激光加工技術(shù)考試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在激光切割低碳鋼時，若輔助氣體由O?切換為N?，切口寬度與熱影響區(qū)的變化趨勢是A.寬度增大、熱影響區(qū)縮小B.寬度減小、熱影響區(qū)擴大C.寬度與熱影響區(qū)均增大D.寬度與熱影響區(qū)均減小答案：A解析：O?切割依靠放熱反應(yīng)額外輸入熱量，切換為惰性N?后，熱輸入下降，材料去除機制由氧化熔融轉(zhuǎn)為單純?nèi)廴诖党?，切口能量密度降低?dǎo)致寬度增大；同時冷卻速度加快，熱積累減少，熱影響區(qū)縮小。2.激光深熔焊出現(xiàn)“小孔塌陷”瞬間，最可能誘發(fā)的缺陷是A.氣孔B.咬邊C.未熔合D.冷裂紋答案：A解析：小孔塌陷導(dǎo)致保護(hù)氣體與金屬蒸氣無法及時逸出，卷入熔池形成氣泡，凝固后來不及上浮即成為氣孔。3.采用波長1.07μm的光纖激光加工銅材時，為克服初始高反射，最有效的措施是A.提高掃描速度B.表面預(yù)涂石墨層C.降低脈沖頻率D.改用CO?激光答案：B解析：銅對1μm波段初始吸收率不足5%，石墨涂層可顯著提高表面吸收率至60%以上，快速建立熔池后吸收率驟升，實現(xiàn)穩(wěn)定加工。4.在激光熔覆過程中，粉末載氣流量過大將導(dǎo)致A.熔覆層稀釋率升高B.粉末利用率提高C.出現(xiàn)“傘狀”飛濺D.基板熱輸入增加答案：C解析：載氣流量過大使粉末束發(fā)散，部分顆粒未進(jìn)入熔池即被吹散，形成傘狀飛濺，降低粉末利用率并污染鏡片。5.關(guān)于超短脈沖激光“冷加工”機理，下列描述正確的是A.依靠長脈寬積累熱實現(xiàn)氣化B.電子—晶格弛豫時間遠(yuǎn)大于脈寬C.等離子體屏蔽效應(yīng)可忽略D.熱擴散長度大于光斑直徑答案：B解析：超短脈沖脈寬<10ps，電子升溫后尚未將能量傳遞給晶格即已完成材料去除，實現(xiàn)“冷”加工；此時電子—晶格弛豫時間（約數(shù)十ps）大于脈寬，晶格幾乎無溫升。6.激光選區(qū)熔化（SLM）成型316L不銹鋼時，層厚從30μm增至60μm而不調(diào)整能量密度，最可能出現(xiàn)的缺陷是A.球化B.翹曲C.過度熔化D.表面氧化答案：A解析：層厚增大導(dǎo)致單位體積能量密度下降，粉末未充分熔化，表面張力使液態(tài)金屬收縮成球，形成球化缺陷。7.激光打標(biāo)PVC材料時，最常利用的著色機制是A.氧化變色B.碳化發(fā)黑C.光致漂白D.氣泡散射答案：B解析：PVC含氯，激光熱解脫HCl后形成共軛雙鍵結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步碳化生成無定型碳，呈現(xiàn)黑色標(biāo)記。8.在激光微鉆孔硅片時，采用“螺旋打孔”路徑的主要目的是A.減小重鑄層B.降低錐度C.避免微裂紋D.提高圓度答案：D解析：螺旋路徑使激光在孔壁均勻去除材料，補償單方向打孔帶來的橢圓誤差，顯著提高孔圓度。9.激光淬火40Cr鋼時，掃描速度加倍而功率不變，硬化層深度的變化規(guī)律近似A.線性減半B.平方根倍減C.不變D.指數(shù)衰減答案：B解析：硬化層深度d∝√(P/v)，速度v加倍，d變?yōu)?/√2倍，呈平方根關(guān)系。10.激光復(fù)合焊接（LaserMIG）中，激光在前、電弧在后布置的優(yōu)點是A.降低裝配間隙敏感性B.增大焊縫熔寬C.減少氣孔傾向D.提高焊接速度答案：C解析：激光先打開深熔小孔，電弧隨后加熱熔池延長液態(tài)存在時間，利于氣體逸出，顯著降低氣孔率。二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列參數(shù)中，直接影響激光切割表面粗糙度Ra的有A.脈沖占空比B.輔助氣體壓力C.焦點位置D.噴嘴直徑E.材料屈服強度答案：ABCD解析：占空比影響熱輸入穩(wěn)定性；氣壓與噴嘴直徑共同決定熔渣排除效果；焦點位置決定能量密度分布；屈服強度為材料固有屬性，不直接決定Ra。12.激光熔覆裂紋產(chǎn)生的主要原因包括A.溫度梯度誘導(dǎo)拉應(yīng)力B.粉末氧含量過高C.熔覆層與基體膨脹系數(shù)差異大D.激光功率密度不足E.搭接率過低答案：ABC解析：A、C產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋；B氧化物成為裂紋源；功率密度不足導(dǎo)致未熔合而非裂紋；搭接率低影響表面平整度，非裂紋主因。13.在激光清洗文物彩繪層時，需重點監(jiān)控的指標(biāo)有A.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）信號B.表面瞬時溫度C.色差ΔED.聲波幅值E.臭氧濃度答案：ABC解析：LIBS可實時識別彩繪與基底；表面溫度防止過熱；ΔE量化色彩變化；聲波與臭氧為副產(chǎn)物，非直接評價指標(biāo)。14.下列措施可有效提高激光焊接鋁合金接頭系數(shù)的有A.采用擺動焊接B.添加Sc、Zr細(xì)化劑C.背面通Ar保護(hù)D.提高離焦量E.焊后T6熱處理答案：ABC解析：擺動攪拌減少氣孔；Sc、Zr細(xì)化晶粒；背面Ar防止氧化；離焦量增大會降低熔深；T6對焊接接頭改善有限，易引發(fā)軟化。15.激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）聚合物時，預(yù)熱溫度低于粉末“返脆”溫度會導(dǎo)致A.翹曲變形B.層間分層C.粉末結(jié)塊D.激光功率窗口變窄E.表面臺階效應(yīng)答案：ABD解析：預(yù)熱不足導(dǎo)致溫差大，熱應(yīng)力引起翹曲與分層；同時需提高激光功率補償，功率窗口變窄；結(jié)塊與臺階效應(yīng)與預(yù)熱溫度無直接因果關(guān)系。三、判斷改錯題（每題2分，共10分，先判斷對錯，再改正錯誤部分）16.激光熔覆時，稀釋率越高，熔覆層耐磨性一定越好。答案：錯。改正：稀釋率過高會導(dǎo)致基體元素大量進(jìn)入熔覆層，降低設(shè)計合金性能，耐磨性反而下降。17.對于相同平均功率，脈沖激光峰值功率一定高于連續(xù)激光。答案：對。解析：脈沖激光能量集中在短脈寬內(nèi)，峰值功率=能量/脈寬，遠(yuǎn)高于連續(xù)激光的平均功率。18.激光切割石英玻璃時，輔助氣體選用He可提高斷面平滑度。答案：錯。改正：石英玻璃為非金屬材料，切割機制為熱應(yīng)力裂解，輔助氣體作用有限，改用Ar或N?即可，He成本高且改善不明顯。19.激光淬火后工件必須回火，否則會出現(xiàn)宏觀裂紋。答案：錯。改正：激光淬火為自冷淬火，殘余應(yīng)力低于常規(guī)淬火，一般無需回火即可直接使用，除非特殊高碳鋼。20.激光功率密度達(dá)到10?W/cm2時，所有金屬均會出現(xiàn)小孔效應(yīng)。答案：錯。改正：小孔形成還需足夠能量密度與作用時間，高反射材料如銅、鋁需更高閾值，10?W/cm2未必足夠。四、簡答題（每題8分，共24分）21.闡述激光深熔焊小孔內(nèi)等離子體對焊接過程的“雙重作用”，并給出工業(yè)上抑制其負(fù)面效應(yīng)的兩種方法。答案：（1）雙重作用：正面為等離子體吸收激光能量形成高溫區(qū)，維持小孔開口，促進(jìn)深熔；負(fù)面為等離子體過度膨脹形成“等離子體云”，屏蔽后續(xù)激光，導(dǎo)致熔深下降、焊縫成形惡化。（2）抑制方法：①側(cè)吹高速Ar氣，密度梯度折射效應(yīng)降低等離子體溫度；②采用波長更短激光（如藍(lán)光450nm），等離子體吸收系數(shù)下降，屏蔽效應(yīng)減弱。22.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，為何常采用“島形掃描”策略？請從熱應(yīng)力與變形角度分析。答案：島形掃描將每層分割為若干小區(qū)域（島），島間跳轉(zhuǎn)打印。優(yōu)點：①局部熱輸入分散，溫度梯度減?。虎谝涯虓u對未打印區(qū)形成“錨固”，約束收縮變形；③縮短連續(xù)掃描路徑，降低長程殘余應(yīng)力累積；④使翹曲力矩相互抵消，整體變形量下降約30%（文獻(xiàn)數(shù)據(jù)）。缺點：增加跳轉(zhuǎn)時間，效率略降。23.比較激光熔覆與激光合金化在工藝目的、能量密度、稀釋率、后續(xù)加工量四方面的差異。答案：目的：熔覆為添加外來材料形成涂層；合金化為改變基體表面成分。能量密度：熔覆較低（103–10?W/cm2），避免基體過度熔化；合金化較高（10?–10?W/cm2），需充分混合。稀釋率：熔覆5–15%，越低越好；合金化30–70%，需充分稀釋。后續(xù)加工：熔覆層厚度0.5–2mm，需精加工；合金化層0.1–0.5mm，?？芍苯邮褂谩Ｎ?、計算題（共15分）24.用光纖激光切割5mm厚304不銹鋼，已知：激光功率P=3kW，波長λ=1.07μm，聚焦光斑直徑d=0.2mm，輔助氧氣壓力1MPa，切割速度v=2m/min。求：（1）光斑中心峰值功率密度（W/cm2）；（2）單位長度熱輸入（J/mm）；（3）若改用氮氣切割，保持熱輸入不變，理論最大速度可達(dá)多少？（假設(shè)氧氣切割能量利用率η?=0.6，氮氣η?=0.4，忽略反應(yīng)熱）答案：（1）光斑面積A=π(d/2)2=3.14×(0.01cm)2=3.14×10?2cm2峰值功率密度I=P/A=3000/(3.14×10?2)=9.55×10?W/cm2（2）單位長度熱輸入E=P/(v×60)=3000/(2000/60)=90J/mm（3）氮氣需保持熱輸入90J/mm，則P/(v_N?×60)=90，v_N?=P/(90×60)=3000/5400=0.556m/min考慮利用率差異，實際v_N?=0.556×(η?/η?)=0.556×1.5=0.834m/min解析：氧氣切割額外化學(xué)熱等效于提高利用率，切換惰性氣體后需降低速度補償能量損失。25.激光淬火45鋼，要求硬化層深度1.2mm，已知：材料熱擴散系數(shù)α=8×10??m2/s，表面達(dá)到奧氏體化溫度Ac?=780℃，室溫20℃，激光光斑寬度b=5mm，功率密度q=5×10?W/cm2，求所需掃描速度v。答案：采用快速估算公式d=√(4αt)，t=b/v，則v=4αb/d2d=1.2mm=1.2×10?3m，b=5×10?3mv=4×8×10??×5×10?3/(1.2×10?3)2=1.6×10??/1.44×10??=0.111m/s=6.67m/min解析：公式基于一維半無限大體瞬時熱源假設(shè)，實際需考慮相變潛熱與表面散熱，實驗驗證應(yīng)留10%裕量，取6m/min。六、綜合設(shè)計題（共16分）26.某航天器鋁合金艙體需進(jìn)行3mm厚對接激光焊接，焊縫等級Ⅰ級，要求抗拉強度≥310MPa，氣孔率<1%。已知：材料為2198T8鋁鋰合金，裝配間隙≤0.1mm，現(xiàn)有6kW光纖激光器，光束參數(shù)乘積BPP=2.5mm·mrad，焊接頭焦距f=300mm，準(zhǔn)直鏡f_c=150mm。任務(wù)：（1）計算聚焦光斑直徑并判斷是否適合焊接；（2）設(shè)計一套“激光雙脈沖MIG”復(fù)合焊接方案，給出功率分配、脈沖頻率、保護(hù)氣配比及焊后無損檢測方法；（3）預(yù)測可能出現(xiàn)的缺陷并提出在線監(jiān)控手段。答案：（1）聚焦光斑直徑d_f=2×BPP×(f/f_c)=2×2.5×(300/150)=10mm·rad×2=0.2mm（換算為弧度后），實際d_f≈0.32mm，功率密度I=6×103/(π×0.0162)=7.46×10?W/cm2，遠(yuǎn)高于鋁閾值10?W/cm2，適合焊接。（2）方案：激光功率4kW，MIG平均功率2kW，采用雙脈沖MIG，頻率50Hz，基值電流50A，峰值電流250A，脈寬比3:7，焊絲ER2319φ1.2mm，