激光加工技術(shù)題目及答案

1、從激光束的特性分析，為什么激光束可以用來進行激光與物質(zhì)的相互作用？答：（1）方向性好：發(fā)散角小、聚焦光斑小，聚焦能量密度高。（2）單色性好:為精密度儀器測量和激勵某些化學(xué)反應(yīng)等科學(xué)實驗提供了極為有利的手段。（3）亮度極高：能量密度高。（4）相關(guān)性好：獲得高的相關(guān)光強，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來?？傊?，激光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱，可廣泛應(yīng)用于材料加工、醫(yī)療、激光武器等領(lǐng)域。2、什么是焦深，焦深的計算及影響因素？答：光軸上其點的光強降低至激光焦點處的光強一半時，該點至焦點的距離稱為光束的聚焦深度。光束的聚焦深度與入射激光波長和透鏡焦距的平方成正比，與W12成反比，因此要獲得較大的聚焦深度，就要選長聚焦透鏡，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要減少錐度，均需要較大的聚焦深度。3、對于金屬材料影響材料吸收率的因素有哪些？在目前激光表面淬火中常對工件進行黑化處理，為什么？答：波長、溫度、材料表面狀態(tài)波長越短，金屬對激光的吸收率就越高溫度越高，金屬對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。提高材料對激光的吸收率4、簡述激光模式對激光加工的影響，并舉出2個它們的應(yīng)用領(lǐng)域？答：基模光束的優(yōu)點是發(fā)散角小，能量集中，缺點是功率不大，且能量分布不均。應(yīng)用：激光切割、打孔、焊接等。高階模的優(yōu)點是輸出功率大，能量分布較為均勻，缺點是發(fā)散厲害。應(yīng)用：激光淬火（相變硬化）、金屬表面處理等。5、試敘述激光相變硬化的主要機制。答：當采用激光掃描零件表面，其激光能量被零件表面吸收后迅速達到極高的溫度，此時工件內(nèi)部仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導(dǎo)作用，表面能量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層以極高的冷卻速度冷卻，故可進行自身淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。6、激光淬火區(qū)橫截面為什么是月牙形？在此月牙形區(qū)相變硬化有什么特點？蛇表時火借截面示^ 特點：a,b部位硬化，C部位硬化不夠原因：A,B部位接近材料內(nèi)部，熱傳導(dǎo)速率大，可以高于臨界冷卻速度的速度冷卻，因此可充分硬化，而C部位熱傳導(dǎo)速率小，不能以高于臨界冷卻速度的速度冷卻，因此硬化不夠。7、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么？對激光光束和工件有什么要求？答：兩個主要條件：1.材料加熱后達到的最高溫度Tma溫度必須是在相變溫度（奧氏體化溫度）以上，且在熔點以下；2.必須從相變點A1以上的溫度以高于臨界冷卻速度冷卻。激光功率密度：103~104W/cm2自身工件具有一定大小，實現(xiàn)自我快速冷卻。8、在激光表面淬火中需要光束的光強分布盡可能均勻，你知道幾種能使光束光強分布均勻的措施和方法。答：采用光強分布均勻的高階模光束；振鏡掃描方法：使光束在試件的同一部位，以短時間內(nèi)來回掃描2-3次，使之具有接近于時間上平均的光強分布的矩形面熱源特征。積分組合鏡：在激光反射面上安裝許多很細的平面鏡，使之在激光焦面上達到均勻的能量分布。9、試敘述什么是激光熔覆和表面合金化。并分析兩者間異同。答：激光熔覆是一種新的表面改性技術(shù)。通過在基體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，并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔覆的材料為基體的表面強化層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱的特點，使基材表層金屬和所添加的合金元素熔化混合，在基材表面形成一層具有一定濃度且成分均勻的合金層，從而滿足對工件耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能的要求。區(qū)別：激光熔覆不是以基體上的熔融金屬為熔劑加入合金元素，而是用另行配制的合金粉末被激光熔化，成為熔覆層的主體合金，同時基體金屬也有一薄層熔化與熔覆層結(jié)合。簡單來說：激光熔覆的合金粉末既包括熔質(zhì)，也包括熔劑，形成的融合層自成系統(tǒng)，與基體冶金結(jié)合。激光合金化是合金粉末與基體融化在一起，基體材料作為熔劑，形成的合金層。10、試敘述激光深穿透焊接與激光熱傳導(dǎo)焊接的主要異同答：熱導(dǎo)焊：激光功率密度較低（105-106W/cm2）,依靠熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。光能量只被材料表層吸收，不產(chǎn)生非線性效應(yīng)或小孔效應(yīng)。這種焊接模式熔深淺，深寬比較?。ê缚p深度小于2.5mm，焊縫的深寬比最大為3:1）。深熔焊：激光功率密度高（106-107W/cm2），工件迅速熔化乃至氣化形成小孔（即有小孔效應(yīng)）這種焊接模式熔深大（51mm）,深寬比也大（焊縫深寬比最大可達12:1）在機械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。11、激光切割主要有哪幾種類型，常用哪種激光切割方式？答：氣化切割，熔化切割和氧助熔化切割，氣化切割是激光束加熱工件至沸點以上的溫度，部分材料以蒸汽形式逸出，部分材料作為噴射物從切縫底部被吹走，所需激光功率密度一般為108W/cm2左右。適用于切割不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。熔化切割是激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，形成孔洞，同時依靠與光束同軸的輔助惰性氣體將孔洞周圍的熔化材料吹除、帶走、形成切縫。熔化切割所需的激光功率密度一般為107W/cm2左右，是氣化切割的1/10，適合金屬材料。熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源，稱為氧助熔化切割。所需的激光切割能量只有氣化切割的1/20。適用于金屬材料，應(yīng)用最廣的切割方法。氧助熔化切割所需的激光切割能量最小，因此最常用。12、從激光加工工藝上考慮，如何打一個高質(zhì)量的孔？激光打孔中，一般采用什么離焦量，為什么？答：采用較短的脈沖；選擇前后沿陡的波形打孔；基模進行打孔；一定的正離焦；多脈沖打孔、高峰值功率、材料的熱擴散系數(shù)低等。一定的正離焦，破壞機理主要是材料的蒸發(fā)，此時打出的孔比較深，孔的入口處直徑較小，孔的錐度較小，打孔效果好。焦點在工件內(nèi)部（負離焦）時，激光以會聚方式進入材料，孔壁不能（或很少能）直接接受光通量，因此，液相多氣相少，汽化時蒸氣壓力不太大，噴射力小，孔形錐度較大，打孔質(zhì)量有好有壞。過分的入焦和離焦使被加工點的能量密度大大下降，孔深大大減小13、激光在什么樣的等離子體中能夠傳輸？兩者必須滿足怎樣的頻率關(guān)系？激光焊接光致等離子體對焊接質(zhì)量有何影響？采用哪些方法可以對光致等離子體進行控制？高功率激光焊接時，會產(chǎn)生等離子體，這時會產(chǎn)生深寬比小的焊縫，這是為什么？答：激光只能在密度低于臨界密度的等離子體中傳輸。激光頻率必須高于等離子體頻率，否W2=e2+c2k2

p則激光將無法傳播。兩者頻率關(guān)系必須滿足色散關(guān)系激光深熔焊接過程中產(chǎn)生的等離子體云團對入射激光具有屏蔽作用，影響正常焊接過程，等離子體的吸收和散射作用影響了激光的傳輸效率，降低了到達工件上的激光能量；等離子體對激光的折射作用使激光束產(chǎn)生嚴重散焦，光斑變大，并且導(dǎo)致激光實際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，從而降低了焊接質(zhì)量。等離子體對激光的折射行為是引起等離子體屏蔽的主要原因?？刂品椒ǎ杭す馐鴶[動法、脈沖激光焊接法、外加電磁場控制法、吹輔助氣體法、低氣壓或真空焊接法等離子體對激光有強烈的吸收、散射和折射作用，從而屏蔽后繼激光，導(dǎo)致激光熔池中的激光能量減少，從而使焊接熔深減小，這就是所謂等離子體屏蔽效應(yīng)。14、簡述啁啾脈沖放大技術(shù)的基本原理答：由于直接放大fs脈沖時，其峰值功率很高會損壞激光晶體，因此先將fs脈沖展寬成ps脈沖，再進行放大，放大后再把脈寬壓縮回fs，此時激光功率增強百萬倍以上。15、 與常規(guī)脈沖激光加工相比，飛秒激光微加工有哪些優(yōu)點？耗能低，無熱熔區(qū)，“冷”加工；可加工的材料廣泛：從金屬到非金屬再到生物細胞組織；不會出現(xiàn)加工面的熔融、裂縫現(xiàn)象。高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限；非接觸，無飛濺無熔渣、無污染、不需特殊的氣體環(huán)境和無后續(xù)工藝。16、 脈沖burst功能的作用?脈沖切割。使振蕩輸出間斷地發(fā)生從而進行切割的方法。脈沖切割法，通過將投入材料的熱量降到最低限，能夠進行切割質(zhì)量以及尺寸精度良好的加工。進行脈沖切割法時，要設(shè)定脈沖頻率和脈沖占空比。所謂脈沖頻率，是指在1秒鐘內(nèi)使激光光束ON、OFF幾次，用Hz（赫茲）表示。所謂脈沖占空比，是指每1脈沖（1回輸出的ON和OFF）的激光光束震蕩時間的比率，用%（百分比）表示。17、（1）設(shè)半無限大不銹鋼厚板的表面半徑1.0毫米范圍內(nèi)，受到恒定的勻強圓形激光束的加熱。如果激光束總功率為5kW，吸收率為6%，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為0.26W/cm?9,試問材料表面光束中心的最高溫度是多少？（2）如果圓形激光束是TEM00模的高斯光束，它在不銹鋼厚板表面上的有效光束截面半徑是1.0毫米，材料表面光束中心得到的最高溫度有多高？它是勻強圓形激光束所得到的最高溫度的幾倍？

18、假設(shè)Nd:YAG激光照射在半無限大鐵板上，恒定的勻強圓形激光束直徑為1.0毫米，激光脈沖寬度為1毫秒。（1）若使表面溫度控制在鐵的沸點（3160K）以下，試問需要激光單個脈沖的能量是多大？（2）試求激光光軸處鐵的熔化深度。已知鐵的表面反射率為80%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.82W/cm?°C,密度為7.87g/cm3比熱為0.449J/g?°C,且均不隨溫度而變化。19、激光清洗的機理是什么？物體表面附著物與表面之間的結(jié)合主要是由于存在以下各種力:共價鍵、雙偶極子、毛細作用、氫鍵、吸附力和靜電力等。其中毛細力、吸附力和靜電力是最難破壞的，激光清洗技術(shù)就是要克服這幾種力。由于物體表面附著物的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激光與之作用的機理也各不相同，用于對此作解釋最常用的理論模型有以下幾種：1.光氣化，光分解。激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的聚光可以實現(xiàn)能量的高度集中，聚焦后的激光束在焦點附近可產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫，使物體表面附著物瞬間氣化或分解。2.光剝離。通過激光的作用使物體表面附著物受熱膨脹。當物體表面附著物的膨脹力大于其與基體之間的吸附力時，物體表面附著物便會從物體的表面脫離。3.光振動。利用較高頻率和功率的脈沖激光沖擊物體的表面,在物體表面產(chǎn)生超聲波,超聲波在沖擊中下層硬表面以后返回,與入射聲波發(fā)生干涉,從而產(chǎn)生高能共振波,使污垢發(fā)生微小爆裂,粉碎，脫離基體物質(zhì)表面。20、激光3D打印有什么方法？各自特點？適用材料？