先進(jìn)激光加工技術(shù)考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在飛秒激光燒蝕金屬鋁的過程中，若脈沖寬度從200fs縮短至50fs，而單脈沖能量保持200μJ不變，材料表面出現(xiàn)的燒蝕閾值最可能的變化趨勢是A.升高約15%B.降低約25%C.降低約5%D.基本不變答案：B解析：飛秒?yún)^(qū)間內(nèi)熱擴(kuò)散長度∝√(D·τp)，τp減小后熱擴(kuò)散長度縮短，能量更集中于電子子系統(tǒng)，晶格升溫所需能量降低，表現(xiàn)為閾值下降。實(shí)驗(yàn)測得Al在50fs閾值約0.8J/cm2，200fs約1.05J/cm2，降幅≈24%。2.采用高斯光束進(jìn)行激光深熔焊接時，若焦點(diǎn)光斑直徑從200μm縮小到100μm，相同激光功率下熔深將A.線性減半B.增加約一倍C.增加約三倍D.基本不變答案：B解析：深熔焊接熔深h∝P/(v·d0)，功率P、焊接速度v不變，光斑直徑d0減半，功率密度提高4倍，keyhole效應(yīng)增強(qiáng)，熔深近似反比于d0，故h約增一倍。3.在激光選區(qū)熔化（SLM）Ti6Al4V時，若層厚從30μm增至60μm而激光功率不變，最易出現(xiàn)的缺陷是A.球化B.未熔透C.孔隙D.裂紋答案：B解析：層厚翻倍導(dǎo)致單位體積能量密度減半，熔池深度不足，前一層無法充分重熔，形成未熔透缺陷。4.激光沖擊強(qiáng)化（LSP）中，采用黑漆作燒蝕層比鋁箔作燒蝕層獲得的表面殘余壓應(yīng)力幅值通常A.高2040%B.低1020%C.高510%D.基本一致答案：A解析：黑漆等離子體耦合效率>鋁箔，峰值壓力提高，實(shí)驗(yàn)測得7050T7451鋁合金表面殘余應(yīng)力320MPa（黑漆）與230MPa（鋁箔），提升約39%。5.對1mm厚銅板進(jìn)行精密切割時，采用515nm綠光光纖激光比1070nm紅外激光最大切割速度可提高A.10%B.30%C.50%D.100%答案：C解析：銅對515nm吸收率≈40%，對1070nm僅≈5%，吸收率提升8倍，熱積累效率顯著提高，實(shí)驗(yàn)測得速度由10m/min提至15m/min。6.在激光化學(xué)氣相沉積（LCVD）制備金剛石膜時，若襯底溫度從800°C升至1000°C，膜層質(zhì)量變化趨勢是A.晶粒尺寸減小，非金剛石碳減少B.晶粒尺寸增大，非金剛石碳減少C.晶粒尺寸增大，非金剛石碳增多D.晶粒尺寸減小，非金剛石碳增多答案：B解析：溫度升高促進(jìn)sp3鍵合，氫原子刻蝕作用增強(qiáng)，非金剛石碳被選擇性去除，晶粒長大，膜層質(zhì)量提高。7.激光微納加工中，采用貝塞爾光束加工玻璃時，其最大無像差焦深與錐角θ的關(guān)系為A.∝θB.∝1/θC.∝θ2D.∝1/θ2答案：B解析：貝塞爾光束焦深Zmax≈R/tanθ，R為入射半徑，θ越小焦深越長，故Zmax∝1/θ。8.在激光焊接異種金屬鋁鋼時，添加純Ni夾層的主要作用是A.降低鋁側(cè)熱膨脹系數(shù)B.抑制FeAl脆性相生成C.提高激光吸收率D.降低熔池粘度答案：B解析：Ni與Fe、Al分別形成韌性固溶體，阻礙FeAl、Fe?Al?脆性相生成，接頭抗剪強(qiáng)度由60MPa提至180MPa。9.采用皮秒激光在PI薄膜上加工微通孔時，若脈沖能量略高于閾值，孔壁錐度主要受控于A.等離子體屏蔽B.熱積累C.光束空間形狀D.材料色散答案：C解析：近閾值加工以光蝕為主，熱擴(kuò)散極小，孔壁形貌直接復(fù)現(xiàn)光束空間強(qiáng)度分布，高斯光束自然形成正錐度。10.激光增材制造316L不銹鋼時，采用雙向掃描（67°旋轉(zhuǎn)）相比單向掃描，致密度可提高A.1%B.3%C.8%D.15%答案：C解析：雙向掃描減少未熔合孔隙，XCT測試致密度由98.2%提至99.1%，提升約0.9%，接近8%的相對增幅。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分）11.下列哪些技術(shù)可有效抑制激光切割高反材料時的背反射損傷A.偏振態(tài)實(shí)時旋轉(zhuǎn)B.采用抗反膜噴嘴C.脈寬調(diào)制超短脈沖D.光束中心波長偏移E.輔助氣體中添加少量O?答案：A、C、D解析：偏振旋轉(zhuǎn)破壞駐波條件；超短脈沖使反射能量時域分散；波長偏移改變反射率；抗反膜噴嘴無文獻(xiàn)支持；O?對反射率影響微弱。12.激光熔覆Co基合金時，易引發(fā)裂紋的外因包括A.基體預(yù)熱溫度<200°CB.搭接率>60%C.冷卻速度>1000K/sD.激光功率密度<5×10?W/cm2E.粉末氧含量>800ppm答案：A、C、E解析：低溫預(yù)熱與快冷導(dǎo)致拉應(yīng)力；高氧含量降低韌性；搭接率過高主要影響平整度；低功率密度則能量不足，裂紋敏感性反而下降。13.關(guān)于激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS），下列說法正確的是A.低空間頻率LIPSS周期≈λ/2B.形成機(jī)制包含表面等離子體激元干涉C.p偏振比s偏振更易產(chǎn)生LIPSSD.在ZnO單晶上可形成周期50nm的高頻LIPSSE.LIPSS方向始終垂直于電場矢量答案：B、C、D解析：周期≈λ/(n±sinθ)，非嚴(yán)格λ/2；p偏振耦合效率高；ZnO高頻LIPSS周期可達(dá)λ/10；方向平行于電場投影。14.激光選區(qū)熔化AlSi10Mg時，下列工藝窗口組合可獲得>99%致密度A.P=350W,v=1200mm/s,h=30μm,t=60μmB.P=250W,v=800mm/s,h=40μm,t=50μmC.P=300W,v=900mm/s,h=35μm,t=55μmD.P=400W,v=1500mm/s,h=50μm,t=80μmE.P=200W,v=600mm/s,h=25μm,t=40μm答案：A、C、E解析：能量密度E=P/(v·h·t)需120180J/mm3，A、C、E落在該區(qū)間；B能量過高出現(xiàn)球化；D能量不足致密度<98%。15.激光沖擊強(qiáng)化后，材料表面發(fā)生A.位錯密度增加B.殘余奧氏體增多C.晶粒細(xì)化至納米級D.硬度提升E.疲勞壽命延長答案：A、D、E解析：高壓等離子體沖擊波引入高密度位錯；誘發(fā)馬氏體相變使奧氏體減少；晶粒細(xì)化至亞微米而非納米級；硬度與疲勞壽命均顯著提高。三、判斷題（每題1分，共10分）16.激光焊接鍍鋅鋼板時，若鋅層厚度>20μm，必須采用搭接形式，否則無法避免鋅蒸氣孔洞。答案：錯誤解析：采用零間隙對接+小孔背吹工藝可將鋅蒸氣從底部排出，實(shí)驗(yàn)已獲無缺陷對接接頭。17.在激光熔覆鐵基合金時，同步送粉比預(yù)置粉末方式更易獲得低稀釋率。答案：正確解析：同步送粉熔池淺，粉末直接注入熔池前沿，稀釋率可<5%，預(yù)置粉末需重熔基體，稀釋率>15%。18.飛秒激光加工石英玻璃時，電子雪崩機(jī)制占主導(dǎo)地位。答案：錯誤解析：飛秒?yún)^(qū)間脈寬<電子聲子耦合時間，以多光子電離為主，雪崩需皮秒以上時間尺度。19.激光增材制造316L的層間停留時間對殘余應(yīng)力分布無顯著影響。答案：錯誤解析：層間冷卻速率變化導(dǎo)致溫度梯度改變，應(yīng)力場重新分布，X射線衍射顯示表面應(yīng)力差可達(dá)120MPa。20.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）對輕元素（H、Li、Be）檢測限通常優(yōu)于重元素（Pb、U）。答案：錯誤解析：輕元素激發(fā)能高，譜線位于深紫外，空氣吸收與探測器效率低，檢測限反而差。21.采用環(huán)形光束可顯著降低激光焊接小孔的不穩(wěn)定性。答案：正確解析：環(huán)形光強(qiáng)分布抑制小孔尖端局部過熱，減少匙孔塌陷，高速X射線證實(shí)波動幅度下降40%。22.激光拋光鈦合金時，表面粗糙度Sa可低于原始軋制態(tài)。答案：正確解析：激光重熔層快速凝固形成納米級波紋，Sa可由0.3μm降至0.05μm。23.激光熔覆Stellite6時，碳含量越高，耐磨性一定越好。答案：錯誤解析：碳過量易生成網(wǎng)狀M?C?脆性相，導(dǎo)致剝落磨損加劇，最優(yōu)碳含量約1.1wt%。24.激光切割陶瓷時，輔助氣體采用Ar比N?更易獲得垂直切縫。答案：錯誤解析：N?冷卻效果優(yōu)于Ar，可減少熱影響區(qū)裂紋，切縫錐度<1°。25.激光清洗油漆層時，若基體為2024鋁合金，選用1064nm納秒激光比355nm更安全。答案：錯誤解析：355nm紫外激光被油漆強(qiáng)烈吸收，基體吸收率低，熱輸入小；1064nm易在鋁表面產(chǎn)生等離子體屏蔽及熱損傷。四、填空題（每空1分，共15分）26.激光深熔焊接小孔內(nèi)金屬蒸氣等離子體的典型電子密度為________m?3。答案：1×1023解析：斯塔克展寬測量FeI538.3nm譜線，電子密度~1023m?3。27.在激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，β相柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變（CET）的臨界G/R值約為________K·s/m2。答案：1.2×1011解析：Hunt模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，G溫度梯度，R凝固速率。28.飛秒激光燒蝕硅的閾值通量Fth與脈沖寬度τp關(guān)系滿足________定律，指數(shù)n≈________。答案：Fth∝τp?，0.5解析：熱擴(kuò)散模型給出n=0.5，實(shí)驗(yàn)擬合n=0.48。29.激光熔覆Febased合金時，粉末載氣流量通常設(shè)定為________L/min，以防止________現(xiàn)象。答案：68，粘粉解析：流量過低粉末在噴嘴口熔化粘附，過高則吹散熔池。30.激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）的高頻結(jié)構(gòu)周期Λ與激光波長λ、材料折射率n的關(guān)系為Λ≈________。答案：λ/(n+sinθ)解析：表面等離子體激元干涉模型。31.采用CO?激光切割5mm厚PMMA時，最佳輔助氣體為________，氣壓________bar。答案：N?，3解析：N?避免氧化燃燒，氣壓3bar可吹走熔渣且無火焰。32.激光沖擊強(qiáng)化（LSP）中，采用水約束層時，其最佳厚度為________mm，以獲峰值壓力________GPa。答案：12，56解析：1D流體模型給出最佳厚度1.5mm，峰值壓力5.5GPa。33.激光選區(qū)熔化316L時，層厚30μm，激光功率300W，掃描速度1200mm/s，對應(yīng)的體積能量密度為________J/mm3。答案：166.7解析：E=P/(v·h·t)=300/(1200×0.03×0.5)=166.7J/mm3。34.激光焊接銅鋁異種接頭時，最易生成的脆性金屬間化合物為________，其維氏硬度高達(dá)________HV。答案：CuAl?，950解析：顯微硬度壓痕測得950HV，導(dǎo)致接頭脆斷。35.激光清洗石材表面黑色結(jié)殼時，若采用1064nm納秒激光，其清洗閾值約為________J/cm2。答案：0.8解析：黑色結(jié)殼主要成分為MnO?與碳，吸收率高，0.8J/cm2即可剝離。五、簡答題（每題8分，共40分）36.闡述激光深熔焊接小孔形成過程中“匙孔塌陷”的物理機(jī)制，并給出兩種抑制措施。答案：匙孔塌陷源于小孔壁面表面張力與蒸氣反沖壓失衡。當(dāng)激光功率密度>10?W/cm2，金屬蒸發(fā)產(chǎn)生反沖壓維持小孔；若激光掃描速度過快或等離子體屏蔽導(dǎo)致能量下降，反沖壓降低，表面張力使孔壁閉合，形成氣泡缺陷。抑制措施：①采用雙光束焊接，主光束開孔，副光束保溫，維持反沖壓；②在氬氣中添加少量氦氣，提高電離勢，抑制等離子體屏蔽，保持小孔穩(wěn)定。37.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，為何常出現(xiàn)“向上生長”柱狀β晶？如何通過工藝打破該織構(gòu)？答案：由于溫度梯度G與凝固速率R比值極高，β相沿<001>取向散熱最快，競爭生長后形成強(qiáng)<001>織構(gòu)。打破方法：①島狀掃描策略，每層旋轉(zhuǎn)67°，改變熱流方向；②引入層間冷卻暫停，提高形核率；③合金化添加0.2wt%B，形成TiB顆粒作為異質(zhì)形核點(diǎn)，促進(jìn)等軸晶。38.飛秒激光加工透明電介質(zhì)時，為何能實(shí)現(xiàn)“冷加工”？給出電子激發(fā)晶格升溫的時間尺度。答案：飛秒脈沖寬度<電子聲子耦合時間（~110ps），激光能量首先通過多光子電離將電子激發(fā)至導(dǎo)帶，電子溫度瞬態(tài)升至數(shù)萬開，晶格仍保持“冷”狀態(tài)；能量在電子子系統(tǒng)內(nèi)傳遞，僅在脈沖結(jié)束后數(shù)十皮秒內(nèi)晶格才升溫，故熱擴(kuò)散可忽略，實(shí)現(xiàn)原子級去除，無熱影響區(qū)。39.激光沖擊強(qiáng)化（LSP）提高航空鋁合金疲勞壽命的微觀機(jī)理是什么？答案：①高密度位錯纏結(jié)形成亞微米晶，阻礙位錯運(yùn)動；②表面引入300MPa級殘余壓應(yīng)力，抵消外載拉應(yīng)力；③誘發(fā)細(xì)小彌散T?(Al?CuLi)相析出，提高強(qiáng)度；④消除表面微缺口，降低應(yīng)力集中因子，裂紋萌生壽命提高510倍。40.激光增材制造316L不銹鋼為何能獲得高于鍛件的屈服強(qiáng)度？給出強(qiáng)化機(jī)制定量貢獻(xiàn)。答案：①細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒尺寸~5μm，HallPetch貢獻(xiàn)ΔσHP=157MPa；②位錯胞強(qiáng)化：位錯密度~5×101?m?2，BaileyHirsch公式ΔσD=MaGb√ρ=180MPa；③元素微偏析形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，背應(yīng)力強(qiáng)化~80MPa；總屈服強(qiáng)度σy=σ?+ΔσHP+ΔσD+Δσback=220+157+180+80=637MPa，高于鍛件290MPa。六、計(jì)算題（每題10分，共30分）41.采用高斯光束（λ=1070nm，M2=1.1）對低碳鋼進(jìn)行深熔焊接，激光功率P=4kW，掃描速度v=2m/min，焦點(diǎn)光斑直徑d0=200μm。假設(shè)小孔吸收率A=85%，求熔深h。（已知：鋼密度ρ=7800kg/m3，比熱容c=650J/kg·K，熔化潛熱Lm=270kJ/kg，熔點(diǎn)Tm=1800K，室溫T0=300K，熱擴(kuò)散系數(shù)α=6×10??m2/s）答案：單位長度能量線密度Eline=A·P/v=0.85×4000/(2/60)=102kJ/m單位體積需熱Qv=ρ[c(TmT0)+Lm]=7800×(650×1500+270000)=8.97×10?J/m3熔深h=Eline/(Qv·d0)=102×103/(8.97×10?×200×10??)=0.056m=5.6mm解析：Rosenthal簡化模型忽略熱損失，實(shí)際熔深約5mm，與實(shí)驗(yàn)吻合。42.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V，層厚t=50μm，掃描間距h=120μm，激光功率P=250W，掃描速度v=1200mm/s，粉末床致密度ρp=55%，固體密度ρs=4.43g/cm3，求單層理論質(zhì)量沉積率?（mg/s）。答案：單道截面積A=t·h=50×120×10??=6×10??m2體積沉積率V?=A·v=6×10??×1.2=7.2×10??m3/s質(zhì)量沉積率?=V?·ρp·ρs=7.2×10??×0.55×4430=17.5mg/s解析：實(shí)際考慮球化損失，測量值~15mg/s。43.激光沖擊強(qiáng)化（LSP）中，采用鋁箔燒蝕層，激光能量E=10J，脈寬τ=20ns，光斑直徑d=3mm，求峰值壓力Pmax。（已知：鋁等離子體耦合系數(shù)η=0.4，水約束層聲阻抗Zw=1.48×10?kg/m2s，鋁靶聲阻抗ZT=1.65×10?kg/m2s）答案：功率密度I=E/(τ·πd2/4)=10/(20×10??×π×(1.5×10?3)2)=7.07×101?W/m2等離子體壓力Pplasma=0.01√(ηI)=0.01√(0.4×7.07×101?)=5.3