激光技術(shù)在木材加工中的應用與發(fā)展

　　要：激光加工工具有速度快、材料變形小、精度高等優(yōu)點，近年來在木材加工領(lǐng)域得到廣泛應用。本研究指出了木材加工中激光技術(shù)的優(yōu)勢和重要性，介紹了現(xiàn)階段激光技術(shù)在木材加工中的應用方式，重點探討了幾種激光器的性能特點及在木材加工中的加工條件，最后論述了新型木材激光加工技術(shù)的發(fā)展動向與趨勢。

　　彭曉瑞; 張玲; 張占寬， 西北林學院學報 發(fā)表時間：2021-09-27

　　關(guān)鍵詞：激光技術(shù);木材加工;應用;發(fā)展

　　激光加工是使用的基于熱能的非接觸式先進加工工藝之一，具有刀具無磨損、加工速度快、材料變形小、加工噪音小、切縫損失少、效率和精度高、有利于實現(xiàn)數(shù)字化加工等優(yōu)點，由此被各工程材料加工領(lǐng)域譽為“21世紀萬能的加工工具”[1-4]。目前激光加工在金屬、陶瓷、塑料制品和木材加工等領(lǐng)域都已經(jīng)展開大量的研究與應用[5-6]。我國木材資源相對匱乏，特別是珍貴木材資源更是供不應求。面對日益增長的木材需求量，如何提高木材綜合利用率，增加產(chǎn)品附加值，成為木材加工制造的重要問題。采取激光加工先進制造技術(shù)，可提升加工產(chǎn)品的出材率，提高加工后的表面膠合和涂飾性能，對緩解木材資源匱乏與需求增大的供需矛盾、提高加工產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要意義[7-8]。采用激光進行木材加工時對不同的激光加工方法、條件、對應樹種和工藝參數(shù)等的研究至關(guān)重要[9-10]。本研究就激光技術(shù)在木材加工中的應用、研究現(xiàn)狀、發(fā)展動向等作出相對綜合的探討。

　　1 激光技術(shù)在木材加工中的應用方式

　　激光技術(shù)在木材加工中的應用主要包括：木材工件的切削加工(如鉆孔、切斷等)、木材工件的表面裝飾加工(如雕刻、成型和紋理加工)及木質(zhì)材料熱處理等[6-7]。

　　1.1 激光切割

　　激光切割在激光加工技術(shù)中應用廣泛，其切割速度快，精度和適應性高，割縫細，熱影響區(qū)小，切割過程易實現(xiàn)自動化控制。木質(zhì)材料激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過閾值功率密度時，光束能量及部分燃燒產(chǎn)生的熱能被切割處的木質(zhì)材料所吸收，從而引起溫度急劇上升，部分材料汽化逸出，部分材料燃燒形成熔渣，被輔助氣體吹走的一種加工方式。近年來針對木材和木質(zhì)復合材料切割加工的研究較多[11-12]。木材激光切割中，以 CO2激光器切割加工研究居多，主要集中于激光模式、輸出功率、焦點位置以及噴嘴形狀等問題的研究。選用不同功率的 CO2激光器，分別針對不同木質(zhì)材料種類進行了參數(shù)設(shè)計與對應產(chǎn)品質(zhì)量的研究。

　　V.Barnekov[13]利用功率300～400 W 的 CO2激光切割機對木材進行切割，證明了激光切割速度明顯高于傳統(tǒng)切割方法。H.Z.Baietal[14]利用不同CO2激光功率和不同工件切削速度切割木材和人造板等材料，提出了一種根據(jù)材料特性和切削速度來估算切削深度的理論模型，對研究 CO2激光在木材切割 領(lǐng) 域 的 應 用 具 有 重 要 參 考 價 值。N.Korts-alioudakisetal[15]研究了激光切割對木材強度的影響，得到當使用波長為532nm 的 Nd：YAG 激光器并且激光能量大于最大能量的70%時，切割木材會出現(xiàn) 碳 化 現(xiàn) 象 的 重 要 結(jié) 論。H.A.Eltawahnietal[16]使用CO2激光分別對4、6mm 和9mm 的中密度纖維板(MDF)進行切割，研究了激光功率、切割速度、氣壓和焦點位置等對切割質(zhì)量的影響，得出了焦點位置、切割速度、氣壓和功率對平均上、下切口寬度的影響規(guī)律，提出了激光切割 MDF 的粗糙度隨著焦點位置的增加和激光功率的增大而減小，隨著切削速度和氣壓的增加而增大的重要觀點。

　　1.2 激光雕刻

　　木質(zhì)材料激光雕刻是極具潛力的木材表面裝飾技術(shù)，為木制品表面增值提供重要技術(shù)手段。木材激光雕刻主要是高功率激光束輻射作用在待刻木制品表面，隨即轉(zhuǎn)化為熱能，通過瞬時熱流作用使木材表層產(chǎn)生熱分解和炭化，從而將木質(zhì)材料表面局部去 除，以 形 成 軟 件 提 供 的 圖 案 和 文 字 等 雕 刻 紋樣[17]。由于激光雕刻中，熱能變化對激光雕刻質(zhì)量有直接影響，且對熱能區(qū)的木材力學強度會有一定影響，由此，目前對于熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)變化和切割表面組成研究正在展開。

　　激光雕刻無木屑和噪聲污染，易于加工復雜形狀的零件，可廣泛應用于木制品雕刻、木模制作、圖案鑲嵌等領(lǐng)域。激光雕刻在某種程度上類似于端面銑削，激光光束直徑比機械切割機直徑小得多。但由于被激光燒掉表層的下表層仍然保留在待處理物體上，因此在激光雕刻中應注意避免損壞“下表面層”。由此，激光雕刻中對激光功率和光束特性相關(guān)的溫度場和加熱時間的控制要求相對較高。木材激光雕刻有兩方面的局限性，第一是局限于采用低功率激光器的均勻性好且去除深度較淺的雕刻;第二是木材材料的不均勻性和各向異性[18]。事實上，木材為纖維結(jié)構(gòu)，通常體現(xiàn)為不同纖維尺寸、形狀和密度等特征，它們會以不同的模式與激光束相互作用，因此獲得雕刻表面光滑或明確界定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有一定技術(shù)難度。

　　近年來，對于木材激光雕刻的研究日益廣泛。20世紀80年代中期，國外已采用電熱燃燒雕刻法制作木雕制品，之后又推出了木制品激光雕刻技術(shù)，我國也逐步引進此類技術(shù)。針對木質(zhì)材料激光雕刻加工工藝參數(shù)的研究，主要探索切割速度、電流、焦距等因素與切槽深度、寬度以及熱影響區(qū)碳化層的厚度之間的相互關(guān)系，優(yōu)化工藝參數(shù)，提升激光雕刻的品質(zhì)，延長其使用壽命等[9]。樂磊等[19]完成了一種激光切 割 單 板 拼 花 裝 飾 制 品 的 工 藝 研 究，采 用SmartCarve軟件優(yōu)化激光參數(shù)，完成單板的激光切割及背板的雕刻，最終形成滿足家具、墻體板等使用要求的單板激光切割拼花裝飾制品。傳統(tǒng)木材激光加工技術(shù)容易使木材表面產(chǎn)生嚴重的燒蝕現(xiàn)象并帶有殘?zhí)康葰埩粑铮斐赡局破吠庥^和表面質(zhì)量較差，針對這一系列問題，楊春梅等[2]提出將納秒激光技術(shù)與水射流冷卻技術(shù)相結(jié)合，利用水射流降低工件表面由激光加工導致的溫升，解決木材表面激光雕刻引起的局部變黑、燒焦等質(zhì)量問題。當 YAG固體激光功率6 W、切割速度為50mm·s-1時，對厚度為2mm 的水曲柳進行切割，可獲得較好的切縫表面質(zhì)量，切縫寬度為0.18mm。

　　1.3 激光熱處理

　　木材表層激光熱處理，是目前市場上木材改性手段之一，主要是通過激光熱源輻射作用，使待處理木材表層發(fā)生有利于促成其內(nèi)部性能和外觀效果改變的物理和化學變化。目前，激光熱處理主要可用于木質(zhì)材料表面顏色調(diào)控、表面潤濕性能改善、表面涂膜性能提升及材料防霉耐菌性能提高等[20-22]。具體實施過程中，可通過不同激光參數(shù)對木材不同紋理和位置的熱源輻射，利用對木材中發(fā)色基團數(shù)量的改變，實現(xiàn)激光熱處理木材表面顏色變化工藝。采用激光熱處理對木質(zhì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行物理和化學改性，以提高材料表面粗糙度和潤濕性，極有利于涂飾性能和防霉耐菌性能的提升。N.Subhasisaetal[23]研究得出 CO2激光熱處理對木材結(jié)構(gòu)改性作用很明顯，木材經(jīng) CO2激光切割后可明顯觀察到木材表面殘留物沉積和木材結(jié)構(gòu)的熔化，由此可對防腐處理的木材滲透性產(chǎn)生積極影響。

　　1.4 激光打標

　　早期的激光加工被廣泛用于切割和焊接工藝中。由于激光光源的脈沖寬度從納秒到飛秒不等，近年來，已被應用于其他機械加工，如標記、劃線、選擇性燒蝕和金屬、陶瓷、聚合物以及木材等材料表面雕刻等。激光打標和激光雕刻的原理是相通的，即利用高功率激光束輻射熱效應在木材表面形成的標記性圖案、文字等。激光打標主要包含掩模式、陣列式和掃描式打標[24]。激光打標與激光器波長和類型有直接關(guān)系，一般光纖激光打標機對木材雕刻打標不適用，而 CO2激光器可達到良好的打標效果。木材激光打標必須根據(jù)材料的吸收特性和表面質(zhì)量要求，選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)，如波長、光斑直徑、脈沖重復頻率、掃描速度和光束功率等。李堯等[24]采用ME-50振鏡掃描式激光打標機對竹木制品進行激光打標，通過優(yōu)化不同聲光 Q 開關(guān)重復頻率和打標速度，獲得優(yōu)化的竹木制品激光打標工藝參數(shù)，當重復頻率30kHz、掃描速度4mm·s-1時，竹木制品表面的激光打標圖案清晰、質(zhì)量較好。

　　2 不同激光器在木材加工中的應用現(xiàn)狀

　　在木材激光加工領(lǐng)域，通常包含 YAG 固體激光、CO2激光和光纖激光器，根據(jù)它們的不同激光波長，應用領(lǐng)域也有所不同。另外，將納秒激光技術(shù)與水射流冷卻技術(shù)相結(jié)合的復合型水導納秒激光加工技術(shù)，越來越受到精密加工行業(yè)的重視[25-26]。

　　2.1 YAG 激光器

　　YAG 激光器可分為連續(xù)波和脈沖 YAG 激光器。脈沖 YAG 激光器分為納秒、皮秒、飛秒等，其單脈沖能量高，且具有一定的重復頻率，比連續(xù)激光更適合加工木材。國內(nèi)外有大量學者采用 YAG 脈沖激光器搭建實驗平臺，研究不同木材所需的激光能量等。東北林業(yè)大學搭建了木材激光切割實驗臺，研究了高光束質(zhì)量固體激光諧振腔和固體激光器冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，利用 YAG 脈沖激光器對厚度為2mm 的紅松、核桃揪、黃波羅、水曲柳、槭木等不同木材進行了激光切割試驗，從切縫表面微觀形貌和切割工藝性能兩方面分析討論了切割工藝參數(shù)和木材宏觀、微觀構(gòu)造等對切縫表面質(zhì)量的影響，得出激光能量、切割速度和木材氣干密度等對切縫寬度的影響較大，一般而言，環(huán)孔材激光切割的切縫表面質(zhì)量相對較好，散孔材的相對較差[27-28]。

　　2.2 CO2激光器

　　CO2激光器是利用 CO2 分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷產(chǎn)生激光，輸出激光波長為10.6μm，是木材激光切割中最常用的方式。木材對 CO2激光的吸收性相對較好，在對木材表面進行簡單的打標或雕刻時，通常小功率 CO2激光即可達到較理想效果。而對大面積木材進行厚度較深的圖案雕刻或切割時，需較大功率的 CO2激光器來實現(xiàn)。CO2激光器進行木材加工時，其加工效果與木材材種、質(zhì)地等特性有直接關(guān)系。北京林業(yè)大學團隊采用 CO2激光器對三倍體毛白楊、樟子松和落葉松、樺木、三合板和五合板、竹材等不同硬度木質(zhì)材料進行雕刻，研究了加工工藝參數(shù)(對焦距離、激光功率、氣流類型和壓力以及進給速度等)、工件材性、含水率及纖維方向，對切割質(zhì)量(切縫寬度、深度、平整度、質(zhì)量等)以及切割效率等因素的相關(guān)影響[29-30]。研究得出，對 CO2激光切割而言，切割深度深、切縫寬度窄、切割表面光潔、切割表面平行度高以及熱影響層小，是表征切割效果良好的重要評價指標。一般來說，切割速度越小，激光電流越大，切槽寬度和深度則越大。P.A.A.Khanetal[31]研究得出由于木材是具有異質(zhì)性和各向異性等特性的天然產(chǎn)品，因此 CO2激光切割效果與木材的種類與材性有直接關(guān)系。對木材而言，木材顏色淺淡的，更容易被激光氣化，從而相對更適合雕刻。而對于材質(zhì)致密、密度相對較大的木材，則通常采用功率較大的 CO2激光器進行切割操作。在膠合板上進行激光雕刻時，一般情況下雕刻深度不可太深。山東大學利用 CO2激光器，開展了木材表面激光直接標刻二維條碼技術(shù)硏究，選用不同樹種木材，對其表面直接標刻 DM 條碼，探明了激光參數(shù)與標刻條碼深度的關(guān)系，揭示了木材在激光標刻下所呈現(xiàn)的材料特性，得出了影響條碼識別的相關(guān)因素和基于效應曲面法的參數(shù)優(yōu)化，并得到以落葉松材料為例的理想 DM 條碼對比度激光參數(shù)：離焦量-10mm、線間距0.2cm、掃描速度40mm·s-1、激光功率18 W[32]。

　　2.3 光纖激光器

　　光纖激光器是把泵浦物質(zhì)摻入到光纖中，由半導體激光器發(fā)出的特定波長激光耦合后，由光纖產(chǎn)生激光，通常在金屬切割中應用較多。波長約1μm的光纖激光器，木材對其吸收率相對較低，與其他波長激光對比，以相同工藝參數(shù)切割木板時，其切割深度較小，切縫不均勻，易受板材紋理密度的影響：當激光光束移動方向與木紋紋理方向平行時，其切割深度相對較大且切縫較窄;當激光光束移動方向與木紋紋理方向垂直時，其切割深度相對較小且切縫較寬。傳統(tǒng)的光纖激光器切割木板時，由于木板對光纖激光的吸收率較低，切割木板主要依靠高能量密度激光傳導加熱，由此光斑處局部通常伴有明顯的高溫燃燒現(xiàn)象。但光纖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率相對較好(在20%～30%)，且具有物理尺寸小，功率穩(wěn)定性好，窄聚焦，高亮度和光束質(zhì)量良好等優(yōu)點，故大 量 研 究 者 將 其 進 行 摻 銩 (Tm)、摻 鐿 等 處理[33-34]。現(xiàn)階段，有企業(yè)開發(fā)出了高功率超短脈沖(飛秒、皮秒)摻銩(Tm)光纖激光器，可實現(xiàn)2μm波段高重復頻率、高穩(wěn)定性的超短脈沖激光輸出，有利于提高木材對激光的吸收率，從而實現(xiàn)木材表面的切割雕刻。

　　3 新型紫外激光在木材加工中的應用趨勢

　　木材激光切割、雕刻等加工中的激光能量利用率與木材對激光的吸收能力有直接關(guān)系。因此，在選擇激光器時，需重點考慮木材不同成分對激光能量的吸收波長。木材成分構(gòu)造中，纖維素分子對波長8.30～10.00μm 的激光吸收能力最強，CO2激光波長通常在10.6μm，因此，木質(zhì)材料切割、雕刻和熱處理過程中，CO2激光器應用相對較多。但 CO2激光器的光束質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換效率都有一定缺陷，轉(zhuǎn)換效率一般為10%～15%，且存在光束引導和聚焦元件的剛性以及整個系統(tǒng)的體積大等問題。木質(zhì)素分子對波長355nm 紫外短波長激光吸收能力相對最好，其切縫位置的熱影響層較薄，切口外觀質(zhì)量好[16，35]。355nm 超快激光有窄的脈沖寬度和高的單脈沖能量，加工時熱效應小，加工效果好、精度高，在木材精細加工領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

　　紫外激光主要可用于激光雕刻和打標，對于木材激光切割，目前還處于探索階段，木材科學與技術(shù)研究領(lǐng)域尚未對其展開廣泛研究。紫外激光為短波長，允許較小的理論焦點直徑和短脈沖寬度，可進行微加工處理，同時熱影響區(qū)周圍的處理區(qū)相對易于控制。在對木材進行紫外激光切割時，可能只能對表層進行選擇性的化學改性，而不會破壞木材的紋理，因此具有良好的加工適用性。木質(zhì)材料的熱降解以及木質(zhì)素和纖維素的熱解均具有特征，木材激光加工過程中熱影響區(qū)(HAZ)的形成一定程度上會影響木材拉伸強度，但目前激光對木材加工處理的熱影響區(qū)組成研究相對較少，特別是熱塑性木質(zhì)素在木材激光切割表面上富集或降解的情況，可能對紫外激光加工木材過程機理的研究具有重要意義。紫外激光在木材加工中的應用研究目前相對較少，而事實上，隨著家具與木制品智能制造的不斷盛行，家具零部件二維碼的制作與機器視覺識別的匹配等，都是家具實現(xiàn)智能化制造的關(guān)鍵核心技術(shù)，而傳統(tǒng)采用印刷或張貼等方式的二維碼標識，容易在砂光、噴底漆等工序中被磨損或損壞，由此，采用紫外激光打標，進行二維碼植入，是未來家具與木制品智能制造的重要方式。

　　4 結(jié)論

　　隨著新型紫外激光器、CO2激光器、自由電子激光器的不斷研制和開發(fā)，激光技術(shù)在木材加工中的應用越來越廣泛，其在木質(zhì)材料的雕刻、打標、切割和熱處理等領(lǐng)域，均具有廣闊的應用前景。未來將會開展更多針對不同激光加工木材的原理、工藝及增值性能方面的科學研究，以期提升木材加工的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并為智能化制造提供更多可能性。