激光加工试题及答案

激光加工试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在激光切割不锈钢板时，若板厚从2mm增加到6mm，保持相同切缝宽度，最应优先调整的工艺参数是A.脉冲频率  B.辅助气体压力  C.离焦量  D.光束模式答案：B解析：厚度增大后，熔渣排出阻力呈三次方关系上升，提高氧气压力可显著增强排渣能力；其余参数对切缝宽度影响有限。2.采用1µm光纤激光对铝基碳化硅复合材料进行微铣削时，最易出现的缺陷是A.热影响区裂纹  B.碳化硅颗粒拔出  C.再铸层氧化  D.表面球化答案：B解析：铝对1µm激光吸收率高，迅速熔化，而SiC颗粒几乎不吸收，界面热失配导致颗粒被“拔出”，形成凹坑。3.激光深熔焊出现“小孔塌陷”瞬间，等离子体喷发方向通常为A.逆激光入射方向  B.垂直工件表面  C.与激光同轴向下  D.沿焊缝切线方向答案：A解析：小孔塌陷时，孔内高压金属蒸气逆光束路径喷出，形成典型“后向等离子体云”，可在高速X射线影像中验证。4.对PI薄膜进行飞秒激光钻孔时，孔入口直径明显大于出口，其主因是A.等离子体屏蔽  B.非线性多光子吸收区呈锥形扩展  C.热积累  D.材料汽化潜热各向异性答案：B解析：飞秒尺度能量沉积区由光束自聚焦与多光子吸收共同决定，呈“倒锥”形，入口能量密度高，横向烧蚀区大。5.激光熔覆铁基合金时，稀释率突然升高，首先应检查A.送粉速率  B.离焦量  C.保护气纯度  D.激光功率实时反馈曲线答案：D解析：功率漂移（如镜片热透镜效应）使线能量突增，基材熔化加深，稀释率上升；其余参数变化呈渐变特征。6.在激光打标二维码时，若要求Al2O3陶瓷灰度级>64，最有效的控制变量是A.扫描速度  B.脉冲宽度  C.填充间距  D.Q频答案：C解析：填充间距直接决定单点重叠率，通过“半色调”原理获得连续灰度；脉冲宽度主要影响氧化层厚度，灰度阶跃不足。7.采用CO2激光切割亚克力，边缘出现“锯齿”形貌，首要解决措施为A.降低气压  B.改用氮气  C.提高重复频率  D.负离焦答案：C解析：亚克力为热分解机制，低频脉冲导致熔融前沿“跳跃”，提高频率可使切口连续；负离焦会扩大切缝，锯齿依旧。8.激光选区熔化（SLM）Ti6Al4V时，层厚从30µm增至60µm而不调整功率，最易产生的冶金缺陷是A.未熔合  B.气孔  C.残余应力  D.表面粘粉答案：A解析：层厚翻倍，所需能量密度呈线性上升，固定功率下线能量不足，出现层间未熔合；气孔主要与粉末含水量相关。9.激光冲击强化（LSP）采用黑漆作为吸收层，其主要作用是A.提高等离子体温度  B.防止工件过热  C.增强冲击波峰值压力  D.降低反射率答案：C解析：黑漆汽化后形成致密等离子体，约束层（水）使其膨胀受阻，压力可升至GPa级；单纯降低反射率可用铝箔即可。10.对玻璃进行皮秒激光隐形切割，焦点位置置于材料内部而非表面，其原因是A.避免表面崩边  B.提高单脉冲能量阈值  C.利用自聚焦效应  D.减少水蒸气干扰答案：A解析：内部改性产生微裂纹阵列，后续沿“瑕疵面”断裂，表面无碎屑；若聚焦表面，热应力导致崩边明显。二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制激光焊接铜箔时的飞溅A.采用蓝光激光器  B.使用摆动焊接头  C.添加镍中间层  D.背面施加0.3bar氩气背压答案：A、B、C解析：铜对蓝光吸收率>65%，降低所需功率；摆动可稳定小孔；镍层提高熔池粘度；背压对箔材飞溅抑制有限。12.激光熔覆裂纹敏感性指数（CSI）与哪些因素呈正相关A.热膨胀系数差  B.熔覆层硬度  C.基体预热温度  D.冷却速率答案：A、B、D解析：预热温度升高可降低温度梯度，CSI下降；其余三项增大均使裂纹倾向上升。13.关于激光清洗汽车漆层，下列说法正确的是A.短脉冲可避免基板镀锌层熔化  B.采用1064nm激光比10.6µm更易控制残留厚度C.等离子体闪光强度可作为终点监测信号  D.清洗效率与漆层吸收率呈线性关系答案：A、C解析：短脉冲能量沉积于漆层，镀锌层温升低；等离子体闪光突变对应界面暴露；10.6µm在漆层与金属界面反射差异大，更易控制；效率与吸收率呈对数关系。14.激光选区烧结（SLS）聚苯乙烯粉末时，出现“象脚”变形，可能原因包括A.粉床温度过高  B.扫描间距过大  C.层厚过薄  D.冷却速率不均答案：A、D解析：粉床温度接近聚苯乙烯软化点，底层粉末自重塌陷；冷却不均产生翘曲，叠加形成“象脚”；扫描间距与层厚影响致密度而非该变形。15.激光微纳加工中，采用空间光调制器（SLM）进行并行加工的优势有A.降低热积累  B.实现异面多焦点  C.提高轴向分辨率  D.无需移动平台即可实现大面积图案答案：B、D解析：SLM可产生三维分布焦点阵列；热积累由总能量决定，与并行度无关；轴向分辨率受物镜数值孔径限制。三、判断改错题（每题2分，共10分；先判断对错，再改正错误部分）16.激光切割高反材料时，采用线偏振光比圆偏振光更易获得垂直切缝。答案：错误。改正：圆偏振光在切割高反材料时可减少偏振方向依赖，获得更垂直切缝。17.在激光焊接中，小孔深度与激光功率密度呈线性关系。答案：错误。改正：小孔深度与功率密度呈0.5次方关系，受蒸气反压力与表面张力平衡限制。18.飞秒激光烧蚀金属时，材料去除机制以熔融喷射为主。答案：错误。改正：飞秒激光烧蚀金属以非热相爆炸（库仑爆炸、临界点的均匀成核）为主，几乎无熔融喷射。19.激光熔覆层稀释率越高，其耐蚀性一定越好。答案：错误。改正：稀释率过高会导致基体元素大量进入熔覆层，可能降低耐蚀性（如碳钢稀释镍基合金）。20.采用CO2激光打标PVC时，释放的HCl气体可用活性炭纤维实时吸附。答案：正确。解析：活性炭纤维对HCl具有化学吸附作用，生成稳定氯化物，现场净化效率可达95%。四、填空题（每空1分，共15分）21.激光深熔焊小孔内金属蒸气主要成分为________，其电离能约为________eV。答案：Fe；7.87解析：低碳钢焊接时，蒸发铁原子占蒸气摩尔分数>90%，电离能为7.87eV，决定等离子体形成阈值。22.采用1kW单模光纤激光切割2mm不锈钢，最大切割速度v（m/min）与激光功率P（W）经验关系为v=0.025P，则当功率下降至800W时，速度应为________m/min。答案：20解析：直接代入v=0.025×800=20m/min，实验验证误差<3%。23.激光选区熔化Ti6Al4V时，层厚30µm、激光直径100µm，为获得致密度>99%，需保证搭接率≥________%。答案：35解析：搭接率=(1−扫描间距/光斑直径)×100%，实验表明搭接率35%可消除未熔合，对应间距65µm。24.激光冲击强化中，当约束层为水，吸收层为铝箔时，冲击波峰值压力经验公式P(GPa)=1.02√(I/10^12)，若激光功率密度I=5×10^12W/m²，则P=________GPa。答案：2.28解析：代入得P=1.02×√5≈2.28GPa，与PVDF传感器实测值2.3GPa吻合。25.飞秒激光在熔融石英中写入波导，折射率增量Δn与激光脉冲能量E（nJ）呈线性关系Δn=2×10⁻⁴E，当E=50nJ时，Δn=________。答案：1×10⁻²解析：Δn=2×10⁻⁴×50=0.01，可支持单模波导，与近场模式测量一致。26.激光熔覆FeCrB合金，硼含量超过________wt%时，熔覆层出现连续网状M₂B相，导致裂纹。答案：3.2解析：硼在γFe中最大溶解度0.02wt%，超过3.2wt%形成脆性M₂B，三点弯曲试验显示断裂韧性骤降。27.采用355nm紫外激光切割PI薄膜，单脉冲最大切深d（µm）与能量密度F（J/cm²）关系为d=0.18F，当F=2J/cm²时，d=________µm。答案：0.36解析：d=0.18×2=0.36µm，与SEM截面测量值0.35µm一致。28.激光焊接铜铝异种接头，若采用0.1mm镍中间层，可抑制________金属间化合物生成。答案：Cu₉Al₄解析：镍作为扩散障，降低Cu、Al互扩散通量，XRD显示Cu₉Al₄峰消失，接头剪切强度提高40%。29.激光清洗混凝土表面青苔，采用1064nm激光，其清洗阈值约为________J/cm²。答案：0.8解析：青苔含水率高，0.8J/cm²即可使水瞬间汽化剥离，低于混凝土烧蚀阈值1.2J/cm²，实现选择性去除。30.激光选区烧结PA12粉末，粉床预热温度设定为________℃时，翘曲量最小。答案：185解析：PA12熔点178℃，预热185℃使粉末处于粘弹态，降低温度梯度，热应力下降60%。五、简答题（每题8分，共24分）31.简述激光切割铝合金时产生“粘渣”的机理，并给出两种工艺解决方案。答案：机理：铝合金导热系数高（237W/m·K），熔融区快速冷却，高粘度Al₂O₃薄膜包裹熔渣，使其不易被辅助气体吹走，冷却后与切口底部焊合，形成固态粘渣。方案：（1）采用变频脉冲激光，峰值功率>10kW，脉冲频率5kHz，利用脉冲冲击波破碎氧化膜，降低熔渣粘度；（2）使用氮气+少量甲醇混合气体（体积分数3%），甲醇裂解产生H₂还原Al₂O₃，生成低熔点Al(OH)₃，熔渣粘度下降一个数量级，切割5mm6061T6粘渣高度<0.1mm。32.激光焊接高强钢时，为何常采用摆动光束？请从传热与应力角度分析。答案：传热：摆动光束使熔池宽度增加，温度梯度∂T/∂x下降30%，降低冷却速率，抑制马氏体相变，硬度HV由480降至320，减少冷裂倾向。应力：摆动引入周期性压缩拉伸应变，促使柱状晶破碎，晶粒尺寸由120µm细化至40µm，根据HallPetch关系，屈服强度提高同时断裂韧性K_IC提升15%，残余拉应力峰值下降25%，通过X射线衍射测得表面应力由420MPa降至310MPa。33.飞秒激光在金刚石表面诱导纳米光栅（LIPSS）的生成条件及潜在应用。答案：条件：中心波长800nm、脉宽120fs、能量密度0.9J/cm²、扫描速度0.5mm/s、线偏振、真空度10⁻³mbar，形成周期Λ=λ/(n−sinθ)≈133nm纳米光栅，深度30nm，覆盖面积5×5mm²。应用：（1）作为拉曼增强基底，对罗丹明6G检测限降至10⁻¹²mol/L，增强因子2×10⁶；（2）用于金刚石NV色心耦合，纳米光栅提供额外光子态密度，荧光收集效率提升3.8倍，实现片上量子传感器。六、计算题（共16分）34.采用2kW连续光纤激光对5mm厚304不锈钢进行对接焊，聚焦光斑直径0.4mm，焊接速度1m/min，已知：（1）304不锈钢密度ρ=7900kg/m³，比热容c=500J/kg·K，熔点T_m=1723K，室温T_0=293K，熔化潜热L_m=260kJ/kg；（2）焊缝横截面积A=2mm²；（3）热传导损失约占总能量30%。求：焊接过程热效率η，并判断是否发生深熔焊（深熔焊阈值功率密度≥5×10⁵W/cm²）。答案：步骤1：计算所需理论热功率P_need单位长度质量m=ρ×A=7900×2×10⁻⁶=0.0158kg/m升温热量Q_s=m×c×(T_m−T_0)=0.0158×500×1430=1.13×10⁴J/m熔化热量Q_m=m×L_m=0.0158×260×10³=4.11×10³J/m总热量Q_total=Q_s+Q_m=1.54×10⁴J/m焊接速度v=1m/min=0.0167m/s理论功率P_need=Q_total×v=1.54×10⁴×0.0167=257W步骤2：实际输入功率P_in=2000W，热损失30%，有效功率P_eff=2000×0.7=1400W热效率η=P_need/P_eff=257/1400=18.4%步骤3：功率密度I=P_in/(πr²)=2000/(π×0.2²×10⁻⁶)=1.59×10⁷W/cm²>5×10⁵W/cm²，满足深熔焊条件。结论：热效率18.4%，发生深熔焊，小孔稳定存在。七、综合设计题（共25分）35.某航天企业需对2mm厚7075T6铝合金与1mm厚碳纤维增强环氧树脂（CFRP）进行叠层焊接