激光加工技術(shù)總習(xí)題及答案一、激光加工技術(shù)基礎(chǔ)原理與激光器類型1.單選題（1）下列哪種激光器最適合用于高反射率金屬（如純銅）的微細(xì)切割？A.連續(xù)波CO?激光器（10.6μm）B.脈沖綠光光纖激光器（515nm，脈寬10ps）C.連續(xù)波Nd:YAG激光器（1.064μm）D.準(zhǔn)分子激光器（193nm）答案：B解析：銅對(duì)10.6μm與1.064μm的初始吸收率均低于5%，需依賴等離子體耦合或氧化增吸；515nm處吸收率已升至約35%，配合皮秒級(jí)超短脈寬可瞬間越過(guò)電子晶格熱化時(shí)間，抑制熱影響區(qū)，實(shí)現(xiàn)“冷”切割。（2）激光加工中“匙孔效應(yīng)”最先出現(xiàn)的必要條件是：A.功率密度≥10?W/cm2且材料表面產(chǎn)生蒸發(fā)反沖壓力B.功率密度≥10?W/cm2且光斑直徑>0.5mmC.材料沸點(diǎn)>3000℃D.輔助氣體為惰性氣體答案：A解析：當(dāng)功率密度達(dá)到10?W/cm2量級(jí)，材料蒸發(fā)速率急劇上升，蒸氣反沖壓力克服表面張力與熔池靜壓，形成深寬比>1的匙孔，是深熔焊與深熔切割的起點(diǎn)。2.多選題（3）關(guān)于碟片激光器，下列說(shuō)法正確的是：A.增益介質(zhì)為Yb:YAG薄碟，厚度通常<0.4mmB.通過(guò)多通泵浦結(jié)構(gòu)可獲得>80%的光光效率C.光束質(zhì)量因子M2可<1.1，適合遠(yuǎn)程焊接D.熱透鏡效應(yīng)顯著，輸出功率一般<1kW答案：A、B、C解析：碟片幾何使徑向一維熱流占主導(dǎo)，軸向溫度梯度極小，熱透鏡幾乎消除，單碟輸出功率已突破10kW，故D錯(cuò)誤。3.判斷題（4）激光熔覆時(shí)，粉末輸送角度為45°一定優(yōu)于同軸垂直送粉。答案：錯(cuò)誤解析：45°側(cè)向送粉在開(kāi)放型工件上可獲得更高粉末利用率，但對(duì)復(fù)雜內(nèi)腔或斜面，同軸送粉因?qū)ΨQ性好、無(wú)“陰影效應(yīng)”反而更優(yōu)，需視工況而定。4.計(jì)算題（5）用單模光纖激光（λ=1.07μm，M2=1.05）聚焦至0.1mm光斑，激光功率P=2kW，求中心峰值功率密度I?（取光斑內(nèi)能量分布為基模高斯）。答案：高斯光束中心強(qiáng)度I?=2P/(πw?2)，其中w?=0.1mm/2=0.05mmI?=2×2000/(π×(0.05×10?3)2)=5.09×1011W/m2=5.09×10?W/cm2解析：基模高斯光束峰值強(qiáng)度為平均強(qiáng)度的2倍，直接代入即可。二、激光與材料相互作用物理1.單選題（6）對(duì)于1064nm納秒脈沖激光加工硅片，下列哪種現(xiàn)象最先發(fā)生？A.雪崩擊穿導(dǎo)致等離子體點(diǎn)燃B.熱彈性應(yīng)力引起微裂紋C.表面非線性多光子吸收D.熔池對(duì)流形成波紋答案：C解析：硅的禁帶寬度1.12eV，單光子能量1.17eV略大于Eg，但線性吸收系數(shù)仍低；納秒脈沖峰值功率<10MW時(shí)，雙光子吸收系數(shù)β≈2cm/GW率先提供初始載流子，隨后才出現(xiàn)雪崩。2.多選題（7）下列哪些參數(shù)可直接決定激光燒蝕閾值Fth？A.脈沖寬度τpB.波長(zhǎng)λC.光斑直徑DD.材料表面粗糙度Ra答案：A、B、D解析：Fth與能量耦合效率相關(guān)，τp決定熱擴(kuò)散尺度，λ決定吸收機(jī)制，Ra改變實(shí)際入射角與多次反射；光斑直徑僅影響總能量，不改變單位面積閾值。3.簡(jiǎn)答題（8）簡(jiǎn)述“雙溫度模型”在飛秒激光加工金屬中的適用條件與局限。答案：適用條件：①脈寬<電子晶格弛豫時(shí)間（金屬約1–10ps）；②光子能量遠(yuǎn)大于電子熱容特征溫度；③材料為均質(zhì)體相，無(wú)相變與等離子體逃逸。局限：①忽略電子電子碰撞導(dǎo)致的非平衡分布尾；②無(wú)法描述相爆炸與臨界點(diǎn)的成核率；③對(duì)多晶或納米晶金屬，晶界散射顯著，需引入晶界電阻率修正。4.計(jì)算題（9）鋁的燒蝕閾值Fth=1.5J/cm2（800nm，100fs），若用相同波長(zhǎng)但脈寬10ps的激光，估算新閾值Fth′（假設(shè)熱擴(kuò)散長(zhǎng)度主導(dǎo)）。答案：飛秒域Fth∝√τp，故Fth′=Fth×√(10ps/100fs)=1.5×√100=15J/cm2解析：皮秒?yún)^(qū)熱擴(kuò)散已顯著，能量向深度方向流失，需更高面能量密度才能達(dá)到汽化溫度。三、激光切割工藝與缺陷控制1.單選題（10）1kW單模光纖激光切割2mm不銹鋼，最佳焦點(diǎn)位置一般位于：A.工件上表面+1mmB.工件上表面C.板厚中心D.工件下表面0.5mm答案：B解析：薄板切割要求最窄光束位于上表面，以減小熱影響區(qū)并獲得垂直紋路；厚板>6mm才需將焦點(diǎn)下移至板內(nèi)或下表面，增加側(cè)壁能量耦合。2.多選題（11）CO?激光切割5mm亞克力出現(xiàn)“火焰狀燒蝕”時(shí)，可采?。篈.將輔助氣體由壓縮空氣改為氮?dú)釨.降低激光功率20%C.提高進(jìn)給速度30%D.將光斑直徑減小10%答案：A、B、C解析：火焰狀燒蝕源于亞克力裂解產(chǎn)物與氧氣燃燒；改用氮?dú)饪梢种迫紵倒β逝c提速減少熱輸入；減小光斑會(huì)提高功率密度，反而加劇裂解，故D錯(cuò)誤。3.判斷題（12）在光纖激光切割鋁合金時(shí)，使用O?作為輔助氣體一定可提高切割速度。答案：錯(cuò)誤解析：O?與Al反應(yīng)放熱可提高速度，但生成高熔點(diǎn)Al?O?黏附切縫，易掛渣；對(duì)薄板<1mm，高純N?或空氣反而獲得更光潔邊緣。4.計(jì)算題（13）用4kW光纖激光切割10mm碳鋼，經(jīng)驗(yàn)公式給出最大可切速度v=α·P/t，其中α=0.2(mm·m/min)/(kW·mm)。求最大速度。答案：v=0.2×4/10=0.08m/min=80mm/min解析：該經(jīng)驗(yàn)公式僅考慮厚度與功率，實(shí)際需根據(jù)光束質(zhì)量、噴嘴直徑修正，此處按題給參數(shù)計(jì)算。四、激光焊接熔池行為與缺陷1.單選題（14）激光深熔焊接304不銹鋼時(shí)，最易出現(xiàn)氣孔的原因是：A.匙孔塌陷導(dǎo)致氫孔B.保護(hù)氣體流量過(guò)大產(chǎn)生湍流C.表面涂層碳含量高導(dǎo)致CO孔D.熱裂紋答案：A解析：匙孔不穩(wěn)定塌陷，將保護(hù)氣體或金屬蒸氣卷入熔池，凝固時(shí)形成氫氣或氬氣孔，是深熔焊最常見(jiàn)氣孔類型。2.多選題（15）下列哪些措施可有效抑制鋁合金激光焊接熱裂紋？A.選用含Si量高的4047焊絲B.提高焊接速度C.采用雙光束激光，間距0.6mmD.降低對(duì)接間隙至0.02mm答案：A、C解析：高Si焊絲可提高液相溫度區(qū)間，降低凝固收縮應(yīng)變；雙光束可預(yù)熱與后熱，降低溫度梯度；單純提速會(huì)增大冷卻速率，裂紋傾向反而升高；間隙過(guò)小無(wú)法填充，無(wú)法降低裂紋。3.簡(jiǎn)答題（16）解釋“小孔型焊接”中熔深隨激光功率線性增加，而超過(guò)某功率后熔深增長(zhǎng)趨緩的物理機(jī)制。答案：當(dāng)功率較低，匙孔尚未形成，熔深受熱傳導(dǎo)控制，P↑→熔深↑呈線性；進(jìn)入深熔區(qū)，匙孔深度h與P基本呈線性，因蒸氣反沖壓力與表面張力平衡，h≈P/(πw?2ρLv)，其中Lv為汽化潛熱；但當(dāng)功率繼續(xù)升高，匙孔內(nèi)金屬蒸氣密度增加，產(chǎn)生強(qiáng)烈等離子體，等離子體對(duì)激光產(chǎn)生逆韌致吸收與折射，能量耦合效率下降；同時(shí)匙孔出口直徑擴(kuò)大，側(cè)壁多次反射次數(shù)減少，深度增長(zhǎng)趨緩，呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。4.計(jì)算題（17）用10kW碟片激光焊接20mm厚不銹鋼，已知焊接效率η=0.7，汽化潛熱Lv=6.3×10?J/kg，密度ρ=7900kg/m3，求理論最大熔深h（假設(shè)全部能量用于蒸發(fā)材料形成匙孔）。答案：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度蒸發(fā)能量E=πw?2ρLv，設(shè)光斑直徑0.6mm，則w?=0.3mmPη=πw?2ρLv·v，但題目求靜態(tài)最大深度，故忽略速度，認(rèn)為能量全部用于蒸發(fā)柱：h=Pη/(πw?2ρLv)=10000×0.7/(π×(0.3×10?3)2×7900×6.3×10?)=0.050m=50mm解析：理論值遠(yuǎn)大于實(shí)際，因?qū)嶋H存在熱傳導(dǎo)、等離子體屏蔽與熔池流動(dòng)，僅給出上限。五、激光熔覆與再制造1.單選題（18）同步送粉激光熔覆時(shí)，粉末顆粒在激光束中被預(yù)熱至熔點(diǎn)30%的溫度，其主要好處是：A.降低基板熱輸入B.提高粉末利用率C.減少球化傾向D.增加稀釋率答案：B解析：粉末預(yù)熱后撞擊熔池時(shí)更易熔化，減少反彈與飛濺，利用率可提升10–20%。2.多選題（19）下列哪些檢測(cè)手段可在線監(jiān)控激光熔覆層高度？A.同軸紅外測(cè)溫B.激光線結(jié)構(gòu)光掃描C.高速可見(jiàn)光相機(jī)D.電磁感應(yīng)傳感器答案：B、C解析：結(jié)構(gòu)光可直接測(cè)高，高速相機(jī)通過(guò)熔池形貌與凝固后輪廓反算高度；紅外測(cè)溫僅得溫度場(chǎng)；電磁感應(yīng)對(duì)非磁性材料靈敏度低。3.判斷題（20）激光熔覆鐵基合金時(shí)，稀釋率越高越好，可保證冶金結(jié)合。答案：錯(cuò)誤解析：稀釋率過(guò)高（>10%）會(huì)使基體元素大量進(jìn)入覆層，降低耐蝕或耐磨設(shè)計(jì)成分，一般控制在3–7%。4.計(jì)算題（21）在45鋼軸上熔覆Co基合金，要求覆層厚度1.2mm、寬度6mm，送粉速率M=20g/min，激光功率P=2kW，掃描速度v=8mm/s，求理論粉末利用率ηp（覆層密度ρ=8.4g/cm3）。答案：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度覆層體積V=1.2×6×1=7.2mm3/mm=7.2×10?3cm3/mm單位長(zhǎng)度覆層質(zhì)量m=7.2×10?3×8.4=0.0605g/mm單位長(zhǎng)度時(shí)間t=1mm/8mm/s=0.125s單位長(zhǎng)度送粉量Mp=20g/min×0.125s/60=0.0417gηp=m/Mp=0.0605/0.0417=145%出現(xiàn)>100%因未考慮稀釋與重熔，實(shí)際需降低送粉或提速，理論計(jì)算表明當(dāng)前送粉不足，需提高至約30g/min才可獲得完整1.2mm厚度。六、激光微細(xì)加工與超快工藝1.單選題（22）飛秒激光在玻璃內(nèi)誘導(dǎo)“納米光柵”周期Λ與哪些參數(shù)直接相關(guān)？A.激光波長(zhǎng)λ與掃描速度B.激光波長(zhǎng)λ與數(shù)值孔徑NAC.激光波長(zhǎng)λ與脈沖能量D.激光波長(zhǎng)λ與材料帶隙Eg答案：B解析：納米光柵周期Λ≈λ/(2NA)，由入射角與干涉決定，與速度、能量、帶隙無(wú)直接比例關(guān)系。2.多選題（23）皮秒激光加工PI薄膜時(shí)，下列哪些現(xiàn)象有助于提高邊緣碳化潔凈度？A.使用紫外355nm波長(zhǎng)B.在氮?dú)猸h(huán)境中加工C.采用Burst模式，子脈沖間隔10nsD.貼鋁箔犧牲層答案：A、B、D解析：紫外光子能量高，可直接打斷C–N鍵，減少熱解；氮?dú)庖种蒲趸艧幔粻奚鼘訋ё邿崃颗c碳顆粒；Burst內(nèi)子脈沖間隔過(guò)短，熱量累積反而加劇碳化，故C錯(cuò)誤。3.簡(jiǎn)答題（24）闡述“冷加工”與“熱加工”在飛秒激光加工中的界定標(biāo)準(zhǔn)，并給出定量判據(jù)。答案：若材料去除機(jī)制以非熱相爆炸（Coulombexplosion）或庫(kù)侖爆炸為主，且晶格溫度在脈沖作用結(jié)束時(shí)仍低于熔點(diǎn)，則稱為冷加工。定量判據(jù)：①電子晶格耦合時(shí)間τei>脈寬τp；②峰值功率密度I>5×1013W/cm2，使電子溫度Te達(dá)數(shù)個(gè)eV，而晶格溫度Tl在τp結(jié)束時(shí)仍<Tm/2；③重鑄層厚度<10nm，拉曼光譜無(wú)石墨化峰。4.計(jì)算題（25）用1030nm飛秒激光加工0.1mm銅箔，要求切縫寬度≤15μm，已知聚焦透鏡NA=0.4，求理論最小光斑直徑d及對(duì)應(yīng)瑞利長(zhǎng)度ZR，是否滿足一次切透？（銅對(duì)1030nm吸收率A=0.06，閾值Fth=0.8J/cm2，可用單脈沖能量E=5μJ）答案：w?=0.61λ/NA=0.61×1.03μm/0.4=1.57μmd=2w?=3.14μm<15μm，滿足寬度要求ZR=πw?2/λ=π×(1.57)2/1.03=7.5μm銅箔厚100μm>>ZR，需多道掃描或動(dòng)態(tài)聚焦；單脈沖能量密度F=E/(πw?2)=5×10??/(π×(1.57×10??)2)=6.4J/cm2>Fth，單脈沖可燒蝕，但深度僅約50–80nm，需約1200–2000次脈沖掃描方可切透。七、激光增材制造（SLM/LMD）1.單選題（26）SLM成形316L時(shí)，層厚從30μm增至60μm，為保持全致密，最合理的策略是：A.將激光功率提高1倍B.將掃描速度減半C.將艙口間距縮小20%D.將光斑直徑擴(kuò)大30%答案：B解析：層厚加倍，需雙倍體積能量密度，速度減半最直接；單純提功率易導(dǎo)致球化；縮艙口增加重疊但無(wú)法補(bǔ)償深度；擴(kuò)大光斑降低功率密度，反而熔不透。2.多選題（27）下列哪些缺陷與SLM成形Ti6Al4V“層間未熔合”直接相關(guān)？A.粉末含水量高B.激光功率不足C.層厚過(guò)大D.基板預(yù)熱溫度低答案：B、C解析：功率不足或?qū)雍襁^(guò)大均使能量密度低于熔透閾值；水分與預(yù)熱溫度主要影響氫孔與殘余應(yīng)力，對(duì)層間未熔合無(wú)直接因果。3.判斷題（28）LMD成形馬氏體時(shí)效鋼，采用層間冷卻至室溫后再繼續(xù)沉積，可完全消除殘余拉應(yīng)力。答案：錯(cuò)誤解析：層間冷卻可降低峰值溫度，但反復(fù)熱循環(huán)仍引入新的相變應(yīng)力與塑性應(yīng)變累積，只能減小而無(wú)法完全消除殘余應(yīng)力。4.計(jì)算題（29）SLM成形Inconel718，目標(biāo)致密度>99.5%，已知最優(yōu)體積能量密度Ev=120J/mm3，層厚t=40μm，艙口間距h=0.12mm，激光功率P=300W，求所需掃描速度v。答案：Ev=P/(t·h·v)→v=P/(t·h·Ev)=300/(0.04×0.12×120)=521mm/s解析：該速度位于常見(jiàn)工藝窗口高端，需確保保護(hù)氣體流場(chǎng)無(wú)湍流，防止飛濺造成孔洞。八、激光安全與標(biāo)準(zhǔn)1.單選題（30）根據(jù)GB7247.12012，1kW連續(xù)光纖激光（λ=1070nm）屬于哪類激光產(chǎn)品？A.1類B.3R類C.4類D.2類答案：C解析：輸出功率>0.5W的連續(xù)激光即歸4類，需嚴(yán)格工程控制與防護(hù)。2.多選題（31）下列哪些措施可降低激光