木質(zhì)材料激光雕刻技術(shù)研究

鄭世欽

摘要：鑒于傳統(tǒng)機械切割的缺點，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、無噪聲等特點成功應(yīng)用于木質(zhì)材料的雕刻中。文章在分析激光切割原理、特點的基礎(chǔ)上，重點分激光雕刻技術(shù)在木質(zhì)材料雕刻中的機理、特點以及影響因素，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，切割機理

1 激光加工技術(shù)的原理及特點

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)主要具有以下幾點優(yōu)勢。

（1）工藝集成化程度較高

在傳統(tǒng)金屬加工工藝中，每臺機床都具有各自的功能，如抱床、銑床、磨床等等，每一臺機床負(fù)責(zé)自己的工序，因此在傳統(tǒng)金屬加工工藝中會將各個機床進(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，一臺機床能夠?qū)崿F(xiàn)不同的工序，利用激光加工技術(shù)的優(yōu)勢，能夠同時實現(xiàn)材料的切割、打孔、表面的處理等工作;此外，在同一個機床上，各個工序可以互不干擾，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，能夠?qū)崿F(xiàn)多個工序同時、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，使得其無論在切割、打孔還是表面處理過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)勢之外，在利用激光加工技術(shù)對金屬材料進(jìn)行加工時，由于避免了傳統(tǒng)加工過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)具有很強的適應(yīng)能力，這是其優(yōu)勢所在。激光憑借其高能量密度的優(yōu)勢，能夠?qū)⒏鞣N高強度、高熔點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的適應(yīng)性應(yīng)用于各行各業(yè)。

（4）具有較高的經(jīng)濟性

鑒于激光加工技術(shù)的以上特點，在實際生產(chǎn)過程中，不僅能夠提高加工效率與質(zhì)量，同時能夠很好的節(jié)省機床的空間，最終實現(xiàn)一定的經(jīng)濟效益。具體來分析，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)材料的機理及特點

2.1激光切割木質(zhì)材料的機理

通常，木材切割的機制有兩大類，分別是燃燒以及瞬時蒸發(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留下碳化后的痕跡，反之，如果切割速度較慢，那么就會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程中，在蒸發(fā)的過程中始終伴隨著燃燒過程，高的激光功率密度能夠保證蒸發(fā)過程得順利進(jìn)行。然而，在實際激光照射過程中，激光的功率密度會受到激光設(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程的碳化是在所難免的。除此之外，在蒸發(fā)過程中，還會形成易燃的氣體、水蒸氣以及未蒸發(fā)掉的焦炭，這些物質(zhì)的進(jìn)一步燃燒會產(chǎn)生更多的熱量進(jìn)而促進(jìn)激光加工的過程。

2.2激光切割木質(zhì)材料的特點

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，將木材在一個很短的時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：

（1）切縫很窄，節(jié)省木材。在切割厚為25.4mm的南方松板材時，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）光束無慣性，可實現(xiàn)高速切割可在任何位置開始和停止切割。

（5）能實現(xiàn)多工位操作，便于實現(xiàn)數(shù)控自動化。

（6）無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，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，用來將材料進(jìn)行熔化或者汽化。與此同時，切割過程會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，使得整個過程幾乎沒有噪聲，不會形成噪聲污染。

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，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速度對激光雕刻的影響

通常，速度會影響木質(zhì)雕刻時的切槽深度、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，而速度的增加會使得碳化層厚度的減低，因此把控激光雕刻時的速度對于木質(zhì)材料雕刻有著十分重要的意義。

3.2電流對激光雕刻的影響

相比于激光的速度，電流會對木質(zhì)材料雕刻時切槽的質(zhì)量有著更加明顯的影響，通常，激光的速度會與各參數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，而電流對于切槽的參數(shù)的影響會呈現(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)驗來看，在雕刻木材時所選擇的電流不要超過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激光束焦距對激光雕刻的影響

在上述三個影響因素中，激光束的焦距對于木質(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。而激光束的焦距對不同加工木材的影響尤為突出，對于三倍體白毛楊，通常焦距為2-5mm為宜，對于樟子松，焦距應(yīng)當(dāng)不超過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需求的不斷增加，人們對于個性化、高精度的木質(zhì)工藝品的追求越來越多，傳統(tǒng)雕刻工藝已經(jīng)無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，能夠為商家?guī)磔^好的經(jīng)濟效益。文章對于木質(zhì)材料激光雕刻技術(shù)的研究，不僅能夠為木制工藝品的設(shè)計、生產(chǎn)提供很好的理論借鑒價值，同時能夠有效的推動激光雕刻技術(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， 2012（04）：21-24.

[3] [1]任萌萌， 倪曉昌， 王宣，等. 基于CO2激光加工機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， 2012（04）：21-24.

四川輕化工大學(xué) 643002