用激光淬火齿面技术不仅能提高生产率，降低成本，而且对于某些材料的齿轮完全能代替渗碳淬火工艺。
1国内外研究现状齿轮是机械制造行业中应用广泛的零件。为了提高齿轮的承载能力，需对齿轮进行表面硬化处理。而传统的齿轮硬化处理工艺，如渗碳、氮化等表面化学处理和感应表面淬火、火焰表面淬火等存在两个主要问题：即热处理后变形较大和不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层，从而影响齿轮的使用寿命。
激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化。采用激光淬火齿面，其加热冷却速度很高，工艺周期短，不需要外部淬火介质。具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工，且被处理齿轮尺寸不受热处理设备尺寸的限制等独特优点。
早在1980年，美国军事技术研究实验处的应用技术实验室就对齿轮的激光硬化调查结果作过一个广播节目报道，并由芝加哥伊利诺理工学院研究所承担了齿轮的激光硬化研究项目。该所的Altegott同贝尔飞机制造公司的Patel合作发表了一篇题为《直齿圆柱齿轮激光表面硬化MM T》的论文，公布了实验结果：对激光表面硬化处理后和经渗碳处理后的AMS（美国航空材料规范）6265正齿轮的抗胶合寿命与齿的弯曲强度的比较表明，激光硬化代替渗碳处理在航空器件中的AMS6265齿轮能得到显著的经济效果，有效硬化深度为0 .66～0 .86 mm ，单件成本降低了。八十年代末，美国加州机电研究所的James F Lewis用5 kW激光器对大型花键轴进行激光淬火，在扫描速度4 .32～7 .62 mm/s，光斑直径6 .35～7 .62 mm的条件下，获得淬火硬美国军方研究所用激光淬火潜水艇、飞机等重载大齿轮，解决常规热处理引起齿轮变形过大及噪音问题。激光淬火的齿轮包括AH 64直升机辅助动力装置的行星齿轮及飞机主传动装置的传动齿轮。由于激光硬化后不需要研磨，故可大大降低生产成本，提高生产率相对而言，国内在这方面的研究起步较晚，远未达到能够工业化应用的程度，究其原因主要有以下几点：①由于历史原因，我国激光器及零部件生产水平较低，激光器是一种集光、机、电等多种学科和技术于一体的高科技产品。在我国现有的工业水平上，元器件的生产不过关，导致激光器光学模式不好，稳定性和可靠性不高，不能满足工厂条件下长期稳定地工作，而进口激光器又价格昂贵②由于激光加工涉及到多种学科，国内缺乏一批高水平的技术力量对激光加工工艺进行综合研究，并且对激光设备二次开发的研究也得不到深入，工业界难以看到激光加工的优越性③激光加工设备的费用一次性投入较大，多数单位对其带来的经济效益认识不足，致使在使用时较为谨慎④国内多数企业对传统热处理工艺带来的工业污染和环境保护不够重视，而对激光淬火这门清洁工艺的优越性认识不足。目前，国内从事这方面研究的有长春光学精密机械学院、天津纺织工学院和上海海运学院等单位，分别就齿轮激光、淬火的激光扫描方式、机理及工艺参数优化等技术进行了研究，并取得了一定的成果。这些单位所开展的齿轮激光淬火研究工作所采用的齿轮模数一般较大（m　=5），且由于实际生产中所采用的激光导光系统和预处理涂层等的不同导致在实验室里得出的工艺参数很难直接在实际批量生产中应用，即加工工艺参数的可移植性丧失。因而研究成果在实用性方面还有不小的差距2齿轮激光淬火工艺2.1表面预处理涂层与方法为了提高金属表面对激光的吸收率，在激光热处理前要对材料表面进行表面处理（常称黑化处理），即在需要激光处理的金属表面涂上一层对激光有较高吸收能力的涂料。表面预处理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷（刷）涂料法、镀膜法等多种方法，其中较为常用的是磷化法和喷（刷）涂料法。对于磷化法，主要研究磷化溶液成分和温度等参数的不同所形成的磷化膜对激光吸收率的不同情况，而喷（刷）涂料法主要是研究具有特定配方的涂料。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸锰、磷酸锌、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和无光漆作为预处理涂料的。象上海光机所研制的黑化溶液（86 1型）处理方法简单，可直接喷刷在表面，激光吸收率达90 以上。
而北京朝阳五通激光技术有限公司研制的新型金属化合物涂料对波长为10 .6μm的激光有明显的吸收作用，能以较小的功率进行激光热处理。
对于有些低碳钢材料，在其表面用炭黑粉末处理，在进行激光淬火时可起渗碳作用。
2.2激光扫描方式2.2.1周向连续螺旋扫描周向连续螺旋扫描方法是采用光束垂直于齿轮轴线，齿轮连续转动，激光束（或齿轮）轴向移动，在齿面上形成螺旋状间隔硬化带，如图1.周向扫描时各点入射光线不平行，亦即与齿轮对称轴夹角处处不等。在扫描齿面时，激光束将受到相邻齿轮的干涉。因此，正确选择激光束的起始位置十分重要，它对于入射角和扫描速度的大小及变化情况有重大的影响。激光束的入射角和扫描速度一般由式（1）和式（2）表达为式中r―――齿轮基圆半径―――轮齿齿廓上各点对应的半径e―――偏心距，取决于激光束的起始位置ω―――齿轮回转速度―――齿轮压力角由上式可知，激光束从基圆到顶圆入射角由大变小，扫描速度也是由大变小。而齿轮激光淬火的硬化层深与激光功率、光斑尺寸、扫描速度及入射角有关。其关系可用式（3）表示为对于连续扫描方式，由于D、v、θ在扫描过程中是变化的，其综合影响硬化层深，结果是齿顶部分层深大于齿根部分层深。因此在同一激光参数条件下，可能导致齿面已淬硬，表面无微熔，而齿顶却发生了较严重的熔融现象。综上所述，采用周向连续激光扫描淬火齿轮时，由于激光参数从齿根到齿顶变化呈迭加影响作用，因而不适合于大模数齿轮，一般适合于中小模数齿轮。
40江苏理工大学学报（自然科学版）2000年3月2.2.2轴向分齿扫描齿轮激光淬火轴向分齿扫描是利用宽带激光束对齿轮进行激光淬火的扫描方法。宽带激光束扫描常采用多束光组成一宽带，激光束沿齿轮轴向移动扫描，一次可扫描1（或2）个齿面。利用分齿运动转动1个齿距后激光束再扫描另外1个齿面，这样逐个进行扫描直至扫完整个齿轮的所有齿面。例如美国芝加哥IIT研究所对直升飞机齿轮采用4束光叠加进行扫描淬火，获得理想的效果。采用多束光叠加会导致光路系统的复杂，因此国内的研究大多采用单束宽带激光对齿面进行扫描，1次或2次扫描1个齿面，逐一分齿，当齿轮转动1圈后，完成整个齿轮同一侧齿面的淬火工作。然后移动激光束（或齿轮）位置，用同样方法完成齿轮的另一侧齿面的淬火过程，如图2.由于激光器功率和光斑形状的限制，在进行大模数齿轮激光淬火时，齿面往往要经2次（或2次以上）扫描，这样就存在扫描带的搭接。见图3 ，从理论上分析，采用2次（或2次以上）搭接扫描，在搭接区靠近第一次扫描的位置附近将出现回火区，使其表面硬度降低。齿面工作时，点蚀最易发生的位置为节线及节线以下区域，应尽可能避免该区域处于回火区。因此，在处理时，一般采取用激光束先扫描节线以上，后扫描节线以下的工艺，以提高齿面的接触强度。
3齿轮激光淬火的齿面硬度齿轮工作时，齿根为齿轮啮合时产生最大弯曲应力的部位，极易产生疲劳裂纹，从而导致疲劳断裂。齿面（渐开线部分）是产生表面接触疲劳强度的部位。硬化时需要沿齿形淬硬至一定深度。理想的齿面硬化层为沿齿形均匀分布，同时由于心部硬度比表面低，所以硬化层呈压缩状态，因而有利于提高齿轮的使用寿命。采用激光淬火齿轮，能获得沿齿面均匀分布的硬化层形状的较高的齿面硬度。图4为30CrMoTi齿轮分别经高频淬火和激光淬火处理后硬化层的深度和硬度比较，从图中可明显看出两者硬度上的差异，在硬化层深度离表面的距离X相同的情况下激光淬火的硬度高于高频淬火的硬度，且存在一个明显的硬度下降，而高频淬火区的硬度整体上呈现缓慢下降的趋势。图5比较了渗碳钢渗碳和含碳量较高的碳钢激光束处理后硬化层的深度和硬度。图6为低碳钢激光淬火与常规淬火的硬度的比较。从中可以看出激光淬火的硬度要比常规淬火提高15 ～20 ，即使低碳钢也能提高一定的硬度。
4激光淬火齿轮的疲劳寿命美国IIT研究所进行了用激光淬火8650H（C C含0 .52 的9钢齿轮的试验研究。试件用激光器进行热处理，激光束经过一系列平面镜由激光器传至工作位置。试验的目的是确定激光产生的表面硬化层抗点蚀疲劳能力的大小，并与普通渗碳处理进行比较。在模拟引起齿轮点蚀疲劳的工作条件下，将这些试件在齿轮传动的滚压试验机上进行试验。装有试样的轴以2 800 r/min的转速转动，载荷范围为1 806～2 620 M Pa.试验一直继续到点蚀发生为止。点蚀失效的定义是：在试样表面产生一个或多个直在4台机器上完成，疲劳曲线如图7所示，并与渗碳至0 .52 的9钢的点蚀疲劳寿命相比较。
结果表明，硬化层深度相近时，其接触疲劳寿命与表面硬度也相近（普通渗碳9钢HRC59 ，淬火组织属于回火马氏体，没有可分辨的转变产物或奥氏体。所以耐磨性无区别，抗点蚀疲劳能力接近，故完全可以用激光淬火代替局部渗碳处理齿轮等重载零件5齿轮激光淬火的成本采用某项技术以后能否带来经济效益，这是所有企业首先考虑的问题。伊利诺理工学院研究所对直升机上使用的4种基本齿轮进行激光硬化和渗碳处理的费用作了专门的研究，结果。
渗碳处理费用的获得是通过计算整个渗碳所需的工时，包括对每一零件的预处理和渗碳过程，然后根据当年贝尔飞机制造公司的综合生产效益转换成美元，在伊利诺理工学院研究所也获得了用激光硬化相同的4个齿轮所需的费用，这些费用的估计是基于当年研究所的生产率得到的。从中可以看出，采用齿轮激光淬火技术，能降低齿轮表面硬化所需费用，带来明显的经济效益。
齿轮形状渗碳处理激光硬化加工费用单件成本加工费用单件成本激光硬化每件所减少成本6结论（1）从激光淬火齿面硬度、硬化层深度以及抗点蚀疲劳强度等性能指标看，激光淬火完全可以取代常规的齿轮渗碳工艺。
（2）激光淬火工艺采用了常用普通中碳钢代替昂贵的合金渗碳钢，从而有效地降低了生产成本，产生了良好的经济效益。
（3）激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题，这不仅省去了后面的磨齿工艺，而且提高了成品率，从而进一步降低了成本。
（4）为了使此项技术能在工业中得到广泛应用，在研制性能可靠的工业用大功率激光器的同时，必须进行齿轮激光表面处理专家系统的研制和开发，激光处理实现工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控，以及热处理后表面组织结构和性能的计算机预测，做42江苏理工大学学报（自然科学版）2000年3月到齿轮激光淬火过程的易操作性，实现复杂形状和人工智能化的表面处理。