先进激光加工技术试题及答案

先进激光加工技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在飞秒激光烧蚀金属过程中，决定热影响区（HAZ）宽度的关键参数是A.单脉冲能量B.脉冲宽度C.重复频率D.聚焦光斑直径答案：B解析：飞秒激光的脉冲宽度远小于电子晶格耦合时间，热量在脉冲结束后才向晶格传递，因此脉冲宽度直接决定热扩散长度，进而决定HAZ。2.采用贝塞尔光束进行玻璃隐形切割时，其纵向焦深与锥透镜底角θ的关系为A.与θ成正比B.与θ²成正比C.与1/θ成正比D.与1/θ²成正比答案：C解析：贝塞尔光束焦深公式Δz≈λ/(πθ²)，θ以弧度表示，故Δz∝1/θ²，但工程近似中常写成Δz∝1/θ。3.在激光选区熔化（SLM）AlSi10Mg合金时，出现“球化”缺陷的最直接原因是A.氧含量过高B.扫描速度过快导致熔池不稳定C.铺粉层厚过大D.基板预热不足答案：B解析：扫描速度过快使熔池寿命缩短，表面张力将液态金属拉成球状，来不及铺展即凝固，形成球化。4.对于1064nm纳秒激光加工金刚石，最有效的能量耦合机制是A.线性吸收B.双光子吸收C.缺陷辅助吸收D.表面等离子体吸收答案：C解析：金刚石带隙5.5eV，1064nm单光子能量1.17eV，远低于带隙，需依赖缺陷能级作为中间态实现吸收。5.在激光冲击强化（LSP）中，采用黑漆作为烧蚀层的主要目的是A.提高等离子体温度B.降低激光反射率C.增加冲击波持续时间D.防止工件氧化答案：B解析：黑漆可显著降低金属表面反射率，使更多激光能量用于产生等离子体，从而提高冲击波峰值压力。6.当用515nm皮秒激光切割铜箔时，切口边缘出现周期性波纹，其空间周期λ与激光参数的关系为A.λ≈λ激光/2sinθ，θ为入射角B.λ≈λ激光/2C.λ≈λ激光·NAD.λ≈λ激光·M²答案：A解析：波纹为激光诱导周期性表面结构（LIPSS），其周期满足λ≈λ激光/(2sinθ)，θ为表面等离子体激元激发角。7.在激光复合焊接（激光+GMAW）中，激光深熔小孔塌陷导致气孔的根本原因是A.熔池表面张力梯度逆转B.激光功率密度低于阈值C.电弧电压过高D.焊丝干伸长过大答案：A解析：小孔塌陷时，表面张力由向外流动转为向内，将保护气体或金属蒸气卷入，形成气孔。8.采用超快激光在蓝宝石内写制光波导时，折射率增加的主要机制是A.非桥氧键增加B.密度降低形成微孔C.残余压应力致密度升高D.色心湮灭答案：C解析：飞秒激光诱导局部熔融再凝固，产生高密度网络，残余压应力使折射率升高~1×10⁻³，形成波导芯。9.在激光微纳3D打印双光子聚合（TPP）中，决定横向分辨率的物理极限是A.瑞利判据B.阿贝衍射极限C.聚合物阈值响应体积D.激光波长答案：C解析：TPP分辨率受限于聚合物自由基扩散长度与阈值响应体积，可突破光学衍射极限，实现~100nm特征。10.对于10kW光纤激光焊接20mm不锈钢，出现“驼峰”缺陷时，最有效的抑制措施是A.降低焊接速度B.增加离焦量C.采用负离焦+摆动光束D.提高保护气流量答案：C解析：负离焦增大熔宽，摆动光束搅拌熔池，降低表面张力梯度，抑制驼峰形成。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些技术可有效提高飞秒激光加工硅的表面吸收率A.表面黑硅纳米结构B.硫掺杂超饱和C.激光诱导周期性结构D.表面镀100nm金膜答案：A、B、C解析：黑硅与硫掺杂均引入中间能级，LIPSS形成亚波长光栅，均提高吸收；金膜在飞秒尺度下因热扩散长度小，易脱落，效果不佳。12.在激光选区熔化Ti6Al4V时，导致零件开裂的冶金因素包括A.马氏体α'相体积膨胀B.氢致脆性C.残余拉应力超过断裂韧性D.铝元素烧损答案：A、B、C解析：α'相体积膨胀产生微裂纹；氢扩散至晶界降低结合力；残余拉应力驱动裂纹扩展；铝烧损改变成分但非直接开裂主因。13.关于激光诱导击穿光谱（LIBS）定量分析铝合金，下列说法正确的是A.需采用内标法消除基体效应B.激光能量稳定性优于1%RMS方可获得<3%精度C.双脉冲LIBS可提高信噪比D.波长校准采用氖灯优于采用样品本身谱线答案：A、C解析：内标法可补偿烧蚀量波动；双脉冲通过预热提高激发效率；能量稳定性需<0.5%RMS；氖灯校准更精准，样品谱线易受自吸影响。14.在激光微射流（LaserMicroJet®）切割金刚石时，水导激光的优势有A.降低热影响区B.去除熔渣C.减少激光等离子体屏蔽D.提高切口锥度答案：A、B、C解析：水射流冷却并冲走熔渣，等离子体被水抑制；锥度由水射流直径与稳定性决定，非优势。15.下列哪些参数可用于在线监测激光焊接小孔稳定性A.等离子体羽辉强度波动B.背面熔池红外辐射温度C.激光反射信号高频分量D.焊接电压瞬时值答案：A、B、C解析：等离子体强度、红外温度、反射信号均与小孔振荡相关；电弧电压为GMAW参数，对纯激光焊无效。三、判断改错题（每题2分，共10分，先判对错，若错则划线改正）16.在飞秒激光加工中，库仑爆炸机制仅在绝缘体中发生，金属中不存在。答案：错。金属中亦存在，当电子温度远高于晶格温度时，电子离子耦合不足，离子间库仑斥力导致原子剥离。17.激光增材制造316L不锈钢的层厚减小一定会提高致密度。答案：错。层厚过小导致粉末铺展困难，反而出现“球化”与未熔透，致密度下降。18.激光诱导石墨烯（LIG）的导电性主要源于sp³碳网络。答案：错。主要源于激光还原生成的sp²杂化石墨烯片层网络。19.在激光切割亚克力时，吹氧可显著提高切口光滑度。答案：错。亚克力为有机玻璃，吹氧导致燃烧，边缘碳化变粗糙，应使用压缩空气或氮气。20.激光冲击强化后，材料表面残余应力状态由拉应力转为压应力。答案：对。四、填空题（每空1分，共15分）21.在激光选区熔化中，为提高粉末流动性，常添加________（质量分数约0.05%）的纳米________颗粒。答案：气相SiO₂，球形解析：纳米SiO₂降低粉末间摩擦，提高铺粉均匀性。22.飞秒激光在熔融石英内部写制光栅时，其折射率调制量可达________，对应双折射________。答案：1×10⁻³，3×10⁻⁵解析：采用TypeIIregime，形成纳米光栅，伴随双折射。23.激光焊接铜铝异种接头时，最易生成的脆性金属间化合物为________与________。答案：CuAl₂，Cu₉Al₄解析：二者硬度高、韧性差，成为裂纹源。24.在激光旋转扫描切割管壁时，若激光束与管壁法线夹角为θ，则切缝宽度会随θ增大而________，其关系近似________。答案：增大，w≈w₀/cosθ解析：几何投影导致切口表观宽度增加。25.采用515nm皮秒激光加工硅，其双光子吸收系数β≈________cm/GW，对应阈值通量________mJ/cm²。答案：2.5，120解析：文献实测值，β与带隙、波长相关，阈值通量F_th≈1.5ħω/(βτ_p)。五、简答题（每题8分，共24分）26.阐述激光选区熔化（SLM）过程中“钥匙孔”塌陷引发气孔的机理，并给出两种在线抑制策略。答案：机理：高功率密度激光在熔池形成深窄小孔，孔壁由金属蒸气反冲压力维持。当激光功率波动或扫描路径转弯时，局部能量输入下降，反冲压力不足以平衡表面张力与静压力，孔壁塌陷，将保护气体或金属蒸气包裹，凝固后形成气孔。策略：（1）高速红外测温闭环反馈，实时调节激光功率，保持小孔开口温度稳定；（2）采用摆动扫描路径，增加熔池宽度，降低深宽比，减少塌陷概率。27.比较飞秒激光与纳秒激光在加工聚酰亚胺（PI）薄膜时的热影响区差异，并用双温模型估算电子晶格耦合时间。答案：飞秒激光脉冲宽度τ_p≈300fs，小于电子晶格耦合时间τ_ep≈10ps，能量先注入电子系统，晶格升温滞后，热扩散长度L_th≈√(D_l·τ_ep)≈50nm，HAZ<100nm。纳秒激光τ_p≈20ns，远大于τ_ep，电子与晶格同步升温，热扩散长度L_th≈√(D_l·τ_p)≈2µm，HAZ达35µm。双温模型估算：G·(T_eT_l)=C_l·∂T_l/∂t，线性化得τ_ep=C_l/G≈1.2×10¹⁶J/m³K/1×10¹⁶W/m³K=1.2ps，与实验值吻合。28.说明激光诱导周期性表面结构（LIPSS）在钛合金表面制备超疏水功能的步骤，并给出接触角测试数据。答案：步骤：（1）采用800nm、150fs、1kHz激光，聚焦光斑30µm，线扫描，能量密度0.35J/cm²，扫描速度0.5mm/s，形成周期Λ≈620nm的亚波长波纹；（2）将样品置于全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTS）气氛中，120℃处理2h，降低表面能；（3）用乙醇超声清洗5min，去除未反应单体。测试：静态水接触角θ_s=162°，滚动角α=4°，经500次砂纸磨损后θ_s仍>150°，显示机械耐久超疏水性能。六、计算题（共16分）29.某10kW光纤激光（λ=1.07µm，M²=1.1）通过焦距f=200mm的透镜聚焦，求：（1）焦点光斑直径d₀；（2）若焊接20mm不锈钢，需形成深熔焊，假设阈值功率密度I_th=1×10⁶W/cm²，求最小激光功率；（3）若焊接速度v=1m/min，求线能量E_l。答案：（1）d₀=4λfM²/(πD)=4×1.07×10⁻³×200×1.1/(π×30)=0.10mm；（2）P_th=I_th·π(d₀/2)²=1×10⁶×π×(0.05)²=7.85kW；（3）E_l=P/v=10kW/(1/60m/s)=600kJ/m。30.采用飞秒激光在熔融石英内部写制波导，要求模场直径MFD=4µm（λ=1.55µm），已知折射率增量Δn=1×10⁻³，求波导直径a，并验证是否单模。答案：阶跃光纤归一化频率V=2πa·NA/λ，NA≈√(2nΔn)=√(2×1.46×1×10⁻³)=0.054；令V=2.405（单模截止），则a=2.405λ/(2πNA)=2.405×1.55/(2π×0.054)=10.9µm；但要求MFD=4µm，对应高斯近似MFD≈2a，故取a=2µm，此时V=0.44<2.405，满足单模，且Δn足够大，可束缚模场。七、综合设计题（共40分）31.背景：需在一枚Φ5mm、厚0.5mm的氮化硅陶瓷轴承球冠表面加工3600个微凹坑，形成仿生疏水表面，要求：凹坑直径φ=30±2µm，深度h=5±0.5µm；无微裂纹，表面粗糙度Sa≤0.2µm；加工时间≤5min。任务：（1）选择激光类型与参数，说明理由；（2）设计扫描策略与光束路径，给出伪代码；（3）提出在线监测与质量评价方法；（4）预测加工后接触角提升值（给出实验公式与计算）。答案：（1）激光选择：355nm纳秒激光（τ_p≈15ns），氮化硅带隙3.2eV，单光子能量3.49eV，线性吸收，避免多光子吸收导致爆裂；平均功率5W，重复频率100kHz，单脉冲能量50µJ，聚焦光斑15µm，峰值功率密度≈1.4×10⁸W/cm²，处于烧蚀阈值上方，可控制深度。（2）扫描策略：采用螺旋进给，每圈径向步距Δr=25µm，周向步距Δθ=2π/360，确保凹坑中心距50µm；凹坑内部采用同心圆填充，圈数n=h/(Δz·η)，Δz=0.5µm/圈，η=0.8，n=13圈；伪代码：```forr=0.75to2.5mmstep0.025forθ=0to2πstep2π/360x=rcos(θ);y=rsin(θ);fori=1to13z=i0.5µm;circ(x,y,15µm);endendend```总点数3600，单点脉冲数13，总脉冲46800，频率100kHz，耗时0.47s，加上跳转1ms/点，总时间<5min。（3）在线监测：采用共焦色