CN111604588A - 一种利用氮气阻燃的激光切割原木方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法。首先氮气机工作，产生高纯度氮气，通过压气机输入到氮气储存罐，得到稳定的高压氮气气流，通过喷头输出到激光束的焦光斑，一是氮气可以隔绝氧气，阻止氧化反应，防止燃烧，另一方面，激光熔化木质纤维后，氮气气流带走碳化的木屑，再有，气流继续冷却切面，直到切面的温度达到木材燃点以下。当底部的光敏感应器阵列探测到激光束，此点切开，则激光发生器向前移动一个单位量，继续切割下一纵切点，循环往复。当顶部的烟雾传感器探测到烟雾超标，启动吸烟机。当底部木屑过多，可以边工作，边启动抽风机，抽走木屑。为了节约能源，可以在侧后方的开口，回收部分氮气，输送到制氮机的其中一个进气口。

Description

一种利用氮气阻燃的激光切割原木方法

一技术领域

本发明属于木材激光加工切割设备领域，采用激光束逐层灼烧原木，使用高压氮气冲去熔化后的木质纤维，氮气可以有效阻止空气中的氧气，从而阻止燃烧，而且，氮气气流同时给切面降温，减小木材质碳化厚度。

二背景技术

当前，木业原木加工领域，使用激光直接开原木料的，没有出现。激光切割木材只能局限于加工厚度不超过25毫米厚度的标准木质板材。原木切割，基本都是带锯机家族来实现原木开料——立式的，卧式的，推台锯等等带锯机，或者多片锯等。这些传统锯条、锯片有如下缺陷：

1，功耗大，动辄需要几千瓦，几十千瓦的电机，外加一堆辅助电机；

2，噪音巨大，工作环境恶劣；

3，危险性大，工伤事故时有发生；

4，为了扫锯末，减小摩擦，必须做锯路，这产生锯缝，导致出材率低，超过4％的木材变成了锯末。

5，锯材的精度非常差。

目前，激光发生器技术相对已经成熟。但是，在激光切割木材领域，只有切割标准宽度和厚度的激光切割设备，其加工厚度不超过25mm。其原因，对于原木，因为是圆形，密度不均匀，湿度各异，导致激光切割困难重重。

纵观全球，激光切割原木的难点在于：

1，木材质燃烧。平均来说，可加工原木直径范围15-1000MM，跨度非常大，而且，同一根原木，两端直径也不同，况且还有结疤，厚度更加不标准。无论多大直径，激光照射时间长，必然引起木质氧化，持续加热，会出现剧烈氧化反应——也就是燃烧问题。

2，碳化。因为激光束的高温，木材质变黑。这个问题，可以是木材加工领域的下一个工序，用刨床、或者物理抛光处理的办法解决。

3，因为碳化层的叠加，激光束很少能加工厚度超过25MM的木材，限制了加工厚度。

由此，在本发明中，碳化问题已经用刨床等，物理办法解决，不作详述。

因为氮气制取工艺成熟，设备可靠，所以，氮气的来源，直接用氮气机产生，其产气量、流速，与采用的激光束数目相关。有多个激光头同时切割，则使用大流量氮气机，如果单束激光发射器，则采用小流量氮气发生器。本发明方案，采用BDL-3000L型高纯度通用氮气机，通过压气机，产生的恒压氮气气流，以30度入射激光束加工的焦点斑。高速的氮气流，一是隔绝氧气，防止燃烧，二是冲开已经被激光熔化或者碳化的木屑，三是切割面的降温。为了节约能源，氮气机进气阀，连通在激光器切割台上部封盖处，最大程度回收利用已经喷出的氮气。

普通激光发生器，因为焦距大，焦光斑不集中，可以通过步进电机控制多个激光发生器，使焦点耦合产生焦光斑。或者采用变焦距激光发生器。

各种技术条件的逐步成熟，激光切割原木设备水到渠成，而且价格逐步下降。本发明的出现，希望能颠覆林业加工生产中，所有木材切割，包括原木加工行业的加工方式，革命性改变木业加工设备规则：淘汰传统锯条、锯盘。

本发明尽量采用现有成熟技术，模块化组装，以适应日新月异的技术更新、迭代。本发明大致分为：氮气发生器模块，激光束输出、控制、检测模块，机械运动控制模块。具体实施流程：原木输入操作台，氮气发生器工作，激光器从起始点开始切割，当光电信号元件检测到底部有激光束，则判定这个点已经切割完成，移动到下一点继续。循环往复，纵向切割。当切割完毕，氮气发生器关闭，输送带输出板材。

激光发生器的激光管种类繁多，技术成熟。考虑实际需求，和加工方向明确、单一因素，本发明采用气体激光器：因为其波长丰富，结构简单，造价低廉，操作方便。

考虑到二氧化碳激光器的价格，功率，使用效果，成熟度等因数，本发明采用二氧化碳激光器。

本发明的载物台底部，设置光敏接收器，直接取消了激光测厚仪：一旦探测到激光束，则控制系统判定，此点已经切开，需要移动到下一个切割点继续切割。

三发明内容

发明目的：

为了解决上述木材加工时燃烧问题，本发明提出一种方案，在激光切割木材时，利用氮气机获得高纯度氮气，通过压缩机，输入到储气罐，从储气罐出来的恒压氮气，隔绝木材加工面的氧气，阻止燃烧现象。持续喷出的氮气，最终冷却加工面；同时，高速氮气气流吹出碳化的木屑，使得激光束持续熔化下一层材质。

技术方案：

一种利用氮气阻燃的激光切割原木方法，其特征是利用氮气机(1)产出高纯度的氮气，通过压气机(2) 得到高压力的氮气流，通过喷头(3)对激光加工的焦光斑，持续喷射，激光熔化木质纤维后，被高压气流带走，气流继续冷却切面，直到切面的温度达到木材燃点以下。当底部的光敏感应器(4)探测到激光束，此点切开，则激光发生器向前移动一个单位量，继续切割下一纵切点，循环往复。当原木两端的光敏感应器检测到光束，则意味一个周期的纵切完成，激光输出暂停，控制模块等待是否往复指令。

光敏感应器(4)通过支架，和激光发生器(5)连接在同一垂直面，同激光束同步行走。

激光发生器(5)以及载物台，在激光工作的时候，四周和顶部封闭。工作台一方和顶部是一个整体，可以向上整体开启(18)，合页(11)设置在另一面的顶部和背墙的结合处。为了撑开顶部，里面设置可伸缩式支撑杆(10)。为了密封，整体开启的面罩边缘都是凹槽，底部对应的设置凸起，使得面罩紧密结合，还避免杂物卡住密封槽。在这个罩的中上部开口，开口连接氮气机(1)的其中一个进气口，最大限度进行氮气回收。

本发明的明显特征是，利用氮气流，隔绝氧气在高温情况下和木材的氧化反应。

本发明的明显特征是，利用高压氮气气流冲走被激光束熔化、碳化的木屑，同时给切面降温，减少碳化现象。

本发明的明显特征是，利用光敏传感器(4)阵列，从载物台底部探测激光束。为了防止激光束灼烧底部承载滚轮，每一个滚轮都设置一个光敏传感器，任何一个光敏感应器探测到激光束，则意味着木材已经在此点切割完成。这些光敏传感器，节省一些列的木材测厚设备，降低成本。

作为优选方案，氮气机出口，连接压缩机，压缩空气输出到氮气储存罐(6)，使得喷嘴能够保持恒压氮气气流。

作为优选，氮气喷嘴上，连接有常闭电磁阀(7)，在接到控制指令信号后开启，有关闭信号或者意外断电，自动关闭氮气。

作为优选，氮气回收在载物台面板中上部开孔，外连接两个过滤器(8)过滤器(9)。其中过滤器(9) 里面放置海绵，成45度角倾斜，下设集尘杯。过滤器(8)里面放置2块间隔3厘米的铁网，成45度角倾斜，下设集尘杯。

为了保证载物台的方便性、密闭性，顶部面罩(18)内部设置可伸缩式支撑杆(10)，面罩边缘凹槽，对应底部凸起，避免杂物卡住密封面罩。

作为优选方案，控制电脑、触控屏安装在密封挡板(12)处，并做好防尘设计和散热、寒带加热配置。木材的厚薄，干湿，木材质的软硬等决定了激光束水平位移的进尺量。所有激光束进尺参数和频率，均在触控屏完成参数设置。

导轨丝杆(13)控制激光束的前后、左右移动，其设置在密封门内，使得顶部面罩的开启和关闭不受影响，而且还方便导轨丝杆的日常保养。

作为优选方案，顶部开口(14)，通过软管连接一个吸烟机(15)，当烟雾过多，触发烟雾感应器，抽烟机开始工作。烟雾感应器灵敏度，由触控板设置，它决定了室内烟雾残留容许度。

在载物台后方，开一个抽风机管道口(16)。当载物台下方碳化木屑过多，开启风机，抽出碳化后的木屑。为了保持密闭性，同理，设置常闭电磁阀(17)。

有益效果：

本发明目的是替代普通锯条、锯盘加工。显然，本发明具有如下的有益效果：

1，因为采取了激光束熔化木屑加工，用电量急剧下降，大量节约能源；

2，加工厚度几十倍提高，可以加工超大直径原木；

3，噪音大幅降低，工作环境大为改善；

4，劳动强度大大降低，安全性得到有力保障；

5，没有了锯路，出材率升高；

6，因为激光束功率可调，加工速度提高，效率高；

7，木材加工精度成指数级提高，产品合格率大大升高。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

以下结合具体实施例，对本发明提供的技术方案进行详细说明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示为本发明的结构示意图，本发明为一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法。首先氮气机(1)工作，产生高纯度氮气，通过压气机(2)输入到氮气储存罐(6)，得到稳定的高压氮气气流，通过喷头(3) 对激光加工的焦光斑，持续喷射，激光熔化木质纤维后，被高压气流带走，气流继续冷却切面，直到切面的温度达到木材燃点以下。当底部的光敏感应器(4)阵列探测到激光束，此点切开，则激光发生器向前移动一个单位量，继续切割下一纵切点，循环往复。当顶部的烟雾传感器探测到烟雾超标，启动吸烟机(15)。当底部木屑过多，可以边工作，边启动抽风机，抽走木屑。为了节约能源，废的氮气可以在侧后方的口，回收部分氮气到制氮机(1)的其中一个进气口。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，相关领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行润饰、修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其显著特征是：氮气机持续不断制造高纯度氮气，通过压气机压缩到储存罐，从而获得持续的、恒压的氮气气流，这个气流被输送到激光束切割木材质的焦光斑，不间断吹走碳化木屑，降低切面温度，阻隔氧气参与，阻止燃烧反应，直到温度降到燃点以下。

2.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其明显特征是：当烟雾传感器探测到密封面罩的烟雾浓度超标，则抽气机工作，抽走顶部汇聚的烟雾，当木屑过多，则手动启动抽风机，抽走底部碳化的木屑。

3.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其明显特征是：载物台底部设置光敏感应器阵列，任何一个感应器探测到激光束，则激光束停止切割，进行下一步骤的动作。

4.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其特征是：载物台，激光发生器，均由带玻璃观察窗的密封罩覆盖，以便氮气回收，方便汇聚和抽走切割过程中产生的烟雾。

5.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其延伸方法，用二氧化碳气体，代替高纯度的氮气。

6.一种利用氮气阻燃的激光切割原木的方法，其延伸方法，用多激光头(激光阵列)，代替单激光头。

Images