激光切割機考試題及答案一、單選題（每題2分，共20分）1.在CO?激光切割機中，決定激光波長最主要的因素是A.反射鏡曲率?B.諧振腔長度?C.工作氣體組分?D.噴嘴孔徑答案：C解析：CO?激光的波長10.6μm由CO?分子振轉(zhuǎn)能級決定，與諧振腔幾何尺寸無關(guān)。2.光纖激光器采用雙包層光纖的核心目的是A.降低閾值功率?B.提高泵浦光吸收效率?C.減小光束質(zhì)量M2?D.抑制受激布里淵散射答案：B解析：內(nèi)包層具有大數(shù)值孔徑與大截面積，可高效耦合多模泵浦光，提升總吸收效率。3.當(dāng)切割不銹鋼時，若輔助氣體由N?切換為O?，可觀察到A.掛渣減少?B.切縫寬度變窄?C.切割速度提高?D.材料表面發(fā)黃消失答案：C解析：O?與Fe發(fā)生放熱反應(yīng)，提供額外熱量，使速度提升30%～50%，但掛渣與氧化層增加。4.激光切割中“焦點位置”定義為A.噴嘴出口到板材上表面距離?B.光束腰斑到噴嘴出口距離?C.光束腰斑到板材上表面距離?D.板材下表面到光束腰斑距離答案：C解析：ISO9013標準明確：焦點位置=光束最小直徑處相對板材上表面的垂直距離，向上為正，向下為負。5.下列哪種傳感器可直接用于實時監(jiān)測激光切割過程穿透狀態(tài)A.電容式高度傳感器?B.同軸視覺CMOS?C.紅外輻射計?D.激光干涉儀答案：C解析：穿透瞬間切縫底部紅外輻射強度驟升，紅外輻射計可捕獲該突變實現(xiàn)穿透檢測。6.在激光切割鋁箔時，最易產(chǎn)生的缺陷是A.熔渣附著?B.熱影響區(qū)過大?C.逆噴濺?D.等離子體屏蔽答案：D解析：鋁對10.6μm吸收率低，需高功率密度，易形成致密等離子體屏蔽入射激光。7.若激光器輸出模式由TEM??變?yōu)門EM??，切割碳鋼板時最可能出現(xiàn)A.切縫上寬下窄?B.切縫表面粗糙度Ra增大?C.切縫垂直度提高?D.底部掛渣減少答案：B解析：高階模能量分布分散，峰值功率密度下降，熔融去除不徹底，粗糙度惡化。8.噴嘴直徑1.5mm，氣體壓力1.0MPa，若改用2.0mm噴嘴并保持質(zhì)量流量不變，則壓力應(yīng)調(diào)至A.0.44MPa?B.0.56MPa?C.0.75MPa?D.1.0MPa答案：B解析：質(zhì)量流量?∝d2√p，d由1.5→2.0，d2增大1.78倍，故p需降為1/1.782≈0.56MPa。9.采用氮氣切割不銹鋼，若板厚由2mm增至4mm，保持功率不變，則最大切割速度近似A.減半?B.不變?C.減至1/√2?D.增至2倍答案：A解析：經(jīng)驗公式v≈P/(k·t)，功率P恒定，k為常數(shù)，t加倍則v減半。10.激光切割過程中，若突然聽到“爆鳴”并伴隨火花逆向噴射，最可能原因是A.噴嘴松動?B.焦點位置過深?C.輔助氣體含水?D.光路正反饋回燃答案：D解析：切割碳鋼時O?逆流進入噴嘴，在激光照射下與噴嘴金屬反應(yīng)，形成回燃，產(chǎn)生爆鳴。二、多選題（每題3分，共15分，少選得1分，錯選0分）11.下列措施可有效抑制激光切割不銹鋼的掛渣A.提高氮氣純度至99.9%?B.焦點位置下調(diào)0.5mm?C.降低進給速度10%?D.采用雙噴嘴設(shè)計答案：A、B、D解析：高純氮減少氧化，焦點下移增大底部能量密度，雙噴嘴輔助氣流更集中，均抑制掛渣；降速反而增加熱輸入，易掛渣。12.造成激光切割“燒角”缺陷的原因有A.拐角處加速度超限?B.脈沖頻率過低?C.噴嘴離板過高?D.伺服滯后答案：A、C、D解析：加速度超限導(dǎo)致減速段能量堆積；噴嘴高則氣體冷卻弱；伺服滯后使光束停留時間延長，均致燒角。13.關(guān)于激光功率閉環(huán)控制，正確的是A.采用分光鏡取樣?B.響應(yīng)時間可達微秒級?C.可補償鏡片熱透鏡效應(yīng)?D.需校準探測器波長依賴性答案：A、C、D解析：閉環(huán)采樣常用分光+熱電堆，響應(yīng)毫秒級；熱透鏡導(dǎo)致焦點漂移，功率閉環(huán)可聯(lián)動調(diào)焦；探測器輸出與波長相關(guān)，必須校準。14.下列材料中，采用CO?激光切割需涂覆吸收層的有A.銅?B.聚四氟乙烯?C.單晶硅?D.金答案：A、D解析：銅、金對10.6μm反射率>95%，需黑漆或氧化層提高吸收；PTFE與硅吸收率足夠。15.激光切割質(zhì)量等級ISO9013Ⅲ對應(yīng)A.垂直度u≤0.2mm?B.粗糙度Rz≤50μm?C.掛渣等級≤2?D.切縫寬度偏差≤0.1mm答案：A、B、C解析：ISO9013Ⅲ為精密級，u≤0.2mm，Rz≤50μm，掛渣≤2級，但對縫寬無絕對數(shù)值要求。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.光纖激光器比CO?激光器更適合切割高反材料，是因為其波長更短。答案：√解析：1.07μm光子能量高，銅、鋁吸收率比10.6μm高3～4倍。17.在相同功率下，脈沖切割一定比連續(xù)切割能獲得更窄的切縫。答案：×解析：脈沖峰值雖高，但平均功率密度下降，縫寬反而增大，且受占空比影響。18.噴嘴與板材之間的電容值隨板厚增加而線性增大。答案：×解析：電容C≈εA/d，d為間距，A為有效面積，與板厚無直接線性關(guān)系。19.激光切割PMMA時，輔助氣體采用壓縮空氣可減少火焰。答案：×解析：空氣中O?助燃，火焰更大；應(yīng)選氮氣或惰性氣體。20.采用氧氣切割碳鋼時，氣體純度從99.5%降至99.0%，切割速度下降可超過5%。答案：√解析：0.5%氮氣稀釋降低氧化反應(yīng)熱，實測速度下降6%～8%。21.激光切割過程中，等離子體云對光纖激光的影響比對CO?激光更嚴重。答案：×解析：1μm波段等離子體吸收截面小，CO?波長更長，更易被等離子體吸收屏蔽。22.在切割銅板時，若表面經(jīng)陽極氧化處理，則最大厚度可提升約30%。答案：√解析：黑氧化層吸收率由5%升至60%，可切厚度由1mm提升至1.3mm。23.激光切割機伺服電機采用絕對式編碼器，斷電后無需回零。答案：√解析：絕對式編碼器記錄單圈/多圈絕對位置，重新上電即可讀取，無需回零。24.采用高頻脈沖激光切割陶瓷，可降低熱裂紋傾向。答案：√解析：脈沖短、峰值高，能量注入時間＜熱擴散時間，降低溫度梯度，抑制裂紋。25.激光切割過程中，同軸吹氣比側(cè)吹更易產(chǎn)生湍流，導(dǎo)致切口粗糙。答案：×解析：同軸氣流與切縫同軸，層流區(qū)穩(wěn)定；側(cè)吹易引入橫向擾動，粗糙度反而增大。四、填空題（每空2分，共20分）26.對于CO?激光，ZnSe透鏡折射率n=2.4，若需焦距f=127mm，則透鏡中心厚度應(yīng)控制在________mm以內(nèi)，以控制球差小于0.1mm。答案：3解析：根據(jù)薄透鏡球差公式Δz≈d(n21)/(8n3NA2)，取NA=0.05，反推d≤3mm。27.采用氮氣切割2mm不銹鋼，激光功率3kW，速度10m/min，則單位長度能量輸入為________J/mm。答案：18解析：E=P/v=3000W/(10000mm/60s)=18J/mm。28.若激光切割機X軸定位精度±0.02mm，重復(fù)定位精度±0.01mm，按ISO2302標準，最大允許反向間隙為________mm。答案：0.02解析：標準規(guī)定反向間隙≤定位精度。29.在激光切割碳鋼時，若氧化反應(yīng)熱占總能量的比例約為60%，則理論化學(xué)能貢獻相當(dāng)于激光功率的________%。答案：60解析：題目已給比例，直接填60。30.采用氧氣切割5mm碳鋼，經(jīng)驗公式v=K·P/t，若K=0.8m·mm/(kW·min)，P=2kW，則最大速度為________m/min。答案：0.32解析：v=0.8×2/5=0.32m/min。31.激光切割鋁箔時，若選用1.07μm光纖激光，鋁的吸收率約________%。答案：35解析：實測1μm鋁吸收率35%，遠高于10.6μm的5%。32.噴嘴出口馬赫數(shù)Ma=1時，氣體密度與滯止密度之比約為________。答案：0.63解析：等熵流ρ/ρ?=(1+0.2Ma2)^2.5=0.63。33.若激光器電光效率η=30%，整機功耗10kW，則輸出激光功率為________kW。答案：3解析：Pout=η·Pin=0.3×10=3kW。34.采用氮氣切割不銹鋼，氣體耗量Q=K·t·v，若K=6L/(mm·m)，t=3mm，v=0.5m/min，則耗量為________L/min。答案：9解析：Q=6×3×0.5=9L/min。35.激光切割6mm銅板，所需最小功率密度約________×10?W/cm2。答案：5解析：銅導(dǎo)熱快，實測需≥5×10?W/cm2方可起切。五、簡答題（每題8分，共24分）36.簡述激光切割不銹鋼時“掛渣”形成的物理機制，并給出兩項工藝優(yōu)化措施。答案：掛渣本質(zhì)是熔融金屬未被高速氣流充分帶走，在切縫底部重新凝固。機制：1.底部能量密度不足，熔體黏度大；2.氣流在切縫下部膨脹，靜壓升高，速度下降，剪切力減弱；3.表面張力使熔滴附著。優(yōu)化：①焦點位置下調(diào)0.3～0.5mm，提高底部功率密度；②采用雙噴嘴結(jié)構(gòu)，主噴嘴φ1.0mm，輔噴嘴φ2.5mm環(huán)狀，形成超音速環(huán)流，增強底部剪切；③提高氮氣純度至99.9%，降低氧化黏度；④速度降低5%與氣壓提升10%同步進行，保持能量輸入不變而增強排渣。37.對比CO?與光纖激光在切割鋁合金時的優(yōu)缺點。答案：CO?：波長10.6μm，鋁吸收率僅5%，需高功率或吸收涂層；優(yōu)點：等離子體吸收弱，可切厚板；缺點：需反射鏡，光路復(fù)雜，維護高，電光效率10%。光纖：波長1.07μm，吸收率35%，無需涂層；優(yōu)點：電光效率30%，聚焦斑點小，反射鏡少，維護低；缺點：高反易損光纖端面，需背反隔離器；等離子體雖弱但熱輸入高，易翹曲；厚板>20mm質(zhì)量不如CO?。綜合：≤10mm鋁，光纖速度與成本占優(yōu)；>15mm厚板，CO?垂直度與掛渣更優(yōu)。38.說明激光切割過程中“等離子體屏蔽”現(xiàn)象的檢測方法及其抑制策略。答案：檢測：1.同軸光電二極管監(jiān)測3～5μm波段輻射強度，若信號驟升>20%則判定等離子體；2.高頻探頭采集聲發(fā)射信號，頻譜1～5MHz峰值升高；3.激光功率計實時采樣，功率下降>5%觸發(fā)報警。抑制：①降低占空比或提高脈沖頻率，降低峰值功率；②噴嘴距板降至0.5mm，提高氣流速度；③采用1.0MPa高壓氮氣吹掃，降低等離子體密度；④正焦位置上調(diào)0.2mm，減少表面峰值強度；⑤使用抗等離子體涂層（石墨）吸收離子，縮短等離子體壽命。六、計算題（共31分）39.（10分）某光纖激光切割機輸出4kW，聚焦鏡焦距200mm，光纖芯徑50μm，光束質(zhì)量因子M2=1.1。求：(1)聚焦光斑直徑d；(2)焦點處功率密度I；(3)若切割5mm碳鋼，經(jīng)驗速度v=0.4P/t，問最大速度。答案：(1)d=4λfM2/(πD)=4×1.07×10?3mm×200mm×1.1/(π×0.05mm)=0.06mm；(2)I=4P/(πd2)=4×4000/(π×0.062)=1.4×10?W/cm2；(3)v=0.4×4/5=0.32m/min。解析：采用高斯光束聚焦公式，注意單位統(tǒng)一；經(jīng)驗系數(shù)0.4由實驗擬合。40.（10分）CO?激光切割6mm不銹鋼，氮氣輔助，噴嘴直徑2mm，入口壓力1.2MPa，溫度293K，氣體常數(shù)R=296J/(kg·K)，比熱比γ=1.4。求：(1)噴嘴出口速度（假設(shè)等熵膨脹至大氣壓）；(2)若氣體耗量與切縫面積成正比，切縫寬0.3mm，速度0.5m/min，求耗量（g/min）。答案：(1)臨界壓力p=0.528p?=0.634MPa，出口達音速，T=T?×0.833=244K，v=√(γRT)=√(1.4×296×244)=310m/s；(2)切縫面積A=0.3mm×6mm=1.8mm2，體積流量Q=A·v=1.8×10??m2×0.5/60=1.5×10??m3/s，密度ρ=p/RT=6.34×10?/(296×244)=8.8kg/m3，質(zhì)量流量?=ρQ=8.8×1.5×10??×60=0.0079kg/min=7.9g/min。解析：先判斷臨界流，再用等熵關(guān)系；注意單位換算。41.（11分）某激光切割機X軸伺服電機需加速至最大速度60m/min，加速度時間0.2s，負載質(zhì)量500kg，絲杠導(dǎo)程20mm，效率90%，求：(1)所需電機扭矩；(2)若電機額定扭矩12N·m，是否滿足；(3)若用齒輪減速比1:2，重新計算扭矩并判斷。答案：(1)a=v/t=60/60/0.2=5m/s2，F(xiàn)=ma=500×5=2500N，絲杠轉(zhuǎn)矩T=F·P/(2πη)=2500×0.02/(2π×0.9)=8.84N·m；(2)8.84<12，滿足；(3)減速后轉(zhuǎn)速減半，扭矩×2，負載扭矩折算至電機軸為8.84/2=4.42N·m，電機輸出扭矩需求減半，仍滿足。解析：直線運動折算旋轉(zhuǎn)扭矩，考慮效率；減速比影響速度與扭矩。七、綜合應(yīng)用題（共30分）42.某工廠需切割批量20mm厚Q235碳鋼，要求垂直度u≤0.3mm，粗糙度Rz≤100μm，