激光切割測(cè)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在激光切割過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)切口下表面出現(xiàn)大量熔渣粘附，最優(yōu)先應(yīng)調(diào)整的參數(shù)是A.激光功率??B.輔助氣體壓力??C.脈沖頻率??D.離焦量答案：B解析：下表面熔渣通常因熔融金屬未被高速氣流有效吹走所致，提高輔助氣體壓力可立即增強(qiáng)排渣能力；功率與頻率變化對(duì)熔渣影響相對(duì)滯后，離焦量主要改變切口寬度而非排渣效率。2.使用1.5kW單模光纖激光器切割2mm不銹鋼時(shí)，出現(xiàn)“藍(lán)焰拖尾”并伴隨底部毛刺，下列哪組參數(shù)組合最可能為根本原因A.速度2m/min，氧氣0.3MPa，焦點(diǎn)+1mm??B.速度4m/min，氮?dú)?.0MPa，焦點(diǎn)0mmC.速度6m/min，氮?dú)?.2MPa，焦點(diǎn)–1mm??D.速度8m/min，空氣0.8MPa，焦點(diǎn)–2mm答案：A解析：藍(lán)焰為氧氣與鐵劇烈反應(yīng)的特征，+1mm正焦使能量密度下降，速度又低，導(dǎo)致燃燒區(qū)拉長(zhǎng)，熔渣被二次氧化后粘附；氮?dú)馇懈顭o(wú)藍(lán)焰，空氣雖含氧但能量不足，速度高時(shí)熱輸入低，毛刺反而減少。3.激光切割鋁黃銅（CuZn30）時(shí)，切口邊緣出現(xiàn)周期性波浪紋，波紋間距約等于光斑直徑，最可能的波動(dòng)源是A.伺服電機(jī)丟步??B.噴嘴熱透鏡效應(yīng)??C.脈沖激光的脈動(dòng)重疊率不足??D.機(jī)械導(dǎo)軌直線度誤差答案：C解析：鋁黃銅對(duì)1μm激光吸收率僅35%，需高頻脈沖維持連續(xù)熔池；當(dāng)重疊率<60%時(shí)，每脈沖形成獨(dú)立凹坑，宏觀呈波浪；伺服丟步呈隨機(jī)偏移，熱透鏡效應(yīng)使焦點(diǎn)漂移但無(wú)周期性，導(dǎo)軌誤差周期遠(yuǎn)大于光斑。4.在切割6mm碳鋼時(shí)，將氧氣更換為氮?dú)夂?，發(fā)現(xiàn)底部出現(xiàn)“細(xì)須”狀掛渣，其成分經(jīng)EDS檢測(cè)含高比例Fe?O?，說(shuō)明A.功率不足導(dǎo)致未完全熔透??B.氮?dú)饧兌炔蛔愫蹼s質(zhì)??C.速度過(guò)快熔池提前凝固??D.噴嘴口徑過(guò)大氣體發(fā)散答案：B解析：純氮切割理論上不應(yīng)生成Fe?O?；若氮?dú)夂?gt;0.5%O?，側(cè)向燃燒生成磁性氧化鐵，形成須狀渣；功率不足掛渣為FeO，速度快掛渣為球狀，噴嘴大僅影響寬度而非氧化。5.激光器BPP（光束參數(shù)乘積）從2mm·mrad降至1mm·mrad，對(duì)2mm不銹鋼切割效率的影響是A.速度可提高約30%??B.速度下降但質(zhì)量提升??C.功率閾值降低15%??D.氣體壓力需降低0.2MPa答案：A解析：BPP減半即光束質(zhì)量提升一倍，相同功率下焦點(diǎn)處功率密度提高約1.4倍，熱輸入效率提升，速度可線性增加30%左右；氣體壓力與光束質(zhì)量無(wú)直接關(guān)聯(lián)。6.當(dāng)切割頭電容式調(diào)高器出現(xiàn)“零漂”+0.5mm時(shí)，實(shí)際切口寬度將A.變窄0.05mm??B.變寬0.08mm??C.幾乎不變??D.先窄后寬答案：B解析：零漂+0.5mm等價(jià)于噴嘴遠(yuǎn)離板材，實(shí)際焦點(diǎn)相對(duì)板材下移，對(duì)于負(fù)離焦切割，焦點(diǎn)下移使光斑直徑增大，理論增量Δd≈2·θ·Δz≈0.08mm（θ=0.16rad）。7.在激光切割PET薄膜（50μm）時(shí)，邊緣出現(xiàn)黃色碳化邊，下列措施最有效的是A.改用9.3μmCO?激光??B.增加脈沖寬度至500μs??C.采用水膜冷卻??D.提高重復(fù)頻率至200kHz答案：A解析：PET對(duì)9.3μm吸收率>90%，對(duì)1μm僅30%，改用CO?可顯著降低熱擴(kuò)散區(qū)；脈沖寬增加反而熱影響擴(kuò)大，水膜對(duì)高速卷切不現(xiàn)實(shí)，高頻僅降低單脈沖能量但波長(zhǎng)不匹配仍碳化。8.激光切割1mm鍍鋅鋼板，出現(xiàn)“鋅珠”飛濺并污染鏡片，最佳解決途徑是A.選用釹玻璃鏡片鍍膜??C.采用反噴吹氣簾??C.降低功率20%??D.將鋅層預(yù)酸洗答案：B解析：鋅沸點(diǎn)907℃，低于鐵熔點(diǎn)，瞬間氣化后向上反噴；在噴嘴上方加0.1MPa環(huán)形氣簾可物理阻擋鋅蒸氣，避免鏡片污染；功率降低影響切割透度，酸洗增加工序成本。9.激光器調(diào)制頻率為5kHz，占空比50%，切割2mm鋁時(shí)，若單脈沖能量過(guò)高出現(xiàn)“爆孔”，下列哪項(xiàng)調(diào)整可在保持平均功率不變下抑制爆孔A.頻率升至10kHz，占空比降至25%??B.頻率降至2.5kHz，占空比提至100%C.頻率不變，占空比提至80%??D.頻率5kHz，占空比20%答案：A解析：爆孔因單脈沖能量>蒸發(fā)閾值；保持平均功率P=E·f，提高f、降低E即可；A選項(xiàng)E減半、f加倍，P不變，單脈沖能量最低；B選項(xiàng)E加倍，更嚴(yán)重；C、D平均功率變化或E仍高。10.在激光切割頭維護(hù)中，測(cè)量噴嘴孔徑橢圓度應(yīng)使用A.激光干涉儀??B.二次元影像儀??C.針規(guī)+氣動(dòng)量?jī)x??D.白光共焦傳感器答案：C解析：噴嘴孔徑通常0.8–2.5mm，精度要求±5μm，針規(guī)可快速通過(guò)/止，氣動(dòng)量?jī)x可讀出橢圓度；干涉儀測(cè)波前，二次元效率低，白光傳感器對(duì)高反射小孔邊緣信號(hào)弱。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)同時(shí)增加激光切割不銹鋼的切口錐度A.正離焦量過(guò)大??B.噴嘴對(duì)中偏移0.2mm??C.輔助氣體壓力過(guò)低??D.使用氬氣代替氮?dú)獯鸢福篈、B、C解析：正離焦光斑變大，上下能量梯度差異導(dǎo)致錐度；噴嘴偏移使氣流傾斜，切口單側(cè)熔融增加錐度；氣壓低排渣不足，底部熔融再凝固形成V形；氬氣密度高但無(wú)化學(xué)放熱，對(duì)錐度影響小。12.關(guān)于激光切割熱影響區(qū)（HAZ）的描述，正確的有A.在碳鋼中HAZ硬度一定高于母材??B.在鋁中HAZ寬度與BPP成正比??C.脈沖激光切割HAZ可小于10μm??D.水射流輔助激光可顯著降低HAZ答案：B、C、D解析：碳鋼HAZ可能出現(xiàn)回火軟化區(qū)，硬度不一定高；鋁導(dǎo)熱快，HAZ∝BPP/速度，比例關(guān)系成立；脈沖激光超短皮秒切割PET，HAZ<10μm；水射流帶走熱量，降低峰值溫度。13.激光切割頭鏡片污染后，可能導(dǎo)致的異?，F(xiàn)象包括A.焦點(diǎn)位置向負(fù)方向漂移??B.切縫下部出現(xiàn)連續(xù)毛刺??C.切割面粗糙度Ra值突然增大??D.電容調(diào)高信號(hào)幅值降低答案：A、B、C解析：污染層吸收激光熱透鏡效應(yīng)使焦點(diǎn)下移；能量下降導(dǎo)致底部未透，毛刺增加；功率密度下降使熔池不穩(wěn)定，粗糙度增大；電容信號(hào)與板材距離相關(guān)，鏡片污染不直接影響電容值。14.下列哪些檢測(cè)手段可用于在線監(jiān)測(cè)激光切割是否透割A(yù).同軸視覺(jué)采集等離子體閃光強(qiáng)度??B.噴嘴背部麥克風(fēng)采集聲音頻譜??C.電容傳感器測(cè)量板面距離突變??D.紅外熱像儀測(cè)量切縫出口溫度答案：A、B、D解析：未透割時(shí)等離子體閃光強(qiáng)度驟降；聲音頻譜在1–4kHz段能量下降；電容傳感器僅測(cè)距離，無(wú)法區(qū)分透割；紅外可檢測(cè)底部溫度驟降，判斷未透。15.對(duì)于20kW超高功率激光切割25mm碳鋼，可采用的工藝策略有A.負(fù)離焦–8mm，氧氣1.5MPa，速度0.6m/min??B.雙焦點(diǎn)擺動(dòng)光束，頻率200Hz，振幅1mmC.預(yù)加熱+激光復(fù)合，預(yù)熱溫度300℃??D.采用氮?dú)獯怪鄙淞?側(cè)吹空氣答案：A、B、C解析：負(fù)離焦擴(kuò)大切口，氧氣燃燒放熱可切厚板；擺動(dòng)光束增大切口寬度，利于氣體進(jìn)入；預(yù)熱降低需用功率，減少掛渣；氮?dú)鈱?duì)厚板無(wú)法提供足夠熱量，垂直+側(cè)吹無(wú)化學(xué)放熱，效率低。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分，先判斷對(duì)錯(cuò)，再改正錯(cuò)誤部分）16.激光切割銅時(shí)，采用線偏振光比圓偏振光更容易獲得光滑切面。答案：錯(cuò)。改正：銅為高反射材料，線偏振光在某一方向反射率更高，導(dǎo)致能量耦合不均，應(yīng)采用圓偏振光以獲得各向同性吸收，提高切面質(zhì)量。17.在激光切割頭中，準(zhǔn)直鏡片焦距越短，輸出光束直徑越小，切割焦點(diǎn)處功率密度越高。答案：錯(cuò)。改正：準(zhǔn)直鏡焦距越短，輸出光束發(fā)散角越大，經(jīng)聚焦鏡后焦點(diǎn)直徑反而變大，功率密度下降；應(yīng)選用長(zhǎng)焦距準(zhǔn)直鏡以獲得小焦點(diǎn)。18.激光切割PMMA（亞克力）時(shí)，使用氮?dú)廨o助可獲得火焰拋光效果。答案：錯(cuò)。改正：PMMA對(duì)1μm激光透明，需用9.3μmCO?激光；火焰拋光效果源于激光熱拋光，與氮?dú)鉄o(wú)關(guān)，且氮?dú)鈺?huì)吹走熔融層，反而降低拋光效果，應(yīng)使用空氣或惰性氣氛低速切割。19.噴嘴孔徑與板材厚度成正比關(guān)系，厚度越大孔徑越大，這是為了保證氣體流量。答案：錯(cuò)。改正：噴嘴孔徑主要與激光束直徑匹配，一般取1.2–1.4倍光斑直徑；厚板需更大氣體流量通過(guò)增加氣壓而非孔徑，孔徑過(guò)大導(dǎo)致氣流發(fā)散，切割質(zhì)量下降。20.激光切割過(guò)程中，若突然關(guān)閉輔助氣體，切口寬度會(huì)立即變窄。答案：錯(cuò)。改正：關(guān)閉氣體后熔融金屬無(wú)法及時(shí)排出，熔池?cái)U(kuò)大，切口寬度立即變寬，且底部出現(xiàn)嚴(yán)重掛渣。四、計(jì)算題（每題10分，共20分，需寫(xiě)出公式、代入數(shù)據(jù)、結(jié)果及單位）21.某光纖激光器輸出BPP=1.2mm·mrad，經(jīng)焦距f=150mm的透鏡聚焦，求焦點(diǎn)處光斑直徑d和瑞利長(zhǎng)度Z_R；若切割2mm不銹鋼時(shí)要求焦深覆蓋板厚，問(wèn)允許的最大離焦量Δz，并判斷該透鏡是否滿足。解：光斑直徑d=(4/π)·BPP·(f/D)，其中D為準(zhǔn)直后光束直徑，設(shè)D=20mm，d=(4/π)·1.2·(150/20)=11.46mm·mrad·7.5=0.086mm=86μm。瑞利長(zhǎng)度Z_R=πd2/(4λ)，λ=1.07μm，Z_R=π·(0.086)2/(4·1.07×10?3)=5.4mm。允許最大離焦量±Z_R，即±5.4mm，板厚2mm<5.4mm，故滿足。答案：d=86μm，Z_R=5.4mm，允許±5.4mm，滿足要求。22.用2kW激光切割5mm碳鋼，速度0.5m/min，切口寬度0.3mm，求比能（SE）與熱輸入（HI），并判斷SE是否低于常規(guī)氧氣切割推薦值0.8J/mm3。解：切縫截面積A=板厚×寬度=5mm×0.3mm=1.5mm2。體積去除率Q=A·v=1.5mm2×(500/60)mm/s=12.5mm3/s。比能SE=P/Q=2000W/12.5mm3/s=160J/mm3。熱輸入HI=P/v=2000W/(500/60)mm/s=240J/mm。推薦SE<0.8J/mm3，實(shí)際160J/mm3遠(yuǎn)高于推薦值，說(shuō)明氧氣燃燒放熱未計(jì)入；若考慮氧燃反應(yīng)額外釋放約3×激光能量，則有效SE≈160/4=40J/mm3，仍偏高，應(yīng)提高速度至2m/min以上。答案：SE=160J/mm3，HI=240J/mm，遠(yuǎn)高于推薦，需提速。五、綜合應(yīng)用題（共35分）23.某工廠使用6kW光纖激光器切割10mm碳鋼，原工藝參數(shù)：速度0.4m/min，氧氣0.8MPa，焦點(diǎn)–2mm，噴嘴1.4mm，出現(xiàn)底部掛渣、切面紋路粗糙。請(qǐng)系統(tǒng)分析原因并提出優(yōu)化方案，要求給出新參數(shù)、預(yù)期效果及驗(yàn)證方法。（20分）答案與解析：原因分析：1.速度過(guò)低，熱輸入過(guò)高，燃燒區(qū)過(guò)長(zhǎng)，熔池下墜；2.氧氣壓力不足，排渣動(dòng)能低，底部熔渣無(wú)法完全吹除；3.負(fù)離焦量偏小，切口下端能量密度不足，形成“V”形切口；4.噴嘴1.4mm對(duì)10mm板偏小，氣流發(fā)散角大，有效切割區(qū)短。優(yōu)化方案：1.速度提至0.8m/min，降低熱輸入50%；2.氧氣壓力升至1.2MPa，采用三級(jí)錐形噴嘴，出口馬赫數(shù)≈1.8；3.焦點(diǎn)調(diào)至–4mm，使切口下端仍處高功率密度區(qū)；4.噴嘴口徑增至2.0mm，保持與光束直徑比1.3:1；5.引入20Hz低頻擺動(dòng)，振幅0.5mm，增寬切口，利于氣體進(jìn)入。預(yù)期效果：底部掛渣高度<0.1mm，切面粗糙度Ra從25μm降至10μm，速度提升100%，單位能耗下降35%。驗(yàn)證方法：1.采用激光三角測(cè)量?jī)x掃描底面，掛渣高度>0.1mm區(qū)域比例<5%；2.取樣50mm長(zhǎng)度，使用觸針式粗糙度儀測(cè)Ra；3.金相顯微鏡觀察HAZ寬度，目標(biāo)<0.3mm；4.連續(xù)切割100張板，統(tǒng)計(jì)廢品率<1%。24.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證“光束擺動(dòng)對(duì)減少不銹鋼尖角過(guò)燒”的有效性，要求給出實(shí)驗(yàn)變量、測(cè)量指標(biāo)、數(shù)據(jù)處理方法及誤差控制。（15分）答案與解析：實(shí)驗(yàn)變量：1.擺動(dòng)頻率f：0、50、100、200Hz；2.擺動(dòng)幅值A(chǔ)：0、0.2、0.5、1.0mm；3.拐角半徑R：0.5、1、2mm；4.切割速度v：恒定1m/min。測(cè)量指標(biāo)：1.過(guò)燒區(qū)長(zhǎng)度L：以尖角頂點(diǎn)為基準(zhǔn)，金相測(cè)量熱影響變色區(qū)；2.過(guò)燒深度D：共焦顯微鏡測(cè)表面凹陷深度；3.尺寸誤差Δ：三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)實(shí)際輪廓