激光加工技术总习题及答案

激光加工技术总习题及答案一、激光加工技术基础原理与激光器类型1.单选题（1）下列哪种激光器最适合用于高反射率金属（如纯铜）的微细切割？A.连续波CO₂激光器（10.6μm）B.脉冲绿光光纤激光器（515nm，脉宽10ps）C.连续波Nd:YAG激光器（1.064μm）D.准分子激光器（193nm）答案：B解析：铜对10.6μm与1.064μm的初始吸收率均低于5%，需依赖等离子体耦合或氧化增吸；515nm处吸收率已升至约35%，配合皮秒级超短脉宽可瞬间越过电子晶格热化时间，抑制热影响区，实现“冷”切割。（2）激光加工中“匙孔效应”最先出现的必要条件是：A.功率密度≥10⁶W/cm²且材料表面产生蒸发反冲压力B.功率密度≥10⁴W/cm²且光斑直径>0.5mmC.材料沸点>3000℃D.辅助气体为惰性气体答案：A解析：当功率密度达到10⁶W/cm²量级，材料蒸发速率急剧上升，蒸气反冲压力克服表面张力与熔池静压，形成深宽比>1的匙孔，是深熔焊与深熔切割的起点。2.多选题（3）关于碟片激光器，下列说法正确的是：A.增益介质为Yb:YAG薄碟，厚度通常<0.4mmB.通过多通泵浦结构可获得>80%的光光效率C.光束质量因子M²可<1.1，适合远程焊接D.热透镜效应显著，输出功率一般<1kW答案：A、B、C解析：碟片几何使径向一维热流占主导，轴向温度梯度极小，热透镜几乎消除，单碟输出功率已突破10kW，故D错误。3.判断题（4）激光熔覆时，粉末输送角度为45°一定优于同轴垂直送粉。答案：错误解析：45°侧向送粉在开放型工件上可获得更高粉末利用率，但对复杂内腔或斜面，同轴送粉因对称性好、无“阴影效应”反而更优，需视工况而定。4.计算题（5）用单模光纤激光（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I₀（取光斑内能量分布为基模高斯）。答案：高斯光束中心强度I₀=2P/(πw₀²)，其中w₀=0.1mm/2=0.05mmI₀=2×2000/(π×(0.05×10⁻³)²)=5.09×10¹¹W/m²=5.09×10⁷W/cm²解析：基模高斯光束峰值强度为平均强度的2倍，直接代入即可。二、激光与材料相互作用物理1.单选题（6）对于1064nm纳秒脉冲激光加工硅片，下列哪种现象最先发生？A.雪崩击穿导致等离子体点燃B.热弹性应力引起微裂纹C.表面非线性多光子吸收D.熔池对流形成波纹答案：C解析：硅的禁带宽度1.12eV，单光子能量1.17eV略大于Eg，但线性吸收系数仍低；纳秒脉冲峰值功率<10MW时，双光子吸收系数β≈2cm/GW率先提供初始载流子，随后才出现雪崩。2.多选题（7）下列哪些参数可直接决定激光烧蚀阈值Fth？A.脉冲宽度τpB.波长λC.光斑直径DD.材料表面粗糙度Ra答案：A、B、D解析：Fth与能量耦合效率相关，τp决定热扩散尺度，λ决定吸收机制，Ra改变实际入射角与多次反射；光斑直径仅影响总能量，不改变单位面积阈值。3.简答题（8）简述“双温度模型”在飞秒激光加工金属中的适用条件与局限。答案：适用条件：①脉宽<电子晶格弛豫时间（金属约1–10ps）；②光子能量远大于电子热容特征温度；③材料为均质体相，无相变与等离子体逃逸。局限：①忽略电子电子碰撞导致的非平衡分布尾；②无法描述相爆炸与临界点的成核率；③对多晶或纳米晶金属，晶界散射显著，需引入晶界电阻率修正。4.计算题（9）铝的烧蚀阈值Fth=1.5J/cm²（800nm，100fs），若用相同波长但脉宽10ps的激光，估算新阈值Fth′（假设热扩散长度主导）。答案：飞秒域Fth∝√τp，故Fth′=Fth×√(10ps/100fs)=1.5×√100=15J/cm²解析：皮秒区热扩散已显著，能量向深度方向流失，需更高面能量密度才能达到汽化温度。三、激光切割工艺与缺陷控制1.单选题（10）1kW单模光纤激光切割2mm不锈钢，最佳焦点位置一般位于：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，以减小热影响区并获得垂直纹路；厚板>6mm才需将焦点下移至板内或下表面，增加侧壁能量耦合。2.多选题（11）CO₂激光切割5mm亚克力出现“火焰状烧蚀”时，可采取：A.将辅助气体由压缩空气改为氮气B.降低激光功率20%C.提高进给速度30%D.将光斑直径减小10%答案：A、B、C解析：火焰状烧蚀源于亚克力裂解产物与氧气燃烧；改用氮气可抑制燃烧，降功率与提速减少热输入；减小光斑会提高功率密度，反而加剧裂解，故D错误。3.判断题（12）在光纤激光切割铝合金时，使用O₂作为辅助气体一定可提高切割速度。答案：错误解析：O₂与Al反应放热可提高速度，但生成高熔点Al₂O₃黏附切缝，易挂渣；对薄板<1mm，高纯N₂或空气反而获得更光洁边缘。4.计算题（13）用4kW光纤激光切割10mm碳钢，经验公式给出最大可切速度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：该经验公式仅考虑厚度与功率，实际需根据光束质量、喷嘴直径修正，此处按题给参数计算。四、激光焊接熔池行为与缺陷1.单选题（14）激光深熔焊接304不锈钢时，最易出现气孔的原因是：A.匙孔塌陷导致氢孔B.保护气体流量过大产生湍流C.表面涂层碳含量高导致CO孔D.热裂纹答案：A解析：匙孔不稳定塌陷，将保护气体或金属蒸气卷入熔池，凝固时形成氢气或氩气孔，是深熔焊最常见气孔类型。2.多选题（15）下列哪些措施可有效抑制铝合金激光焊接热裂纹？A.选用含Si量高的4047焊丝B.提高焊接速度C.采用双光束激光，间距0.6mmD.降低对接间隙至0.02mm答案：A、C解析：高Si焊丝可提高液相温度区间，降低凝固收缩应变；双光束可预热与后热，降低温度梯度；单纯提速会增大冷却速率，裂纹倾向反而升高；间隙过小无法填充，无法降低裂纹。3.简答题（16）解释“小孔型焊接”中熔深随激光功率线性增加，而超过某功率后熔深增长趋缓的物理机制。答案：当功率较低，匙孔尚未形成，熔深受热传导控制，P↑→熔深↑呈线性；进入深熔区，匙孔深度h与P基本呈线性，因蒸气反冲压力与表面张力平衡，h≈P/(πw₀²ρLv)，其中Lv为汽化潜热；但当功率继续升高，匙孔内金属蒸气密度增加，产生强烈等离子体，等离子体对激光产生逆韧致吸收与折射，能量耦合效率下降；同时匙孔出口直径扩大，侧壁多次反射次数减少，深度增长趋缓，呈现饱和趋势。4.计算题（17）用10kW碟片激光焊接20mm厚不锈钢，已知焊接效率η=0.7，汽化潜热Lv=6.3×10⁶J/kg，密度ρ=7900kg/m³，求理论最大熔深h（假设全部能量用于蒸发材料形成匙孔）。答案：单位长度蒸发能量E=πw₀²ρLv，设光斑直径0.6mm，则w₀=0.3mmPη=πw₀²ρLv·v，但题目求静态最大深度，故忽略速度，认为能量全部用于蒸发柱：h=Pη/(πw₀²ρLv)=10000×0.7/(π×(0.3×10⁻³)²×7900×6.3×10⁶)=0.050m=50mm解析：理论值远大于实际，因实际存在热传导、等离子体屏蔽与熔池流动，仅给出上限。五、激光熔覆与再制造1.单选题（18）同步送粉激光熔覆时，粉末颗粒在激光束中被预热至熔点30%的温度，其主要好处是：A.降低基板热输入B.提高粉末利用率C.减少球化倾向D.增加稀释率答案：B解析：粉末预热后撞击熔池时更易熔化，减少反弹与飞溅，利用率可提升10–20%。2.多选题（19）下列哪些检测手段可在线监控激光熔覆层高度？A.同轴红外测温B.激光线结构光扫描C.高速可见光相机D.电磁感应传感器答案：B、C解析：结构光可直接测高，高速相机通过熔池形貌与凝固后轮廓反算高度；红外测温仅得温度场；电磁感应对非磁性材料灵敏度低。3.判断题（20）激光熔覆铁基合金时，稀释率越高越好，可保证冶金结合。答案：错误解析：稀释率过高（>10%）会使基体元素大量进入覆层，降低耐蚀或耐磨设计成分，一般控制在3–7%。4.计算题（21）在45钢轴上熔覆Co基合金，要求覆层厚度1.2mm、宽度6mm，送粉速率M=20g/min，激光功率P=2kW，扫描速度v=8mm/s，求理论粉末利用率ηp（覆层密度ρ=8.4g/cm³）。答案：单位长度覆层体积V=1.2×6×1=7.2mm³/mm=7.2×10⁻³cm³/mm单位长度覆层质量m=7.2×10⁻³×8.4=0.0605g/mm单位长度时间t=1mm/8mm/s=0.125s单位长度送粉量Mp=20g/min×0.125s/60=0.0417gηp=m/Mp=0.0605/0.0417=145%出现>100%因未考虑稀释与重熔，实际需降低送粉或提速，理论计算表明当前送粉不足，需提高至约30g/min才可获得完整1.2mm厚度。六、激光微细加工与超快工艺1.单选题（22）飞秒激光在玻璃内诱导“纳米光栅”周期Λ与哪些参数直接相关？A.激光波长λ与扫描速度B.激光波长λ与数值孔径NAC.激光波长λ与脉冲能量D.激光波长λ与材料带隙Eg答案：B解析：纳米光栅周期Λ≈λ/(2NA)，由入射角与干涉决定，与速度、能量、带隙无直接比例关系。2.多选题（23）皮秒激光加工PI薄膜时，下列哪些现象有助于提高边缘碳化洁净度？A.使用紫外355nm波长B.在氮气环境中加工C.采用Burst模式，子脉冲间隔10nsD.贴铝箔牺牲层答案：A、B、D解析：紫外光子能量高，可直接打断C–N键，减少热解；氮气抑制氧化放热；牺牲层带走热量与碳颗粒；Burst内子脉冲间隔过短，热量累积反而加剧碳化，故C错误。3.简答题（24）阐述“冷加工”与“热加工”在飞秒激光加工中的界定标准，并给出定量判据。答案：若材料去除机制以非热相爆炸（Coulombexplosion）或库仑爆炸为主，且晶格温度在脉冲作用结束时仍低于熔点，则称为冷加工。定量判据：①电子晶格耦合时间τei>脉宽τp；②峰值功率密度I>5×10¹³W/cm²，使电子温度Te达数个eV，而晶格温度Tl在τp结束时仍<Tm/2；③重铸层厚度<10nm，拉曼光谱无石墨化峰。4.计算题（25）用1030nm飞秒激光加工0.1mm铜箔，要求切缝宽度≤15μm，已知聚焦透镜NA=0.4，求理论最小光斑直径d及对应瑞利长度ZR，是否满足一次切透？（铜对1030nm吸收率A=0.06，阈值Fth=0.8J/cm²，可用单脉冲能量E=5μJ）答案：w₀=0.61λ/NA=0.61×1.03μm/0.4=1.57μmd=2w₀=3.14μm<15μm，满足宽度要求ZR=πw₀²/λ=π×(1.57)²/1.03=7.5μm铜箔厚100μm>>ZR，需多道扫描或动态聚焦；单脉冲能量密度F=E/(πw₀²)=5×10⁻⁶/(π×(1.57×10⁻⁴)²)=6.4J/cm²>Fth，单脉冲可烧蚀，但深度仅约50–80nm，需约1200–2000次脉冲扫描方可切透。七、激光增材制造（SLM/LMD）1.单选题（26）SLM成形316L时，层厚从30μm增至60μm，为保持全致密，最合理的策略是：A.将激光功率提高1倍B.将扫描速度减半C.将舱口间距缩小20%D.将光斑直径扩大30%答案：B解析：层厚加倍，需双倍体积能量密度，速度减半最直接；单纯提功率易导致球化；缩舱口增加重叠但无法补偿深度；扩大光斑降低功率密度，反而熔不透。2.多选题（27）下列哪些缺陷与SLM成形Ti6Al4V“层间未熔合”直接相关？A.粉末含水量高B.激光功率不足C.层厚过大D.基板预热温度低答案：B、C解析：功率不足或层厚过大均使能量密度低于熔透阈值；水分与预热温度主要影响氢孔与残余应力，对层间未熔合无直接因果。3.判断题（28）LMD成形马氏体时效钢，采用层间冷却至室温后再继续沉积，可完全消除残余拉应力。答案：错误解析：层间冷却可降低峰值温度，但反复热循环仍引入新的相变应力与塑性应变累积，只能减小而无法完全消除残余应力。4.计算题（29）SLM成形Inconel718，目标致密度>99.5%，已知最优体积能量密度Ev=120J/mm³，层厚t=40μm，舱口间距h=0.12mm，激光功率P=300W，求所需扫描速度v。答案：Ev=P/(t·h·v)→v=P/(t·h·Ev)=300/(0.04×0.12×120)=521mm/s解析：该速度位于常见工艺窗口高端，需确保保护气体流场无湍流，防止飞溅造成孔洞。八、激光安全与标准1.单选题（30）根据GB7247.12012，1kW连续光纤激光（λ=1070nm）属于哪类激光产品？A.1类B.3R类C.4类D.2类答案：C解析：输出功率>0.5W的连续激光即归4类，需严格工程控制与防护。2.多选题（31）下列哪些措施可降低激光