(完整word版)玻璃表面应力仪FSM6000LE测试原理

玻璃应力仪原理
玻璃应力仪是一种用于测量玻璃内部应力的仪器。

其原理基于光学折
射和双折射现象。

首先，将被测玻璃样品放置在玻璃应力仪的工作台上。

然后，通过一
个光源发出的光线经过一系列透镜和偏振片后，射向样品表面。

当光
线穿过玻璃时，它会发生折射和双折射现象。

这些现象会导致光线的
振动方向发生变化，并且在样品内部形成一个复杂的干涉图案。

接下来，通过移动一个检测器来扫描干涉图案，并记录下每个点处的
干涉条纹数。

这些数据可以被用来计算出每个点处的相位差异，从而
得到样品内部应力分布情况。

具体地说，当光线穿过受压应力区域时，其传播速度会变慢，并且振
动方向也会发生改变。

相反地，当光线穿过拉伸应力区域时，则传播
速度加快，并且振动方向也会有所变化。

因此，在不同位置处记录下
的干涉条纹数就可以反映出样品内部应力的大小和方向。

总之，玻璃应力仪通过光学干涉原理，利用光线在玻璃中的传播速度
和振动方向变化来测量玻璃内部应力。

该仪器具有高精度、高分辨率、非接触式等优点，被广泛应用于玻璃制造、加工和质量控制等领域。

第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023化学钢化玻璃的激光焊接及其机械强度曾新昌,丁原杰,刘传亮,陈㊀凌,叶㊀舒(福耀高性能玻璃科技(福建)有限公司,福清㊀350301)摘要:超短脉冲激光因具有加工精度高㊁热影响区小㊁效率高等优点,在玻璃焊接领域有着广阔的发展前景㊂在实际场景中玻璃往往通过强化提升自身强度,以满足其应用的可靠性㊂本文利用红外超短脉冲激光成功实现化学钢化玻璃之间的焊接,通过显微镜观察焊点形状,总结出了焊接功率㊁频率㊁速度与焊点尺寸的回归方程,并验证了回归方程的准确性㊂结果表明:在焊接频率为500kHz㊁焊接速度为10mm /s 条件下,随着焊接功率升高,焊接化学钢化玻璃的机械强度先增大后减小,化学钢化玻璃焊接剪切应力最大可达11.09MPa,拉伸应力最大可达7.10MPa;激光焊接时化学钢化玻璃不仅受到本身热膨胀的压力还叠加了张应力,更容易造成周围区域的破坏㊂关键词:化学钢化玻璃;玻璃焊接;红外飞秒激光;机械强度;非线性吸收;热膨胀中图分类号:TQ171㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4146-08Laser Welding of Chemically Tempered Glass and Its Mechanical StrengthZENG Xinchang ,DING Yuanjie ,LIU Chuanliang ,CHEN Ling ,YE Shu (Fuyao High Performance Glass Technology (Fujian)Co.,Ltd.,Fuqing 350301,China)Abstract :Ultra-short pulse laser has broad development prospects in the field of glass welding due to its unique advantages of high processing accuracy,small heat affected zone and high efficiency.In practical scenarios,glass often needs to enhance itself strength through strengthening to meet the reliability of its application.This article successfully realizes welding between chemically tempered glass using infrared ultra-short pulse laser.By observing the shape of welding spot with microscope,the regression equation of welding power,frequency,speed and laser welding joint size was summarized,and the accuracy of regression equation was verified.The results show that under the conditions of welding frequency 500kHz and welding speed 10mm/s,as the welding power increases,the mechanical strength of welding chemically tempered glass increases first and then decreases.The maximum shear stress of welding chemically tempered glass can reach 11.09MPa,and the maximum tensile stress can reach 7.10MPa.During laser welding,the chemically tempered glass is not only subjected to its own thermal expansion pressure but also superimposed tensile stress,so it is easier to cause damage to surrounding area.Key words :chemically tempered glass;glass welding;infrared femtosecond laser;mechanical strength;nonlinear absorption;thermal expansion收稿日期:2023-06-19;修订日期:2023-08-02作者简介:曾新昌(1987 ),男㊂主要从事玻璃加工制造㊁激光加工㊁机械设计及自动化等方面的研究㊂E-mail:tony.zeng@ 通信作者:丁原杰,博士㊂E-mail:yuanjie.ding@ 0㊀引㊀言玻璃材料因优异的光学特性㊁耐腐蚀性和热力学特性,在传感器㊁光子器件㊁生物芯片等高新技术领域都有重要应用[1]㊂在上述领域中,往往需要把两片玻璃连接起来,业界常用连接技术包含胶合粘接㊁阳极键合㊁熔融焊等㊂胶合粘接因为粘合温度相对较低并且可以灵活地填充不同材料之间的间隙,被应用于粘合不同的材料,例如硅㊁玻璃等半导体材料及金属材料㊂然而,随着时间的累积,粘合剂的高分子链受到辐射会释放气体,导致老化现象并对周围环境产生污染[2]㊂阳极键合是由Wallis [3]率先提出,是一种在相对低温下快速实现强键合的粘结工艺,可以产生牢固而持久的键合,无需粘合剂,然而该工艺要求键合的两种材料热膨胀系数要相似,否则环境温度升高时,材料膨胀量不一样,会产生变形与翘曲㊂熔融焊是在高温的作用下使第11期曾新昌等:化学钢化玻璃的激光焊接及其机械强度4147㊀物体界面处的材料发生熔化,当温度降低熔化的部分凝固后,两个工件被牢固地焊在一起,但传统熔融焊诱导的热影响区域较大,残余应力较强㊂近年来,科研人员对玻璃材料的加工做了大量的研究与探索,其中超短脉冲激光因具有加工精度高㊁热影响区小㊁效率高等优点而逐渐被应用于玻璃焊接领域㊂超快激光聚焦在玻璃内部时,会激发多光子电离㊁雪崩电离等现象,玻璃非线性吸收激光能量并发生熔化,实现玻璃焊接[4]㊂日本大阪大学Tamaki 等[5]于2005年率先在没有焊接介质的情况下,使用飞秒脉冲激光,实现了两块玻璃的焊接,为玻璃之间的硬焊研究拉开了序幕㊂2008年,德国Horn 等[6-7]将此技术运用到了玻璃与单晶硅的焊接上,通过观察熔融区冷却过程的相位变化,发现激光焦点区材料冷却非常迅速,用时为微秒量级㊂2011年,日本科研人员[8]研究了玻璃材料的非线性吸收率与激光能量㊁脉冲频率之间的关系,测试出玻璃对激光的最大吸收率大于90%㊂2015年,Chen 等[9]使用皮秒激光发生器,使激光作用区的玻璃产生热膨胀,成功焊接了上下玻璃间隙为3μm 的样品,实现了非光学接触的焊接㊂2018年,丁腾等[10]利用高重频飞秒激光器对石英玻璃㊁钠钙玻璃等进行焊接,分析了焊点圆形空腔的成因,探究了焊接强度与激光功率㊁频率之间的变化关系,测得最大焊接强度为12.15MPa㊂2020年,陈航[11]以皮秒激光为光源,采用快速振荡扫描法成功实现了两块玻璃自然叠放间隙达10μm 的密封焊接,并且采用爆发脉冲模式实现了钠钙/石英玻璃与氧化铝陶瓷和304不锈钢的焊接㊂此外还深入研究了激光焊接参数对玻璃与不同材料焊接强度的影响规律㊂以上均为素片玻璃(未经化学钢化)的激光焊接学术研究试验,对于化学钢化玻璃激光焊接的研究仍较少㊂现实生活中玻璃的运用往往需要通过化学钢化来提升玻璃本身的强度,进而达到实际应用的可靠性,因此激光焊接化学钢化玻璃在众多领域具有重要的意义,例如建筑真空玻璃领域㊁轨道交通车窗真空玻璃领域㊁光伏电池封装领域㊂特别是真空玻璃,因真空腔与外界有1个大气压力差,玻璃内部的支撑柱需克服压差将两玻璃隔开,应力集中在支撑柱与玻璃接触位置,在风压或冲击载荷作用下玻璃容易发生破裂,所以通过钢化可增加其强度,延长使用寿命[12]㊂本文利用红外飞秒激光成功实现了化学钢化玻璃之间的焊接,研究了激光功率㊁激光重复频率㊁焊接速度对化学钢化玻璃焊接熔融区形貌的影响,并通过机械强度测试,探究了不同参数下玻璃焊接强度的变化㊂1㊀实㊀验1.1㊀材料及制备本试验所用玻璃均为普通钠钙玻璃,其主要化学成分如表1所示㊂表1㊀钠钙玻璃的主要化学成分Table 1㊀Main chemical composition of sodium-calcium glassComposition SiO 2Na 2O CaO MgO SO 3Fe 2O 3Mass fraction /%73.32013.6749.009 3.2940.2270.091图1㊀激光焊接系统示意图Fig.1㊀Schematic diagram of laser welding system 拉伸强度试样的尺寸为98mm ˑ28mm ˑ4mm,由于单条焊线的强度较小,测试误差大,故设定拉伸试验的焊线长度为10mm,焊线间距为0.2mm,焊线条数为10条㊂同理,设定剪切强度试样的尺寸为50mm ˑ60mm ˑ4mm,焊线长度为30mm,焊线间距为0.2mm,焊线条数为15条㊂激光焊接前,使用清洗机把玻璃表面脏污㊁异物清洁干净㊂玻璃化学钢化参数:420ħ条件下保温14h,化学钢化后表面应力为(compressivestress,CS)644MPa,应力层深度为(depth of stress layer,DOL )17μm,中心张应力为(central tensilestress,CT)2.81MPa㊂1.2㊀试验条件及方法激光焊接系统示意图如图1所示,依照图1搭建激光焊接平台㊂从激光器发射出的激光束,经反射镜OR1反射进入反射镜OR2,反射镜OR2垂直反射进入2倍扩束镜,被扩束后的激光脉冲经反射镜OR3反射4148㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷进入物镜,物镜聚焦光斑直径为3μm,焦深为ʃ1.56μm㊂焊接所用的设备为武汉锐科光纤激光股份生产的飞秒激光发生器GS-FIR50,激光波长为1064nm,最大功率为50W,脉冲宽度为600fs,光束质量M2<1.2,重复频率为100~3000kHz㊂将两片玻璃上下叠放,并使用压紧治具把玻璃贴紧,激光聚焦于上下玻璃交界面附近㊂玻璃表面应力检测采用日本折原的FSM-6000LE 应力仪,焊点形貌采用Keyence 的VHX-6000光学显微镜进行观察㊂焊接的机械强度采用美特斯工业的CMT5504万能拉伸试验机进行测试㊂2㊀结果与讨论2.1㊀化学钢化玻璃激光焊接后焊缝的形貌图2㊀焊缝截面形貌图Fig.2㊀Cross-section morphology of welding 首先利用红外飞秒激光对化学钢化玻璃横向焊接,在每组参数焊接完成后,用切割机纵向切开焊接区域,然后使用砂纸与抛光粉对切开端面进行抛光,砂纸目数从800目㊁1500目㊁2000目㊁5000目依次递增,清洗之后在显微镜下观察到的焊缝截面形貌如图2所示㊂可以清晰地看到,激光焊点形状规格,分布均匀,呈现水滴状,贯穿上下玻璃的表面,牢牢地把玻璃连接起来㊂焊点的高度标记为L ,宽度标记为D ㊂当红外脉冲激光聚焦在透明玻璃上时,焦点区域的光电场极高,可以诱导玻璃发生多光子电离㊁隧道电离㊁雪崩电离㊂由于被激发出来的等离子体对脉冲能量吸收强烈,后续光束无法穿透等离子体,从而对激光产生屏蔽效果㊂激光能量在上方被等离子体大量吸收,使材料温度急速上升,进一步在上方激发出更多的等离子,因此等离子体将从焦点处向激光光源方向移动,直到等离子体上升到激光功率密度无法再维持的高度而终止㊂在焊接过程中,等离子体向光源处运动和光束能量纵向分布不均匀等引发周边玻璃烧蚀状况不一致[13],促使焊点形成水滴状形貌㊂另外,玻璃被激发等离子体的区域通过热传导将能量传递到焦点外,形成外部的熔融改性区㊂待温度冷却熔融区凝结,玻璃产生永久性的结构变化㊂内部的等离子体作用区与外部的熔融改性区构成了水滴状双结构作用区[11]㊂2.2㊀不同焊接参数对化学钢化玻璃焊缝的影响通过调节不同的焊接功率㊁频率㊁速度来研究焊接参数对化学钢化玻璃焊缝的影响㊂利用各参数组合激光焊接后,在显微镜观察到的焊点尺寸如表2所示㊂表2㊀不同参数下化学钢化玻璃激光焊点尺寸Table 2㊀Laser welding joint size of chemically tempered glass with different parametersFactor Frequency /kHz Speed /(mm㊃s -1)Power /W Height L /μm Width D /μm Frequency1001010.0290.9125.95001010.0273.7120.68001010.0261.6112.510001010.0258.9112.515001010.0244.4104.325001010.0210.497.8Power 50010 6.0206.648.0500108.0240.090.55001010.0279.0116.55001012.0306.4133.65001010.0274.0116.6Speed 5001510.0244.693.75002010.0239.679.05003010.0222.562.75004010.0200.548.95005010.0171.135.8第11期曾新昌等:化学钢化玻璃的激光焊接及其机械强度4149㊀续表FactorFrequency /kHz Speed /(mm㊃s -1)Power /W Height L /μm Width D /μm Cross-over testing 10004016.5256.872.515004016.5242.375.820004016.5232.571.715004018.0257.081.525004020.0259.088.115004020.0271.090.5使用Mintab 软件对试验数据进行整合,建立宽度D 的多元线性回归模型,对模型进行方差分析,并剔除掉对宽度D 不显著的项,结果如表3所示㊂表3㊀宽度模型方差分析Table 3㊀Width model variance analysisSource Degree of freedom Adj SS Adj MS F value P value Regression 614477.902412.9969.530f 1374.10374.1410.780.005s 11584.701584.6745.660p 12736.402736.4078.850f 21193.90193.88 5.590.032s 21454.60454.5913.100.003p 211393.001393.0240.140Error 15520.6034.71 Misfit 13509.7039.217.190.129Pure error 210.90 5.45 Total 2114998.50 ㊀㊀注:Degree of freedom 为自由度,Adj SS 为组间离差平方和,Adj MS 为组间离差平方和与自由度之比,F value 为检验统计量,P value 为模型与因子的显著水平㊂对模型汇总,结果如表4所示㊂表4㊀宽度模型参数汇总Table 4㊀Width model parameter summaryS R -Sq /%R -Sq(Adjust)/%R -Sq(Forecast)/%5.8996.5395.1488.43㊀㊀注:R -Sq 为决定系数,S 为方差㊂宽度D 的回归方程如式(1)所示㊂D =-11.0-0.03004f -4.805s +24.63p +0.000007f ㊀2+0.0467s 2-0.6289p 2(1)式中:f 为频率,kHz;s 为速度,mm /s;p 为功率,W㊂P 值代表模型与因子的显著水平,Adj SS 为组间离差平方和,Adj MS 等于Adj SS 除以自由度㊂检验统计量F 值足够大,则可以判定因子是显著的㊂从回归方程显著性检验结果来看,0<α<0.05,说明在α=0.05下,宽度D 的回归方程的总效应是显著的㊂失拟项的P 值为0.129,其值大于0.05,说明失拟不显著,拟合误差小,方程回归性良好㊂从回归系数检验来看,自变量f ㊁s ㊁p ㊁f 2㊁s 2㊁p 2的值都小于0.05,故这6个因子均为显著因子㊂从回归模型显著性的度量指标来看,决定系数R -Sq 值为96.53%,说明自变量可以解释宽度D 中96.53%的变异㊂方差S 值为5.89,可以容忍㊂而R -Sq(调整)为95.14%,二者很接近,模型可靠㊂综上分析可以得出宽度D 的回归方程是显著的,是可以接受的㊂依照同样的方式,建立高度L 的多元线性回归模型,同样可以得到显著的回归方程,如式(2)所示㊂L =-131.4-0.04593f -2.574s +22.62p +0.000006f ㊀2-0.3760p 2(2)同样用上述方法进行分析,可以得出高度L 的回归方程是显著的,是可以接受的㊂基于上述的回归方程,可以得到高度和宽度的主效应图,如图3㊁4所示㊂焊点的高度L 和宽度D 与材料对激光的非线性吸收率相关,而非线性吸收率与重复频率㊁单脉冲能量㊁扫描速度等密切相关[14]㊂由图3㊁4可以看出,当功率及速度不变时,随着焊接频率增加(100~2500kHz),焊点的高度L 和宽度D 都逐4150㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷渐缩小,说明频率增加,虽然材料接收的脉冲数增多,但激光的单脉冲能量降低,与玻璃的相互非线性效应减弱,因此焊接熔融区域尺寸也随之减小㊂图3㊀高度主效应图Fig.3㊀Height main effect diagram图4㊀宽度主效应图Fig.4㊀Width main effect diagram 固定功率及频率不变,随着焊接速度增加(10~50mm/s),焊点的高度L和宽度D都逐渐缩小㊂说明速度增加,焊接区单位面积接收的脉冲数和激光总能量减小,导致被激发到导带中的自由电子减少,多光子电离㊁雪崩电离作用降低,从而使得激光焦点区域的等离子体数量和能量吸收减小[15],相应的焊接熔融区域尺寸缩小㊂固定速度及频率不变,随着激光功率增加(6~20W),焊点的高度L和宽度D都逐渐增大,说明随着功率密度的增加玻璃通过非线性吸收的激光能量就越多,被激发到导带中的自由电子自然增多,雪崩电离的贡献就越大,相应的焊接熔融区域尺寸越大㊂通常玻璃材料冷却到室温的时间大约需要10μs[16],可以反推出只要超短脉冲激光的频率大于100kHz,热量就可以实现累积㊂激光聚焦后功率密度高,作用时间短,远小于热膨胀的时间,少量的光束能量便可以诱导局域材料发生相变[17],因此形成的焊接作用区极小,不会影响周围的材料㊂为了验证上述回归方程的准确性,随机挑取一组参数进行验证(功率9W,速度13mm/s,频率700kHz),理论高度为241.8μm,理论宽度为87.8μm,实测焊点大小如图5所示,高度为241.6μm,宽度为88.0μm㊂计算与实际数值相近,说明回归方程有效,准确度高,可以精准量化出各参数对激光焊点的影响㊂2.3㊀化学钢化玻璃焊接的强度激光焊接的频率㊁速度㊁功率对于焊点尺寸都会产生影响,为了验证焊点尺寸与机械强度的关系,本次试验设计锁定重复频率为500kHz,焊接速度为10mm/s,通过改变功率(8㊁10㊁12㊁14W)来调整焊点的大小,再借助万能试验机测试出对应的机械强度㊂在实际焊接过程中,发现当功率为14W时,玻璃表面已经被激光严重烧蚀并有清晰的裂纹,故需重新调整参数,适当降低功率㊂经测试发现12.5W时,玻璃表面裂纹现象肉眼不可见,故确定试验测试功率为8㊁10㊁12㊁12.5W㊂机械强度的测试示意图如图6所示㊂图5㊀焊点尺寸Fig.5㊀Parameter of welding joint size图6㊀机械强度测试示意图Fig.6㊀Test diagram of mechanical strength㊀第11期曾新昌等:化学钢化玻璃的激光焊接及其机械强度4151使用激光依照上述参数依次进行焊接,并用万能试验机测得其焊接机械强度(每个参数下选取10个试样),结果如表5所示㊂表5㊀化学钢化玻璃焊接焊点尺寸和机械强度Table5㊀Welding joint size and mechanical strength of chemically tempered glassNo.Power/W Height L/μm Width D/μm Tensile strength/MPa Shear strength/MPa 18240.090.5 4.259.66 210276.8116.7 6.4610.48 312306.4133.77.1011.09 412.5315.6(crack)149.2(crack) 3.959.39强度计算公式为如式(3)所示㊂σ=F A(3)式中:σ为玻璃的拉伸㊁剪切强度,MPa;F为玻璃断裂时的最大作用力,N;A为焊接区域面积,m2㊂在合理的参数范围内,化学钢化玻璃焊接的机械强度取决于焊点尺寸,随着焊点尺寸的增大拉伸㊁剪切强度也对应增加,直至焊点高度达306.4um时强度达到最大,而后随着功率的增大,机械强度开始减弱㊂造成此现象的可能原因是:随着温度升高,玻璃产生融化效应,热应力随之产生,当热应力大于玻璃材料本身的抗拉极限时,就会在玻璃内部造成裂纹㊂一旦裂纹产生,根据格里菲斯断裂理论,玻璃的强度迅速下降㊂按照美国军用标准MIL-STD-883G,焊缝剪切强度达到6.25MPa即可视为焊缝连接质量良好[18]㊂目前真空玻璃的封边,市场主流工艺是采用低温玻璃粉封装(熔融焊),受外部风雪载荷和温差变形的影响,玻璃边缘封装既要满足密封功能,也要满足机械强度的要求,常规玻璃粉封装边部剪切强度为3.45MPa,已完全满足使用需求[19]㊂由此可见,化学钢化玻璃的焊接强度也完全胜任真空玻璃的需求㊂比起玻璃粉封边,采用超短脉冲激光封边在性价比上更有优势,有望成为真空玻璃下个主流封装工艺㊂2.4㊀化学钢化对焊接的影响玻璃的化学钢化采用低温离子交换技术生产[20],即将玻璃置于熔融的碱盐中,盐液中的K+与玻璃表面的Na+相互扩散,发生离子交换,而K+半径比Na+半径大,导致交换后的体积发生变化,在玻璃的表面形成压应力CS,为了维持受力平衡,内部则形成张应力CT㊂压应力CS可以抑制表面微裂纹的扩展,从而达到提升玻璃强度的效果㊂在离子交换过程中可通过调节温度和时间,来控制应力层不同的深度㊂化学钢化不仅可以在低温(玻璃软化点以下)完成强化,还可以保证玻璃不变形[21-22],有利于激光焊接㊂经过化学钢化处理的玻璃强度可以提升3~5倍以上[23]㊂本次试验固定重复频率为500kHz,焊接速度为10mm/s,调整焊接功率,分别焊接化学钢化玻璃及未化学钢化玻璃,分析比对差异㊂表6㊀化学钢化与未钢化玻璃焊接焊点尺寸和拉伸强度对比Table6㊀Comparison of welding joint size and tensile strength between chemically tempered and untempered glassNo.Welding power/W Tempered glass Untempered glassHeight L/um Tensile strength/MPa Height L/um Tensile strength/MPa 18240.0 4.25241.2 4.73 210276.8 6.46275.3 6.89 312306.47.10307.37.21 412.5315.6(crack) 3.95316.87.37514 326.7(crack) 4.07表6为相同焊接参数下,化学钢化玻璃与未化学钢化玻璃焊点的尺寸和拉伸强度对比㊂由表6可见,在相同焊接参数下,两者相差无几,化学钢化的离子交换层对激光能量吸收的影响可以忽略㊂同样,化学钢化的表面压应力对激光焊点的尺寸无抑制效果㊂随着功率增加,化学钢化的玻璃在12.5W开始出现裂纹如(图7),而未钢化的玻璃在14W才开始出现裂纹㊂此外,表6拉伸强度数据可以推断出裂纹的产生使两种玻璃的拉伸强度大幅度下降㊂4152㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图8为焦点区受力图㊂焦点区玻璃非线性吸收脉冲光束能量形成熔池并造成该处玻璃热膨胀,此时焦点区以外的材料温度低于焦点区,而黏度则相反,这导致焦点区材料热膨胀后受压应力作用影响[24],能量越大,压力越大㊂本次试验的化学钢化玻璃内部形成了张应力层,表面压应力层的深度达17μm,而焦点熔池高度为306μm,这表明玻璃的熔池伸展到了张应力层较深的区域㊂化学钢化玻璃在激光焊接时,不仅受到自身热膨胀的压力还叠加了张应力,进而造成周围区域破坏并形成裂纹,其焊接机械强度大幅度下降㊂图7㊀玻璃焊接裂纹Fig.8㊀Diagram of focus area force Fig.7㊀Welding crack of glass图8㊀焦点区受力图3㊀结㊀论1)利用红外超短脉冲激光成功实现化学钢化玻璃之间的焊接,焊缝呈水滴状㊂2)通过建立多元线性回归模型,总结出焊接功率㊁频率㊁速度与焊点尺寸的回归方程,进而得到了焊点大小随着参数变化的规律,即焊点尺寸随速度㊁频率增加而减小,随功率增加而增大㊂3)随着焊点尺寸增加,化学钢化玻璃的机械强度先增大后减小㊂4)与未强化的玻璃相比,化学钢化玻璃在激光焊接时更易产生裂纹㊂参考文献[1]㊀庞继伟,王㊀超,蔡玉奎.玻璃材料激光加工技术的研究进展[J].激光技术,2021,45(4):417-428.PANG J 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建筑玻璃与工业玻璃2020，№7- 11 -薄型化学增强高铝玻璃抗冲击性能研究徐　驰，傅国英，黄友奇，赵芳红，张保军，刘超英（中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京　100024）摘要：化学增强高铝玻璃具有优秀的力学性能，可以满足航空透明件轻质高强的要求。

基于旋翼飞机风挡透明件减重要求，使用1.8mm 厚度高铝玻璃作为主材料，兼顾了减重和抗鸟撞性能需求。

本文以1.8mm 厚度高铝玻璃为研究对象，计算了玻璃在不同应力层深度时中心张应力的变化，然后制备多组样品进行化学增强处理，并测试落球冲击性能。

结果表明，1.8mm 厚度高铝玻璃表面应力为900MPa 时，应力层深度在42～46μm 范围内抗冲击性能最好。

0　引　言高铝硅酸盐玻璃具有良好的离子交换性能，经过化学钢化后具有较高的表面应力和较深的应力层，韧性和耐划伤性能优异，在手机盖板领域有广泛地应用[1-4]。

随着航空用无机透明件对高强化和薄型化的要求越来越高，薄型高铝玻璃正逐渐作为主材料应用到旋翼飞机风挡玻璃上，满足轻质高强的苛刻要求。

通常情况下，化学钢化玻璃的表面应力越大、应力层深度越深越好，但在实际使用过程中，薄型高铝玻璃过度化学钢化后会发生自爆现象，抗冲击性能大幅度下降，无法满足风挡玻璃抗鸟撞性能要求。

因此，以薄型高铝玻璃作为研究对象，通过理论计算和实验测试确定较佳的表面应力值和应力层深度，进而获得优异的抗冲击性能，并反馈指导实际化学钢化生产工艺，这对拓宽薄型高铝玻璃应用范围是非常有意义的。

1　实　验1.1　实验原料及仪器采用四川旭虹光电科技有限公司生产的1.8mm 厚度高铝硅酸盐玻璃原片，具体组成成分见表1。

原片玻璃经过切割、研磨以及边缘抛光等加工工序制备成300mm ×300mm ×1.8mm 规格尺寸样品，抗落球冲击性能测试采用GB/T 5137.1—2002《汽车安全玻璃试验方法第1部分：力学性能试验》，在第三方检测认证机构中国建材检验认证股份有限公司完成。

硬件章节1.概述2.安装3.连接4.操作5.维护6.注意7.测量要点软件章节1.概述深圳市田野仪器限公司FSM-6000LE 使用手册FSM-6000LE 操作手册出版日期2015.08目录表第 1 页第 2 页第 3 页第 4 页第 5 页第 6 页第7 页第 1 页2.操作环境和连接方法3.页面布局和按钮功能3.1 页面布局3.2 按钮功能3.3 鼠标操作（通用）4.测量步骤5.操作说明（详细）5.1 输入/输出文件5.2 历史记录5.3 调整测量区域5.4 设置测量条件5.5 系统设置5.6 校准5.7 测量6.规格7.保证书8.检验证书第 1 页第 2 页第 2 页第 3 页第 4 页第 4 页第 5 页第 5 页第 5 页第 6 页第7 页第9 页第11 页第12 页FSM-6000LE 表面应力仪能够通过在玻璃表面层上的光学波导效应测量钢化玻璃的表面应力。

然而，对于通过将玻璃中的锂离子和盐溶液中的钠离子进行离子交换所得的化学钢化玻璃和进过化学钢化的光变色玻璃，该仪器无法测量其表面应力。

[2] 安装在偏暗并且平稳的地方进行安装。

[3] 连接将电缆线的一端与视频板的接头相连，另一端与摄像机头相连。

设置摄像机头的指拨开关。

(1) 将插头插入电源插座。

(2) 打开电源开关。

(3) 电灯达到足够亮度。

(4) 打开电脑并启动FSM-6000LE 测量软件。

（参照软件操作手册）不使用密码狗就无法使用测量软件。

请将密码狗插入USB 插孔。

(5) 滴少量浸渍液体在放置样品的棱镜上。

将样品放在棱镜上，使浸渍液体位于样品和棱镜之间。

使用液体时尽量少量。

棱镜边上的污浊液体会使测量结果不准确。

(6) 旋转灯高调节旋钮，使屏幕变亮。

(7) 调节镜筒角度，使条纹显示在屏幕中央。

用亮度调节把手调节条纹的对比度。

(8) 要使条纹显示在屏幕上，要预先设置好CCD 相机的旋转角度。

测量的角度范围为±10/840（垂直方向）。

玻璃应⼒测试实验4 玻璃内应⼒测定1 ⽬的意义1.1 意义由于⽣产⼯艺的特殊性，在制作完成后的玻璃制品中还或多或少地存在内应⼒。

在玻璃成型过程中，由于外部机械⼒的作⽤或冷却时热不均匀所产⽣的应⼒称为热应⼒或宏观应⼒。

在玻璃内部由于成分不均匀⽽形成的微不均匀区所造成的应⼒称为结构应⼒或微观应⼒。

在玻璃内相当于晶胞⼤⼩的体积范围内所存在的应⼒称为超微观应⼒。

由于玻璃的结构特性，其中的微观与超微观应⼒极⼩，对玻璃的机械强度影响不⼤。

影响最⼤的是玻璃中的热应⼒，因为这种应⼒通常是极不均匀的，严重时会降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响制品的安全使⽤，甚⾄会发⽣⾃裂现象。

因此，为了保证使⽤时的安全，对各种玻璃制品都规定其残余的内应⼒不能超过某⼀规定值。

对于光学玻璃，较⼤应⼒的存在将严重影响光透过和成像质量。

因此，测量玻璃的内应⼒是控制质量的⼀种⼿段，特别是质量要求较⾼的贵重的或精密的产品尤其重要。

1.2 ⽬的①进⼀步了解玻璃内应⼒产⽣的原因；②掌握测定玻璃内应⼒的原理和⽅法。

2 基本原理2.1 玻璃中的内应⼒与光程差包括玻璃与塑料在内的许多透明材料通常是⼀种均质体，具有各向同性的性质，当单⾊光通过其中时，光速与其传播⽅向和光波的偏振⾯⽆关，不会发⽣双折射现象。

但是，由于外部的机械作⽤或者玻璃成型后从软化点以上的不均匀冷却，或者玻璃与玻璃封接处由于膨胀失配⽽使玻璃具有残余应⼒时，各向同性的玻璃在光学上就成为各向异性体，单⾊光通过玻璃时就会分离为两束光，如图4-1所⽰。

O光在玻璃内的光速及其传播⽅向、光波的偏振⾯都不变，所以仍沿原来的⼊射⽅向前进，到达第⼆个表⾯时所需的时间较少，所经过的路程较短；E光在玻璃内的光速及其传播⽅向、光波的偏振⾯都发⽣变化，因此偏离原来的⼊射⽅向，到达第⼆个表⾯时所需的时间较多，所经过的路程较长。

O光和E光的这种路程之差称为光程差。

测出这种光程差的⼤⼩，就可计算玻璃的内应⼒。

布儒斯特(Brewster)等研究得出，玻璃的双折射程度与玻璃内应⼒强度成正⽐，即R=Bσ (4-1) 式中R—光程差，nm；B—布儒斯特常数(应⼒光学常数)，布，1布=10-12Pa；σ—单向应⼒，Pa。

第43卷第4期2024年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.4April,2024柔性玻璃的化学强化及其力学性能研究毛婧怡1,刘㊀冰1,郭振强2,张家昌1,袁㊀坚1,2(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉㊀430070;2.河北省沙河玻璃技术研究院,邢台㊀054199)摘要:具有高弯曲强度的柔性玻璃是柔性电子显示的重要组成部分,但柔性玻璃本质是脆性材料,因此其力学性能仍然不能满足使用要求㊂化学强化是提高柔性玻璃弯曲半径㊁抗划伤性等力学性能的有效途径,本文采用一步化学强化法,将90μm 超薄高铝柔性玻璃在纯硝酸钾熔盐中进行强化,研究离子交换工艺对样品表面应力㊁维氏硬度及弯曲半径的影响规律㊂结果表明:在380ħ进行1h 的离子交换后,样品的表面压应力达834.1MPa,应力层深度为15.91μm,此时玻璃具有最佳的弯曲性能和耐划伤性;经化学强化后,90μm 柔性玻璃的最小弯曲半径可由(29.8ʃ0.73)mm 降低至(6.94ʃ0.99)mm;随着继续升高交换温度和延长时间,柔性玻璃的力学性能会有所降低㊂关键词:化学强化;柔性玻璃;表面应力;离子交换深度;弯曲半径;维氏硬度中图分类号:TQ171㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)04-1359-07Chemical Strengthening and Mechanical Properties of Flexible GlassMAO Jingyi 1,LIU Bing 1,GUO Zhenqiang 2,ZHANG Jiachang 1,YUAN Jian 1,2(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Shahe Research Institute of Glass Technology,Xingtai 054199,China)Abstract :Flexible glass with high bending strength is a remarkable component of flexible electronic displays.However,flexible glass is a brittle material inherently,and its mechanical properties still do not meet the requirements of application.To address this challenge,the application of chemical strengthening stands out as a viable approach to significantly bolster scratch resistance and bending strength in flexible glass.90μm ultra-thin high-aluminum flexible glass was reinforced in the molten potassium nitrate using a conventional one-step chemical strengthening method.The effect laws of chemical strengthening temperature and time on the surface stress,Vickers hardness and bending radius of the strengthened flexible glass were investigated.The results indicate that,after ion-exchange at 380ħfor 1h,the compressive stress of sample reaches 834.12MPa,and the depth of stress layer is 15.91μm,at which time the glass samples have the best bending performance and scratch resistance.After chemical strengthening,the bending radiu of 90μm flexible glass reduces from (29.8ʃ0.73)mm to (6.94ʃ0.99)mm.As the overly increasing exchange temperature and excessive prolongation of time,the mechanical properties of flexible glass are weakened.Key words :chemical strengthening;flexible glass;surface stress;ion-exchange depth;bending radiu;Vickers hardness 收稿日期:2023-11-03;修订日期:2024-01-02基金项目:国家重点研发计划(2022YFB3603300)作者简介:毛婧怡(1999 ),女,硕士研究生㊂主要从事柔性玻璃的研究㊂E-mail:1489970205@通信作者:袁㊀坚,博士,教授㊂E-mail:janeyuan@0㊀引㊀言厚度低于100μm 的超薄柔性玻璃(ultra-thin glass,UTG)不仅具有良好的化学稳定性㊁优异的表面及光学质量等基本特性,还具有易弯曲㊁质量轻等特点,因此近年来在柔性显示㊁OLED 照明㊁光电转换等诸多领域得到越来越广泛的应用,同时对柔性玻璃的使用性能,尤其临界弯曲半径和抗表面划伤等,提出了更高的要求[1-3]㊂众所周知,玻璃作为脆性材料,通常条件下实际强度比理论强度低2~3个数量级,这是由于玻璃表面存在微裂纹[4]㊂当玻璃厚度低于100μm 时,微裂纹及其他玻璃缺陷对玻璃机械强度的影响会更大,从1360㊀ 玻璃材料与玻璃技术 专题(II)硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷而导致柔性玻璃比普通玻璃更容易破碎[5]㊂化学强化是通过离子交换产生的 挤塞效应 ,在玻璃表面预制压应力,从而抑制玻璃表面微裂纹的扩展,抵消导致材料破坏的张应力而使玻璃获得较高的强度[6]㊂玻璃的化学强化在理论和实践上均有大量研究,美国康宁公司开发的第五代Gorilla Glass[7]是化学强化应用于玻璃强度提升的典型案例,经化学强化后,玻璃表面压应力可达900MPa,应力层深度可达150μm,从1.6m高度跌落到坚硬粗糙表面的完好率可达80%㊂Bgboiyi等[8]研究了化学强化参数与化学强化玻璃断裂韧性之间的关系,发现化学强化玻璃的最佳抗断裂性能需要适当的化学强化参数(表面压应力和应力层深度)组合,并证实了化学玻璃的断裂韧性不是一个恒定的材料参数,而是取决于初始裂纹/缺口长度㊂实验数据得到了基于线弹性断裂力学的解析计算和基于相场断裂理论的数值模拟的支持㊂Macrelli等[9]发展了扩散与应力耦合的一般理论,得到了一个单一通量方程,其相互扩散系数与浓度和应力有关,其中压应力会阻碍扩散动力学,而拉应力会加速扩散㊂但是,迄今为止,对于超薄柔性玻璃的化学强化则鲜有报道㊂因为柔性玻璃并不太容易在常规玻璃制备条件下获得,所以,目前相关的研究常采用数值模拟方法,以获得对柔性玻璃弯曲性能的规律性认识㊂Schott公司[10]虽然报道了生产的70μm厚超薄铝硅酸盐玻璃AS87eco,经化学强化后玻璃的安全弯曲半径可以低至3mm,但是未发表相关的研究工作㊂因此,研究柔性玻璃在化学强化过程中的力学性能变化及规律,对于柔性玻璃产品开发及应用具有重要意义㊂本文以厚度为90μm的超薄高铝柔性玻璃为研究对象,采用一步化学强化法,在纯硝酸钾熔盐中进行强化,研究了化学强化条件对强化后样品力学性能的影响㊂1㊀实㊀验1.1㊀样品制备及化学强化采用浮法制备的商用高铝硅酸盐玻璃原片,经热态二次下拉获得厚度为90μm的UTG样品,玻璃的氧化物组成如表1所示㊂将拉制获得的UTG卷材用金刚石切割刀切割成80mmˑ40mm的样片,并用1200㊁1500目的细砂纸仔细打磨切割边缘,以避免切割断面的裂口造成样品的破损㊂将磨抛后的样品依次放入无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后烘干备用㊂表1㊀玻璃的氧化物组成Table1㊀Oxide composition of glassComposite SiO2Na2O Al2O3MgO K2O ZrO P2O5BaO CaO Fe2O3 Mass fraction/%61.2612.9612.87 6.40 5.540.910.020.020.010.01化学强化时采用国药集团化学试剂有限公司的分析纯试剂(AR)硝酸钾制备盐浴,平行处理10个样品㊂为获得更好的温度均匀性,在室温下,将玻璃样品与纯硝酸钾盐浴同时放入马弗炉中,以6ħ/min速率升温,待炉内温度达到设定温度后保温90min,使硝酸钾全部熔化,将样品浸入熔盐中按照设定的保温时间保温后取出,经洗净烘干后进行测试㊂试验中采用的盐浴温度分别为370㊁380㊁390㊁400㊁410ħ,采用的保温时间分别为0.25㊁0.5㊁1㊁2㊁3㊁4㊁5h㊂1.2㊀测试与表征采用FSM-6000LE钢化玻璃表面应力仪测量强化后玻璃的表面压应力(compressive stress,CS)及应力层深度(depth of layer,DOL),分别测量样品两个表面的中部和边部各5个位置并取平均值㊂通过日本电子株式会社JAX-8230电子探针X射线显微分析仪(EPMA)提供的线扫描分析,测试离子交换后玻璃样品断面上K+-Na+的分布情况㊂将强化后的样品粘在两片厚玻璃之间,固定后进行边缘抛光,然后进行测试㊂采用山东山材试验仪器有限公司HVS-1000维氏硬度计测试样品的维氏硬度,测试条件为:载荷200g,保压时间30s,样品厚度为90μm,分别对样品两个表面各进行5次测试,取10次测试的平均值为测量值㊂采用自研的弯曲半径测试仪测量样品最小弯曲半径,测试原理如图1所示㊂采用两点弯曲法[11-12]测量样品的弯曲半径,将样品放置在两块平行板之间,样品两端接触挡板,随着挡板以2mm/s的速度向中间靠第4期毛婧怡等:柔性玻璃的化学强化及其力学性能研究1361㊀图1㊀弯曲半径测试示意图Fig.1㊀Schematic diagram of bending radius test 拢,样品逐渐弯曲变形,直到在一定距离H 处破碎,得到样品的最小弯曲半径H /2,对每组样品进行10次测试以减少误差㊂2㊀结果与讨论2.1㊀表面压应力与应力层深度表面压应力与应力层深度是衡量玻璃化学强化效果的重要指标㊂图2为样品在380ħ下经不同时间强化后的表面压应力㊁应力层深度与中心张应力(central tension,CT)㊂由此可见,随强化时间从0.25h 延长至4h,应力层深度持续加深,从6.70μm 逐渐增加至31.94μm;表面压应力随时间延长呈递减趋势,从865.2MPa 降低到701.6MPa;中心张应力由75.7MPa(0.25h)持续增加至860.0MPa(5h)㊂图3为不同温度下经1h 化学强化后样品的表面压应力㊁应力层深度与中心张应力㊂可见,随着温度从370ħ提升至410ħ,应力层深度逐渐从13.52μm 增加到22.53μm;表面压应力从820.5MPa(370ħ)先增加到834.1MPa(380ħ),再逐渐降低到755.1MPa(410ħ);中心张应力从172.2MPa(370ħ)持续增加到378.9MPa(410ħ)㊂图2㊀380ħ下离子交换后样品的表面压应力与应力层深度及中心张应力Fig.2㊀CS,DOL and CT of specimens after ion-exchange at 380ħ图3㊀不同温度下经1h 离子交换后样品的表面压应力与应力层深度及中心张应力Fig.3㊀CS,DOL and CT of specimens after ion-exchange for 1h at different temperatures 一般而言,在玻璃表面的化学强化过程中,在离子交换初期,随着离子交换过程的进行,熔盐中半径较大1362㊀ 玻璃材料与玻璃技术 专题(II)硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷的K+替换玻璃中半径较小的Na+,交换进入玻璃表面的K+浓度逐渐增加,形成挤塞效应,导致表面压应力相应增加,并伴随一定的应力层深度[13]㊂但是随着交换时间的持续延长或者交换温度的提高,玻璃网络膨胀引起的应力松弛占主导地位,会导致表面压应力降低[14],即CS曲线出现极值㊂对于普通厚度高铝玻璃的离子交换,即使在410ħ时进行离子交换,也需要4.5h才能出现CS极大值[13]㊂而在本试验中,样品表面压应力随时间从0.25h延长至4h呈持续降低的趋势,并未测到CS极值,因此,可以认为,对厚度仅为90μm的柔性玻璃而言,样品表面的离子交换过程是非常快的,试验中在交换时间为0.25h之前应当已经达到了CS极值,但由于玻璃很薄,达到CS极值时的应力层深度很浅,试验条件下很难表征㊂这一结果提示化学强化过程中,柔性玻璃中的应力弛豫现象大于普通厚度的玻璃㊂理论上,较高的CS能够抑制玻璃表面微裂纹扩展从而提高玻璃的弯曲强度和抗冲击强度,同时DOL对于抵抗来自尖锐和坚硬材料的表面接触损伤是必要的㊂当DOL在较高CS下加深时,CT变大,而高CT的玻璃极易破碎㊂故当玻璃厚度变薄时,应考虑对DOL的限制,一般被限制在每一面玻璃厚度的1/4~1/6[15]㊂在此基础上,柔性玻璃强化的设计准则应是具有尽可能高的CS和DOL㊂2.2㊀离子交换深度图4为380ħ下不同交换时间下K+与Na+在截面上的分布,可见,K+含量在玻璃表面最高,这是由于玻璃表面与熔盐中K+浓度梯度较大,玻璃网络的阻碍较小,K+与Na+交换相对容易㊂但随着时间的延长,交换离子向玻璃内部迁移,浓度梯度逐渐减小,玻璃的网络阻碍作用增强,K+扩散的难度不断增加,此时K+的进一步扩散需要消耗更多的能量,所以K+的含量随着深度的延长而逐渐减少[16]㊂与之相反的是,Na+含量在表面较低,随着深度的增加而升高,最终趋于稳定,在平衡时,其浓度与母玻璃中的Na+浓度相等㊂图4㊀不同交换时间下K+与Na+在截面上的分布Fig.4㊀Distribution of K+and Na+in cross-sections at different exchange times随着交换时间的延长,K+-Na+交换深度逐渐加深,玻璃表面K+浓度逐渐升高㊂表2为应力层深度的测量结果,可见EPMA测得的K+扩散深度与钢化玻璃表面应力仪测得的应力层深度基本一致㊂　第４期毛婧怡等：柔性玻璃的化学强化及其力学性能研究１３６３表２　应力层深度测量结果Ｔａｂｌｅ２　ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｅｐｔｈｏｆｌａｙｅｒＥｘｃｈａｎｇｔｉｍｅｔ／ｈ０．２５０．５１２３４Ｄｅｐｔｈｏｆｌａｙｅｒ／μｍ６．７０１１．６３１５．９１２２．２７２８．３７３１．９４Ｅｘｃｈａｎｇｅｄｅｐｔｈ／μｍ６．７８１１．８９１６．０１２２．５３２８．８０３２．２３２．３　维氏硬度图５为９０μｍ厚的样品在离子交换前后分别测量维氏硬度时产生的压痕照片，根据压痕对角线长度可以计算出相应的维氏硬度。