激光加工技术考试题目及答案

激光加工技术考试题目及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在激光切割不锈钢薄板时，若焦点位置由板面向下偏移1mm，最可能出现的缺陷是A.挂渣增多，底面出现熔瘤B.切缝上缘烧角严重C.切缝宽度急剧缩小D.等离子体屏蔽效应增强答案：A解析：焦点下移使能量密度在板底集中，熔融金属无法被辅助气体有效吹除，底部熔瘤显著增加；上缘烧角与焦点上移相关，C项宽度缩小与离焦量关系非线性，D项等离子体屏蔽主要与功率密度和材料蒸汽密度相关。2.采用CO₂激光器对10mm厚低碳钢进行氧气助熔切割，若将切割速度提高30%，为保持切透，应优先调整A.喷嘴直径减小0.2mmB.氧气压力降低0.3barC.激光功率提高15%D.焦点位置向上移动1mm答案：C解析：速度提升导致线能量下降，必须补偿能量输入；氧气压力降低会削弱氧化放热，A、D对能量输入无直接增益。3.在激光深熔焊中，小孔塌陷瞬间最易产生的缺陷是A.气孔B.咬边C.未熔合D.冷裂纹答案：A解析：小孔塌陷导致熔池剧烈湍流，保护气体与金属蒸汽卷入形成气泡，凝固后来不及逸出即形成气孔；咬边与扫描速度/光斑直径比相关，冷裂纹需氢与拉应力协同。4.对于1µm波长光纤激光，铜材表面初始吸收率约为A.3%B.15%C.35%D.65%答案：A解析：铜在1µm波段反射率>95%，吸收率≈3%；需采用蓝光或绿光激光或表面预处理才能显著提高吸收。5.在激光熔覆铁基合金时，粉末输送采用同步送粉方式，若载气流量突增50%，最可能导致A.熔覆层厚度增加B.粉末利用率下降C.稀释率降低D.表面粗糙度Ra减小答案：B解析：载气流量过大使粉末束发散，部分粉末未进入熔池即被吹走，利用率下降；厚度与送粉速率相关，稀释率与能量输入相关，粗糙度通常增大。6.激光冲击强化中，约束层采用流水时，其最佳厚度约为A.0.1mmB.0.5mmC.1mmD.2mm答案：C解析：1mm水层可平衡等离子体屏蔽与冲击波衰减；过薄约束不足，过厚冲击波衰减显著。7.在激光微纳加工中，采用飞秒激光加工石英，其材料去除机制主要是A.熔融蒸发B.光化学冷剥离C.热应力破碎D.等离子体喷射答案：B解析：飞秒脉冲宽度<电子晶格耦合时间，能量直接打断SiO键，实现非热相变去除，几乎无热影响区。8.激光选区熔化（SLM）成型Ti6Al4V时，若层厚由30µm增至60µm而不改变其他参数，最可能出现A.致密度提高B.表面粗糙度Ra降低C.未熔合缺陷增多D.残余应力减小答案：C解析：层厚倍增导致单位体积能量密度减半，粉末未充分熔化，层间结合弱；致密度下降，粗糙度增大，应力状态复杂。9.在激光打标二维码时，若采用20kHz调Q光纤激光，欲提高黑白对比度，应优先A.提高频率至200kHzB.降低扫描速度C.离焦+0.5mmD.改用氮气吹扫答案：B解析：降低速度使单点能量增大，氧化膜增厚呈深黑色；高频降低单脉冲能量，离焦降低峰值功率，氮气抑制氧化降低对比度。10.激光清洗油漆层时，若基体为2024铝合金，最佳激光类型为A.连续CO₂2kWB.脉冲Nd:YAG1µsC.脉冲光纤100nsD.脉冲绿光10ps答案：C解析：100ns脉冲可击穿油漆等离子体阈值，同时铝吸收率适中，既去除涂层又避免基体过度熔化；连续CO₂热输入大，ps成本高且效率低。二、填空题（每空1分，共20分）11.激光深熔焊小孔内金属蒸汽主要成分为________和________，其电离能低于保护气体氩，因此易形成光致等离子体。答案：Fe、Mn（或材料对应金属蒸汽）解析：金属蒸汽电离能~7.9eV，低于Ar的15.8eV，优先电离吸收激光。12.采用同轴送粉激光熔覆，粉末汇聚角θ与喷嘴中心锥角关系应满足________，方可实现粉末束与激光束空间高度重合。答案：θ≈α/2（α为喷嘴中心锥角）解析：几何光学保证粉末聚焦点与激光焦点重合，减少飞溅。13.在激光切割有机玻璃（PMMA）时，通常选用________作为辅助气体，以获得透明光亮切缘。答案：氮气（或压缩空气）解析：惰性气体防止燃烧，避免碳化和发黄；空气亦可但边缘微糙。14.激光冲击强化中，诱导冲击波峰值压力P(GPa)经验公式为P=0.01√(αI/λ)，其中α为________，I为激光功率密度GW/cm²。答案：吸收系数（或耦合系数，常取0.1–0.2）解析：公式源于Fabbro模型，α与材料及涂层相关。15.激光选区熔化316L不锈钢时，为降低“球化”现象，常将扫描矢量旋转________°逐层交替。答案：67（或67.5）解析：67°为非直角质数角，避免层间纹理重合，改善润湿。16.激光微钻孔热影响区宽度Δr≈________√(Dt)，其中D为热扩散率，t为激光作用时间。答案：2解析：经典热传导理论，误差函数解给出约2√Dt。17.在激光焊接铜铝异种金属时，为避免金属间化合物脆性层厚度超过________µm，需控制热输入<30J/mm。答案：2解析：实验表明CuAl₂层>2µm接头强度骤降。18.激光熔覆NiCrBSi合金后，若需获得非晶涂层，需满足临界冷却速率>________K/s。答案：10⁶解析：Ni基非晶形成能力要求快速凝固抑制晶化。19.采用皮秒激光切割PI薄膜，其切割边缘碳化层厚度可控制在________nm以内。答案：100解析：超短脉冲非热机制，实验测得<100nm碳化。20.激光清洗锈蚀层时，锈蚀层与基体之间的________差异是选择性去除的关键。答案：激光烧蚀阈值（或吸收率）解析：锈蚀阈值低，先汽化剥离，基体损伤小。三、判断改错题（每题2分，共10分）21.激光焊接铝合金时，采用氦气作为保护气体可提高焊接穿透深度。答案：√解析：He电离能高、密度低，抑制等离子体云，提高能量耦合效率。22.在激光切割中，焦点深度（Rayleigh长度）与波长成反比。答案：×改正：焦点深度与波长成正比（Z_R=πw₀²/λ）。解析：长波长光束聚焦后发散更慢，焦点深度大。23.激光熔覆时，稀释率越高，熔覆层耐磨性一定越好。答案：×改正：稀释率过高导致强化相稀释，耐磨性下降。解析：需控制在5–10%平衡结合强度与性能。24.飞秒激光加工可完全避免重铸层。答案：√解析：非热机制无熔融，重铸层趋近于零。25.激光选区熔化Ti6Al4V成型件表面粗糙度Ra主要与层厚成正比。答案：×改正：Ra与层厚、粉末粒径、扫描策略、光斑直径等多因素相关，非简单正比。解析：层厚减半Ra降低约20–30%，但粉末粒径影响更大。四、简答题（每题8分，共32分）26.阐述激光深熔焊小孔形成与维持的物理过程，并说明小孔不稳定对焊缝成型的影响。答案：(1)物理过程：激光功率密度>10⁶W/cm²时，材料表面金属蒸汽反冲压力克服表面张力与熔池静压力，形成小孔；激光在孔内多重反射提高吸收率至80%以上；蒸汽流速可达数百m/s，维持动态平衡。(2)不稳定影响：小孔塌陷→熔池湍流→气孔、飞溅；孔口振荡→咬边、驼峰；根部失稳→未焊透或根部气孔；频率高时形成“鱼鳞纹”波纹。解析：小孔稳定性与Keyholemodewelding质量直接相关，需匹配功率、速度、等离子体控制。27.比较CO₂激光与光纤激光在切割6mm厚不锈钢时的工艺差异，给出参数优化思路。答案：(1)波长：CO₂10.6µm，光纤1.06µm→不锈钢吸收率CO₂≈35%，光纤≈30%，差异小。(2)聚焦：光纤可聚焦至25µm，功率密度高，可用氮气高压切割无氧化；CO₂需更大光斑，氧气切割。(3)速度：光纤3kW切割速度1.8m/min（N₂），CO₂3kW1.2m/min（O₂）。(4)优化：光纤采用高压N₂（16bar），焦点+0.5mm，速度优先；CO₂采用O₂（2bar），焦点0.5mm，功率优先，注意挂渣。解析：光纤免光路维护，薄板效率高；厚板CO₂氧气切割成本更低。28.激光冲击强化提高航空铝合金疲劳寿命的机理是什么？列举两项关键工艺参数。答案：机理：诱导>1GPa冲击波，使材料表层发生超高应变率（>10⁶s⁻¹）塑性变形，形成深度1–2mm残余压应力层；闭合微裂纹，降低有效应力强度因子ΔK，延缓裂纹萌生；细化晶粒，提高位错密度，阻碍滑移。关键参数：激光功率密度3–5GW/cm²；脉冲宽度8–30ns；搭接率30–50%；吸收层（铝箔/黑漆）厚度100–120µm；水约束层1mm。解析：压应力层使2024T351疲劳寿命提高3–10倍，腐蚀疲劳增益更显著。29.激光选区熔化Ti6Al4V成型件出现微裂纹，试分析其产生原因并给出抑制措施。答案：原因：(1)残余拉应力：高温度梯度，β→α'马氏体相变体积膨胀受限；(2)氢脆：粉末吸氢，熔池快速凝固氢来不及逸出；(3)晶界β相富集Mo、V，降低结合力；(4)打印方向与拉应力垂直，裂纹沿柱状晶界扩展。抑制：(1)基板预热200℃降低梯度；(2)扫描策略67°旋转+岛状扫描释放应力；(3)退火：800℃/2h炉冷消除马氏体；(4)真空干燥粉末120℃/4h除氢；(5)降低层厚30µm，提高能量密度，促进重熔愈合。解析：裂纹多呈“凝固裂纹”特征，需热力冶金协同控制。五、计算题（共18分）30.用光纤激光切割2mm厚碳钢，已知：激光功率P=2kW，光斑直径d=0.2mm，切割速度v=3m/min，氧气压力1.5bar，氧化反应放热q=3.5MJ/kg，碳钢密度ρ=7850kg/m³，比热容c=0.5kJ/(kg·K)，熔点T_m=1800K，室温T₀=300K，熔化潜热L=270kJ/kg。假设70%激光能量用于加热，氧化放热30%有效，求：(1)单位长度热输入E_l（J/mm）；(2)理论所需最小能量E_min（J/mm）；(3)能量利用率η。答案：(1)E_l=(P×0.7+η_ox×q×m_ox)/v线质量m=ρ×A=7850×(2×0.2)×10⁻⁶=3.14×10⁻³kg/m=3.14×10⁻⁴g/mm氧化质量分数约30%，m_ox=0.3×3.14×10⁻⁴=9.42×10⁻⁵g/mm=9.42×10⁻⁸kg/mmE_l=(2000×0.7+0.3×3.5×10⁶×9.42×10⁻⁸)/(3/60)=1400+98.9/0.05=29.98kJ/m≈30J/mm(2)E_min=m[c(T_mT₀)+L]=3.14×10⁻⁴[0.5×1500+270]=3.14×10⁻⁴×1020=0.32J/mm(3)η=E_min/E_l=0.32/30≈1.07%解析：氧化放热贡献约6.6%，能量利用率低表明大量热扩散，需提高速度或减小光斑。31.激光冲击强化2024铝合金，激光能量E=10J，脉宽τ=20ns，光斑直径d=3mm，求峰值压力P（取α=0.15）。答案：I=E/(τ×A)=10/(20×10⁻⁹×π×1.5²×10⁻⁴)=7.07×10⁹W/m²=7.07GW/cm²P=0.01√(αI/λ)=0.01√(0.15×7.07/1.06)=0.01√1.0=0.01×1.0=1.0GPa解析：计算得冲击波压力约1GPa，与实验测量误差<10%。六、综合设计题（共30分）32.某航天企业需对φ50mm×5mm环状GH4169高温合金内壁进行激光熔覆Co基耐磨涂层，要求：熔覆层厚度1.5±0.1mm，宽度4mm，表面硬度>45HRC，稀释率<5%；不允许有裂纹、未熔合；生产效率≥0.3m²/h。请给出完整工艺方案，包括：激光器选型、熔覆头配置、粉末牌号与粒径、工艺参数（功率、速度、送粉量、搭接率、保护气）、预热与后热制度、无损检测方法，并说明参数依据。答案：(1)激光器：4kW光纤激光，波长1.06µm，光束质量BPP<2mm·mrad，可聚焦至0.6mm，功率稳定性±1%。(2)熔覆头：同轴环形送粉，粉末汇聚角30°，保护气同轴+旁轴双重，喷嘴距工件表面15mm。(3)粉末：CoCrWC系，牌号Stellite6，粒径45–106µm，球形度>90%，真空干燥120℃/2h。(4)参数：功率P=2.8kW，速度v=0.8m/min，送粉量M_p=25g/min，搭接率30%，光斑直径0.8mm，离焦+2mm，保护气Ar15L/min。线能量E_l=P/v=2.8×60/0.8=210kJ/m，经试验稀释率4.2%，满足<5%。(5)预热：基板300℃电阻炉预热，降低温度梯度，抑制裂纹；层间温度