激光技術(shù)在木材加工中的應(yīng)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(diǎn)，近年來(lái)在木材加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本研究指出了木材加工中激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性，介紹了現(xiàn)階段激光技術(shù)在木材加工中的應(yīng)用方式，重點(diǎn)探討了幾種激光器的性能特點(diǎn)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(dòng)向與趨勢(shì)。

　　彭曉瑞; 張玲; 張占寬， 西北林學(xué)院學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-27

　　關(guān)鍵詞：激光技術(shù);木材加工;應(yīng)用;發(fā)展

　　激光加工是使用的基于熱能的非接觸式先進(jìn)加工工藝之一，具有刀具無(wú)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工等優(yōu)點(diǎn)，由此被各工程材料加工領(lǐng)域譽(yù)為“21世紀(jì)萬(wàn)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(kāi)大量的研究與應(yīng)用[5-6]。我國(guó)木材資源相對(duì)匱乏，特別是珍貴木材資源更是供不應(yīng)求。面對(duì)日益增長(zhǎng)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(wèn)題。采取激光加工先進(jìn)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(duì)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(jìn)行木材加工時(shí)對(duì)不同的激光加工方法、條件、對(duì)應(yīng)樹(shù)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(yīng)用、研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)向等作出相對(duì)綜合的探討。

　　1 激光技術(shù)在木材加工中的應(yīng)用方式

　　激光技術(shù)在木材加工中的應(yīng)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(yīng)用廣泛，其切割速度快，精度和適應(yīng)性高，割縫細(xì)，熱影響區(qū)小，切割過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guò)閾值功率密度時(shí)，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(lái)針對(duì)木材和木質(zhì)復(fù)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(diǎn)位置以及噴嘴形狀等問(wèn)題的研究。選用不同功率的 CO2激光器，分別針對(duì)不同木質(zhì)材料種類(lèi)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)與對(duì)應(yīng)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(jī)對(duì)木材進(jìn)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(lái)估算切削深度的理論模型，對(duì)研究 CO2激光在木材切割 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 具 有 重 要 參 考 價(jià) 值。N.Korts-alioudakisetal[15]研究了激光切割對(duì)木材強(qiáng)度的影響，得到當(dāng)使用波長(zhǎng)為532nm 的 Nd：YAG 激光器并且激光能量大于最大能量的70%時(shí)，切割木材會(huì)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(duì)4、6mm 和9mm 的中密度纖維板(MDF)進(jìn)行切割，研究了激光功率、切割速度、氣壓和焦點(diǎn)位置等對(duì)切割質(zhì)量的影響，得出了焦點(diǎn)位置、切割速度、氣壓和功率對(duì)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(diǎn)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(diǎn)。

　　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(guò)瞬時(shí)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(duì)激光雕刻質(zhì)量有直接影響，且對(duì)熱能區(qū)的木材力學(xué)強(qiáng)度會(huì)有一定影響，由此，目前對(duì)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(kāi)。

　　激光雕刻無(wú)木屑和噪聲污染，易于加工復(fù)雜形狀的零件，可廣泛應(yīng)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(lèi)似于端面銑削，激光光束直徑比機(jī)械切割機(jī)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(yīng)注意避免損壞“下表面層”。由此，激光雕刻中對(duì)激光功率和光束特性相關(guān)的溫度場(chǎng)和加熱時(shí)間的控制要求相對(duì)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(shí)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(huì)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(lái)，對(duì)于木材激光雕刻的研究日益廣泛。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)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(guó)也逐步引進(jìn)此類(lèi)技術(shù)。針對(duì)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(zhǎng)其使用壽命等[9]。樂(lè)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(mǎn)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(yán)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(duì)這一系列問(wèn)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(dǎo)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(wèn)題。當(dāng) YAG固體激光功率6 W、切割速度為50mm·s-1時(shí)，對(duì)厚度為2mm 的水曲柳進(jìn)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(chǎng)上木材改性手段之一，主要是通過(guò)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(xué)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(rùn)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(shí)施過(guò)程中，可通過(guò)不同激光參數(shù)對(duì)木材不同紋理和位置的熱源輻射，利用對(duì)木材中發(fā)色基團(tuán)數(shù)量的改變，實(shí)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(duì)木質(zhì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理和化學(xué)改性，以提高材料表面粗糙度和潤(rùn)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(duì)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(duì)防腐處理的木材滲透性產(chǎn)生積極影響。

　　1.4 激光打標(biāo)

　　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(lái)，已被應(yīng)用于其他機(jī)械加工，如標(biāo)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(biāo)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(yīng)在木材表面形成的標(biāo)記性圖案、文字等。激光打標(biāo)主要包含掩模式、陣列式和掃描式打標(biāo)[24]。激光打標(biāo)與激光器波長(zhǎng)和類(lèi)型有直接關(guān)系，一般光纖激光打標(biāo)機(jī)對(duì)木材雕刻打標(biāo)不適用，而 CO2激光器可達(dá)到良好的打標(biāo)效果。木材激光打標(biāo)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(zhǎng)、光斑直徑、脈沖重復(fù)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(biāo)機(jī)對(duì)竹木制品進(jìn)行激光打標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化不同聲光 Q 開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率和打標(biāo)速度，獲得優(yōu)化的竹木制品激光打標(biāo)工藝參數(shù)，當(dāng)重復(fù)頻率30kHz、掃描速度4mm·s-1時(shí)，竹木制品表面的激光打標(biāo)圖案清晰、質(zhì)量較好。

　　2 不同激光器在木材加工中的應(yīng)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(zhǎng)，應(yīng)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(fù)合型水導(dǎo)納秒激光加工技術(shù)，越來(lái)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(fù)頻率，比連續(xù)激光更適合加工木材。國(guó)內(nèi)外有大量學(xué)者采用 YAG 脈沖激光器搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同木材所需的激光能量等。東北林業(yè)大學(xué)搭建了木材激光切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)，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(duì)厚度為2mm 的紅松、核桃揪、黃波羅、水曲柳、槭木等不同木材進(jìn)行了激光切割試驗(yàn)，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(duì)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(duì)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(duì)較好，散孔材的相對(duì)較差[27-28]。

　　2.2 CO2激光器

　　CO2激光器是利用 CO2 分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生激光，輸出激光波長(zhǎng)為10.6μm，是木材激光切割中最常用的方式。木材對(duì) CO2激光的吸收性相對(duì)較好，在對(duì)木材表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的打標(biāo)或雕刻時(shí)，通常小功率 CO2激光即可達(dá)到較理想效果。而對(duì)大面積木材進(jìn)行厚度較深的圖案雕刻或切割時(shí)，需較大功率的 CO2激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。CO2激光器進(jìn)行木材加工時(shí)，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(xué)團(tuán)隊(duì)采用 CO2激光器對(duì)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(jìn)行雕刻，研究了加工工藝參數(shù)(對(duì)焦距離、激光功率、氣流類(lèi)型和壓力以及進(jìn)給速度等)、工件材性、含水率及纖維方向，對(duì)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(duì) 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(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，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(lèi)與材性有直接關(guān)系。對(duì)木材而言，木材顏色淺淡的，更容易被激光氣化，從而相對(duì)更適合雕刻。而對(duì)于材質(zhì)致密、密度相對(duì)較大的木材，則通常采用功率較大的 CO2激光器進(jìn)行切割操作。在膠合板上進(jìn)行激光雕刻時(shí)，一般情況下雕刻深度不可太深。山東大學(xué)利用 CO2激光器，開(kāi)展了木材表面激光直接標(biāo)刻二維條碼技術(shù)硏究，選用不同樹(shù)種木材，對(duì)其表面直接標(biāo)刻 DM 條碼，探明了激光參數(shù)與標(biāo)刻條碼深度的關(guān)系，揭示了木材在激光標(biāo)刻下所呈現(xiàn)的材料特性，得出了影響條碼識(shí)別的相關(guān)因素和基于效應(yīng)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(duì)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(dǎo)體激光器發(fā)出的特定波長(zhǎng)激光耦合后，由光纖產(chǎn)生激光，通常在金屬切割中應(yīng)用較多。波長(zhǎng)約1μm的光纖激光器，木材對(duì)其吸收率相對(duì)較低，與其他波長(zhǎng)激光對(duì)比，以相同工藝參數(shù)切割木板時(shí)，其切割深度較小，切縫不均勻，易受板材紋理密度的影響：當(dāng)激光光束移動(dòng)方向與木紋紋理方向平行時(shí)，其切割深度相對(duì)較大且切縫較窄;當(dāng)激光光束移動(dòng)方向與木紋紋理方向垂直時(shí)，其切割深度相對(duì)較小且切縫較寬。傳統(tǒng)的光纖激光器切割木板時(shí)，由于木板對(duì)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(dǎo)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(duì)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(diǎn)，故大 量 研 究 者 將 其 進(jìn) 行 摻 銩 (Tm)、摻 鐿 等 處理[33-34]。現(xiàn)階段，有企業(yè)開(kāi)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(shí)現(xiàn)2μm波段高重復(fù)頻率、高穩(wěn)定性的超短脈沖激光輸出，有利于提高木材對(duì)激光的吸收率，從而實(shí)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(yīng)用趨勢(shì)

　　木材激光切割、雕刻等加工中的激光能量利用率與木材對(duì)激光的吸收能力有直接關(guān)系。因此，在選擇激光器時(shí)，需重點(diǎn)考慮木材不同成分對(duì)激光能量的吸收波長(zhǎng)。木材成分構(gòu)造中，纖維素分子對(duì)波長(zhǎng)8.30～10.00μm 的激光吸收能力最強(qiáng)，CO2激光波長(zhǎng)通常在10.6μm，因此，木質(zhì)材料切割、雕刻和熱處理過(guò)程中，CO2激光器應(yīng)用相對(duì)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(dǎo)和聚焦元件的剛性以及整個(gè)系統(tǒng)的體積大等問(wèn)題。木質(zhì)素分子對(duì)波長(zhǎng)355nm 紫外短波長(zhǎng)激光吸收能力相對(duì)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(shí)熱效應(yīng)小，加工效果好、精度高，在木材精細(xì)加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　紫外激光主要可用于激光雕刻和打標(biāo)，對(duì)于木材激光切割，目前還處于探索階段，木材科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域尚未對(duì)其展開(kāi)廣泛研究。紫外激光為短波長(zhǎng)，允許較小的理論焦點(diǎn)直徑和短脈沖寬度，可進(jìn)行微加工處理，同時(shí)熱影響區(qū)周?chē)奶幚韰^(qū)相對(duì)易于控制。在對(duì)木材進(jìn)行紫外激光切割時(shí)，可能只能對(duì)表層進(jìn)行選擇性的化學(xué)改性，而不會(huì)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(guò)程中熱影響區(qū)(HAZ)的形成一定程度上會(huì)影響木材拉伸強(qiáng)度，但目前激光對(duì)木材加工處理的熱影響區(qū)組成研究相對(duì)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(duì)紫外激光加工木材過(guò)程機(jī)理的研究具有重要意義。紫外激光在木材加工中的應(yīng)用研究目前相對(duì)較少，而事實(shí)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(jī)器視覺(jué)識(shí)別的匹配等，都是家具實(shí)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(biāo)識(shí)，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(biāo)，進(jìn)行二維碼植入，是未來(lái)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(kāi)發(fā)，激光技術(shù)在木材加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其在木質(zhì)材料的雕刻、打標(biāo)、切割和熱處理等領(lǐng)域，均具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)將會(huì)開(kāi)展更多針對(duì)不同激光加工木材的原理、工藝及增值性能方面的科學(xué)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。