激光焊考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在激光深熔焊接過(guò)程中，匙孔（keyhole）形成的最直接驅(qū)動(dòng)力是A.表面張力梯度B.金屬蒸氣反沖壓力C.熔池重力下沉D.保護(hù)氣側(cè)吹剪切力答案：B解析：當(dāng)激光功率密度超過(guò)10?W/cm2時(shí)，材料劇烈汽化，蒸氣反沖壓力將熔池向下“頂”出匙孔，是深熔模式區(qū)別于熱導(dǎo)焊的本質(zhì)特征。2.采用光纖激光焊接5mm厚304不銹鋼，若要求全熔透且背面余高≤0.3mm，下列工藝窗口中最合理的是A.3kW，0.6m/min，離焦量0mmB.4kW，1.2m/min，離焦量+2mmC.6kW，2.0m/min，離焦量?1mmD.8kW，3.0m/min，離焦量?3mm答案：C解析：6kW功率密度足以形成穩(wěn)定匙孔，2m/min焊速保證熱輸入約0.3kJ/mm，處于304不銹鋼全熔透且背面成形可控區(qū)間；負(fù)離焦1mm使焦點(diǎn)位于板內(nèi)2/3處，利于能量耦合與熔池支撐。3.鋁合金激光焊接常見(jiàn)氣孔缺陷的主要?dú)怏w來(lái)源排序（由主到次）正確的是A.氫→保護(hù)氣卷入→鎂蒸氣B.保護(hù)氣卷入→氫→鎂蒸氣C.鎂蒸氣→氫→保護(hù)氣卷入D.氫→鎂蒸氣→保護(hù)氣卷入答案：A解析：氫在鋁中溶解度差值大（固/液相差約20倍）是主因；保護(hù)氣湍流卷入次之；鎂蒸氣冷凝形成微氣孔占比最小。4.激光擺動(dòng)焊（wobblewelding）對(duì)裂紋敏感材料的主要冶金貢獻(xiàn)是A.降低峰值溫度，減少蒸發(fā)B.細(xì)化晶粒，降低拘束度C.延長(zhǎng)熔池存在時(shí)間，促進(jìn)氣體逸出D.增加熔深，降低熱輸入答案：B解析：擺動(dòng)使熔池經(jīng)歷多次攪拌與重熔，枝晶破碎，晶粒尺寸減??；同時(shí)擺動(dòng)軌跡降低溫度梯度，減小拘束應(yīng)力，熱裂傾向顯著下降。5.在激光—電弧復(fù)合焊中，若激光前置，電弧后置，其主要優(yōu)勢(shì)不包括A.電弧預(yù)熱提高激光吸收率B.激光穩(wěn)定電弧根部C.降低電弧磁偏吹D.利用電弧寬熔寬改善搭橋能力答案：A解析：激光前置時(shí)材料未受電弧預(yù)熱，吸收率提升有限；其余三項(xiàng)均為激光前置的典型優(yōu)勢(shì)。6.采用4kW碟片激光焊接2mm鍍鋅鋼板搭接接頭，若上下板間隙0.1mm，為抑制鋅氣孔最可靠的方法是A.提高焊速至5m/minB.采用0.2mm銅墊板加速冷卻C.在搭接界面預(yù)置0.3mm寬工藝缺口D.使用氦氣作為保護(hù)氣答案：C解析：預(yù)置缺口為鋅蒸氣提供逃逸通道，可將氣孔率從5%降至0.5%以下；高速冷卻或氦氣僅起輔助作用。7.激光焊接過(guò)程中，等離子體對(duì)激光的逆韌致吸收系數(shù)與下列哪項(xiàng)成正比A.電子密度平方與激光波長(zhǎng)平方B.電子密度與激光波長(zhǎng)平方C.電子密度平方與激光波長(zhǎng)成反比D.電子密度與激光波長(zhǎng)成反比答案：A解析：根據(jù)Drude模型，逆韌致吸收系數(shù)α_IB∝n_e2·λ2，因此長(zhǎng)波長(zhǎng)CO?激光比1μm光纖激光更易受等離子體屏蔽。8.對(duì)10mm厚低碳鋼進(jìn)行激光復(fù)合焊，要求一次成形，根部熔寬≥5mm，應(yīng)優(yōu)先選擇的激光類(lèi)型為A.3kWCO?激光B.6kW光纖激光C.10kW碟片激光D.4kW綠光激光答案：C解析：10kW級(jí)高功率碟片激光可在1m/min焊速下獲得>10mm熔深，同時(shí)電弧拓寬根部，滿足單道一次成形需求。9.激光焊接鈦合金時(shí)，保護(hù)拖罩長(zhǎng)度不足最容易導(dǎo)致的缺陷是A.氣孔B.未熔合C.表面氧化色超標(biāo)D.咬邊答案：C解析：鈦在>550°C易與氧反應(yīng)形成脆性αcase，拖罩短則高溫區(qū)暴露于空氣，氧化色由銀白→淡黃→藍(lán)色，硬度升高>15%。10.在激光釬焊鋁/鋼異種接頭時(shí)，添加含Si12%的AlSi釬料主要目的是A.降低釬料熔點(diǎn)B.抑制界面FeAl?脆性相C.提高釬料流動(dòng)性D.減少鋅蒸發(fā)答案：B解析：Si優(yōu)先與Fe反應(yīng)生成αAl(Fe,Si)相，阻斷FeAl擴(kuò)散通道，將FeAl?厚度從>10μm降至<2μm，接頭抗剪強(qiáng)度提高40%。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些措施可同步提高激光焊接熔深并減少熱影響區(qū)寬度A.采用藍(lán)光+光纖激光復(fù)合源B.使用氮?dú)鈧?cè)吹抑制等離子體C.激光功率坡降調(diào)制D.采用負(fù)離焦+擺動(dòng)模式答案：A、C解析：藍(lán)光前置提高吸收率，光纖后續(xù)深熔，總熱輸入降低；功率坡降調(diào)制使尾部冷卻速率提高，HAZ變窄。側(cè)吹對(duì)1μm激光等離子體抑制有限；負(fù)離焦+擺動(dòng)主要改善成形而非同步提高熔深。12.關(guān)于激光焊接高強(qiáng)鋼冷裂敏感性，下列說(shuō)法正確的有A.碳當(dāng)量Ceq≥0.4%時(shí)，預(yù)熱溫度可近似T?=350√Ceq?0.25B.激光焊馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms與熱輸入無(wú)關(guān)C.激光焊冷卻時(shí)間t8/5縮短，冷裂傾向降低D.采用奧氏體焊絲可顯著降低預(yù)熱溫度答案：A、D解析：A為日本W(wǎng)ES3008經(jīng)驗(yàn)公式，誤差±20℃；Ms僅取決于成分；t8/5縮短導(dǎo)致馬氏體量增加，冷裂傾向升高；奧氏體焊絲可溶解氫并降低拘束，預(yù)熱溫度可降50–80℃。13.激光焊接銅鎳異種接頭時(shí)，下列哪些缺陷與熔合比失控直接相關(guān)A.銅側(cè)未熔合B.鎳側(cè)熱裂C.界面孔洞D.焊縫根部鎳偏析帶答案：A、D解析：銅對(duì)激光反射率高，熔合比過(guò)低出現(xiàn)未熔合；熔合比過(guò)高則鎳稀釋過(guò)大，根部形成富鎳帶，硬度升高，易引發(fā)應(yīng)力集中孔洞。14.下列關(guān)于激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)信號(hào)的描述，正確的有A.等離子體藍(lán)光強(qiáng)度與熔深呈線性正相關(guān)B.匙孔口高頻聲發(fā)射（>100kHz）能量突降預(yù)示未熔合C.同軸視覺(jué)圖像中匙孔開(kāi)口面積突然增大可能為燒穿前兆D.紅外測(cè)溫在1μm波段對(duì)不銹鋼發(fā)射率設(shè)定誤差可導(dǎo)致溫度測(cè)量偏差>100℃答案：B、C、D解析：藍(lán)光強(qiáng)度在深熔區(qū)飽和，非線性；高頻AE能量下降說(shuō)明匙孔塌陷；孔口面積增大對(duì)應(yīng)熔池失穩(wěn)；不銹鋼發(fā)射率0.3–0.6隨波長(zhǎng)、氧化狀態(tài)變化，誤差可達(dá)120℃。15.激光焊接動(dòng)力電池鋁殼（1.5mm3003）密封時(shí)，為將焊縫氣孔率控制在ISO13919B級(jí)以下，必須同步實(shí)施A.焊前100℃×30min烘干B.采用雙光斑（6+2kW）能量分布C.背面氬氣保護(hù)流量≥15L/minD.焊后120℃×60min真空脫氣答案：A、B解析：烘干可去除吸附水分，降低氫源；雙光斑前置預(yù)熱、后置深熔，延長(zhǎng)排氣時(shí)間；背面保護(hù)與真空脫氣對(duì)密封焊縫效果有限。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.激光焊接過(guò)程中，瑞利散射是激光能量在匙孔內(nèi)壁衰減的主要原因。答案：錯(cuò)。改正：激光在匙孔內(nèi)壁的主要衰減機(jī)制是菲涅爾吸收，而非瑞利散射。17.對(duì)于相同板厚，光纖激光焊接所需臨界功率密度低于CO?激光，因?yàn)楣饫w激光波長(zhǎng)更短，金屬材料吸收率更高。答案：對(duì)。18.激光焊接鈦合金時(shí)，采用氦氣保護(hù)比氬氣更容易引起焊縫正面咬邊。答案：錯(cuò)。改正：氦氣因電離勢(shì)高、熱導(dǎo)大，可壓縮電弧、降低熔寬，反而減輕咬邊。19.在激光焊接數(shù)值模擬中，采用體積熱源模型比表面高斯熱源模型更能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔池縱向截面形狀。答案：對(duì)。20.激光釬焊鋁/鋼時(shí)，釬料潤(rùn)濕角越小，接頭抗剪強(qiáng)度一定越高。答案：錯(cuò)。改正：潤(rùn)濕角過(guò)小可能導(dǎo)致釬料過(guò)度鋪展，界面FeAl金屬間化合物增厚，抗剪強(qiáng)度反而下降。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.簡(jiǎn)述激光焊接鍍鋅鋼板搭接接頭“零間隙”工藝的實(shí)現(xiàn)原理及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。答案：原理：利用高功率密度激光在上板形成匙孔，蒸氣壓力將上板微抬0.05–0.1mm，瞬間生成“類(lèi)間隙”供鋅蒸氣逃逸，焊后上下板恢復(fù)貼合，實(shí)現(xiàn)宏觀零間隙。關(guān)鍵技術(shù)：1)激光功率密度≥2×10?W/cm2，確保蒸氣壓力>鋅蒸氣飽和壓力；2)精確控制焊速v=1.5–2m/min，使抬升時(shí)間t=0.1–0.2s，既排氣又防塌陷；3)采用矩形擺動(dòng)（振幅0.4mm，頻率300Hz）擴(kuò)大蒸氣通道；4)背面加0.2bar負(fù)壓腔，輔助抽氣；5)上下板預(yù)加壓0.3MPa，焊后輥壓消除微翹曲。解析：傳統(tǒng)留間隙法降低剪切強(qiáng)度15%，零間隙法可將強(qiáng)度恢復(fù)至母材95%以上，已用于某德系車(chē)門(mén)環(huán)激光產(chǎn)線，節(jié)拍2.1m/min，一次合格率99.2%。22.列舉并解釋激光MAG復(fù)合焊中“電弧引導(dǎo)激光”與“激光引導(dǎo)電弧”兩種模式在5mm厚船板E36鋼立焊中的工藝差異及冶金行為。答案：模式差異：1)電弧引導(dǎo)：電弧在前，激光在后，間距3mm，電弧預(yù)熱至400–500℃，提高激光吸收率15%，熔深略降但側(cè)壁熔合改善；2)激光引導(dǎo)：激光在前，電弧在后，間距1mm，激光形成匙孔，電弧熱量輸入熔池頂部，熔深增加10%，但需降低電弧電流10%防咬邊。冶金行為：電弧引導(dǎo)：粗晶區(qū)寬1.2mm，針狀鐵素體含量65%，40℃沖擊功78J；激光引導(dǎo)：粗晶區(qū)寬0.8mm，細(xì)化貝氏體，40℃沖擊功92J，但根部出現(xiàn)少量硅酸鹽夾雜，需控制焊絲Si≤0.4%。解析：船板立焊對(duì)韌性要求≥69J，激光引導(dǎo)模式更優(yōu)，但需采用脈沖MAG，峰值電流380A，基值120A，脈沖頻率60Hz，利用激光匙孔穩(wěn)定熔滴過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺立向上焊。23.說(shuō)明激光焊接銅鋁過(guò)渡端子（Cu端3mm，Al端2mm）時(shí)，界面金屬間化合物（IMC）控制策略及其實(shí)測(cè)厚度與電阻率關(guān)系。答案：策略：1)采用1μm光纖激光+0.8μm藍(lán)光復(fù)合，藍(lán)光功率500W前置，提高銅吸收率至65%，降低銅側(cè)熱輸入；2)激光偏移銅側(cè)0.2mm，減少銅向熔池溶解量；3)添加3%Si的Al12Si焊絲，Si優(yōu)先與Cu形成ηCu?Al?Si，抑制θCuAl?連續(xù)層；4)焊后180℃×2h時(shí)效，促進(jìn)IMC層均勻化，釋放應(yīng)力。實(shí)測(cè)：當(dāng)IMC厚度1.2μm時(shí)，界面電阻9μΩ，拉伸強(qiáng)度120MPa；厚度增至3μm，電阻升至28μΩ，強(qiáng)度降至85MPa；厚度>5μm出現(xiàn)脆斷，電阻>50μΩ。解析：通過(guò)上述策略可將IMC控制在1.5±0.3μm，滿足車(chē)載高壓連接器<10μΩ要求，已通過(guò)1000h85℃/85%RH老化試驗(yàn)，電阻變化<5%。五、計(jì)算題（共15分）24.采用6kW光纖激光焊接8mm厚316L不銹鋼，焊速1.2m/min，光斑直徑0.4mm，離焦量?2mm，求：(1)激光功率密度；(2)熱輸入；(3)若材料初始溫度20℃，忽略熱損失，理論熔深（假設(shè)全部能量用于熔化，316L比熱容500J/(kg·K)，密度8000kg/m3，熔化潛熱260kJ/kg，熔點(diǎn)1400℃）。答案：(1)功率密度P_d=4P/(πd2)=4×6000/(π×0.42)=47.7×10?W/cm2；(2)熱輸入E=P/v=6/(1.2/60)=300kJ/m；(3)單位長(zhǎng)度熔化體積V=E/[ρ(cΔT+L)]=300×103/[8000×(500×1380+260×103)]=4.17×10??m3/m=41.7mm3/mm；熔深h=V/w，假設(shè)熔寬w=2mm，則h=20.9mm。解析：理論值大于實(shí)際熔深（實(shí)測(cè)約7mm），差值因熱傳導(dǎo)、對(duì)流、汽化潛熱及匙孔壁菲涅爾吸收率<1所致，計(jì)算給出能量上限參考。25.某汽車(chē)廠對(duì)1.2mm厚5754H111鋁殼進(jìn)行激光縫焊，要求焊縫抗拉強(qiáng)度≥180MPa（母材85%）。已知焊縫氣孔率x（%）與強(qiáng)度關(guān)系σ=σ?(1?0.015x)，σ?=母材強(qiáng)度210MPa?，F(xiàn)抽檢100mm焊縫，X射線測(cè)得氣孔總面積12mm2，求氣孔率x并判斷是否合格；若不合格，提出將氣孔率降至合格限的工藝參數(shù)調(diào)整方案。答案：焊縫截面積A=板厚×熔寬=1.2×3.5=4.2mm2；氣孔率x=12/(100×4.2)×100%=2.86%；強(qiáng)度σ=210×(1?0.015×2.86)=201MPa>180MPa，合格。解析：雖合格但余量小，可將焊速?gòu)?m/min降至1.6m/min，雙光斑前置500W預(yù)熱，延長(zhǎng)排氣時(shí)間，氣孔率可降至1.2%，強(qiáng)度提升至206MPa，滿足批量波動(dòng)裕度。六、綜合應(yīng)用題（共16分）26.某航天型號(hào)需焊接3mm厚Ti6Al4V燃料貯箱縱縫，長(zhǎng)度2m，要求焊縫抗拉強(qiáng)度≥950MPa，彎曲角≥30°，表面氧化色≤銀色（ISO65201Ⅰ級(jí)）?，F(xiàn)有10kW光纖激光、6軸龍門(mén)、真空腔體（極限真空10?2Pa），但生產(chǎn)節(jié)拍要求≤5min/條。請(qǐng)制定完整工藝路線（含清潔、裝夾、保護(hù)、焊接、檢測(cè)、返修），并給出關(guān)鍵參數(shù)表。答案：工藝路線：1)清洗：激光除氧化膜+酒精擦拭，24h內(nèi)焊接；2)裝夾：不銹鋼真空腔體內(nèi)，氬氣循環(huán)凈化，殘余氧<50ppm；3)保護(hù)：同軸氬氣15L/min，拖罩200mm，背面氬氣10L/min；4)焊接：激光功率8kW，焊速1.5m/min，離焦0mm，擺動(dòng)振幅0.6mm，頻率200Hz，單道完成