納秒脈沖激光燒蝕胡桃楸木的微觀形貌分析?

吳 哲 趙 帥 張 楊 徐圣倫 馬 巖 霍劍鋒

（1. 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

木材具有質(zhì)量輕、易于加工、強(qiáng)度較高、紋理美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制作家具和室內(nèi)裝修等[1-4]。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)木質(zhì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求愈來(lái)愈高，這就對(duì)木材的加工質(zhì)量提出了更高要求。銑削加工是傳統(tǒng)的木材表面加工工藝，銑削后木材表面仍具有一定的粗糙度。粗糙度包括因刀刃和刃磨表面的不平整而在加工表面留下的刀痕；由刀具切削的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)波紋；加工表面木纖維被撕裂、崩掉、劈裂、搓起等引起的毛刺等[5-8]。鑒于銑削加工的局限性，近年來(lái)一些新的加工方式逐漸受到關(guān)注，納秒脈沖激光技術(shù)就是其中的一種。

納秒脈沖激光加工是一種新型的加工方法，是作用于微納米層面的一種木纖維加工方式。其主要原理為：通過(guò)納秒激光對(duì)木材表面的細(xì)胞壁進(jìn)行加熱爆破，激光的能量促使纖維絲崩裂，然后納秒激光束沿著纖維生長(zhǎng)方向切削纖維絲，如此可得到微納米級(jí)別的木纖維，因而通過(guò)納秒脈沖激光燒蝕的木材可以獲得更好的加工表面。該方法突破了木材物理加工的瓶頸，不僅克服了刀具切削加工過(guò)程中對(duì)刀尖半徑的限制，還解決了切削加工的高能耗問(wèn)題，同時(shí)也避免了化學(xué)加工對(duì)環(huán)境造成的污染[9-11]。

本文以胡桃楸為研究對(duì)象，對(duì)橫紋、順紋和逆紋不同方向銑削加工后的試件進(jìn)行納秒脈沖激光燒蝕，利用掃描電鏡對(duì)木材表面微觀形貌進(jìn)行觀察分析，對(duì)比不同加工表面毛刺的物理性狀，總結(jié)適合胡桃楸的表面加工方法，旨在為木材表面加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

胡桃楸木（Juglans mandshurica）心材，試件尺寸：200 mm×150 mm×20 mm，含水率：6%～8%,由榮森科技有限公司提供[12]。

1.2 設(shè)備

立式木工銑床，型號(hào)MX5112W，牡丹江木工機(jī)械有限責(zé)任公司；激光燒蝕試驗(yàn)臺(tái)為自行設(shè)計(jì)組裝，由電源、冷卻系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、激光器、控制系統(tǒng)、觀察對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、氣體噴射裝置，以及試驗(yàn)臺(tái)載體組成[7]。其中激光電源型號(hào)為JDW3-250，功率100 W；冷卻系統(tǒng)采用PH-LW06-BLP型激光冷水機(jī)；聚焦系統(tǒng)采用PWF-200 型聚光腔；激光器采用YAG型，單光束輸出6 J/532 nm，重頻5 Hz；聚焦系統(tǒng)組合光學(xué)鏡片由美國(guó)Semrock公司提供[13-14]。

圖1 激光燒蝕試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體Fig.1 Laser ablation test bench entity

1.3 試驗(yàn)方法

在加工過(guò)程中，首先分別沿著試件的橫紋、順紋和逆紋方向進(jìn)行銑削，通過(guò)電鏡觀察銑削后的表面性狀，并進(jìn)行對(duì)比分析[15]。試件在銑削后進(jìn)行激光燒蝕加工，在500 V激光電壓下以5 Hz頻率對(duì)不同試樣進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)，對(duì)于每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)燒蝕加工10 s。納秒激光加工木材分為兩個(gè)步驟：激光加熱破壞細(xì)胞組織和激光高溫切割木材纖維。第一步，納秒激光高溫加熱木材表面至一定溫度，細(xì)胞內(nèi)的液體會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象，細(xì)胞體積迅速膨脹數(shù)十倍，細(xì)胞壁承受不住巨大的壓力而破裂。當(dāng)木材表面的細(xì)胞破裂時(shí)，木纖維的尖端豎起，形成多個(gè)毛刺狀木質(zhì)纖維細(xì)絲。第二步，納秒激光對(duì)木材纖維進(jìn)行切割，激光束以一個(gè)較小的入射角度射入木材表面與毛刺內(nèi)部的連接處，通過(guò)調(diào)整能量反復(fù)切割，達(dá)到切斷纖維組織的效果[16]。因激光切割沿著纖維生長(zhǎng)方向，因此只會(huì)破壞纖維在接頭處和周?chē)M織的切向連接，使得木材在紋理方向連續(xù)撕裂形成較長(zhǎng)的木質(zhì)纖維而不是參差不齊的短小纖維[17]。

在激光切割過(guò)程中，切縫部分符合動(dòng)態(tài)的能量守恒，即輸入能量等于輸出能量：

式中：Eb為激光輸入的能量，kJ；Eg為切割木材消耗的能量， kJ；E1ose為切割過(guò)程中損失的能量， kJ[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 銑削方式對(duì)木材表面的影響

在銑削過(guò)程中，由于木材本身的構(gòu)造原因，銑削平面會(huì)有毛刺存在，銑削方式不同，毛刺表現(xiàn)形式也不同。圖2 所示為銑刀在木材橫紋方向上銑削加工后的木材表面。

從圖2a中可以看出，毛刺長(zhǎng)短不一，小部分毛刺呈切斷狀態(tài)，大部分毛刺呈拉斷狀態(tài)。圖中多數(shù)毛刺邊緣粗糙，倒伏方向各不相同，毛刺周?chē)€有很多切屑，而毛刺纖維受切削力影響形成了一定的分層現(xiàn)象。觀察圖2b可以發(fā)現(xiàn)，除毛刺之外，還有一些被平整切開(kāi)的樹(shù)脂道斷裂孔，生成的片狀加工面較為平整，所有管胞被橫向截?cái)啵抢硐氲亩嗣婕庸ばЧ?，但仍存在加工不徹底的現(xiàn)象，纖維呈撕裂狀破壞，呈現(xiàn)片狀或結(jié)狀的斷裂狀態(tài)，使切割表面較為粗糙。銑削后的橫斷面產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：刀刃與纖維方向呈平行狀態(tài)，切削速度垂直于纖維方向，纖維在受力后拉伸變形，隨著加工刀具的進(jìn)給，纖維承受的載荷增大，纖維承受載荷達(dá)到極限后，會(huì)發(fā)生斷裂，形成斷裂性毛刺[18-19]。

圖3所示為銑刀在木材順紋方向銑削加工的木材表面。在圖3a中清晰可見(jiàn)木材的纖維結(jié)構(gòu)，毛刺沿著纖維紋理方向倒伏，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，排列有序，形態(tài)一致，大多數(shù)毛刺長(zhǎng)度超過(guò)400 μm。木材纖維大多被整齊切斷，只有小部分毛刺是由拉斷形成的。銑刀在沿木材順紋方向加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生胞內(nèi)切削和胞外切削兩種加工形式：胞內(nèi)切削是刀刃將細(xì)胞從內(nèi)部剖開(kāi)，釋放出細(xì)胞內(nèi)部組織，而胞外切削是刀刃從細(xì)胞中間經(jīng)過(guò)，將細(xì)胞完整地切割開(kāi)。由圖3b可見(jiàn)木材本身的條狀纖維，在纖維中有被平整切開(kāi)的胞間道，纖維切口均十分光滑，在大致相同的截面中被截?cái)?。順紋切割時(shí)，刀刃沿著木材紋理方向切削，木材纖維對(duì)刀刃沒(méi)有太大的阻礙作用，纖維被拉斷或撕裂的過(guò)程阻力很小，因此木材表面不會(huì)形成太多不規(guī)則的毛刺，保證了銑削后的表面較為光滑[20-21]。

圖4所示為銑刀在木材逆紋方向銑削加工后的表面。逆紋銑削是加工木材表面最不平整的一種方式。逆紋銑削時(shí)，銑刀進(jìn)給方向與木紋方向相反，木材纖維受切削力作用，形成很多被拉斷的毛刺，因此加工的木材表面較為粗糙。

圖4a中毛刺數(shù)量極多，長(zhǎng)度均較短，不超過(guò)200 μm，分布十分集中，形成成群的小毛刺，毛刺的倒伏方向各不相同，雜亂無(wú)序。觀察圖4b可見(jiàn)，除了一根約200 μm的細(xì)長(zhǎng)毛刺外，均為50 μm左右的細(xì)小毛刺，毛刺沿各種方向倒伏，一些被切割開(kāi)的胞間道被短小毛刺所覆蓋。這是因?yàn)榧庸さ毒呦鄬?duì)走刀方向的不同，導(dǎo)致加工表面的纖維形態(tài)表現(xiàn)為不同的條形撕裂狀纖維，逆紋加工時(shí)，刀刃垂直于纖維方向，切削速度平行于纖維方向，但與纖維生長(zhǎng)方向相反，木材紋理會(huì)阻礙刀具前進(jìn)，刀具反作用于纖維，強(qiáng)行將纖維折斷、撕裂，因而使得加工后的表面纖維排列參差不齊[22-24]。

2.2 激光燒蝕對(duì)木材表面的影響

在銑削加工后的木材表面進(jìn)行納秒激光燒蝕加工，并觀察不同紋理的表面形態(tài)。圖5為激光燒蝕后的胡桃楸表面掃描電鏡照片。觀察可見(jiàn)，經(jīng)激光燒蝕后的木材表面平整度得到了很大改善，木材表面變得較為平整，木材表面纖維融化，細(xì)小的毛刺被去除，銑削加工形成的劃痕也被完全去除，形成了大面積的光滑平面，只剩下一些胞間道被斜截留下來(lái)的凹坑和木材本身缺陷形成的孔洞。但不同紋理的木材表面經(jīng)過(guò)激光燒蝕后呈現(xiàn)的微觀性狀又有所不同，其中順紋木材的加工效果最好。

圖5a為橫紋木材燒蝕后的圖片，表面質(zhì)量居中，除了一些被弦截面剖開(kāi)的胞間道，還有大量被橫向截?cái)嗟墓芸?，使表面形成大量凹孔。由于橫紋表面的毛刺方向大多與纖維生長(zhǎng)方向交叉，導(dǎo)致表面存在大量的焦炭，對(duì)表面平整度造成一定的影響[25]。圖5b為順紋木材燒蝕后的木材表面微觀形貌，順紋木材表面的細(xì)小毛刺經(jīng)過(guò)燒蝕被完全去除，表面只留下一些被剖開(kāi)的胞間道，幾乎無(wú)焦炭殘余，表面整體較為平整。圖5c為逆紋木材燒蝕后的表面微觀形貌，表面質(zhì)量最差，除了有大量木材瞬時(shí)蒸發(fā)形成的焦炭外，還有一些因燒蝕不均勻形成的孔洞。由于逆紋銑削后的毛刺大多數(shù)呈倒伏狀態(tài)，與纖維生長(zhǎng)方向相反，并且成簇聚集在一起，因此激光燒蝕后會(huì)形成木材熔渣結(jié)塊，使加工表面很不平整[26]。

因此，如果要獲得平整度較高的木材表面，應(yīng)選取在順紋銑削的表面進(jìn)行激光燒蝕加工，但是激光燒蝕加工也能提高橫紋和逆紋表面的平整度。

3 結(jié)論

本研究得出以下主要結(jié)論：

1）經(jīng)過(guò)銑削的木材表面有較多的毛刺和條狀與片狀的纖維，影響木材表面平整度。順紋加工的毛刺最少，表面最光滑；橫紋加工效果次之，毛刺數(shù)目有所增加，表面出現(xiàn)了一些截?cái)喟g道形成的溝槽；逆紋加工的表面最差，存在大量倒伏的毛刺，表面難以達(dá)到光滑度要求。因此，在銑削加工前，需仔細(xì)觀察木材紋理，盡量選取順紋加工，特殊情況下可以進(jìn)行橫紋加工，一定要避免逆紋加工。

2）經(jīng)激光燒蝕的木材表面平整度得到很大提高。大量的細(xì)小毛刺被燒蝕完全，加工平面粗糙度因此而得到很好的改善。其中順紋表面最為平整，無(wú)嚴(yán)重的孔洞現(xiàn)象，而橫紋表面和逆紋表面在燒蝕后會(huì)殘留一定的焦炭和灰燼，對(duì)木材光滑度會(huì)有影響。因此，激光燒蝕加工雖能極大提高木材表面的平整度，但選材時(shí)也應(yīng)盡量選取順紋表面進(jìn)行加工。