先進激光加工技術(shù)試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在飛秒激光燒蝕金屬過程中，決定熱影響區(qū)（HAZ）寬度的關(guān)鍵參數(shù)是A.單脈沖能量B.脈沖寬度C.重復(fù)頻率D.聚焦光斑直徑答案：B解析：飛秒激光的脈沖寬度遠小于電子晶格耦合時間，熱量在脈沖結(jié)束后才向晶格傳遞，因此脈沖寬度直接決定熱擴散長度，進而決定HAZ。2.采用貝塞爾光束進行玻璃隱形切割時，其縱向焦深與錐透鏡底角θ的關(guān)系為A.與θ成正比B.與θ2成正比C.與1/θ成正比D.與1/θ2成正比答案：C解析：貝塞爾光束焦深公式Δz≈λ/(πθ2)，θ以弧度表示，故Δz∝1/θ2，但工程近似中常寫成Δz∝1/θ。3.在激光選區(qū)熔化（SLM）AlSi10Mg合金時，出現(xiàn)“球化”缺陷的最直接原因是A.氧含量過高B.掃描速度過快導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定C.鋪粉層厚過大D.基板預(yù)熱不足答案：B解析：掃描速度過快使熔池壽命縮短，表面張力將液態(tài)金屬拉成球狀，來不及鋪展即凝固，形成球化。4.對于1064nm納秒激光加工金剛石，最有效的能量耦合機制是A.線性吸收B.雙光子吸收C.缺陷輔助吸收D.表面等離子體吸收答案：C解析：金剛石帶隙5.5eV，1064nm單光子能量1.17eV，遠低于帶隙，需依賴缺陷能級作為中間態(tài)實現(xiàn)吸收。5.在激光沖擊強化（LSP）中，采用黑漆作為燒蝕層的主要目的是A.提高等離子體溫度B.降低激光反射率C.增加沖擊波持續(xù)時間D.防止工件氧化答案：B解析：黑漆可顯著降低金屬表面反射率，使更多激光能量用于產(chǎn)生等離子體，從而提高沖擊波峰值壓力。6.當(dāng)用515nm皮秒激光切割銅箔時，切口邊緣出現(xiàn)周期性波紋，其空間周期λ與激光參數(shù)的關(guān)系為A.λ≈λ激光/2sinθ，θ為入射角B.λ≈λ激光/2C.λ≈λ激光·NAD.λ≈λ激光·M2答案：A解析：波紋為激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS），其周期滿足λ≈λ激光/(2sinθ)，θ為表面等離子體激元激發(fā)角。7.在激光復(fù)合焊接（激光+GMAW）中，激光深熔小孔塌陷導(dǎo)致氣孔的根本原因是A.熔池表面張力梯度逆轉(zhuǎn)B.激光功率密度低于閾值C.電弧電壓過高D.焊絲干伸長過大答案：A解析：小孔塌陷時，表面張力由向外流動轉(zhuǎn)為向內(nèi)，將保護氣體或金屬蒸氣卷入，形成氣孔。8.采用超快激光在藍寶石內(nèi)寫制光波導(dǎo)時，折射率增加的主要機制是A.非橋氧鍵增加B.密度降低形成微孔C.殘余壓應(yīng)力致密度升高D.色心湮滅答案：C解析：飛秒激光誘導(dǎo)局部熔融再凝固，產(chǎn)生高密度網(wǎng)絡(luò)，殘余壓應(yīng)力使折射率升高~1×10?3，形成波導(dǎo)芯。9.在激光微納3D打印雙光子聚合（TPP）中，決定橫向分辨率的物理極限是A.瑞利判據(jù)B.阿貝衍射極限C.聚合物閾值響應(yīng)體積D.激光波長答案：C解析：TPP分辨率受限于聚合物自由基擴散長度與閾值響應(yīng)體積，可突破光學(xué)衍射極限，實現(xiàn)~100nm特征。10.對于10kW光纖激光焊接20mm不銹鋼，出現(xiàn)“駝峰”缺陷時，最有效的抑制措施是A.降低焊接速度B.增加離焦量C.采用負離焦+擺動光束D.提高保護氣流量答案：C解析：負離焦增大熔寬，擺動光束攪拌熔池，降低表面張力梯度，抑制駝峰形成。二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些技術(shù)可有效提高飛秒激光加工硅的表面吸收率A.表面黑硅納米結(jié)構(gòu)B.硫摻雜超飽和C.激光誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)D.表面鍍100nm金膜答案：A、B、C解析：黑硅與硫摻雜均引入中間能級，LIPSS形成亞波長光柵，均提高吸收；金膜在飛秒尺度下因熱擴散長度小，易脫落，效果不佳。12.在激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，導(dǎo)致零件開裂的冶金因素包括A.馬氏體α'相體積膨脹B.氫致脆性C.殘余拉應(yīng)力超過斷裂韌性D.鋁元素?zé)龘p答案：A、B、C解析：α'相體積膨脹產(chǎn)生微裂紋；氫擴散至晶界降低結(jié)合力；殘余拉應(yīng)力驅(qū)動裂紋擴展；鋁燒損改變成分但非直接開裂主因。13.關(guān)于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）定量分析鋁合金，下列說法正確的是A.需采用內(nèi)標法消除基體效應(yīng)B.激光能量穩(wěn)定性優(yōu)于1%RMS方可獲得<3%精度C.雙脈沖LIBS可提高信噪比D.波長校準采用氖燈優(yōu)于采用樣品本身譜線答案：A、C解析：內(nèi)標法可補償燒蝕量波動；雙脈沖通過預(yù)熱提高激發(fā)效率；能量穩(wěn)定性需<0.5%RMS；氖燈校準更精準，樣品譜線易受自吸影響。14.在激光微射流（LaserMicroJet?）切割金剛石時，水導(dǎo)激光的優(yōu)勢有A.降低熱影響區(qū)B.去除熔渣C.減少激光等離子體屏蔽D.提高切口錐度答案：A、B、C解析：水射流冷卻并沖走熔渣，等離子體被水抑制；錐度由水射流直徑與穩(wěn)定性決定，非優(yōu)勢。15.下列哪些參數(shù)可用于在線監(jiān)測激光焊接小孔穩(wěn)定性A.等離子體羽輝強度波動B.背面熔池紅外輻射溫度C.激光反射信號高頻分量D.焊接電壓瞬時值答案：A、B、C解析：等離子體強度、紅外溫度、反射信號均與小孔振蕩相關(guān)；電弧電壓為GMAW參數(shù)，對純激光焊無效。三、判斷改錯題（每題2分，共10分，先判對錯，若錯則劃線改正）16.在飛秒激光加工中，庫侖爆炸機制僅在絕緣體中發(fā)生，金屬中不存在。答案：錯。金屬中亦存在，當(dāng)電子溫度遠高于晶格溫度時，電子離子耦合不足，離子間庫侖斥力導(dǎo)致原子剝離。17.激光增材制造316L不銹鋼的層厚減小一定會提高致密度。答案：錯。層厚過小導(dǎo)致粉末鋪展困難，反而出現(xiàn)“球化”與未熔透，致密度下降。18.激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的導(dǎo)電性主要源于sp3碳網(wǎng)絡(luò)。答案：錯。主要源于激光還原生成的sp2雜化石墨烯片層網(wǎng)絡(luò)。19.在激光切割亞克力時，吹氧可顯著提高切口光滑度。答案：錯。亞克力為有機玻璃，吹氧導(dǎo)致燃燒，邊緣碳化變粗糙，應(yīng)使用壓縮空氣或氮氣。20.激光沖擊強化后，材料表面殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。答案：對。四、填空題（每空1分，共15分）21.在激光選區(qū)熔化中，為提高粉末流動性，常添加________（質(zhì)量分數(shù)約0.05%）的納米________顆粒。答案：氣相SiO?，球形解析：納米SiO?降低粉末間摩擦，提高鋪粉均勻性。22.飛秒激光在熔融石英內(nèi)部寫制光柵時，其折射率調(diào)制量可達________，對應(yīng)雙折射________。答案：1×10?3，3×10??解析：采用TypeIIregime，形成納米光柵，伴隨雙折射。23.激光焊接銅鋁異種接頭時，最易生成的脆性金屬間化合物為________與________。答案：CuAl?，Cu?Al?解析：二者硬度高、韌性差，成為裂紋源。24.在激光旋轉(zhuǎn)掃描切割管壁時，若激光束與管壁法線夾角為θ，則切縫寬度會隨θ增大而________，其關(guān)系近似________。答案：增大，w≈w?/cosθ解析：幾何投影導(dǎo)致切口表觀寬度增加。25.采用515nm皮秒激光加工硅，其雙光子吸收系數(shù)β≈________cm/GW，對應(yīng)閾值通量________mJ/cm2。答案：2.5，120解析：文獻實測值，β與帶隙、波長相關(guān)，閾值通量F_th≈1.5?ω/(βτ_p)。五、簡答題（每題8分，共24分）26.闡述激光選區(qū)熔化（SLM）過程中“鑰匙孔”塌陷引發(fā)氣孔的機理，并給出兩種在線抑制策略。答案：機理：高功率密度激光在熔池形成深窄小孔，孔壁由金屬蒸氣反沖壓力維持。當(dāng)激光功率波動或掃描路徑轉(zhuǎn)彎時，局部能量輸入下降，反沖壓力不足以平衡表面張力與靜壓力，孔壁塌陷，將保護氣體或金屬蒸氣包裹，凝固后形成氣孔。策略：（1）高速紅外測溫閉環(huán)反饋，實時調(diào)節(jié)激光功率，保持小孔開口溫度穩(wěn)定；（2）采用擺動掃描路徑，增加熔池寬度，降低深寬比，減少塌陷概率。27.比較飛秒激光與納秒激光在加工聚酰亞胺（PI）薄膜時的熱影響區(qū)差異，并用雙溫模型估算電子晶格耦合時間。答案：飛秒激光脈沖寬度τ_p≈300fs，小于電子晶格耦合時間τ_ep≈10ps，能量先注入電子系統(tǒng)，晶格升溫滯后，熱擴散長度L_th≈√(D_l·τ_ep)≈50nm，HAZ<100nm。納秒激光τ_p≈20ns，遠大于τ_ep，電子與晶格同步升溫，熱擴散長度L_th≈√(D_l·τ_p)≈2μm，HAZ達35μm。雙溫模型估算：G·(T_eT_l)=C_l·?T_l/?t，線性化得τ_ep=C_l/G≈1.2×101?J/m3K/1×101?W/m3K=1.2ps，與實驗值吻合。28.說明激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）在鈦合金表面制備超疏水功能的步驟，并給出接觸角測試數(shù)據(jù)。答案：步驟：（1）采用800nm、150fs、1kHz激光，聚焦光斑30μm，線掃描，能量密度0.35J/cm2，掃描速度0.5mm/s，形成周期Λ≈620nm的亞波長波紋；（2）將樣品置于全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTS）氣氛中，120℃處理2h，降低表面能；（3）用乙醇超聲清洗5min，去除未反應(yīng)單體。測試：靜態(tài)水接觸角θ_s=162°，滾動角α=4°，經(jīng)500次砂紙磨損后θ_s仍>150°，顯示機械耐久超疏水性能。六、計算題（共16分）29.某10kW光纖激光（λ=1.07μm，M2=1.1）通過焦距f=200mm的透鏡聚焦，求：（1）焦點光斑直徑d?；（2）若焊接20mm不銹鋼，需形成深熔焊，假設(shè)閾值功率密度I_th=1×10?W/cm2，求最小激光功率；（3）若焊接速度v=1m/min，求線能量E_l。答案：（1）d?=4λfM2/(πD)=4×1.07×10?3×200×1.1/(π×30)=0.10mm；（2）P_th=I_th·π(d?/2)2=1×10?×π×(0.05)2=7.85kW；（3）E_l=P/v=10kW/(1/60m/s)=600kJ/m。30.采用飛秒激光在熔融石英內(nèi)部寫制波導(dǎo)，要求模場直徑MFD=4μm（λ=1.55μm），已知折射率增量Δn=1×10?3，求波導(dǎo)直徑a，并驗證是否單模。答案：階躍光纖歸一化頻率V=2πa·NA/λ，NA≈√(2nΔn)=√(2×1.46×1×10?3)=0.054；令V=2.405（單模截止），則a=2.405λ/(2πNA)=2.405×1.55/(2π×0.054)=10.9μm；但要求MFD=4μm，對應(yīng)高斯近似MFD≈2a，故取a=2μm，此時V=0.44<2.405，滿足單模，且Δn足夠大，可束縛模場。七、綜合設(shè)計題（共40分）31.背景：需在一枚Φ5mm、厚0.5mm的氮化硅陶瓷軸承球冠表面加工3600個微凹坑，形成仿生疏水表面，要求：凹坑直徑φ=30±2μm，深度h=5±0.5μm；無微裂紋，表面粗糙度Sa≤0.2μm；加工時間≤5min。任務(wù)：（1）選擇激光類型與參數(shù)，說明理由；（2）設(shè)計掃描策略與光束路徑，給出偽代碼；（3）提出在線監(jiān)測與質(zhì)量評價方法；（4）預(yù)測加工后接觸角提升值（給出實驗公式與計算）。答案：（1）激光選擇：355nm納秒激光（τ_p≈15ns），氮化硅帶隙3.2eV，單光子能量3.49eV，線性吸收，避免多光子吸收導(dǎo)致爆裂；平均功率5W，重復(fù)頻率100kHz，單脈沖能量50μJ，聚焦光斑15μm，峰值功率密度≈1.4×10?W/cm2，處于燒蝕閾值上方，可控制深度。（2）掃描策略：采用螺旋進給，每圈徑向步距Δr=25μm，周向步距Δθ=2π/360，確保凹坑中心距50μm；凹坑內(nèi)部采用同心圓填充，圈數(shù)n=h/(Δz·η)，Δz=0.5μm/圈，η=0.8，n=13圈；偽代碼：```forr=0.75to2.5mmstep0.025forθ=0to2πstep2π/360x=rcos(θ);y=rsin(θ);fori=1to13z=i0.5μm;circ(x,y,15μm);endendend```總點數(shù)3600，單點脈沖數(shù)13，總脈沖46800，頻率100kHz，耗時0.47s，加上跳轉(zhuǎn)1ms/點，總時間<5min。（3）在線監(jiān)測：采用共焦色