传统激光加工由于加工过程中会产生大量熔渣，同时因烧蚀工件会产生热影响区和微裂变，限制了激光加工的应用领域。水导激光加工是一种复合加工技术，激光被水射流引导至工件加工位置，水射流的冷却和冲刷作用使加工部件热影响区很小，极大减小了重铸层，克服了传统激光加工的缺陷，拓宽了激光加工的应用范围，无论在信息、军事、材料加工还是医学、生命科学等领域都具有举足轻重的作用(直妍，2014；贾威等，2015；刘春阳，2008；Eltawahni et al., 2011)。

激光加工木材与传统加工工艺相比，具有加工无噪声、无细屑、加工方向可控性好等优点，可以加工出任意形状或图案，但是当无法合理控制加工过程中各加工参数时，木材会产生炭化等现象，降低激光加工的生产效率和质量(吴哲等，2015；孙玲芳等，2000；姜新波等，2016；Hernández-Castañeda et al., 2011)。鉴于此，本文在对现有激光加工技术的加工工艺和原理(唐霞辉，2015；马岩等，2013；李灵，2008)进行调查、分析和研究的基础上，设计并制造出木材纳秒水导激光加工试验台，研究加工过程中各因素及产生的现象对加工质量的影响，获得使纳秒水导激光加工木材达到最佳加工效果各因素之间的关系，并论证加工工艺的可行性。

木材纳秒水导激光加工试验台总体布局遵循操作简单、结构合理、经济实用的原则。试验台硬件主要由打印机、纳秒激光数控加工试验台、上位机、摄像机(显微镜)和下位机5部分构成，其架构如图 1所示。根据试验台不同的试验条件和要求，上位机既可选择工业PC机也可选用普通PC机(多采用工业PC机)，作为试验台的人机接口，主要有视频数据采集和处理以及对检测结果进行显示和输出的功能。下位机采用单片机试验台，主要对纳秒激光数控加工试验台的作用时间、激光参数和激光切削角度等进行控制调整。上位机与下位机之间通过串行端口(COM)相连，从而实现信息的传递。三轴联动的纳秒激光数控加工试验台，既可对木材表面进行初始处理，也可完成木材与摄像机(显微镜)位置的调整，摄像机(显微镜)可以根据需要采用工业摄像机和光学显微镜。木材表面图像视频经显微镜放大后由工业摄像机拍摄，视频文件经由S-Video信号线传递给上位机，上位机对接收到的文件进行处理和信息显示，最后由打印机将上位机传递过来的样本库表单、检测结果报告单等结果进行打印输出。摄像机采集的信息经电镜处理后传递给下位机和纳秒激光数控加工试验台，处理结果也会传递给打印机。

图 1 木材纳秒水导激光加工试验台硬件架构 Figure 1 Hardware architecture of the test bench of the nanosecond water guide laser

纳秒激光数控加工试验台主要由激光频率控制器、纳秒控制器、激光角度调整器和纳秒激光发生器4大部分组成，如图 2所示。

图 2 纳秒激光数控加工试验台的结构框架 Figure 2 Structure frame diagram of the test bench of the nanosecond laser NC machining

激光角度调整器可采用快速轴流脉冲CO₂激光角度调整器、YAG脉冲激光角度调整器或横流脉冲CO₂激光角度调整器，这3种角度调整器不仅可以满足木材加工过程中的使用需求，而且价格比较低廉。纳秒激光发生器由固定式或移动式导光聚焦试验台和数控专用木材加工试验台组成，本研究摒弃了技术比较简单但体积相对庞大的固定式试验台，而是采用技术相对复杂但体积小巧的移动式导光聚焦试验台。数控专用木材加工试验台由角度传感器、伺服电机、纵横进给机构、减速器、限位器等组成，其示意图如图 3所示。

图 3 数控专用木材加工试验台示意 Figure 3 Sketch of the NC special wood processing test bench

纳秒激光数控加工试验台的运行主要由计算机控制，激光频率控制器主要对纳秒激光频率进行调整，激光角度调整器主要对加工角度进行调控。计算机控制试验台不仅要保证纳秒激光径向和轴向的速度变化区间足够大，而且要拥有超高的频率分辨率。在此条件下，根据试验要求，通过激光角度调整器和激光频率控制器自动调控纳秒激光发生器，使其发出的纳秒激光脉冲具有一定调制脉冲数；同时对导光聚焦试验台轴向和径向的运动进行控制。此外，计算机控制试验台还具有实现激光束径级的确定、激光角度和频率设置、预处理木材加工预案、加工程序数据文件生成等功能。

纳秒水导激光加工木材是以水射流引导激光对木材表面细胞进行加工，细胞不断受到激光高密度、高功率纳秒级震动式作用，当获得最佳激光加工角度时，纳秒激光会使木材连接的纤维、内表面及细丝根部的细胞内液体瞬间汽化，从而细胞爆裂，纤维断开与周围组织的连接，以此方式不断延伸下去即达到加工目的(杨春梅等，2008；于鸣等，2015)。

纳秒水导激光加工木材的效果会受到木材纹理、木材种类、不同加工方向、功率大小等因素的影响(谢小柱等，2008；马洪斌，2002；任洪娥等，2014)。为明确各因素对加工工艺的影响，本研究搭建了如图 4所示的木材纳秒水导激光加工试验台，其主要由激光发射器、聚焦透镜、支架、显示器、打印机和冷却系统等组成。

图 4 木材纳秒水导激光加工试验台 Figure 4 The test bench of the nanosecond water guide laser

加工参数要求：在试验过程中，电压220 V保持不变，电流0~30 mA，进给速度调整范围1~10 cm·s^-1，激光头距试件的距离始终保持50 mm。激光波长：1 064 nm；聚焦透镜焦距：10 cm；光束模式：单模；激光频率：频率可调，1~10 Hz；脉宽：是一串脉冲，持续的时间为毫秒量级，单个在几十纳秒到几百纳秒；光斑形状：圆形；光斑尺寸：5 mm。

加工试件：在加工过程中，保持不同种类木材含水率12%不变，测得不同加工速度和不同加工电流下的加工深度。为了满足调节电流所需时间以及适应加工开始和结束加工深度的不均，加工距离应足够长。为进一步确保试验结果精确性，每条加工痕迹应做出相应标记，避免多条直线混杂，造成试验数据误差。图 5所示为纳秒水导激光加工木材的微观结构。

图 5 纳秒水导激光加工木材的微观结构 Figure 5 Microstructure of wood processed by nanosecond water guide laster

观察测量：加工过程中随时记录每条加工直线附近产生的现象，加工后测量每条直线加工深度，为保证测量准确性，3次测量后取平均值。绘制出顺纹理方向加工速度与加工深度关系、垂直纹理方向加工速度与加工深度关系以及输出功率与加工深度关系曲线。

由图 6和图 7可知，对于同一种木材，当加工电流不变时，不同加工速度对加工深度的影响存在较大差别，随着加工速度不断提高，加工深度随之降低。由公式P/vh=ρηW(CΔT+L_f+mL_v)(申宗圻，1998)，对于确定材料，其ρ(材料密度)、η(过程效率)、C(材料比热)、ΔT(升至熔点的温度)、L_f (熔化潜热)、L_v(汽化潜热)和m(熔化后再汽化的质量百分比)相同，当加工宽度W、输出功率P不变时，加工速度v与加工深度h乘积为定值，因此总体呈双曲线减少的变化规律。整体下降可分为3个阶段：急剧下降阶段——加工速度0~4 cm·s^-1，加工深度随着加工速度增加呈急剧下降趋势；缓慢下降阶段——加工速度4~10 cm·s^-1，加工深度随着加工速度增加缓慢下降；无影响阶段——加工速度大于10 cm·s^-1，加工速度几乎不会对加工深度产生影响，加工深度接近于0 mm。对木材进行顺纹理方向加工和垂直纹理方向加工，也会对加工深度产生影响，但是与木材材质有一定关系，有些木材不同纹理方向的加工深度曲线并无大的差异，只是曲线的曲率存在细微不同；而有些木材在2种方向上加工后的深度存在明显差别。

图 6 顺纹理方向加工速度与加工深度的关系 Figure 6 The relationship of processing speed and processing depth in texture direction

图 7 垂直纹理方向加工速度与加工深度的关系 Figure 7 The relationship of processing speed and processing depth in vertical texture direction

在研究加工深度与输出功率之间的关系时，为了获得更好的试验结果，保持电压不变，通过更改电流大小来获得不同的输出功率。由图 8可知，对于同种木材，当加工速度保持不变时，随着加工电流(输出功率)增加，加工深度也会随之增加；但当加工电流较大(输出功率较高)时，加工深度不会随着输出功率增大而增大，反而呈现出逐渐减小的趋势或保持不变。

图 8 输出功率与加工深度的关系 Figure 8 The relationship of output power and processing depth

在加工过程中，当加工速度较小、输出功率较大时，木材加工点附近可能会有炭化现象产生(图 9)，产生炭化现象的部分称为热影响层(崔承云等，2014)。依据炭化程度差异，可将热影响层分为受热炭化形成黑色炭粉末的炭化层、炭化程度相对较低且呈深褐色的热分解层和密度比原材料低、颜色并无明显变化的初期热分解层。炭化程度随着加工速度降低和加工深度增加而加重。

图 9 炭化木材 Figure 9 Charring wood

本研究通过对试验数据的记录分析，得出当输出功率不变时，加工深度随着加工速度增加而降低；当加工速度大于10 cm·s^-1时，加工速度几乎不会对加工深度产生影响；当加工速度不变时，输出功率越大，加工深度越大；顺纹理方向和垂直纹理方向加工也会对加工深度产生不同影响，与木材材质有关。试验发现，硬质木材加工深度相对小于软质木材，但加工深度曲线相似，硬质木材加工效果也相对好于软质木材，因此硬质木材更适合用于工艺品的加工。有效掌握各加工参数对加工工艺的影响至关重要，将直接影响到加工工艺的发展趋势。

在加工过程中，木材加工点附近产生了炭化现象，伴随着木材颜色的改变，通过对比得出软质木材表面的炭化程度较为严重，而硬质木材表面的炭化程度相对较轻。实际生产中，在炭化条件处理下，可使木材颜色、装饰性及使用的耐久性有明显提升。经过多年发展，木材炭化处理已在建筑、家具、室内外装饰装潢、包装等诸多领域成功实施，对木材加工业的可持续发展具有重要意义(吴帅等，2008)。

在激光加工木材过程中，木材炭化产生的颜色改变现阶段还属于不可控因素。由于激光加工是将巨大的能量集中在非常小的范围内, 迅速使材料局部升到上万度的高温(钟敏霖等，2008), 其达到的能量密度很高，因此在实际生产中因加工参数需要，将会不可避免地产生炭化现象。在本研究的木材纳秒水导激光加工方法中，由于水射流的存在，可以防止木材过度炭化和发生微裂变。在进一步研究中，通过适当控制加工参数，可使木材颜色发生各种变化，这样就可以将激光加工木材的热变色转化为木材表面颜色的多样性，提高被加工木材的附加值。这种炭化处理条件在激光加工领域的实用性和普及性虽然还需要更多试验来证实和完善，但无疑为木材颜色和装饰性的优化提供了一种新的技术和方法。

本研究通过对木材纳秒水导激光试验台进行设计、搭建和试验，明确了加工过程中各加工因素之间的关系，分析了加工过程中出现的若干问题，重点讨论了加工过程中存在的因炭化而引起木材颜色改变的现象。利用纳秒水导激光加工木材，应严格控制加工速度、输出功率和加工深度之间的关系。保证加工速度不变，当以任意方向加工时，加工深度总体会随着输出功率的增大而增大，所以在实际生产中，各加工参数之间的关系应着重从加工质量和经济适用性等方面考虑。