木质材料激光雕刻技术研究

郑世钦

摘要：鉴于传统机械切割的缺点，激光切割雕刻技术凭借其加工精度高、质量可靠、高效率、节能环保、无噪声等特点成功应用于木质材料的雕刻中。文章在分析激光切割原理、特点的基础上，重点分激光雕刻技术在木质材料雕刻中的机理、特点以及影响因素，以期为木质材料激光雕刻提供可行性建议。

关键词：木质材料，激光雕刻，切割机理

1 激光加工技术的原理及特点

激光加工技术是将激光在待加工的金属材料表面进行汇聚，从而产生很高的温度，对将待加工的金属材料进行熔化、重铸等操作，以达到加工材料的目的。与传统加工工艺相比，激光加工技术主要具有以下几点优势。

（1）工艺集成化程度较高

在传统金属加工工艺中，每台机床都具有各自的功能，如抱床、铣床、磨床等等，每一台机床负责自己的工序，因此在传统金属加工工艺中会将各个机床进行组合形成统一的流水作业。而在激光加工工艺引入后，一台机床能够实现不同的工序，利用激光加工技术的优势，能够同时实现材料的切割、打孔、表面的处理等工作;此外，在同一个机床上，各个工序可以互不干扰，同步进行。利用激光加工技术的高工艺集成化的优势，能够实现多个工序同时、高效的进行。

（2）工作效率较高且加工质量好

与传统的金属材料加工工艺相比，由于激光高能量密度的特性，使得其无论在切割、打孔还是表面处理过程中都能够快速的进行，因此，激光加工技术的工作效率非常的高，通常为普通工艺的数十倍甚至成千上万倍。如激光焊接工艺是普通焊接工艺效率的25倍，若将激光加工工艺应用于打孔工序上，则可以使传统的打孔作业效率提高近40000倍，以上数字足以看出激光加工技术在金属材料加工中的高效性。

此外，除了具备工作效率高的优势之外，在利用激光加工技术对金属材料进行加工时，由于避免了传统加工过程中的接触加工的方式，因此，采用激光加工技术加工出的金属产品具有更高的质量。

（3）具有非常高的适应性

在传统的加工工艺中，由于技术参数、原材料性质等原因，一种加工工艺仅能适应一种或者几种行业。但是，激光加工技术具有很强的适应能力，这是其优势所在。激光凭借其高能量密度的优势，能够将各种高强度、高熔点甚至高硬度的材料方便有效的加工，因此，激光加工工艺能够以很强的适应性应用于各行各业。

（4）具有较高的经济性

鉴于激光加工技术的以上特点，在实际生产过程中，不仅能够提高加工效率与质量，同时能够很好的节省机床的空间，最终实现一定的经济效益。具体来分析，如打孔工艺中，采用激光加工技术能够比传统工艺节约近50%的成本。

2 激光切割木质材料的机理及特点

2.1激光切割木质材料的机理

通常，木材切割的机制有两大类，分别是燃烧以及瞬时蒸发。而木材激光切割的关键在于激光的功率密度大小以及照度的强弱，在激光照射木材的瞬间，如果激光的功率密度能够达到使木材汽化的程度，那么在木材表面就能够形成切缝。在木材的切割过程中，如果切割速度较快，使得热量传输不到未切割的木材处，那么切割的表面就不会留下碳化后的痕迹，反之，如果切割速度较慢，那么就会在未加工木材处留下碳化的痕迹，导致木材表面出现暗淡。此外，如果激光的功率密度不足以达到汽化木材的要求，那么残留的木材必须借助辅助气体吹离切缝，导致激光切割效果不理想。

在激光加工木材的过程中，在蒸发的过程中始终伴随着燃烧过程，高的激光功率密度能够保证蒸发过程得顺利进行。然而，在实际激光照射过程中，激光的功率密度会受到激光设备的输出功率以及光束模式的影响，因此在激光加工木材的过程总，总有功率密度低于蒸发所需能量的部位，换言之木材激光加工过程的碳化是在所难免的。除此之外，在蒸发过程中，还会形成易燃的气体、水蒸气以及未蒸发掉的焦炭，这些物质的进一步燃烧会产生更多的热量进而促进激光加工的过程。

2.2激光切割木质材料的特点

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热能，将木材在一个很短的时间里完成热分解和碳化。激光加工木材主要分为两大类，第一为切削，第二类则是本文所研究的雕刻、成型以及纹理加工等。激光加工是非接触式加工方法，与传统加工方法相比具有下列优点：

（1）切缝很窄，节省木材。在切割厚为25.4mm的南方松板材时，激光切割仅有0.3mm的切缝，而传统的锯切具有2.5mm的锯路。

（2）无木屑降低环境污染。

（3）便于加工复杂形状的零件和盲切割。因而在木制品上雕刻、木模制作、图案镶嵌等方面具有传统方法不可比拟的优越性。

（4）光束无惯性，可实现高速切割可在任何位置开始和停止切割。

（5）能实现多工位操作，便于实现数控自动化。

（6）无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具。

（7）虽然切割表面颜色较深，但表面光洁度比锯切好，并且切缝平直，不存在跑锯现象。

（8）切割噪声很低，不形成噪声污染。鉴于激光工具的特殊结构，使得激光加工的光斑直径相对较小，通常仅有0.1-0.5mm。焦斑通常位于代加工木材的表面，用来将材料进行熔化或者汽化。与此同时，切割过程会有气流在切割头喷出，目的是将汽化后的木材从切槽中吹出。由于加工直径小，使得整个过程几乎没有噪声，不会形成噪声污染。

3 影响激光雕刻木材的因素分析

虽然激光切割在木材加工中的优势明显，但是其在加工中存在进给速度低、切割面变色、能量效率低等缺点，鉴于此，文章试图探究影响激光雕刻木材的影响因素，以期为木材产品质量的提高提供可行性建议。

3.1速度对激光雕刻的影响

通常，速度会影响木质雕刻时的切槽深度、宽度以及碳化层的厚度。随着速度的增加，切槽的深度将会逐渐变小，而速度与切槽宽度呈现出正相关的关系，而速度的增加会使得碳化层厚度的减低，因此把控激光雕刻时的速度对于木质材料雕刻有着十分重要的意义。

3.2电流对激光雕刻的影响

相比于激光的速度，电流会对木质材料雕刻时切槽的质量有着更加明显的影响，通常，激光的速度会与各参数呈现线性关系，而电流对于切槽的参数的影响会呈现出二次曲线关系，随着电流的增大，切槽的宽度、碳化层的厚度明显增大。结合激光雕刻木材的经验来看，在雕刻木材时所选择的电流不要超过18mA，这样才能保证所雕刻木材的色度和切槽的尺寸参数。

3.3激光束焦距对激光雕刻的影响

在上述三个影响因素中，激光束的焦距对于木质材料雕刻质量的影响最大。随着焦距与加工木材表面的远离，切槽的深度变化十分明显，而对于宽度的影响次之，其次是碳化层的影响。而激光束的焦距对不同加工木材的影响尤为突出，对于三倍体白毛杨，通常焦距为2-5mm为宜，对于樟子松，焦距应当不超过3mm，落叶松在2-3mm之间，桦木通常在5mm左右，根据不同的木材选择不同的焦距才能实现更高质量的雕刻。

4 结论与建议

随着木制工艺品市场需求的不断增加，人们对于个性化、高精度的木质工艺品的追求越来越多，传统雕刻工艺已经无法满足木制工艺品的精度、生产速度的要求，因此，激光雕刻技术在木质材料雕刻中占据了批量生产、高速度生产等优势，能够为商家带来较好的经济效益。文章对于木质材料激光雕刻技术的研究，不仅能够为木制工艺品的设计、生产提供很好的理論借鉴价值，同时能够有效的推动激光雕刻技术的发展，为木制工艺品领域、激光加工领域做出一定的贡献。

5 参考文献

[1]汪玉琪. 激光雕刻技术在木质工艺品制作中的应用[J]. 机械管理开发， 2020， v.35;No.203（03）：134-136.

[2] 任萌萌， 倪晓昌， 王宣，等. 基于CO2激光加工机的木材雕刻工艺参数研究[J]. 天津职业技术师范大学学报， 2012（04）：21-24.

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四川轻化工大学 643002