激光焊理论考核试题及答案详解

激光焊理论考核试题及答案详解一、单项选择题（每题1分，共20分。每题只有一个正确答案，错选、多选均不得分）1.激光深熔焊接中出现“小孔”现象的根本原因是A.材料表面张力突然下降B.激光功率密度超过材料汽化阈值C.保护气体电离产生等离子体D.熔池流动速度过快答案：B解析：当功率密度≥10⁶W/cm²时，材料剧烈汽化，蒸汽反冲压力形成小孔，使激光直达深部，实现深熔焊。2.下列哪项不是激光焊热裂纹的敏感因子A.焊缝结晶区间宽度B.焊缝拘束度C.激光波长D.杂质元素硫含量答案：C解析：热裂纹与冶金、力学因素相关，激光波长仅影响能量耦合效率，与裂纹敏感性无直接因果关系。3.在铝合金激光焊中，最常用来抑制气孔的辅助技术是A.双焦点激光B.直流正接TIG复合C.激光MIG复合D.激光冲击强化答案：C解析：MIG电弧稀释氧化膜并稳定熔池，降低氢致气孔率，工业应用最成熟。4.激光焊等离子体对入射激光的主要衰减机制是A.瑞利散射B.逆韧致辐射吸收C.康普顿散射D.布拉格衍射答案：B解析：等离子体中自由电子通过逆韧致辐射吸收光子能量，导致激光功率在传输中损耗。5.采用CO₂激光焊接镀锌钢板时，最易出现的缺陷是A.结晶裂纹B.锌蒸气孔C.未熔合D.咬边答案：B解析：锌沸点907℃，远低于钢熔点，镀层汽化膨胀无法逃逸，形成底部气孔。6.激光焊焊缝成形系数φ（熔宽/熔深）过大时，最可能伴随A.熔深增加B.咬边倾向上升C.驼峰缺陷D.焊道凸起答案：B解析：φ大说明熔宽相对熔深过宽，热输入横向扩散，边缘金属流失，产生咬边。7.关于激光焊保护气体选择，下列组合正确的是A.钛合金—Ar+2%N₂B.不锈钢—He+5%O₂C.铜—纯N₂D.铝合金—纯Ar答案：D解析：铝合金对等离子体敏感，Ar电离能低，可抑制等离子体且不与铝反应。8.激光功率3kW，焊接速度1m/min，光斑直径0.2mm，则功率密度约为A.9.5×10⁵W/cm²B.1.5×10⁶W/cm²C.3.0×10⁶W/cm²D.6.0×10⁶W/cm²答案：C解析：功率密度P/(πr²)=3000/(π×0.01²)=3.0×10⁶W/cm²。9.激光焊中“全熔透”判定依据的金相标准是A.背面熔宽≥0.2mmB.背面出现均匀余高C.背面熔宽≥板厚30%D.背面无未熔合但允许凹陷答案：A解析：ISO139191规定，背面熔宽≥0.2mm即可视为全熔透，防止未焊透。10.采用脉冲激光焊的主要目的不包括A.降低热输入B.减少气孔C.提高熔深D.控制热影响区硬度答案：C解析：脉冲激光峰值功率虽高，但平均功率低，熔深一般小于连续激光。11.激光焊焊缝硬度显著高于母材，最可能原因是A.冷却速度过快形成马氏体B.晶粒粗化C.过时效D.动态再结晶答案：A解析：高冷却速率抑制扩散型相变，形成硬脆马氏体，硬度升高。12.激光焊中“小孔塌陷”瞬间最易产生的缺陷是A.气孔B.未焊透C.咬边D.焊瘤答案：A解析：小孔失稳坍塌，蒸汽来不及逸出，包裹液态金属形成气孔。13.激光焊过程监测中，最适合实时检测熔深的传感器是A.可见光CCDB.红外热像仪C.光学相干层析（OCT）D.声发射传感器答案：C解析：OCT利用低相干干涉，可穿透等离子体，精度±0.05mm，直接测量熔深。14.激光焊中“驼峰”缺陷的临界雷诺数Re约为A.100B.500C.1000D.2000答案：C解析：熔池流动Re>1000时，惯性力主导，出现周期性堆积，形成驼峰。15.关于激光焊与电子束焊对比，错误的是A.激光焊无需真空B.激光焊对反射材料更敏感C.激光焊深宽比更大D.激光焊无X射线辐射答案：C解析：电子束在真空下可实现>50:1深宽比，激光焊通常≤10:1。16.激光焊中“光束模式TEM₀₀”指A.多模高阶分布B.环形分布C.基模高斯分布D.矩形平顶分布答案：C解析：TEM₀₀为基模，能量集中，焦点处光强呈高斯分布，适合精密焊。17.激光焊中“焦点位置+1mm”指A.焦点在工件表面上方1mmB.焦点在工件表面下方1mmC.焦点与工件表面重合D.焦点在保护气喷嘴出口1mm答案：A解析：+表示向上离焦，表示向下离焦，+1mm即焦点位于工件上方。18.激光焊中“等离子体云”呈蓝色，其主要发射谱线来自A.FeI372nmB.ArI696.5nmC.N₂+427.8nmD.AlI394.4nm答案：C解析：空气中N₂+激发产生427.8nm蓝紫谱线，肉眼观察呈蓝色。19.激光焊中“匙孔壁面蒸发反冲压力”可用下列哪一公式估算A.p=0.5ρv²B.p=ρL_vC.p=0.54P_laser/(πr²v)D.p=0.5εσT⁴答案：C解析：Fabbro模型给出p≈0.54P/(πr²v)，描述蒸汽反冲压力与功率、速度关系。20.激光焊中“热影响区软化”最明显的材料是A.316LB.6061T6C.DP980D.TC4答案：B解析：6061T6为时效强化铝合金，焊接时过时效，硬度下降约40HV。二、多项选择题（每题2分，共20分。每题至少有两个正确答案，多选、少选、错选均不得分）21.下列哪些措施可有效抑制激光焊气孔A.采用摆动激光B.提高焊接速度C.添加AlSi填充丝D.背面加垫板通Ar答案：A、C、D解析：摆动扩大小孔开口，利于气体逸出；填充丝改善流动性；背面Ar降低氢分压。提高速度反而增加气孔倾向。22.激光焊中“羽流”对焊缝成形的负面影响包括A.激光散射B.熔池污染C.保护气体层流破坏D.增加熔深答案：A、B、C解析：羽流含金属蒸汽与液滴，散射激光、氧化熔池、扰乱气帘，不增加熔深。23.关于激光焊数值模拟，下列算法适合处理小孔动态的是A.LevelSetB.VOFC.SPHD.FEM（静力）答案：A、B、C解析：LevelSet、VOF可追踪气液界面；SPH无网格，适合大变形；FEM静力无法处理瞬态小孔。24.激光焊中“光束摆动参数”包括A.频率B.振幅C.波形D.占空比答案：A、B、C解析：摆动频率、振幅、波形（正弦、三角、8字）决定能量分布，占空比用于脉冲，非摆动参数。25.下列哪些检测方法可用于激光焊在线质量评估A.高速X射线成像B.光电二极管采集等离子体光强C.激光背反射能量监测D.涡流检测答案：B、C解析：光电二极管与背反射传感器可实时集成；高速X射线需加速器，非工业在线；涡流用于焊后表面裂纹。26.激光焊中“焊缝余高过大”可能原因A.送丝速度过快B.离焦量负值过大C.功率密度不足D.保护气流量过大答案：A、B解析：送丝过量、负离焦使熔宽增大，填充金属堆积；功率不足导致熔深下降，但余高不一定大；气流量影响保护而非成形。27.激光焊中“等离子体控制”常用手段A.侧吹氦气B.外加纵向磁场C.降低激光功率D.采用短波长激光答案：A、B、D解析：侧吹氦抑制等离子体；磁场偏转电子降低密度；短波长（如蓝光450nm）吸收率高，等离子体阈值高；降低功率会牺牲熔深。28.激光焊中“热输入Q”计算需已知A.激光功率B.焊接速度C.光斑面积D.材料密度答案：A、B解析：Q=P/v，单位J/mm，与光斑面积、密度无关。29.激光焊中“焊缝金属韧性下降”可采取A.焊后回火B.降低冷却速度C.添加Ni填充丝D.提高碳当量答案：A、B、C解析：回火降低硬度；降低冷速减少马氏体；Ni改善韧性；提高碳当量加剧硬化。30.激光焊中“匙孔型气孔”特征包括A.沿熔合线分布B.呈球形或长条形C.内壁光滑D.常伴氧化物夹杂答案：B、C解析：匙孔气孔位于焊缝中部，球形或长条，内壁光滑；沿熔合线多为氢气孔；氧化物夹杂与保护不良相关。三、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）31.激光焊中“小孔深度”与激光功率呈线性关系。答案：×解析：小孔深度随功率增加而增大，但受饱和效应影响，呈非线性。32.采用蓝光半导体激光焊接铜时，吸收率可达65%以上。答案：√解析：铜对450nm蓝光吸收率约65%，远高于1μm红外5%。33.激光焊中“等离子体频率”与电子密度平方根成正比。答案：√解析：ω_p=√(n_ee²/ε₀m_e)，符合公式。34.激光焊“热影响区”宽度与焊接速度成反比。答案：√解析：速度越快，热循环陡峭，HAZ变窄。35.激光焊“焊缝强度”一定高于母材。答案：×解析：高强钢或铝合金焊后可能软化，强度低于母材。36.激光焊“羽流”温度一般低于等离子体核心区。答案：√解析：羽流为金属蒸汽与空气混合区，温度约2000–3000K；等离子体核可达10000K。37.激光焊“光束质量因子M²”越小，聚焦能力越差。答案：×解析：M²越接近1，光束质量越好，聚焦能力越强。38.激光焊“摆动激光”可替代填丝焊接厚板。答案：√解析：摆动加宽熔池，实现自填充，可焊8mm不锈钢无需填丝。39.激光焊“背面保护”对钛合金不是必须工序。答案：×解析：钛合金高温下与O、N剧烈反应，背面必须通Ar保护。40.激光焊“数值模拟”中采用“双温度模型”可区分晶格与电子温度。答案：√解析：超快激光（ps/fs）需用双温度方程，分别描述电子与晶格热传导。四、填空题（每空1分，共20分）41.激光焊中“小孔内金属蒸汽反冲压力”可用________模型描述，其表达式为p≈0.54P/(πr²v)。答案：Fabbro42.激光焊中“等离子体临界电子密度”n_c=________，其中λ单位为μm。答案：1.1×10²¹/λ²(cm⁻³)43.激光焊“热输入”Q=P/v，若P=4kW，v=2m/min，则Q=________J/mm。答案：12044.激光焊“焊缝深宽比”一般可达________，电子束焊可达________。答案：10:1；50:145.激光焊“铝合金气孔率”要求按ISO139192，B级不得超过________%。答案：246.激光焊“碳当量Ceq”公式Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，当Ceq>________时，冷裂敏感。答案：0.4547.激光焊“摆动频率”f=200Hz，振幅A=1mm，则摆动速度v_w=________mm/s。答案：800（v_w=4Af）48.激光焊“羽流蓝色发光”主要谱线为N₂+________nm。答案：427.849.激光焊“小孔振荡”特征频率与________速度成正比，与________长度成反比。答案：蒸汽；小孔50.激光焊“蓝光450nm”在铜表面吸收率约为________%，而1μm红外仅________%。答案：65；5五、简答题（每题6分，共30分）51.简述激光焊“小孔形成”三步物理过程。答案：（1）表面升温：激光功率密度>10⁶W/cm²，材料表面温度升至沸点；（2）汽化反冲：金属剧烈汽化，蒸汽反冲压力克服表面张力与静压力，下陷形成凹坑；（3）小孔稳定：激光直达深部，蒸汽持续逸出，液态金属在表面张力与蒸汽压力平衡下维持空腔，实现深熔焊。解析：三步环环相扣，缺少任一环节无法形成稳定小孔。52.列举并解释三种在线抑制等离子体的工程手段。答案：（1）侧吹氦气：高速He气流密度低、电离能高，可吹散等离子体，减少逆韧致吸收；（2）外加磁场：洛伦兹力使等离子体带电粒子偏转，降低核心区电子密度；（3）采用短波长激光：如蓝光450nm，临界电子密度高，等离子体不易形成，吸收率提升。解析：三种手段分别从气体、电磁、波长角度抑制等离子体，工业上可组合使用。53.说明铝合金激光焊“氢气孔”形成机理与防控措施。答案：机理：氧化膜Al₂O₃吸附水，焊接时分解为H，溶入熔池；冷却时氢溶解度骤降，过饱和析出形成气泡，来不及逸出即成气孔。措施：（1）焊前机械+化学清理，去除氧化膜与水分；（2）采用激光MIG复合，电弧清除氧化膜，降低氢源；（3）优化参数，降低冷却速度，延长气泡上浮时间；（4）使用高纯Ar保护，降低环境氢分压。解析：氢是铝合金气孔主要来源，需从清理、工艺、环境多环节控制。54.写出激光焊“热裂纹”敏感性指数P_SR公式，并解释各符号含义。答案：P_SR=(C+S/10+P/2+Si/20+Ni/100+Cr/20)×10³式中：C、S、P、Si、Ni、Cr为焊缝金属质量分数（wt%）。解析：P_SR越大，热裂倾向越高，适用于低合金钢，临界值一般<25。55.解释激光焊“摆动激光”对厚板焊接的益处，并给出典型参数。答案：益处：（1）扩大熔宽，改善侧壁熔合，减少未熔合；（2）降低咬边，液态金属回填充分；（3）均匀热输入，减少气孔与裂纹；（4）实现自填充，减少或取消填丝。典型参数：功率8kW，速度0.8m/min，摆动频率200Hz，振幅2mm，8字形轨迹，可一次焊透10mm不锈钢。解析：摆动通过能量重分布，兼顾熔深与成形，成为厚板高效焊接趋势。六、计算题（每题10分，共20分）56.已知：用光纤激光焊接6mm厚不锈钢，功率P=6kW，速度v=1m/min，光斑直径d=0.3mm，材料密度ρ=7.8g/cm³，比热容c=0.5J/(g·K)，熔点T_m=1500℃，室温T₀=20℃，熔化潜热L=270J/g，热效率η=0.7。求：（1）理论熔深h；（2）若实际熔深5.5mm，求热效率损失百分比。答案：（1）单位长度能量E=P/v=6000/(1000/60)=360J/mm有效能量E_eff=ηE=0.7×360=252J/mm熔化单位体积能量Q_v=ρ[c(T_mT₀)+L]=7.8×[0.5×1480+270]=7.8×1010=7878J/cm³=7.878J/mm³熔截面积A=E_eff/Q_v=252/7.878=32mm²由A≈πdh/2（假设半圆形），得h=2A/(πd)=2×32/(π×0.3)=68mm，与事实不符，说明模型需修正。改用能量平衡：h=E_eff/(Q_v×d)=252/(7.878×0.3)=10.7mm考虑实际小孔效应，经验修正系数0.55，得h≈5.9mm（2）实际需能量E_real=Q_v×d×h_real=7.878×0.3×5.5=13J/mm实际热效率η_real=13/360=0.36损失百分比=(0.70.36)/0.7×100%=48.6%解析：理论计算需引入小孔效率修正，损失主要来自等离子体散射与热传导。57.激光焊“临界功率密度”P_c用于克服表面张力与静压，已知：不锈钢表面张力σ=1.8N/m，板厚t=4mm，求：P_c（W/cm²），假设光斑直径0.2mm，静压ρgt可忽略。答案：蒸汽反冲压力Δp=2σ/r=2×1.8/(0.1×10⁻³)=36000Pa由Δp=0.54P_c，得P_c=Δp/0.54=36000/0.54=6.67×10⁴W/cm²解析：该值为理论最小值，实际需>10⁶W/cm²才能形成稳定小孔，因还有惯性、汽化潜热等损耗。七、综合应用题（每题15分，共30分）58.某航天企业需焊接2mm厚7075T6铝合金筒体纵缝，要求焊缝抗拉强度≥400MPa，气孔率<1%，变形<0.1mm。现有设备：3kW单模光纤激光，摆动头，双轴送丝机。请制定焊接工艺方案，包括坡口、参数、保护措施、检测方法，并说明理由。答案：（1）坡口：I形对接，间隙0.1mm，错边<0.05mm，机械刮削+酒精擦拭，24h内焊接；（2）参数：功率2.5kW，速度2m/min，离焦