激光切割加工技术试题及答案

激光切割加工技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在CO₂激光切割系统中，决定光束模式质量的关键光学元件是A.反射铜镜 B.硒化锌聚焦透镜 C.镀金硅镜 D.扩束镜答案：B解析：硒化锌（ZnSe）透镜对10.6μm波长吸收率最低，热透镜效应小，直接决定焦斑能量分布，从而决定模式质量。反射镜仅改变方向，扩束镜仅改变束腰位置，不决定模式。2.光纤激光器相较于CO₂激光器在切割1mm不锈钢薄板时的主要优势是A.波长更短吸收率更高 B.光电转换效率更高 C.维护周期更长 D.气体消耗更低答案：A解析：1.07μm光纤激光波长约为CO₂的1/10，金属对短波吸收率提升2~3倍，因此可用更低功率实现同等切割速度；B、C、D虽为光纤激光优点，但非“主要”优势。3.激光切割铝合金时最易出现的缺陷是A.挂渣 B.烧角 C.等离子云屏蔽 D.热影响区裂纹答案：C解析：铝对1μm激光反射率高达90%，易在板面形成致密等离子体，屏蔽后续光束，导致切缝突然变浅；挂渣与烧角在碳钢更常见，裂纹在钛合金更突出。4.下列哪组辅助气体组合最适合实现“无氧化无毛刺”碳钢高速切割A.O₂6bar B.N₂20bar C.Air8bar D.Ar15bar答案：B解析：高压N₂以机械方式吹走熔融物，避免氧化反应放热导致挂渣；O₂虽提高速度但留氧化毛刺；Air含氧仍氧化；Ar成本高且密度低，去除熔渣能力弱。5.激光切割中“焦点位置”定义为A.喷嘴下端面到工件上表面距离 B.工件上表面到光束束腰最小直径处距离C.喷嘴中心到工件下表面距离 D.光束束腰到喷嘴出口距离答案：B解析：焦点位置（Δf）是工艺核心参数，正负值直接决定切缝宽度和能量密度；A为“喷嘴间隙”，C、D无物理意义。6.当碳钢板厚由2mm增至10mm，保持相同激光功率，为获得干净切缝应优先A.降低切割速度 B.降低焦点位置 C.降低气体压力 D.降低脉冲频率答案：A解析：厚板需更多能量输入，降低速度是唯一可线性增加线能量且不影响气体动力学的方法；降低焦点或气压反而削弱熔渣去除。7.激光切割过程中出现“底部熔瘤”最可能原因是A.焦点过高 B.速度过快 C.气压过低 D.喷嘴磨损答案：C解析：底部熔瘤本质是熔融金属未被气流完全带走；气压不足导致动量不够；焦点过高仅使切口上宽下窄，速度过快产生整体挂渣，喷嘴磨损影响同心度但非主因。8.在飞行光路系统中，若X轴行程2m，采用反射镜随动补偿，其目的为A.维持恒定的光束直径 B.维持恒定的光束模式 C.维持恒定的光程长度 D.维持恒定的焦点深度答案：C解析：飞行光路光程随轴移动变化，通过移动反射镜使总光程恒定，确保焦斑位置不变；模式由谐振腔决定，焦点深度由透镜焦距决定。9.下列关于“穿孔时间”描述正确的是A.穿孔时间随板厚线性增加 B.采用脉冲穿孔比连续穿孔更易产生飞溅C.采用斜坡功率可缩短穿孔时间 D.氧气穿孔比氮气穿孔更易控制热量答案：C解析：斜坡功率逐步升高，可在孔未贯穿前避免过烧，减少飞溅，从而缩短净穿孔时间；A非线性，B脉冲穿孔飞溅更小，D氧气放热剧烈更难控制。10.激光切割PET薄膜（0.1mm）时，最佳模式为A.连续波高功率 B.连续波低功率 C.高峰值短脉冲 D.长脉冲低频率答案：C解析：PET热敏性强，需用高峰值短脉冲瞬间汽化，减少热累积；连续波易使边缘碳化；长脉冲仍导致熔融。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制不锈钢激光切割“烧角”缺陷A.降低拐角处速度 B.采用脉冲渐变功率 C.提高辅助气体纯度 D.引入“拐角气体开关”策略 E.使用更大喷嘴孔径答案：B、C、D解析：烧角本质是拐角处热量累积；脉冲渐变功率可在轨迹减速时同步降低平均功率；提高N₂纯度减少等离子体再烧蚀；“拐角气体开关”在减速区间瞬时增大气压带走热量；降速反而加剧热量累积，大孔径气流发散削弱吹力。12.关于激光切割“极耳”（锂电池铝极）工艺，正确的有A.采用正离焦可减小热影响区 B.需使用反冲压力辅助排渣 C.需加铜质微齿治具防位移 D.需使用高纯度氮气防氧化 E.需使用CO₂激光器答案：B、C、D解析：铝极耳厚0.2mm，需反冲压力（高气压）将熔铝从窄缝吹出；微齿治具咬合铝箔防高速气流掀起；高纯N₂防Al₂O₃膜增厚；正离焦能量密度下降反而扩大HAZ；CO₂波长反射严重，应选光纤激光。13.下列哪些参数可在激光切割机NC程序中通过G代码直接实时调节A.激光功率百分比 B.脉冲频率 C.气体种类 D.焦点位置 E.喷嘴间隙答案：A、B、C解析：现代系统通过专用M代码或扩展G代码可实时调功率（Q参数）、频率（P参数）、气体（M20~M25）；焦点位置由Z轴高度决定，需事先校准；喷嘴间隙由机械随动系统保持，程序不直接干预。14.关于“光束偏振”对切割质量的影响，正确的有A.圆偏振可消除方向性切缝差 B.线偏振在切割非金属时无影响 C.切割厚碳钢时偏振方向垂直于切割方向更易挂渣 D.光纤激光器输出多为随机偏振 E.通过相位延迟镜可产生圆偏振答案：A、C、E解析：金属对偏振敏感，圆偏振使能量分布各向同性；线偏振在金属切割中导致切缝宽度方向差异；垂直偏振降低前沿吸收，挂渣增加；光纤激光经QBH输出为线偏振，需90°相位延迟镜转圆；非金属吸收对偏振不敏感，B表述正确但非“影响”故不选。15.下列哪些检测手段可用于在线监控激光切割质量A.同轴视觉采集熔渣飞溅图像 B.光电二极管检测穿透孔光强 C.电容式高度传感器 D.激光多普勒测速仪测熔渣速度 E.红外热像仪监测切缝温度场答案：A、B、E解析：同轴视觉可AI识别飞溅密度；穿透孔光强突变反映未切透；红外热像可判断热影响；电容传感器仅测喷嘴间隙，不直接评质量；多普勒测速仪需透明环境，现场不适用。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.激光切割木材时，CO₂激光器比光纤激光器更合适。答案：√解析：木材对10.6μm吸收率>85%，对1μm仅约30%，CO₂效率更高。17.在相同功率下，减小透镜焦距可增大焦深，有利于切厚板。答案：×解析：焦深∝f²，减小焦距缩短焦深，厚板需长焦深，应选长焦距透镜。18.采用氧气切割碳钢时，提高气压一定会提高切割速度。答案：×解析：氧气切割靠氧化放热，气压过高会带走热量，存在最佳气压值，过高反而降速。19.激光切割铜箔时，绿色可见激光器（532nm）比红外光纤激光器吸收率更高。答案：√解析：铜对532nm吸收率≈40%，对1μm仅≈5%，绿色激光可显著降低所需功率。20.喷嘴出口直径越大，气体流场越易形成激波，有利于去除熔渣。答案：×解析：大直径在高压下易形成过膨胀激波，导致气流分离，削弱吹力；小直径更易保持超音速层流。21.激光切割过程中，若Z轴随动响应频率过低，会导致“撞喷嘴”事故。答案：√解析：随动滞后使喷嘴间隙瞬间变小，接触翘曲工件即碰撞。22.采用氮气切割不锈钢时，切缝边缘的铬损耗层厚度与气体纯度无关。答案：×解析：纯度越低，氧杂质越多，铬氧化越严重，损耗层增厚。23.激光切割陶瓷时，预热至200℃可显著降低微裂纹概率。答案：√解析：预热降低温度梯度，减少热震裂纹，是工业常用手段。24.在激光切割编程中，引入“微连接”可防止小零件倾斜，但会增加后续去毛刺工作量。答案：√解析：微连接保留0.1mm未切透桥，零件不掉落，但需人工掰断并打磨。25.激光切割过程中，若喷嘴被熔渣污染，电容式高度传感器会误判为“板材变形”。答案：√解析：电容值与喷嘴板距离相关，渣层改变介电常数，系统误调Z轴。四、填空题（每空2分，共20分）26.在激光切割碳钢时，若出现“螺旋纹”，其频率与________之比接近1:1。答案：脉冲频率与进给速度解析：螺旋纹是脉冲能量周期性叠加痕迹，当脉冲间隔与光斑前进距离相等时形成。27.激光切割中，焦斑直径d≈1.27λf/D，其中D指________。答案：入射光束在聚焦镜处的直径（或“光束直径”）解析：公式为衍射极限焦斑计算，D越大d越小。28.飞行光路系统补偿光程差常采用________结构，使反射镜与移动轴按1:2速度比运动。答案：杠杆式（或“四连杆”）解析：经典1:2杠杆可保持光程恒定，减少伺服电机数量。29.激光切割铜板时，为避免高反射损坏激光器，需在光束路径中加入________镜。答案：倾斜铜镜（或“抗返镜”）解析：倾斜镜使反射光偏离谐振腔，保护LD与光纤端面。30.在激光切割编程中，引入“________”功能可在转角处自动降低功率与速度，减少过烧。答案：拐角自适应（或“功率速度跟随”）解析：现代CNC系统通过角度检测实时插补功率。31.激光切割亚克力时，切口光泽度主要由________参数决定。答案：进给速度（或“切割速度”）解析：速度过低使边缘熔融再固化变磨砂，速度适中得火焰抛光效果。32.激光切割1mm镀锌板，若出现“锌瘤”，应优先________气体压力。答案：降低解析：锌蒸汽被高压气体压入切缝底部再凝固，降低气压可减少锌蒸汽卷入。33.激光切割中，喷嘴端面到工件表面距离一般保持在________mm。答案：0.5~1.5解析：过小易碰撞，过大气体流场发散，切割质量下降。34.采用氧气切割厚碳钢时，最佳焦点位置通常位于工件________。答案：表面下1/3板厚处解析：氧化反应需能量集中于板内，太深则上缘钝，太浅则下缘挂渣。35.激光切割陶瓷时，常采用________辅助工艺，以应力控制方式实现无屑分离。答案：预裂（或“热应力控制切割”）解析：激光局部加热后急冷，产生可控裂纹扩展，实现无屑分离。五、简答题（每题8分，共24分）36.简述激光切割不锈钢厚板（8mm）时，采用氮气高压切割与氧气切割的工艺差异及质量对比。答案：(1)气体：氮气纯度≥99.9%，压力15~20bar；氧气纯度99.5%，压力0.8~1.5bar。(2)功率：氮气需6kW以上以保证足够线能量；氧气3kW即可，因氧化放热提供额外60%能量。(3)速度：氮气切割速度约0.6m/min；氧气可达1.2m/min。(4)挂渣：氮气切口底部几乎无渣，需精确控制焦点与气压；氧气切口下缘易留氧化铁渣，需二次去毛刺。(5)热影响区：氮气HAZ≈0.1mm，晶间腐蚀风险低；氧气HAZ≈0.3mm，晶界铬损耗，耐蚀性下降。(6)成本：氮气消耗20m³/h，运行成本高；氧气消耗2m³/h，但需额外打磨工序，综合成本接近。(7)表面颜色：氮气切口银白，可直接焊接；氧气切口呈黑色氧化层，焊接前需酸洗。解析：高压氮气以机械排渣为主，工艺窗口窄；氧气利用放热，窗口宽但牺牲质量，需按后工序需求选择。37.说明激光切割中“等离子云屏蔽”现象的机理、危害及抑制措施。答案：机理：高功率密度（>5×10⁶W/cm²）使材料蒸汽电离，形成致密等离子体，电子密度ne>10²³m⁻³，激光频率ω<等离子频率ωp，光束被反射或吸收，能量无法到达工件。危害：切缝突然变浅，底部挂渣，速度骤降，出现未切透，长期可烧毁喷嘴与透镜。抑制措施：(1)采用短波长（绿光/蓝光）降低临界电子密度；(2)提高辅助气体压力至30bar，形成超音速层流，吹散等离子体；(3)使用脉冲激光，峰值功率高但平均功率低，减少持续蒸汽；(4)采用同轴侧吹复合喷嘴，引入横向气流剪切等离子体；(5)降低焦点，使能量注入区位于深缝内部，减少蒸汽逸出；(6)加入1%氦气于氮气中，提高电离势，抑制等离子体形成。解析：等离子屏蔽是高功率铝合金切割瓶颈，需多物理场协同抑制。38.阐述激光切割飞行光路“动态焦点补偿”原理及实现方式。答案：原理：飞行光路中，光束行程随轴移动变化，导致透镜聚焦后焦斑在Z向漂移Δz≈(ΔL·NA²)/2，其中ΔL为光程变化，NA为聚焦镜数值孔径。焦斑漂移使切缝宽度与能量密度变化，影响质量。实现方式：(1)机械补偿：在光路中加入可移动扩束镜组，由伺服电机驱动，使扩束镜位移为轴位移的1/2，保持总光程恒定；(2)光学补偿：采用可变曲率反射镜（VRM），通过气压或电磁力改变镜面曲率半径，实时调整等效焦距，补偿Δz；(3)数控补偿：在NC程序中预存ΔzΔL曲线，通过Z轴实时微调工件台面高度，保持焦点相对工件不变；(4)闭环补偿：用同轴CCD测量实际焦斑位置，反馈至Z轴伺服，形成闭环，精度±0.1mm。解析：动态焦点补偿是大幅面（>2m×1m）机床保证全幅面质量一致的关键技术，需机械、光学、控制协同。六、计算题（共11分）39.某光纤激光器输出波长1.07μm，光束质量M²=1.1，经焦距f=200mm、入射直径D=20mm的透镜聚焦，求：(1)理论焦斑直径d；(2)若切割2mm碳钢，要求切缝宽度0.2mm，判断是否满足；(3)若需将焦斑直径缩小至0.05mm，求所需最小D（保持f=200mm）。答案：(1)d=1.27λfM²/D=1.27×1.07×10⁻³×200×1.1/20≈0.015mm(2)0.015mm<0.2mm，满足，实际切缝宽度大于焦斑，由烧蚀与气体流场决定；(3)D=1.27λfM²/d=1.27×1.07×10⁻³×200×1.1/0.05≈60mm解析：焦斑公式考虑M²后更接近实测，扩大入射光束直径可缩小焦斑，但需更大口径光学元件，成本与像差增加。七、综合应用题（共20分）40.某工厂需切割批量汽车B柱热成形钢（22MnB5，板厚1.5mm，抗拉强度1500MPa），要求：切缝无氧化、无微裂纹、毛刺高度<30μm，产能≥120件/h（每件含12个轮廓，周长共2.4m）。现有设备：6kW光纤激光器，最大定位速度120m/min，加速度1g，飞行光路，N₂供应30m³/h（纯度99.9%），喷