单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺应用

淬火是将钢材加热到临界温度Ac₃以上温度，使之奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的速度冷却M_s到以下(或M_s附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。激光淬火又称为激光相变硬化,激光淬火是将传统热源改为激光加热。尽管目前激光表面淬火技术的应用还不及传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视。

一、激光淬火与传统齿轮热处理工艺的比较

传统齿轮热处理工艺方法主要有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火和渗碳淬火；

1、火焰加热表面淬火是一种传统的热处理工艺，其原理是用火焰将钢件表层加热到奥氏体转变温度后，随即进行淬火冷却，使奥氏体转变为马氏体，从而得到较高硬度且耐磨的钢件。工艺简单，操作灵活, 成本低。但淬火质量不稳定、效率低；淬火面积大时，均匀性差；可控性差。

2.感应加热表面淬火是应用最广的传统表面淬火方法，它利用电磁感应在钢件表层所产生的热效应将钢件表层加热到临界温度后，迅速冷却，使奥氏体转变为马氏体，从而得到较高硬度且耐磨的钢件。加热速度较快，加热时间较短，淬火质量比火焰加热表面淬火好，但一般需专用频率的电源，每种淬火工件均需特制的感应加热器。

3、部分大载荷高速齿轮为了使基体具有强韧性能而齿面耐磨，采用低碳钢表面渗碳后淬火、回火，或采用中碳钢整体调质处理后表面渗氮等化学热处理。此类工艺目前虽可满足使用性能要求，但工艺流程长、能耗高、成本高，且造成环境污染。此外, 渗碳处理的齿轮变形大，加大后期精加工工作量；渗氮处理的齿轮在使用中有剥落现象。

4、与其他热处理技术相比，激光淬火过程无须使用外加材料，通过快速加热快速冷却过程即能获得晶粒极细的马氏体，位错密度相对于常规淬火更高，被处理工件形变极小，处理层和基体结合强度高，具有较高的硬度和耐磨性。另外，可调整的硬化层深浅可达0.1-1.5mm，硬度相对于传统淬火可提髙5-10HRC。

激光淬火与传统表面淬火方法的比较

二、单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺

1、硬化层形成机理

激光淬火过程中存在热传导、热对流和热辐射过程。齿轮的激光淬火过程，加热区可以分为上、中、下三层，上层为高温表层，中层为过渡层，下层为冷基体。显然，冷却从下层向上层逐级进行，冷却时表层的热量通过下层基体材料导出，其冷却速度决定了淬火后马氏体含量占基体百分比。为了得到理想的淬火硬度可以调整激光工艺，得到细晶粒马氏体组织。

2、单光束螺旋扫描

单光束螺旋扫描示意如下图所示，加工时激光光斑照射在齿面齿宽方向的一端并保持位置不变，齿轮安装在主轴上作回转运动，同时工作台带动齿轮作轴向进给运动( 提供沿齿宽方向的激光淬火带搭接宽度) ，最后得到的扫描轨迹就是带有搭接的螺旋带。