激光加工試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在激光切割不銹鋼板時(shí)，若板厚從2mm增加到6mm，保持相同切縫寬度，最應(yīng)優(yōu)先調(diào)整的工藝參數(shù)是A.脈沖頻率??B.輔助氣體壓力??C.離焦量??D.光束模式答案：B解析：厚度增大后，熔渣排出阻力呈三次方關(guān)系上升，提高氧氣壓力可顯著增強(qiáng)排渣能力；其余參數(shù)對(duì)切縫寬度影響有限。2.采用1μm光纖激光對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行微銑削時(shí)，最易出現(xiàn)的缺陷是A.熱影響區(qū)裂紋??B.碳化硅顆粒拔出??C.再鑄層氧化??D.表面球化答案：B解析：鋁對(duì)1μm激光吸收率高，迅速熔化，而SiC顆粒幾乎不吸收，界面熱失配導(dǎo)致顆粒被“拔出”，形成凹坑。3.激光深熔焊出現(xiàn)“小孔塌陷”瞬間，等離子體噴發(fā)方向通常為A.逆激光入射方向??B.垂直工件表面??C.與激光同軸向下??D.沿焊縫切線方向答案：A解析：小孔塌陷時(shí)，孔內(nèi)高壓金屬蒸氣逆光束路徑噴出，形成典型“后向等離子體云”，可在高速X射線影像中驗(yàn)證。4.對(duì)PI薄膜進(jìn)行飛秒激光鉆孔時(shí)，孔入口直徑明顯大于出口，其主因是A.等離子體屏蔽??B.非線性多光子吸收區(qū)呈錐形擴(kuò)展??C.熱積累??D.材料汽化潛熱各向異性答案：B解析：飛秒尺度能量沉積區(qū)由光束自聚焦與多光子吸收共同決定，呈“倒錐”形，入口能量密度高，橫向燒蝕區(qū)大。5.激光熔覆鐵基合金時(shí)，稀釋率突然升高，首先應(yīng)檢查A.送粉速率??B.離焦量??C.保護(hù)氣純度??D.激光功率實(shí)時(shí)反饋曲線答案：D解析：功率漂移（如鏡片熱透鏡效應(yīng)）使線能量突增，基材熔化加深，稀釋率上升；其余參數(shù)變化呈漸變特征。6.在激光打標(biāo)二維碼時(shí)，若要求Al2O3陶瓷灰度級(jí)>64，最有效的控制變量是A.掃描速度??B.脈沖寬度??C.填充間距??D.Q頻答案：C解析：填充間距直接決定單點(diǎn)重疊率，通過(guò)“半色調(diào)”原理獲得連續(xù)灰度；脈沖寬度主要影響氧化層厚度，灰度階躍不足。7.采用CO2激光切割亞克力，邊緣出現(xiàn)“鋸齒”形貌，首要解決措施為A.降低氣壓??B.改用氮?dú)??C.提高重復(fù)頻率??D.負(fù)離焦答案：C解析：亞克力為熱分解機(jī)制，低頻脈沖導(dǎo)致熔融前沿“跳躍”，提高頻率可使切口連續(xù)；負(fù)離焦會(huì)擴(kuò)大切縫，鋸齒依舊。8.激光選區(qū)熔化（SLM）Ti6Al4V時(shí)，層厚從30μm增至60μm而不調(diào)整功率，最易產(chǎn)生的冶金缺陷是A.未熔合??B.氣孔??C.殘余應(yīng)力??D.表面粘粉答案：A解析：層厚翻倍，所需能量密度呈線性上升，固定功率下線能量不足，出現(xiàn)層間未熔合；氣孔主要與粉末含水量相關(guān)。9.激光沖擊強(qiáng)化（LSP）采用黑漆作為吸收層，其主要作用是A.提高等離子體溫度??B.防止工件過(guò)熱??C.增強(qiáng)沖擊波峰值壓力??D.降低反射率答案：C解析：黑漆汽化后形成致密等離子體，約束層（水）使其膨脹受阻，壓力可升至GPa級(jí)；單純降低反射率可用鋁箔即可。10.對(duì)玻璃進(jìn)行皮秒激光隱形切割，焦點(diǎn)位置置于材料內(nèi)部而非表面，其原因是A.避免表面崩邊??B.提高單脈沖能量閾值??C.利用自聚焦效應(yīng)??D.減少水蒸氣干擾答案：A解析：內(nèi)部改性產(chǎn)生微裂紋陣列，后續(xù)沿“瑕疵面”斷裂，表面無(wú)碎屑；若聚焦表面，熱應(yīng)力導(dǎo)致崩邊明顯。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制激光焊接銅箔時(shí)的飛濺A.采用藍(lán)光激光器??B.使用擺動(dòng)焊接頭??C.添加鎳中間層??D.背面施加0.3bar氬氣背壓答案：A、B、C解析：銅對(duì)藍(lán)光吸收率>65%，降低所需功率；擺動(dòng)可穩(wěn)定小孔；鎳層提高熔池粘度；背壓對(duì)箔材飛濺抑制有限。12.激光熔覆裂紋敏感性指數(shù)（CSI）與哪些因素呈正相關(guān)A.熱膨脹系數(shù)差??B.熔覆層硬度??C.基體預(yù)熱溫度??D.冷卻速率答案：A、B、D解析：預(yù)熱溫度升高可降低溫度梯度，CSI下降；其余三項(xiàng)增大均使裂紋傾向上升。13.關(guān)于激光清洗汽車漆層，下列說(shuō)法正確的是A.短脈沖可避免基板鍍鋅層熔化??B.采用1064nm激光比10.6μm更易控制殘留厚度C.等離子體閃光強(qiáng)度可作為終點(diǎn)監(jiān)測(cè)信號(hào)??D.清洗效率與漆層吸收率呈線性關(guān)系答案：A、C解析：短脈沖能量沉積于漆層，鍍鋅層溫升低；等離子體閃光突變對(duì)應(yīng)界面暴露；10.6μm在漆層與金屬界面反射差異大，更易控制；效率與吸收率呈對(duì)數(shù)關(guān)系。14.激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）聚苯乙烯粉末時(shí)，出現(xiàn)“象腳”變形，可能原因包括A.粉床溫度過(guò)高??B.掃描間距過(guò)大??C.層厚過(guò)薄??D.冷卻速率不均答案：A、D解析：粉床溫度接近聚苯乙烯軟化點(diǎn)，底層粉末自重塌陷；冷卻不均產(chǎn)生翹曲，疊加形成“象腳”；掃描間距與層厚影響致密度而非該變形。15.激光微納加工中，采用空間光調(diào)制器（SLM）進(jìn)行并行加工的優(yōu)勢(shì)有A.降低熱積累??B.實(shí)現(xiàn)異面多焦點(diǎn)??C.提高軸向分辨率??D.無(wú)需移動(dòng)平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)大面積圖案答案：B、D解析：SLM可產(chǎn)生三維分布焦點(diǎn)陣列；熱積累由總能量決定，與并行度無(wú)關(guān)；軸向分辨率受物鏡數(shù)值孔徑限制。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分；先判斷對(duì)錯(cuò)，再改正錯(cuò)誤部分）16.激光切割高反材料時(shí)，采用線偏振光比圓偏振光更易獲得垂直切縫。答案：錯(cuò)誤。改正：圓偏振光在切割高反材料時(shí)可減少偏振方向依賴，獲得更垂直切縫。17.在激光焊接中，小孔深度與激光功率密度呈線性關(guān)系。答案：錯(cuò)誤。改正：小孔深度與功率密度呈0.5次方關(guān)系，受蒸氣反壓力與表面張力平衡限制。18.飛秒激光燒蝕金屬時(shí)，材料去除機(jī)制以熔融噴射為主。答案：錯(cuò)誤。改正：飛秒激光燒蝕金屬以非熱相爆炸（庫(kù)侖爆炸、臨界點(diǎn)的均勻成核）為主，幾乎無(wú)熔融噴射。19.激光熔覆層稀釋率越高，其耐蝕性一定越好。答案：錯(cuò)誤。改正：稀釋率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致基體元素大量進(jìn)入熔覆層，可能降低耐蝕性（如碳鋼稀釋鎳基合金）。20.采用CO2激光打標(biāo)PVC時(shí)，釋放的HCl氣體可用活性炭纖維實(shí)時(shí)吸附。答案：正確。解析：活性炭纖維對(duì)HCl具有化學(xué)吸附作用，生成穩(wěn)定氯化物，現(xiàn)場(chǎng)凈化效率可達(dá)95%。四、填空題（每空1分，共15分）21.激光深熔焊小孔內(nèi)金屬蒸氣主要成分為________，其電離能約為________eV。答案：Fe；7.87解析：低碳鋼焊接時(shí)，蒸發(fā)鐵原子占蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)>90%，電離能為7.87eV，決定等離子體形成閾值。22.采用1kW單模光纖激光切割2mm不銹鋼，最大切割速度v（m/min）與激光功率P（W）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為v=0.025P，則當(dāng)功率下降至800W時(shí)，速度應(yīng)為________m/min。答案：20解析：直接代入v=0.025×800=20m/min，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證誤差<3%。23.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時(shí)，層厚30μm、激光直徑100μm，為獲得致密度>99%，需保證搭接率≥________%。答案：35解析：搭接率=(1?掃描間距/光斑直徑)×100%，實(shí)驗(yàn)表明搭接率35%可消除未熔合，對(duì)應(yīng)間距65μm。24.激光沖擊強(qiáng)化中，當(dāng)約束層為水，吸收層為鋁箔時(shí)，沖擊波峰值壓力經(jīng)驗(yàn)公式P(GPa)=1.02√(I/10^12)，若激光功率密度I=5×10^12W/m2，則P=________GPa。答案：2.28解析：代入得P=1.02×√5≈2.28GPa，與PVDF傳感器實(shí)測(cè)值2.3GPa吻合。25.飛秒激光在熔融石英中寫入波導(dǎo)，折射率增量Δn與激光脈沖能量E（nJ）呈線性關(guān)系Δn=2×10??E，當(dāng)E=50nJ時(shí)，Δn=________。答案：1×10?2解析：Δn=2×10??×50=0.01，可支持單模波導(dǎo)，與近場(chǎng)模式測(cè)量一致。26.激光熔覆FeCrB合金，硼含量超過(guò)________wt%時(shí)，熔覆層出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀M?B相，導(dǎo)致裂紋。答案：3.2解析：硼在γFe中最大溶解度0.02wt%，超過(guò)3.2wt%形成脆性M?B，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)顯示斷裂韌性驟降。27.采用355nm紫外激光切割PI薄膜，單脈沖最大切深d（μm）與能量密度F（J/cm2）關(guān)系為d=0.18F，當(dāng)F=2J/cm2時(shí)，d=________μm。答案：0.36解析：d=0.18×2=0.36μm，與SEM截面測(cè)量值0.35μm一致。28.激光焊接銅鋁異種接頭，若采用0.1mm鎳中間層，可抑制________金屬間化合物生成。答案：Cu?Al?解析：鎳作為擴(kuò)散障，降低Cu、Al互擴(kuò)散通量，XRD顯示Cu?Al?峰消失，接頭剪切強(qiáng)度提高40%。29.激光清洗混凝土表面青苔，采用1064nm激光，其清洗閾值約為________J/cm2。答案：0.8解析：青苔含水率高，0.8J/cm2即可使水瞬間汽化剝離，低于混凝土燒蝕閾值1.2J/cm2，實(shí)現(xiàn)選擇性去除。30.激光選區(qū)燒結(jié)PA12粉末，粉床預(yù)熱溫度設(shè)定為________℃時(shí)，翹曲量最小。答案：185解析：PA12熔點(diǎn)178℃，預(yù)熱185℃使粉末處于粘彈態(tài)，降低溫度梯度，熱應(yīng)力下降60%。五、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）31.簡(jiǎn)述激光切割鋁合金時(shí)產(chǎn)生“粘渣”的機(jī)理，并給出兩種工藝解決方案。答案：機(jī)理：鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高（237W/m·K），熔融區(qū)快速冷卻，高粘度Al?O?薄膜包裹熔渣，使其不易被輔助氣體吹走，冷卻后與切口底部焊合，形成固態(tài)粘渣。方案：（1）采用變頻脈沖激光，峰值功率>10kW，脈沖頻率5kHz，利用脈沖沖擊波破碎氧化膜，降低熔渣粘度；（2）使用氮?dú)?少量甲醇混合氣體（體積分?jǐn)?shù)3%），甲醇裂解產(chǎn)生H?還原Al?O?，生成低熔點(diǎn)Al(OH)?，熔渣粘度下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，切割5mm6061T6粘渣高度<0.1mm。32.激光焊接高強(qiáng)鋼時(shí)，為何常采用擺動(dòng)光束？請(qǐng)從傳熱與應(yīng)力角度分析。答案：傳熱：擺動(dòng)光束使熔池寬度增加，溫度梯度?T/?x下降30%，降低冷卻速率，抑制馬氏體相變，硬度HV由480降至320，減少冷裂傾向。應(yīng)力：擺動(dòng)引入周期性壓縮拉伸應(yīng)變，促使柱狀晶破碎，晶粒尺寸由120μm細(xì)化至40μm，根據(jù)HallPetch關(guān)系，屈服強(qiáng)度提高同時(shí)斷裂韌性K_IC提升15%，殘余拉應(yīng)力峰值下降25%，通過(guò)X射線衍射測(cè)得表面應(yīng)力由420MPa降至310MPa。33.飛秒激光在金剛石表面誘導(dǎo)納米光柵（LIPSS）的生成條件及潛在應(yīng)用。答案：條件：中心波長(zhǎng)800nm、脈寬120fs、能量密度0.9J/cm2、掃描速度0.5mm/s、線偏振、真空度10?3mbar，形成周期Λ=λ/(n?sinθ)≈133nm納米光柵，深度30nm，覆蓋面積5×5mm2。應(yīng)用：（1）作為拉曼增強(qiáng)基底，對(duì)羅丹明6G檢測(cè)限降至10?12mol/L，增強(qiáng)因子2×10?；（2）用于金剛石NV色心耦合，納米光柵提供額外光子態(tài)密度，熒光收集效率提升3.8倍，實(shí)現(xiàn)片上量子傳感器。六、計(jì)算題（共16分）34.采用2kW連續(xù)光纖激光對(duì)5mm厚304不銹鋼進(jìn)行對(duì)接焊，聚焦光斑直徑0.4mm，焊接速度1m/min，已知：（1）304不銹鋼密度ρ=7900kg/m3，比熱容c=500J/kg·K，熔點(diǎn)T_m=1723K，室溫T_0=293K，熔化潛熱L_m=260kJ/kg；（2）焊縫橫截面積A=2mm2；（3）熱傳導(dǎo)損失約占總能量30%。求：焊接過(guò)程熱效率η，并判斷是否發(fā)生深熔焊（深熔焊閾值功率密度≥5×10?W/cm2）。答案：步驟1：計(jì)算所需理論熱功率P_need單位長(zhǎng)度質(zhì)量m=ρ×A=7900×2×10??=0.0158kg/m升溫?zé)崃縌_s=m×c×(T_m?T_0)=0.0158×500×1430=1.13×10?J/m熔化熱量Q_m=m×L_m=0.0158×260×103=4.11×103J/m總熱量Q_total=Q_s+Q_m=1.54×10?J/m焊接速度v=1m/min=0.0167m/s理論功率P_need=Q_total×v=1.54×10?×0.0167=257W步驟2：實(shí)際輸入功率P_in=2000W，熱損失30%，有效功率P_eff=2000×0.7=1400W熱效率η=P_need/P_eff=257/1400=18.4%步驟3：功率密度I=P_in/(πr2)=2000/(π×0.22×10??)=1.59×10?W/cm2>5×10?W/cm2，滿足深熔焊條件。結(jié)論：熱效率18.4%，發(fā)生深熔焊，小孔穩(wěn)定存在。七、綜合設(shè)計(jì)題（共25分）35.某航天企業(yè)需對(duì)2mm厚7075T6鋁合金與1mm厚碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（CFRP）進(jìn)行疊層焊接