我国从20世纪80年代就开始齿轮激光热处理的研究，同时研制了多种激光热处理装备，现已成为一项实用并极有发展前景的高新技术。

作为一种新型的表面强化技术，齿轮激光热处理克服了传统热处理的缺点，获得了理想的硬度和硬化层分布，耐磨性大幅度提高，使用寿命延长，淬火畸变微小，齿轮精度等级不受影响，齿面不需要研磨，可以代替渗碳、渗氮等表面化学热处理和感应热处理等传统工艺，生产成本低，生产效率高，目前已经广泛应用于船舶、风能发电、冶金、矿山及工程车辆等多种行业各类齿轮的表面硬化处理，尤其适合大型和特种齿轮的热处理，最大直径达3m以上。

1.激光淬火技术

激光淬火是以高能量密度（10³~10⁸W/cm²）的激光束快速照射零件表面，使其硬化层部位瞬间吸收光能立即转化为热能，使激光作用区温度急剧上升达到材料的相变点以上，形成奥氏体，此时零件基体呈冷态，与加热区之间有极高的温度梯度，一旦停止激光照射，其加热区因急冷而发生直冷淬火，使金属表面的奥氏体转变成马氏体。而这种马氏体组织十分细小，具有比常规淬火更高的组织缺陷密度。由于冷速极快（10⁴~10⁹℃/s），碳原子来不及扩散，因此马氏体含碳量较高，残留奥氏体也获得较高的位错密度，使材料具有畸变强化效果，从而显著提高了零件表面的耐磨性。

同时，硬化层内残留有相当大的压应力，又显著增加了零件表面的疲劳强度。利用这些特点对齿轮表面实施激光淬火，可以显著提高材料的耐磨性能和抗疲劳性能。图1为齿轮的激光热处理。

（a）齿轮激光热处理形貌

（b）齿轮的激光热处理过程

图1 齿轮的激光热处理

齿轮激光淬火与传统热处理的对比如表1所示。

表1 齿轮激光淬火与传统热处理的对比

2.激光淬火工艺

（1）激光淬火工艺参数

激光淬火的硬化指标主要是硬化层深度、宽度和硬度。影响上述指标的基本工艺参数是：作用在工件表面上光斑尺寸d（mm），激光器输出功率N（W），扫描速度V（即工件移动速度，mm/min），其次还有材料对光的吸收率。此外，也有直接将功率密度P（W/cm²）作为控制工艺的参数。

激光硬化层深度（δ）∝激光功率P/扫描速度V，光斑尺寸d。因此，在制定激光淬火工艺参数时，首先应确定激光功率、光斑尺寸和扫描速度。

应用2kW连续CO₂气体激光器对40钢进行激光淬火，得到的硬化层深度与功率、光斑尺寸、扫描速度呈比例关系，其关系如下：

δ＝－0.1097＋3.02P/（dV）

式中 δ——硬化层深度（mm）；

P——加热功率密度（W/cm²）；

d——光斑直径（mm）；

V——扫描速度（mm/min）。

（2）齿轮激光淬火的扫描方式

主要有两种：一是周向连续扫描，即齿轮连续转动，激光束轴向移动，在齿面上形成螺旋形间隔硬化带，适合于中、小模数（5mm以下）齿轮；二是轴向分齿扫描，即激光沿齿轮做轴向往复运动，齿轮轮齿同一侧的扫描工作完成后，激光束移到另一选定位置，重复上述运动。适合于中、大模数齿轮。

（3）几种材料激光淬火工艺参数及效果如表2所示。

表2 几种材料激光淬火工艺参数及效果

3.齿轮激光热处理成套设备

（1）产品名称与型号

如武汉金石凯激光技术有限公司生产的GS-RC型系列齿轮激光热处理成套设备。

（2）齿轮激光热处理成套设备组成

主要由激光器、水冷机组和加工机床及光路系统组成。

作者：金荣植

来源：《金属加工（热加工）》杂志

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