃应力的技巧，对于芯柱制造和内表面要磨砂/涂层的成品灯来说，可能非常有用。盛油的容器应该有平的表面。这样的容器可以通过下述方法制作：把窗玻璃切成方形，然后将它们用RTV硅树脂密封剂（多数其他胶水和环氧树脂会受油腐蚀）黏合。不用的时候把油盖上。油中的尘埃在偏光计中可能会显示出彩色的亮带。如果油确实脏了，可以让它通过很细的滤筛来过滤。少量的浸油可以用异丙醇去除，大量的可以用洗洁精来去除。（参见附录VIII）玻璃裂口分析简介：裂口分析是制造玻璃部件的过程中的非常有用的工具。玻璃破裂时，裂口创造了一个或几个新的表面。这些表面可以揭示如下信息：破裂从何处开始为何产生破裂玻璃破裂时玻璃的应力情况破坏玻璃用了多大的力玻璃破裂时接触了何种材料（金属、陶瓷、液体等等）裂口表面形成的图案就像一块石头投入水中所形成的图案。如果你没看见那块石头，但是听到了水花声才转头去看，那么波纹和水花的痕迹可以揭示石头在何处落入水中。破裂的玻璃部件上留下来图案可以有类似的用处。下图描绘了一个典型的裂口图案。箭头指的地方是裂口起源的地方。注意这个图案的样子就像一块石头坠入一条窄溪的边上形成的。从上图中，可以轻易看出哪里是碎裂开始的地方。（参见附录IX）波纹痕（也称Wallner Line）：这种玻璃裂口上可见的波浪形的线条被称作波纹痕（华纳线）。这些线条垂直于碎裂的路径方向。波纹痕揭示了碎裂的方向，也可以用来追溯碎裂发生的源头地点。这些线是裂纹图案中最常见的特征。下图中紫色标出的即为波纹痕。锯齿纹：裂口图案上像水花般的痕迹被称为锯齿纹。这些线条和碎裂方向平行。它们的成因可以有好几个，包括：玻璃中的气泡和缺陷、玻璃破裂时受到剪切力或扭力、玻璃被很快速的破坏。锯齿痕在裂口起源点附近比较常见，此处在碎裂时能量比较大。下图中，锯齿痕以红色标出。裂口的起源点经常会在玻璃件碎裂的时候就不见了，但是从余下的部分中还是可以看出很多东西。下图是一小段破裂的玻璃。从这片玻璃中我们可以判断玻璃碎裂是从左到右的。我们还可以看出，碎裂在玻璃底部传播的快一些。这意味着底部的玻璃在样品破裂时处在张力的状态。由这个信息又可以做其他的推断，比如：如果底部表面是外表面，玻璃应该是在冷却的过程中破裂的。（参见前面永久应力产生的示意图）再下面的图表现了制灯过程中一些典型的裂口图案。每一个图中的”o”代表碎裂起源点。左边的图是裂口所有部分拼在一起的完整图案，右图描绘了通常我们见到的此种裂口的情形。这些只是大致的指南，依破裂的激烈程度不同，每一种裂口都可以看起来不同。对此有问题的话，就需要请教裂口分析的专家了。下面两张图是典型的玻璃棒的破裂。上面的图是比较小的力引起的，下面的图是比较大的力引起的。上面的几张图案实际上看起来就像下面的这两张图。喇叭制造中的常见问题玻璃切割：对于喇叭制造来说，切割玻璃可以使用两种方法。第一种方法：以非常细小的火加热玻璃上的一条窄带。然后，立刻以冷的金属触碰之，或者用划线器在加热的玻璃窄带表面划下小痕。玻璃会很平滑地裂开。此工艺的原理是：使得一条窄带上的玻璃膨胀（通过加热），其旁边的冷玻璃抵抗膨胀则会造成很大的应力。划痕应该正好分布在大的应力上，使得玻璃碎裂。此种切割的多数麻烦是由火嘴的聚焦和热量的输入带来的。火应该被精确地调整，热量过多会使得玻璃出现轴向裂纹。没有聚焦地火或者温度不够地火会造成切口形状奇怪，甚至是没有切口。第二个问题可以由玻璃在到达切割火头地时候还是太热引起。此种切割工艺要求冷玻璃和热玻璃之间有很大的温度差。（参见附录X） 第二种切割工艺是刻线后折断或者刻线后加热。此种工艺下，玻璃上先是被划了一个裂缝，然后在玻璃的内壁/外壁上加热或机械力，以至玻璃断裂。此方法下，需要注意，在玻璃上造成一个好的裂口。以下在玻璃上划线的规则可能有用：1） 刻划玻璃管时，只能划一圈。2） 刻线时切割的角度要接近90度。3） 刀口应该锋利且平滑（100倍的放大镜下也看不到锯齿边缘）。4）划线器应该可以绕其轴自由转动，轴孔和轴应该很光滑。5）划出的裂缝应该深入玻璃大约0.1mm。刻出来的缝隙和让玻璃最后碎裂的火焰之间的相对位置也很重要。喇叭机上不好的切割可以造成所谓“阶梯切口”。阶梯切口出现时，碎裂方向不在切割平面上，所以裂痕需要走过一个“阶梯”才能回到裂痕起点。此种缺陷一旦出现，可以造成裂痕经过喇叭整个长度方向。下一个喇叭开始加工的时候，火焰的热量让裂痕的末端愈合了，所以喇叭缘就没有裂痕。同样的，烧毛口的火也可以使喇叭上部的裂痕愈合。最后的结果是在喇叭的转角附近有一条裂痕。右图中是一个典型的阶梯切口造成的转角附近的裂痕。要注意的是，这个喇叭上并没有阶梯切口，而可能是此条玻管做的上一个喇叭上有阶梯切口。此种缺陷喇叭在自动芯柱机上的融封火处可能发生碎裂，在排气机可能会被当作漏气灯挑出，也可能是要等制成成品灯之后才迟迟发现此缺陷。烧毛口的火经常掩盖了一些和喇叭切割有关的问题。自动芯柱机上的喇叭裂，排气机上的漏气，喇叭高度变动，它们都有可能由切割不好造成。（参见附录X）扩张成形：扩张成形的过程可能带来好几个问题。最常见的是：喇叭外缘没有鼓出、扩张器的划痕、扩张器的压痕。扩张器划痕在喇叭的内表面造成了一系列小划痕。这些划痕最容易出现在喇叭转角附近。有扩张器划痕的喇叭在自动芯柱机的预热火上经常破裂，但它们也可以造成封口和排气工序的喇叭裂。扩张器划痕造成的裂痕常常延伸到芯柱打扁（夹板）部位，然后被误作打扁造成的破裂。扩张器压痕是一系列小的压痕，或是半融合了的裂痕，在喇叭沿的内壁连续地延伸分布。这些缺陷可以导致自动芯柱机上的破裂，但最常见的是造成封口和排气时的喇叭裂。偶而它们也会造成在装头时的喇叭裂。下图说明了典型的扩张器划痕和扩张器压痕的位置：下面两幅图是喇叭和灯上的扩张器压痕。左图中扩张器压痕是在喇叭沿边缘附近，可以在封口机的封口预热部分造成封口裂。右图中有三条扩张器压痕，其中每条都编了号。第三条造成了从扩张器压痕到夹板部位的裂口。这种裂口经常被误判为爆夹板。 此中缺陷实际上是由扩张杆上有黏附的玻璃或者锯齿造成，或者由火调得不好造成。喇叭边缘上的扩张器压痕有扩张器压痕的T8灯喇叭的冷却：如本文关于暂时和永久应力的部分所提到的，玻璃从高温向低温冷却的过程中的任何时候，其表面都是张应力。而玻璃表面有张应力的时候是很脆弱的。有人发现在热的喇叭进入喇叭盛装盆的运输过程中经常在喇叭转角和外沿产生“擦伤痕”这样的小痕迹。这些痕迹在封口机上经常导致喇叭裂，特别是在预热火上。喇叭在放进喇叭盛装盆之前要尽可能冷却到室温，至少它们不能热到会把没带手套的手烫伤的地步。下面两幅图中是一个典型的喇叭上的擦伤痕在低倍和高倍放大后的图像。观察擦伤痕的时候用好的显微镜是很重要的。肉眼很难看到擦伤痕。Picture 6Picture 7上面左图中间的红圈的小痕迹就是擦伤痕。上面的右图是在高倍放大下观察这个擦伤痕。此擦伤从右向左产生，擦伤痕中间那个镰刀形的裂痕是此中擦伤痕缺陷产生失效灯的原因。若擦伤的痕迹中找不到这样的镰刀形裂痕，那么喇叭的强度对于正常工序来说是足够的。下面的两幅图是典型的擦伤痕造成的失效，在低倍和高倍放大下的图像：擦伤痕裂口的起源擦伤痕老化：铅玻璃会风化。风化是一个玻璃表面随时间推移变得越来越脆弱的过程。此过程受湿度影响很大。按照前人的经验，老的用铅玻璃做成的喇叭比新的要脆弱。一般来说喇叭一周就会变得脆弱。如果湿度大，其强度减小的会更快。如果很干燥，喇叭保持强度的时间就比较长。按照喇叭的制造顺序来使用喇叭，可以避免使用很“老”的喇叭，这点很重要。如果某个生产线对喇叭的要求很苛刻，那么它最好只用新做的喇叭。喇叭的输送：要讨论的最后一部分是喇叭的输送。粗暴的操作会使喇叭丧失很大一部分强度。某些生产线上，测试过强度的喇叭通过漏斗和盛装容器后，其强度下降了1/2。某工厂使用特制的盛装盆，此盆的边板是特制的，边板可以取下来。此喇叭盛装盆中,喇叭流出来，而不是被倾倒在漏斗里，通过这点使得喇叭的强度得以保持，在自动芯柱机和封口机的损失也就较小。芯柱制造中的常见问题预热：自动芯柱机的预热部分非常重要。几年过去后机器机速提高了，有的时候预热时间也就相应地减短了。对喇叭的适当的预热是必须的。自动芯柱机的第一把火或者前几把火应该只用燃气和空气，而且应该是轻柔的。强度过大的预热火会造成即使好的喇叭都会在热冲击下破裂。几何形状：合适的几何形状在芯柱的制造中很重要。芯柱中的凹角会导致排气管脆弱，还会导致封口和排气机和包装后的储存中出现芯柱夹扁部位的裂口。需要注意凹角的地方主要在喇叭内壁和排气管外壁相融合的地方。下图中是芯柱的好的几何形状和坏的几何形状：凹角也可以在最后一道压扁后的吹孔时在的孔内侧形成。脆弱的排气管是封口机排气机总担心的问题。从裂口分析可以看出是排气管太脆弱了还是被运输工具、芯柱限位针、或者其他类似的东西碰撞的太厉害了。如果是排气管太脆弱了，那么在排气管裂口表面1/3到1/2的面积上裂口的样子都很平滑。若是外力过大弄断了排气管，裂口的样子会在整个裂口表面非常凸凹不平。另外，如果从一边看，裂口上会有很多小裂缝，它们看起来就像外力撞烂（见裂口分析中不同裂口的图样的第一种：碰撞裂），或者想猫胡子那样。排气管强的芯柱和排气管脆弱的芯柱其排气管断后的情形见下图：很多情形下，此问题的可以追溯到某一个特定的芯柱机，但是裂口看起来又像是被外力碰断的。这样的情形下，问题经常是排气管的方向/位置不正造成的。吹鼓风和强制冷却：吹鼓风有两个作用。第一它控制了芯柱内表面的几何形状。第二它对芯柱有钢化（淬火）作用。自然冷却时芯柱的外表面会先冷却，这样的话如果没有吹鼓风芯柱的内表面最后就会成张力状态。若内表面和外表面冷却速度达到平衡，张应力就在玻璃两个表面之间（被“埋”在玻璃内部），这样做出的芯柱强度就比较大。这一点对于制灯的封口和排气工序很有好处。如果上述冷却速度不平衡，则有些敏感的部位会有大的张应力，然后你很快就会碰到问题。以320目的砂纸来挂擦芯柱的内外表面是一种有效的测试。若芯柱在被这样擦5秒钟内就破裂，表面的张应力就很高了，这样冷却风（吹鼓风也可算是冷却风）就需要调整。总的说来，刮擦时破裂的表面是因为冷却得太慢（偶尔是因为另外一面冷却得太快）。芯柱退火：现行的制造工艺速度很快，一般来说最好在芯柱制成之后对其进行退火。若计划要在一条生产线上提高机速，就应该考虑采用电加热完全退火了。导丝：其他问题大部分是和导丝有关的。导丝下到芯柱机工位夹槽里的时候，若导丝漏斗的位置不正，擦到喇叭，喇叭上就会有小的划伤。这样的划伤可能成为封口机预热发生的芯柱裂的原因。但由于裂痕会延伸到芯柱夹板的部位，此问题常常被误判为芯柱爆夹板。此时一根导丝旁边的小的刻痕、划痕才是真正的原因。增加自动芯柱机的机速带来的一个问题就是导丝在热的玻璃中移动。导丝在芯柱夹扁的时候是不该动的。比一个很小的位移还大的任何移动都说明有什么东西发生错位了。需要检查芯柱的打扁夹是否有弯曲变形，要检查打扁机构是不是有什么零件用旧了，用弯了，搞掉了，还要检查打扁机构和芯柱机工位的相对位置是不是有偏。第二个导丝容易动的位置是导丝成形处。对导丝的弯曲和整理的操作不能在玻璃还热得可以变形的时候就进行。（这样导丝成形的时候，导丝就会移动。）其他可以导致产生漏气和芯柱爆夹板的和导丝有关的问题包括：毛刺、导丝焊点没有被包在玻璃里面、导丝被拉到、导丝很快被再加热。封口中常见的问题融封：融封是一块玻璃“浸润”另外一块的过程，其在封口工序中是最重要的一步。此过程中，两块玻璃都应该是热的而且有点流动性的。要封接的两个表面应该尺寸相近，这样才能没有间隙地互相紧密配合。融封操作中出现的间隙经常在最后造成未封上的缺陷。这样的话，就算在封口工序中后面一点的位置，两块玻璃被强压到一起，在封口部位它们经常还是非常脆弱。几何形状：所有类型的封口（夹封式、落料式、对接式、转动对接式）工序中，封口形成的角度预示了封口后封口部位的强度。由于钙玻璃和铅玻璃热膨胀/收缩的特性不相同，非匹配应力（结构应力）已经存在了。若再在这些应力区域加上凹角，还有烤头机预热封口部位产生的暂时应力，就可能产生裂口。下图说明了荧光灯封口横截面的好的和坏的几何形状。封口部位的凹角常常是由封完口封口变硬之前各玻璃部件滑动造成，或者由封口部位过度加热造成。某些封口工艺允许芯柱在封口操作中被推/拉。其它的封口工艺允许封口成形后变硬前以气流（轻轻地）对封口区域加压。上面两种方法，如果时间控制得当，都能得到非常好的几何形状。环状应力：封口造成的任何大的应力都可能导致问题，而环状应力是特别危险的一种应力。冷热玻璃区域之间的过渡过于突然就会导致环状应力。环状应力之所以成环状是因为大多数灯不是管状就是球形。如果一块玻璃绕其轴旋转的同时被加热到高温，玻璃上就会有热的环形带。环形应力的形成过程和前文中关于“永久应力”的部分的那张图中所说明的相似，但对于环形应力的情况，玻璃热的区域和冷的区域是在玻璃（管壁）的同一个表面上。为了消除环形应力，玻璃上的加热带应该渐渐过渡到消失。也就是说在很热的封口火和冷的玻璃之间有一个渐变的过渡。为完成这种过渡可以在环形应力形成的部位附近加小一点的火，或者减弱环形应力形成部位的火。在荧光灯水平封口机上，在某位置上有一系列鱼尾槽火头，来加热玻管的肩部和远离玻管的管身。这有助于把加热发散化，或者说在封口突缘和灯管管身之间产生一个平滑的过渡。封口工序在热成像仪上成的图像可以帮助确定在什么地方（温度）有突然的转变，什么地方这样的突然的转变被消除。环状应力在偏光计下很容易看到。如果有问题的玻管是磨砂的/涂硅的/涂了荧光粉的，那它可以使用浸油在偏光计下分析。表面超过1000psi（7MPa）的张应力就可以导致灯损坏。请找工程师/技术人员来弄清楚如何进行这样的测量。下图中，左图是一只有严重环形应力的灯管没有用浸油的时候在偏光计下的图像。右图是同一只灯同一点用了浸油之后的图像。显然环形应力如果不借助浸油就很难看出来。该方向上蓝色为张应力用全波片观察浸油中的灯管的环形应力用全波片观察空气中的灯管的环形应力灯管上蓝色区域的位置和强烈程度可以提供某些关于环形应力的信息。蓝色越强烈，张力越严重。蓝色区域越靠近灯的外表面，灯越容易破碎，而蓝色区域中最亮的部分就是破裂开始的地方。本例中，最亮的区域靠近玻管表面，而且就在玻管“肩部”上面一点的位置。所以这就是最容易破裂的区域了。要确定应力的强度是否足以导致破裂，就需要用1/4波片进行测量。如果玻管表面（或者在表面以内0.006英寸（0.15mm）的范围内）的应力大于1000psi (7MPa)，玻管就有在环形应力下破损的危险。下图是同一只灯管用上1/4波片，检偏器在0度（应力测量相关参见应力计部分）的时候的图像。1/4波片下的环形应力样品检偏器转过0度图像现在是黑白的。蓝色（张应力）和黄色（压应力）应力带现在都是白色，而原先紫红色的背景现在是黑色的。检偏器转动，则应力区域会变暗。完整的测量要到所有的原本表示应力的白色区域全部消失才算完成。要注意检偏器转动的时候背景区域也会变亮。某些应力很强的情况下，白色区域会分成蓝色和棕色。此时就要消除所有的蓝色的光但是保留棕色的光。下面两幅图是检偏器旋转到30度和50度时的图像。50度的时候应力已经被“补偿了”。正确的测量需要知道：灯管的直径、灯管最后测量到的应力的深度（由应力所在位置离灯管表面的距离和灯管厚度的比例来估计，例如壁厚0.030英寸（0.76mm）而最大应力在厚度1/5深处，）、检偏器转过的角度（本例中是50度）。1/4波片下的环形应力样品检偏器转过50度此时应力完全“消失”1/4波片下的环形应力样品检偏器转过30度对于此样品的应力计算得到：玻管表面下大约0.006英寸（大约0.15mm）存在环形应力，其为1670 psi (11.7MPa)的张应力。这样算出来的应力水平足以让这个批次中的某些灯在环形应力下破裂。实际上，这只样品灯就是从一批已经发生了应力裂损的“质量问题封存”的灯批次中抽取的。关于计算光经过的路程长度的公式和玻璃中的应力，请参见附录VI和VII。下图是前面那只灯的另外一头。在环形应力的角度而言，这是一个“好的”灯封口部位的图像。此照片上是（转动这只玻管找到的）玻管这一头环形应力最差（强）的一点。环形应力样品的另外一头好的封口部位该方向上蓝色为张应力烧尖中的常见问题白炽灯和荧光灯用的大部分的排气管其管壁都很薄。在真空灯和低压灯的情况下，烧尖工序应该这样进行：1） 预热排气管要进行烧尖的部位。2）熔化排气管的管壁以形成烧尖泡。如果有多个烧尖火头，要小心有优先地去先熔化一侧的管壁。3） 同时将灯管和烧尖火头从排气管头附近移开，这样可以把烧尖处多余的玻璃移走。4）烧排气管剩下的玻璃刺，但是注意不要把烧尖顶部又熔化而烧出另外一个泡（“吸入泡”）。此工艺常碰到两个问题。第一，烧尖泡可能实际上是几乎同时生成的两个泡。这样的话，其中一个泡可以爆开，从而向灯内放入少量气体。两个泡也可以造成烧尖裂，因为两个泡之间有凹角。第二个问题类似。烧尖的最后阶段，烧玻璃刺的时候，烧尖顶部可能被再次加热或者是过度加热。这造成烧尖泡爆开，或者产生第二个烧尖泡。排气后充入和大气压接近的气体的灯不会有烧尖泡或者“吸入泡”。除了没有气泡形成外，其在工艺上类似前文中的烧尖工艺。所有烧尖工艺都会碰到“刺尖”问题。烧尖的最后一步没有把尖烧透。玻管、排气管、还有火头的不好的相对位置经常造成“刺尖”问题。有些情况下，烧尖工艺加入了一个机械装置来压平烧尖。这种过程应该是尽可能避免的。压平装置一般都会改变烧尖的形状，产生尖锐的凹角，有时会造成烧尖顶部的热裂纹。对于很多烧尖装置，烧尖火头会在不同平面上的