激光切割考试题库及答案

激光切割考试题库及答案一、激光切割基础原理与工艺参数1.（单选）在CO₂激光切割低碳钢时，若板厚从2mm增加到6mm，保持切缝宽度不变，应优先调整下列哪一项？A.增大离焦量B.降低脉冲频率C.提高辅助气体压力D.减小喷嘴直径答案：C解析：厚板切割需要更大的动量排除熔渣，提高辅助气体压力可显著增加切缝底部熔渣的排出速度，从而保持切缝宽度稳定。离焦量增大会使光斑变大，切缝变宽；降低脉冲频率对连续波CO₂激光作用有限；减小喷嘴直径反而限制气体流量。2.（单选）光纤激光器在切割高反材料（紫铜）时，为抑制背反射损坏激光器，最有效的内部措施是：A.在谐振腔加装金膜反射镜B.在输出端加λ/4波片C.在传能光纤端面熔接端帽（Endcap）D.在QBH接头处加机械光闸答案：C解析：端帽可扩大光束直径，降低功率密度，使回射光在端面处无法重新耦合进纤芯，从而保护激光器。λ/4波片对1064nm高反材料回射光相位改变有限；金膜反射镜仍会把反射光送回谐振腔；机械光闸属于外部保护，响应速度不足。3.（单选）激光切割不锈钢薄板（0.5mm）时，采用氮气作为辅助气体，若出现底部挂渣且颜色呈金黄色，最可能的原因是：A.气体纯度不足含氧B.焦点位置过于靠上C.切割速度过快D.喷嘴磨损导致涡流答案：A解析：氮气中含氧会在高温下与不锈钢中的Cr、Fe反应生成FeCr₂O₄等氧化物，呈现金黄色挂渣。焦点靠上一般导致切缝上缘烧角；速度过快挂渣颜色应为暗红；喷嘴磨损挂渣分布随机，颜色不特异。4.（填空）已知某光纤激光切割机最大输出功率P=3kW，光束质量因子M²=1.1，聚焦镜焦距f=150mm，入射光束直径D=30mm，则理论焦点光斑直径d=______μm。（保留一位小数）答案：25.4解析：d=1.27λfM²/D，取λ=1.07μm，代入得d=1.27×1.07×150×1.1/30≈25.4μm。5.（判断）在激光切割铝镁合金时，采用氧气作为辅助气体可获得比氮气更小的切缝粗糙度Ra。（）答案：错误解析：氧气与Al反应生成高熔点Al₂O₃，黏度大，易在切缝侧壁形成波纹状附着层，Ra反而增大；氮气抑制氧化，可获得光亮切缝。6.（简答）说明“占空比”在脉冲激光切割中的定义，并指出其对热影响区（HAZ）的影响规律。答案：占空比D=t_on/(t_on+t_off)，其中t_on为脉宽，t_off为脉间。D增大，单脉冲能量增加，峰值功率下降，平均功率上升，热累积效应增强，HAZ加宽；D减小，峰值功率提高，单脉冲能量降低，热累积减弱，HAZ变窄，但过低的D会导致切割效率下降。7.（计算）用2kW单模光纤激光切割5mm碳钢，已知经验切割速度v=1.2m/min，切缝宽度w=0.3mm，材料密度ρ=7.85g/cm³，熔化焓ΔH=1.45kJ/g，热影响系数η=0.6。求理论所需激光功率P_th，并判断设备功率是否富余。答案：截面积A=w×h=0.3mm×5mm=1.5mm²=1.5×10⁻²cm²体积流率Q=vA=1.2m/min×1.5×10⁻²cm²=30cm³/min=0.5cm³/s质量流率m=ρQ=7.85×0.5=3.925g/sP_th=mΔH/η=3.925×1.45/0.6≈9.49kW结论：理论需9.49kW，设备仅2kW，功率严重不足，实际无法切透，需降低速度或增加助熔措施。8.（多选）下列哪些参数组合可用于判断激光切割进入“稳定模切”状态？A.火花流呈直线向下且颜色橙黄B.切缝下缘无挂渣，可轻松脱落C.切割声音连续清脆D.红外测温显示切缝后缘温度骤降E.辅助气体耗量突然增大答案：A、B、C解析：稳定模切时，火花流垂直、声音均匀、挂渣极少；温度骤降与耗气量突变并非稳定模切标志。9.（综合）某车间采用4kWCO₂激光切割20mm不锈钢，原工艺参数：氧压0.6MPa，速度0.3m/min，焦点+2mm（板上），出现底部未切透且切面纹理粗糙。请给出三步优化方案并说明理由。答案：第一步：将辅助气体更换为氮气并提高压力至1.8MPa，避免氧化放热导致熔渣黏度增大；第二步：焦点下调至2mm（板内），增大能量密度于板厚中部，利于穿透；第三步：速度降至0.15m/min，增加线能量，确保底部熔渣充分排出。预期效果：切缝光亮，底部无未透，粗糙度Ra≤25μm。二、设备结构与光路调试10.（单选）CO₂激光器折叠腔中，若一片反射镜的曲率半径由10m误装为5m，将直接导致：A.模体积减小，输出功率下降B.模体积增大，出现多模C.腔长缩短，频率漂移D.光束发散角减小答案：A解析：曲率半径减半，腔本征模腰半径减小，模体积下降，增益区利用不足，输出功率降低，但模式仍可为基模。11.（单选）光纤激光切割头中，准直镜焦距75mm，聚焦镜焦距150mm，若将准直镜更换为焦距100mm，聚焦后光斑直径将：A.增大1.33倍B.减小1.33倍C.增大2倍D.不变答案：A解析：聚焦光斑d∝f_col/focus，f_col由75→100，d增大100/75=1.33倍。12.（填空）在飞行光路系统中，若X轴行程2m，采用恒光路补偿，则补偿镜组需移动行程为______mm。答案：1000解析：恒光路要求光程不变，X轴移动ΔL，补偿镜需同向移动ΔL/2，故2m行程需1m补偿。13.（判断）采用电容式调高器时，喷嘴与工件之间的电容值与板厚呈线性反比关系。（）答案：错误解析：电容C∝1/d，d为极间距，与板厚无直接线性关系；板厚变化通过影响介电常数分布间接改变C，但非线性。14.（简答）说明“红光指示”在激光切割光路调试中的三点作用，并指出其波长范围。答案：1.预览光路：红光可见，便于观察反射镜偏移；2.对焦点：通过红光聚焦烧斑与主激光重合，确认焦点零位；3.安全定位：在正式出光前确认喷嘴与工件间隙，防止撞头。波长范围：630680nm半导体激光。15.（计算）某CO₂激光器输出镜透射率T=15%，增益长度L=1.2m，小信号增益系数g₀=0.8%/cm，腔内损耗α_i=0.3%/cm，求阈值增益g_th及最大输出功率P_out。（已知饱和光强I_s=1kW/cm²，放电管直径d=15mm）答案：g_th=α_i+(1/2L)ln(1/T)=0.003+(1/240)ln(1/0.15)≈0.003+0.0079=0.0109cm⁻¹=1.09%/cm因g₀>g_th，可振荡。输出功率P_out=AI_sT(g₀/g_th1)=π(0.75)²×1×0.15×(0.8/1.091)≈1.77×0.15×(0.266)≈0.07kW结论：g₀<g_th，实际无法起振，需提高g₀或降低损耗。16.（多选）下列哪些情况会导致光纤激光器QBH接头烧毁？A.光纤端面污染B.保护窗口镀膜脱落C.回射光功率超过接头承受阈值D.水冷板流量不足E.激光器调制频率过高答案：A、B、C解析：端面污染吸热、镀膜脱落增透失效、回射光集中均会烧毁QBH；水冷不足影响整个模块，非局部接头；调制频率与热烧毁无直接因果。17.（综合）某设备X轴反向间隙0.08mm，Y轴0.05mm，切割直径100mm圆时，出现明显“尖角”呈四角星形状。请给出光路机械联合调试步骤。答案：1.激光干涉仪检测：确认X、Y定位误差曲线，记录反向间隙；2.伺服调整：在驱动器设“双向补偿”，将X、Y反向间隙分别填入0.08mm、0.05mm；3.光路验证：用红光走四角星轨迹，观察红光与喷嘴中心偏移，若偏移>0.02mm，调整反射镜微调架，使全程偏移在0.02mm内；4.试切：0.5mm不锈钢，速度10m/min，氮气1MPa，若圆度误差≤0.05mm，判定合格。三、材料特性与缺陷分析18.（单选）激光切割钛合金时，切缝边缘出现“αcase”硬化层，其主要原因是：A.高温下氧扩散形成间隙固溶体B.氮与钛反应生成TiNC.氢脆导致晶格畸变D.马氏体相变答案：A解析：钛在高温（>600℃）与氧扩散形成富氧α相，硬度提高，称为αcase；氮化需更高温度；氢脆需含氢环境；马氏体相变在钛合金需快速冷却，非主要因素。19.（单选）对10mm厚紫铜，采用1kW单模光纤激光，最大切割速度受限于：A.高反射率导致耦合效率低B.热导率高导致热影响区大C.熔点高导致需更大功率密度D.氧化膜增加吸收率答案：A解析：紫铜对1064nm反射率>95%，仅约50W吸收，无法形成连续熔池，为首要限制；热导高但线能量可补偿；熔点1083℃并非最高；氧化膜Cu₂O吸收率仍低。20.（填空）在切割6mm铝镁合金时，若表面阳极氧化膜厚度为20μm，其对1064nm激光吸收率约为______%。（已知氧化铝折射率n=1.76，消光系数k≈0）答案：8.5解析：利用薄膜干涉公式，氧化铝在1064nm处光学厚度nd=1.76×20nm=35.2nm，远小于λ/4，吸收率A≈4πk/λ×d≈0，但微观孔隙散射使实测吸收率约810%，取8.5%。21.（判断）激光切割陶瓷（Al₂O₃）时，采用CO₂激光比光纤激光更容易获得垂直切缝。（）答案：正确解析：CO₂波长10.6μm，陶瓷吸收率>80%，热输入深度浅，切缝锥度小；光纤激光吸收率低，需高功率密度，热扩散大，锥度增加。22.（简答）列出激光切割热影响区（HAZ）对不锈钢力学性能的两项负面影响，并给出检测方法。答案：1.敏化：HAZ在500800℃析出Cr₂₃C₆，导致晶间腐蚀倾向增大，可用草酸电解蚀刻试验（GB/T4334.3）检测晶界沟槽；2.微裂纹：热应力使HAZ形成沿晶微裂纹，降低疲劳寿命，可用荧光渗透+金相显微镜（×200）观察裂纹密度。23.（计算）已知碳钢热扩散系数α=0.12cm²/s，激光功率密度q=5×10⁵W/cm²，光斑直径0.2mm，脉冲宽度t=0.5ms，求热影响区深度d_HAZ。（经验公式d_HAZ≈2√(αt)）答案：d_HAZ=2√(0.12×0.0005)=2√(6×10⁻⁵)=2×0.00775cm=155μm。24.（多选）下列哪些缺陷与辅助气体含水量高直接相关？A.切缝边缘氧化色B.底部气泡C.微裂纹D.挂渣多孔E.切面条纹频率变化答案：B、D解析：水分在高温下分解产生H₂、O₂，形成气泡；氧使熔渣氧化，黏度下降，挂渣呈多孔状；氧化色与纯氧相关；微裂纹与热应力相关；条纹频率与速度、频率相关。25.（综合）某航空零件用2mm厚7075T6铝合金，要求切面无微裂纹、粗糙度Ra≤6μm。原工艺：3kW光纤激光，速度8m/min，氮气2MPa，结果Ra=12μm，金相发现5μm微裂纹。请提出三步改进并给出验证指标。答案：1.降低热输入：功率降至1.5kW，速度降至4m/min，保持线能量不变，减少热应力；2.更换辅助气体：采用液氮蒸发196℃低温氮气，提高冷却速率，抑制裂纹扩展；3.后处理：激光切割后立即用CO₂激光器1kW散焦快速扫描（速度10m/min），使HAZ温度均匀化，释放应力。验证：金相检测裂纹长度≤2μm，轮廓仪测Ra≤6μm，拉伸试样HAZ强度≥母材95%。四、数控编程与路径优化26.（单选）在套料软件中，对同一零件阵列排样，若零件间距s与板厚t关系满足s=0.5t+1mm，其主要考虑因素是：A.热影响区叠加B.切缝宽度补偿C.骨架强度防止翘头D.气体流场干扰答案：C解析：间距过小，骨架过窄，切割过程热应力使骨架翘曲，撞坏喷嘴；经验公式保证骨架宽度≥1mm。27.（单选）采用“微连”工艺时，微连长度l与板厚t经验关系为l=0.3√t（t单位mm，l单位mm），当t=4mm时，若l设置过大会导致：A.零件脱落B.微连处熔渣堆积C.二次加工困难D.热变形答案：C解析：l=0.6mm，过大使微连处未割断，需人工掰断，增加二次打磨量；过小则零件脱落。28.（填空）在G代码中，若设置G01X100Y100F2000，激光器PWM占空比寄存器值为512（10位），对应占空比为______%。答案：50解析：10位寄存器最大1023，512/1023≈50%。29.（判断）对于同一圆角矩形，采用“先内后外”切割顺序比“先外后内”热变形更小。（）答案：错误解析：先内孔切割释放内部应力，再切外形时骨架刚性下降，外形易变形；通常采用“先外后内”或“内外交替”以维持骨架刚性。30.（简答）说明“引入线”在激光切割中的功能，并给出两种常用引入线类型及适用场合。答案：功能：避免在零件轮廓起点产生凹坑、挂渣。类型：1.直线引入：长度>0.3t，适用于直线边起点；2.圆弧引入：半径R>2t，适用于曲线轮廓，减少热集中。31.（计算）某零件周长C=2400mm，共20件，板厚3mm，切割速度4m/min，穿孔时间0.2s/孔，每零件2孔，求总加工时间T。（忽略空程）答案：切割时间T_cut=2400×20/4000=12min=720s穿孔时间T_pierce=20×2×0.2=8s总T=728s≈12.1min。32.（多选）下列哪些策略可降低尖角过烧？A.降低占空比B.降低速度C.引入线避开尖角D.尖角处暂停0.1sE.采用“环切”路径答案：A、C、E解析：降占空比减少能量；引入线避开使起点不在尖角；环切分散热量；降速反而加剧过烧；暂停更劣。33.（综合）某企业切割1mm不锈钢手机中框，要求毛刺高度≤0.02mm，原路径为直角引入+顺序切割，毛刺0.05mm。请给出三步优化方案。答案：1.引入线改为R=0.5mm圆弧引入，起点设在直线边中部；2.切割顺序改为“跳割”，即每间隔一个零件切割，降低热累积；3.在转角处采用“减速+占空比渐变”策略：转角前10mm速度降至50%，占空比由80%线性降至40%，转角后恢复。验证：显微镜测毛刺高度≤0.02mm，合格率由85%提升至99%。五、安全生产与环保34.（单选）根据GB7247.12012，4kW光纤激光器属于哪一类激光产品？A.1类B.3R类C.4类D.2类答案：C解析：输出功率>0.5W即为4类。35.（单选）激光切割车间排风管道内，允许的最大臭氧浓度（8hTWA）为______mg/m³。A.0.1B.0.2C.0.3D.0.5答案：B解析：GBZ2.12019规定臭氧TWA0.2mg/m³。36.（填空）当激光器紧急停止后，根据ENISO115531，安全联锁要求激光发射在______ms内终止。答案