激光切割試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.在激光切割低碳鋼板時(shí)，若焦點(diǎn)位置由板厚中心向上偏移2mm，切口寬度將發(fā)生的變化是A.上表面切口變窄，下表面變寬B.上表面切口變寬，下表面變窄C.上下表面均變寬D.上下表面均變窄答案：A解析：焦點(diǎn)上移后，光束在板材上表面形成更大光斑，能量密度下降，熔融材料去除效率降低，導(dǎo)致上表面切口收窄；下表面因光束發(fā)散，能量分布更分散，輔助氣體吹除作用減弱，熔渣堆積使切口擴(kuò)張。2.采用1μm波長(zhǎng)光纖激光切割5mm不銹鋼，若將氮?dú)廨o助氣壓從10bar提升至20bar，最可能觀察到的現(xiàn)象是A.掛渣高度降低，切口粗糙度Ra增大B.掛渣高度降低，切口粗糙度Ra減小C.掛渣高度增加，切口粗糙度Ra減小D.掛渣高度增加，切口粗糙度Ra增大答案：B解析：高壓氮?dú)庠鰪?qiáng)熔體噴射動(dòng)能，掛渣減少；但過(guò)高氣壓引發(fā)紊流，熔體橫向流動(dòng)被抑制，切口條紋間距縮小，Ra下降。3.激光切割鋁合金時(shí)，出現(xiàn)“藍(lán)色等離子體羽”伴隨切割面鋸齒狀缺陷，其首要抑制措施是A.降低脈沖頻率至500HzB.將焦點(diǎn)下調(diào)至板厚1/3處C.采用氬氣替代氮?dú)釪.將切割速度提高30%答案：C解析：藍(lán)色羽為鋁蒸氣與氮?dú)獍l(fā)生放熱反應(yīng)生成AlN微粒，導(dǎo)致等離子體屏蔽；氬氣為惰性氣體，可杜絕反應(yīng)熱，抑制等離子體密度。4.對(duì)于CO?激光切割亞克力，影響火焰拋光效果的關(guān)鍵因子排序（由主到次）為A.光斑模式＞切割速度＞輔助氣壓B.切割速度＞光斑模式＞輔助氣壓C.輔助氣壓＞光斑模式＞切割速度D.光斑模式＞輔助氣壓＞切割速度答案：A解析：亞克力火焰拋光依賴TEM??模高能量密度熔化表層；速度過(guò)快導(dǎo)致熔體冷卻快，拋光失效；氣壓僅影響熔渣去除，對(duì)拋光亮度貢獻(xiàn)最小。5.在激光功率密度3×10?W/cm2、不銹鋼板厚2mm條件下，若維持相同切縫寬度，將CO?激光波長(zhǎng)10.6μm替換為光纖激光1.07μm，理論上所需功率變化為A.降低約15%B.降低約45%C.增加約15%D.增加約45%答案：B解析：不銹鋼對(duì)1μm吸收率≈35%，對(duì)10.6μm吸收率≈12%，波長(zhǎng)縮短吸收率提升3倍，故所需功率可下降約2/3，實(shí)際工程折中取45%。6.激光切割銅箔（厚度0.1mm）時(shí)，采用“脈沖串”技術(shù)而非單脈沖切割，其根本目的在于A.降低熱影響區(qū)B.提高材料去除率C.減少等離子體屏蔽D.降低噴嘴磨損答案：A解析：脈沖串通過(guò)高重頻小占空比分次沉積能量，每次熔融深度<箔厚，汽化比例高，熱傳導(dǎo)時(shí)間不足，HAZ寬度可控制在5μm以內(nèi)。7.當(dāng)激光切割出現(xiàn)“燒角”缺陷（拐角過(guò)燒），在NC代碼層面最直接的補(bǔ)償策略是A.在拐角前1mm處降低速度至原速30%B.在拐角后1mm處關(guān)閉輔助氣體C.將拐角處功率調(diào)制為PWM占空比40%D.將拐角處加速度限制為500mm/s2答案：C解析：拐角停留時(shí)間最長(zhǎng)，能量累積導(dǎo)致過(guò)燒；PWM占空比40%等效降低平均功率，可實(shí)時(shí)匹配能量輸入與散熱速率，無(wú)需降速影響效率。8.激光切割6mm鈦合金，若將離焦量由0mm調(diào)至+3mm，切口底部出現(xiàn)“粘渣”成分主要是A.TiO?B.TiNC.TiCD.Ti答案：B解析：鈦在高溫下與氮?dú)夥磻?yīng)生成金黃色TiN，熔點(diǎn)2950℃，高于鈦（1668℃），冷卻時(shí)粘附底部無(wú)法被吹除。9.采用3kW光纖激光切割碳鋼，速度1.5m/min，噴嘴孔徑1.5mm，若將噴嘴高度從1mm提至2mm，切口錐度變化為A.上寬下窄，錐度角增加0.8°B.上窄下寬，錐度角增加0.8°C.上寬下窄，錐度角減小0.8°D.上窄下寬，錐度角減小0.8°答案：A解析：提離增大導(dǎo)致氣體剛度下降，上表面熔體去除充分，下表面因氣流發(fā)散去除不足，形成正錐；數(shù)值模擬顯示錐度角增加≈0.8°。10.激光切割陶瓷（Al?O?）時(shí)，采用“裂紋控制切割”技術(shù)，預(yù)置表面缺陷深度d與臨界斷裂韌性K_IC關(guān)系為A.d∝K_IC2B.d∝1/K_IC2C.d∝K_ICD.d∝1/K_IC答案：B解析：依據(jù)Griffith斷裂理論，臨界缺陷尺寸與K_IC2成反比，預(yù)置缺陷越深，所需激光能量越低，但過(guò)深降低彎曲強(qiáng)度。11.在激光切割過(guò)程中，若噴嘴出口出現(xiàn)“雙弧”現(xiàn)象，其直接誘因是A.噴嘴內(nèi)壁粘渣導(dǎo)致電場(chǎng)畸變B.激光功率密度超過(guò)銅噴嘴損傷閾值C.輔助氣體含水率>200ppmD.板材表面有鍍鋅層答案：A解析：粘渣形成導(dǎo)電通路，破壞噴嘴板間電場(chǎng)均勻性，誘發(fā)二次電弧，燒蝕噴嘴。12.激光切割PET薄膜（厚度50μm）時(shí)，邊緣出現(xiàn)“荷葉邊”波浪變形，其本質(zhì)是A.熱收縮應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度B.汽化沖擊波誘導(dǎo)共振C.靜電吸附導(dǎo)致抖動(dòng)D.輔助氣壓過(guò)高產(chǎn)生剝離答案：A解析：PET玻璃化溫度75℃，激光瞬態(tài)加熱至>200℃，冷卻不均產(chǎn)生收縮應(yīng)力，薄膜抗彎剛度低，失穩(wěn)形成波浪。13.激光切割1mm厚FR4覆銅板，若采用1064nm激光先切銅后切基材，最優(yōu)銅層切口寬度應(yīng)控制為A.0.05mmB.0.10mmC.0.15mmD.0.20mm答案：B解析：銅熱導(dǎo)率400W/(m·K)，切口過(guò)窄（0.05mm）熱累積大，易分層；過(guò)寬（0.20mm）燒蝕玻璃纖維，產(chǎn)生炭化；0.10mm兼顧銅去除與基材損傷最小。14.激光切割過(guò)程中，采用“氧氣氮?dú)庑蛄小鼻懈钐间?，氧氣段結(jié)束瞬間需立即切換氮?dú)?，其延遲時(shí)間應(yīng)<A.5msB.10msC.20msD.50ms答案：C解析：>20ms延遲將導(dǎo)致氧氣回火，切口邊緣生成Fe?O?浮渣，附著力強(qiáng)，后續(xù)氮?dú)鉄o(wú)法清除。15.激光切割8mm厚不銹鋼，若將激光功率由4kW降至3kW，為保持切透，理論上速度應(yīng)調(diào)整為原速的A.0.56倍B.0.75倍C.0.87倍D.0.95倍答案：A解析：切割不銹鋼所需能量閾值E≈P/v，能量與厚度平方成正比，功率降25%，則v新=v原×(3/4)×(82/82)=0.75v原；但考慮耦合效率下降，實(shí)驗(yàn)修正系數(shù)0.75，綜合0.56倍。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分）16.下列哪些措施可有效抑制激光切割高反材料時(shí)的“背反射”損傷A.傾斜切割頭5°–8°B.在光路中插入1/4波片C.采用抗反膜保護(hù)鏡片D.將噴嘴口倒角30°E.使用偏振耦合雙光束答案：A、B、E解析：傾斜破壞反射光原路返回；1/4波片將線偏振變?yōu)閳A偏振，降低反射耦合；雙光束偏振正交，可抵消部分回返光?？狗茨H增透，不能擋回返；倒角噴嘴與背反射無(wú)關(guān)。17.激光切割出現(xiàn)“鏈狀掛渣”時(shí)，可能關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)有A.焦點(diǎn)深度B.脈沖占空比C.氣體純度D.噴嘴同心度E.板材晶粒尺寸答案：A、B、C、D解析：焦點(diǎn)深度過(guò)淺導(dǎo)致底部能量不足；占空比過(guò)高熱輸入大；純度低形成低熔點(diǎn)氧化物；同心度差氣流不對(duì)稱，均易鏈狀掛渣。晶粒尺寸對(duì)掛渣形態(tài)影響可忽略。18.關(guān)于激光切割熱影響區(qū)（HAZ）的描述，正確的有A.不銹鋼HAZ寬度與切割速度成反比B.碳鋼HAZ硬度一定高于母材C.鋁合金HAZ常出現(xiàn)再結(jié)晶軟化D.鈦合金HAZ易形成α脆化層E.陶瓷HAZ無(wú)微觀裂紋答案：A、C、D解析：速度越快，熱傳導(dǎo)時(shí)間越短，HAZ變窄；碳鋼若含碳量<0.1%，HAZ硬度可低于母材；鋁合金熱影響可致晶粒長(zhǎng)大軟化；鈦合金β→α'馬氏體，脆性增加；陶瓷HAZ必現(xiàn)微裂紋。19.激光切割過(guò)程中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切口透過(guò)的“光輻射信號(hào)”包含A.可見(jiàn)光（600–700nm）B.紅外（1.6–2.2μm）C.紫外（250–400nm）D.太赫茲（0.3THz）E.激光背反射（1.07μm）答案：A、B、C、E解析：熔池輻射峰值在可見(jiàn)近紅外；紫外來(lái)自金屬蒸氣等離子體；背反射為激光波長(zhǎng)；太赫茲被金屬屏蔽，無(wú)法透過(guò)切口。20.采用“水導(dǎo)激光”切割金剛石時(shí)，優(yōu)勢(shì)包括A.降低熱影響B(tài).提高材料去除率C.減少石墨化D.消除切縫錐度E.降低設(shè)備成本答案：A、C解析：水射流冷卻抑制石墨化；但水吸收激光能量，去除率下降；錐度仍存在；需高精度耦合系統(tǒng)，成本升高。三、判斷題（每題1分，共10分）21.激光切割銅時(shí)，采用圓偏振比線偏振可提高吸收率約15%。答案：√解析：銅對(duì)s、p偏振吸收差異大，圓偏振平均吸收率≈(A_s+A_p)/2，相對(duì)線偏振提升15%。22.在激光切割中，噴嘴直徑越大，氣體馬赫數(shù)越高。答案：×解析：馬赫數(shù)由壓力與出口面積決定，直徑增大，出口面積增加，馬赫數(shù)下降。23.激光切割PMMA時(shí)，切口光滑度與激光模式無(wú)關(guān)，僅取決于速度。答案：×解析：TEM??模能量集中，可形成火焰拋光；多模光斑能量分散，切口呈磨砂狀。24.激光切割木材時(shí)，炭化層厚度與激光功率密度呈線性關(guān)系。答案：×解析：炭化厚度與熱擴(kuò)散深度√(αt)成正比，t隨功率密度提升而減小，呈非線性。25.采用氮?dú)馇懈畈讳P鋼，若氣體預(yù)熱至200℃，可提升切割速度約10%。答案：√解析：預(yù)熱降低氣體密度，提升射流動(dòng)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)速增10–12%。26.激光切割過(guò)程中，等離子體對(duì)CO?激光的吸收系數(shù)高于光纖激光。答案：√解析：等離子體頻率近紅外，10.6μm吸收截面>1μm。27.激光切割陶瓷時(shí)，采用超聲輔助振動(dòng)可降低切口微裂紋密度。答案：√解析：超聲振動(dòng)誘發(fā)微裂紋提前匯合，減少隨機(jī)裂紋。28.激光切割鍍鋅鋼板，鋅層蒸發(fā)會(huì)顯著增加切口底部掛渣量。答案：×解析：鋅蒸氣可冷卻熔體，降低粘度，反而減少掛渣。29.激光切割過(guò)程中，若使用同軸視覺(jué)監(jiān)測(cè)，CCD需加808nm窄帶濾光片。答案：×解析：應(yīng)加激光波長(zhǎng)（如1064nm）高反濾光片，808nm為二極管激光，無(wú)關(guān)。30.激光切割碳纖維復(fù)合材料時(shí)，切口邊緣樹(shù)脂回縮長(zhǎng)度與纖維方向無(wú)關(guān)。答案：×解析：0°方向熱導(dǎo)率高，回縮??；90°方向絕熱，回縮大。四、計(jì)算題（共25分）31.（8分）用4kW光纖激光切割10mm厚不銹鋼，已知吸收率η=0.35，切割速度v=0.8m/min，切口寬度w=0.3mm，材料密度ρ=7900kg/m3，比熱容c=500J/(kg·K)，熔點(diǎn)T_m=1700K，室溫T_0=300K，汽化潛熱L_v=6.3×10?J/kg，熔融比例α=0.7。求：(1)單位長(zhǎng)度熱輸入；(2)理論所需功率；(3)能量利用率；(4)若速度提升至1.2m/min，是否仍能切透？答案與解析：(1)單位長(zhǎng)度熱輸入q_in=P/v=4000W/(0.8/60m/s)=300kJ/m(2)理論功率單位體積能量E_v=α[ρc(T_mT_0)+ρL_v(1α)]=0.7[7900×500×1400+7900×6.3×10?×0.3]=0.7[5.53×10?+1.49×101?]=1.43×101?J/m3截面積A=w×h=0.3×10=3mm2=3×10??m2P_theo=E_v×A×v=1.43×101?×3×10??×0.0133=571W(3)能量利用率η_u=P_theo/P_actual=571/4000=14.3%(4)新速度v'=1.2m/min=0.02m/s所需功率P'=571×(1.2/0.8)=857W<4000W，故能切透。32.（7分）CO?激光切割5mm碳鋼，噴嘴直徑d=2mm，入口壓力p_0=8bar，溫度T_0=300K，氣體絕熱指數(shù)γ=1.4，氣體常數(shù)R=287J/(kg·K)。求：(1)出口馬赫數(shù)Ma；(2)出口速度u；(3)若改用1.5mm噴嘴，Ma是否變化？答案與解析：(1)臨界壓力比p/p_0=(2/(γ+1))^(γ/(γ1))=0.528p_b=1bar<0.528×8=4.22bar，故出口達(dá)音速，Ma=1(2)出口溫度T=T_0×2/(γ+1)=300×2/2.4=250Ku=√(γRT)=√(1.4×287×250)=316m/s(3)只要p_b<p，Ma恒為1，與直徑無(wú)關(guān)。33.（10分）激光切割6mm鋁合金，采用脈沖激光，單脈沖能量E_p=5J，脈寬τ=0.5ms，光斑直徑d=0.2mm，鋁對(duì)激光吸收率η=0.12，密度ρ=2700kg/m3，比熱c=900J/(kg·K)，熔點(diǎn)T_m=933K，室溫T_0=293K，熔融比例α=0.5，汽化潛熱L_v=1.08×10?J/kg。求：(1)單脈沖熔融深度；(2)理論切割速度（重疊率50%）；(3)若頻率f=100Hz，實(shí)際平均功率；(4)若將脈寬縮至0.1ms，峰值功率提升倍數(shù)。答案與解析：(1)熔融體積E_abs=ηE_p=0.6J單位體積能量E_v=α[ρc(T_mT_0)+ρL_v(1α)]=0.5[2700×900×640+2700×1.08×10?×0.5]=0.5[1.56×10?+1.46×101?]=8.1×10?J/m3熔融體積V=E_abs/E_v=7.4×10?11m3截面積A=πd2/4=3.14×10??m2熔深h=V/A=2.36μm(2)重疊50%，步距Δx=d/2=0.1mm每脈沖前進(jìn)0.1mm，頻率100Hz，速度v=0.1×100=10mm/s=0.6m/min(3)平均功率P_avg=E_p×f=5×100=500W(4)原峰值P_p1=E_p/τ=5/0.5=10kW新峰值P_p2=5/0.1=50kW，提升5倍。五、綜合應(yīng)用題（共20分）34.（20分）某工廠采用6kW光纖激光切割20mm厚不銹鋼，現(xiàn)出現(xiàn)底部掛渣嚴(yán)重、切口錐度>2°問(wèn)題。已知：噴嘴直徑3mm，高度1mm，氮?dú)饧兌?9.9%，氣壓18bar，速度0.3m/min，焦點(diǎn)5mm（板厚中心為0）