激光技術(shù)在切割木質(zhì)復(fù)合材料中的應(yīng)用

鄧敏思， 吉富堂， 那 斌*， 何可人， 伏振宇

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.菲林格爾家居科技股份有限公司，上海 201414)

1960年5月，第一束被譽(yù)為“萬(wàn)能加工工具”的激光從紅寶石固態(tài)激光器中激發(fā)出來(lái)，自此以后激光作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)并在各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用[1]，其覆蓋面從軍事軍工、科學(xué)研究、農(nóng)林砍伐、工業(yè)生產(chǎn)到生活中的各個(gè)角落。隨著激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，其在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色，從金屬加工到非金屬加工，激光加工技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)開(kāi)辟了一片新天地。其中木材加工行業(yè)被認(rèn)為是激光技術(shù)最容易被應(yīng)用的領(lǐng)域之一[2]，在過(guò)去的幾十年中，激光技術(shù)在木材加工行業(yè)中受到了人們?cè)絹?lái)越多的青睞，并且有逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工方式——鋸切、刨切、銑削等的趨勢(shì)。這引起了很多學(xué)者的研究興趣。1963年，Bryan為了探究激光切割木材的可行性，他用脈沖式紅寶石激光器激發(fā)出來(lái)的激光束在木材工件上穿孔，孔的直徑為0.8 mm。但由于孔深受到激光輸出功率和類型的影響，其最大值不到1.6 mm，他在研究成果中表示能量高度集中且連續(xù)的激光束可用來(lái)切割木材[3]。他的結(jié)論在1971年被McMillin 和 Harry證實(shí)[4]。McMillin 和 Harry用輸出功率為240 W的CO2激光切割厚度為0.25英寸到尺寸不等的南方松工件。他們研究了最大切割速度與工件厚度、密度、含水率以及纖維方向的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論是濕工件還是干工件，切透工件所需的最大切割速度都隨著工件厚度的增加而呈曲線下降。對(duì)于相同厚度的工件，濕工件所需的最大切割速度總是要比干工件的低[4]。1975年，Peters 和 Marshall用240 W連續(xù)的CO2激光切割不同種類的木質(zhì)復(fù)合材料，如原木、膠合板、刨花板和結(jié)子。他們研究得出：對(duì)于各種木質(zhì)復(fù)合材料，進(jìn)給速度都和工件厚度成反比例變化[5]。這意味著厚度的增加會(huì)引起進(jìn)給速度的減小。此外，進(jìn)給速度的減小還和含水率以及密度的增大有關(guān)。他們還指出進(jìn)給速度是一個(gè)能影響切割結(jié)果的重要因素。Eltawahni等在2011年的一篇文章中指出：激光加工過(guò)程中的加工參數(shù)很大程度影響著切縫的寬度以及切縫的質(zhì)量。因此，他們?cè)诨趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法上用1.5 kW的連續(xù)波CO2激光來(lái)切割厚度分別為3 mm、6 mm和9 mm的膠合板。旨在探究切縫寬度、切縫質(zhì)量(上切縫寬度、下切縫寬度和上下切縫寬度的比值)以及加工成本與加工參數(shù)(輸出功率、進(jìn)給速度、氣體壓力和焦點(diǎn)位置)之間的關(guān)系并建立數(shù)學(xué)模型。最后他們還進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化使得上下切縫的寬度比值為1以及生產(chǎn)成本最低[6]。還有學(xué)者曾采用CO2激光來(lái)切割酚醛樹脂板，將CO2激光切割刨花板的過(guò)程與其作比較，結(jié)果得出酚醛樹脂板可以用3 kW的CO2激光以3.5 m/min的進(jìn)給速度成功切透。作者基于激光過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生有毒氣體或致癌物質(zhì)的考慮，文中還將加工過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體以及切割面上的加工剩余物進(jìn)行了毒性分析。分析驗(yàn)證了作者的猜想，加工過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體含有甲醛、苯等致癌氣體并且加工剩余物中檢測(cè)出了苯酚、甲酚等有害物質(zhì)[7]。

雖然已有許多學(xué)者對(duì)激光加工木材進(jìn)行了研究，但他們并沒(méi)有詳細(xì)對(duì)激光切割木材的機(jī)制、激光切割木材的優(yōu)缺點(diǎn)以及影響激光切割木材的因素進(jìn)行敘述分析。筆者通過(guò)大量閱讀文獻(xiàn)后，總結(jié)了激光切割木材的基礎(chǔ)知識(shí)，從而使讀者對(duì)激光切割木材能有一個(gè)初步了解。

1 激光切割原理

方向性好、能量密度高、相干性強(qiáng)和單色性極高是激光的四個(gè)特點(diǎn)[8]，激光的特殊性質(zhì)奠定了激光切割的原理。激光切割是通過(guò)由激光器激發(fā)出能量高度集中的光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的，激光束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后，形成一個(gè)直徑很小(小于Φ0.1 mm)且功率密度高(超過(guò)104W/mm2)的光斑。光斑被聚焦在工件表面附近后，表面材料迅速吸收激光束所帶來(lái)的能量，快速升高的材料溫度使得表面材料瞬間發(fā)生汽化蒸發(fā)并形成一個(gè)極小的孔洞。根據(jù)事先繪制好的圖案，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制激光頭或者被加工工件，使兩者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成切縫[9]。在切割的同時(shí)，切縫處的燃燒物會(huì)被與激光束同軸的輔助氣體從切縫底部吹出[10]。激光切割木質(zhì)復(fù)合材料的加工原理示意圖如圖1所示。

圖1 激光切割加工原理示意圖

在激光切割木材過(guò)程中，有瞬時(shí)汽化蒸發(fā)和燃燒兩種不同的機(jī)制，而激光束的能量密度和照射時(shí)間是影響這兩種切割機(jī)制的關(guān)鍵因素。當(dāng)激光束照射時(shí)間較短而光束的能量又足夠高時(shí)，工件材料表面溫度會(huì)因能量吸收而迅速達(dá)到材料沸點(diǎn)溫度，從而使材料瞬時(shí)汽化蒸發(fā)形成切縫。在這種情況下，由于激光束的照射時(shí)間極短，熱量未傳遞到周圍的基材，切割表面僅出現(xiàn)輕微發(fā)暗無(wú)碳化現(xiàn)象，切割質(zhì)量較好。當(dāng)激光束的能量密度不足但光束照射時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，能量不足以使材料發(fā)生汽化蒸發(fā)，只能使材料達(dá)到燃點(diǎn)并發(fā)生燃燒，燃燒物由與激光束同軸的輔助氣體從切縫底部吹出。且由于激光束與材料的作用時(shí)間較長(zhǎng)，使得熱量堆積在材料中，周圍的基材也因此發(fā)生燃燒或碳化，熱影響區(qū)擴(kuò)大，導(dǎo)致切縫變寬，切面產(chǎn)生嚴(yán)重的碳化現(xiàn)象，切割質(zhì)量不理想。在激光切割過(guò)程中，應(yīng)盡量避免燃燒這種切割機(jī)制，因?yàn)檫@種情況下得到的切縫較寬，熱影響層較厚，切面也較粗糙[11]。

實(shí)際上，汽化蒸發(fā)機(jī)制和燃燒機(jī)制常常同時(shí)存在于同一切割過(guò)程中。這是由于汽化蒸發(fā)機(jī)制的產(chǎn)生需要很高的能量密度(108W/cm2)。但實(shí)際上，激光的輸出功率和光束的模式都會(huì)影響激光束的能量密度。由于受激光束能量在橫斷面上分布的影響，材料受激光照射的區(qū)域總有部分區(qū)域能量較低，以致于不能產(chǎn)生汽化蒸發(fā)機(jī)制。

2 激光切割的特點(diǎn)

在木材加工行業(yè)中，鋸切、刨切、銑削等傳統(tǒng)的加工方式是通過(guò)利用機(jī)械力來(lái)移除工件上多余的材料，這會(huì)產(chǎn)生工件起毛刺、刀具磨損嚴(yán)重等一系列的問(wèn)題[12-15]。而作為一種先進(jìn)的加工方式，激光加工有著獨(dú)一無(wú)二的加工特點(diǎn)且其加工方案性價(jià)比很高。與傳統(tǒng)的加工方式相比，激光加工的顯著特點(diǎn)如下[16]：

(1)激光加工是非接觸加工且工件不需要夾具固定。整個(gè)切割過(guò)程無(wú)需刀具且無(wú)切削力施加在工件上，即使是對(duì)質(zhì)地比較柔軟的工件，加工后也不會(huì)產(chǎn)生變形，更重要的是省略了裝夾工件的步驟。因此，激光加工不存在工件起毛刺、刀具磨損以及后續(xù)的刀具重磨和更換問(wèn)題。

(2)激光可以進(jìn)行微細(xì)加工。由于傳統(tǒng)刀具的刀刃都具有一定的厚度，因此對(duì)尺寸較小的工件，用傳統(tǒng)加工方式加工會(huì)有一定的難度且對(duì)被加工工件有一定的尺寸要求。而激光束是通過(guò)利用直徑很小且能量高度集中的光斑來(lái)對(duì)工件進(jìn)行加工，因此激光加工可以進(jìn)行細(xì)微加工。

(3)激光加工具有很高的加工靈活性。在加工復(fù)雜的異形輪廓工件時(shí)，由于傳統(tǒng)刀具的靈活度有限，用其加工異形工件就會(huì)顯得有些笨拙。而激光具有較高的柔性，在加工復(fù)雜異形工件時(shí)其優(yōu)勢(shì)就大大顯現(xiàn)出來(lái)。

(4)激光加工質(zhì)量好。相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方式，激光加工后的表面相對(duì)光滑其表面粗糙度很小，且往往無(wú)需砂光處理等后續(xù)工序。但激光加工會(huì)有表面碳化現(xiàn)象，有學(xué)者表示這種炭化現(xiàn)象在某種程度上起著裝飾作用。

(5)激光加工效率高。激光加工往往省去了裝夾工件以及更換刀具的步驟。更重要的是，激光加工的進(jìn)給速度往往較傳統(tǒng)加工的快。這大大縮短了加工周期，提高了加工效率。

(6)激光加工更節(jié)省材料。由于激光光斑直徑很小，激光加工產(chǎn)生的切縫寬度就相當(dāng)小。因此，用激光加工可以把浪費(fèi)的材料減到最少。

(7)激光加工更清潔環(huán)保。當(dāng)用傳統(tǒng)加工方式加工時(shí)，會(huì)伴隨著大量的切屑和噪聲的產(chǎn)生，這對(duì)人體有著極大的危害。而激光加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何切屑以及噪聲，其加工過(guò)程接近靜音，改善了工作人員的操作環(huán)境。

(8)激光加工更節(jié)能更經(jīng)濟(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)加工方式，吸塵器是必不可少的，且傳統(tǒng)加工方式消耗的電能大。

(9)激光加工自動(dòng)化程度極高。激光加工可以完全由CNC控制，只要在計(jì)算機(jī)中繪制出不同的圖形就可以加工出不同的形狀，如直線、曲線和圓圈等。加工的動(dòng)作還可以在工作臺(tái)的任何位置任意時(shí)間里開(kāi)始或者暫停加工。

(10)激光加工更安全。所有的激光加工過(guò)程都是自動(dòng)且在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，這使得工作人員的人身安全得到了保障。

從以上幾點(diǎn)可以看出，激光加工較傳統(tǒng)加工顯現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性，特別是在傳統(tǒng)方式不便加工的地方，激光加工更是一種無(wú)可替代的加工方式。但激光加工存在設(shè)備費(fèi)用較高，初次投資大的問(wèn)題。隨著激光加工被人們廣泛接受，激光加工設(shè)備投資逐漸降低，激光加工也將更加廣泛地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。

3 影響切割過(guò)程的因素

在采用激光切割木質(zhì)復(fù)合材料時(shí)，工件的切割質(zhì)量受到多方面的影響，影響因素如圖2所示。Barnekov等把影響激光加工木質(zhì)復(fù)合材料過(guò)程的因素主要分為三個(gè)方面：①加工參數(shù)；②材料性質(zhì)；③激光束的特性[17]。

3.1 加工參數(shù)

影響激光加工的加工參數(shù)主要有進(jìn)給速度、焦距、焦深、焦點(diǎn)位置以及噴氣系統(tǒng)等。

圖2 影響激光切割木質(zhì)復(fù)合材料質(zhì)量的因素

3.1.1 進(jìn)給速度

進(jìn)給速度決定了工件材料和激光束接觸的時(shí)間，從而決定了工件的能量吸收總量。因此，當(dāng)其余條件固定不變時(shí)，進(jìn)給速度越小，光束與材料的接觸時(shí)間越長(zhǎng)，材料吸收的能量越多，使得更多的材料被燃燒汽化，導(dǎo)致切縫深度越深，切縫寬度也越寬，切割質(zhì)量不理想。隨著進(jìn)給速度的增大，并到達(dá)一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時(shí)，材料吸收的能量恰好可以將要切除的材料完全去除，這時(shí)的切縫平滑均勻，寬度適中，碳化現(xiàn)象不明顯，切割質(zhì)量較好。當(dāng)進(jìn)給速度繼續(xù)增大時(shí)，由于激光束的照射時(shí)間太短，工件吸收的能量不足以將材料完全去除，這時(shí)切割深度無(wú)法達(dá)到目標(biāo)。若切割速度增大到一個(gè)極限值時(shí)，工件吸收的能量低于切割的閾值，切割無(wú)法進(jìn)行。圖3中的兩條曲線表示一定工件厚度下的許可進(jìn)給速度調(diào)節(jié)范圍。

許多學(xué)者為了計(jì)算在一定功率激光下到達(dá)目標(biāo)工件厚度時(shí)所需要的進(jìn)給速度，紛紛建立數(shù)學(xué)模型。所有的數(shù)學(xué)模型都表明，進(jìn)給速度和功率成正比且和工件厚度成反比[18-20]。進(jìn)給速度可由式(1)表示：

圖3 進(jìn)給速度與工件厚度的關(guān)系

(1)

式中：V為進(jìn)給速度(m/min)；P為輸出功率(W)；t為工件厚度(mm)。

在木材加工行業(yè)中，進(jìn)給速度和生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本有直接聯(lián)系，進(jìn)給速度高，生產(chǎn)周期時(shí)間就短，生產(chǎn)效率就高，生產(chǎn)成本就會(huì)降低[21]。

3.1.2 輸出功率

工件材料吸收的總能量取決于激光束能量密度的大小，但激光束的能量密度大小很大程度上取決于輸出功率的大小。因此，輸出功率是影響激光切割結(jié)果的重要參數(shù)。增大輸出功率往往可以提高進(jìn)給速度，當(dāng)輸出功率大于閾值時(shí)，進(jìn)給速度和激光的輸出功率符合式(1)并成正比關(guān)系。但當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著輸出功率的增大，激光束的穿透深度會(huì)增加，切縫寬度會(huì)變大，熱影響區(qū)也隨之變寬。實(shí)際上，隨著輸出功率增大的同時(shí)進(jìn)給速度增大，切割效果仍然很理想。這樣切割質(zhì)量的穩(wěn)定性和加工效率同時(shí)得到了提升。切割木材所需的功率往往和工件的厚度、密度、進(jìn)給速度、材料的性質(zhì)等有關(guān)，通常功率范圍在幾百瓦到幾千瓦?，F(xiàn)代工業(yè)激光器的輸出功率大都在3.5～5.5 kW之間，其加工效率較高。輸出功率高于1 kW的激光器其能量轉(zhuǎn)換效率大約為18%。

3.1.3 噴氣系統(tǒng)

在大多數(shù)激光器中都配有與激光束共軸的噴氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)在加工中的主要作用如下：①排除切割區(qū)域多余的燃燒產(chǎn)物，如煙灰等，以達(dá)到保護(hù)透鏡的目的；②控制和防止木材的過(guò)度燃燒；③延伸切割深度，高速氣流的壓力可以使切割深度延伸至焦點(diǎn)平面以下[22]。

一般來(lái)說(shuō)，噴氣系統(tǒng)的噴嘴直徑、噴嘴位置、氣體類型以及氣體壓力都會(huì)對(duì)切割的效果產(chǎn)生一定影響。

(1)噴嘴直徑。輔助氣體從噴嘴快速噴出從而能在高效吹出切割區(qū)域中燃燒產(chǎn)物的同時(shí)提高切割力，因此噴嘴直徑是影響切割質(zhì)量的重要參數(shù)之一。噴嘴直徑通過(guò)改變噴出氣體的壓力來(lái)影響切割效果，噴嘴的直徑小，噴出的氣體壓力就大。噴嘴直徑對(duì)切割效果的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)給速度的大小、切縫的寬度、切縫的深度以及熱影響區(qū)的大小上。

隨著噴嘴直徑的減小，噴出的氣體壓力相應(yīng)增大，進(jìn)給速度也隨之增大。但當(dāng)其直徑小于某一極限值時(shí)，進(jìn)給速度反而有下降趨勢(shì)。曾有資料提出，盡管氣體類型和氣體壓力會(huì)有所不同，但無(wú)論在哪種條件下，直徑為1.5 mm左右的噴嘴都可獲得的最大進(jìn)給速度。Eltawahni等曾利用配有1.5 mm噴嘴的CO2激光器來(lái)切割MDF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1.5 mm的噴嘴適用于木材加工行業(yè)[23]。

切縫的寬度會(huì)隨著噴嘴直徑的減小而變窄。但在較高的進(jìn)給速度下，過(guò)小的噴嘴直徑會(huì)形成過(guò)窄的切縫，從而不能使燃燒產(chǎn)物順利地從切縫中排出。由于噴嘴直徑的減小可以增大噴出氣體的壓力，因此在一定程度上，較小的噴嘴直徑可以使切縫深度延伸到更深的位置，從而達(dá)到提高切割力的效果。

噴嘴直徑的減小也將引起熱影響區(qū)的擴(kuò)大，這是由于當(dāng)噴嘴直徑減小時(shí)，噴出氣體不能覆蓋更多的切割區(qū)基材，從而造成輔助氣體對(duì)切割區(qū)基材的冷卻效果減弱。

(2)噴嘴位置。噴嘴位置指的是噴嘴與工件表面之間的距離。噴嘴口不能離工件表面太近，否則噴出的氣體會(huì)對(duì)透鏡有一個(gè)反沖壓力，從而減弱噴出氣體對(duì)燃燒物的去除能力。同時(shí)，噴嘴口也不能離工件表面太遠(yuǎn)，因?yàn)闅饬髟趪姵鲞^(guò)程中會(huì)損失部分動(dòng)能，從而導(dǎo)致氣流對(duì)燃燒產(chǎn)物的驅(qū)除能力不足。對(duì)于木材加工行業(yè)，噴嘴口與工件表面之間的距離應(yīng)控制在1～2 cm。

(3)氣體類型。在工業(yè)上，空氣、氮?dú)夂蜌鍤馐侨N較為常用的輔助氣體。由于氮?dú)夂蜌鍤獾膬r(jià)格昂貴，使得這兩種氣體的使用率相對(duì)低于空氣。但這兩種氣體的特殊作用是空氣無(wú)法替代的，這兩種氣體可為切割過(guò)程提供惰性環(huán)境，且這兩種氣體能大大降低切割區(qū)域的溫度，能有效減弱切割區(qū)域的碳化現(xiàn)象，但也有文獻(xiàn)指出采用價(jià)格低廉的壓縮空氣足以達(dá)到一個(gè)比較滿意的效果。

(4)氣體壓力。實(shí)際上，氣體壓力的設(shè)置在整個(gè)切割過(guò)程中也相當(dāng)重要。隨著氣體壓力的增大，進(jìn)給速度隨之增大，但當(dāng)壓力值大于某一極值時(shí)，氣體壓力的增大反而引起進(jìn)給速度的減小。這主要是因?yàn)楦邏狠o助氣體對(duì)激光切割區(qū)域產(chǎn)生了沖擊波，減弱了激光的作用。除此以外，高壓氣流還會(huì)干擾激光束的能量聚焦，使激光束發(fā)散。氣體壓力還體現(xiàn)在切縫深度的大小上，切縫深度會(huì)隨氣體壓力的增大而增大。氣體壓力的增大還會(huì)減少碳化現(xiàn)象。通常來(lái)說(shuō)，木材加工中的氣體壓力為0.4～2 Mpa bar[24-25]。

3.2 材料性質(zhì)

3.2.1 含水率

很多學(xué)者已經(jīng)證實(shí)工件含水率的增大會(huì)降低達(dá)到要求所需的進(jìn)給速度[26]。含水率的變化主要是通過(guò)改變工件熱導(dǎo)率來(lái)影響進(jìn)給速度。含水率增大工件材料的熱導(dǎo)率就會(huì)變大，以至于能量會(huì)更快地?cái)U(kuò)散。除此以外，工件中水分的沸騰和蒸發(fā)需要消耗大量能量。因此，在切割厚度相同的條件下，高含水率工件所需的進(jìn)給速度往往會(huì)比含水率低的小，以增加工件吸收的能量總量。

3.2.2 密度

工件密度的增大會(huì)引起進(jìn)給速度的減小。工件材料密度的增加會(huì)使激光燃燒一定體積切縫材料所需要的能量增加，因此需要降低進(jìn)給速度。激光束在切割木材過(guò)程中若遇到密度不一致的木材時(shí)，例如結(jié)子，那么在密度較大的結(jié)子切縫處所產(chǎn)生的溫度梯度會(huì)變大，從而導(dǎo)致切縫寬度突然變窄。

3.2.3 厚度

工件厚度是引起進(jìn)給速度變化最直接的因素，因?yàn)楣ぜ暮穸戎苯記Q定了材料的去除總量。工件厚度越大所需的進(jìn)給速度越低[27]，這個(gè)觀點(diǎn)已被很多學(xué)者所證實(shí)。

3.3 激光束的特性

3.3.1 光束的橫模

激光的橫模是指激光橫截面上的光強(qiáng)分布，其結(jié)構(gòu)決定了光能量在三維空間中的分布，激光束分布的特性決定了激光的加工性能。大多數(shù)用于切割木質(zhì)復(fù)合材料的激光器設(shè)計(jì)成產(chǎn)生Gaussian或近似于Gaussian的能量分布(TEM00)。Gaussian能量分布曲線呈現(xiàn)一個(gè)尖削的波峰，在光斑的中心，能量密度顯著地高于平均能量，因此這種模式的光束能形成切割所需的最小尺寸焦點(diǎn)以及產(chǎn)生很高的能量密度。利用Gaussian能量分布的激光束進(jìn)行加工，可獲得切縫壁光滑、熱影響區(qū)小且切縫窄的結(jié)果。

3.3.2 焦距

焦距為焦點(diǎn)位置到透鏡的距離。焦距的長(zhǎng)度影響光斑直徑的大小。對(duì)于一定輸出功率的激光器，釋能密度由光斑直徑大小決定。通過(guò)式(2)可以得出光斑的直徑：

(2)

式中：?為光斑的直徑(μm)；f為透鏡的焦距(mm)；λ為激光的波長(zhǎng)(μm)；M2為激光束的傳播系數(shù)；D為激光束的入射直徑(mm)。

短焦距的透鏡可以產(chǎn)生能量更加聚集且直徑更小的光斑，而光斑直徑和產(chǎn)生的切縫寬度有關(guān)，短焦距透鏡可以產(chǎn)生更窄的切縫。但透鏡焦距不能太短，因?yàn)楫?dāng)透鏡焦距小于50 mm時(shí)透鏡很容易遭到損害。研究表明，在木材加工行業(yè)中，最理想的焦距為75～150 mm。

3.3.3 焦深

焦深為激光束匯聚點(diǎn)到激光束分散點(diǎn)之間的距離。焦深約為光斑直徑的1.4倍，焦深可以由式(3)計(jì)算得出：

(3)

式中：DOF為焦深(μm)；λ為激光的波長(zhǎng)(μm)；f為焦距長(zhǎng)度(mm)；D為透鏡里的激光束直徑(mm)。

從式(3)可以看出，焦深與波長(zhǎng)及焦距的長(zhǎng)度有關(guān)。曾有學(xué)者指出，當(dāng)切割較厚的工件時(shí)，應(yīng)該使用較長(zhǎng)焦距的透鏡，因?yàn)檩^長(zhǎng)的焦距所產(chǎn)生的焦深會(huì)更深。但較長(zhǎng)的焦距需要較寬的透鏡來(lái)把激光束聚焦成一個(gè)焦點(diǎn)，這大大增加了成本。

3.3.4 焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)位置是指焦點(diǎn)相對(duì)于工件表面的位置：①位于工件表面上方；②位于工件表面；③位于工件表面下方。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件上方時(shí)，激光束能量向四周發(fā)散從而造成工件表面能量密度降低，切縫寬度也隨之變大且加工面也會(huì)出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件表面時(shí)，光斑能量高度集中，工件表面的能量密度達(dá)到最大，但能量密度隨切割深度的增加而減小。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件下方時(shí)，能量的分布比較均勻且可以切透厚度更大的工件。在這種情況下切割時(shí)，相對(duì)于其他兩種情況，其產(chǎn)生的切縫寬度更窄更均勻且加工表面更光滑，碳化程度也更小。對(duì)于薄材料的加工，焦點(diǎn)位置相對(duì)來(lái)說(shuō)不重要。

4 展望

一個(gè)國(guó)家加工制造技術(shù)的先進(jìn)程度間接代表著其經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，先進(jìn)的加工制造技術(shù)能為人類社會(huì)創(chuàng)造出大量物質(zhì)財(cái)富。激光加工技術(shù)作為先進(jìn)加工技術(shù)的代表之一，正受到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。激光切割以其無(wú)刀具磨損、生產(chǎn)清潔安全、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)在木材加工行業(yè)中顯現(xiàn)出獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際的切割過(guò)程極其復(fù)雜，因?yàn)橛绊懬懈钚Ч囊蛩胤倍嗲乙蛩亻g存在著交互作用。若參數(shù)選擇不當(dāng)或設(shè)備調(diào)試不合理，則會(huì)大大影響切割效果，而且加工中所產(chǎn)生的碳化現(xiàn)象還有待解決。為此，仍需要對(duì)激光切割木質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行科學(xué)的系統(tǒng)研究。