木質(zhì)材料激光雕刻技術(shù)研究

鄭世欽

摘要：鑒于傳統(tǒng)機(jī)械切割的缺點(diǎn)，激光切割雕刻技術(shù)憑借其加工精度高、質(zhì)量可靠、高效率、節(jié)能環(huán)保、無(wú)噪聲等特點(diǎn)成功應(yīng)用于木質(zhì)材料的雕刻中。文章在分析激光切割原理、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)材料雕刻中的機(jī)理、特點(diǎn)以及影響因素，以期為木質(zhì)材料激光雕刻提供可行性建議。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)材料，激光雕刻，切割機(jī)理

1 激光加工技術(shù)的原理及特點(diǎn)

激光加工技術(shù)是將激光在待加工的金屬材料表面進(jìn)行匯聚，從而產(chǎn)生很高的溫度，對(duì)將待加工的金屬材料進(jìn)行熔化、重鑄等操作，以達(dá)到加工材料的目的。與傳統(tǒng)加工工藝相比，激光加工技術(shù)主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（1）工藝集成化程度較高

在傳統(tǒng)金屬加工工藝中，每臺(tái)機(jī)床都具有各自的功能，如抱床、銑床、磨床等等，每一臺(tái)機(jī)床負(fù)責(zé)自己的工序，因此在傳統(tǒng)金屬加工工藝中會(huì)將各個(gè)機(jī)床進(jìn)行組合形成統(tǒng)一的流水作業(yè)。而在激光加工工藝引入后，一臺(tái)機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)不同的工序，利用激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的切割、打孔、表面的處理等工作;此外，在同一個(gè)機(jī)床上，各個(gè)工序可以互不干擾，同步進(jìn)行。利用激光加工技術(shù)的高工藝集成化的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)工序同時(shí)、高效的進(jìn)行。

（2）工作效率較高且加工質(zhì)量好

與傳統(tǒng)的金屬材料加工工藝相比，由于激光高能量密度的特性，使得其無(wú)論在切割、打孔還是表面處理過(guò)程中都能夠快速的進(jìn)行，因此，激光加工技術(shù)的工作效率非常的高，通常為普通工藝的數(shù)十倍甚至成千上萬(wàn)倍。如激光焊接工藝是普通焊接工藝效率的25倍，若將激光加工工藝應(yīng)用于打孔工序上，則可以使傳統(tǒng)的打孔作業(yè)效率提高近40000倍，以上數(shù)字足以看出激光加工技術(shù)在金屬材料加工中的高效性。

此外，除了具備工作效率高的優(yōu)勢(shì)之外，在利用激光加工技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行加工時(shí)，由于避免了傳統(tǒng)加工過(guò)程中的接觸加工的方式，因此，采用激光加工技術(shù)加工出的金屬產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量。

（3）具有非常高的適應(yīng)性

在傳統(tǒng)的加工工藝中，由于技術(shù)參數(shù)、原材料性質(zhì)等原因，一種加工工藝僅能適應(yīng)一種或者幾種行業(yè)。但是，激光加工技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，這是其優(yōu)勢(shì)所在。激光憑借其高能量密度的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒏鞣N高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)甚至高硬度的材料方便有效的加工，因此，激光加工工藝能夠以很強(qiáng)的適應(yīng)性應(yīng)用于各行各業(yè)。

（4）具有較高的經(jīng)濟(jì)性

鑒于激光加工技術(shù)的以上特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不僅能夠提高加工效率與質(zhì)量，同時(shí)能夠很好的節(jié)省機(jī)床的空間，最終實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。具體來(lái)分析，如打孔工藝中，采用激光加工技術(shù)能夠比傳統(tǒng)工藝節(jié)約近50%的成本。

2 激光切割木質(zhì)材料的機(jī)理及特點(diǎn)

2.1激光切割木質(zhì)材料的機(jī)理

通常，木材切割的機(jī)制有兩大類，分別是燃燒以及瞬時(shí)蒸發(fā)。而木材激光切割的關(guān)鍵在于激光的功率密度大小以及照度的強(qiáng)弱，在激光照射木材的瞬間，如果激光的功率密度能夠達(dá)到使木材汽化的程度，那么在木材表面就能夠形成切縫。在木材的切割過(guò)程中，如果切割速度較快，使得熱量傳輸不到未切割的木材處，那么切割的表面就不會(huì)留下碳化后的痕跡，反之，如果切割速度較慢，那么就會(huì)在未加工木材處留下碳化的痕跡，導(dǎo)致木材表面出現(xiàn)暗淡。此外，如果激光的功率密度不足以達(dá)到汽化木材的要求，那么殘留的木材必須借助輔助氣體吹離切縫，導(dǎo)致激光切割效果不理想。

在激光加工木材的過(guò)程中，在蒸發(fā)的過(guò)程中始終伴隨著燃燒過(guò)程，高的激光功率密度能夠保證蒸發(fā)過(guò)程得順利進(jìn)行。然而，在實(shí)際激光照射過(guò)程中，激光的功率密度會(huì)受到激光設(shè)備的輸出功率以及光束模式的影響，因此在激光加工木材的過(guò)程總，總有功率密度低于蒸發(fā)所需能量的部位，換言之木材激光加工過(guò)程的碳化是在所難免的。除此之外，在蒸發(fā)過(guò)程中，還會(huì)形成易燃的氣體、水蒸氣以及未蒸發(fā)掉的焦炭，這些物質(zhì)的進(jìn)一步燃燒會(huì)產(chǎn)生更多的熱量進(jìn)而促進(jìn)激光加工的過(guò)程。

2.2激光切割木質(zhì)材料的特點(diǎn)

利用激光加工木材的基本原理就是利用激光束的高能量密度所具有的熱能，將木材在一個(gè)很短的時(shí)間里完成熱分解和碳化。激光加工木材主要分為兩大類，第一為切削，第二類則是本文所研究的雕刻、成型以及紋理加工等。激光加工是非接觸式加工方法，與傳統(tǒng)加工方法相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）切縫很窄，節(jié)省木材。在切割厚為25.4mm的南方松板材時(shí)，激光切割僅有0.3mm的切縫，而傳統(tǒng)的鋸切具有2.5mm的鋸路。

（2）無(wú)木屑降低環(huán)境污染。

（3）便于加工復(fù)雜形狀的零件和盲切割。因而在木制品上雕刻、木模制作、圖案鑲嵌等方面具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)越性。

（4）光束無(wú)慣性，可實(shí)現(xiàn)高速切割可在任何位置開始和停止切割。

（5）能實(shí)現(xiàn)多工位操作，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動(dòng)化。

（6）無(wú)刀具磨損，沒(méi)有接觸能量損耗，也不需更換刀具。

（7）雖然切割表面顏色較深，但表面光潔度比鋸切好，并且切縫平直，不存在跑鋸現(xiàn)象。

（8）切割噪聲很低，不形成噪聲污染。鑒于激光工具的特殊結(jié)構(gòu)，使得激光加工的光斑直徑相對(duì)較小，通常僅有0.1-0.5mm。焦斑通常位于代加工木材的表面，用來(lái)將材料進(jìn)行熔化或者汽化。與此同時(shí)，切割過(guò)程會(huì)有氣流在切割頭噴出，目的是將汽化后的木材從切槽中吹出。由于加工直徑小，使得整個(gè)過(guò)程幾乎沒(méi)有噪聲，不會(huì)形成噪聲污染。

3 影響激光雕刻木材的因素分析

雖然激光切割在木材加工中的優(yōu)勢(shì)明顯，但是其在加工中存在進(jìn)給速度低、切割面變色、能量效率低等缺點(diǎn)，鑒于此，文章試圖探究影響激光雕刻木材的影響因素，以期為木材產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供可行性建議。

3.1速度對(duì)激光雕刻的影響

通常，速度會(huì)影響木質(zhì)雕刻時(shí)的切槽深度、寬度以及碳化層的厚度。隨著速度的增加，切槽的深度將會(huì)逐漸變小，而速度與切槽寬度呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，而速度的增加會(huì)使得碳化層厚度的減低，因此把控激光雕刻時(shí)的速度對(duì)于木質(zhì)材料雕刻有著十分重要的意義。

3.2電流對(duì)激光雕刻的影響

相比于激光的速度，電流會(huì)對(duì)木質(zhì)材料雕刻時(shí)切槽的質(zhì)量有著更加明顯的影響，通常，激光的速度會(huì)與各參數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，而電流對(duì)于切槽的參數(shù)的影響會(huì)呈現(xiàn)出二次曲線關(guān)系，隨著電流的增大，切槽的寬度、碳化層的厚度明顯增大。結(jié)合激光雕刻木材的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在雕刻木材時(shí)所選擇的電流不要超過(guò)18mA，這樣才能保證所雕刻木材的色度和切槽的尺寸參數(shù)。

3.3激光束焦距對(duì)激光雕刻的影響

在上述三個(gè)影響因素中，激光束的焦距對(duì)于木質(zhì)材料雕刻質(zhì)量的影響最大。隨著焦距與加工木材表面的遠(yuǎn)離，切槽的深度變化十分明顯，而對(duì)于寬度的影響次之，其次是碳化層的影響。而激光束的焦距對(duì)不同加工木材的影響尤為突出，對(duì)于三倍體白毛楊，通常焦距為2-5mm為宜，對(duì)于樟子松，焦距應(yīng)當(dāng)不超過(guò)3mm，落葉松在2-3mm之間，樺木通常在5mm左右，根據(jù)不同的木材選擇不同的焦距才能實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的雕刻。

4 結(jié)論與建議

隨著木制工藝品市場(chǎng)需求的不斷增加，人們對(duì)于個(gè)性化、高精度的木質(zhì)工藝品的追求越來(lái)越多，傳統(tǒng)雕刻工藝已經(jīng)無(wú)法滿足木制工藝品的精度、生產(chǎn)速度的要求，因此，激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)材料雕刻中占據(jù)了批量生產(chǎn)、高速度生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)樯碳規(guī)?lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。文章對(duì)于木質(zhì)材料激光雕刻技術(shù)的研究，不僅能夠?yàn)槟局乒に嚻返脑O(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供很好的理論借鑒價(jià)值，同時(shí)能夠有效的推動(dòng)激光雕刻技術(shù)的發(fā)展，為木制工藝品領(lǐng)域、激光加工領(lǐng)域做出一定的貢獻(xiàn)。

5 參考文獻(xiàn)

[1]汪玉琪. 激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)工藝品制作中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械管理開發(fā)， 2020， v.35;No.203（03）：134-136.

[2] 任萌萌， 倪曉昌， 王宣，等. 基于CO2激光加工機(jī)的木材雕刻工藝參數(shù)研究[J]. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（04）：21-24.

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四川輕化工大學(xué) 643002