激光切割加工技術(shù)試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在CO?激光切割系統(tǒng)中，決定光束模式質(zhì)量的關(guān)鍵光學(xué)元件是A.反射銅鏡?B.硒化鋅聚焦透鏡?C.鍍金硅鏡?D.擴束鏡答案：B解析：硒化鋅（ZnSe）透鏡對10.6μm波長吸收率最低，熱透鏡效應(yīng)小，直接決定焦斑能量分布，從而決定模式質(zhì)量。反射鏡僅改變方向，擴束鏡僅改變束腰位置，不決定模式。2.光纖激光器相較于CO?激光器在切割1mm不銹鋼薄板時的主要優(yōu)勢是A.波長更短吸收率更高?B.光電轉(zhuǎn)換效率更高?C.維護周期更長?D.氣體消耗更低答案：A解析：1.07μm光纖激光波長約為CO?的1/10，金屬對短波吸收率提升2~3倍，因此可用更低功率實現(xiàn)同等切割速度；B、C、D雖為光纖激光優(yōu)點，但非“主要”優(yōu)勢。3.激光切割鋁合金時最易出現(xiàn)的缺陷是A.掛渣?B.燒角?C.等離子云屏蔽?D.熱影響區(qū)裂紋答案：C解析：鋁對1μm激光反射率高達90%，易在板面形成致密等離子體，屏蔽后續(xù)光束，導(dǎo)致切縫突然變淺；掛渣與燒角在碳鋼更常見，裂紋在鈦合金更突出。4.下列哪組輔助氣體組合最適合實現(xiàn)“無氧化無毛刺”碳鋼高速切割A(yù).O?6bar?B.N?20bar?C.Air8bar?D.Ar15bar答案：B解析：高壓N?以機械方式吹走熔融物，避免氧化反應(yīng)放熱導(dǎo)致掛渣；O?雖提高速度但留氧化毛刺；Air含氧仍氧化；Ar成本高且密度低，去除熔渣能力弱。5.激光切割中“焦點位置”定義為A.噴嘴下端面到工件上表面距離?B.工件上表面到光束束腰最小直徑處距離C.噴嘴中心到工件下表面距離?D.光束束腰到噴嘴出口距離答案：B解析：焦點位置（Δf）是工藝核心參數(shù)，正負值直接決定切縫寬度和能量密度；A為“噴嘴間隙”，C、D無物理意義。6.當(dāng)碳鋼板厚由2mm增至10mm，保持相同激光功率，為獲得干凈切縫應(yīng)優(yōu)先A.降低切割速度?B.降低焦點位置?C.降低氣體壓力?D.降低脈沖頻率答案：A解析：厚板需更多能量輸入，降低速度是唯一可線性增加線能量且不影響氣體動力學(xué)的方法；降低焦點或氣壓反而削弱熔渣去除。7.激光切割過程中出現(xiàn)“底部熔瘤”最可能原因是A.焦點過高?B.速度過快?C.氣壓過低?D.噴嘴磨損答案：C解析：底部熔瘤本質(zhì)是熔融金屬未被氣流完全帶走；氣壓不足導(dǎo)致動量不夠；焦點過高僅使切口上寬下窄，速度過快產(chǎn)生整體掛渣，噴嘴磨損影響同心度但非主因。8.在飛行光路系統(tǒng)中，若X軸行程2m，采用反射鏡隨動補償，其目的為A.維持恒定的光束直徑?B.維持恒定的光束模式?C.維持恒定的光程長度?D.維持恒定的焦點深度答案：C解析：飛行光路光程隨軸移動變化，通過移動反射鏡使總光程恒定，確保焦斑位置不變；模式由諧振腔決定，焦點深度由透鏡焦距決定。9.下列關(guān)于“穿孔時間”描述正確的是A.穿孔時間隨板厚線性增加?B.采用脈沖穿孔比連續(xù)穿孔更易產(chǎn)生飛濺C.采用斜坡功率可縮短穿孔時間?D.氧氣穿孔比氮氣穿孔更易控制熱量答案：C解析：斜坡功率逐步升高，可在孔未貫穿前避免過燒，減少飛濺，從而縮短凈穿孔時間；A非線性，B脈沖穿孔飛濺更小，D氧氣放熱劇烈更難控制。10.激光切割PET薄膜（0.1mm）時，最佳模式為A.連續(xù)波高功率?B.連續(xù)波低功率?C.高峰值短脈沖?D.長脈沖低頻率答案：C解析：PET熱敏性強，需用高峰值短脈沖瞬間汽化，減少熱累積；連續(xù)波易使邊緣碳化；長脈沖仍導(dǎo)致熔融。二、多項選擇題（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抑制不銹鋼激光切割“燒角”缺陷A.降低拐角處速度?B.采用脈沖漸變功率?C.提高輔助氣體純度?D.引入“拐角氣體開關(guān)”策略?E.使用更大噴嘴孔徑答案：B、C、D解析：燒角本質(zhì)是拐角處熱量累積；脈沖漸變功率可在軌跡減速時同步降低平均功率；提高N?純度減少等離子體再燒蝕；“拐角氣體開關(guān)”在減速區(qū)間瞬時增大氣壓帶走熱量；降速反而加劇熱量累積，大孔徑氣流發(fā)散削弱吹力。12.關(guān)于激光切割“極耳”（鋰電池鋁極）工藝，正確的有A.采用正離焦可減小熱影響區(qū)?B.需使用反沖壓力輔助排渣?C.需加銅質(zhì)微齒治具防位移?D.需使用高純度氮氣防氧化?E.需使用CO?激光器答案：B、C、D解析：鋁極耳厚0.2mm，需反沖壓力（高氣壓）將熔鋁從窄縫吹出；微齒治具咬合鋁箔防高速氣流掀起；高純N?防Al?O?膜增厚；正離焦能量密度下降反而擴大HAZ；CO?波長反射嚴重，應(yīng)選光纖激光。13.下列哪些參數(shù)可在激光切割機NC程序中通過G代碼直接實時調(diào)節(jié)A.激光功率百分比?B.脈沖頻率?C.氣體種類?D.焦點位置?E.噴嘴間隙答案：A、B、C解析：現(xiàn)代系統(tǒng)通過專用M代碼或擴展G代碼可實時調(diào)功率（Q參數(shù)）、頻率（P參數(shù)）、氣體（M20~M25）；焦點位置由Z軸高度決定，需事先校準；噴嘴間隙由機械隨動系統(tǒng)保持，程序不直接干預(yù)。14.關(guān)于“光束偏振”對切割質(zhì)量的影響，正確的有A.圓偏振可消除方向性切縫差?B.線偏振在切割非金屬時無影響?C.切割厚碳鋼時偏振方向垂直于切割方向更易掛渣?D.光纖激光器輸出多為隨機偏振?E.通過相位延遲鏡可產(chǎn)生圓偏振答案：A、C、E解析：金屬對偏振敏感，圓偏振使能量分布各向同性；線偏振在金屬切割中導(dǎo)致切縫寬度方向差異；垂直偏振降低前沿吸收，掛渣增加；光纖激光經(jīng)QBH輸出為線偏振，需90°相位延遲鏡轉(zhuǎn)圓；非金屬吸收對偏振不敏感，B表述正確但非“影響”故不選。15.下列哪些檢測手段可用于在線監(jiān)控激光切割質(zhì)量A.同軸視覺采集熔渣飛濺圖像?B.光電二極管檢測穿透孔光強?C.電容式高度傳感器?D.激光多普勒測速儀測熔渣速度?E.紅外熱像儀監(jiān)測切縫溫度場答案：A、B、E解析：同軸視覺可AI識別飛濺密度；穿透孔光強突變反映未切透；紅外熱像可判斷熱影響；電容傳感器僅測噴嘴間隙，不直接評質(zhì)量；多普勒測速儀需透明環(huán)境，現(xiàn)場不適用。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.激光切割木材時，CO?激光器比光纖激光器更合適。答案：√解析：木材對10.6μm吸收率>85%，對1μm僅約30%，CO?效率更高。17.在相同功率下，減小透鏡焦距可增大焦深，有利于切厚板。答案：×解析：焦深∝f2，減小焦距縮短焦深，厚板需長焦深，應(yīng)選長焦距透鏡。18.采用氧氣切割碳鋼時，提高氣壓一定會提高切割速度。答案：×解析：氧氣切割靠氧化放熱，氣壓過高會帶走熱量，存在最佳氣壓值，過高反而降速。19.激光切割銅箔時，綠色可見激光器（532nm）比紅外光纖激光器吸收率更高。答案：√解析：銅對532nm吸收率≈40%，對1μm僅≈5%，綠色激光可顯著降低所需功率。20.噴嘴出口直徑越大，氣體流場越易形成激波，有利于去除熔渣。答案：×解析：大直徑在高壓下易形成過膨脹激波，導(dǎo)致氣流分離，削弱吹力；小直徑更易保持超音速層流。21.激光切割過程中，若Z軸隨動響應(yīng)頻率過低，會導(dǎo)致“撞噴嘴”事故。答案：√解析：隨動滯后使噴嘴間隙瞬間變小，接觸翹曲工件即碰撞。22.采用氮氣切割不銹鋼時，切縫邊緣的鉻損耗層厚度與氣體純度無關(guān)。答案：×解析：純度越低，氧雜質(zhì)越多，鉻氧化越嚴重，損耗層增厚。23.激光切割陶瓷時，預(yù)熱至200℃可顯著降低微裂紋概率。答案：√解析：預(yù)熱降低溫度梯度，減少熱震裂紋，是工業(yè)常用手段。24.在激光切割編程中，引入“微連接”可防止小零件傾斜，但會增加后續(xù)去毛刺工作量。答案：√解析：微連接保留0.1mm未切透橋，零件不掉落，但需人工掰斷并打磨。25.激光切割過程中，若噴嘴被熔渣污染，電容式高度傳感器會誤判為“板材變形”。答案：√解析：電容值與噴嘴板距離相關(guān)，渣層改變介電常數(shù)，系統(tǒng)誤調(diào)Z軸。四、填空題（每空2分，共20分）26.在激光切割碳鋼時，若出現(xiàn)“螺旋紋”，其頻率與________之比接近1:1。答案：脈沖頻率與進給速度解析：螺旋紋是脈沖能量周期性疊加痕跡，當(dāng)脈沖間隔與光斑前進距離相等時形成。27.激光切割中，焦斑直徑d≈1.27λf/D，其中D指________。答案：入射光束在聚焦鏡處的直徑（或“光束直徑”）解析：公式為衍射極限焦斑計算，D越大d越小。28.飛行光路系統(tǒng)補償光程差常采用________結(jié)構(gòu)，使反射鏡與移動軸按1:2速度比運動。答案：杠桿式（或“四連桿”）解析：經(jīng)典1:2杠桿可保持光程恒定，減少伺服電機數(shù)量。29.激光切割銅板時，為避免高反射損壞激光器，需在光束路徑中加入________鏡。答案：傾斜銅鏡（或“抗返鏡”）解析：傾斜鏡使反射光偏離諧振腔，保護LD與光纖端面。30.在激光切割編程中，引入“________”功能可在轉(zhuǎn)角處自動降低功率與速度，減少過燒。答案：拐角自適應(yīng)（或“功率速度跟隨”）解析：現(xiàn)代CNC系統(tǒng)通過角度檢測實時插補功率。31.激光切割亞克力時，切口光澤度主要由________參數(shù)決定。答案：進給速度（或“切割速度”）解析：速度過低使邊緣熔融再固化變磨砂，速度適中得火焰拋光效果。32.激光切割1mm鍍鋅板，若出現(xiàn)“鋅瘤”，應(yīng)優(yōu)先________氣體壓力。答案：降低解析：鋅蒸汽被高壓氣體壓入切縫底部再凝固，降低氣壓可減少鋅蒸汽卷入。33.激光切割中，噴嘴端面到工件表面距離一般保持在________mm。答案：0.5~1.5解析：過小易碰撞，過大氣體流場發(fā)散，切割質(zhì)量下降。34.采用氧氣切割厚碳鋼時，最佳焦點位置通常位于工件________。答案：表面下1/3板厚處解析：氧化反應(yīng)需能量集中于板內(nèi)，太深則上緣鈍，太淺則下緣掛渣。35.激光切割陶瓷時，常采用________輔助工藝，以應(yīng)力控制方式實現(xiàn)無屑分離。答案：預(yù)裂（或“熱應(yīng)力控制切割”）解析：激光局部加熱后急冷，產(chǎn)生可控裂紋擴展，實現(xiàn)無屑分離。五、簡答題（每題8分，共24分）36.簡述激光切割不銹鋼厚板（8mm）時，采用氮氣高壓切割與氧氣切割的工藝差異及質(zhì)量對比。答案：(1)氣體：氮氣純度≥99.9%，壓力15~20bar；氧氣純度99.5%，壓力0.8~1.5bar。(2)功率：氮氣需6kW以上以保證足夠線能量；氧氣3kW即可，因氧化放熱提供額外60%能量。(3)速度：氮氣切割速度約0.6m/min；氧氣可達1.2m/min。(4)掛渣：氮氣切口底部幾乎無渣，需精確控制焦點與氣壓；氧氣切口下緣易留氧化鐵渣，需二次去毛刺。(5)熱影響區(qū)：氮氣HAZ≈0.1mm，晶間腐蝕風(fēng)險低；氧氣HAZ≈0.3mm，晶界鉻損耗，耐蝕性下降。(6)成本：氮氣消耗20m3/h，運行成本高；氧氣消耗2m3/h，但需額外打磨工序，綜合成本接近。(7)表面顏色：氮氣切口銀白，可直接焊接；氧氣切口呈黑色氧化層，焊接前需酸洗。解析：高壓氮氣以機械排渣為主，工藝窗口窄；氧氣利用放熱，窗口寬但犧牲質(zhì)量，需按后工序需求選擇。37.說明激光切割中“等離子云屏蔽”現(xiàn)象的機理、危害及抑制措施。答案：機理：高功率密度（>5×10?W/cm2）使材料蒸汽電離，形成致密等離子體，電子密度ne>1023m?3，激光頻率ω<等離子頻率ωp，光束被反射或吸收，能量無法到達工件。危害：切縫突然變淺，底部掛渣，速度驟降，出現(xiàn)未切透，長期可燒毀噴嘴與透鏡。抑制措施：(1)采用短波長（綠光/藍光）降低臨界電子密度；(2)提高輔助氣體壓力至30bar，形成超音速層流，吹散等離子體；(3)使用脈沖激光，峰值功率高但平均功率低，減少持續(xù)蒸汽；(4)采用同軸側(cè)吹復(fù)合噴嘴，引入橫向氣流剪切等離子體；(5)降低焦點，使能量注入?yún)^(qū)位于深縫內(nèi)部，減少蒸汽逸出；(6)加入1%氦氣于氮氣中，提高電離勢，抑制等離子體形成。解析：等離子屏蔽是高功率鋁合金切割瓶頸，需多物理場協(xié)同抑制。38.闡述激光切割飛行光路“動態(tài)焦點補償”原理及實現(xiàn)方式。答案：原理：飛行光路中，光束行程隨軸移動變化，導(dǎo)致透鏡聚焦后焦斑在Z向漂移Δz≈(ΔL·NA2)/2，其中ΔL為光程變化，NA為聚焦鏡數(shù)值孔徑。焦斑漂移使切縫寬度與能量密度變化，影響質(zhì)量。實現(xiàn)方式：(1)機械補償：在光路中加入可移動擴束鏡組，由伺服電機驅(qū)動，使擴束鏡位移為軸位移的1/2，保持總光程恒定；(2)光學(xué)補償：采用可變曲率反射鏡（VRM），通過氣壓或電磁力改變鏡面曲率半徑，實時調(diào)整等效焦距，補償Δz；(3)數(shù)控補償：在NC程序中預(yù)存ΔzΔL曲線，通過Z軸實時微調(diào)工件臺面高度，保持焦點相對工件不變；(4)閉環(huán)補償：用同軸CCD測量實際焦斑位置，反饋至Z軸伺服，形成閉環(huán)，精度±0.1mm。解析：動態(tài)焦點補償是大幅面（>2m×1m）機床保證全幅面質(zhì)量一致的關(guān)鍵技術(shù)，需機械、光學(xué)、控制協(xié)同。六、計算題（共11分）39.某光纖激光器輸出波長1.07μm，光束質(zhì)量M2=1.1，經(jīng)焦距f=200mm、入射直徑D=20mm的透鏡聚焦，求：(1)理論焦斑直徑d；(2)若切割2mm碳鋼，要求切縫寬度0.2mm，判斷是否滿足；(3)若需將焦斑直徑縮小至0.05mm，求所需最小D（保持f=200mm）。答案：(1)d=1.27λfM2/D=1.27×1.07×10?3×200×1.1/20≈0.015mm(2)0.015mm<0.2mm，滿足，實際切縫寬度大于焦斑，由燒蝕與氣體流場決定；(3)D=1.27λfM2/d=1.27×1.07×10?3×200×1.1/0.05≈60mm解析：焦斑公式考慮M2后更接近實測，擴大入射光束直徑可縮小焦斑，但需更大口徑光學(xué)元件，成本與像差增加。七、綜合應(yīng)用題（共20分）40.某工廠需切割批量汽車B柱熱成形鋼（22MnB5，板厚1.5mm，抗拉強度1500MPa），要求：切縫無氧化、無微裂紋、毛刺高度<30μm，產(chǎn)能≥120件/h（每件含12個輪廓，周長共2.4m）?，F(xiàn)有設(shè)備：6kW光纖激光器，最大定位速度120m/min，加速度1g，飛行光路，N?供應(yīng)30m3/h（純度99.9%），噴