激光切割考试题及答案

激光切割考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在CO₂激光切割中，决定切口宽度的首要参数是A.辅助气体压力B.激光功率密度分布C.喷嘴直径D.板材厚度答案：B解析：切口宽度（kerf）主要由激光束在焦点处的功率密度分布决定，功率密度高斯分布的束腰半径直接对应最小切缝尺寸，其余选项为次要影响因素。2.使用1μm光纤激光切割6mm不锈钢时，最易出现的缺陷是A.挂渣（dross）B.切缝过窄C.热影响区过大D.等离子体屏蔽答案：A解析：1μm波长对不锈钢吸收率高，热输入集中，底部熔体不易被气体完全吹除，形成挂渣；光纤激光热影响区本就不大，等离子体屏蔽多在厚碳钢高功率下出现。3.下列哪种辅助气体组合最适合快速切割2mm铝镜面板A.氧气2barB.氮气15barC.压缩空气1barD.氩气0.5bar答案：B解析：高压氮气可抑制氧化反应，避免镜面反射，同时高压提供强动能吹除熔体；氧气会生成高熔点Al₂O₃，空气含氧仍易黑边，氩气密度大却成本高且切割效率低。4.激光切割中“烧角”现象通常指A.转角处功率过剩导致过烧B.喷嘴碰撞板材C.激光器突然跳闸D.伺服电机失步答案：A解析：转角处进给瞬时下降，若控制系统未实时调低功率，能量堆积造成过烧，即“烧角”。5.在飞行光路系统中，若采用固定式扩束镜，当切割头Z轴升高时，光斑直径会A.线性增大B.线性减小C.先减小后增大D.基本不变答案：D解析：固定扩束镜已把光束准直，Z轴变化仅改变焦点位置，不改变准直后束径，故光斑直径不变。6.下列关于“爆破穿孔”描述正确的是A.使用低峰值功率长时间预热B.穿孔时间随板厚线性增加C.峰值功率≥连续功率3倍，时间<0.5sD.必须配合氧气使用答案：C解析：爆破穿孔利用毫秒级高脉冲快速熔穿，减少热积累；与气体种类无关，时间远小于线性预估。7.激光切割碳钢时，出现“梳状条纹”主要因为A.焦点位置过高B.进给速度过快C.脉冲频率与进给匹配不当D.喷嘴磨损答案：C解析：脉冲切割时频率与进给速度未严格同步，每脉冲间距忽大忽小，形成周期性条纹，类似梳子。8.采用“渐进穿孔”策略的主要目的是A.降低喷嘴污染B.减小热透镜效应C.防止厚板穿孔飞溅在喷嘴端面结瘤D.提高激光器电光效率答案：C解析：渐进穿孔分段升高功率或Z轴，让熔渣有时间下落，减少向上飞溅黏附喷嘴。9.激光切割中，若焦点深度（瑞利长度）Z_R增大，则A.切口宽度必然变宽B.对板厚适应性提高C.光束质量因子M²减小D.功率密度一定升高答案：B解析：Z_R=πw₀²/λ，增大意味着焦深变长，对厚板焦点位置容差大，切割稳定性提高；与M²无直接因果。10.在切割铜箔（0.05mm）时，为获得镜面边缘，应优先采用A.高峰值紫外纳秒激光B.连续光纤激光+氮气C.超快皮秒激光D.CO₂激光+氧气答案：C解析：皮秒激光非热熔机制，可直接汽化材料，重铸层极小，边缘镜面；紫外纳秒仍属热熔范畴，热影响明显。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些措施能有效抑制激光切割不锈钢时的黑渣A.焦点下调至板内1/3处B.氮气压力提升至20barC.选用小口径喷嘴D.降速20%并同步降功率E.使用富氧气体答案：A、B、D解析：焦点下移可增加底部能量，高压氮气提供更强动能，降速降功率减少未完全排出的熔体；小口径喷嘴反而限制流量，富氧会氧化生成黑渣。12.关于光束质量因子M²，下列说法正确的是A.M²越接近1，聚焦能力越好B.多模激光器M²一定大于单模C.M²与波长无关D.测量M²需采集至少10个横截面光斑E.M²可通过自适应光学改善答案：A、B、D、E解析：M²定义即基模高斯光束倍数，多模高阶模叠加M²大；测量标准ISO11146需多截面拟合；自适应光学可校正波前，降低M²；M²本身定义与波长无关，但聚焦后焦斑尺寸与波长有关。13.造成激光切割“等离子体屏蔽”的直接原因包括A.功率密度>10⁶W/cm²B.辅助气体未电离C.材料蒸汽密度过高D.喷嘴离板间隙<0.5mmE.使用1μm激光切割碳钢答案：A、C解析：功率密度高致蒸汽电离形成等离子体，吸收激光；气体未电离不会屏蔽；间隙小主要导致气流紊乱而非屏蔽；1μm对碳钢吸收率高于10.6μm，更易屏蔽。14.在飞行光路中，以下哪些因素会引起焦点漂移A.镜片热透镜效应B.环境温度变化致床身热胀C.反射镜角度微调D.激光器输出波长漂移E.伺服电机编码器误差答案：A、B、C解析：热透镜改变等效焦距；床身热胀改变反射镜空间位置；反射镜角度变化改变光程；波长漂移对焦点影响极小；编码器误差影响进给，不改变焦点。15.激光切割PET薄膜（50μm）时，出现切边熔珠，可采取A.改用193nmArF激光B.降低脉冲占空比C.增加进给速度D.采用水膜冷却E.使用飞秒激光答案：B、C、E解析：降低占空比减少热积累，提速缩短热作用，飞秒非热熔；193nm被PET强烈吸收但成本高，水膜对薄膜易起皱，非首选。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.激光切割铝合金时，切口角度总是垂直于板面。答案：×解析：高反材料易在底部出现负锥度，因底部能量不足，熔体未完全吹除。17.在同等功率下，光束质量M²=1.1的激光器比M²=6的切缝更窄。答案：√解析：M²小则聚焦光斑小，切缝窄。18.使用氧气切割碳钢时，切口边缘硬度一定低于母材。答案：×解析：氧化反应放热导致边缘出现淬硬马氏体，硬度升高。19.激光器调制频率越高，切割表面粗糙度Ra一定越小。答案：×解析：频率过高可能致脉冲重叠严重，热积累增加，粗糙度反而变大。20.喷嘴端面与板件间距称为“standoff”，通常保持0.5–1.2mm。答案：√解析：标准工艺窗口，过大气流扩散，过小易碰撞。21.在瑞利长度范围内，光斑直径变化不超过5%。答案：√解析：瑞利长度定义即光斑面积增至2倍（直径增至√2倍）的距离，5%以内可近似不变。22.激光切割时，辅助气体纯度对不锈钢挂渣重量无显著影响。答案：×解析：氮气含氧>0.1%即可生成Cr₂O₃高熔点渣，挂渣重量显著增加。23.采用“微喷”喷嘴可在同等气压下获得更高气体密度。答案：√解析：微喷结构产生超音速气流，密度提升，切割能力增强。24.激光功率密度与扫描速度成反比关系。答案：×解析：功率密度为单位面积功率，与速度无关；单位长度能量与速度成反比。25.激光切割木材时，CO₂激光比光纤激光更高效。答案：√解析：木材对10.6μm吸收率>90%，对1μm仅约30%，CO₂更高效。四、填空题（每空2分，共20分）26.激光切割中，焦斑直径d与波长λ、焦距f、入射光束直径D的关系近似为d=________。答案：2λf/πD解析：衍射极限光斑公式，取1/e²定义。27.当切割5mm碳钢时，若激光功率3kW，进给速度1.5m/min，则单位长度能量为________J/mm。答案：120解析：E=P/v=3000W÷(1500mm/60s)=120J/mm。28.在氧气切割碳钢时，化学反应热约占所需总能量________%。答案：60解析：文献实测，厚板氧助燃反应放热占总能60%，激光提供40%。29.激光切割中，喷嘴直径d_n与板厚t的经验关系为d_n≈________·t。答案：0.5–0.8解析：经验值，薄板取0.5，厚板取0.8，保证气流刚度。30.飞行光路系统中，若X轴行程4m，最大加速度1g，则理论最小定位时间（三角速度模式）为________s。答案：0.09解析：t=2√(s/a)=2√(4/9.81)≈0.09s。31.激光器BPP（光束参数乘积）值等于________与________的乘积。答案：束腰半径；远场半角解析：BPP=w₀·θ，单位mm·mrad。32.在切割铜板（2mm）时，若采用10kW多模激光，焦点位置应位于板面上方________mm处，以抑制等离子体。答案：+2解析：正离焦扩大光斑，降低功率密度，抑制等离子体屏蔽。33.激光切割PET时，若使用9.3μmCO₂激光，其机理以________为主。答案：光热分解解析：9.3μm对应C=O键共振吸收，断键后材料直接气化。34.激光切割中，若喷嘴出口马赫数Ma=2.0，则理想气体压力比P₀/P_e=________。答案：7.8解析：等熵关系，(1+0.2Ma²)^3.5=7.8。35.在切割非金属材料时，常用“空气辅助”而非氮气，其原因是________。答案：降低成本且氧化放热可提高切割速度解析：非金属对边缘氧化不敏感，空气含氧可额外供能。五、简答题（每题8分，共24分）36.简述激光切割不锈钢时“挂渣”形成的物理过程，并给出三种工程抑制手段。答案：物理过程：激光熔化材料形成熔池，辅助气体向下吹扫；当熔体黏度大、表面张力高或气体动量不足时，部分熔体在切口底部重新凝固，形成固态挂渣。抑制手段：1.高压氮气（≥18bar）增加吹力；2.焦点下调至板内1/3，提高底部能量，降低熔体黏度；3.采用小喷嘴（⌀1.0mm）提高气体出口速度，增强剪切力。37.说明飞行光路系统产生“焦点漂移”的两大机理，并给出补偿方案。答案：机理：1.光学镜片热透镜效应：镜片吸收激光升温，折射率变化，等效焦距缩短，焦点下移；2.机床热胀冷缩：大型龙门在日间温升下，反射镜支座间距增大，光程延长，焦点上移。补偿方案：1.实时温感+伺服Z轴闭环，每0.5s修正焦点；2.采用低吸收率<0.15%的铜镜或Si镜，并通水冷恒温22℃；3.床身布置5个温度传感器，建立热变形模型，通过CNC前瞻插补动态调整反射镜角度，实现光程预补偿。38.激光切割1mm陶瓷基板（Al₂O₃）出现微裂纹，请分析原因并提出工艺优化路径。答案：原因：陶瓷热膨胀系数低，导热差，激光局部加热产生陡峭温度梯度，热应力超过断裂韧性，形成微裂纹。优化路径：1.采用355nm紫外激光，光子能量高，以光化学冷加工为主，减少热输入；2.使用超快皮秒激光，脉冲宽度<10ps，热扩散长度<1μm，抑制裂纹；3.预加热基板至200℃，降低温度梯度；4.多道切割，每道深度20μm，减少单次热冲击；5.切割后立刻超声清洗并退火1h，释放残余应力。六、计算题（共31分）39.（10分）某光纤激光器输出4kW，波长1.07μm，聚焦镜焦距200mm，入射准直光束直径30mm，材料为碳钢，吸收率85%。求：(1)理论焦斑直径d；(2)峰值功率密度I₀；(3)若切缝宽度等于d，忽略损失，计算切割5mm厚板时的最大理论进给速度v_max（已知汽化潜热+熔化焓总和ΔH=9.5kJ/cm³，板材密度ρ=7.85g/cm³）。答案：(1)d=2λf/πD=2×1.07×10⁻³mm×200/(π×30)=4.5μm(2)焦斑面积A=π(d/2)²=π(2.25×10⁻³)²=1.59×10⁻⁵cm²I₀=P·η/A=4000×0.85/1.59×10⁻⁵=2.14×10⁸W/cm²(3)单位体积能量E_v=ΔH=9.5kJ/cm³切缝截面积A_k=d·t=4.5×10⁻³cm×0.5cm=2.25×10⁻³cm²体积去除率Q=P·η/E_v=3400/9500=0.358cm³/sv_max=Q/A_k=0.358/2.25×10⁻³=159cm/s=95.4m/min40.（10分）某CO₂激光切割6mm不锈钢，原参数：P=2kW，v=1m/min，氮气压力15bar，挂渣高度0.3mm。现欲将挂渣降至0.1mm以下，实验表明挂渣高度h∝P^0.8/v^1.2。求：(1)若功率不变，速度应提至多少？(2)若速度最大只能提高20%，功率应降至多少？答案：(1)h₁/h₂=(v₂/v₁)^1.2⇒0.3/0.1=(v₂/1)^1.2⇒v₂=1×3^(1/1.2)=2.46m/min(2)v₂=1.2m/min，则0.3/0.1=(P₁/P₂)^0.8×(1.2/1)^1.2⇒3=(2/P₂)^0.8×1.24⇒(2/P₂)^0.8=2.42⇒2/P₂=2.42^(1/0.8)=2.95⇒P₂=0.68kW41.（11分）飞行光路系统，X轴行程3m，Y轴1.5m，反射镜安装于铝合金横梁（线胀系数α=23×10⁻⁶/℃）。早夜温差10℃，导致X向光程变化。若系统无补偿，求：(1)焦点纵向漂移量Δz；(2)若要求漂