納秒脈沖激光切削木材的理論與試驗(yàn)*

楊春梅 路 遙 馬 巖 任長(zhǎng)清 白 巖 曹方迪

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械技術(shù)工程中心 哈爾濱 150040)

納秒脈沖激光切削木材的理論與試驗(yàn)*

楊春梅 路 遙 馬 巖 任長(zhǎng)清 白 巖 曹方迪

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械技術(shù)工程中心 哈爾濱 150040)

納秒激光； 微米木纖維； 掃描電鏡(SEM)； 絕對(duì)溫升

木纖維是自然界中較豐富的天然高分子材料，具有密度低、價(jià)格低廉、比強(qiáng)度高、可生物降解和可再生等優(yōu)點(diǎn)，在紙張濾膜、家具建材和紡織產(chǎn)品等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前對(duì)木纖維的研究已經(jīng)深入到微納米級(jí)別，與其他微納米材料一樣，微納米木纖維重構(gòu)材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)木纖維重構(gòu)材料。微納米木纖維加工技術(shù)的成型和應(yīng)用將再一次推動(dòng)木材工業(yè)的發(fā)展(馬巖， 2001； 2003)。

納秒激光加工是一種新型微納米木纖維加工方法，其利用納秒激光加熱爆破木材表面細(xì)胞壁，使纖維絲崩開，然后沿著細(xì)胞長(zhǎng)度方向用納秒激光束切削這些纖維絲，即可得到微納米級(jí)別的木纖維。該方法不僅突破了木材物理加工的瓶頸(肖正福等， 1992； 許秀雯， 1988)，一方面克服了刀具切削加工的刀尖半徑限制，另一方面解決了熱磨機(jī)加工的大功耗問(wèn)題，而且也避免了化學(xué)方法加工造成的環(huán)境污染。

木材表面細(xì)胞壁爆破和微納米木纖維切削是納秒激光加工法的2個(gè)主要過(guò)程，本研究將對(duì)納秒激光切削微納米木纖維的具體過(guò)程進(jìn)行闡述，采用理論公式和試驗(yàn)對(duì)該過(guò)程的加工功率進(jìn)行分析，且納秒頻率能保證激光束精度在微米范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)研究的目標(biāo)。如果納秒激光加工后的燒痕比較小，再將這些技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，不僅可以大幅度提高木材加工精度、增加木材加工領(lǐng)域、保證木材原始材性得以充分發(fā)揮，而且還可以提高加工效率。

1 微米纖維激光切削的力學(xué)建模方法

木材激光切削過(guò)程的實(shí)質(zhì)是高能量密度的激光光束轉(zhuǎn)化為熱能，瞬時(shí)引起木材熱分解和碳化的過(guò)程。由于木材是各向異性材料，因此當(dāng)切削方向不同時(shí)，木材的變形和切屑受力都差異很大。

本文提出的微米木纖維是依靠激光切削來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要工藝分為2個(gè)環(huán)節(jié)，即激光加熱爆破細(xì)胞壁和激光順紋切削纖維。在激光加熱切削時(shí)，激光聚焦成微納米的光斑，光斑內(nèi)瞬間溫度可達(dá)到幾千度，進(jìn)行微細(xì)加工時(shí)，超高溫導(dǎo)致木材細(xì)胞內(nèi)的組織液瞬間沸騰汽化，汽化作用使細(xì)胞體積膨脹，細(xì)胞壁在內(nèi)部膨脹力作用下發(fā)生爆裂，從而完成激光對(duì)木纖維的切削。這種形式可形成切削的特點(diǎn)是不會(huì)將木材連續(xù)順紋劈裂，而是通過(guò)調(diào)節(jié)激光發(fā)出的能量，破壞結(jié)合處纖維和其他組織的切向連接作用，沿紋理方向不斷裂解，形成的纖維為較長(zhǎng)的條狀(于鳴等， 2015； 馬巖， 2002a)。

傳統(tǒng)的木材切削理論已經(jīng)有近百年歷史，是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)用科學(xué)，在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的一些結(jié)論。傳統(tǒng)切削理論考慮的是在前刀面對(duì)木材切削的壓力作用下，在后刀面的摩擦阻力和木材劈裂產(chǎn)生的阻力聯(lián)合作用的結(jié)果。目前，木材加工中應(yīng)用的激光多為CO2激光，其光束在切削加工過(guò)程中大多被木材全部吸收而無(wú)反射。理想的激光光束其焦點(diǎn)直徑與波長(zhǎng)、焦距、光束的起始直徑有關(guān)。理論上，從焦平面沿光束傳播方向距離為Z1的光束面積S為：

(1)

式中：λ為波長(zhǎng)(m)；S0為光束焦點(diǎn)面積；Z1為焦平面到工件的距離。

實(shí)際的系統(tǒng)中，光束的最小面積要比S0大得多，主要是聚焦透鏡的球面像差和光束衰減引起的，實(shí)際光束面積(ST)為：

(2)

式中：ω0為光束焦點(diǎn)的半徑，ω0=2fλ/πD；f為焦距(m)。

光束的焦深為：

即

(3)

激光光束的有效穿透深度為：Z=Z0+Z1(0≤Z1≤Z0)，Z1為焦平面到工件的距離(m)，因此，光束的最大有效穿透深度為：Zmax=2Z0。如圖1所示為微米木纖維激光切削示意圖。

圖1 微米木纖維激光切削示意Fig.1 Micron wood fiber laser cutting diagram

2 微米纖維激光切削功率的計(jì)算公式推導(dǎo)

激光切削木材表面的主要影響因素有激光功率、切割速度、空氣壓力和焦點(diǎn)位置(黃楷， 2012； 馬巖， 2002b)。事實(shí)上，通過(guò)激光束裝置切削板材是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)槠渖婕耙环N放熱的化學(xué)反應(yīng)，主要受密度、水分、熱導(dǎo)電率和內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度等因素影響。現(xiàn)階段，激光切削板材大多采用CO2激光切割條件全因子技術(shù)，減小平均切縫寬度或增加切削速度可以提高激光切削板材的能力，切削功率為該點(diǎn)的等效切削力Fx與切削速度的乘積，即：

pc=Fx·Vx·10-3(kW)。

(4)

式中：Fx為等效切削力(N)；Vx為切削速度(m·s-1)。

將等效切削力的公式代入得：

(5)

式中：d為木材表面細(xì)胞壁爆裂厚度；L為細(xì)胞壁爆裂寬度；w為激光束磨損寬度；w″為激光束與木材接觸長(zhǎng)度；μ為泊松比。

微米纖維激光切削木材，當(dāng)木材厚度大于焦深時(shí)，激光光束直接氣化的僅為切削木材的頂層，再向下將是熱氣體噴出燃燒并維持蒸餾的過(guò)程，此時(shí)的能量方程為：

ωburE=ωbh(TV-T)=ωburC(T-T2)+H。

(6)

式中：ω為切削寬度(m);b為工作厚度(m)；u為切削速度(m·s-1);r為木材的密度(kg·m-3)；E為木材的蒸餾熱(kJ·kg-1);TV為氣體溫度；T為鋸路壁溫度；h為對(duì)流交換系數(shù)；C為碳的平均比熱(kJ·kg-1K-1);T2為氣化碳的平均溫度；H為木材的水分蒸發(fā)潛熱。

因此若要求出等效切削力，同樣可以用能量守恒定律來(lái)計(jì)算。

3 激光器切削細(xì)胞壁功率的計(jì)算

3.1 細(xì)胞壁等效切割力的計(jì)算 刀具切削木材是前刀面的壓力、后刀面的摩擦力和切削木材產(chǎn)生的阻力共同作用的結(jié)果，而激光加工過(guò)程與其完全不同。激光不像刀具是剛性的，所以激光束對(duì)木材的沖擊壓力可以忽略不計(jì)； 又因?yàn)榧?xì)胞長(zhǎng)度方向的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方向結(jié)構(gòu)間的約束切向力，所以與該木纖維細(xì)胞有直接連帶關(guān)系的結(jié)構(gòu)約束切向力也可以忽略。

木材的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，為了便于定量分析，對(duì)復(fù)雜的情況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化是必需的工作。Drescher理論的提出是針對(duì)超精密切削力的，參考Drescher的相關(guān)研究(吳哲等， 2015)，假定木材滿足下列5個(gè)條件： 1) 木材表面細(xì)胞壁分布均勻； 2) 木材具有一定的含水量； 3) 木材細(xì)胞內(nèi)所有擠壓區(qū)域和彈性區(qū)域具有相同的膨脹應(yīng)力； 4) 納秒激光入射角度φ始終為常量； 5) 激光束所接觸的區(qū)域具有相同的泊松比系數(shù)μ和正應(yīng)力σp。在這些條件下，簡(jiǎn)化了木材表面細(xì)胞壁爆裂加工的擠壓和彈性模量恢復(fù)機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)建立了細(xì)胞壁切削力的數(shù)學(xué)模型：

(7)

(8)

式中：σp為木材細(xì)胞壁內(nèi)的平均正應(yīng)力；τs為細(xì)胞長(zhǎng)度方向纖維剪切屈服強(qiáng)度；φ為納秒激光入射角；d為木材表面細(xì)胞壁爆裂厚度；L為細(xì)胞壁爆裂寬度；w為激光束磨損寬度；w″為激光束與木材接觸長(zhǎng)度。

從光束的有效穿透深度和木材厚度來(lái)考慮，利用能量方程來(lái)推導(dǎo)激光等效切削力的公式，應(yīng)該有2種情況：一是厚木材切削，即木材厚度大于激光光束焦深； 二是薄木材切削，即木材厚度小于等于光束的有效穿透深度。當(dāng)木材厚度小于等于光束的有效穿透深度時(shí)(王炳云， 1994； 吳哲等， 2011)，激光光束切削木材主要是光束直接加熱木材使之分解(蒸餾木材)，隨后氣化殘留炭化層，根據(jù)能量方程，由于P=FV，所以激光等效切削力F為：

(9)

3.2 細(xì)胞壁切削功率的計(jì)算 激光束在木材表面“毛刺”的切入點(diǎn)處，細(xì)胞壁切削功率(Pc)為該點(diǎn)的表面細(xì)胞壁等效切削力(Fx)與該切向細(xì)胞壁切削速度(v)的乘積，即：

(10)

細(xì)胞壁切削速度(v)可通過(guò)激光束脈沖頻率(f,Hz)和激光束直徑(D,mm)來(lái)計(jì)算，即：

(11)

將式(8)、(11)代入式(10)，可得：

(12)

4 試驗(yàn)與分析

選取水曲柳(Fraxinusmandshurica)為試驗(yàn)材料進(jìn)行木材表面細(xì)胞壁爆裂試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的納秒激光加工試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)控制如下： 激光束直徑為D=400 nm， 激光束納秒脈沖頻率為f=6 000 Hz， 納秒激光束入射角φ=23°， 由式(11)可以計(jì)算出細(xì)胞壁切削速度v=125.6 mm·s-1。水曲柳細(xì)胞長(zhǎng)度方向纖維的剪切屈服強(qiáng)度τs=5.3 MPa，由式(7)可求出細(xì)胞壁內(nèi)的平均正應(yīng)力σp=18.29 MPa。當(dāng)細(xì)胞壁爆裂厚度d=55 μm、 爆裂寬度L=80 mm、 激光束與木材接觸長(zhǎng)度為50 μm時(shí)，由式(8)可求出等效切削力為131.61 N，由式(12)可以求出表面細(xì)胞壁切削功率為6.5 kW。

圖2 納秒激光加工試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Nanosecond laser machining bench

圖3為激光束在不同頻率下(其余條件不變)進(jìn)行木材表面細(xì)胞壁爆裂試驗(yàn)的SEM圖像。對(duì)木纖維進(jìn)行10次細(xì)胞壁爆裂試驗(yàn)，當(dāng)頻率為1 000 Hz時(shí)，試樣只出現(xiàn)輕微灼燒變形，平均需用23.6 s完成切削(圖3a)；當(dāng)頻率為3 000 Hz時(shí)，試樣發(fā)生明顯灼燒變形，出現(xiàn)少量裂紋和溝槽，平均需用16.8 s完成切削(圖3b)；當(dāng)頻率達(dá)到6 000 Hz時(shí)，試樣出現(xiàn)許多裂紋和溝槽，平均需用8.7 s完成切削，滑移的溝槽面是在熱軟化或融化狀態(tài)下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的(圖3c)；當(dāng)頻率達(dá)到8 000 Hz時(shí)，試樣出現(xiàn)大量裂紋和溝槽，平均需用4.5 s完成切削(圖3d)，說(shuō)明木纖維被灼傷的程度較為嚴(yán)重。

圖3 木纖維在不同頻率細(xì)胞壁爆裂試驗(yàn)的SEM圖像Fig.3 SEM images of wood fiber in cell-wall burst test of different frequency

采用納秒激光器加工木纖維能夠更好地抑制彈簧效應(yīng)(祝志祥等， 2006； 謝小柱等， 2006),因?yàn)檫@種由內(nèi)而外破壞木材細(xì)胞六邊形結(jié)構(gòu)的方法，不會(huì)將細(xì)胞內(nèi)的液體擠壓到木材內(nèi)部無(wú)法流出，而是在加熱過(guò)程中使其蒸發(fā)，并且發(fā)生的絕對(duì)溫升可以按如下公式計(jì)算：

(13)

式中：σ為木纖維的流動(dòng)應(yīng)力；εf為失效應(yīng)變；β為功熱轉(zhuǎn)化率；ρ為木纖維的密度；Cm為比熱。

對(duì)不同頻率下木纖維的灼燒表面進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)隨著頻率增加，對(duì)試件的灼燒程度依次增強(qiáng)，所產(chǎn)生的裂紋和溝槽更加密集和加深。在激光束頻率為6 000 Hz時(shí)，由式(13)可知，木纖維的絕對(duì)溫升較大，與觀察到的試樣產(chǎn)生滑移的溝槽面現(xiàn)象相符；若要完成更精密的加工，可對(duì)待加工的作業(yè)面采用高壓水射流方法形成無(wú)氧區(qū)域以避免產(chǎn)生燒痕。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)微米纖維表面細(xì)胞壁進(jìn)行爆裂試驗(yàn)研究，得出表面細(xì)胞壁等效切削力所消耗的功率。采用納秒激光加工法加工微米纖維，對(duì)微納米木纖維絲的表面細(xì)胞壁裂解機(jī)制進(jìn)行了透徹分析，并提出沿木材表面縱向激光加熱的方式爆裂細(xì)胞壁的節(jié)能降耗觀點(diǎn)。

2) 利用激光對(duì)微米木纖維的能量方程對(duì)微米木纖維的等效切削力和切削功率公式進(jìn)行推導(dǎo)，闡明了微米木纖維形成過(guò)程中纖維的受力情況和相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系。借助Drescher的精密理論，構(gòu)建了微納米木纖維絲表面細(xì)胞壁等效切削力的力學(xué)模型，并推導(dǎo)出細(xì)胞壁切削功率的理論計(jì)算公式。

3) 進(jìn)行木材表面細(xì)胞壁爆裂試驗(yàn)，采用激光束直徑為400 nm，脈沖頻率為6 000 Hz，納秒激光束入射角為23°，細(xì)胞壁爆裂速度為125.6 mm·s-1。長(zhǎng)度方向纖維的剪切屈服強(qiáng)度為5.3 MPa，可求出細(xì)胞壁內(nèi)的平均正應(yīng)力為18.29 MPa。當(dāng)灼燒后細(xì)胞壁爆裂厚度為55 μm、 爆裂寬度為80 mm、 激光束與木材接觸長(zhǎng)度為50 μm時(shí)，可求出等效切削力為131.61 N，進(jìn)而得出表面細(xì)胞壁切削功率為6.5 kW。

4) 通過(guò)對(duì)激光束在不同頻率下加工試樣的SEM圖像進(jìn)行分析可知，隨著頻率增加，對(duì)試件的灼燒程度依次增強(qiáng)，所產(chǎn)生的裂紋和溝槽更加密集和加深。絕對(duì)溫升較大，與觀察到的試樣產(chǎn)生滑移的溝槽面現(xiàn)象相符。

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(責(zé)任編輯 石紅青)

TheoreticalandExperimentalStudyontheCuttingofWoodbyNanosecondPulseLaser

Yang Chunmei Lu Yao Ma Yan Ren Changqing Bai Yan Cao Fangdi

(ForestryandWoodMechanicalEngineeringTechnologyCenter,NortheastForestryUniversityHarbin150040)

nanosecond laser； micron wood fiber； scanning electron microscope(SEM)； absolute temperature rise

S784

A

1001-7488(2017)09-0151-06

10.11707/j.1001-7488.20170918

2016-02-29;

2016-06-27。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2572015DB02)； 黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2016013)。

*馬巖為通訊作者。