激光加工技术题目及答案.docx

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激光加工技术题目及答案

1、从激光束的特性分析，为什么激光束可以用来进行激光与物质的相互作用？

答：

（1）方向性好：

发散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。

（2）单色性好:

为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

（3）亮度极高：

能量密度高。

（4）相关性好：

获得高的相关光强，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。

总之，激光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，可广泛应用于材料加工、医疗、激光武器等领域。

2、什么是焦深，焦深的计算及影响因素？

答：

光轴上其点的光强降低至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离称为光束的聚焦深度。

光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成正比，与w12成反比，因此要获得较大的聚焦深度，就要选长聚焦透镜，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要减少锥度，均需要较大的聚焦深度。

3、对于金属材料影响材料吸收率的因素有哪些？

在目前激光表面淬火中常对工件进行黑化处理，为什么？

答：

波长、温度、材料表面状态

波长越短，金属对激光的吸收率就越高

温度越高，金属对激光的吸收率就越高

材料表面越粗糙，反射率越低，吸收率越大。

提高材料对激光的吸收率

4、简述激光模式对激光加工的影响，并举出2个它们的应用领域？

答：

基模光束的优点是发散角小，能量集中，缺点是功率不大，且能量分布不均。

应用：

激光切割、打孔、焊接等。

高阶模的优点是输出功率大，能量分布较为均匀，缺点是发散厉害。

应用：

激光淬火（相变硬化）、金属表面处理等。

5、试叙述激光相变硬化的主要机制。

答：

当采用激光扫描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速达到极高的温度，此时工件内部仍处于冷态，随着激光束离开零件表面，由于热传导作用，表面能量迅速向内部传递，使表层以极高的冷却速度冷却，故可进行自身淬火，实现工件表面相变硬化。

6、激光淬火区横截面为什么是月牙形？

在此月牙形区相变硬化有什么特点？

特点：

A,B部位硬化，C部位硬化不够

原因：

A,B部位接近材料内部，热传导速率大，可以高于临界冷却速度的速度冷却，因此可充分硬化，而C部位热传导速率小，不能以高于临界冷却速度的速度冷却，因此硬化不够。

7、材料表面激光相变硬化的两个主要条件是什么？

对激光光束和工件有什么要求？

答：

两个主要条件：

1.材料加热后达到的最高温度Tmax温度必须是在相变温度（奥氏体化温度）以上，且在熔点以下；2.必须从相变点A1以上的温度以高于临界冷却速度冷却。

激光功率密度：

103～104W/cm2

自身工件具有一定大小，实现自我快速冷却。

8、在激光表面淬火中需要光束的光强分布尽可能均匀，你知道几种能使光束光强分布均匀的措施和方法。

答：

采用光强分布均匀的高阶模光束；

振镜扫描方法：

使光束在试件的同一部位，以短时间内来回扫描2-3次，使之具有接近于时间上平均的光强分布的矩形面热源特征。

积分组合镜：

在激光反射面上安装许多很细的平面镜，使之在激光焦面上达到均匀的能量分布。

9、试叙述什么是激光熔覆和表面合金化。

并分析两者间异同。

答：

激光熔覆是一种新的表面改性技术。

通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料熔化，并与材料表面形成冶金连接在金属表面形成以熔覆的材料为基体的表面强化层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法。

激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热的特点，使基材表层金属和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一层具有一定浓度且成分均匀的合金层，从而满足对工件耐磨、耐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能的要求。

区别：

激光熔覆不是以基体上的熔融金属为熔剂加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成为熔覆层的主体合金，同时基体金属也有一薄层熔化与熔覆层结合。

简单来说：

激光熔覆的合金粉末既包括熔质，也包括熔剂，形成的融合层自成系统，与基体冶金结合。

激光合金化是合金粉末与基体融化在一起，基体材料作为熔剂，形成的合金层。

10、试叙述激光深穿透焊接与激光热传导焊接的主要异同

答：

热导焊：

激光功率密度较低（105～106W/cm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。

光能量只被材料表层吸收，不产生非线性效应或小孔效应。

这种焊接模式熔深浅，深宽比较小（焊缝深度小于2.5mm，焊缝的深宽比最大为3:

1）。

深熔焊：

激光功率密度高（106～107W/cm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔（即有小孔效应）。

这种焊接模式熔深大（51mm），深宽比也大（焊缝深宽比最大可达12:

1）。

在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

11、激光切割主要有哪几种类型，常用哪种激光切割方式？

答：

气化切割，熔化切割和氧助熔化切割，

气化切割是激光束加热工件至沸点以上的温度，部分材料以蒸汽形式逸出，部分材料作为喷射物从切缝底部被吹走，所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右。

适用于切割不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。

熔化切割是激光将工件加热至熔化状态，形成孔洞，同时依靠与光束同轴的辅助惰性气体将孔洞周围的熔化材料吹除、带走、形成切缝。

熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右，是气化切割的1/10，适合金属材料。

熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧助熔化切割。

所需的激光切割能量只有气化切割的1/20。

适用于金属材料，应用最广的切割方法。

氧助熔化切割所需的激光切割能量最小，因此最常用。

12、从激光加工工艺上考虑，如何打一个高质量的孔？

激光打孔中，一般采用什么离焦量，为什么？

答：

采用较短的脉冲；选择前后沿陡的波形打孔；基模进行打孔；一定的正离焦；多脉冲打孔、高峰值功率、材料的热扩散系数低等。

一定的正离焦，破坏机理主要是材料的蒸发，此时打出的孔比较深，孔的入口处直径较小，孔的锥度较小，打孔效果好。

焦点在工件内部（负离焦）时，激光以会聚方式进入材料，孔壁不能（或很少能）直接接受光通量，因此，液相多气相少，汽化时蒸气压力不太大，喷射力小，孔形锥度较大，打孔质量有好有坏。

过分的入焦和离焦使被加工点的能量密度大大下降，孔深大大减小

13、激光在什么样的等离子体中能够传输？

两者必须满足怎样的频率关系？

激光焊接光致等离子体对焊接质量有何影响？

采用哪些方法可以对光致等离子体进行控制？

高功率激光焊接时，会产生等离子体，这时会产生深宽比小的焊缝，这是为什么？

答：

激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输。

激光频率必须高于等离子体频率，否则激光将无法传播。

两者频率关系必须满足色散关系

激光深熔焊接过程中产生的等离子体云团对入射激光具有屏蔽作用，影响正常焊接过程，等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；等离子体对激光的折射作用使激光束产生严重散焦，光斑变大，并且导致激光实际聚焦位置比正常聚焦位置偏低，大大降低了耦合到工件表面的能量密度，从而降低了焊接质量。

等离子体对激光的折射行为是引起等离子体屏蔽的主要原因。

控制方法：

激光束摆动法、脉冲激光焊接法、外加电磁场控制法、吹辅助气体法、低气压或真空焊接法

等离子体对激光有强烈的吸收、散射和折射作用，从而屏蔽后继激光，导致激光熔池中的激光能量减少，从而使焊接熔深减小，这就是所谓等离子体屏蔽效应。

14、简述啁啾脉冲放大技术的基本原理

答：

由于直接放大fs脉冲时，其峰值功率很高会损坏激光晶体，因此先将fs脉冲展宽成ps脉冲，再进行放大，放大后再把脉宽压缩回fs，此时激光功率增强百万倍以上。

15、与常规脉冲激光加工相比，飞秒激光微加工有哪些优点？

①耗能低，无热熔区，“冷”加工；

②可加工的材料广泛：

从金属到非金属再到生物细胞组织；

③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。

高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；

④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和无后续工艺。

16、脉冲burst功能的作用?

脉冲切割。

使振荡输出间断地发生从而进行切割的方法。

脉冲切割法，通过将投入材料的热量降到最低限，能够进行切割质量以及尺寸精度良好的加工。

进行脉冲切割法时，要设定脉冲频率和脉冲占空比。

所谓脉冲频率，是指在1秒钟内使激光光束ON、OFF几次，用Hz（赫兹）表示。

所谓脉冲占空比，是指每1脉冲（1回输出的ON和OFF）的激光光束震荡时间的比率，用%（百分比）表示。

17、

（1）设半无限大不锈钢厚板的表面半径1.0毫米范围内，受到恒定的匀强圆形激光束的加热。

如果激光束总功率为5kW，吸收率为6%，不锈钢的导热系数为0.26W/cm•℃，试问材料表面光束中心的最高温度是多少？

（2）如果圆形激光束是TEM00模的高斯光束，它在不锈钢厚板表面上的有效光束截面半径是1.0毫米，材料表面光束中心得到的最高温度有多高？

它是匀强圆形激光束所得到的最高温度的几倍？

18、假设Nd：

YAG激光照射在半无限大铁板上，恒定的匀强圆形激光束直径为1.0毫米，激光脉冲宽度为1毫秒。

（1）若使表面温度控制在铁的沸点（3160K）以下，试问需要激光单个脉冲的能量是多大？

（2）试求激光光轴处铁的熔化深度。

已知铁的表面反射率为80%，导热系数为0.82W/cm•℃，密度为7.87g/cm3,比热为0.449J/g•℃，且均不随温度而变化。

19、激光清洗的机理是什么？

物体表面附着物与表面之间的结合主要是由于存在以下各种力:

共价键、双偶极子、毛细作用、氢键、吸附力和静电力等。

其中毛细力、吸附力和静电力是最难破坏的，激光清洗技术就是要克服这几种力。

由于物体表面附着物的成分和结构复杂，激光与之作用的机理也各不相同，用于对此作解释最常用的理论模型有以下几种：

1.光气化，光分解。

激光器产生的激光经过光学系统的聚光可以实现能量的高度集中，聚焦后的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使物体表面附着物瞬间气化或分解。

2.光剥离。

通过激光的作用使物体表面附着物受热膨胀。

当物体表面附着物的膨胀力大于其与基体之间的吸附力时，物体表面附着物便会从物体的表面脱离。

3.光振动。

利用较高频率和功率的脉冲激光冲击物体的表面,在物体表面产生超声波,超声波在冲击中下层硬表面以后返回,与入射声波发生干涉,从而产生高能共振波,使污垢发生微小爆裂,粉碎，脱离基体物质表面。

20、激光3D打印有什么方法？

各自特点？

适用材料？

激光立体印刷术：

以高分子聚合反应为基本原理，适用于塑料铸型。

选择性激光烧结技术，选择性激光熔化技术：

以烧结和熔化为基本原理，适用于金属实体。

21、若硬质合金的蒸发气化比能

为11.2J/mm3，熔化比能

为5.02J/mm3，激光的半会聚角为0.1弧度，在厚度为5毫米的硬质合金刀头上打通孔，需要的激光总能量是多少？

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