2μm光纖激光器切割木材工藝總結(jié)
?目前,木材的切割多是以傳統(tǒng)的鋸片切割形式進(jìn)行,但會(huì)產(chǎn)生大量的鋸末和噪音等污染。采用激光對(duì)木材進(jìn)行切割不但可以降低噪音,同時(shí)還可以減少鋸末顆粒的產(chǎn)生,削減對(duì)人體的危害。激光切割木材的斷面質(zhì)量也要比傳統(tǒng)方式切割的要好,切割面上粗糙、撕裂或者絨毛木紋并不明顯,而是覆蓋了一層薄碳化層。
激光切割木材機(jī)理
激光切割木材有兩種不同的基本方式:瞬間氣化和燃燒。激光切割木材的方式取決于激光切割時(shí)被木材吸收的功率密度大小。瞬間氣化是較理想的一種木材切割方式,木材在聚焦激光束的照射下氣化形成切縫。氣化切割的特點(diǎn)是:切割速度快,熱量傳輸不到未切割的基材上,剖面無(wú)碳化,僅有輕微發(fā)暗和釉化。而燃燒方式的切割主要是因?yàn)楣馐β拭芏容^低,其特點(diǎn)為切割速度較慢,切縫更寬,切割厚度大,切割時(shí)伴有煙塵和焦味。燃燒方式切割單位材料所消耗的能量要比氣化方式更高,且切邊有碳化現(xiàn)象。不過在切割木材的實(shí)際過程中,氣化的同時(shí)基本上都伴有燃燒,這是因?yàn)闅饣绞诫m然具有高效能的優(yōu)點(diǎn),但是需要較高的功率密度才能實(shí)現(xiàn)。而實(shí)際的激光照射過程,由于受激光輸出功率和光束模式的影響,在材料光照表面總有部分區(qū)域的光束功率密度低于氣化所需的功率密度值,因此出現(xiàn)少量燃燒的現(xiàn)象。另外,激光切割木材同樣需要與光束同軸的輔助氣流,一般為低壓惰性氣體或者空氣。
什么類型的激光器能切割木材
激光切割木材一般是選用CO2激光器,其波長(zhǎng)是10.6μm。但是CO2激光器光電轉(zhuǎn)化率低(只有5%~10%),能耗比較大;激光器需要經(jīng)常換氣,維護(hù)成本高;外光路復(fù)雜,安裝、調(diào)試和維護(hù)難度大。因此CO2激光器在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中局限性大,應(yīng)用越來(lái)越少。
目前市場(chǎng)上光纖激光器(波長(zhǎng)是1μm)切割金屬板材已經(jīng)非常普遍,那么這種光纖激光器能否用于切木材呢?如果是1μm波長(zhǎng)的摻鉺光纖激光來(lái)切木材,答案是:比較困難的。這是因?yàn)槟静膶?duì)1μm波長(zhǎng)的激光吸收率比較低,難以形成割縫。
針對(duì)應(yīng)用需求,飛博激光開發(fā)出了摻銩連續(xù)光纖激光器,比如下面的TDFL-180-CW-SM激光器,激光增益光纖內(nèi)部摻雜是銩,發(fā)射出來(lái)的激光波長(zhǎng)是2μm。相比常見波長(zhǎng)1μm波長(zhǎng)的激光,木材(尤其是木材中的水分)對(duì)其吸收率更高。
飛博激光TDFL-180-CW-SM激光器
飛博2μm波長(zhǎng)摻銩光纖激光器切割木材測(cè)試
使用該激光器對(duì)木板進(jìn)行切割,切割參數(shù)如下:
切割表面未發(fā)現(xiàn)粗糙,撕裂和絨毛木紋等缺陷,不過切割端面出現(xiàn)了一定程度的碳化。如上所述,碳化現(xiàn)象主要是因?yàn)榧す夤β什蛔?。在切割表面質(zhì)量要求不高的情況下,可允許表面發(fā)生一定程度的碳化。如需表面無(wú)碳化則需要增加激光器功率或改變切割頭的準(zhǔn)直聚焦比。
激光切割8mm膠合板樣品
激光切割18mm膠合板樣品
飛博激光開發(fā)的這一系列的2μm波長(zhǎng)摻銩連續(xù)光纖激光器光電轉(zhuǎn)化率能夠達(dá)到20%以上,相比CO2激光器來(lái)說更加節(jié)能。加上摻銩光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光束質(zhì)量好、易集成、易操作和免維護(hù)等特點(diǎn),預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)在木材切割領(lǐng)域中大展身手,逐漸替代CO2激光器。