單光束螺旋掃描齒輪激光淬火工藝應用

淬火是將鋼材加熱到臨(lin) 界溫度Ac₃以上溫度，使之奧氏體(ti) 化，然後以大於(yu) 臨(lin) 界冷卻速度的速度冷卻M_s到以下(或M_s附近等溫)進行馬氏體(ti) (或貝氏體(ti) )轉變的熱處理工藝。激光淬火又稱為(wei) 激光相變硬化,激光淬火是將傳(chuan) 統熱源改為(wei) 激光加熱。盡管目前激光表麵淬火技術的應用還不及傳(chuan) 統熱處理技術那樣廣泛和成熟，但由於(yu) 其具有的獨特優(you) 越性，正日益受到人們(men) 的重視。

一、激光淬火與(yu) 傳(chuan) 統齒輪熱處理工藝的比較

傳(chuan) 統齒輪熱處理工藝方法主要有火焰加熱表麵淬火、感應加熱表麵淬火和滲碳淬火；

1、火焰加熱表麵淬火是一種傳(chuan) 統的熱處理工藝，其原理是用火焰將鋼件表層加熱到奧氏體(ti) 轉變溫度後，隨即進行淬火冷卻，使奧氏體(ti) 轉變為(wei) 馬氏體(ti) ，從(cong) 而得到較高硬度且耐磨的鋼件。工藝簡單，操作靈活, 成本低。但淬火質量不穩定、效率低；淬火麵積大時，均勻性差；可控性差。

2.感應加熱表麵淬火是應用最廣的傳(chuan) 統表麵淬火方法，它利用電磁感應在鋼件表層所產(chan) 生的熱效應將鋼件表層加熱到臨(lin) 界溫度後，迅速冷卻，使奧氏體(ti) 轉變為(wei) 馬氏體(ti) ，從(cong) 而得到較高硬度且耐磨的鋼件。加熱速度較快，加熱時間較短，淬火質量比火焰加熱表麵淬火好，但一般需專(zhuan) 用頻率的電源，每種淬火工件均需特製的感應加熱器。

3、部分大載荷高速齒輪為(wei) 了使基體(ti) 具有強韌性能而齒麵耐磨，采用低碳鋼表麵滲碳後淬火、回火，或采用中碳鋼整體(ti) 調質處理後表麵滲氮等化學熱處理。此類工藝目前雖可滿足使用性能要求，但工藝流程長、能耗高、成本高，且造成環境汙染。此外, 滲碳處理的齒輪變形大，加大後期精加工工作量；滲氮處理的齒輪在使用中有剝落現象。

4、與(yu) 其他熱處理技術相比，激光淬火過程無須使用外加材料，通過快速加熱快速冷卻過程即能獲得晶粒極細的馬氏體(ti) ，位錯密度相對於(yu) 常規淬火更高，被處理工件形變極小，處理層和基體(ti) 結合強度高，具有較高的硬度和耐磨性。另外，可調整的硬化層深淺可達0.1-1.5mm，硬度相對於(yu) 傳(chuan) 統淬火可提髙5-10HRC。

激光淬火與(yu) 傳(chuan) 統表麵淬火方法的比較

二、單光束螺旋掃描齒輪激光淬火工藝

1、硬化層形成機理

激光淬火過程中存在熱傳(chuan) 導、熱對流和熱輻射過程。齒輪的激光淬火過程，加熱區可以分為(wei) 上、中、下三層，上層為(wei) 高溫表層，中層為(wei) 過渡層，下層為(wei) 冷基體(ti) 。顯然，冷卻從(cong) 下層向上層逐級進行，冷卻時表層的熱量通過下層基體(ti) 材料導出，其冷卻速度決(jue) 定了淬火後馬氏體(ti) 含量占基體(ti) 百分比。為(wei) 了得到理想的淬火硬度可以調整激光工藝，得到細晶粒馬氏體(ti) 組織。

2、單光束螺旋掃描

單光束螺旋掃描示意如下圖所示，加工時激光光斑照射在齒麵齒寬方向的一端並保持位置不變，齒輪安裝在主軸上作回轉運動，同時工作台帶動齒輪作軸向進給運動( 提供沿齒寬方向的激光淬火帶搭接寬度) ，最後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

a.齒輪偏置量

相鄰輪齒受到激光掃描時會(hui) 發生幹涉，必須使激光束與(yu) 齒輪的軸線保持一定的距離，即偏置量α。根據圖所示：

齒廓RSJQ中的RS段和SQ段因形成機理不同而應分別掃描，則可以得到兩(liang) 個(ge) 偏置量 a₁ 和 a₂。根據幾何知識和漸開線方程可以得到:

式中: r_b為(wei) 基圓半徑，r_a為(wei) 齒頂圓半徑，α為(wei) 分度圓壓力角，d_光為(wei) 光斑直徑。

b.激光掃描速度

激光掃描速度即工件與(yu) 激光束的相對運動速度。因為(wei) 齒廓的特殊結構，故掃描速度必然是變速的齒輪漸開線上任意一點K的速度:

式中: r_k漸開線上點的極徑，ω為(wei) 齒輪轉動角速度。

如圖隨著激光束從(cong) 齒頂到齒根移動，速度不斷減小，這就可能發生齒頂與(yu) 齒根溫差巨大的現象。故此，應該使掃描速度變化，使得齒頂齒根處的實際掃描速度基本保持恒定，通過編程對其掃描速度進行改變。

c.激光入射角

激光入射角是指激光束中心線與(yu) 其所照射到的齒輪齒麵的法線的夾角。在齒輪激光淬火過程中，激光入射角和掃描速度對齒麵能量有綜合性影響，兩(liang) 者如能相輔相成則有利於(yu) 獲得沿齒廓均勻分布的硬化層。入射角可以用下式計算，式中 β 為(wei) 激光入射角：

d.離焦，光斑尺寸，激光功率

離焦量決(jue) 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，試樣表麵單位麵積上所獲得的能量就相應降低，致使加熱溫度降低，從(cong) 而導致了表麵硬度降低。光斑尺寸決(jue) 定了激光單次掃描的範圍。激光功率的大小決(jue) 定了激光功率密度大小，離焦，光斑尺寸，激光功率三個(ge) 參數共同決(jue) 定了激光功率密度。

四、設備

1、激光器

實驗使用了創鑫激光MFMC-3000W多模激光器，MFMC-3000W多模激光器主要應用於(yu) 激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光釺焊、激光表麵熱處理等。