紅松水導(dǎo)納秒激光燒蝕機(jī)制及加工試驗*

楊春梅 蔣 婷 劉九慶 馬 巖 繆 騫 于文吉,2

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150040； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091)

激光加工是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔和微加工等的一門加工技術(shù)(Lorenzetal.， 2015； Gobetetal.， 2010； Arifetal.， 2014； 崔承云等， 2014)。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光加工技術(shù)具有無噪聲、速度快、無機(jī)械加工變形、切縫窄、容易實現(xiàn)微細(xì)加工等優(yōu)點(李靈等， 2008； Roddenetal.， 2001； Porteretal.， 2007； Mullicketal.， 2016)，已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染以及減少材料消耗等起到了重要作用(官邦貴等， 2010)。

隨著激光加工技術(shù)不斷發(fā)展，激光可加工的材料種類逐漸增多，如金屬、陶瓷及其相應(yīng)的復(fù)合材料等(陳春映等， 2014； Pablos-Martínetal.， 2017； Krayetal.， 2007； Hernandez-Castanedaetal.， 2010)。在木材科學(xué)領(lǐng)域，激光加工技術(shù)廣泛用于木材切割和木材雕刻(Barcikowskietal.， 2006)，研究主要集中在木材納秒激光加工設(shè)備的搭建、基于有限元方法對木材納秒激光加工過程的木材表面溫度場進(jìn)行分析、通過木材納秒激光加工試驗探討不同工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響等方面(馬巖等， 2017； 楊春梅等， 2017； Guoetal.， 2016； 吳哲等， 2015)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在激光切割木材時，由于木材汽化的同時產(chǎn)生蒸汽和殘留物，會影響切縫的表面質(zhì)量。水導(dǎo)激光加工技術(shù)是將激光技術(shù)與水射流冷卻技術(shù)相結(jié)合，利用水流帶走加工中工件表面多余的熱量和殘渣，克服了傳統(tǒng)激光加工存在的一些問題(Adelmannetal., 2015)。鑒于此，本研究以自行搭建的水導(dǎo)納秒激光試驗臺為基礎(chǔ)，分析水導(dǎo)納秒激光對木材表面的燒蝕機(jī)制，并以紅松(Pinuskoraiensis)為材料進(jìn)行水導(dǎo)納秒激光加工切割試驗，探討有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下激光功率、切割速度對切縫寬度的影響，剖析木材切縫表面質(zhì)量的影響因素，建立多元線性回歸預(yù)測模型，以期為納秒激光加工木材切縫寬度的預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 水導(dǎo)納秒激光加工技術(shù)及燒蝕機(jī)制

水導(dǎo)納秒激光加工木材原理如圖1所示。首先利用專用夾具將被加工木材固定在工作臺上，操作控制進(jìn)給系統(tǒng)，將激光器移動到待加工區(qū)域，然后打開水泵電源開關(guān)，水泵中的水流通過噴嘴噴射到木材表面上，同時打開激光器開關(guān)，激光束從激光器射出輻射到木材表面加工區(qū)域，最終獲得一定幾何形狀的木材制件(圖1a)。水導(dǎo)納秒激光耦合系統(tǒng)如圖1b所示，其中，水射流主要是利用水流在木材待加工區(qū)域形成屏蔽水環(huán)，水流帶走激光束加工時的余溫，有效減少激光束熱影響區(qū)范圍，保護(hù)加工區(qū)域外木材不被燒蝕，為提高水導(dǎo)納秒激光加工木材制件尺寸精度和表面質(zhì)量提供保障。

水射流與納秒激光耦合加工木材燒蝕機(jī)制如圖2所示。在水射流與納秒激光耦合加工過程中，具有高能量密度的激光束(集中的能量流)快速集中作用在木材表面加工區(qū)域，木材細(xì)胞內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)，細(xì)胞失去活性裂解，形成一個個空胞管，被照射區(qū)域內(nèi)的材料瞬間燃燒甚至汽化，沖擊點周圍產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力梯度，同時伴隨著基體材料的局部膨脹和收縮，使得沖擊點周圍產(chǎn)生殘余應(yīng)力而導(dǎo)致微裂紋。木材燃點較低，被照射區(qū)域總會有部分激光能量密度低于汽化所需能量密度，加工區(qū)受熱燃燒后出現(xiàn)碳渣、水蒸氣和廢氣，導(dǎo)致脈沖加工區(qū)有發(fā)黑和釉化現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為木材炭化，會影響木材切割表面質(zhì)量(Yangetal.， 2016)。而水射流的冷卻作用不僅可以減小熱影響區(qū)域和微裂紋，還能使木材燃燒產(chǎn)生的廢氣沉降，同時水射流沖擊作用也能有效帶走木材燃燒后殘留的碳渣，提高木材水射流與納秒激光耦合加工質(zhì)量。

圖1 水導(dǎo)納秒激光加工木材原理

圖2 木材水導(dǎo)納秒激光加工燒蝕機(jī)制

2 水導(dǎo)納秒激光加工試驗

以針葉材紅松為試驗材料，氣干密度為0.45 g·cm-3，含水率為12.32%。將紅松加工成尺寸相同、厚度均勻的型材，規(guī)格為150 mm(長)×20 mm(寬)×2 mm(厚)。利用自行搭建的水導(dǎo)納秒激光加工設(shè)備進(jìn)行試驗，該設(shè)備主要由納秒激光系統(tǒng)、水導(dǎo)輔助系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)組成。納秒激光系統(tǒng)采用JDW3-250型激光電源、PH-LW06-BLP型激光冷水機(jī)、Nd: YAG型激光器，脈沖頻率1～10 Hz，脈寬20 ns，激光波長1 064 nm，聚焦透鏡焦距100 mm，聚焦激光光斑直徑0.05 mm； 水導(dǎo)輔助系統(tǒng)為環(huán)形噴嘴結(jié)構(gòu)，可對其噴射角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制水環(huán)范圍； 進(jìn)給系統(tǒng)由導(dǎo)軌滑塊副、螺旋傳動副和安裝架組成，通過導(dǎo)軌滑塊副、螺旋傳動副實現(xiàn)機(jī)構(gòu)X、Y和Z軸方向上的運動。運用光學(xué)顯微鏡測量切縫寬度，測量3次后取平均值。應(yīng)用荷蘭惠普公司生產(chǎn)的FEI Quanta200電子掃描顯微鏡對不同工藝參數(shù)下經(jīng)表面噴金處理的紅松納秒激光加工斷面進(jìn)行掃描，獲得紅松納秒激光加工斷面的微觀形貌。

在有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下紅松納秒激光加工對比試驗中，將水導(dǎo)系統(tǒng)水流各參數(shù)設(shè)為定值，其中水流量為8 m3·h-1，可調(diào)節(jié)噴嘴處水流壓力為0.13 MPa，環(huán)形噴嘴噴出的水流速度為5.75 m·s-1。采用垂直于紅松紋理方向的加工方式，通過不同激光功率和切割速度對有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下厚度為2 mm的紅松進(jìn)行納秒激光加工試驗，工藝參數(shù)如表1所示。

表1 水導(dǎo)納秒激光加工工藝參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下激光功率和切割速度對切縫寬度的影響 對有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下不同激光功率和切割速度的紅松表面切縫寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得切縫寬度隨激光功率和切割速度的變化趨勢，如圖3所示。

由圖3可知，有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下，紅松表面切縫寬度隨激光功率和切割速度的變化規(guī)律基本一致。當(dāng)切割速度不變時，切縫寬度隨激光功率增加而增大，其原因主要是激光功率較小時，激光在紅松表面聚集的熱量較少，其能夠燃燒并升華的紅松量較少，去除的紅松質(zhì)量也相對較少，因此切縫寬度較小。隨激光功率増加，激光在紅松表面聚集的熱量增多，表面溫度迅速上升直至汽化形成切縫，從而使切縫處消耗的紅松量増多，切縫寬度隨之增大。當(dāng)激光功率不變時，切縫寬度隨切割速度增加而減小，其原因主要是當(dāng)切割速度較低時，在切縫處激光束與紅松相互作用時間較長，紅松在激光作用下產(chǎn)生的熱量聚集效果嚴(yán)重，熱影響區(qū)深度増大，切縫較寬。隨切割速度增加，激光束單位時間內(nèi)作用在紅松上的能量減少，切縫寬度相應(yīng)減小。由圖3還可以看出，當(dāng)切割速度為50 mm·s-1、激光功率為6 W時，無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下的最小切縫寬度為0.53 mm，有水導(dǎo)系統(tǒng)參與下的最小切縫寬度為0.31 mm，有水導(dǎo)系統(tǒng)參與下的切縫寬度小、尺寸精度高。這是因為有水流的屏蔽，激光束產(chǎn)生的高溫會瞬間氣化水流，隨水流蒸發(fā)可帶走激光束的加工余溫，減小熱影響區(qū)范圍，同時水流的不斷流動還可以清理殘留在切縫表面的碳渣，因此其最小切縫寬度小于無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下的最小切縫寬度。

3.2 紅松切縫表面微觀形貌表征 應(yīng)用電子掃描顯微鏡對有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下切縫寬度最小時的紅松切縫表面進(jìn)行觀察，其橫切面的微觀形貌如圖4所示。無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下，紅松切縫表面以及管胞內(nèi)壁留有殘渣，平滑度低，甚至有管胞壁產(chǎn)生裂痕，表面粗糙(圖4a)； 有水導(dǎo)系統(tǒng)參與下，紅松切縫表面以及管胞內(nèi)壁清晰，幾乎沒有殘留物，表面平滑，表面質(zhì)量良好(圖4b)。分析其原因是水流冷卻作用可帶走因紅松汽化產(chǎn)生的蒸汽，汽化產(chǎn)生的固體微粒也被沉降，同時水流的沖擊作用能夠沖走殘留在切縫表面的殘留物，故有水導(dǎo)系統(tǒng)參與比無水導(dǎo)系統(tǒng)參與紅松切縫表面質(zhì)量好。

3.3 多元線性回歸分析 1) 工藝參數(shù)對切縫寬度的顯著性分析 在木材水導(dǎo)納秒激光微細(xì)加工過程中，析因設(shè)計因子及水平設(shè)定如表2所示，結(jié)果如表3所示。

圖3 不同激光功率和切割速度下紅松表面切縫寬度的變化趨勢

圖4 切縫寬度最小時紅松切縫表面微觀形貌

表2 3×2×2析因設(shè)計的因素及水平設(shè)定

表3 工藝參數(shù)對切縫寬度的析因試驗結(jié)果

對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，初步確定對木材表面切縫寬度具有主要影響的因子。由表4可知，A×C(F=2.886，Sig.=0.075>α=0.05)、B×C(F=2.367，Sig.=0.137>α=0.05)、A×B×C(F=1.062，Sig.=0.362>α=0.05)對木材表面切縫寬度的影響不顯著，為使計算簡便，在下一步操作中可不予考慮； 其他因子的主效應(yīng)均具統(tǒng)計學(xué)意義，被認(rèn)為是對木材表面切縫寬度具有主要影響的因子。

2) 多元線性回歸預(yù)測模型的建立 對木材水導(dǎo)納秒激光加工析因設(shè)計試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，激光功率、切割速度、水流速度及水流速度和激光功率交互作用對切縫寬度具有顯著影響，因此可進(jìn)一步明確工藝參數(shù)和切縫寬度的關(guān)系。利用IBM SPSS Statistics 23采用進(jìn)入法進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸系數(shù)(R2)為0.996，說明激光功率、切割速度、水流速度及水流速度和激光功率交互作用與切縫寬度間存在顯著線性關(guān)系，回歸模型具有較高的可靠性。對回歸模型進(jìn)行檢驗，得到DW為1.806，非常接近2，可基本確定殘差間相互獨立，不存在自相關(guān)； VIF均小于10，說明自變量間不存在多重共線性。通過分析獲得標(biāo)準(zhǔn)化殘差直方圖、正態(tài)概率分布圖(P-P圖)和散點圖，如圖5所示。由圖5a、b可以看出，就自變量的任何一個線性組合而言，因變量均服從正態(tài)分布，即殘差服從正態(tài)分布。由圖5c可以看出，各散點均隨機(jī)散亂分布在以e=0為中心的地帶，說明該模型是適合的。

表4 工藝參數(shù)對切縫寬度的方差分析結(jié)果

工藝參數(shù)與切縫寬度間的顯著性如表5所示。激光功率、切割速度、水流速度及水流速度和激光功率交互作用的Sig.均小于0.05，說明激光功率、切割速度、水流速度及水流速度和激光功率相互作用對切縫寬度影響較為顯著。激光功率的非標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)大于0，激光功率與切縫寬度呈正相關(guān)，切割速度、水流速度及水流速度和激光功率相互作用的非標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)小于0，切割速度、水流速度及水流速度和激光功率相互作用與切縫寬度呈負(fù)相關(guān)，激光功率、水流速度、切割速度及水流速度和激光功率交互作用與切割速度的回歸系數(shù)絕對值由大到小排序為0.026>|-0.012|>|-0.01|>|-0.002|，因此工藝參數(shù)對切縫寬度影響程度由大到小排序依次為激光功率、水流速度、切割速度、水流速度和激光功率交互作用，激光功率對木材表面切縫寬度的影響程度最大，水流速度和激光功率交互作用對木材切縫寬度的影響程度最小。

由表5可知木材表面切縫寬度多元線性回歸預(yù)測方程各自變量的系數(shù)，通過自變量系數(shù)可建立基于水導(dǎo)納秒激光加工工藝參數(shù)下切縫寬度的多元線性回歸模型：

W=0.852-0.012A+0.026B-0.01C-0.002AB。

(1)

式中：W為切縫寬度(mm)；A為水流速度(m·s-1)；B為激光功率(W)；C為切割速度(mm·s-1)。

回歸系數(shù)(R2)為0.996，說明該多元線性預(yù)測模型可解釋絕大多數(shù)測試樣本，具有較高擬合度，可為納秒激光加工切縫寬度預(yù)測提供較好依據(jù)。

將式(1)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的線性回歸方程為：

y=0.852-0.012x1+0.026x2-0.01x3-0.002x1x2。

(2)

3) 多元線性回歸預(yù)測模型的驗證 通過對紅松進(jìn)行水導(dǎo)納秒激光加工，獲得紅松表面切縫寬度試驗數(shù)據(jù)并將其與預(yù)測的切縫寬度進(jìn)行對比，進(jìn)而對所建立多元線性回歸模型的切縫寬度預(yù)測精度進(jìn)行檢驗。在水導(dǎo)激光加工工藝參數(shù)中隨機(jī)選取5個檢驗樣本，將水導(dǎo)激光加工工藝參數(shù)代入預(yù)測模型(2)，可以獲得相應(yīng)工藝參數(shù)加工下切縫寬度的模型預(yù)測值。

圖5 多元線性回歸分析標(biāo)準(zhǔn)化殘差分析

表5 多元回歸系數(shù)因子顯著性

檢驗樣本的激光加工工藝參數(shù)及其加工獲得的切縫寬度實測值與模型預(yù)測值的比較結(jié)果如表6所示。由表6可知，水導(dǎo)納秒激光加工的紅松表面切縫寬度預(yù)測值誤差均在±7.0%范圍內(nèi)，且平均預(yù)測誤差為4.02%，表明該切縫寬度多元線性回歸預(yù)測模型具有較高的預(yù)測精度，能夠較好描述水導(dǎo)納秒激光加工工藝參數(shù)對紅松表面切縫寬度的影響。

表6 實測切縫寬度與模型預(yù)測值的對比

4 結(jié)論

1) 有無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下，當(dāng)切割速度一定時，切縫寬度隨激光功率增加而增大，當(dāng)激光功率一定時，切縫寬度隨切割速度增加而減??； 當(dāng)切割速度為50 mm·s-1、激光功率為6 W時，有水導(dǎo)系統(tǒng)參與下獲得切縫寬度比無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下獲得切縫寬度小且可達(dá)到0.31 mm。

2) 切縫表面微觀形貌表征顯示，無水導(dǎo)系統(tǒng)參與下紅松管胞內(nèi)壁留有殘留物，平滑度低，表面粗糙； 有水導(dǎo)系統(tǒng)參與下紅松管胞內(nèi)壁清晰，幾乎沒有殘留物，表面平滑，表面質(zhì)量良好。

3) 多元線性回歸分析表明，激光功率是切縫寬度的主要影響因素，切割速度次之。由多元線性回歸得到紅松切縫寬度的預(yù)測模型，并對其進(jìn)行驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切縫寬度多元線性回歸預(yù)測模型具有較高的預(yù)測精度，可為水導(dǎo)納秒激光加工紅松切縫寬度的預(yù)測提供理論依據(jù)。