激光加工技術考試題目及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在激光切割不銹鋼薄板時，若焦點位置由板面向下偏移1mm，最可能出現(xiàn)的缺陷是A.掛渣增多，底面出現(xiàn)熔瘤B.切縫上緣燒角嚴重C.切縫寬度急劇縮小D.等離子體屏蔽效應增強答案：A解析：焦點下移使能量密度在板底集中，熔融金屬無法被輔助氣體有效吹除，底部熔瘤顯著增加；上緣燒角與焦點上移相關，C項寬度縮小與離焦量關系非線性，D項等離子體屏蔽主要與功率密度和材料蒸汽密度相關。2.采用CO?激光器對10mm厚低碳鋼進行氧氣助熔切割，若將切割速度提高30%，為保持切透，應優(yōu)先調(diào)整A.噴嘴直徑減小0.2mmB.氧氣壓力降低0.3barC.激光功率提高15%D.焦點位置向上移動1mm答案：C解析：速度提升導致線能量下降，必須補償能量輸入；氧氣壓力降低會削弱氧化放熱，A、D對能量輸入無直接增益。3.在激光深熔焊中，小孔塌陷瞬間最易產(chǎn)生的缺陷是A.氣孔B.咬邊C.未熔合D.冷裂紋答案：A解析：小孔塌陷導致熔池劇烈湍流，保護氣體與金屬蒸汽卷入形成氣泡，凝固后來不及逸出即形成氣孔；咬邊與掃描速度/光斑直徑比相關，冷裂紋需氫與拉應力協(xié)同。4.對于1μm波長光纖激光，銅材表面初始吸收率約為A.3%B.15%C.35%D.65%答案：A解析：銅在1μm波段反射率>95%，吸收率≈3%；需采用藍光或綠光激光或表面預處理才能顯著提高吸收。5.在激光熔覆鐵基合金時，粉末輸送采用同步送粉方式，若載氣流量突增50%，最可能導致A.熔覆層厚度增加B.粉末利用率下降C.稀釋率降低D.表面粗糙度Ra減小答案：B解析：載氣流量過大使粉末束發(fā)散，部分粉末未進入熔池即被吹走，利用率下降；厚度與送粉速率相關，稀釋率與能量輸入相關，粗糙度通常增大。6.激光沖擊強化中，約束層采用流水時，其最佳厚度約為A.0.1mmB.0.5mmC.1mmD.2mm答案：C解析：1mm水層可平衡等離子體屏蔽與沖擊波衰減；過薄約束不足，過厚沖擊波衰減顯著。7.在激光微納加工中，采用飛秒激光加工石英，其材料去除機制主要是A.熔融蒸發(fā)B.光化學冷剝離C.熱應力破碎D.等離子體噴射答案：B解析：飛秒脈沖寬度<電子晶格耦合時間，能量直接打斷SiO鍵，實現(xiàn)非熱相變?nèi)コ瑤缀鯚o熱影響區(qū)。8.激光選區(qū)熔化（SLM）成型Ti6Al4V時，若層厚由30μm增至60μm而不改變其他參數(shù)，最可能出現(xiàn)A.致密度提高B.表面粗糙度Ra降低C.未熔合缺陷增多D.殘余應力減小答案：C解析：層厚倍增導致單位體積能量密度減半，粉末未充分熔化，層間結合弱；致密度下降，粗糙度增大，應力狀態(tài)復雜。9.在激光打標二維碼時，若采用20kHz調(diào)Q光纖激光，欲提高黑白對比度，應優(yōu)先A.提高頻率至200kHzB.降低掃描速度C.離焦+0.5mmD.改用氮氣吹掃答案：B解析：降低速度使單點能量增大，氧化膜增厚呈深黑色；高頻降低單脈沖能量，離焦降低峰值功率，氮氣抑制氧化降低對比度。10.激光清洗油漆層時，若基體為2024鋁合金，最佳激光類型為A.連續(xù)CO?2kWB.脈沖Nd:YAG1μsC.脈沖光纖100nsD.脈沖綠光10ps答案：C解析：100ns脈沖可擊穿油漆等離子體閾值，同時鋁吸收率適中，既去除涂層又避免基體過度熔化；連續(xù)CO?熱輸入大，ps成本高且效率低。二、填空題（每空1分，共20分）11.激光深熔焊小孔內(nèi)金屬蒸汽主要成分為________和________，其電離能低于保護氣體氬，因此易形成光致等離子體。答案：Fe、Mn（或材料對應金屬蒸汽）解析：金屬蒸汽電離能~7.9eV，低于Ar的15.8eV，優(yōu)先電離吸收激光。12.采用同軸送粉激光熔覆，粉末匯聚角θ與噴嘴中心錐角關系應滿足________，方可實現(xiàn)粉末束與激光束空間高度重合。答案：θ≈α/2（α為噴嘴中心錐角）解析：幾何光學保證粉末聚焦點與激光焦點重合，減少飛濺。13.在激光切割有機玻璃（PMMA）時，通常選用________作為輔助氣體，以獲得透明光亮切緣。答案：氮氣（或壓縮空氣）解析：惰性氣體防止燃燒，避免碳化和發(fā)黃；空氣亦可但邊緣微糙。14.激光沖擊強化中，誘導沖擊波峰值壓力P(GPa)經(jīng)驗公式為P=0.01√(αI/λ)，其中α為________，I為激光功率密度GW/cm2。答案：吸收系數(shù)（或耦合系數(shù)，常取0.1–0.2）解析：公式源于Fabbro模型，α與材料及涂層相關。15.激光選區(qū)熔化316L不銹鋼時，為降低“球化”現(xiàn)象，常將掃描矢量旋轉________°逐層交替。答案：67（或67.5）解析：67°為非直角質(zhì)數(shù)角，避免層間紋理重合，改善潤濕。16.激光微鉆孔熱影響區(qū)寬度Δr≈________√(Dt)，其中D為熱擴散率，t為激光作用時間。答案：2解析：經(jīng)典熱傳導理論，誤差函數(shù)解給出約2√Dt。17.在激光焊接銅鋁異種金屬時，為避免金屬間化合物脆性層厚度超過________μm，需控制熱輸入<30J/mm。答案：2解析：實驗表明CuAl?層>2μm接頭強度驟降。18.激光熔覆NiCrBSi合金后，若需獲得非晶涂層，需滿足臨界冷卻速率>________K/s。答案：10?解析：Ni基非晶形成能力要求快速凝固抑制晶化。19.采用皮秒激光切割PI薄膜，其切割邊緣碳化層厚度可控制在________nm以內(nèi)。答案：100解析：超短脈沖非熱機制，實驗測得<100nm碳化。20.激光清洗銹蝕層時，銹蝕層與基體之間的________差異是選擇性去除的關鍵。答案：激光燒蝕閾值（或吸收率）解析：銹蝕閾值低，先汽化剝離，基體損傷小。三、判斷改錯題（每題2分，共10分）21.激光焊接鋁合金時，采用氦氣作為保護氣體可提高焊接穿透深度。答案：√解析：He電離能高、密度低，抑制等離子體云，提高能量耦合效率。22.在激光切割中，焦點深度（Rayleigh長度）與波長成反比。答案：×改正：焦點深度與波長成正比（Z_R=πw?2/λ）。解析：長波長光束聚焦后發(fā)散更慢，焦點深度大。23.激光熔覆時，稀釋率越高，熔覆層耐磨性一定越好。答案：×改正：稀釋率過高導致強化相稀釋，耐磨性下降。解析：需控制在5–10%平衡結合強度與性能。24.飛秒激光加工可完全避免重鑄層。答案：√解析：非熱機制無熔融，重鑄層趨近于零。25.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V成型件表面粗糙度Ra主要與層厚成正比。答案：×改正：Ra與層厚、粉末粒徑、掃描策略、光斑直徑等多因素相關，非簡單正比。解析：層厚減半Ra降低約20–30%，但粉末粒徑影響更大。四、簡答題（每題8分，共32分）26.闡述激光深熔焊小孔形成與維持的物理過程，并說明小孔不穩(wěn)定對焊縫成型的影響。答案：(1)物理過程：激光功率密度>10?W/cm2時，材料表面金屬蒸汽反沖壓力克服表面張力與熔池靜壓力，形成小孔；激光在孔內(nèi)多重反射提高吸收率至80%以上；蒸汽流速可達數(shù)百m/s，維持動態(tài)平衡。(2)不穩(wěn)定影響：小孔塌陷→熔池湍流→氣孔、飛濺；孔口振蕩→咬邊、駝峰；根部失穩(wěn)→未焊透或根部氣孔；頻率高時形成“魚鱗紋”波紋。解析：小孔穩(wěn)定性與Keyholemodewelding質(zhì)量直接相關，需匹配功率、速度、等離子體控制。27.比較CO?激光與光纖激光在切割6mm厚不銹鋼時的工藝差異，給出參數(shù)優(yōu)化思路。答案：(1)波長：CO?10.6μm，光纖1.06μm→不銹鋼吸收率CO?≈35%，光纖≈30%，差異小。(2)聚焦：光纖可聚焦至25μm，功率密度高，可用氮氣高壓切割無氧化；CO?需更大光斑，氧氣切割。(3)速度：光纖3kW切割速度1.8m/min（N?），CO?3kW1.2m/min（O?）。(4)優(yōu)化：光纖采用高壓N?（16bar），焦點+0.5mm，速度優(yōu)先；CO?采用O?（2bar），焦點0.5mm，功率優(yōu)先，注意掛渣。解析：光纖免光路維護，薄板效率高；厚板CO?氧氣切割成本更低。28.激光沖擊強化提高航空鋁合金疲勞壽命的機理是什么？列舉兩項關鍵工藝參數(shù)。答案：機理：誘導>1GPa沖擊波，使材料表層發(fā)生超高應變率（>10?s?1）塑性變形，形成深度1–2mm殘余壓應力層；閉合微裂紋，降低有效應力強度因子ΔK，延緩裂紋萌生；細化晶粒，提高位錯密度，阻礙滑移。關鍵參數(shù)：激光功率密度3–5GW/cm2；脈沖寬度8–30ns；搭接率30–50%；吸收層（鋁箔/黑漆）厚度100–120μm；水約束層1mm。解析：壓應力層使2024T351疲勞壽命提高3–10倍，腐蝕疲勞增益更顯著。29.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V成型件出現(xiàn)微裂紋，試分析其產(chǎn)生原因并給出抑制措施。答案：原因：(1)殘余拉應力：高溫度梯度，β→α'馬氏體相變體積膨脹受限；(2)氫脆：粉末吸氫，熔池快速凝固氫來不及逸出；(3)晶界β相富集Mo、V，降低結合力；(4)打印方向與拉應力垂直，裂紋沿柱狀晶界擴展。抑制：(1)基板預熱200℃降低梯度；(2)掃描策略67°旋轉+島狀掃描釋放應力；(3)退火：800℃/2h爐冷消除馬氏體；(4)真空干燥粉末120℃/4h除氫；(5)降低層厚30μm，提高能量密度，促進重熔愈合。解析：裂紋多呈“凝固裂紋”特征，需熱力冶金協(xié)同控制。五、計算題（共18分）30.用光纖激光切割2mm厚碳鋼，已知：激光功率P=2kW，光斑直徑d=0.2mm，切割速度v=3m/min，氧氣壓力1.5bar，氧化反應放熱q=3.5MJ/kg，碳鋼密度ρ=7850kg/m3，比熱容c=0.5kJ/(kg·K)，熔點T_m=1800K，室溫T?=300K，熔化潛熱L=270kJ/kg。假設70%激光能量用于加熱，氧化放熱30%有效，求：(1)單位長度熱輸入E_l（J/mm）；(2)理論所需最小能量E_min（J/mm）；(3)能量利用率η。答案：(1)E_l=(P×0.7+η_ox×q×m_ox)/v線質(zhì)量m=ρ×A=7850×(2×0.2)×10??=3.14×10?3kg/m=3.14×10??g/mm氧化質(zhì)量分數(shù)約30%，m_ox=0.3×3.14×10??=9.42×10??g/mm=9.42×10??kg/mmE_l=(2000×0.7+0.3×3.5×10?×9.42×10??)/(3/60)=1400+98.9/0.05=29.98kJ/m≈30J/mm(2)E_min=m[c(T_mT?)+L]=3.14×10??[0.5×1500+270]=3.14×10??×1020=0.32J/mm(3)η=E_min/E_l=0.32/30≈1.07%解析：氧化放熱貢獻約6.6%，能量利用率低表明大量熱擴散，需提高速度或減小光斑。31.激光沖擊強化2024鋁合金，激光能量E=10J，脈寬τ=20ns，光斑直徑d=3mm，求峰值壓力P（取α=0.15）。答案：I=E/(τ×A)=10/(20×10??×π×1.52×10??)=7.07×10?W/m2=7.07GW/cm2P=0.01√(αI/λ)=0.01√(0.15×7.07/1.06)=0.01√1.0=0.01×1.0=1.0GPa解析：計算得沖擊波壓力約1GPa，與實驗測量誤差<10%。六、綜合設計題（共30分）32.某航天企業(yè)需對φ50mm×5mm環(huán)狀GH4169高溫合金內(nèi)壁進行激光熔覆Co基耐磨涂層，要求：熔覆層厚度1.5±0.1mm，寬度4mm，表面硬度>45HRC，稀釋率<5%；不允許有裂紋、未熔合；生產(chǎn)效率≥0.3m2/h。請給出完整工藝方案，包括：激光器選型、熔覆頭配置、粉末牌號與粒徑、工藝參數(shù)（功率、速度、送粉量、搭接率、保護氣）、預熱與后熱制度、無損檢測方法，并說明參數(shù)依據(jù)。答案：(1)激光器：4kW光纖激光，波長1.06μm，光束質(zhì)量BPP<2mm·mrad，可聚焦至0.6mm，功率穩(wěn)定性±1%。(2)熔覆頭：同軸環(huán)形送粉，粉末匯聚角30°，保護氣同軸+旁軸雙重，噴嘴距工件表面15mm。(3)粉末：CoCrWC系，牌號Stellite6，粒徑45–106μm，球形度>90%，真空干燥120℃/2h。(4)參數(shù)：功率P=2.8kW，速度v=0.8m/min，送粉量M_p=25g/min，搭接率30%，光斑直徑0.8mm，離焦+2mm，保護氣Ar15L/min。線能量E_l=P/v=2.8×60/0.8=210kJ/m，經(jīng)試驗稀釋率4.2%，滿足<5%。(5)預熱：基板300℃電阻爐預熱，降低溫度梯度，抑制裂紋；層間溫度