激光切割理論考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在CO?激光切割中，決定材料對(duì)激光吸收率的首要因素是A.激光功率密度B.材料表面粗糙度C.激光波長(zhǎng)與材料耦合系數(shù)D.輔助氣體壓力答案：C解析：10.6μm波長(zhǎng)的CO?激光能否被金屬高效吸收，取決于材料在該波段的復(fù)折射率，即耦合系數(shù)；功率密度、粗糙度、氣壓均為次要因素。2.光纖激光器相比CO?激光器在切割不銹鋼薄板時(shí)的最大優(yōu)勢(shì)是A.光束質(zhì)量因子M2更低B.光電轉(zhuǎn)換效率提升約4倍C.波長(zhǎng)更短導(dǎo)致等離子體屏蔽效應(yīng)減弱D.噴嘴壽命延長(zhǎng)答案：B解析：光纖激光器電光效率30%～35%，CO?僅7%～10%，能耗大幅下降，其余選項(xiàng)為次要或錯(cuò)誤。3.激光切割出現(xiàn)“掛渣”且底部切口呈波浪形，最優(yōu)先調(diào)整的參數(shù)是A.焦點(diǎn)位置向上偏移0.5mmB.降低切割速度10%C.將氧氣壓力提高0.3barD.將脈沖頻率從5kHz調(diào)至2kHz答案：A解析：焦點(diǎn)下移過(guò)深導(dǎo)致能量在板內(nèi)沉積，熔體無(wú)法被氣流有效帶走；先抬焦點(diǎn)可快速驗(yàn)證是否為能量密度過(guò)剩。4.在鋁材空氣切割中，常出現(xiàn)切口發(fā)黑的根本原因是A.氧化膜過(guò)厚B.等離子體屏蔽C.鋁的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)高D.空氣中氮?dú)馀c熔鋁反應(yīng)生成AlN答案：D解析：高溫下Al與N?反應(yīng)生成高熔點(diǎn)AlN顆粒附著于切口，形成黑色毛刺；氧氣切割則生成Al?O?，顏色偏白。5.激光切割碳鋼時(shí)，氧氣純度從99.5%降至99.0%，對(duì)切割速度的影響約為A.下降2%B.下降8%C.下降15%D.幾乎無(wú)變化答案：B解析：氧燃反應(yīng)熱占碳鋼切割總能量輸入60%以上，純度每下降0.1%，反應(yīng)熱減少約3%，綜合速度下降約8%。6.下列哪種噴嘴設(shè)計(jì)最能抑制等離子體云的形成A.單孔直筒φ1.2mmB.雙錐度拉瓦爾噴口C.三孔斜吹D.環(huán)形負(fù)壓吸嘴答案：B解析：拉瓦爾噴口可將氣流加速至超音速，降低噴嘴出口壓力，抑制等離子體密度；三孔斜吹用于減少掛渣，非抑等離子體。7.激光功率6kW，切割3mm不銹鋼，速度10m/min，光斑直徑0.15mm，則功率密度約為A.3.4×10?W/cm2B.1.7×10?W/cm2C.3.4×10?W/cm2D.1.7×10?W/cm2答案：C解析：功率密度P/(πr2)=6000/(π×0.00752)=3.4×10?W/cm2。8.在飛行光路系統(tǒng)中，若X軸行程2m，采用鏡座移動(dòng)速度最大可達(dá)2g，則反射鏡最小允許質(zhì)量為A.0.5kgB.1.0kgC.1.5kgD.2.0kg答案：A解析：根據(jù)伺服電機(jī)最大推力與加速度關(guān)系F=ma，輕型鏡座0.5kg即可滿足2g加速度且保持光路穩(wěn)定。9.激光切割過(guò)程中，若突然聽(tīng)到“爆鳴”并伴隨切割面粗糙度劇增，最可能發(fā)生了A.噴嘴堵塞B.激光器跳模C.等離子體擊穿空氣D.板材分層答案：C解析：高功率密度下等離子體密度驟增，電子碰撞雪崩擊穿空氣產(chǎn)生爆鳴，伴隨光束散射，切口質(zhì)量劣化。10.采用氮?dú)馇懈?mm不銹鋼，若將氣壓從10bar提至20bar，則切割速度可提升約A.5%B.15%C.30%D.50%答案：B解析：氮?dú)馇懈顚偃垠w噴射機(jī)制，氣壓翻倍后剪切力增強(qiáng)，但邊際效應(yīng)遞減，實(shí)測(cè)約15%。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些措施可有效減少激光切割熱影響區(qū)（HAZ）寬度A.提高切割速度B.采用脈沖激光C.降低激光功率D.使用高沸點(diǎn)輔助氣體E.將焦點(diǎn)置于板件底面答案：A、B、C解析：提高速度、脈沖模式、降低功率均減少線能量；高沸點(diǎn)氣體與HAZ無(wú)關(guān)；焦點(diǎn)置底面反而增加HAZ。12.關(guān)于激光切割的“燒角”缺陷，下列說(shuō)法正確的是A.常出現(xiàn)在尖角起始點(diǎn)B.與加速度過(guò)大有關(guān)C.可通過(guò)“降速過(guò)角”功能抑制D.與噴嘴離板高度突變無(wú)關(guān)E.僅CO?激光器出現(xiàn)答案：A、B、C解析：尖角處速度滯后導(dǎo)致能量堆積；加速度大時(shí)速度無(wú)法及時(shí)下降；控制系統(tǒng)“降速過(guò)角”可緩解；離板高度突變亦會(huì)誘發(fā)；光纖激光同樣存在。13.在激光切割編程中，引入“微連接”的主要目的有A.防止工件翹起B(yǎng).減少零件熱變形C.降低氣體消耗D.避免切割結(jié)束時(shí)的“熔瘤”E.提高材料利用率答案：A、B、D解析：微連接使零件與骨架相連，防止翹起與熱變形，并避免終點(diǎn)熔瘤；與氣體消耗、材料利用率無(wú)直接關(guān)系。14.下列哪些材料通常禁止用氧氣切割A(yù).鈦合金B(yǎng).鍍鋅鋼板C.304不銹鋼D.銅合金E.聚碳酸酯答案：A、D、E解析：鈦高溫氧化燃燒；銅氧化層熔點(diǎn)高難排渣；聚碳酸酯為易燃塑料；鍍鋅鋼可用氧切但煙塵大；304可用氧切但發(fā)黑。15.激光切割頭中，電容式調(diào)高器受哪些因素干擾最大A.板面水漬B.等離子體輝光C.噴嘴熱膨脹D.切割速度E.板材磁導(dǎo)率答案：A、B、C解析：水漬改變介電常數(shù)；等離子體輝光干擾電容場(chǎng)；熱膨脹改變零位；速度與磁導(dǎo)率幾乎無(wú)影響。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.激光切割的切縫寬度總是隨板厚線性增加。答案：×解析：切縫寬度與光束聚焦深度、瑞利長(zhǎng)度、氣體流場(chǎng)有關(guān)，薄板區(qū)非線性，厚板區(qū)趨于飽和。17.采用圓偏振鏡可消除切割方向?qū)η锌诖植诙鹊母飨虍愋?。答案：√解析：圓偏振使材料對(duì)激光吸收與切割方向無(wú)關(guān)，改善各向異性。18.在鋁材空氣切割中，提高激光頻率可顯著減少掛渣。答案：×解析：鋁切割需高單脈沖能量，頻率過(guò)高導(dǎo)致平均功率上升，熔池變大，掛渣反而增加。19.激光切割頭噴嘴材料通常為無(wú)氧銅，主要目的是提高導(dǎo)熱性防止粘渣。答案：√解析：無(wú)氧銅導(dǎo)熱>380W/(m·K)，可快速散熱，降低粘渣概率。20.激光功率不變，僅將光斑直徑縮小一半，則功率密度提高一倍。答案：×解析：功率密度與半徑平方成反比，直徑減半則密度提高4倍。21.采用氮?dú)馇懈畈讳P鋼時(shí)，氣體純度每下降1%，切割速度約下降3%。答案：√解析：氮?dú)饧兌认陆蛋殡S氧氣雜質(zhì)，微量氧導(dǎo)致邊緣發(fā)藍(lán)并降低噴射效率，實(shí)測(cè)約3%。22.激光切割的“起刀線”長(zhǎng)度與板厚無(wú)關(guān)，只與激光功率有關(guān)。答案：×解析：起刀線需穿透板厚，厚板需更長(zhǎng)預(yù)熱段，與板厚強(qiáng)相關(guān)。23.在飛行光路系統(tǒng)中，若采用3D反射鏡，鏡座需做消像散處理。答案：√解析：3D鏡傾斜入射會(huì)引入像散，需特殊面形補(bǔ)償。24.激光切割頭保護(hù)鏡片污染會(huì)首先表現(xiàn)為切割面下表面掛渣增多。答案：×解析：保護(hù)鏡污染導(dǎo)致能量衰減，首先表現(xiàn)為上表面毛刺增多，下表面掛渣為后期現(xiàn)象。25.激光切割碳鋼厚板時(shí)，采用“漸進(jìn)穿孔”可減少飛濺對(duì)鏡片的污染。答案：√解析：漸進(jìn)穿孔功率逐步上升，熔池穩(wěn)定，飛濺減少。四、填空題（每空2分，共20分）26.激光切割中，表征光束聚焦能力的無(wú)量綱參數(shù)為_(kāi)_______，其定義為_(kāi)_______。答案：光束質(zhì)量因子M2，實(shí)際光束發(fā)散角與理想高斯光束發(fā)散角之比。27.當(dāng)激光功率密度超過(guò)________W/cm2時(shí)，不銹鋼表面會(huì)產(chǎn)生________，導(dǎo)致切割面粗糙度急劇上升。答案：1×10?，等離子體屏蔽。28.在氧氣切割碳鋼時(shí)，化學(xué)反應(yīng)熱占總能量的比例約為_(kāi)_______%，其主要產(chǎn)物為_(kāi)_______。答案：60，F(xiàn)eO。29.激光切割頭噴嘴出口馬赫數(shù)一般設(shè)計(jì)為_(kāi)_______，若過(guò)高會(huì)產(chǎn)生________，導(dǎo)致氣流剝離熔渣能力下降。答案：0.8～1.0，激波。30.采用氮?dú)馇懈?mm不銹鋼，經(jīng)驗(yàn)公式給出速度v（m/min）與功率P（kW）近似關(guān)系為v=________，若P=4kW，則v≈________m/min。答案：3.5P，14。31.激光切割中，若焦點(diǎn)深度Δz=2mm，則瑞利長(zhǎng)度zR=________mm，對(duì)應(yīng)光斑半徑增大________%。答案：1.73，41。32.在鋁材空氣切割中，為抑制AlN生成，可將切割區(qū)局部氧濃度提高至________%，此時(shí)切口顏色轉(zhuǎn)為_(kāi)_______。答案：5，銀白。33.激光切割頭保護(hù)鏡片溫升ΔT與吸收率α關(guān)系為ΔT=________，若α由0.1%升至0.5%，則溫升提高_(dá)_______倍。答案：Pα/(hA)，5。34.采用CO?激光切割PMMA時(shí)，切口光滑透明的關(guān)鍵是控制________速度低于________m/min，以防止材料燃燒。答案：切割，0.5。35.在激光切割路徑優(yōu)化中，引入“________”算法可將總行程縮短約________%，顯著減少空移時(shí)間。答案：蟻群，15。五、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）36.闡述激光切割不銹鋼厚板時(shí)，為何會(huì)出現(xiàn)“藍(lán)色毛刺”，并給出三條抑制措施。答案：藍(lán)色毛刺源于氮?dú)庵形⒘垦跖c熔融Cr反應(yīng)生成Cr?O?，其熔點(diǎn)高達(dá)2265℃，黏度大，隨氣流冷卻附著于下表面形成藍(lán)色氧化物毛刺。抑制措施：①氮?dú)饧兌取?9.99%，在線氧分析儀監(jiān)控；②噴嘴出口加環(huán)形副氣簾，引入微量Ar形成惰性屏障；③焦點(diǎn)下移0.2mm，提高底部能量密度，使Cr?O?重新熔化并被氣流帶走。37.比較光纖激光與CO?激光在切割銅合金時(shí)的差異，并給出工藝窗口。答案：銅對(duì)1.07μm光纖激光吸收率~35%，對(duì)10.6μmCO?僅~5%，故光纖激光可切更厚銅板；但銅高反易損傷光纖QBH，需背反射隔離器。工藝窗口：光纖2kW可切3mm銅，速度1.5m/min，氧氣壓力5bar，焦點(diǎn)+1mm；CO?4kW僅能切1mm，速度0.3m/min，需涂黑漆增吸收，氮?dú)廨o助。38.說(shuō)明激光切割頭電容式調(diào)高器的工作原理，并分析薄板波浪對(duì)切割質(zhì)量的影響及補(bǔ)償策略。答案：電容式調(diào)高器通過(guò)測(cè)量噴嘴與板材間電容C=εA/d，反算距離d，閉環(huán)控制Z軸。薄板波浪使d波動(dòng)，導(dǎo)致焦點(diǎn)漂移，切口寬度變化，甚至撞噴嘴。補(bǔ)償策略：①采用50kHz高采樣率，滯后<50μs；②引入加速度前饋，預(yù)測(cè)波浪斜率；③在CAM層對(duì)波浪板進(jìn)行三維掃描，生成高度圖，實(shí)時(shí)修正Z軸；④選用隨動(dòng)氣壓，波浪低谷處自動(dòng)降低氣壓，防止吹翻板材。六、計(jì)算題（共31分）39.（10分）某光纖激光器功率P=6kW，波長(zhǎng)λ=1.07μm，聚焦鏡焦距f=200mm，入射光束直徑D=30mm，求聚焦光斑直徑d和瑞利長(zhǎng)度zR；若切割10mm碳鋼，要求切縫錐度θ≤0.5°，驗(yàn)證該光學(xué)系統(tǒng)是否滿足。答案：光斑直徑d=1.27λf/D=1.27×1.07×200/30≈9.1μm；瑞利長(zhǎng)度zR=πd2/(4λ)=π×(9.1×10?3)2/(4×1.07×10?3)≈0.61mm。切縫錐度θ≈arctan(d/2t)=arctan(0.0091/20)=0.026°?0.5°，滿足要求。40.（10分）已知碳鋼切割速度v（m/min）與功率P（kW）、板厚t（mm）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑関=KP/(t+bt2)，其中K=3.5，b=0.02。求8kW切割20mm碳鋼時(shí)的理論速度；若實(shí)際速度只能達(dá)到理論值的70%，求線能量E（J/mm）并判斷是否過(guò)熱。答案：v=3.5×8/(20+0.02×400)=28/28=1m/min；實(shí)際v′=0.7m/min；線能量E=P/v′=8000/(0.7×1000/60)=685J/mm；經(jīng)驗(yàn)表明20mm碳鋼E≤600J/mm，685>600，過(guò)熱，需降功率或提速。41.（11分）激光切割頭以加速度a=15m/s2減速過(guò)尖角，若最大允許速度v_max使慣性力不超過(guò)電機(jī)額定推力F=500N，移動(dòng)部件質(zhì)量m=2kg，求v_max；若轉(zhuǎn)角角度φ=60°，求最小轉(zhuǎn)角延時(shí)Δt，確保能量沉積不超過(guò)無(wú)減速時(shí)的120%。答案：F=ma?v_max=Ft/m=500×0.01/2=2.5m/s（假設(shè)伺服環(huán)采樣周期t=10ms）。轉(zhuǎn)角弧長(zhǎng)s=rφ，取r=0.05mm，φ=π/3，s=0.052mm；無(wú)減速時(shí)能量E?=P·s/v?，減速后能量E=P·s/v，令E≤1.2E??v≥v?/1.2，取v?=2.5m/s，則v≥2.08m/s，Δt=s/v=0.052/2.08≈0.025ms，控制器需插入25μs延時(shí)。七、綜合應(yīng)用題（共30分）42.某工廠需切割批量304不銹鋼零件，板厚1.5mm，輪廓含大量φ3mm小圓孔，要求孔圓度誤差≤0.02mm，底部掛渣高度≤0.05mm?，F(xiàn)有4kW光纖激光器，最大頻率100kHz，噴嘴φ1.5mm，氮?dú)饧兌?9.9%。請(qǐng)給出完整工藝方案，包括功率、速度、氣壓、焦點(diǎn)、脈沖參數(shù)、路徑策略及檢驗(yàn)方法，并說(shuō)明理由。答案：（1）功率與速度：采用峰值功率4kW，占空比60%，平均2.4kW；經(jīng)驗(yàn)速度v=3.5P/t=3.5×2.4/1.5=5.6m/min，但小孔需降速防過(guò)熱，取v=3m/min。（2）氣壓：氮?dú)?5bar，高動(dòng)壓帶走熔體；副氣簾加3barAr防