浮法玻璃应力.pdf

杭州聚能玻璃技术有限公司 浙江省杭州市潮王路 43 号东方豪园文豪阁 706 号 邮编 310014 Tel 86 571 85304343 Fax 86 571 85304359 Web E mail info 浮法玻璃应力检测及一些退火概念 退火一直是浮法工艺中较难把握的环节之一 究其原因 与工艺人员对退火及应力的一些基 本概念理解不透有很大关系 本文首先对浮法玻璃应力检测作一综合性介绍 然后对有关退 火的几个基本概念进行说明 一 浮法玻璃中的应力类型 从应力产生的原因及对玻璃的影响来分类 可分成二类 1 平面应力 它是由退火窑横向温度不均引起 各种在线应力仪测出的就是这种应力 其大小与退火窑长度无关 即与玻璃带绝对降温速度无关 只取决于玻璃板横向温 度分布 如 B 区横向温度不均 则产生永久平面应力 C 区之后的横向温差则导致 暂时平面应力 横切机前的在线应力仪测出的是永久平面应力和暂时平面应力的代 数和 有些在线应力仪通过测当时玻璃板的横向温度分布间接计算出暂时平面应 力 从而区分两种应力 平面应力对玻璃带掰断 掰边影响很大 掰断去边之后 平面应力大部消失 对玻 璃进 步加工影响很小 2 厚度应力 又叫端面应力 是由玻璃表面与板芯在冷却时所产生的温度差所引起 它由退火窑长度所决定 在退火窑长度一定时 各区的进出口温度即冷却速度直接 决定了应力的大小 与平面应力类似 厚度应力也有永久应力及暂时应力之分 在线应力仪是测不出厚度应力的 厚度应力不但对玻璃带掰断 掰边有影响 而且对后续深加工也有很大影响 二 浮法玻璃在线应力检测方法 1 应力测定的理论基础 1 1 偏振光 众所周知 光是一种电磁波 其振动方向与前进方向垂直 在所有与前进方向垂直的振动 面上振动 如在光路中引入只允许某一振动方向光线通过的偏振滤片 就可获得偏振光 简 称偏光 1 2 双折射 玻璃是各向同性体 各方向的折射率相同 如玻璃中存在应力 各向同性的性质受到破坏 引起折射率变化 两主应力方向的折射率不再相同 即导致双折射 折射率与应力值的关糸 由下式确定 nx ny CB x y 式中 nx ny 分别为 x 及 y 方向的折射率 x y 分别为 x 及 y 方向的应力 CB 为应力 光学常数 它是物性常数 仅与玻璃品种有关 1 3 光程差 当偏光透过厚度为 t 的有应力玻璃时 光矢会分裂为两个分别在 x 及 y 应力方向振动的分 量 如 vx vy分别为两光矢分量的速度 则透过玻璃所需的时间分别为 t vx和 t vy 两分量 之间不再同步 而是存在光程差 C t vx t vy t nx ny 式中 C 为真空中光速 结合上述二式 即得如下公式 x y tCB 即应力与光程差存在一定关系 一般借助光干涉原理测出光程差 从而计算出应力值 需要 强调的是 得出的不是应力的绝对值 而是二主应力之差 有时虽然测出的应力为零 但实 际上二主应力均存在 只不过二者相等而已 典型例子是平板玻璃 从平面上看 存在各向 相等的表面压应力及板芯张应力 表面压应力在数值上等于 2 倍板芯张应力 但采用平面透 射光并不能测出应力 原因就是 x y 必须取样 使光透过玻璃端面才能测定 因此 对不同制品 根据工艺情况 设计适当的应力测试方法是极为重要的 2 在线应力检测方法 2 1 在线人工检测 所用仪器是一种大型光学偏光镜 光源放在玻璃板下面 可以是与玻璃带宽等长的长条 形灯箱 也可以是与上部检偏镜随动的方形灯箱 人工操作的检偏镜位于玻璃带宽上方 安 装在横跨玻璃带的滑轨上 移动检偏镜就可检测玻璃宽度上任意一处的应力 此种方法是一种直观检测方法 优点是能加深对应力及退火的理解 易累积第一手知识 能有针对性地对关键位置作重点检测 如出现纵裂时 可先根据经验调整有关退火参数 纵 裂消失后 重点测原纵裂位置的应力 根据应力状况决定是否进一步调整参数 从而一次性 彻底消除隐患 此仪器价格较低 维护容易 国外浮法线上通常必备此类仪器 要求高的生 产线另加装 套自动应力仪 2 2 自动应力仪 自动应力仪主要有如下几类 SENARMONT 应力仪 此类仪器的特征是采用旋转检偏镜检测消光时检偏镜的旋转角度 即通常所称的应力 角 其原理类似于上述人工检测仪器 此类仪器最早由美国福特公司研制 具体方法是在测 量头内放一个与轴位译码器同步旋转的检偏镜 每旋转 周产生两次消光 这种瞬时消光到 达位于检偏镜后面的光电管 触发轴位译码器发出数字信号 相当于透过玻璃的偏振面旋转 角 即应力角 国内秦皇岛院研制了类似的仪器 只不过角度信号的检测处理方法有所不同 此类仪器精度一般为 度 相当于 毫米玻璃 2 测量范围 度 相当于 毫米玻璃 2 此仪器的缺点是包含高速旋转的光学部件 工业生产现场使用时易出故障 可靠性较差 故已基本遭淘汰 光强比值法应力仪 光强比值法的基本原理是透过有应力玻璃的偏振光束的光强 I 与光程差 光程差 应力 S x 玻璃厚度 t x 有如下关糸 I I0Sin2 式中 为光波长 I0为原始光强 因此只要测出 I I0就能计算出 并得到应力数值 值得指出的是 I I0与 的关糸是正弦周期函数 一个 I 对应无数个 故只能用正弦 曲线的一段单值区域 即半波长 是其最大测量范围 考虑测量光波长 红色激光 为 则最大测量范围为 土 如用其他可见光 则范围要小 些 此类仪器适宜采用透射光路设计即光源与探头应分别位于玻璃带上下两边 这样对 玻璃而言 最大量程可达 2左右 玻璃时能测到 2左右 免强够用 如采用反射光路 玻璃的最大量程只有 2 暂时 应力较大时有可能超量程 对 以上玻璃 则无法准确计量 此类仪器由于无活动光学部件 运行相对可靠 对透射光路设计 关键是须保证上下机 械扫描机构同步运行 长期运行中易发生传动带伸长 导致上下不同步 探头收不到光束的 问题 光谱成分分析法 应力仪 光谱成分分析法应力仪的基本原理与光强比值法应力仪类似 主要区别在于采用混合光 取代单色光作光源 因采用多种波长 每点测定均得到一组 I1 I0 I2 I0 I I0 Ii I0 同时满足此组方程的 是唯一的 因此量程不受限制 因量程无限 所以可采用反射光路设计 可测定任意厚度的玻璃 精度也要高于其他类型的 仪器 可达 相当于 毫米玻璃 0 75 2 此种仪器由美国 公司研制 精度很高 但在工业现场严酷环境下使用 可靠性不高 三 暂时平面应力与永久平面应力 在线应力仪测的是被测玻璃带当时的总平面应力 它等于暂时应力与永久应力之代数 和 大家都知道 暂时应力是退火窑 C 区之后各区横向冷却分布的结果 而永久应力只和 B 区横向温度有关 对于在线切割掰断等生产操作 二种平面应力均是重要的 而对于掰断后 的玻璃板 二种平面应力几乎均完全消失 对后继深加工没有影响 影响进一步加工的应力 是厚度方向的应力 它不能由在线应力仪测出 只能离线检验 实用的在线自动应力仪必须能区分暂时平面应力与永久平面应力 通过检测被测玻璃带 的即时横向温度分布 依据弹性力学原理 可精确计算出暂时应力的分布曲线 从而得到永 久应力曲线 有了此二种曲线 就能有效预报大多数退火问题如 荷叶边 纵裂 不沿刀口 掰断 掰边困难 等 并可有针对性的调整退火窑参数 不具备区别两种应力的自动应力仪 只能给出总应力曲线 操作者仍需根据经验判断如何 调整退火参数 在实际使用时 此种应力仪甚至不如人工在线应力仪实用 四 应力检测与退火工艺的关糸 在线应力检测的根本目的是根据不同条件下的应力分布 有目的地调整退火工艺制度 因 此应力检测只是手段 重点应在退火环节上 遗憾的是 国内外制造应力仪的公司往往与退 火脱节 没有一家能提供有关应力分布与退火制度之间关糸的糸统技术 必须靠工厂自行摸 索 由于条件所限 对大多数玻璃厂来说这几乎是无法做到的 国内己有几家工厂进口了在 线应力仪 但至今没有一家厂能用好应力仪 其原因除了应力仪本身可能存在不足之外 关 键是对退火本质理解不深 不能在应力与退火之间建立有效的联糸 许多专家在基本概念方 面的错误更对工厂产生了严重的误导 使生产技术人员越听越糊涂 至今未能找准解决问题 的方向 解决此问题需广泛而深入的退火理论及实践知识 应力仪供应商应深入研究退火过 程 结合工厂的实践 才有可能真正用好应力仪 下面简要讨论一下有关退火的一些基本概念 期望能消除某些专家长期以来营造的误区 为用好应力仪提供一些准备知识 应力松驰 应力松驰是指释放温差应力的过程 它是产生永久应力 又名残余应力 的根本原因 如果 不存在应力松驰 则玻璃就不会有永久应力 应力松驰取决于二因素 温差与温度 玻璃温 差越小 温差应力就越小 应力松弛的绝对值也就越少 永久应力当然也就越小 温度越低 应力松弛越慢 特定时间内应力松弛值越小 永久应力也就越小 对于厚度应力 减小应力 松驰的途径只有一条 即减小玻璃中厚度方向的温差 退火中 区缓慢冷却玻璃 实际上就 是尽可能减小由玻璃表面与板芯的温差产生的温差应力 使应力松弛的绝对值尽可能少 对 于平面应力 理论上可以消除应力松驰 条件是保持玻璃带横向温度一致 需要特别指出的 是 应避免望文生义 认为退火就是使应力松驰 使应力减小 从而得到较小应力的玻璃 实际情况恰恰相反 松驰的是当时的温差应力 而松驰的结果是在室温形成永久应力 平面应力与表面应力 在线应力仪测出的应力不仅存在在玻璃表面 而且存在于整个厚度方向 其值在厚度 方向保持恒定 所以应叫作 平面应力 许多专家将该应力称为 表面应力 认 为仅存在于玻璃表面 这完全是错误的 实际工作中 在线应力仪测出的应力值有这 样的规律 玻璃越厚 应力值越大 如果仅在表面存在 不应该出现这种现象 平面应力的英文名字叫 membrane stress 或 area stress 直译应为 薄膜应力 或 面 应力 意思是将玻璃作为二维平板看待时存在的应力 许多人望文生义 主观地翻译成 表面应力 以致误导了许多玻璃技术人员 3 退火区间 此区间指退火上限与退火下限之间的温度区域 是人为定义的区间 因为大部分应力松 驰发生在此区间内 只要小心通过此区间 就能获理想的退火效果 退火上限指在此温度下 玻璃中的温差应力松驰特别快 在 分钟内就可松驰 高于此温度 玻璃物性更偏向液体 温度差基本不能建立起温差应力 也就无所谓应力松驰 了 这就是为什么锡槽及退火窑 区的冷却速度可以快一些的原因 退火下限是指在 分钟内只能松驰 温差应力时的温度 低于此温度 实际发生的应力 松驰可以忽略不计 冷却速度可以很快 此时虽然温差应力较大 只要玻璃不破裂 就不会 有问题 退火窑 区之后冷却加快 均不会加大永久应力 只是仍需注意横向均匀冷却 因 暂时的平面应力仍会引起严重的生产问题 4 线性冷却与非线性冷却 线性冷却是指在退火区间内玻璃的冷却速度保持恒定 而非线性冷却的速度是变化的 国内对线性退火与非线性退火的认识一般来源于法国 公司早期的商业宣传 该 公司为区别于其他公司的技术 大力宣传热风工艺的好处 说热风工艺可以保证线性冷却 能形成平滑的平面应力曲线等等 实际上 热风工艺可在一定程度上接近线性冷却 但风量 成倍上升 耗能增加很多 几乎得不偿失 至于平面曲线形状 只与横向温度分布有关 与 热风还是冷风工艺没有必然联糸 早先理论认为 如恒速线性冷却 则玻璃内外温差也保持恒定 不会产生新的温差应力 从而也无新的应力松弛产生 故可获得较低的永久应力 所以应采用线性冷却的工艺制度 即玻璃的冷却速度须保持不变 但后来的实验发现虽恒速冷却 仍观察到有新的应力产生 其原因是玻璃的一些物性指标 如比容 膨胀糸数等也随温度变化 虽然无温差应力产生 但物性变化产生了应力 相应也 有应力松弛 为区别于温差应力松弛 将此种应力松弛命名为 结构松弛 即由玻璃微观 结构变化而导致的应力松弛 一般应用时 不需严格区别这二种松弛 通称为应力松弛 考虑到结构松