鋼化玻璃的生產(chǎn)工藝與質(zhì)量缺陷淺析

凌利興

摘要：鋼化玻璃具有尺寸更大、厚度更薄、應(yīng)用場景更為復(fù)雜等發(fā)展趨勢，分析厚度、缺陷分布和彎曲度等影響產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸和使用的主要因素，重點探討鋼化玻璃主要缺陷產(chǎn)生的原因及改善方法，討論了組件玻璃破碎質(zhì)量糾紛、多重背板材料選取及舊設(shè)備改造、新設(shè)備投入等爭議較多問題。根據(jù)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及特點，探索解決問題的方向和要點。

關(guān)鍵詞：鋼化玻璃;質(zhì)量管控;趨勢展望

0引言

在眾多無機(jī)非金屬材料中，玻璃因具有透明度高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性良好的特性而廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、顯示屏等領(lǐng)域。目前玻璃在微電子、太陽能、航空航天及新型電光源等高科技領(lǐng)域的占比不斷提高，發(fā)光玻璃、石英玻璃、硼酸鹽玻璃等特種玻璃使玻璃實現(xiàn)功能化，是近年來玻璃研發(fā)的主要方向。鋼化玻璃是最常用的安全全玻璃的一種形式，目前所生產(chǎn)鋼化玻璃的工藝有兩種：一種是將普通平板玻璃或浮法玻璃在特定工藝條件下，經(jīng)風(fēng)冷淬火法加工處理而成的物理鋼化法，另一種是將普通平板玻璃或浮法玻璃通過離子交換方法，將玻璃表面成分改變，使玻璃表面形成一層壓應(yīng)力層加工處理而成的化學(xué)鋼化法。

1原片生產(chǎn)階段的工藝控制

1.1厚度管控

因產(chǎn)品尺寸增大、厚度減薄，要求鋼化成型設(shè)備跨度更寬、生產(chǎn)速度更快、工作部溫度更高，高溫高速工作狀態(tài)易導(dǎo)致鋼化機(jī)輻筒受熱不均，橫向和縱向溫差加大，疊加行進(jìn)中力矩導(dǎo)致鋼化輥不同部位受力差異增加，最終導(dǎo)致玻璃板面呈現(xiàn)兩邊厚中間薄的狀態(tài)。玻璃厚度波動大會對生產(chǎn)和運輸造成影響：1）在鍍膜或鍍釉階段，易導(dǎo)致接觸部位形成邊部色差或團(tuán)狀缺陷，影響外觀;2）在鋼化階段，易導(dǎo)致受熱不均，進(jìn)而影響玻璃鋼化質(zhì)量;3）在運輸階段，易導(dǎo)致運輸超重或虧噸，影響運輸安全;4）在使用階段，厚度波動大會導(dǎo)致包裝出現(xiàn)整體高度偏差，影響使用體驗。

改進(jìn)厚度可從材料選型、設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)管控3個方面入手。在材料選型階段，要選取熱傳導(dǎo)性好、高溫強(qiáng)度高、不易變形的材料;在設(shè)備設(shè)計階段，要保證輥筒內(nèi)腔表面與外圓柱同軸度，可對輥筒輥型設(shè)計補償，如中部直徑大、邊部直徑小的成型輥，傳動裝置選用適于更高速的“萬向節(jié)”傳動替代鏈條傳輸;在生產(chǎn)管控階段，要維持輥筒溫度在較小波動范圍內(nèi)，保證傳熱一致。還可通過紅外溫度檢測、工業(yè)測量成像、冷卻水進(jìn)水口和出水口溫度監(jiān)測等手段，充分管控和監(jiān)控影響厚度控制的關(guān)鍵因素。

1.2缺陷分布

熔窯單體日熔化量增大是行業(yè)發(fā)展趨勢，在提升效率的同時，成型時間變短。統(tǒng)計某600t光伏熔窯在線缺陷檢測設(shè)備2020年全年樣本數(shù)據(jù)表明，2.0mm厚度光伏鋼化玻璃的氣泡、結(jié)石和雜物等缺陷數(shù)量較常規(guī)厚度產(chǎn)品缺陷總數(shù)增加80%以上，且缺陷的發(fā)生位置集中在玻璃邊部，增加寬度導(dǎo)致缺陷被切入產(chǎn)品的概率增高。

在生產(chǎn)方面，關(guān)注缺陷的變動種類和趨勢，可通過適當(dāng)增加澄清劑用量、選用復(fù)合澄清劑來增強(qiáng)澄清效果;適當(dāng)提高澄清區(qū)域溫度，降低玻璃黏度，以利于排泡;控制成型部溫度波動，防止因提升溫度造成缺陷。在檢出方面，引入在線缺陷檢測設(shè)備，通過設(shè)備來輔助人工檢驗，有的放矢，尤其針對寬版邊部區(qū)域，加強(qiáng)邊角部的檢測力度。在使用方面，更新產(chǎn)品認(rèn)知，針對不同應(yīng)用場景、不同產(chǎn)品用途，應(yīng)選取不同檢驗標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)注不同缺陷，防止“質(zhì)量過?！?，平衡效率、性能和標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，實現(xiàn)降本增效。

2加工生產(chǎn)階段的工藝控制

2.1彎曲度

高寬幅、大尺寸會加劇應(yīng)力釋放難度，玻璃鋼化過程中需要更大的風(fēng)壓，受熱軟化后易受輥道平整度影響，彎曲度較難管控。彎曲度大的產(chǎn)品，影響整體包裝效果，在組件層壓中的鋼化前板和背板承受較大壓力，會在層壓腔體內(nèi)形成四周低、中部高的“凸”形狀態(tài)，造成組件邊部層壓氣泡。

控制彎曲度，應(yīng)定期巡查設(shè)備運行狀況，可關(guān)注平衡加熱系統(tǒng)、平穩(wěn)傳送系統(tǒng)，提升冷卻效果，檢查風(fēng)柵出風(fēng)口部位風(fēng)力大小等。對于薄玻璃管控，除“局部彎曲度”和“整體彎曲度”衡量指標(biāo)外，也應(yīng)對“邊部翹曲”進(jìn)行管控，適當(dāng)擴(kuò)展至邊部25mm區(qū)域，可一定程度上控制邊緣氣泡發(fā)生。

2.2鍍釉質(zhì)量

鍍釉是向背板玻璃印刷指定形狀、顏色、厚度和反射率的釉層加工工藝。鍍膜玻璃生產(chǎn)缺陷外觀明顯，制作成組件后難以掩飾，尤其是印偏、針孔、漏印和色差等缺陷，且不具備修復(fù)價值，缺陷造成的損失較大。釉層反射率和厚度是鍍釉玻璃的重要性能參數(shù)，反射率應(yīng)確保在380～780nm波段范圍內(nèi)不低于75%?？刂朴詫雍穸?，可采用濕釉法對膜層的濕膜厚度進(jìn)行實時監(jiān)測，亦可通過顯微鏡拍攝截面直接獲取釉層厚度。釉層厚時，反射率高，但固化后的墨層易脫落，產(chǎn)生縱橫交錯、微小的裂紋，膜層的牢固性降低;釉層薄時，反射率低，會導(dǎo)致釉層圖文部分偏暗。通常狀況下油墨的厚度控制在15～35μm。實際生產(chǎn)中應(yīng)綜合平衡釉層反射率與厚度之間的關(guān)系。

2.3機(jī)械性能

通過鋼化工藝提升組件全生命周期內(nèi)玻璃的機(jī)械性能。鋼化玻璃的應(yīng)力分布呈現(xiàn)中間高、邊部低，大尺寸的1.3m寬幅鋼化玻璃整體應(yīng)力低于1.1m寬幅鋼化玻璃。邊緣鋼化度下降，抵抗應(yīng)力能力薄弱。針對大尺寸寬幅玻璃，應(yīng)重視表面應(yīng)力的控制和應(yīng)力分布的均勻性，生產(chǎn)企業(yè)可購買相應(yīng)檢測設(shè)備，如表面應(yīng)力、機(jī)械載荷性能和四點彎曲強(qiáng)度等測試設(shè)備，監(jiān)控關(guān)鍵機(jī)械性能參數(shù)。同時，禁忌生搬硬套其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致測試要求脫離實際應(yīng)用需求。通過有限元軟件ANSYS分析模擬機(jī)械載荷測試，可知前板玻璃和鍍釉背板玻璃承擔(dān)絕大部分的內(nèi)力，隨著二者厚度的增加，能有效降低組件各層的應(yīng)力，當(dāng)兩者厚度相等時，厚度越大，電池片應(yīng)力越小。要考慮成本和生產(chǎn)實現(xiàn)的難易程度，合理選擇厚度。玻璃性能要求過剩會導(dǎo)致制造成本上升，不利于光伏行業(yè)的長遠(yuǎn)健康發(fā)展。因地制宜酌情選取合理檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法，不斷完善、補充、更新知識體系，適應(yīng)行業(yè)發(fā)展。

2.4鍍釉背板耐候性能

前板玻璃鍍膜材料與單玻產(chǎn)品無異，可沿用既定的單玻鍍膜標(biāo)準(zhǔn)測試耐候性。鍍釉背板玻璃因行業(yè)起步較晚，隨著對產(chǎn)品理解的加深和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累，會逐漸補充耐候性測試，模擬不同應(yīng)用場景條件下組件的耐候性和適應(yīng)性的關(guān)系，對油墨的設(shè)計和生產(chǎn)給予一定的指導(dǎo)。

鍍釉玻璃電勢誘導(dǎo)衰減效應(yīng)測試（PID）是較重要的測試項目，組件在高電壓下工作，玻璃、封裝材料和釉料之間存在漏電流，大量的電荷聚集在電池片釉料表面，使釉料表面的鈍化效果惡化，形成明顯的色差，進(jìn)而導(dǎo)致組件功率衰減失效。因此，應(yīng)對釉料成分變化進(jìn)行監(jiān)控，平衡反射率和膜厚的關(guān)系，可通過控制網(wǎng)版的目數(shù)控制釉層厚度，選用改良化學(xué)成分封裝膠膜組件降低透水率，調(diào)整玻璃配方加入氧化硼降低氧化鈉含量等方法實現(xiàn)抗PID性能。

3鋼化玻璃使用過程中的爭議問題及相關(guān)方案

3.1鋼化玻璃破碎

鋼化玻璃破碎的機(jī)理主要有熱破裂和機(jī)械破裂，產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸和使用等各個環(huán)節(jié)均可發(fā)生。鋼化玻璃破裂發(fā)生的狀態(tài)可分為玻璃狀態(tài)和組件狀態(tài)。

玻璃狀態(tài)破碎指層壓前以玻璃狀態(tài)發(fā)生的裸片破碎。半鋼化玻璃表面應(yīng)力較全鋼化玻璃表面應(yīng)力小30%，單箱包裝數(shù)量比全鋼玻璃多50%以上，且大部分包裝中已取消玻璃間襯紙。

不論單箱還是多箱存儲，中間都是受力和形變較大部位，運輸和儲存時應(yīng)對包裝中間部位做重點防護(hù)。

破碎是鋼化玻璃的主要不良種類之一，玻璃生產(chǎn)企業(yè)或組件生產(chǎn)企業(yè)均存在導(dǎo)致組件破裂的因素。在國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，尚無針對鋼化產(chǎn)品破碎的責(zé)任界定描述，破碎點無自爆玻璃典型的“蝴蝶斑”，全鋼化玻璃的“自爆”判斷標(biāo)準(zhǔn)不適用于半鋼化玻璃。組件破碎的責(zé)任判斷需進(jìn)一步加強(qiáng)對鋼化產(chǎn)品知識結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。應(yīng)從生產(chǎn)方、運輸公司和使用方（客戶）三方進(jìn)行改進(jìn)和提高，預(yù)防玻璃狀態(tài)或組件狀態(tài)破碎，建議實施的措施見表1。

3.2光伏鋼化玻璃背板

光伏鋼化背板、浮法背板和透明背板是可應(yīng)用于背板材料的三種不同類型。從耐候性及功率提升角度考慮，光伏鋼化背板有著無可比擬的優(yōu)勢，尤其是在提升組件“雙面率”方面，光伏鋼化背板能夠更好地平衡各項性能以符合客戶的使用要求，已是當(dāng)前行業(yè)的主流需求。國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（CPVT）選用相同的鍍膜前板、電池片和封裝材料，背面分別選取光伏鋼化背板、浮法背板和透明背板三種不同材料的組件實施對比測試，功率對比情況見表2。

表2是以一個組串為計量單位對功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換對比，分析不同封裝背板材料的背面功率。鋼化背板玻璃組件比浮法背板組件的功率提升1.30W，比透明背板功率提升40.42W，功率提升明顯，可以為客戶帶來更大的發(fā)電量及收益。

3.3舊設(shè)備改造與新設(shè)備投入之間的關(guān)系

隨著光伏行業(yè)的技術(shù)革新，產(chǎn)品換代出新時間縮短，設(shè)備的生命周期變短，折舊成本增加，對既有設(shè)備改造，應(yīng)考慮大尺寸薄玻璃已導(dǎo)致玻璃生產(chǎn)企業(yè)已有的生產(chǎn)能力捉襟見肘，設(shè)備運行狀態(tài)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命，如將現(xiàn)有設(shè)備報廢，會增加設(shè)備折舊率，導(dǎo)致生產(chǎn)制造成本增加，是對資源的一種浪費，有悖于光伏綠色能源理念。因此，應(yīng)積極探索既有設(shè)備的改造工作，例如可通過在鋼化爐內(nèi)增設(shè)加熱圈與輻射板，調(diào)整風(fēng)柵高度等優(yōu)化參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，延長設(shè)備生命周期。

產(chǎn)能釋放和擴(kuò)展時應(yīng)高度契合光伏行業(yè)發(fā)展，根據(jù)新產(chǎn)品的性能要求，引入有利于生產(chǎn)和質(zhì)量管控的設(shè)備和儀器，高度契合智慧工廠的發(fā)展趨勢，整合企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、在線缺陷檢測和收集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成系統(tǒng)及工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對品質(zhì)監(jiān)控，采集影響質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)，與生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)可以多維度查詢過程數(shù)據(jù);實時獲取各個生產(chǎn)線的質(zhì)量和生產(chǎn)能力情況，提供給計劃人員作為安排生產(chǎn)的意見和依據(jù);實時獲取各生產(chǎn)訂單、各生產(chǎn)線的質(zhì)量情況;實時獲取生產(chǎn)設(shè)備和加工過程的狀態(tài)，了解設(shè)備產(chǎn)能;實時獲取工廠各項運營指標(biāo)的狀態(tài)。

4結(jié)論與展望

針對鋼化產(chǎn)品爭議的問題予以重視和解決，從厚度控制、包裝方式、加工設(shè)備維護(hù)、組件生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)檢查等方面進(jìn)行整理，關(guān)注組件企業(yè)及行業(yè)變化需求，及時將組件企業(yè)的變化需求信息更新調(diào)整，在新技術(shù)推進(jìn)和設(shè)備更新應(yīng)用時，具有經(jīng)濟(jì)性和前瞻性。玻璃生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)努力為客戶提供優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定并高度契合應(yīng)用場景的產(chǎn)品，定期與組件企業(yè)及電站業(yè)主進(jìn)行信息共享和技術(shù)交流，早日實現(xiàn)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

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