淬火是將鋼材加熱到臨界溫度以上溫度，使之奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻到以下(或附近等溫)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(chēng)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(zhuān)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(lèi)工藝目前雖可滿(mǎn)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(xiàn)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)偏置量和。根據(jù)幾何知識(shí)和漸開(kāi)線(xiàn)方程可以得到：
式中:為基圓半徑，為齒頂圓半徑，α為分度圓壓力角，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(xiàn)上任意一點(diǎn)K的速度：
式中:漸開(kāi)線(xiàn)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(xiàn)與其所照射到的齒輪齒面的法線(xiàn)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)。
