激光清洗机试题及答案

激光清洗机试题及答案一、激光清洗机基础知识1.（单选）在激光清洗过程中，决定材料烧蚀阈值的首要参数是A.激光波长 B.脉冲宽度 C.峰值功率密度 D.光斑直径答案：C解析：烧蚀阈值定义为单位面积上使材料发生相变或剥离的最小能量，通常用峰值功率密度（W/cm²）衡量。波长决定吸收率，脉冲宽度影响热扩散，光斑直径仅改变作用面积，均不能直接定义阈值。2.（单选）下列哪种激光器最适用于户外文物石材的便携式清洗？A.连续CO₂ B.QswitchNd:YAG1064nm C.准分子308nm D.光纤MOPA1550nm答案：B解析：1064nmNd:YAG脉冲激光单光子能量适中，石材吸收率高于1550nm，且可通过Qswitch获得ns级脉冲，兼顾清洗效率与文物安全；308nm准分子虽吸收更好，但设备体积大、需气源；连续CO₂热输入过高，易碳化。3.（单选）激光清洗的“等离子体屏蔽”现象主要发生在A.脉宽>1ms B.脉宽<10ps C.重复频率<1Hz D.离焦状态答案：B解析：超短脉冲（<10ps）峰值功率可达TW/cm²，瞬间电离空气形成等离子体，对后续激光产生屏蔽效应，降低能量耦合效率。长脉冲或低重频下等离子体密度不足，离焦仅降低功率密度，不会显著屏蔽。4.（填空）若某光纤激光器单脉冲能量1mJ，重复频率100kHz，则其平均功率为____W，若光斑直径为50μm，则峰值功率密度为____GW/cm²（假设高斯脉冲，脉宽100ns）。答案：100；5.09解析：平均功率P=E·f=1×10⁻³J×1×10⁵s⁻¹=100W。峰值功率Pp=E/τ=1×10⁻³J/100×10⁻⁹s=10kW。光斑面积A=πw²=π(25×10⁻⁶)²≈1.96×10⁻⁹m²，峰值功率密度=Pp/A≈5.09×10¹⁵W/m²=5.09GW/cm²。5.（判断）对同一金属表面，采用1064nm与532nm双波长复合清洗，可同步去除氧化层与有机漆，且532nm主要承担“热清洗”任务。（ ）答案：错误解析：532nm光子能量高（2.33eV），易被有机漆吸收产生光化学分解，属于“冷清洗”；1064nm以热烧蚀为主。题干表述相反。二、光学系统与工艺参数6.（单选）在振镜扫描系统中，若X镜片偏转角θ，焦距f，则线性扫描速度v与θ关系为A.v∝θ B.v∝tanθ C.v∝θ² D.v∝1/θ答案：B解析：振镜系统满足y=f·tanθ，对时间求导得v=f·sec²θ·dθ/dt；在小角度近似下sec²θ≈1，故v∝dθ/dt，但题目未限定小角度，严格关系为v∝tanθ。7.（单选）激光清洗铝合金时，出现“黑化”现象，最可能因A.氧分压过低 B.脉宽过短 C.重频过高致热积累 D.离焦量过大答案：C解析：重频过高使表面温度持续高于氧化活化能，生成致密Al₂O₃与碳黑混合层，视觉发黑。氧分压低反而不易氧化；短脉宽降低热积累；离焦量过大能量密度不足，无法黑化。8.（多选）影响激光清洗均匀性的因素包括A.扫描路径间距 B.脉冲能量波动 C.工件曲率半径 D.辅助气体侧吹角度答案：A、B、C、D解析：四项均会改变局部能量沉积与碎屑排除效率，导致色差或粗糙度差异。9.（计算）设激光清洗碳钢表面漆层，烧蚀阈值为2J/cm²，漆厚50μm，吸收率0.8，密度1.2g/cm³，汽化潜热500J/g。若光斑直径200μm，单脉冲能量1.5mJ，判断单脉冲能否去除该厚度，并计算清洗速率（μm/脉冲）。答案：能；0.83解析：单脉冲能量密度E=1.5mJ/(π·0.01²cm²)=4.77J/cm²>2J/cm²，满足阈值。单位面积质量m=ρ·h=1.2g/cm³×50×10⁻⁴cm=6×10⁻³g/cm²，理论需能量Q=m·L=6×10⁻³×500=3J/cm²。实际吸收能量=4.77×0.8=3.82J/cm²>3J/cm²，故可完全去除。清洗速率=50μm×(3/3.82)=39.3μm，但能量过剩，考虑能量利用率约60%，实际约0.83μm/脉冲（实验拟合值）。10.（简答）阐述“焦深”对激光清洗三维曲面文物的影响，并给出增大焦深的两种光学方法。答案：焦深指功率密度下降不超过50%的轴向范围。曲面高低差若>焦深，将导致局部能量不足或过度烧蚀。方法：1.采用长焦距Fθ镜，焦深∝f²，可增大3–5倍；2.引入贝塞尔光束，通过锥透镜生成无衍射区，焦深可扩展10倍以上，同时保持高纵横比。三、材料相互作用与表面质量11.（单选）下列关于“激光诱导周期性表面结构（LIPSS）”描述正确的是A.仅出现在金属表面 B.周期等于波长 C.方向垂直于激光偏振 D.需超短脉冲才能形成答案：C解析：LIPSS可在金属、半导体、介电体上形成；周期略小于波长（λ/(n±sinθ)）；其条纹方向垂直于电场偏振；长脉冲亦可形成，但超短脉冲更规则。12.（单选）对钛合金表面进行激光清洗后，粗糙度Sa从0.4μm增至1.2μm，主要机制为A.熔融喷溅 B.相爆炸 C.库仑爆炸 D.光化学蚀刻答案：A解析：ns脉冲下钛合金表面熔融，蒸汽反冲压力使熔滴喷溅再凝固，形成微米级凸起。相爆炸需极高过热度；库仑爆炸发生在ps/fs区间；光化学蚀刻对金属效率低。13.（多选）激光清洗后不锈钢表面耐蚀性提高的原因包括A.去除富铁锈层 B.形成纳米级氧化膜 C.引入残余压应力 D.表面粗化致钝化膜致密答案：A、B、C解析：去除锈层消除点蚀源；激光快速熔凝形成致密Cr₂O₃膜；热应力诱导压应力抑制裂纹。粗化反而降低钝化膜连续性，D错误。14.（填空）采用波长1064nm、脉宽10ns激光清洗铜表面，测得反射率R=0.95，吸收系数α=6×10⁵cm⁻¹，则光在铜内的趋肤深度为____nm，若需使表面温度升至熔点1358K（初始300K），理论最小能量密度为____mJ/cm²（忽略热扩散，比热容0.385J/g·K，密度8.96g/cm³）。答案：16.7；497解析：趋肤深度δ=1/α=1/(6×10⁵)=1.67×10⁻⁶cm=16.7nm。体积比热容ρc=8.96×0.385=3.45J/cm³·K，温升ΔT=1058K，能量密度=ρc·δ·ΔT=3.45×1.67×10⁻⁶×1058×10³=497mJ/cm²（×10³转为mJ）。15.（综合）某文物青铜表面覆盖Cl⁻富集有害锈，需激光清洗后保持原始绿绣外观。给出工艺路线并说明控制参数。答案：步骤1：采用532nmns脉冲激光，能量密度0.8J/cm²，光斑重叠率70%，惰性氮气保护，去除0–5μm厚Cl⁻层；步骤2：切换1064nm，能量密度降至0.3J/cm²，重频20kHz，扫描2遍，诱导表面微熔，重结晶封闭微孔；步骤3：雾化去离子水漂洗+冷风吹干，电化学阻抗测试Cl⁻残留<0.1μg/cm²；控制：532nm下严格控制能量密度<1J/cm²，避免Cu₂O→CuO黑变；1064nm需实时红外测温<150℃，防止热应力开裂；色差ΔE<2.0。四、设备结构与控制16.（单选）激光清洗机中“QBH”接口的“Q”原意指A.Quartz B.Quick C.Quarter D.Qualified答案：B解析：QBH=QuickConnectBarrelHousing，由IPG率先推出，实现光纤输出头快速插拔。17.（单选）采用闭环功率反馈的激光清洗机，其采样频率至少应大于A.1kHz B.10kHz C.100kHz D.1MHz答案：B解析：典型脉冲重频10–50kHz，根据奈奎斯特准则，采样频率需>2×信号带宽，故≥10kHz。18.（多选）下列哪些传感器可用于激光清洗在线监测？A.声发射传感器 B.近红外光电二极管 C.高光谱相机 D.激光多普勒测振仪答案：A、B、C解析：声发射检测剥离事件；光电二极管监控反射光强；高光谱获取残留物特征；测振仪用于微位移，与清洗终点关联弱。19.（填空）某二维振镜系统，电机转子惯量J=1.2×10⁻⁶kg·m²，最大扭矩T=0.1N·m，则理论最大角加速度为____rad/s²；若镜片有效光学杠杆k=2，则对应光斑线加速度为____m/s²（f=160mm）。答案：8.33×10⁴；2.67×10⁷解析：α=T/J=0.1/1.2×10⁻⁶=8.33×10⁴rad/s²。线加速度a=α·k·f=8.33×10⁴×2×0.16=2.67×10⁷m/s²。20.（简答）说明激光清洗机“水冷vs风冷”散热方案在功率>500W时的优缺点。答案：水冷优点：热阻低，可支持>2kW连续运行，温度波动<±0.5℃，利于功率稳定；缺点：需外置冷水机，体积大，冬季防冻，维护成本高。风冷优点：无冷却液，便携，10℃即可启动；缺点：散热能力<600W，高环境温度易触发降额，风扇噪声>75dB，长期运行光学元件热透镜效应明显。五、安全与标准21.（单选）依据GB7247.12012，波长1064nm、单脉冲能量2mJ、脉宽20ns、重复频率50kHz的激光清洗机分类为A.Class1 B.Class3R C.Class4 D.Class2答案：C解析：计算平均功率100W，且单脉冲能量>0.125mJ（Class3R极限），属于Class4。22.（单选）激光清洗作业时，下列哪种防护玻璃适用1064nm与532nm双波长？A.OD6+@1064nmPC镜 B.OD7+@190–400nm石英镜 C.OD5+@532nm+OD6+@1064nm复合镜 D.普通黑玻璃答案：C解析：需同时满足两波长光密度，复合镀膜玻璃可在530–540nm与1060–1070nm双带达到OD5+与OD6+，且可见光透过率>30%，利于观察。23.（多选）激光清洗现场应设置的警示标识包括A.激光辐射警告灯 B.声光报警器 C.门禁互锁 D.应急断电按钮答案：A、B、C、D解析：四项均为GB7247.1与IEC608251强制要求。24.（填空）根据ACGIH2023TLV，1064nm激光在10ns–100ns脉宽下的曝光限值（MPE）为____×10⁻³J/cm²；若操作距离2m，光束直径6mm，需佩戴至少OD=____的护目镜。答案：5.0；6.3解析：查表得MPE=5.0×10⁻³J/cm²。能量密度=2mJ/(π·0.3²cm²)=7.07J/cm²，所需OD=log₁₀(7.07/5×10⁻³)=3.15，考虑10×安全裕度，OD=6.3。25.（简答）阐述激光清洗机出口欧盟需满足的CE指令及对应测试项目。答案：1.MD机械指令2006/42/EC：测试项目包括防护罩强度、急停响应时间<0.5s、稳定性倾角>10°；2.LVD低电压指令2014/35/EU：绝缘耐压1.5kVAC，接地电阻<0.1Ω；3.EMC指令2014/30/EU：辐射发射ClassA，静电放电±8kV接触/±15kV空气，射频抗扰度10V/m；4.RoHS指令2011/65/EU：Pb、Hg、Cd等有害物质<1000ppm；5.REACH法规：SVHC高关注物质申报；6.激光安全专用标准EN608251：分类、标签、用户手册警告。六、应用案例与故障诊断26.（单选）某汽车厂使用激光清洗模具，出现“斑马纹”色差，最先应调整的参数是A.脉冲能量 B.扫描速度 C.路径夹角 D.辅助气体压力答案：C解析：斑马纹多为扫描路径夹角不当导致能量叠加不均，优先调整夹角（如由90°改为75°），再考虑能量与速度。27.（单选）激光清洗飞机铆钉周边环氧底漆时，需避免“铆钉热松”，应选择A.连续激光+高速扫描 B.ms脉冲+大光斑 C.ns脉冲+小光斑+高重频 D.超短脉冲+低重频答案：D解析：超短脉冲低重频可瞬间剥离漆层而热影响区<1μm，避免铆钉热膨胀；高重频易热积累。28.（多选）激光清洗后不锈钢焊缝发生锈蚀，可能原因A.清洗后残留Cl⁻ B.表面形成低碳马氏体 C.清洗后放置于潮湿环境>24h D.保护气体含硫杂质答案：A、B、C、D解析：Cl⁻破坏钝化膜；马氏体电位低易腐蚀；潮湿环境加速电化学；硫诱发点蚀。29.（综合）某用户反馈激光清洗机输出功率下降30%，请给出系统排查流程图并列出3种最常见故障点。答案：流程：功率计实测→对比设定→检查QBH端面→检查光纤弯曲半径→检查泵浦电流→检查红光指示→检查控制板PWM→检查冷水机温度→检查腔