激光切割考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在CO?激光切割中，決定切口寬度的首要參數(shù)是A.輔助氣體壓力B.激光功率密度分布C.噴嘴直徑D.板材厚度答案：B解析：切口寬度（kerf）主要由激光束在焦點(diǎn)處的功率密度分布決定，功率密度高斯分布的束腰半徑直接對應(yīng)最小切縫尺寸，其余選項(xiàng)為次要影響因素。2.使用1μm光纖激光切割6mm不銹鋼時，最易出現(xiàn)的缺陷是A.掛渣（dross）B.切縫過窄C.熱影響區(qū)過大D.等離子體屏蔽答案：A解析：1μm波長對不銹鋼吸收率高，熱輸入集中，底部熔體不易被氣體完全吹除，形成掛渣；光纖激光熱影響區(qū)本就不大，等離子體屏蔽多在厚碳鋼高功率下出現(xiàn)。3.下列哪種輔助氣體組合最適合快速切割2mm鋁鏡面板A.氧氣2barB.氮?dú)?5barC.壓縮空氣1barD.氬氣0.5bar答案：B解析：高壓氮?dú)饪梢种蒲趸磻?yīng)，避免鏡面反射，同時高壓提供強(qiáng)動能吹除熔體；氧氣會生成高熔點(diǎn)Al?O?，空氣含氧仍易黑邊，氬氣密度大卻成本高且切割效率低。4.激光切割中“燒角”現(xiàn)象通常指A.轉(zhuǎn)角處功率過剩導(dǎo)致過燒B.噴嘴碰撞板材C.激光器突然跳閘D.伺服電機(jī)失步答案：A解析：轉(zhuǎn)角處進(jìn)給瞬時下降，若控制系統(tǒng)未實(shí)時調(diào)低功率，能量堆積造成過燒，即“燒角”。5.在飛行光路系統(tǒng)中，若采用固定式擴(kuò)束鏡，當(dāng)切割頭Z軸升高時，光斑直徑會A.線性增大B.線性減小C.先減小后增大D.基本不變答案：D解析：固定擴(kuò)束鏡已把光束準(zhǔn)直，Z軸變化僅改變焦點(diǎn)位置，不改變準(zhǔn)直后束徑，故光斑直徑不變。6.下列關(guān)于“爆破穿孔”描述正確的是A.使用低峰值功率長時間預(yù)熱B.穿孔時間隨板厚線性增加C.峰值功率≥連續(xù)功率3倍，時間<0.5sD.必須配合氧氣使用答案：C解析：爆破穿孔利用毫秒級高脈沖快速熔穿，減少熱積累；與氣體種類無關(guān)，時間遠(yuǎn)小于線性預(yù)估。7.激光切割碳鋼時，出現(xiàn)“梳狀條紋”主要因?yàn)锳.焦點(diǎn)位置過高B.進(jìn)給速度過快C.脈沖頻率與進(jìn)給匹配不當(dāng)D.噴嘴磨損答案：C解析：脈沖切割時頻率與進(jìn)給速度未嚴(yán)格同步，每脈沖間距忽大忽小，形成周期性條紋，類似梳子。8.采用“漸進(jìn)穿孔”策略的主要目的是A.降低噴嘴污染B.減小熱透鏡效應(yīng)C.防止厚板穿孔飛濺在噴嘴端面結(jié)瘤D.提高激光器電光效率答案：C解析：漸進(jìn)穿孔分段升高功率或Z軸，讓熔渣有時間下落，減少向上飛濺黏附噴嘴。9.激光切割中，若焦點(diǎn)深度（瑞利長度）Z_R增大，則A.切口寬度必然變寬B.對板厚適應(yīng)性提高C.光束質(zhì)量因子M2減小D.功率密度一定升高答案：B解析：Z_R=πw?2/λ，增大意味著焦深變長，對厚板焦點(diǎn)位置容差大，切割穩(wěn)定性提高；與M2無直接因果。10.在切割銅箔（0.05mm）時，為獲得鏡面邊緣，應(yīng)優(yōu)先采用A.高峰值紫外納秒激光B.連續(xù)光纖激光+氮?dú)釩.超快皮秒激光D.CO?激光+氧氣答案：C解析：皮秒激光非熱熔機(jī)制，可直接汽化材料，重鑄層極小，邊緣鏡面；紫外納秒仍屬熱熔范疇，熱影響明顯。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些措施能有效抑制激光切割不銹鋼時的黑渣A.焦點(diǎn)下調(diào)至板內(nèi)1/3處B.氮?dú)鈮毫μ嵘?0barC.選用小口徑噴嘴D.降速20%并同步降功率E.使用富氧氣體答案：A、B、D解析：焦點(diǎn)下移可增加底部能量，高壓氮?dú)馓峁└鼜?qiáng)動能，降速降功率減少未完全排出的熔體；小口徑噴嘴反而限制流量，富氧會氧化生成黑渣。12.關(guān)于光束質(zhì)量因子M2，下列說法正確的是A.M2越接近1，聚焦能力越好B.多模激光器M2一定大于單模C.M2與波長無關(guān)D.測量M2需采集至少10個橫截面光斑E.M2可通過自適應(yīng)光學(xué)改善答案：A、B、D、E解析：M2定義即基模高斯光束倍數(shù)，多模高階模疊加M2大；測量標(biāo)準(zhǔn)ISO11146需多截面擬合；自適應(yīng)光學(xué)可校正波前，降低M2；M2本身定義與波長無關(guān)，但聚焦后焦斑尺寸與波長有關(guān)。13.造成激光切割“等離子體屏蔽”的直接原因包括A.功率密度>10?W/cm2B.輔助氣體未電離C.材料蒸汽密度過高D.噴嘴離板間隙<0.5mmE.使用1μm激光切割碳鋼答案：A、C解析：功率密度高致蒸汽電離形成等離子體，吸收激光；氣體未電離不會屏蔽；間隙小主要導(dǎo)致氣流紊亂而非屏蔽；1μm對碳鋼吸收率高于10.6μm，更易屏蔽。14.在飛行光路中，以下哪些因素會引起焦點(diǎn)漂移A.鏡片熱透鏡效應(yīng)B.環(huán)境溫度變化致床身熱脹C.反射鏡角度微調(diào)D.激光器輸出波長漂移E.伺服電機(jī)編碼器誤差答案：A、B、C解析：熱透鏡改變等效焦距；床身熱脹改變反射鏡空間位置；反射鏡角度變化改變光程；波長漂移對焦點(diǎn)影響極??；編碼器誤差影響進(jìn)給，不改變焦點(diǎn)。15.激光切割PET薄膜（50μm）時，出現(xiàn)切邊熔珠，可采取A.改用193nmArF激光B.降低脈沖占空比C.增加進(jìn)給速度D.采用水膜冷卻E.使用飛秒激光答案：B、C、E解析：降低占空比減少熱積累，提速縮短熱作用，飛秒非熱熔；193nm被PET強(qiáng)烈吸收但成本高，水膜對薄膜易起皺，非首選。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.激光切割鋁合金時，切口角度總是垂直于板面。答案：×解析：高反材料易在底部出現(xiàn)負(fù)錐度，因底部能量不足，熔體未完全吹除。17.在同等功率下，光束質(zhì)量M2=1.1的激光器比M2=6的切縫更窄。答案：√解析：M2小則聚焦光斑小，切縫窄。18.使用氧氣切割碳鋼時，切口邊緣硬度一定低于母材。答案：×解析：氧化反應(yīng)放熱導(dǎo)致邊緣出現(xiàn)淬硬馬氏體，硬度升高。19.激光器調(diào)制頻率越高，切割表面粗糙度Ra一定越小。答案：×解析：頻率過高可能致脈沖重疊嚴(yán)重，熱積累增加，粗糙度反而變大。20.噴嘴端面與板件間距稱為“standoff”，通常保持0.5–1.2mm。答案：√解析：標(biāo)準(zhǔn)工藝窗口，過大氣流擴(kuò)散，過小易碰撞。21.在瑞利長度范圍內(nèi)，光斑直徑變化不超過5%。答案：√解析：瑞利長度定義即光斑面積增至2倍（直徑增至√2倍）的距離，5%以內(nèi)可近似不變。22.激光切割時，輔助氣體純度對不銹鋼掛渣重量無顯著影響。答案：×解析：氮?dú)夂?gt;0.1%即可生成Cr?O?高熔點(diǎn)渣，掛渣重量顯著增加。23.采用“微噴”噴嘴可在同等氣壓下獲得更高氣體密度。答案：√解析：微噴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超音速氣流，密度提升，切割能力增強(qiáng)。24.激光功率密度與掃描速度成反比關(guān)系。答案：×解析：功率密度為單位面積功率，與速度無關(guān)；單位長度能量與速度成反比。25.激光切割木材時，CO?激光比光纖激光更高效。答案：√解析：木材對10.6μm吸收率>90%，對1μm僅約30%，CO?更高效。四、填空題（每空2分，共20分）26.激光切割中，焦斑直徑d與波長λ、焦距f、入射光束直徑D的關(guān)系近似為d=________。答案：2λf/πD解析：衍射極限光斑公式，取1/e2定義。27.當(dāng)切割5mm碳鋼時，若激光功率3kW，進(jìn)給速度1.5m/min，則單位長度能量為________J/mm。答案：120解析：E=P/v=3000W÷(1500mm/60s)=120J/mm。28.在氧氣切割碳鋼時，化學(xué)反應(yīng)熱約占所需總能量________%。答案：60解析：文獻(xiàn)實(shí)測，厚板氧助燃反應(yīng)放熱占總能60%，激光提供40%。29.激光切割中，噴嘴直徑d_n與板厚t的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為d_n≈________·t。答案：0.5–0.8解析：經(jīng)驗(yàn)值，薄板取0.5，厚板取0.8，保證氣流剛度。30.飛行光路系統(tǒng)中，若X軸行程4m，最大加速度1g，則理論最小定位時間（三角速度模式）為________s。答案：0.09解析：t=2√(s/a)=2√(4/9.81)≈0.09s。31.激光器BPP（光束參數(shù)乘積）值等于________與________的乘積。答案：束腰半徑；遠(yuǎn)場半角解析：BPP=w?·θ，單位mm·mrad。32.在切割銅板（2mm）時，若采用10kW多模激光，焦點(diǎn)位置應(yīng)位于板面上方________mm處，以抑制等離子體。答案：+2解析：正離焦擴(kuò)大光斑，降低功率密度，抑制等離子體屏蔽。33.激光切割PET時，若使用9.3μmCO?激光，其機(jī)理以________為主。答案：光熱分解解析：9.3μm對應(yīng)C=O鍵共振吸收，斷鍵后材料直接氣化。34.激光切割中，若噴嘴出口馬赫數(shù)Ma=2.0，則理想氣體壓力比P?/P_e=________。答案：7.8解析：等熵關(guān)系，(1+0.2Ma2)^3.5=7.8。35.在切割非金屬材料時，常用“空氣輔助”而非氮?dú)?，其原因是________。答案：降低成本且氧化放熱可提高切割速度解析：非金屬對邊緣氧化不敏感，空氣含氧可額外供能。五、簡答題（每題8分，共24分）36.簡述激光切割不銹鋼時“掛渣”形成的物理過程，并給出三種工程抑制手段。答案：物理過程：激光熔化材料形成熔池，輔助氣體向下吹掃；當(dāng)熔體黏度大、表面張力高或氣體動量不足時，部分熔體在切口底部重新凝固，形成固態(tài)掛渣。抑制手段：1.高壓氮?dú)猓ā?8bar）增加吹力；2.焦點(diǎn)下調(diào)至板內(nèi)1/3，提高底部能量，降低熔體黏度；3.采用小噴嘴（?1.0mm）提高氣體出口速度，增強(qiáng)剪切力。37.說明飛行光路系統(tǒng)產(chǎn)生“焦點(diǎn)漂移”的兩大機(jī)理，并給出補(bǔ)償方案。答案：機(jī)理：1.光學(xué)鏡片熱透鏡效應(yīng)：鏡片吸收激光升溫，折射率變化，等效焦距縮短，焦點(diǎn)下移；2.機(jī)床熱脹冷縮：大型龍門在日間溫升下，反射鏡支座間距增大，光程延長，焦點(diǎn)上移。補(bǔ)償方案：1.實(shí)時溫感+伺服Z軸閉環(huán)，每0.5s修正焦點(diǎn)；2.采用低吸收率<0.15%的銅鏡或Si鏡，并通水冷恒溫22℃；3.床身布置5個溫度傳感器，建立熱變形模型，通過CNC前瞻插補(bǔ)動態(tài)調(diào)整反射鏡角度，實(shí)現(xiàn)光程預(yù)補(bǔ)償。38.激光切割1mm陶瓷基板（Al?O?）出現(xiàn)微裂紋，請分析原因并提出工藝優(yōu)化路徑。答案：原因：陶瓷熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱差，激光局部加熱產(chǎn)生陡峭溫度梯度，熱應(yīng)力超過斷裂韌性，形成微裂紋。優(yōu)化路徑：1.采用355nm紫外激光，光子能量高，以光化學(xué)冷加工為主，減少熱輸入；2.使用超快皮秒激光，脈沖寬度<10ps，熱擴(kuò)散長度<1μm，抑制裂紋；3.預(yù)加熱基板至200℃，降低溫度梯度；4.多道切割，每道深度20μm，減少單次熱沖擊；5.切割后立刻超聲清洗并退火1h，釋放殘余應(yīng)力。六、計(jì)算題（共31分）39.（10分）某光纖激光器輸出4kW，波長1.07μm，聚焦鏡焦距200mm，入射準(zhǔn)直光束直徑30mm，材料為碳鋼，吸收率85%。求：(1)理論焦斑直徑d；(2)峰值功率密度I?；(3)若切縫寬度等于d，忽略損失，計(jì)算切割5mm厚板時的最大理論進(jìn)給速度v_max（已知汽化潛熱+熔化焓總和ΔH=9.5kJ/cm3，板材密度ρ=7.85g/cm3）。答案：(1)d=2λf/πD=2×1.07×10?3mm×200/(π×30)=4.5μm(2)焦斑面積A=π(d/2)2=π(2.25×10?3)2=1.59×10??cm2I?=P·η/A=4000×0.85/1.59×10??=2.14×10?W/cm2(3)單位體積能量E_v=ΔH=9.5kJ/cm3切縫截面積A_k=d·t=4.5×10?3cm×0.5cm=2.25×10?3cm2體積去除率Q=P·η/E_v=3400/9500=0.358cm3/sv_max=Q/A_k=0.358/2.25×10?3=159cm/s=95.4m/min40.（10分）某CO?激光切割6mm不銹鋼，原參數(shù)：P=2kW，v=1m/min，氮?dú)鈮毫?5bar，掛渣高度0.3mm?，F(xiàn)欲將掛渣降至0.1mm以下，實(shí)驗(yàn)表明掛渣高度h∝P^0.8/v^1.2。求：(1)若功率不變，速度應(yīng)提至多少？(2)若速度最大只能提高20%，功率應(yīng)降至多少？答案：(1)h?/h?=(v?/v?)^1.2?0.3/0.1=(v?/1)^1.2?v?=1×3^(1/1.2)=2.46m/min(2)v?=1.2m/min，則0.3/0.1=(P?/P?)^0.8×(1.2/1)^1.2?3=(2/P?)^0.8×1.24?(2/P?)^0.8=2.42?2/P?=2.42^(1/0.8)=2.95?P?=0.68kW41.（11分）飛行光路系統(tǒng)，X軸行程3m，Y軸1.5m，反射鏡安裝于鋁合金橫梁（線脹系數(shù)α=23×10??/℃）。早夜溫差10℃，導(dǎo)致X向光程變化。若系統(tǒng)無補(bǔ)償，求：(1)焦點(diǎn)縱向漂移量Δz；(2)若要求漂