先進激光加工技術(shù)在線測試題及答案一、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熱化時間，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寬度。2.采用貝塞爾光束進行玻璃微鉆孔時，其最大優(yōu)勢是A.單脈沖能量高B.焦深長，可一次性貫穿較厚材料C.波長可調(diào)諧D.無需聚焦透鏡答案：B解析：貝塞爾光束在傳播方向具有無衍射區(qū)，焦深可達毫米量級，可在厚度>1mm的玻璃上一次成孔，避免多層掃描帶來的錐度誤差。3.在激光選區(qū)熔化（SLM）AlSi10Mg過程中，出現(xiàn)“球化”缺陷的直接原因是A.氧含量過高B.激光功率密度低于蒸發(fā)閾值C.熔池表面張力梯度驅(qū)動的Marangoni對流過強D.鋪粉層厚大于粒徑D90答案：C解析：低功率密度下熔池溫度梯度小，表面張力梯度不足，熔液無法充分鋪展，凝固后形成球狀顆粒，即球化。4.對于銅鎢異種金屬激光焊接，抑制界面金屬間化合物（IMC）脆性的最有效策略是A.提高焊接速度B.采用綠光波長（515nm）C.中間添加Ni箔過渡層D.背面同步輥壓答案：C解析：Ni與Cu、W均可形成固溶體而非脆性IMC，可阻斷CuW直接反應(yīng)；515nm雖提高銅吸收率，但對IMC抑制無本質(zhì)作用。5.在超快激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）中，低空間頻率LIPSS（LSFL）的周期最接近A.λ/2nB.λC.2λD.λ·n答案：B解析：LSFL周期≈激光波長λ，其形成機理為入射光與表面散射光干涉，滿足Λ≈λ/(1±sinθ)。6.激光沖擊強化（LSP）處理2024T351鋁合金后，殘余應(yīng)力場峰值通常位于A.表面B.50–150μm亞表面C.500μm深處D.貫穿整個厚度答案：B解析：沖擊波在表面產(chǎn)生塑性壓縮，由于波反射卸載，最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在次表面50–150μm。7.在激光增材制造Ti6Al4V時，采用“島形掃描”策略的主要目的是A.降低粗糙度B.減少殘余應(yīng)力C.提高致密度D.縮短成型時間答案：B解析：島形掃描通過局部跳序釋放應(yīng)力，避免長路徑連續(xù)掃描累積拉應(yīng)力，降低大尺寸零件變形開裂風(fēng)險。8.激光清洗文物表面硫化層時，選擇QswitchNd:YAG1064nm而非355nm的主要原因是A.1064nm光子能量高B.1064nm對基體吸收低，安全性高C.1064nm設(shè)備便宜D.1064nm可共振激發(fā)SS鍵答案：B解析：石質(zhì)文物對1064nm吸收弱，對硫化層（FeS、Ag2S）吸收強，可實現(xiàn)選擇性去除而不損傷基體。9.在激光切割CFRP時，采用“螺旋線”切割路徑可顯著降低A.切口錐度B.熱影響區(qū)寬度C.分層長度D.粉塵排放答案：C解析：螺旋線路徑使刀具前緣始終與纖維呈變化夾角，避免單向切割時纖維大面積翹起，分層長度下降30%以上。10.激光微焊接金金引線時，出現(xiàn)“縮頸”缺陷的微觀機制是A.表面氧化B.金原子沿晶界擴散形成空位聚集C.熔池過熱度高D.熱膨脹系數(shù)差異答案：B解析：金在微尺度下晶界擴散極快，熔池凝固時空位沿晶界遷移并聚集，形成縮頸甚至斷裂。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石英的蝕刻速率A.動態(tài)聚焦高速掃描B.使用高NA物鏡產(chǎn)生多光子電離C.引入KOH溶液濕法輔助D.采用Burst模式（脈沖串）E.提高環(huán)境真空度至10?3Pa答案：A、C、D解析：動態(tài)聚焦保持最佳焦面，KOH濕法輔助溶解改性層，Burst串內(nèi)脈沖間隔<電子晶格熱化時間，可累積自由電子密度，提高蝕刻速率；真空降低等離子體屏蔽，但效果不如前三者顯著。12.激光選區(qū)熔化（SLM）316L不銹鋼時，下列哪些現(xiàn)象與“鑰匙孔”塌陷直接相關(guān)A.小孔壁多次反射吸收B.熔池深寬比>1C.反沖壓力誘導(dǎo)小孔底部縮頸D.保護氣流速>15m/sE.粉末層氧含量<500ppm答案：A、B、C解析：鑰匙孔形成需深熔、多次反射與反沖壓力；氣流與氧含量主要影響飛濺與氧化，不直接決定塌陷。13.在激光塑料焊接“透明透明”界面實現(xiàn)局部吸收的方法包括A.上層材料摻雜炭黑B.界面旋涂Clearweld?近紅外染料C.使用2μm波段銩光纖激光D.下層材料溶脹摻雜金納米棒E.采用9.3μmCO2激光直接照射答案：B、C、D解析：Clearweld染料、金納米棒在1–2μm有局域表面等離子體吸收；2μm激光被多數(shù)透明塑料弱吸收，可實現(xiàn)體加熱；CO29.3μm被上層強烈吸收，無法到達界面。14.激光沖擊強化（LSP）處理鋼軌軌頭可帶來A.殘余壓應(yīng)力層深達1–2mmB.滾動接觸疲勞壽命提高3–5倍C.表面硬度下降D.馬氏體相變體積分數(shù)增加E.磨損率降低答案：A、B、E解析：LSP引入深層壓應(yīng)力，抑制裂紋萌生；硬度略升而非下降；鋼軌碳含量低，沖擊波壓力不足以誘發(fā)馬氏體。15.激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）在柔性傳感器應(yīng)用中的優(yōu)勢有A.無需還原氧化石墨烯步驟B.可在聚酰亞胺表面直接圖案化C.電導(dǎo)率>1000S/mD.可轉(zhuǎn)移至生物可降解襯底E.激光功率越高，石墨烯層數(shù)越少答案：A、B、C、D解析：高功率導(dǎo)致過燒蝕，層數(shù)反而減少但缺陷增多，電導(dǎo)率下降，故E錯誤。三、判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）16.在激光切割厚板不銹鋼時，采用N?作為輔助氣體可獲得無氧化切邊，但切縫寬度比使用O?時更大。答案：√解析：N?切割依賴激光能量熔化，無放熱反應(yīng)，切速低，熱輸入大，切縫寬；O?切割利用Fe氧化放熱，切速快，縫窄。17.激光增材制造Ti6Al4V時，α′馬氏體針越粗大，顯微硬度越高。答案：×解析：α′針越細，位錯密度越高，硬度越大；粗針降低硬度。18.激光清洗混凝土表面霉菌時，使用355nm紫外激光比1064nm紅外激光更容易引起基材顏色變化。答案：√解析：紫外光子能量高，可破壞CSH鍵，導(dǎo)致混凝土表面黃變；紅外主要引起熱分解有機物，顏色變化小。19.在激光微銑削硬質(zhì)合金時，采用圓偏振光比線偏振光可獲得更小的表面粗糙度Ra。答案：√解析：圓偏振使材料吸收對掃描方向不敏感，避免方向性波紋，Ra降低20%–30%。20.激光焊接銅鋁接頭時，界面生成CuAl2IMC厚度超過5μm會顯著降低接頭抗拉強度。答案：√解析：CuAl2硬而脆，厚度>5μm成為裂紋源，強度下降50%以上。21.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）對輕元素（H、Li、Be）的檢測限通常低于重元素（Pb、U）。答案：×解析：輕元素激發(fā)能高，譜線位于真空紫外，空氣吸收強，檢測限反而高。22.在激光熔覆Co基合金時，同步超聲振動可細化枝晶間距，提高耐磨性。答案：√解析：超聲空化破碎枝晶，增加形核率，枝晶間距減小30%，硬度提升10%–15%。23.激光選區(qū)熔化（SLM）過程中，層間旋轉(zhuǎn)角度越大，殘余應(yīng)力越小。答案：×解析：旋轉(zhuǎn)角度>67°后應(yīng)力降低趨緩，過大角度導(dǎo)致各向異性加劇，反而出現(xiàn)微裂紋。24.激光切割金剛石時，采用532nm綠光可獲得比1064nm更小的切口崩邊。答案：√解析：金剛石對532nm吸收系數(shù)高，可降功率密度，減少熱應(yīng)力崩邊。25.激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT）制備Ag電極時，犧牲層厚度越厚，轉(zhuǎn)移線寬越細。答案：×解析：犧牲層過厚，噴射速度下降，液滴易破碎，線寬反而增寬。四、計算題（共25分）26.（8分）用飛秒激光（λ=800nm，τ=150fs）在熔融石英（n=1.45）內(nèi)部寫入波導(dǎo)，要求單脈沖能量剛好達到自聚焦閾值功率Pcr。已知非線性折射率n?=3×10?2?m2/W，光束初始直徑ω?=4mm，透鏡NA=0.45。求：（1）臨界功率Pcr（MW）；（2）對應(yīng)單脈沖能量E（μJ）；（3）聚焦后焦斑直徑df（μm）；（4）峰值功率密度I?（W/cm2）。答案與解析：（1）Pcr=λ2/(4πnn?)=(800×10??)2/(4π×1.45×3×10?2?)=2.94×10?W=2.94MW（2）E=Pcr·τ=2.94×10?×150×10?1?=0.44μJ（3）df=1.22λ/NA=1.22×0.8/0.45=2.17μm（4）I?=E/(τ·π(df/2)2)=0.44×10??/(150×10?1?×π×(1.085×10??)2)=7.9×1013W/cm227.（7分）激光切割10mm厚304不銹鋼板，使用6kW光纖激光，聚焦光斑直徑0.3mm，輔助氧氣壓力1MPa。已知304氧化反應(yīng)放熱ΔH=4.2kJ/g，密度ρ=7.9g/cm3，切割速度v=1.5m/min。求：（1）單位長度熱輸入（kJ/cm）；（2）氧化反應(yīng)提供能量占比（%）。答案與解析：（1）熱輸入=P/v=6kW/(1.5/60m/s)=24kJ/cm（2）切縫截面積A≈板厚×縫寬=10mm×0.4mm=4mm2=0.04cm2質(zhì)量去除率=ρ·A·v=7.9×0.04×25=7.9g/s氧化供能=ΔH·質(zhì)量=4.2×7.9=33.2kJ/s占比=33.2/60=55%28.（10分）激光選區(qū)熔化Ti6Al4V，層厚30μm，激光功率200W，掃描速度1.2m/s，艙口間距80μm。已知粉末吸收率η=0.45，熔化焓ΔHm=365J/g，密度ρ=4.43g/cm3。求：（1）體積能量密度VED（J/mm3）；（2）理論致密度100%時的最小VED（J/mm3）；（3）判斷實際VED是否足夠，并給出調(diào)整建議。答案與解析：（1）VED=P/(v·h·t)=200/(1200×0.08×0.03)=69.4J/mm3（2）理論VED=ρ·ΔHm/η=4.43×365/0.45=35.9J/mm3（3）69.4>35.9，能量充足；但過高易致球化與蒸發(fā)，建議降功率至160W或提速至1.5m/s，使VED≈45J/mm3。五、綜合設(shè)計題（共30分）29.（15分）任務(wù)：在0.5mm厚CVD金剛石薄片上加工直徑100μm、深徑比10:1的微孔，孔壁粗糙度Sa≤0.5μm，無裂紋。提供設(shè)備：1030nm飛秒激光（τ=400fs）、515nm倍頻模塊、NA=0.6物鏡、五軸平臺、水浸腔。要求：（1）給出波長選擇及理由；（2）設(shè)計加工策略（聚焦方式、掃描路徑、能量/速度、輔助工藝）；（3）給出在線監(jiān)測方案；（4）預(yù)測可能出現(xiàn)的缺陷及抑制措施。參考答案：（1）選515nm：金剛石在515nm雙光子吸收系數(shù)β≈2cm/GW，比1030nm高一個量級，可降低閾值，減少熱累積。（2）策略：采用“動態(tài)螺旋”鉆孔，每圈Z軸步進1μm，共500圈；單脈沖能量0.2μJ，Burst5脈沖，重復(fù)率10kHz，切向速度50mm/s；水浸冷卻，水壓0.3MPa，帶走石墨相；每50圈反向回掃，清除再沉積。（3）監(jiān)測：共焦拉曼實時檢測sp3/sp2比，當sp2峰（1350cm?1）強度>sp3（1332cm?1）30%時，自動降能量10%。（4）缺陷：石墨化：水冷+低能量；微裂紋：采用圓偏振+每圈旋轉(zhuǎn)22.5°分散應(yīng)力；錐度：出口側(cè)反向掃描補償，錐度<0.5°。30.（15分）任務(wù)：利用激光增材制造技術(shù)，在45鋼基板上制備梯度TiCNi復(fù)合涂層，要求：底層TiC體積分數(shù)50%，頂層10%，厚度2mm；無裂紋、孔隙<1%；稀釋率<5%。提供：6kW半導(dǎo)體激光（λ=980nm）、同軸送粉、TiC（45–105μm）、Ni（20–53μm）、Ar氣。要求：（1）給出梯度成分路徑函數(shù)；（2）設(shè)計激光功率、掃描速度、送粉速率隨層數(shù)變化曲線；（3）給出預(yù)熱及