淬火是將鋼材加熱到臨界溫度Ac₃以上溫度，使之奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻M_s到以下(或M_s附近等溫)進(jìn)行馬氏體(或貝氏體)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。激光淬火又稱為激光相變硬化,激光淬火是將傳統(tǒng)熱源改為激光加熱。盡管目前激光表面淬火技術(shù)的應(yīng)用還不及傳統(tǒng)熱處理技術(shù)那樣廣泛和成熟， 但由于其具有的獨(dú)特優(yōu)越性，正日益受到人們的重視。

一、激光淬火與傳統(tǒng)齒輪熱處理工藝的比較

傳統(tǒng)齒輪熱處理工藝方法主要有火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和滲碳淬火；

1、火焰加熱表面淬火是一種傳統(tǒng)的熱處理工藝，其原理是用火焰將鋼件表層加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度后，隨即進(jìn)行淬火冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而得到較高硬度且耐磨的鋼件。工藝簡(jiǎn)單，操作靈活, 成本低。但淬火質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低；淬火面積大時(shí)，均勻性差；可控性差。

2.感應(yīng)加熱表面淬火是應(yīng)用最廣的傳統(tǒng)表面淬火方法，它利用電磁感應(yīng)在鋼件表層所產(chǎn)生的熱效應(yīng)將鋼件表層加熱到臨界溫度后，迅速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而得到較高硬度且耐磨的鋼件。加熱速度較快，加熱時(shí)間較短，淬火質(zhì)量比火焰加熱表面淬火好，但一般需專用頻率的電源，每種淬火工件均需特制的感應(yīng)加熱器。

3、部分大載荷高速齒輪為了使基體具有強(qiáng)韌性能而齒面耐磨，采用低碳鋼表面滲碳后淬火、回火，或采用中碳鋼整體調(diào)質(zhì)處理后表面滲氮等化學(xué)熱處理。此類工藝目前雖可滿足使用性能要求，但工藝流程長(zhǎng)、能耗高、成本高，且造成環(huán)境污染。此外, 滲碳處理的齒輪變形大，加大后期精加工工作量；滲氮處理的齒輪在使用中有剝落現(xiàn)象。

4、與其他熱處理技術(shù)相比，激光淬火過(guò)程無(wú)須使用外加材料，通過(guò)快速加熱快速冷卻過(guò)程即能獲得晶粒極細(xì)的馬氏體，位錯(cuò)密度相對(duì)于常規(guī)淬火更高，被處理工件形變極小，處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高，具有較高的硬度和耐磨性。另外，可調(diào)整的硬化層深淺可達(dá)0.1-1.5mm，硬度相對(duì)于傳統(tǒng)淬火可提髙5-10HRC。

激光淬火與傳統(tǒng)表面淬火方法的比較

二、單光束螺旋掃描齒輪激光淬火工藝

1、硬化層形成機(jī)理

激光淬火過(guò)程中存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射過(guò)程。齒輪的激光淬火過(guò)程，加熱區(qū)可以分為上、中、下三層，上層為高溫表層，中層為過(guò)渡層，下層為冷基體。顯然，冷卻從下層向上層逐級(jí)進(jìn)行，冷卻時(shí)表層的熱量通過(guò)下層基體材料導(dǎo)出，其冷卻速度決定了淬火后馬氏體含量占基體百分比。為了得到理想的淬火硬度可以調(diào)整激光工藝，得到細(xì)晶粒馬氏體組織。

2、單光束螺旋掃描

單光束螺旋掃描示意如下圖所示，加工時(shí)激光光斑照射在齒面齒寬方向的一端并保持位置不變，齒輪安裝在主軸上作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)工作臺(tái)帶動(dòng)齒輪作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)( 提供沿齒寬方向的激光淬火帶搭接寬度) ，最后得到的掃描軌跡就是帶有搭接的螺旋帶。

單光束螺旋掃描齒輪激光淬火示意圖

三、工藝參數(shù)

a.齒輪偏置量

相鄰輪齒受到激光掃描時(shí)會(huì)發(fā)生干涉，必須使激光束與齒輪的軸線保持一定的距離，即偏置量α。根據(jù)圖所示：

齒廓RSJQ中的RS段和SQ段因形成機(jī)理不同而應(yīng)分別掃描，則可以得到兩個(gè)偏置量 a₁ 和 a₂。根據(jù)幾何知識(shí)和漸開(kāi)線方程可以得到:

式中: r_b為基圓半徑，r_a為齒頂圓半徑，α為分度圓壓力角，d_光為光斑直徑。

b.激光掃描速度

激光掃描速度即工件與激光束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。因?yàn)辇X廓的特殊結(jié)構(gòu)，故掃描速度必然是變速的齒輪漸開(kāi)線上任意一點(diǎn)K的速度:

式中: r_k 漸開(kāi)線上點(diǎn)的極徑，ω為齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

如圖隨著激光束從齒頂?shù)烬X根移動(dòng)，速度不斷減小，這就可能發(fā)生齒頂與齒根溫差巨大的現(xiàn)象。故此，應(yīng)該使掃描速度變化，使得齒頂齒根處的實(shí)際掃描速度基本保持恒定，通過(guò)編程對(duì)其掃描速度進(jìn)行改變。

c.激光入射角

激光入射角是指激光束中心線與其所照射到的齒輪齒面的法線的夾角。在齒輪激光淬火過(guò)程中，激光入射角和掃描速度對(duì)齒面能量有綜合性影響，兩者如能相輔相成則有利于獲得沿齒廓均勻分布的硬化層。入射角可以用下式計(jì)算，式中 β 為激光入射角：

d.離焦，光斑尺寸，激光功率

離焦量決定了激光功率密度，離焦量越大，光斑的尺寸越大，功率密度越小，試樣表面單位面積上所獲得的能量就相應(yīng)降低，致使加熱溫度降低，從而導(dǎo)致了表面硬度降低。光斑尺寸決定了激光單次掃描的范圍。激光功率的大小決定了激光功率密度大小，離焦，光斑尺寸，激光功率三個(gè)參數(shù)共同決定了激光功率密度。

四、設(shè)備

1、激光器

實(shí)驗(yàn)使用了創(chuàng)鑫激光MFMC-3000W多模激光器，MFMC-3000W多模激光器主要應(yīng)用于激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光釬焊、激光表面熱處理等。

2、淬火頭（積分鏡）

功率：最高6KW

適用波長(zhǎng)：900-1100nm

焦距：300

準(zhǔn)直：100

積分鏡光斑：20*2

光纖接口：QBH

3、工作臺(tái)

三軸數(shù)控工作臺(tái)加旋轉(zhuǎn)變位機(jī)

4、樣品

五、總結(jié)分析

1、齒輪激光淬火工藝過(guò)程復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制各個(gè)參數(shù)保證淬火過(guò)程穩(wěn)定。

2、采用單光束螺旋掃描工藝方法，均可獲得沿齒廓均勻分布的硬化層。齒面激光淬火時(shí)，必須注意搭接區(qū)位置及層深，否則硬化層容易剝落，影響使用壽命。

3、輔助冷卻技術(shù)對(duì)于小尺寸齒輪，基體與激光熱處理部位的溫度梯度可能不到基體自淬火要求。因此應(yīng)增加輔助冷卻措施，加速輪齒冷卻速度，使其迅速達(dá)到臨界值。同時(shí)，輔助冷卻也能減弱二次回火現(xiàn)象，確保獲得良好的硬化效果，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)。