納秒脈沖激光燒蝕胡桃楸木的微觀形貌分析?

吳 哲 趙 帥 張 楊 徐圣倫 馬 巖 霍劍鋒

（1. 東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 東北林業大學理學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

木材具有質量輕、易于加工、強度較高、紋理美觀等優點，被廣泛用于制作家具和室內裝修等[1-4]。隨著時代的發展，人們對木質產品品質的要求愈來愈高，這就對木材的加工質量提出了更高要求。銑削加工是傳統的木材表面加工工藝，銑削后木材表面仍具有一定的粗糙度。粗糙度包括因刀刃和刃磨表面的不平整而在加工表面留下的刀痕；由刀具切削的運動軌跡產生的運動波紋；加工表面木纖維被撕裂、崩掉、劈裂、搓起等引起的毛刺等[5-8]。鑒于銑削加工的局限性，近年來一些新的加工方式逐漸受到關注，納秒脈沖激光技術就是其中的一種。

納秒脈沖激光加工是一種新型的加工方法，是作用于微納米層面的一種木纖維加工方式。其主要原理為：通過納秒激光對木材表面的細胞壁進行加熱爆破，激光的能量促使纖維絲崩裂，然后納秒激光束沿著纖維生長方向切削纖維絲，如此可得到微納米級別的木纖維，因而通過納秒脈沖激光燒蝕的木材可以獲得更好的加工表面。該方法突破了木材物理加工的瓶頸，不僅克服了刀具切削加工過程中對刀尖半徑的限制，還解決了切削加工的高能耗問題，同時也避免了化學加工對環境造成的污染[9-11]。

本文以胡桃楸為研究對象，對橫紋、順紋和逆紋不同方向銑削加工后的試件進行納秒脈沖激光燒蝕，利用掃描電鏡對木材表面微觀形貌進行觀察分析，對比不同加工表面毛刺的物理性狀，總結適合胡桃楸的表面加工方法，旨在為木材表面加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

胡桃楸木（Juglans mandshurica）心材，試件尺寸：200 mm×150 mm×20 mm，含水率：6%～8%,由榮森科技有限公司提供[12]。

1.2 設備

立式木工銑床，型號MX5112W，牡丹江木工機械有限責任公司；激光燒蝕試驗臺為自行設計組裝，由電源、冷卻系統、聚焦系統、激光器、控制系統、觀察對準系統、氣體噴射裝置，以及試驗臺載體組成[7]。其中激光電源型號為JDW3-250，功率100 W；冷卻系統采用PH-LW06-BLP型激光冷水機；聚焦系統采用PWF-200 型聚光腔；激光器采用YAG型，單光束輸出6 J/532 nm，重頻5 Hz；聚焦系統組合光學鏡片由美國Semrock公司提供[13-14]。

圖1 激光燒蝕試驗臺實體Fig.1 Laser ablation test bench entity

1.3 試驗方法

在加工過程中，首先分別沿著試件的橫紋、順紋和逆紋方向進行銑削，通過電鏡觀察銑削后的表面性狀，并進行對比分析[15]。試件在銑削后進行激光燒蝕加工，在500 V激光電壓下以5 Hz頻率對不同試樣進行燒蝕試驗，對于每個試驗點燒蝕加工10 s。納秒激光加工木材分為兩個步驟：激光加熱破壞細胞組織和激光高溫切割木材纖維。第一步，納秒激光高溫加熱木材表面至一定溫度，細胞內的液體會發生汽化現象，細胞體積迅速膨脹數十倍，細胞壁承受不住巨大的壓力而破裂。當木材表面的細胞破裂時，木纖維的尖端豎起，形成多個毛刺狀木質纖維細絲。第二步，納秒激光對木材纖維進行切割，激光束以一個較小的入射角度射入木材表面與毛刺內部的連接處，通過調整能量反復切割，達到切斷纖維組織的效果[16]。因激光切割沿著纖維生長方向，因此只會破壞纖維在接頭處和周圍組織的切向連接，使得木材在紋理方向連續撕裂形成較長的木質纖維而不是參差不齊的短小纖維[17]。

在激光切割過程中，切縫部分符合動態的能量守恒，即輸入能量等于輸出能量：

式中：Eb為激光輸入的能量，kJ；Eg為切割木材消耗的能量， kJ；E1ose為切割過程中損失的能量， kJ[18]。

2 結果與分析

2.1 銑削方式對木材表面的影響

在銑削過程中，由于木材本身的構造原因，銑削平面會有毛刺存在，銑削方式不同，毛刺表現形式也不同。圖2 所示為銑刀在木材橫紋方向上銑削加工后的木材表面。

從圖2a中可以看出，毛刺長短不一，小部分毛刺呈切斷狀態，大部分毛刺呈拉斷狀態。圖中多數毛刺邊緣粗糙，倒伏方向各不相同，毛刺周圍還有很多切屑，而毛刺纖維受切削力影響形成了一定的分層現象。觀察圖2b可以發現，除毛刺之外，還有一些被平整切開的樹脂道斷裂孔，生成的片狀加工面較為平整，所有管胞被橫向截斷，是理想的端面加工效果，但仍存在加工不徹底的現象，纖維呈撕裂狀破壞，呈現片狀或結狀的斷裂狀態，使切割表面較為粗糙。銑削后的橫斷面產生這種現象的原因是：刀刃與纖維方向呈平行狀態，切削速度垂直于纖維方向，纖維在受力后拉伸變形，隨著加工刀具的進給，纖維承受的載荷增大，纖維承受載荷達到極限后，會發生斷裂，形成斷裂性毛刺[18-19]。

圖3所示為銑刀在木材順紋方向銑削加工的木材表面。在圖3a中清晰可見木材的纖維結構，毛刺沿著纖維紋理方向倒伏，長度較長，排列有序，形態一致，大多數毛刺長度超過400 μm。木材纖維大多被整齊切斷，只有小部分毛刺是由拉斷形成的。銑刀在沿木材順紋方向加工時，會產生胞內切削和胞外切削兩種加工形式：胞內切削是刀刃將細胞從內部剖開，釋放出細胞內部組織，而胞外切削是刀刃從細胞中間經過，將細胞完整地切割開。由圖3b可見木材本身的條狀纖維，在纖維中有被平整切開的胞間道，纖維切口均十分光滑，在大致相同的截面中被截斷。順紋切割時，刀刃沿著木材紋理方向切削，木材纖維對刀刃沒有太大的阻礙作用，纖維被拉斷或撕裂的過程阻力很小，因此木材表面不會形成太多不規則的毛刺，保證了銑削后的表面較為光滑[20-21]。

圖4所示為銑刀在木材逆紋方向銑削加工后的表面。逆紋銑削是加工木材表面最不平整的一種方式。逆紋銑削時，銑刀進給方向與木紋方向相反，木材纖維受切削力作用，形成很多被拉斷的毛刺，因此加工的木材表面較為粗糙。

圖4a中毛刺數量極多，長度均較短，不超過200 μm，分布十分集中，形成成群的小毛刺，毛刺的倒伏方向各不相同，雜亂無序。觀察圖4b可見，除了一根約200 μm的細長毛刺外，均為50 μm左右的細小毛刺，毛刺沿各種方向倒伏，一些被切割開的胞間道被短小毛刺所覆蓋。這是因為加工刀具相對走刀方向的不同，導致加工表面的纖維形態表現為不同的條形撕裂狀纖維，逆紋加工時，刀刃垂直于纖維方向，切削速度平行于纖維方向，但與纖維生長方向相反，木材紋理會阻礙刀具前進，刀具反作用于纖維，強行將纖維折斷、撕裂，因而使得加工后的表面纖維排列參差不齊[22-24]。

2.2 激光燒蝕對木材表面的影響

在銑削加工后的木材表面進行納秒激光燒蝕加工，并觀察不同紋理的表面形態。圖5為激光燒蝕后的胡桃楸表面掃描電鏡照片。觀察可見，經激光燒蝕后的木材表面平整度得到了很大改善，木材表面變得較為平整，木材表面纖維融化，細小的毛刺被去除，銑削加工形成的劃痕也被完全去除，形成了大面積的光滑平面，只剩下一些胞間道被斜截留下來的凹坑和木材本身缺陷形成的孔洞。但不同紋理的木材表面經過激光燒蝕后呈現的微觀性狀又有所不同，其中順紋木材的加工效果最好。

圖5a為橫紋木材燒蝕后的圖片，表面質量居中，除了一些被弦截面剖開的胞間道，還有大量被橫向截斷的管孔，使表面形成大量凹孔。由于橫紋表面的毛刺方向大多與纖維生長方向交叉，導致表面存在大量的焦炭，對表面平整度造成一定的影響[25]。圖5b為順紋木材燒蝕后的木材表面微觀形貌，順紋木材表面的細小毛刺經過燒蝕被完全去除，表面只留下一些被剖開的胞間道，幾乎無焦炭殘余，表面整體較為平整。圖5c為逆紋木材燒蝕后的表面微觀形貌，表面質量最差，除了有大量木材瞬時蒸發形成的焦炭外，還有一些因燒蝕不均勻形成的孔洞。由于逆紋銑削后的毛刺大多數呈倒伏狀態，與纖維生長方向相反，并且成簇聚集在一起，因此激光燒蝕后會形成木材熔渣結塊，使加工表面很不平整[26]。

因此，如果要獲得平整度較高的木材表面，應選取在順紋銑削的表面進行激光燒蝕加工，但是激光燒蝕加工也能提高橫紋和逆紋表面的平整度。

3 結論

本研究得出以下主要結論：

1）經過銑削的木材表面有較多的毛刺和條狀與片狀的纖維，影響木材表面平整度。順紋加工的毛刺最少，表面最光滑；橫紋加工效果次之，毛刺數目有所增加，表面出現了一些截斷胞間道形成的溝槽；逆紋加工的表面最差，存在大量倒伏的毛刺，表面難以達到光滑度要求。因此，在銑削加工前，需仔細觀察木材紋理，盡量選取順紋加工，特殊情況下可以進行橫紋加工，一定要避免逆紋加工。

2）經激光燒蝕的木材表面平整度得到很大提高。大量的細小毛刺被燒蝕完全，加工平面粗糙度因此而得到很好的改善。其中順紋表面最為平整，無嚴重的孔洞現象，而橫紋表面和逆紋表面在燒蝕后會殘留一定的焦炭和灰燼，對木材光滑度會有影響。因此，激光燒蝕加工雖能極大提高木材表面的平整度，但選材時也應盡量選取順紋表面進行加工。