激光切割测试题及答案

激光切割测试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在激光切割过程中，若发现切口下表面出现大量熔渣粘附，最优先应调整的参数是A.激光功率  B.辅助气体压力  C.脉冲频率  D.离焦量答案：B解析：下表面熔渣通常因熔融金属未被高速气流有效吹走所致，提高辅助气体压力可立即增强排渣能力；功率与频率变化对熔渣影响相对滞后，离焦量主要改变切口宽度而非排渣效率。2.使用1.5kW单模光纤激光器切割2mm不锈钢时，出现“蓝焰拖尾”并伴随底部毛刺，下列哪组参数组合最可能为根本原因A.速度2m/min，氧气0.3MPa，焦点+1mm  B.速度4m/min，氮气1.0MPa，焦点0mmC.速度6m/min，氮气1.2MPa，焦点–1mm  D.速度8m/min，空气0.8MPa，焦点–2mm答案：A解析：蓝焰为氧气与铁剧烈反应的特征，+1mm正焦使能量密度下降，速度又低，导致燃烧区拉长，熔渣被二次氧化后粘附；氮气切割无蓝焰，空气虽含氧但能量不足，速度高时热输入低，毛刺反而减少。3.激光切割铝黄铜（CuZn30）时，切口边缘出现周期性波浪纹，波纹间距约等于光斑直径，最可能的波动源是A.伺服电机丢步  B.喷嘴热透镜效应  C.脉冲激光的脉动重叠率不足  D.机械导轨直线度误差答案：C解析：铝黄铜对1μm激光吸收率仅35%，需高频脉冲维持连续熔池；当重叠率<60%时，每脉冲形成独立凹坑，宏观呈波浪；伺服丢步呈随机偏移，热透镜效应使焦点漂移但无周期性，导轨误差周期远大于光斑。4.在切割6mm碳钢时，将氧气更换为氮气后，发现底部出现“细须”状挂渣，其成分经EDS检测含高比例Fe₃O₄，说明A.功率不足导致未完全熔透  B.氮气纯度不足含氧杂质  C.速度过快熔池提前凝固  D.喷嘴口径过大气体发散答案：B解析：纯氮切割理论上不应生成Fe₃O₄；若氮气含>0.5%O₂，侧向燃烧生成磁性氧化铁，形成须状渣；功率不足挂渣为FeO，速度快挂渣为球状，喷嘴大仅影响宽度而非氧化。5.激光器BPP（光束参数乘积）从2mm·mrad降至1mm·mrad，对2mm不锈钢切割效率的影响是A.速度可提高约30%  B.速度下降但质量提升  C.功率阈值降低15%  D.气体压力需降低0.2MPa答案：A解析：BPP减半即光束质量提升一倍，相同功率下焦点处功率密度提高约1.4倍，热输入效率提升，速度可线性增加30%左右；气体压力与光束质量无直接关联。6.当切割头电容式调高器出现“零漂”+0.5mm时，实际切口宽度将A.变窄0.05mm  B.变宽0.08mm  C.几乎不变  D.先窄后宽答案：B解析：零漂+0.5mm等价于喷嘴远离板材，实际焦点相对板材下移，对于负离焦切割，焦点下移使光斑直径增大，理论增量Δd≈2·θ·Δz≈0.08mm（θ=0.16rad）。7.在激光切割PET薄膜（50μm）时，边缘出现黄色碳化边，下列措施最有效的是A.改用9.3μmCO₂激光  B.增加脉冲宽度至500μs  C.采用水膜冷却  D.提高重复频率至200kHz答案：A解析：PET对9.3μm吸收率>90%，对1μm仅30%，改用CO₂可显著降低热扩散区；脉冲宽增加反而热影响扩大，水膜对高速卷切不现实，高频仅降低单脉冲能量但波长不匹配仍碳化。8.激光切割1mm镀锌钢板，出现“锌珠”飞溅并污染镜片，最佳解决途径是A.选用钕玻璃镜片镀膜  C.采用反喷吹气帘  C.降低功率20%  D.将锌层预酸洗答案：B解析：锌沸点907℃，低于铁熔点，瞬间气化后向上反喷；在喷嘴上方加0.1MPa环形气帘可物理阻挡锌蒸气，避免镜片污染；功率降低影响切割透度，酸洗增加工序成本。9.激光器调制频率为5kHz，占空比50%，切割2mm铝时，若单脉冲能量过高出现“爆孔”，下列哪项调整可在保持平均功率不变下抑制爆孔A.频率升至10kHz，占空比降至25%  B.频率降至2.5kHz，占空比提至100%C.频率不变，占空比提至80%  D.频率5kHz，占空比20%答案：A解析：爆孔因单脉冲能量>蒸发阈值；保持平均功率P=E·f，提高f、降低E即可；A选项E减半、f加倍，P不变，单脉冲能量最低；B选项E加倍，更严重；C、D平均功率变化或E仍高。10.在激光切割头维护中，测量喷嘴孔径椭圆度应使用A.激光干涉仪  B.二次元影像仪  C.针规+气动量仪  D.白光共焦传感器答案：C解析：喷嘴孔径通常0.8–2.5mm，精度要求±5μm，针规可快速通过/止，气动量仪可读出椭圆度；干涉仪测波前，二次元效率低，白光传感器对高反射小孔边缘信号弱。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些因素会同时增加激光切割不锈钢的切口锥度A.正离焦量过大  B.喷嘴对中偏移0.2mm  C.辅助气体压力过低  D.使用氩气代替氮气答案：A、B、C解析：正离焦光斑变大，上下能量梯度差异导致锥度；喷嘴偏移使气流倾斜，切口单侧熔融增加锥度；气压低排渣不足，底部熔融再凝固形成V形；氩气密度高但无化学放热，对锥度影响小。12.关于激光切割热影响区（HAZ）的描述，正确的有A.在碳钢中HAZ硬度一定高于母材  B.在铝中HAZ宽度与BPP成正比  C.脉冲激光切割HAZ可小于10μm  D.水射流辅助激光可显著降低HAZ答案：B、C、D解析：碳钢HAZ可能出现回火软化区，硬度不一定高；铝导热快，HAZ∝BPP/速度，比例关系成立；脉冲激光超短皮秒切割PET，HAZ<10μm；水射流带走热量，降低峰值温度。13.激光切割头镜片污染后，可能导致的异常现象包括A.焦点位置向负方向漂移  B.切缝下部出现连续毛刺  C.切割面粗糙度Ra值突然增大  D.电容调高信号幅值降低答案：A、B、C解析：污染层吸收激光热透镜效应使焦点下移；能量下降导致底部未透，毛刺增加；功率密度下降使熔池不稳定，粗糙度增大；电容信号与板材距离相关，镜片污染不直接影响电容值。14.下列哪些检测手段可用于在线监测激光切割是否透割A.同轴视觉采集等离子体闪光强度  B.喷嘴背部麦克风采集声音频谱  C.电容传感器测量板面距离突变  D.红外热像仪测量切缝出口温度答案：A、B、D解析：未透割时等离子体闪光强度骤降；声音频谱在1–4kHz段能量下降；电容传感器仅测距离，无法区分透割；红外可检测底部温度骤降，判断未透。15.对于20kW超高功率激光切割25mm碳钢，可采用的工艺策略有A.负离焦–8mm，氧气1.5MPa，速度0.6m/min  B.双焦点摆动光束，频率200Hz，振幅1mmC.预加热+激光复合，预热温度300℃  D.采用氮气垂直射流+侧吹空气答案：A、B、C解析：负离焦扩大切口，氧气燃烧放热可切厚板；摆动光束增大切口宽度，利于气体进入；预热降低需用功率，减少挂渣；氮气对厚板无法提供足够热量，垂直+侧吹无化学放热，效率低。三、判断改错题（每题2分，共10分，先判断对错，再改正错误部分）16.激光切割铜时，采用线偏振光比圆偏振光更容易获得光滑切面。答案：错。改正：铜为高反射材料，线偏振光在某一方向反射率更高，导致能量耦合不均，应采用圆偏振光以获得各向同性吸收，提高切面质量。17.在激光切割头中，准直镜片焦距越短，输出光束直径越小，切割焦点处功率密度越高。答案：错。改正：准直镜焦距越短，输出光束发散角越大，经聚焦镜后焦点直径反而变大，功率密度下降；应选用长焦距准直镜以获得小焦点。18.激光切割PMMA（亚克力）时，使用氮气辅助可获得火焰抛光效果。答案：错。改正：PMMA对1μm激光透明，需用9.3μmCO₂激光；火焰抛光效果源于激光热抛光，与氮气无关，且氮气会吹走熔融层，反而降低抛光效果，应使用空气或惰性气氛低速切割。19.喷嘴孔径与板材厚度成正比关系，厚度越大孔径越大，这是为了保证气体流量。答案：错。改正：喷嘴孔径主要与激光束直径匹配，一般取1.2–1.4倍光斑直径；厚板需更大气体流量通过增加气压而非孔径，孔径过大导致气流发散，切割质量下降。20.激光切割过程中，若突然关闭辅助气体，切口宽度会立即变窄。答案：错。改正：关闭气体后熔融金属无法及时排出，熔池扩大，切口宽度立即变宽，且底部出现严重挂渣。四、计算题（每题10分，共20分，需写出公式、代入数据、结果及单位）21.某光纤激光器输出BPP=1.2mm·mrad，经焦距f=150mm的透镜聚焦，求焦点处光斑直径d和瑞利长度Z_R；若切割2mm不锈钢时要求焦深覆盖板厚，问允许的最大离焦量Δz，并判断该透镜是否满足。解：光斑直径d=(4/π)·BPP·(f/D)，其中D为准直后光束直径，设D=20mm，d=(4/π)·1.2·(150/20)=11.46mm·mrad·7.5=0.086mm=86μm。瑞利长度Z_R=πd²/(4λ)，λ=1.07μm，Z_R=π·(0.086)²/(4·1.07×10⁻³)=5.4mm。允许最大离焦量±Z_R，即±5.4mm，板厚2mm<5.4mm，故满足。答案：d=86μm，Z_R=5.4mm，允许±5.4mm，满足要求。22.用2kW激光切割5mm碳钢，速度0.5m/min，切口宽度0.3mm，求比能（SE）与热输入（HI），并判断SE是否低于常规氧气切割推荐值0.8J/mm³。解：切缝截面积A=板厚×宽度=5mm×0.3mm=1.5mm²。体积去除率Q=A·v=1.5mm²×(500/60)mm/s=12.5mm³/s。比能SE=P/Q=2000W/12.5mm³/s=160J/mm³。热输入HI=P/v=2000W/(500/60)mm/s=240J/mm。推荐SE<0.8J/mm³，实际160J/mm³远高于推荐值，说明氧气燃烧放热未计入；若考虑氧燃反应额外释放约3×激光能量，则有效SE≈160/4=40J/mm³，仍偏高，应提高速度至2m/min以上。答案：SE=160J/mm³，HI=240J/mm，远高于推荐，需提速。五、综合应用题（共35分）23.某工厂使用6kW光纤激光器切割10mm碳钢，原工艺参数：速度0.4m/min，氧气0.8MPa，焦点–2mm，喷嘴1.4mm，出现底部挂渣、切面纹路粗糙。请系统分析原因并提出优化方案，要求给出新参数、预期效果及验证方法。（20分）答案与解析：原因分析：1.速度过低，热输入过高，燃烧区过长，熔池下坠；2.氧气压力不足，排渣动能低，底部熔渣无法完全吹除；3.负离焦量偏小，切口下端能量密度不足，形成“V”形切口；4.喷嘴1.4mm对10mm板偏小，气流发散角大，有效切割区短。优化方案：1.速度提至0.8m/min，降低热输入50%；2.氧气压力升至1.2MPa，采用三级锥形喷嘴，出口马赫数≈1.8；3.焦点调至–4mm，使切口下端仍处高功率密度区；4.喷嘴口径增至2.0mm，保持与光束直径比1.3:1；5.引入20Hz低频摆动，振幅0.5mm，增宽切口，利于气体进入。预期效果：底部挂渣高度<0.1mm，切面粗糙度Ra从25μm降至10μm，速度提升100%，单位能耗下降35%。验证方法：1.采用激光三角测量仪扫描底面，挂渣高度>0.1mm区域比例<5%；2.取样50mm长度，使用触针式粗糙度仪测Ra；3.金相显微镜观察HAZ宽度，目标<0.3mm；4.连续切割100张板，统计废品率<1%。24.设计一个实验，验证“光束摆动对减少不锈钢尖角过烧”的有效性，要求给出实验变量、测量指标、数据处理方法及误差控制。（15分）答案与解析：实验变量：1.摆动频率f：0、50、100、200Hz；2.摆动幅值A：0、0.2、0.5、1.0mm；3.拐角半径R：0.5、1、2mm；4.切割速度v：恒定1m/min。测量指标：1.过烧区长度L：以尖角顶点为基准，金相测量热影响变色区；2.过烧深度D：共焦显微镜测表面凹陷深度；3.尺寸误差Δ：三坐标测量仪测实际轮廓