浅色薄木拼花的激光切割工艺优化_赵婧茹.pdf

第 33 卷第 2 期2023年6月Vol.33 No.2Jun.2023湖 南 工 程 学 院 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan Institute of Engineering（Natural Science Edition）收稿日期：2022-09-05基金项目：湖南省研究生科技创新基金项目（QL20210208）.作者简介：赵婧茹（1997-），女，硕士研究生，研究方向：材料与化工.通信作者：孙德林（1966-），男，博士，教授，研究方向：家具设计与制造.赵婧茹，孙德林（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，长沙 410004）摘要：针对家具表面薄木拼花实际操作时激光切割存在的发黄、焦糊问题，以切割速度、切割功率和保护气体等参数为影响因素，探究其对激光切割工艺的影响，并进行正交试验分析与优化.结果表明：切割速度、切割功率、保护气体对薄木边缘色差值具有显著性影响.最佳优化工艺为切割速度10 mm/s、切割功率1600 W、保护气体氮气流量200 mLmin-1.该工艺有效改善了薄木表面出现的发黄、焦糊现象，可为家具表面装饰薄木拼花造型制作提供借鉴.关键词：激光切割；氮气；切割速度；激光功率；工艺优化中图分类号：G64；O6文献标识码：A文章编号：1671-119X（2023）02-0089-06浅色薄木拼花的激光切割工艺优化0 引言薄木拼花作为家具表面装饰技术之一，主要是利用不同种类木材的纹理或者颜色差异，经切割后拼接成绘画图案或者几何图案，并通过热压工艺装饰于家具表面.这既可以节约珍贵木材，降低生产成本，又能够提升家具表面装饰性能，增加附加值，满足消费者需求1.激光切割在现代薄木拼花中使用较多，它是利用聚焦的高功率密度激光束照射木材，使部分材料汽化逸出而达到精准加工的一种方式2-3，具有切割速度快、精度高、适应性广、割缝细、热影响区域小、易于实现自动化控制等优点.但木材为易燃物，其边缘颜色在切割之后容易变深，影响表面拼花图案美观4.Ivan Kubovsk5-6认为CO2激光切割木材和木基产品可以被评估为一种高效和对工件友好的切割方法，适用于切割均质、非均质木材和木材复合材料.吕梦琦等7研究了薄木拼花的技术对比及薄木拼花的发展过程，指出激光雕刻机可以切割任意花型，切割刀口最小仅有0.05 mm.赵洪刚等8提出激光切割木材具有功率低、材料利用率高、成本低、精度高、噪音小、污染少等优点，明显超越传统的机械木材加工方法，因此，激光切割技术在木材加工中应用广泛8.上述研究阐述了激光加工技术的一系列优点，但对于切割薄木引起的边缘发黄、焦糊问题未做具体探究.本文针对切割薄木边缘易出现发黄、焦糊等问题，以高纯N2作为保护气体，通过调整激光切割工艺参数，采用正交试验进行优化，获取最佳工艺，进而提升激光切割浅色拼花薄木的合格率，这对提升薄木拼花的装饰美观度、提高家具生产效率和应用价值具有重要意义.1 材料与方法1.1 实验材料与设备桦木薄木，厚度为0.5 mm，购买于浙江湖州；激光雕刻机 VD6040，额定功率 2000 W，济南百宏激光技术有限公司；睿达RECAM软件，V8.0；色差计WSC-S，上海精密科学仪器有限公司.DOI:10.15987/ki.hgbjbz.2023.02.0122023年湖南工程学院学报（自然科学版）1.2 实验方法1.2.1 样品制备将0.5 mm厚度的桦木薄木固定在激光切割机的工作台上，向 RECAM 系统中导入需切割的图形，如图1所示（以“木”字为例）.然后启动激光雕刻机，设置好切割速度、功率、切割气体等参数后开始切割加工，得到激光切割拼花薄木.图1 RECAM界面1.2.2 实验设计根据拼花薄木的激光切割工艺，选取切割速度、功率、N2流量等因素进行单因素试验，并探究各因素对切割质量的影响.在此基础上选用3因素、3水平的正交试验进行优化.1.2.3 测验方法使用WSC-S色差计对拼花薄木边缘的颜色进行测试，并与未切割部位的颜色进行对比.色差计采用L*a*b*表色系统，使用公式（1）计算色差值：E*=()L*2+()a*2+()b*2（1）其中，L*表示明亮度色差值；a*表示红绿色差值；b*表示黄蓝色差值；E*即为薄木原色和切割后薄木边缘比较的色差总值.E*越大，色差越大，说明切割后的薄木边缘发黄、焦糊现象明显；反之则说明薄木发黄、焦糊现象不明显.2 结果与分析2.1 单因素试验2.1.1 切割速度对薄木边缘色差值的影响切割速度是影响切割质量的重要因素之一.在探索性试验的基础上，选择功率为1800 W，空气流量为200 mL/min，分别以 5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s的运行速度进行切割试验，探究切割速度对薄木边缘色差值的影响.每组试验进行 5 次，计算平均值，结果如图2所示.从图2中可知：当功率与空气流量一定时，薄木边缘色差值E*随着切割速度的提高而减小，速度越快，E*值越小.当速度为 20 mm/s 时，E*值最小，仅为 5.89，与薄木原本颜色相差不大.表明增加运行速度可减少木材的发黄、焦糊，有助于改善浅色拼花薄木的加工质量.这是因为：当切割速度慢时，激光在同一位置的停留时间相对延长，激光所产生的高温通过切割表面向外扩散的时间变长，进而致使高温区域增加9-10，因此易导致炭化面积增加而呈现出发黄和焦黑.但在试验中也发现，当运行速度过快时，部分薄木没有完全切断，需要二次切割，这样反而使质量得不到保证.因此，在后续研究中将选择 15 mm/s 的速度进行试验.速度/（mm/s）色差值E*12108642005101520259.596.66.015.89图2 切割速度对薄木边缘色差值的影响以实验选用的速度 5 mm/s 与 15 mm/s 为自变量，因变量为相应速度切割薄木边缘的色差值，采用SPSS软件进行方差分析，结果如表1所示.从表1 可知 p 值为 0.003（0.05），表明切割速度对薄木边缘色差值的影响是极显著的.表1 切割速度对薄木边缘色差值的方差分析组间组内总计平方和57.36026.16283.522自由度189均方57.3603.270F17.540显著性0.00390第2期2.1.2 切割功率对薄木边缘色差值的影响选择运行速度为15mm/s、空气流量为200mL/min、功率分别为 1200 W、1400 W、1600 W、1800 W 和2000 W进行切割试验，重复9次选取平均值，其分析结果如图3所示.从图3中可知：当切割速度与气体流量一定时，薄木边缘色差值随功率的增加而降低.当功率参数为2000 W时，E*值最小，此时切割出的浅色薄木发黄、焦糊现象较功率参数低时的实验情况更好.主要原因有：切割机功率减小造成薄木由燃烧过程转为炭化过程，木材表面留下大量黑碳11-12，从而使木材表面颜色变深.木材表面化学过程可分为燃烧和炭化，通过调整不同光束功率密度和表面处理时间可以控制薄木燃烧和炭化13，激光光束密度影响着光束轮廓的大小，光束轮廓是影响切割色度的重要参数14.当激光焦距一定时，切割功率越大，光束密度越高，光束轮廓小而聚焦，激光切割时薄木燃烧产物被气体吹出，薄木容易切透且表面发黄、焦糊面积小；反之，功率越小，光束密度越低，光束轮廓扩大，易致炭化增大、表面颜色加深.由图3可知，当功率为1800 W与2000 W时，色差值较为接近，因此在实际生产中为考虑成本，后续研究将采用1800 W功率参数进行实验.功率/W1000120014001600180020002200181512963色差值E*14.6513.7312.3111.7411.12图3 切割功率对薄木边缘色差值的影响选取功率参数1200 W与1800 W为自变量，因变量为相应功率切割薄木边缘的色差值，对其进行SPSS 方差分析，结果如表 2 所示.从表 2 中可知 p值为 0.003，切割功率对薄木边缘色差值的影响是显著的.表2 切割功率对薄木边缘色差值的方差分析组间组内总计平方和78.961101.230180.190自由度11617均方78.9616.327F12.48显著性0.0032.1.3 保护气体对薄木边缘色差值的影响采用高压高纯度氮气作为保护气体代替空气，在功率为1800 W、速度为15 mm/s的条件下考察保护气体氮气流量对薄木边缘色差值的影响.将氮气流量参数分别设置为 200 mL/min、300 mL/min、400 mL/min、500 mL/min，进行9次重复切割，通过色差仪实验选取平均E*值，结果如图4所示.氮气流量/（ml/min）色差值E*7.06.56.05.55.04.54.03.51002003004005006005.584.794.634.56图4 保护气体对薄木边缘色差值的影响氮气流量越大，E*值越低，色差越小.当流量为 500 mL/min 时，E*值最低，切割出的薄木颜色与正常薄木颜色相近，边缘处发黄、焦糊现象不明显.这是因为：氮气保护有助于散热、吹掉熔渣，使得切割面得到较好的品质，进而有效提升切割质量和切割效率15-16.同时，氮气作为保护性气体，可避免切割面在高温下与氧气接触发生氧化而变黄；另外，氮气具有冷却保护作用，可以减少热影响区17-18，从而有效改善激光切割高温的薄木烧焦问题.由于氮气流量在 300 mL/min、400 mL/min、500 mL/min时的色差值较为接近，在实际生产过程赵婧茹，等：浅色薄木拼花的激光切割工艺优化912023年湖南工程学院学报（自然科学版）中为考虑成本，在后续研究中将采用 300 mL/min氮气流量进行实验.当功率为 1800 W、速度为 15 mm/s、氮气流量为 300 mL/min 时，E*值为 4.79，比使用空气的色差值要小很多.由此可见，使用氮气保护进行切割可使薄木色差降低.以空气、保护气体氮气作为自变量，不同气体切割得出的E*值作为因变量进行单因素实验方差分析，分析结果如表3所示.从表3可知p值为0.002，表明使用氮气对薄木边缘色差值的影响显著.表3 氮气对薄木边缘色差值的方差分析组间组内总计平方和88.914102.950191.863自由度11617均方88.9146.434F13.819显著性0.0022.2 工艺优化实验以切割速度、功率、氮气流量作为三因素并对其进行正交试验与方差分析，探究最佳实验工艺正交试验因子与水平如表4所示.表4 正交试验因子与水平速度（mm/s）A1（10）A2（15）A3（20）功率（W）B1（1600）B2（1800）B3（2000）氮气流量（mL/min）C1（200）C2（300）C3（400）根据单因素分析结果选取切割速度、功率、保护气体流量各三组参数进行正交试验，以色差值为指标，不考虑交互作用，采用L9（33）设计表进行实验分析，实验结果如表5所示.从表5可知：实验方案1（速度10 mm/s、功率1600 W、氮气流量200 mL/min）的E*值最低，色差最小.表5 正交试验设计及结果实验编号123456789速度（mm/s）101010151515202020功率（W）1 6001 8002 0001 6001 8002 0001 6001 8002 000氮气流量（mL/min）200300400300400200400200300色差值E*4.095.514.365.998.476.366.177.445.53同时，对切割速度、功率、保护气体三因素切割后的薄木边缘色差值进行方差分析，结果如表6所示.从表6可知p0.05，不同水平的速度、功率、氮气流量同时作用于试验对薄木边缘色差值的影响是极显著的，速度最为显著，其次是功率，最后是氮气流量.然后进一步通过多重比较分析确定优化工艺.表6 正交试验方差分析源修正模型截距速度功率氮气误差总计III 类平方和15.114323.0418.5245.9400.6500.017338.172自由度6122229均方2.519323.0414.2622