激光加工技術(shù)題目及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在激光切割不銹鋼板時，若材料厚度從2mm增加到6mm，而激光功率保持3kW不變，為維持相同切縫寬度，最應(yīng)優(yōu)先調(diào)整的工藝參數(shù)是A.輔助氣體壓力B.離焦量C.脈沖頻率D.進給速度答案：D解析：厚度增加熱輸入需求增大，功率不變時必須降低進給速度以保證單位長度能量密度，切縫寬度才能維持。輔助氣體壓力主要影響掛渣，離焦量與脈沖頻率對縫寬影響次之。2.采用1.06μm光纖激光對銅合金進行深熔焊時，常出現(xiàn)“氣孔鏈”缺陷，其最主要誘因是A.銅的高反射率B.銅的高導熱系數(shù)C.銅的高蒸汽壓D.銅的低粘度答案：C解析：銅在高功率密度下汽化劇烈，蒸汽壓峰值可達10?Pa量級，小孔失穩(wěn)后蒸汽氣泡被凝固前沿捕獲形成鏈狀氣孔。高反射率與導熱系數(shù)主要影響能量耦合效率，而非孔洞形貌。3.激光熔覆鐵基合金時，若送粉速率突然增加30%，而激光功率與掃描速度不變，熔覆層稀釋率將A.增大B.減小C.先增后減D.基本不變答案：B解析：單位時間進入熔池的粉末質(zhì)量增加，熔池熱含量不變，基體熔化深度被“冷”粉末抑制，稀釋率下降。4.在激光微銑削光學玻璃時，選用355nm紫外皮秒激光而非1064nm納秒激光，其核心優(yōu)勢是A.更高光子能量，直接破壞Si–O鍵B.更短脈寬，降低熱擴散長度C.更高重復(fù)頻率，提升效率D.更長波長，減少等離子體屏蔽答案：B解析：皮秒脈寬<10ps，熱擴散長度僅約0.1μm，可實現(xiàn)“冷”消融，抑制微裂紋。紫外光子能量雖高，但玻璃帶隙>8eV，仍屬多光子吸收機制，非直接破壞。5.激光選區(qū)熔化（SLM）AlSi10Mg時，層厚從30μm提高到60μm，為保持全致密，最需同步A.降低掃描間距B.提高艙口掃描速度C.提高預(yù)熱溫度D.降低保護氣壓答案：A解析：層厚加倍導致單道熔寬不足，需減小掃描間距以增加搭接率，確保上下層重熔。單純提速會降能量密度，預(yù)熱對致密影響有限。6.激光沖擊強化（LSP）采用黑漆作吸收層，其最優(yōu)厚度范圍是A.10–20μmB.50–100μmC.200–300μmD.500–800μm答案：B解析：50–100μm黑漆可完全吸收激光并汽化形成高溫等離子體，過薄易燒蝕基體，過厚則沖擊波衰減嚴重。7.激光打標塑料件時，若出現(xiàn)“對比度不足”，首要應(yīng)檢查A.場鏡焦距B.脈沖重疊率C.輔助氣體種類D.激光器水溫答案：B解析：塑料打標依賴碳化/發(fā)泡微觀結(jié)構(gòu)，脈沖重疊率過低導致紋理不連續(xù)，對比度下降。焦距與水溫影響光斑大小及功率穩(wěn)定性，但非首要。8.激光清洗文物墨跡時，選用532nm倍頻激光而非1064nm，主要考慮A.降低基底吸收B.提高等離子體亮度C.增加單脈沖能量D.減少臭氧生成答案：A解析：紙質(zhì)基底在1064nm吸收較強易碳化，532nm處吸收系數(shù)驟降，可選擇性去除含F(xiàn)e/Cu墨跡顏料，保護纖維。9.激光焊接鍍鋅鋼板搭接接頭時，最易產(chǎn)生的缺陷是A.冷裂B.氣孔C.鋅蒸氣噴濺D.咬邊答案：C解析：鋅沸點907°C，遠低于鋼熔池，鍍鋅層汽化產(chǎn)生高壓鋅蒸氣，從搭接縫隙噴出，造成飛濺、孔洞甚至焊縫凹陷。10.激光熔覆修復(fù)航空葉片，為控制變形，常采用“跳掃”策略，其本質(zhì)是A.降低總熱輸入B.分散熱量積累C.提高冷卻速率D.減少粉末浪費答案：B解析：跳掃通過空間非相鄰路徑分散熱量，降低局部熱累積與翹曲，總熱輸入不變。二、多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制激光深熔焊鋁合金的“小孔塌陷”瞬態(tài)行為A.采用擺動光束B.背面施加穩(wěn)態(tài)磁場C.提高保護氣側(cè)吹速度D.添加表面活性劑Li答案：A、B、D解析：擺動光束攪拌熔池，磁場抑制流動，Li改變表面張力梯度，均提高小孔穩(wěn)定性；側(cè)吹速度過高反而易吹斷等離子體，加劇塌陷。12.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，為降低殘余應(yīng)力，可同步采用A.基板預(yù)熱至200°CB.掃描方向?qū)娱g旋轉(zhuǎn)67°C.采用島狀掃描策略D.提高艙口間距答案：A、B、C解析：預(yù)熱降低溫度梯度，旋轉(zhuǎn)與島狀掃描分散應(yīng)力方向；提高艙口間距降低搭接，反而易引入未熔缺陷，應(yīng)力集中。13.激光切割碳纖維復(fù)合材料時，切邊質(zhì)量評價指標包括A.熱影響區(qū)寬度（HAZ）B.纖維拔出線密度C.切縫錐度D.表面粗糙度Sa答案：A、B、C、D解析：碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）切邊易出現(xiàn)樹脂燒蝕、纖維拔出，四項指標均直接影響連接強度與疲勞性能。14.激光誘導擊穿光譜（LIBS）用于在線監(jiān)測鋼液成分，需克服的干擾因素有A.鋼液表面浮渣B.激光誘導等離子體溫度波動C.保護氬氣濕度D.激光脈沖能量漂移答案：A、B、D解析：浮渣改變燒蝕質(zhì)量，溫度漂移影響譜線強度比，能量漂移直接改變燒蝕量；氬氣濕度對等離子體影響可忽略。15.激光微納加工中，基于雙光子聚合（TPP）制備三維光子晶體，關(guān)鍵控制參量為A.激光脈沖寬度B.物鏡數(shù)值孔徑C.光刻膠引發(fā)劑濃度D.掃描層厚答案：A、B、C、D解析：TPP依賴雙光子吸收概率，與峰值功率密度（脈寬、NA）成正比；引發(fā)劑濃度決定閾值，層厚決定縱向分辨率。三、判斷改錯題（每題2分，共10分；先判斷對錯，若錯則劃線改正）16.激光熔覆時，粉末粒徑越小，越易形成“球化”缺陷。答案：錯。劃線改正：粉末粒徑越大，越易形成“球化”缺陷。解析：大顆粒熔化不充分，表面張力使其收縮成球；小顆粒熔化快，潤濕良好。17.激光焊接銅時，藍光450nm激光的吸收率約為1064nm的5倍，因此藍光激光器可顯著降低焊接飛濺。答案：對。解析：銅對450nm吸收率≈65%，對1064nm≈12%，高吸收減少多次反射與能量震蕩，飛濺降低。18.激光切割亞克力時，切縫上表面寬度一定大于下表面寬度。答案：錯。劃線改正：切縫上表面寬度可小于下表面寬度。解析：亞克力燃燒去除機制為主，輔助氣流向下沖刷，切縫呈“倒喇叭”形，即下寬上窄。19.激光沖擊強化后，材料表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，可抑制裂紋萌生。答案：錯。劃線改正：激光沖擊強化后，材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。解析：高壓等離子體沖擊誘導塑性變形，表面形成數(shù)百MPa級壓應(yīng)力，閉合微裂紋。20.激光選區(qū)熔化不銹鋼316L，層厚減小會提高零件致密度，但必然導致表面粗糙度增加。答案：錯。劃線改正：層厚減小會降低表面粗糙度。解析：薄層降低階梯效應(yīng)，表面粗糙度Ra下降；但過薄易引入粉末粘附，需平衡。四、簡答題（每題8分，共24分）21.簡述激光深熔焊“小孔型”氣孔與“工藝型”氣孔在形成機理、形貌特征及抑制措施上的差異。答案：（1）形成機理：小孔型氣孔由小孔失穩(wěn)坍塌，熔池來不及回填，氣泡被凝固前沿捕獲，屬冶金動力學問題；工藝型氣孔由表面污染、保護不良或匙孔開口反復(fù)氧化，產(chǎn)生CO/H?等氣體，屬物理化學問題。（2）形貌特征：小孔型多呈鏈狀或條蟲狀，沿焊縫中心線分布，內(nèi)壁光滑；工藝型呈球形或橢球形，分布隨機，內(nèi)壁可見氧化物或夾雜。（3）抑制措施：小孔型可采用擺動光束、雙光束、穩(wěn)態(tài)磁場、背面支撐輥壓；工藝型需嚴格脫脂、提高保護氣純度、優(yōu)化側(cè)吹角度、降低焊接速度以增加氣泡逸出時間。22.激光熔覆NiCrBSi自熔合金時，為何常出現(xiàn)“裂紋網(wǎng)”？給出基于熱應(yīng)力場調(diào)控的三條具體工藝路線。答案：裂紋網(wǎng)源于Ni基合金熱膨脹系數(shù)高（14×10??K?1）、熔覆層硬度高（>50HRC）、冷卻收縮受基體約束產(chǎn)生拉應(yīng)力超過斷裂強度。路線一：梯度預(yù)熱，基板整體預(yù)熱至400°C，降低溫度梯度ΔT；路線二：激光重熔+回火，首道高功率深熔，第二道低功率快速掃描使表層回火，釋放拉應(yīng)力；路線三：添加過渡層，先用Fe基韌性合金（如316L）熔覆1mm過渡，再熔覆NiCrBSi，利用梯度熱膨脹系數(shù)緩沖應(yīng)力。23.激光選區(qū)熔化AlSi10Mg后，經(jīng)T6熱處理（固溶520°C/2h+時效170°C/6h）與直接時效相比，在顯微組織與力學性能上有何差異？答案：T6處理使共晶Si顆粒球化，平均長徑比由5:1降至2:1，αAl基體過飽和Si析出彌散Mg?Si相，屈服強度由280MPa提至350MPa，延伸率由6%提至9%；直接時效僅析出少量Mg?Si，Si顆粒仍呈針狀，應(yīng)力集中明顯，延伸率僅4%。但T6處理會導致晶粒粗化，疲勞裂紋萌生抗力略降，需后續(xù)表面噴丸彌補。五、計算題（共15分）24.用2kW連續(xù)光纖激光切割10mm厚碳鋼，已知：光斑直徑0.2mm，輔助氧氣壓力1MPa，燃點溫度Tig=1350°C，碳鋼密度ρ=7850kg/m3，比熱容c=620Jkg?1K?1，熔化潛熱Lm=272kJkg?1，氧化反應(yīng)放熱qox=3.2MJkg?1，氧化層厚度δ=0.1mm，氧化反應(yīng)效率η=35%。假設(shè)70%激光能量用于加熱，30%熱損失，求理論最大進給速度vmax。答案：單位長度所需能量E=ρ·A·[c·(Tig?20)+Lm]+η·qox·ρ·A·δA=厚度×切縫寬度≈10mm×0.3mm=3×10??m2E=7850×3×10??×[620×1330+272000]+0.35×3.2×10?×7850×3×10??×0.1×10?3=7850×3×10??×(826600+272000)+0.35×3.2×7850×3×0.1=24.6+2.64=27.24kJ/m有效激光功率Peff=2000×0.7=1400Wvmax=Peff/E=1400/27.24≈51.4mm/s解析：氧化反應(yīng)放熱占總量約9%，不可忽略；切縫寬度經(jīng)驗取光斑直徑1.5倍；熱損失30%為對流輻射綜合估算。25.激光沖擊強化2024T351鋁合金，單脈沖能量E=10J，脈寬τ=20ns，光斑直徑d=3mm，等離子體壓力峰值P可用公式P(GPa)=0.01√(I/101?)，其中I為功率密度Wcm?2。求峰值壓力，并評估是否超過2024T351動態(tài)屈服強度σdy=0.45GPa。答案：I=E/(τ·A)=10/(20×10??×π×0.152)=10/(20×10??×0.0707)=7.07×10?Wcm?2P=0.01√(7.07×10?/101?)=0.01√0.707=0.0084GPa=8.4MPa8.4MPa?0.45GPa，未超過動態(tài)屈服強度，需采用約束層（水）提高壓力3–5倍，或提高能量/減小光斑。六、綜合設(shè)計題（共16分）26.某航天器支架需采用激光選區(qū)熔化Ti6Al4V一體化成形，服役溫度350°C，要求抗拉強度≥1000MPa，延伸率≥8%，疲勞壽命10?周次@σmax=600MPa。請給出：（1）成形工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、艙口間距、層厚、基板預(yù)熱）；（2）后處理路線（熱處理、熱等靜壓、表面處理）；（3）無損檢測與評價指標；（4）潛在失效模式與監(jiān)控方法。答案：（1）參數(shù)：激光功率280W，掃描速度1200mm/s，艙口間距0.08mm，層厚0.03mm，基板預(yù)熱200°C，掃描方向?qū)娱g旋轉(zhuǎn)67°，島狀5×5mm分區(qū)，氬氣保護氧<500ppm。（2）后處理：①熱等靜壓HIP：920°C/100MPa/2h，消除未熔合孔隙；②固溶+時效：940°C/1h/WQ+540°C/4h/AC，使α+β片層細化，強度提升至1050MPa；③表面噴丸：0.15mmA彈丸，覆蓋率200%，引入?350MPa表面壓應(yīng)力，疲勞壽命提高3倍；④化學milling20μm，去除噴丸污染層。（3）檢測：μCT分辨率5μm，孔隙率<0.1%；超聲C掃描Φ0.4mm平底孔當量；高周疲勞S–N曲線驗證；表面粗糙度Sa≤6μm。（4）失效模式：疲勞裂紋源起于內(nèi)部未熔合+表面噴丸過度燒傷；監(jiān)控：在線紅外熱像監(jiān)測層間溫度梯度，發(fā)現(xiàn)異常>30°C/mm立即停機；離線EBSD檢測α相織構(gòu)強度，若(0001)織構(gòu)強度>8×隨機，判定取向誘導疲勞各向異性，需重新熱處理。七、論述題（共15分）27.結(jié)合激光微納制造前沿，論述“時空同步多光束”在激光加工中的技術(shù)內(nèi)涵、實現(xiàn)途徑及其對超快激光極端制造的推動作用，并給出兩項已驗證的典型應(yīng)用案例。答案：技術(shù)內(nèi)涵：在傳統(tǒng)單光束聚