CN103215411B - 一种激光淬火方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光淬火方法及其装置。本发明方法利用扫描振镜的快速跳转将现有激光淬火工艺中单次加热改变为多次甚至高频次重复扫描加热，激光能量输入导致的热传导过程是短加热时间、多次叠加方式注入到工件表面，它使得金属基体吸收的激光能量累积增加，热传导深度也累积增大。装置包括激光器、控制系统、导光系统、机械运动装置和扫描振镜。即使当工艺参数选用较高的激光功率时，由于扫描速度高并有扫描间歇存在，使金属的表面温度始终控制在熔点以下，使得热量能够有效地、不断地从工件表面扩展到工件内部，从而在避免金属表面熔化的前提下，提高工件表面的奥氏体化区域的深度，并显著提高激光淬火效率。

Description

一种激光淬火方法及装置

技术领域

本发明属于激光表面强化处理技术，涉及一种基于扫描振镜的重复扫描激光淬火方法及装置，本发明特别适用于大尺寸金属工件的激光表面淬火处理。

背景技术

激光淬火技术，又称激光热处理或者激光相变硬化工艺，是采用激光束辐照金属工件，使其表层温度高于奥氏体化温度T_a。激光束移去后，基体材料由于未直接受热，因此仍然处于常温状态，其快速的热传导作用使激光加热区域的冷却速度大于淬火的临界冷却速度，并使激光作用过的区域温度迅速降到马氏体相变温度以下，从而在工件表面形成马氏体组织的硬化层。由于激光淬火冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，因此该工艺属于自冷淬火工艺过程。

一般而言，激光淬火工艺分为两类，一类是激光作用下，金属表面不发生熔化、只发生固态相变的淬火工艺过程，又称为激光相变硬化工艺，或激光热处理工艺，其基本特点是确保激光辐照过程中金属表面的最高温度低于熔点温度T_m，因此激光淬火的工艺参数(包括激光功率、光斑尺寸、扫描速度等)必须选择得当；另一类是激光作用下表面发生熔化的淬火过程，称为激光熔凝淬火工艺，此时金属表面的温度可以超过其熔点。由于激光熔凝淬火工艺使得工件表面发生熔化，因此可以使用更高的激光功率，更慢的扫描速度，硬化层深度也比单纯的激光淬火工艺要深。但是，激光熔凝淬火工艺将严重改变金属材料的表面粗糙度，因此在一些精度要求高、不允许后续机加工的状态下，该工艺的使用将受到限制。有时候，由于工艺参数选择不当，或者工艺参数存在波动，激光淬火时金属工件表面会发生局部微熔，只需要稍微抛光或者打磨就可以去掉微熔层，因此一般仍然将其归结为激光淬火工艺。如果没有特殊说明，本发明中后文所述的激光淬火都是指金属材料基本不发生熔化或者只发生局部微熔的固态相变硬化工艺。

激光淬火硬化层深度不仅与所采用的激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺参数有关，而且和金属的热传导特性、淬透性等参数有关。对于特定的金属材料而言，其奥氏体化温度T_a和熔点温度T_m基本稳定，只是随着整体成分均匀性和显微组织的波动而有所变化。一般而言，激光淬火时金属工件中由于激光工艺参数和热传导过程决定的高于奥氏体化温度T_a的传导深度就对应着激光淬火硬化层的深度。

激光淬火硬化层深度不仅与所采用的激光淬火工艺参数有关，还和金属基体的热传导过程特别是材料的热传导系数密切相关，由激光淬火工艺参数和基体的热传导特性共同决定。

实际激光淬火加工时，激光输出的方式包括连续输出扫描淬火或者脉冲输出扫描淬火两种方式。现有的激光扫描淬火工艺不管是连续激光淬火还是脉冲激光淬火，其传热过程可以用点状连续固定热源的热传导方程进行分析，其热传导温度方程为：

$T(R,t)=\frac{p}{2\mathrm{\π\λR}}[1-\mathrm{\φ}\left(\frac{R}{\sqrt{4\mathrm{at}}}\right)]$      式(1)

式(1)中，R—某点距点热源的距离；T(R,t)—工件表面距离激光点热源距离为R处的温度；p—热源的有效功率；t—金属中的热传导时间；λ—金属的导热系数；a—金属的热扩散系数；φ(u)—或然率积分函数。

当t＝∞时，可以认为是热源作用时间无限长，则φ(u)＝0，故距离激光点热源R处的极限温度T_sp为，

$T_{\mathrm{sp}}=\frac{p}{2\mathrm{\π\λR}}$     式(2)

或 $R=\frac{p}{2\mathrm{\π\λ}{T}_{\mathrm{sp}}}$      式(3)

式中T_sp与激光输入能量成正比，与距点热源的距离R的大小成反比。对于激光淬火工艺而言，T_sp显然不能够超过金属材料的熔点。由于形成激光硬化层的必要条件是该区域的温度超过奥氏体化温度，T_sp>T_a，因此激光淬火获得马氏体的前提条件是激光加热区域的温度T_sp的温度区间为：T_m>T_sp>T_a。

根据热传导方程式(1)和极限饱和状态的热传导方程式(2)或(3)，可以导出如下的结论：

①激光加热时间越长，或者所注入能量密度越高，或金属材料对激光束的吸收率越高，或金属材料的热扩散系数越大，则金属内部温度T(R,t)越高，能够达到奥氏体化温度的表面区间越深，相应的激光淬火硬化层深度(R)越大；

②当所需要淬火的材料确定后，激光硬化层深度R与激光功率(p)大小、光斑尺寸、功率密度及作用时间长短密切相关。

现有的激光淬火工艺都是采用聚焦光斑扫描淬火的工艺方式。激光光斑形状通常有两种：第一种是圆形光斑，第二种是经过光学整形的矩形光斑。由于激光淬火时不允许材料表面熔化，因此不能够采用过高的激光功率或激光功率密度、过长的作用时间。故此，根据以上三个公式，现有激光淬火工艺的硬化层深度是非常有限的。

近年来，选区激光淬火工艺得到越来越广泛的应用。与一般的激光淬火工艺要求对金属工件的整个表面进行硬化处理不同，选区激光淬火工艺是根据工件性能要求，采用激光束对材料表面局部进行选择性硬化处理，即硬化区域不是覆盖整个硬化层，而是形成软、硬相间的复合硬化层，或者硬化阵列。这种方式能使金属材料表面兼有良好的耐磨性和强韧性。当前，实现选区激光淬火硬化工艺的方法很多，如采用多轴联动控制激光束或者工件的运动方式逐步扫描完成，或者采用脉冲激光输出与控制机床运动轨迹相结合的方式来实现。其中，脉冲激光淬火方式可以利用开关电源的关断作用直接输出脉冲激光，也可以利用斩光盘将连续激光束改变为脉冲方式，后一种方式对激光淬火机床的控制系统精度要求较高。此外，选区激光淬火强化还可以采用连续激光通过掩模进行扫描，此时只有透过激光的部位能使金属工件受热淬火，而被掩模遮挡住的部位则无淬火效应，其特点是工艺简单，不需要复杂的控制系统和编程过程，但是加工效率相对较低。必须指出，无论哪一种方式，现有激光淬火方式都是采用激光束单次扫描淬火方式进行的。

由于激光淬火工艺方法要求工件表面基本不发生熔化，而机床的运动速度一般较低，因此采用现有的激光束单次扫描加热方式，无论是激光连续加热淬火还是脉冲激光加热淬火方式，所使用的激光功率和功率密度都不能太高，激光淬火速度也必须控制在较低的范围内。加上金属材料热传导特性和淬透性的限制，因此激光淬火硬化层深度相对较浅(一般低于1mm)，激光淬火生产效率无法有效提高。

随着激光器件水平的不断发展，固体激光器(含光纤激光器)和气体激光器的功率都已经达到较高的水准(例如光纤激光器最高达到40kW，气体激光器达到20kW)，这些高功率激光只能够用于焊接、切割、熔覆、合金化、熔凝等材料处于熔化状态的激光加工工艺中。对于激光淬火工艺而言，为避免工件在激光淬火过程中发生熔化，实际采用的激光功率和扫描速度都限制在较低的水平。例如，典型的激光淬火功率一般为1～3kw，扫描速度一般为300～2000mm/min。其结果是，现有激光淬火工艺的淬火硬化层深偏低、生产效率偏低，在许多工业应用场合难以满足高效激光加工生产的需求，阻碍了激光淬火技术的进一步应用。

因此，能否开发出新型的激光表面淬火技术与方法，大幅度提高激光淬火速度和生产效率，成为该技术能否进一步扩大工业应用的关键技术难题之一。

发明内容

为了解决现有激光淬火技术生产效率较低和硬化层深度较浅的难题，本发明提供了一种基于扫描振镜的重复扫描激光淬火方法，该方法可以在保证硬化层深度的前提下，大幅度提高激光淬火的生产效率；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明提供的一种激光淬火方法，该方法将高功率密度激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，使工件表面的激光淬火区域高于工件材料的奥氏体化温度，但始终低于其工件材料的熔点，并利用激光多次重复加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需硬化层深度；所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域；一个所述加工单元对应一个激光加工图形，激光加工图形是点、线、面图形，或者其任意形状的弧线、线段、圆形、矩形、方形或三角形；淬火单元由一个加工单元或者多个加工单元组合构成，淬火单元所构成的图形是所述加工单元对应的激光加工图形组成的复杂组合图形或者其它任意图形，它们之间是离散的、连续的或者交错的。

作为上述技术方法的改进，该方法通过控制激光淬火工艺参数完成激光淬火，激光淬火工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸、扫描周期和扫描次数等，其中，扫描周期是指设定的激光束对一个加工单元的一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；扫描次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度进行重复扫描的次数。

作为上述技术方法的进一步改进，当需要淬火单元连续填充才能覆盖整个待淬火区域时，所述激光淬火工艺参数还包括相对移动速度，它是指光束从一个淬火单元向另一个淬火单元移动的速度。所述激光淬火方法包括重复扫描激光淬火方法和重复扫描式飞行激光淬火方法。

作为上述技术方法的更进一步改进，其特征在于，该方法包括下述具体步骤：

(1)设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元在工件上的序号为j，淬火周期为T，一个淬火单元内所需的扫描次数为Q，实际扫描次数的参量为q；

淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积；淬火单元是指在一个淬火周期T内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合；

令j＝1，q＝1；并且在整个激光淬火过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(2)经过扫描振镜后的激光束辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录该时间点为t₀；所述激光束对淬火单元中的每一个加工单元进行一次扫描，完成后进入(3)；

(3)判断q是否等于设定的扫描次数Q，如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即第j个淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(4)；如果否，令q＝q+1，设当前时间为t，扫描周期T_b，当t-t₀＝T_b时，转入步骤(2)；

(4)判断j是否等于N。如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；如果否，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

作为上述技术方法的以一更进一步改进，设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元的序号为j，设淬火单元所需的扫描次数为Q，淬火周期为T，实际扫描次数的参量为q；设定工件与机械运动机构(包括振镜)之间的相对移动速度为v，振镜输出激光束的补偿运动速度为-v；其中，淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积，淬火单元是指在一个淬火周期T内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合；

(1)令j＝1，q＝1；

(2)激光束经过扫描振镜后辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录此开始时间点为t₀；所述激光束按照设计的加工单元和设定的扫描速度对第j个淬火单元内的各加工单元进行单次扫描的同时，还以速度-v进行飞行反向补偿运动，完成后进入(3)；在激光扫描过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(3)判断q是否等于设定的扫描次数Q，如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即该淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(4)；如果否，令q＝q+1，设当前时间为t，设定扫描周期为T_b，当t-t₀＝T_b时，转入步骤(2)；

对淬火单元进行一次扫描的时间正好等于一个扫描周期T_b，则激光束立即从最后一个加工单元跳转到第一个加工单元，跳转距离等于公式Ⅳ在T_b时刻计算的飞行补偿跳转距离，并开始对淬火单元进行下一次重复扫描飞行激光淬火，如果还没有到达一个扫描周期T_b，则需要等待，当满足t-t₀＝T_b时才开始下一次重复扫描式飞行激光淬火过程；

(4)判断j是否等于N，如果是，则所有淬火单元均淬火完毕，即所有淬火单元均发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化层，并达到所设计的硬化层深度；然后进入步骤(5)，否则，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

作为上述技术方法的另一更进一步改进，当激光功率为300-30000W时，光斑尺寸为0.5-60mm，扫描速度为100-10000mm/s，加工单元尺寸为0.2-60000mm²，扫描次数为2-10000，激光加热时间t₁为1-10000ms，加工间隙时间t₂为1-10000ms，淬火周期T为2-200000ms。

当激光功率为1000-20000时，光斑尺寸为1-30mm，扫描速度为300-8000mm/s，加工单元尺寸为1-30000mm²，扫描次数为2-5000，激光加热时间t₁为1-1000ms，加工间隙时间t₂为1-1000ms，淬火周期T为2-20000ms。

当激光功率为1500-15000W时，光斑尺寸为2-15mm，扫描速度为300-7000mm/s，加工单元尺寸为10-15000mm²，扫描次数为2-3000，激光加热时间t₁为1-500ms，加工间隙时间t₂为1-500ms，淬火周期T为2-10000ms。

当激光功率为2000-10000W时，光斑尺寸为3-10mm，扫描速度为300-5000mm/s，加工单元尺寸为15-10000mm²，扫描次数为2-1000，激光加热时间t₁为1-300ms，加工间隙时间t₂为1-300ms，淬火周期T为2-6000ms。

本发明提供的一种实现上述激光淬火方法的装置，该装置包括激光器、控制系统、导光系统、机械运动装置和扫描振镜；

激光器通过导光系统与扫描振镜实现光路连接；控制系统与激光器、机械运动装置和扫描振镜为电信号连接，控制其工作，机械运动装置带动扫描振镜或者工件随之运动。

所述扫描振镜采用前置聚焦扫描振镜形式或后置f-θ型聚焦扫描振镜。所述激光器是光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器、碟片式激光器或者CO₂激光器。

本发明方法利用扫描振镜的高加速度、高扫描速度和高跳转速度的特点，将现有激光淬火工艺中单次加热改变为多次甚至高频次重复扫描加热，激光能量以短时间加热、多次叠加的方式注入到工件表面，使得金属基体吸收的激光能量累积增加，其特点是：一方面可防止工件表面因为过热而熔化，另一方面持续的表面高温使得热传导深度大幅度增加。因此，即使选用较高的激光功率时，由于高的扫描速度、短的加热时间以及扫描间歇时间的存在，使金属的表面温度始终控制在熔点以下，同时确保激光输入的能量能够以热传导方式不断有效地从工件表面传导到工件内部，从而在避免金属表面熔化的前提下，提高工件表面奥氏体化区域的深度，并显著提高激光淬火生产效率。具体而言，本发明的主要技术特点在于：

(1)将现有的单次激光扫描加热淬火工艺转变为多次重复扫描加热激光淬火工艺，通过选择合适的激光淬火工艺参数(包括激光功率、扫描速度、光斑尺寸、扫描周期和扫描次数等)，使得实际注入和热积累的激光总能量所导致的工件表面最高温度低于金属材料的熔点温度，避免金属表面因为短时间内吸收过多的能量而发生明显熔化现象。

(2)由于扫描振镜可以实现高扫描速度、高跳转速率和高加速度，使得本发明方法可以在保证金属工件表面不熔化的前提下，采用高功率激光束对金属材料表面进行高速扫描加热成为可能，从而可以显著提高激光淬火生产效率。

(3)本发明方法可以充分利用一个加工单元的间歇时间对其它加工单元进行激光淬火，并因此显著提高激光淬火效率。

(4)本发明基于扫描振镜的多次重复扫描激光淬火工艺，其光斑尺寸不必限定为最小聚焦光斑，而是根据工件的实际要求，可以在较宽的范围内调整，这样也有利于提高激光淬火效率和硬化层深度。

(5)在采用飞行淬火技术时，可以避免机械运动装置频繁启停造成的运动滞后，可以有效提高激光淬火效率。

(6)相比于现有技术，本发明方法在相同激光功率的条件下，可以显著提高激光淬火的深度；或者采用更高的激光功率，在相同的淬火时间内和相同的硬化层深度条件下，显著提高激光淬火效率。因此，本发明能够突破现有激光淬火工艺(单次激光扫描淬火工艺)条件下激光功率、扫描速度和激光功率密度的限制，解决现有激光淬火的硬化层深度有限、生产效率偏低等技术问题。

综上所述，本发明提供的重复扫描激光淬火方法，利用扫描振镜的高加速度、高扫描速度和高跳转速度特点，将现有单次激光扫描加热方式改变成多次的激光扫描加热方式，改变了现有激光淬火工艺的热传导过程，避免了因为采用高功率密度激光淬火时容易导致金属材料表面发生熔化、硬化层深度浅等现象，可以显著提高激光淬火的深度和效率，有效地解决现有激光淬火工艺生产效率低的技术难题，具有重要的实用价值和工程价值。

附图说明

图1为F-θ型后聚焦方式的扫描振镜的结构示意图。

图2为前置聚焦镜形式的扫描振镜的结构示意图。

图3为本发明激光扫描周期定义示意图。

图4为本发明基于扫描振镜的激光淬火装置原理示意图。

图5为实例1的激光淬火时金属表面的温度变化曲线原理示意图。

图6为实例2的激光淬火时金属表面的温度变化曲线原理示意图。

图7为实例3的激光淬火时金属表面的温度变化曲线原理示意图。

图8为实例3大型模具重复扫描激光淬火工艺应用原理示意图。

图9为实例4的单次扫描连续激光淬火与重复扫描脉冲激光淬火时金属表面的温度变化曲线原理示意图。

图10为实例4大型轴承座圈重复扫描激光淬火工艺应用原理示意图。

图11为实例6机床导轨重复扫描式飞行激光淬火工艺应用原理示意图。

图12为实例8重复扫描激光淬火中扫描次数与激光功率的关系曲线原理示意图。

图13为实例8重复扫描激光淬火中扫描次数与硬化层深度的关系曲线原理示意图。

具体实施方式

本发明方法是利用扫描振镜的高速、高精度调控功能，使激光束对工件表面的加热方式由现有的激光束单次扫描过程转变为间歇式重复扫描过程，通过控制激光重复扫描对加工单元的加热时间、间歇时间和扫描次数，增加注入的激光总能量并使工件表面快速升温，但是温度始终控制在熔点之下，依靠间隙式激光加热产生的累积热效应并通过热传导的方式获得更深的硬化层，使得高功率、高扫描速度激光淬火方式得以实现，并可以获得更深的硬化层。

为了更清晰地说明本发明的实施方式，在此将本发明相关术语定义如下：

加工单元：在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域称之为加工单元。所述振镜位置不移动是指振镜整体位置不移动，振镜内部镜片的偏转行为不包含在内。一个加工单元内的激光能量分布应基本均匀一致。

扫描周期：是指设定的激光束对一个加工单元的一次连续辐照加热时间(t1)与一次间隙时间(t2)之和，记为Tb。

淬火单元：在一个扫描周期内，设定的激光束所辐照的加工单元的集合。一个淬火单元可以包括一个或多个加工单元。

扫描次数：是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度需要重复扫描的次数，记为Q。

淬火周期：是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积，记为T。

相对移动速度：当工件包括多个淬火单元时，，激光束需要从一个淬火单元向另一个淬火单元移动，相对移动速度的值等于相邻两个淬火单元的辐照起始位置之间的距离除以所需的时间，该所需的时间是指从一个淬火单元的辐照起始位置移动到下一个淬火单元的辐照起始位置所花费的时间。相对移动速度既可以通过振镜的偏转来实现，又可以通过机械运动机构带动振镜运动，也可以是机械运动机构带动工件运动，还可以是上述三者之间的任意组合运动的方式来实现。当相对运动为连续运动时，相对移动速度是指淬火过程中工件或者振镜整体的实时运动速度，也可以是振镜不运动，但是激光淬火单元由于振镜偏转而导致的实际移动速度；当相对运动为非连续运动时，相对移动速度是指淬火过程中工件或振镜整体、或者振镜偏转导致的激光淬火单元的平均移动速度。

本发明中，在一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，使各加工单元内注入的激光总能量不会因为热积累导致工件表面快速熔化，而是利用多次加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需深度。

本发明重复扫描激光淬火方法可以采用下述具体过程实现：

(1)设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元在工件上的序号为j，淬火周期为T，一个淬火单元内所需的扫描次数为Q，实际扫描次数的参量为q；

令j＝1，q＝1；并且在整个激光淬火过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(2)经过扫描振镜后的激光束辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录该时间点为t₀；所述激光束对淬火单元中的每一个加工单元进行一次扫描，完成后进入(3)；

(3)判断q是否等于设定的扫描次数Q，如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(4)；如果否，令q＝q+1，设当前时间为t，扫描周期T_b，当t-t₀＝T_b时，转入步骤(2)；

对淬火单元进行一次扫描的时间正好等于一个扫描周期T_b，则立即开始对淬火单元进行下一次扫描，如果还没有到达一个扫描周期T_b，则需要等待，当满足t-t₀＝T_b时才开始下一次扫描淬火过程。

(4)判断j是否等于N，如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；如果否，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

上述步骤(1)，入射到扫描振镜的激光束本发明称之为入射激光束，入射激光束的光束尺寸必须小于等于扫描振镜的进光口尺寸，实际所采用的激光功率大小取决于所采用激光器的最高功率水平、振镜所能够承受的功率密度和激光淬火时工件基本不发生熔化所能够承受的功率密度；入射激光束的能量分布模式可以是高斯模式或平顶模式，平顶模式的激光束有利于保证淬火硬化层深度和硬度的均匀性，提高激光淬火的质量。

步骤(2)所述激光束按照设定的工艺参数进行扫描，所述工艺参数包括：激光功率、光斑尺寸、扫描速度、加工单元尺寸、一个加工单元内的激光作用时间t₁和一个加工单元内的加工间歇时间t₂等。本发明所采用的扫描振镜可以是后置f-θ型聚焦扫描振镜，也可以是前置聚焦扫描振镜结构形式。

如图1所示，后置f-θ型聚焦扫描振镜的结构形式为：入射激光束55经过X轴偏转镜57和Y轴偏转镜53的偏摆后，再通过f-θ透镜51聚焦后在聚焦平面50处获得扫描区域59，其中，X轴电机56驱动X轴偏转镜57，Y轴电机58驱动Y轴偏转镜53，在振镜的快速偏摆驱动下，带动激光束进行大范围的扫描加工。其中，后聚焦形式的f-θ透镜51是经过优化结构设计的光学镜片，它能够有效补偿加工区域中央部位和边缘部位因为光程差带来的光斑尺寸或者能量密度的差异，提高了振镜扫场范围内激光功率密度的一致性。

如图2所示，前置聚焦扫描振镜包括前置聚焦镜54、X轴偏转镜57、Y轴偏转镜53、保护镜52、X轴电机56和Y轴电机58；X轴偏转镜57安装在X轴电机56上，Y轴偏转镜53安装在Y轴电机58上，前置聚焦镜54安装在入射激光束55的光路中，保护镜52安装在Y轴偏转镜53的出射光路上。

两种结构形式的差别在于，前置聚焦扫描振镜结构(图2)是将入射激光束55经过前置聚焦镜54聚焦后再通过振镜扫描实现光束运动的控制，在振镜的出光处设置有保护镜52，而没有f-θ型聚焦镜。所述前置聚焦镜54可以是常规光学聚焦镜，也可以是光束聚焦整形镜。光束聚焦整形镜的作用是对激光束进行聚焦处理的同时，还将高斯模式或其它非均匀模式的激光束整形为能量均匀的激光束，以获得所需要的平顶模式的激光淬火光斑。

所述的经过扫描振镜后在工件表面获得的激光光斑尺寸一般根据工件所需要激光淬火的区域大小进行选择，可以是在聚焦焦点处的小光斑，也可以采用离焦的较大光斑。对于圆形光斑而言，光斑尺寸是指其直径，矩形或其它形状的光斑而言，则可以用边长表示。

一个加工单元对应一个激光加工图形，激光加工图形可以是点、线、面图形，也可以是其他任意形状的弧线、线段、圆形、矩形、方形或三角形等。

淬火单元可以是单个加工单元，也可以是多个加工单元的组合，淬火单元所构成的图形可以是上述加工单元对应的加工图形组成的复杂组合图形或者其它任意图形。它们之间可以是离散的、连续的或者交错的。

需要特别说明的是，加热时间不同于通常脉冲激光加工时的占空比，间歇时间不等同于激光器不输出激光。进一步说，对于某一加工单元B₁而言，加工间歇期间既可以不输出激光，也可以是激光束在对其它加工单元(如B₂、B₃等加工单元)进行激光扫描，只是激光束斑对B₂、B₃加工单元进行扫描时，其热作用对于B₁加工单元的硬化层深度与硬度无实质影响。加工单元所对应的激光加工图形可以由扫描填充形成，也可以由聚焦光斑的直接辐照形成。当激光加工图形为离散的单元图形，如果该单元图形是与激光光斑完全吻合的图形，则对激光加工图形不需要填充，只需激光光斑重叠辐照Q次就可以使该加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度。对于其它的激光加工图形，包括点阵、线型或面型，均需要进行扫描填充才可以实现。

如前所述，扫描周期T_b是激光束辐照单个加工单元的一次加热时间与一次间隙时间之和，它是由扫描振镜的扫描速度、跳转速度、加速度和激光器输出激光束的方式共同决定的。激光扫描周期如图3所示，扫描周期T_b中的激光加热时间t₁、加工间歇时间t₂的定义如下：t₁为一个加工单元内的激光作用时间，t₂为激光下一次辐照该加工单元之前的加工间歇时间。换句话说，对于某个加工单元而言，扫描周期T_b等于t₁+t₂。

淬火单元内的扫描过程可以是连续或者脉冲的方式。利用振镜扫描的高加速度，高扫描速度和高跳转速度的特点，可以在一个淬火周期内同时处理多个加工单元，有利于采用更高的激光功率和相对移动速度，以提高激光淬火的效率。

本发明方法的关键在于通过多次重复扫描处理，可以采用更高的激光功率、更高的扫描速度进行激光淬火，并在确保工件表面不发生明显熔化的前提下获得更大深度的硬化层。或者在硬化层深度相同的前提下，获得更高的激光淬火加工效率。技术人员可以根据所需淬火工件的材料种类，用途及所使用激光器的种类及功率来选择合适的工艺参数。

本发明方法采用的激光器可以是光纤激光器、半导体激光器、YAG激光器、碟片式激光器或者CO₂激光器。

当采用CO₂激光器进行激光淬火时，需要在工件表面喷涂专用CO₂激光淬火吸光涂料(如SiO₂涂料、石墨涂料或其它对10.6μmCO₂激光吸收率高的涂料等)，待工件表面的吸光涂料干燥后，再进行激光淬火。当采用光纤激光器、半导体激光器、碟片激光器或YAG激光器进行激光淬火时，既可以采用喷涂专用吸光涂料的预处理方法进行激光淬火，也可以不用任何吸光涂料，直接对工件进行激光淬火。

对需要大面积淬火的工件进行重复扫描激光淬火时，为了避免机械运动装置频繁启停造成的运动滞后，可以采用重复扫描式飞行激光淬火方法，可以有效提高激光加工效率。

所谓重复扫描式飞行激光淬火工艺要求同时满足两个条件：第一是工件与振镜整体之间以相对移动速度v保持连续的相对运动形式，第二是激光束对淬火单元保持重复扫描的淬火方式。为同时满足上述要求，需要振镜在重复扫描时进行补偿运动，具体过程说明如下：当扫描振镜输出的激光束在淬火周期T内对某个淬火单元进行重复扫描淬火时，工件与振镜整体之间以相对移动速度v进行连续运动，此时振镜输出的激光束在淬火周期T内还需要以-v的速度进行反向补偿运动，并在下一个淬火周期T开始之前跳转到下一个淬火单元后再重复上述过程。这样，就可以确保扫描振镜在飞行过程中对工件表面实施重复扫描淬火的实际效果与振镜静止时获得的效果相同，而又避免了机床的频繁启停，从而可以进一步提高激光淬火的生产效率。重复扫描式飞行激光淬火时的相对运动既可以是工件运动，也可以是扫描振镜在其它运动机构(本发明称之为机械运动机构)带动下运动，也包括二者同时运动，只要工件与扫描振镜之间的位置关系发生了相对位移，就需要对移动坐标进行实时补偿，并计算飞行补偿跳转距离。振镜输出激光束的补偿运动速度在数值上等于相对移动速度，在方向上相反。

设其中工件或机械运动机构所在的坐标系为参考坐标系，记为(X,Y)，另一个所在的坐标系为运动坐标系，设为(U,V)，设t时刻工件与机械运动机构在x,y方向相对移动速度分别为v_xt，v_yt，对任意一个加工单元而言，将激光光斑的中心点作用在加工单元上的第一个点称为加工单元的基准参考点A，t₀时刻的基准参考点为A₀，t时刻的基准参考点为A_t。已知，t₀时刻固定坐标系(X,Y)和运动坐标系(U,V)的原点重合，因此，t₀时刻加工单元中点A₀的运动坐标(U_A0,V_A0)与固定坐标系中的坐标(X_t0,Y_t0)重合，可表述为公式I：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{t0}=U_{A0}\\ Y_{t0}=V_{A0}\end{array}\right.$      公式I

t(t＞t₀)时刻后，运动坐标系与固定坐标系中的基准参考点A_t又重合，t时刻加工单元的基准参考点A_t的补偿坐标(X_t,Y_t)为公式II：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_t=U_{A0}+{\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{xt}}\mathrm{dt}\\ Y_t=V_{A0}+{\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{yt}}\mathrm{dt}\end{array}\right.$      公式II

实际应用中，可以使得工件与机械运动机构只在x轴或y轴发生相对运动，则公式II可以简化为公式III:

$\left\{\begin{array}{c}{X}_t=U_{A0}+{\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{xt}}\mathrm{dt}\\ Y_t=V_{A0}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}{X}_t=U_{A0}\\ Y_t=V_{A0}+{\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{yt}}\mathrm{dt}\end{array}\right.$      公式III

公式III为重复扫描式飞行激光淬火的扫描坐标计算公式，t(t＞t0)时刻飞行补偿跳转距离为：

$S_t={\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{xt}}\mathrm{dt}$ 或者 $S_t={\∫}_{t_0}{v}_{\mathrm{yt}}\mathrm{dt}.$      公式Ⅳ

具体而言，采用重复扫描式飞行激光淬火技术时，本发明方法具体包括下述步骤：

(1)设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元在工件上的序号为j，扫描周期为T_b，淬火周期为T，一个淬火单元内所需的扫描次数为Q，实际扫描次数的参量为q，设定工件与振镜整体之间以相对移动速度v进行相对运动，设定振镜输出激光束的补偿运动速度为-v；

令j＝1，q＝1；并且在整个激光淬火过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(2)经过扫描振镜后的激光束辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录该时间点为t₀；所述激光束对淬火单元中的每一个加工单元进行一次扫描的同时，还以速度-v进行飞行反向补偿运动，完成后进入(3)；

(3)设当前时间为t，判断q是否等于设定的扫描次数Q；

如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，此时对淬火单元j进行扫描的时间正好等于一个淬火周期T，激光束立即跳转到下一个淬火单元，跳转距离等于公式Ⅳ在T时刻计算的飞行补偿跳转距离，然后转入步骤(4)；

如果否，令q＝q+1，此时t-t₀＝T_b，对淬火单元进行一次扫描的时间正好等于一个扫描周期T_b，激光束立即从最后一个加工单元跳转到第一个加工单元，跳转距离等于公式Ⅳ在T_b时刻计算的飞行补偿跳转距离，并开始对淬火单元进行下一次重复扫描飞行激光淬火。如果还没有到达一个扫描周期T_b，则需要等待，当满足t-t₀＝T_b时才开始下一次重复扫描式飞行激光淬火过程，然后转入步骤(2)；

(4)判断j是否等于N，如果是，则说明所包含的所有淬火单元都已经实现激光淬火硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；如果否，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

本发明方法不管是否利用飞行补偿技术，其实质都是利用经过扫描振镜后的激光束对每个加工单元进行间歇式重复扫描淬火，使各加工单元内注入的激光总能量不会导致工件表面快速熔化，而是利用多次加热的累积热效应形成激光淬火层，并达到所需深度。只要能够实现该方案的激光淬火工艺参数都可以用于实现本发明方法。一般而言，当激光功率为300-30000W时，光斑尺寸为0.5-60mm，扫描速度为100-10000mm/s，加工单元尺寸为0.2-60000mm²，扫描次数为2-10000，激光加热时间t₁为1-10000ms，加工间隙时间t₂为1-10000ms，淬火周期T为2-200000ms。当激光功率为1000-20000时，光斑尺寸为1-30mm，扫描速度为300-8000mm/s，加工单元尺寸为1-30000mm²，扫描次数为2-5000，激光加热时间t₁为1-1000ms，加工间隙时间t₂为1-1000ms，淬火周期T为2-20000ms。当激光功率为1500-15000W时，光斑尺寸为2-15mm，扫描速度为300-7000mm/s，加工单元尺寸为10-15000mm²，扫描次数为2-3000，激光加热时间t₁为1-500ms，加工间隙时间t₂为1-500ms，淬火周期T为2-10000ms。当激光功率为2000-10000W时，光斑尺寸为3-10mm，扫描速度为300-5000mm/s，加工单元尺寸为15-10000mm²，扫描次数为2-1000，激光加热时间t₁为1-300ms，加工间隙时间t₂为1-300ms，淬火周期T为2-6000ms。

如图4所示，本发明装置包括激光器1、控制系统3、导光系统4、机械运动装置5和扫描振镜6。

其中，激光器1通过导光系统4与扫描振镜6实现光路连接；控制系统3与激光器1、机械运动装置5和扫描振镜6为电信号连接，控制其工作。机械运动装置5带动扫描振镜6或者工件8随之运动。

扫描振镜6采用前置聚焦扫描振镜形式或后置f-θ型聚焦扫描振镜。

机械运动装置5可以是普通机床、数控机床或多关节机器人(机械臂)等运动机构，根据实际加工的要求机床可以采用单轴或多轴联动形式。

导光系统4可以是光纤传输系统，也可以是由光学镜片组组成的硬光路导光系统。导光系统4将激光器1的激光束传输至扫描振镜6的入光口。

本发明装置的使用过程为：

步骤一，将扫描振镜6调整到工件8的上方，通过导光系统将激光器1输出的激光束传导至扫描振镜6的入光口。

步骤二，运行扫描振镜6，在不输出激光束的前提下，确认使扫描振镜按照编程设计的参数(包括加工单元尺寸、扫描次数、t₁、t₂、扫描周期)获得的加工单元或淬火单元是否与设计相符合。

步骤三，开启激光器1，按照设定的激光淬火工艺参数，进行重复扫描式激光淬火，在工件表面获得一个激光淬火单元。

步骤四，在控制系统的控制下机械运动装置5带动扫描振镜6移动，使其出射的激光束照射到工件表面的下一个淬火单元；

步骤五，重复步骤三至步骤四，直到遍历工件表面的所有淬火单元，在工件表面得到激光相变淬火层。

本发明可以对大型轴承座圈、大型模具、机床导轨和钢轨等工件进行激光淬火强化，并显著提高激光淬火的深度，或者大幅度提高激光淬火的效率。或者在大幅度提高激光淬火深度的同时，大幅提高生产效率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实例1：重复扫描激光淬火工艺在大型齿轮激光淬火中的应用。

本实例采用半导体激光器对42CrMo材料的大型齿轮进行激光淬火，光斑尺寸为Φ6mm，激光功率为6000W，加工单元所对应的激光加工图形尺寸为6mm×15mm的矩形，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为50次，t₁为0.015s加热、t₂为0.0167s间歇，淬火周期T的时间是1.6s，相对移动速度400mm/min，相对移动速度的矢量方向与加工单元的长度方向垂直，单道淬火可以获得15mm宽的淬火区域，无搭接量，得到的硬化层深度为0.8mm。本实例高功率重复扫描激光淬火时工件表面的温度曲线如图5所示。

在此功率和光斑条件下，若采用现有的技术，常规运动机构一般无法达到如此高的扫描速度，因此无法实现6000W的高功率激光淬火。为了保证工件表面不发生熔化现象，必须采用较低激光功率进行淬火。采用现有工艺优选的工艺参数如：激光功率2000W，光斑尺寸为Φ6mm，相对移动速度300mm/min，单道淬火只能获得6mm宽的淬火区域，搭接量1.5mm，一次扫描淬火所得到的硬化层深度0.8mm。

搭接量是指相邻两个淬火单元产生回火效应的宽度。搭接量可以为0至3mm。

对本工件而言，本实例所需的总加工时间约为现有工艺的1/3。

实例2：重复扫描激光淬火工艺在大型轧辊激光淬火中的应用。

本实例采用10.6μm的CO₂激光器对75CrMnMo材料的大型轧辊进行激光淬火，光斑尺寸为Φ5mm，激光功率8000W，加工单元所对应的激光加工图形为5mm×35mm矩形，扫描速度为350mm/s，扫描次数为12次，t₁为0.1s、t₂为0.125s，淬火周期T的时间是2.7s，相对移动速度300mm/min，相对移动速度的矢量方向与加工单元的长度方向垂直，单道淬火可以获得35mm宽的淬火区域，搭接量2mm。激光淬火前，先在工件表面喷涂专用SiO₂吸光涂料，待工件表面的吸光涂料干燥后再进行后续的激光淬火。通过振镜扫描填充方法，得到的硬化层深度为1.0mm。本实例高功率重复扫描激光淬火时工件表面的温度曲线如图6所示。

与实例1同理，现有工艺采用的优选工艺参数为：光斑尺寸为Φ5mm，激光功率为1000W，相对移动速度600mm/min，单道淬火只能获得5mm宽的淬火区域，搭接量为1mm。先在工件表面喷涂专用SiO₂吸光涂料，待工件表面的吸光涂料干燥后再进行后续的激光淬火，一次扫描淬火得到的硬化层深度0.6mm。

对本工件而言，本实例所需的总的加工时间约为现有工艺的1/4，硬化层深度约为现有工艺的1.67倍。

实例3：重复扫描激光淬火工艺在大型模具激光淬火中的应用。

本实例采用光纤激光器对50CrNiMo材料制成的大型模具进行激光淬火，光斑尺寸为6mm×6mm，激光功率为12000W，加工单元所对应的激光加工图形为6mm×140mm矩形，扫描速度为420mm/s，扫描次数为7次，t₁为0.333s、t₂为0.349s，淬火周期T的时间是4.8s，相对移动速度300mm/min，相对移动速度的矢量方向与加工单元的长度方向垂直，单道淬火可以获得140mm宽的淬火区域，得到的硬化层深度为0.6mm。本实例高功率重复扫描激光淬火时工件表面的温度曲线如图7所示。

与实例1同理，现有工艺不能够采用12000瓦的激光进行淬火，否则容易使得工件表面熔化。采用的优选的工艺参数如：激光功率1200W，光斑尺寸为6mm×6mm，相对移动速度600mm/min，单道淬火只能获得6mm宽的淬火区域，搭接量1mm，得到的硬化层深度0.6mm。

本实例总的加工效率约为现有工艺的12倍。

实例3的具体实现过程可采用图8所示的形式，数控激光加工机床包括X轴30、立柱31、Y轴32、Z轴33。在Y轴32上安装有45°反光装置41，Z轴33上安装有45°反光装置42，扫描振镜6固定在数控加工机床的Z轴33上。反光装置41将X轴方向输入的激光束反射传输到Y轴上的反光装置42；反光装置42再将激光束反射传输到扫描振镜6的入光口。激光淬火时，数控激光加工机床的X轴30和Z轴33设定在一个固定位置，Y轴32带动Z轴33和扫描振镜6按照设定程序运动，扫描振镜6输出的重复扫描激光对大型模具43进行高效激光淬火。

实例4：重复扫描激光淬火工艺在轴承座圈激光淬火中的应用。

本实例采用1070μm固体激光器对42CrMo大型轴承座圈进行激光淬火、光斑尺寸为7mm×7mm，激光功率5000W，加工单元所对应的激光加工图形为20mm×20mm矩形，扫描速度为2000mm/s，扫描次数为180次，t₁为0.02s、t₂为0.024s，淬火周期T的时间是7.92s，相对移动速度152mm/min，相对移动速度的矢量方向与加工单元的长度方向垂直，单道淬火可以获得20mm宽的淬火区域，无搭接量，获得的硬化层深度为2.0mm。

与实例1同理，现有工艺采用的优选的工艺参数如：光斑尺寸为7mm×7mm，激光功率2000W，相对移动速度300mm/min，单道淬火只能获得10mm宽的淬火区域，搭接量1.5mm，得到的硬化层深度1.0mm。本实例4的单次扫描连续激光淬火与重复扫描脉冲激光淬火时金属表面的温度变化曲线原理示意图如图9所示。

本实例得到的硬化层深度是常规单次扫描激光淬火工艺的2倍，所需总的加工时间与现有工艺相同。

本实例的具体实现过程可采用如图10所示的形式，数控激光加工机床包括X轴30、立柱31、Y轴32、Z轴33和立式回转轴36，轴承座圈35由专用托盘34承载定位，托盘34固定在立式回转轴36上，扫描振镜6固定在数控加工机床的Z轴33上。激光淬火时，数控激光加工机床的X轴30、Y轴32和Z轴33设定在一个固定位置；立式回转轴36旋转，带动轴承座圈35按照设定工艺参数旋转；扫描振镜6输出的激光对轴承座圈35进行重复扫描式激光淬火。

实例5：重复扫描激光淬火工艺在铁路钢轨激光淬火中的应用。

本实例采用半导体激光器对71Mn钢轨长表面进行点阵式激光淬火，光斑尺寸为10mm×10mm，加工单元的尺寸与激光光斑相同，加工单元的间距为5mm，激光功率为6000W，，激光扫描次数为90次，t₁为0.004s、t₂为0.0105s，淬火单元为1×2阵列排列的两个加工单元，淬火周期T的时间是1.3s，相对移动速度(平均速度)为，1384mm/min，得到的硬化层深度为0.8mm。

与实例1同理，现有单次扫描激光淬火工艺采用的优选工艺参数如激光功率3000W，光斑尺寸为10mm×10mm，点阵之间的间距为5mm，淬火时间为1.5s，相对移动速度(平均速度)为，600mm/min，所得到的硬化层深度0.8mm。

本实例所需的总的加工时间约为现有工艺的1/2。

实例6：重复扫描式飞行激光淬火工艺在机床导轨激光淬火中的应用。

为了解决离散硬化图形激光淬火效率低的问题，本发明提出了一种基于扫描振镜的重复扫描式飞行激光淬火方法，具体包括三种形式，即：工件固定、振镜运动的飞行式重复扫描激光淬火方法；振镜固定、工件运动的飞行式重复扫描激光淬火方法；工件和振镜都相互运动的飞行式重复扫描激光淬火方法。

对40Cr机床导轨长条形金属部件表面进行离散点阵型重复扫描飞行式激光淬火，光斑为8mm×8mm，加工单元的尺寸与光斑相同，淬火单元为1×4阵列排列的四个加工单元，加工单元之间的间距为4mm，采用光纤激光器，激光功率为8000W，激光扫描次数为253次，t₁为0.001s、t₂为0.003s，淬火周期T的时间是1.01s，飞行淬火时的相对移动速度为2860mm/min，振镜输出激光束的补偿速度为-2860mm/min，得到的最大硬化层深度为0.8mm。与实例1同理，现有单次扫描脉冲激光淬火工艺采用的优选工艺参数如激光功率2000W，光斑尺寸为8mm×8mm，点阵之间的间距为4mm，脉冲淬火时间为1s，相对移动速度(平均速度)为430mm/min，所得到的硬化层深度0.8mm。

本实例所需的总的加工时间约为现有工艺的1/7。

重复扫描式飞行激光淬火工艺在机床导轨方面的应用如图11所示，数控激光加工系统包括工业机器人(机械臂)51、外部运动X轴部件50、光纤传输系统52、扩束系统54和扫描振镜6。工业机器人(机械臂)51固定在外部运动X轴部件50上，扫描振镜6固定在工业机器人(机械臂)51的前臂53上。激光束经过光纤传输系统52和扩束系统54进入扫描振镜6。激光淬火时，工业机器人(机械臂)51的各个运动轴设定在一个固定位置，外部运动X轴部件50带动工业机器人(机械臂)51和扫描振镜6运动，扫描振镜6输出的激光对机床导轨55进行重复扫描式飞行激光淬火。

实例7：

本实例采用光纤激光器对GCr15材料的小轴承座圈进行激光淬火，光斑尺寸为Ф3mm，激光功率为500W，加工单元的尺寸3mm×6mm，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为120次，t₁为0.006s、t₂为0.0067s，淬火周期T的时间是1.52s，相对移动速度(平均速度)400mm/min，相对移动速度的矢量方向与加工单元的长度方向平行，无搭接，得到的硬化层深度为0.5mm。现有单次扫描激光淬火工艺采用的优选工艺参数如激光功率300W，光斑尺寸为Ф3mm，相对移动速度为400mm/min，获得的硬化层深度为0.3mm。本实例得到的硬化层深度是常规单次扫描激光淬火工艺的1.7倍。所需总的加工时间与现有工艺相同。

实例8：

采用光纤激光对50CrNiMo材料的汽车模具进行点阵式激光淬火，本实例采用的光斑尺寸为7mm×7mm，加工单元的尺寸与光斑相同，加工单元之间的间距为3.5mm，淬火单元为1×3阵列排列的三个加工单元，t₁为0.004s，t₂为0.008s，进行点阵式重复扫描激光淬火时采用的工艺参数如下：激光功率范围2000W～6000W，扫描次数范围25～483，淬火周期范围0.3s～5.8s，相对移动速度范110/min～2000mm/min。相应的淬火深度范围为0.3mm～1.5mm。

工艺参数对硬化层深度的影响如表1所示。激光功率对扫描次数有重要影响，如图12所示，激光功率从2000W升高到6000W，重复扫描激光淬火的扫描次数从483降低为25，相对移动速度(平均速度)从110mm/min提高到2000mm/min。与上述参数相同的情况下，扫描次数对硬化层深度的影响规律如图13所示，扫描次数从483降低为25，相应的激光硬化层深度由1.5mm降低为0.3mm。

通常而言，在初次对某种材料的工件进行淬火处理时，可以利用样品或者对工件上某一个淬火单元进行激光淬火后，检查工件淬火硬化层表面的粗糙度和硬化层深度是否达到技术要求，如果是则确认采用的工艺参数合理，否则可以进行参数调整，直到满足要求，以获得准确的工艺参数。

以上所述为本发明的较佳实例而已，但本发明不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

实例8的工艺参数对硬化层深度的影响如规律

Claims (13)

1.一种金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，该方法通过控制激光淬火工艺参数进行激光淬火，将高功率密度激光束通过扫描振镜后辐照到金属工件表面，激光束对每个加工单元进行间歇式重复辐照，所述加工单元是指在不移动振镜位置和工件位置的情况下，将激光束通过扫描振镜后辐照到工件表面并一次连续作用于工件表面的区域，并且一个所述加工单元对应一个激光加工图形，一个加工单元或者多个加工单元组合构成淬火单元，并且淬火单元所构成的图形是加工单元对应的激光加工图形组成的复杂组合图形或者其它任意图形；

在整个淬火处理过程中，利用扫描振镜的调控功能，使激光束对金属工件表面的加热方式由现有的激光束单次扫描过程转变为间歇式重复扫描过程，通过控制激光重复扫描对加工单元的加热时间、间歇时间和扫描次数，激光能量得以短时间加热和多次叠加的形式通过热传导不断注入到金属工件表面，增加注入的激光总能量并使金属工件表面快速升温，使金属工件表面的激光淬火区域高于金属工件材料的奥氏体化温度，但是温度始终控制在熔点之下，依靠间隙式激光加热产生的累积热效应并通过热传导的方式获得更深的硬化层，由此完成整体的激光相变硬化工艺，并提高激光淬火的生产效率；

所述激光淬火工艺参数包括激光功率和光斑尺寸，其中，激光功率为300W-30000W，光斑尺寸为0.5mm-60mm。

2.根据权利要求1所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光淬火工艺参数还包括扫描速度、扫描周期和扫描次数，其中，扫描周期是指设定的激光束对一个加工单元的一次连续辐照加热时间与一次间隙时间之和；扫描次数是指使一个淬火单元达到所需硬化层深度进行重复扫描的次数；扫描速度为300mm/s-8000mm/s，加工单元尺寸为1mm²-30000mm²，扫描次数为2-5000。

3.根据权利要求1所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，当需要淬火单元连续填充才能覆盖整个待淬火区域时，所述激光淬火工艺参数还包括相对移动速度，它是指光束从一个淬火单元向另一个淬火单元移动的速度；所述激光表面淬火方法包括重复扫描激光表面淬火方法和重复扫描式飞行激光表面淬火方法。

4.根据权利要求1、2或3所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，该方法包括下述具体步骤：

(1)设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元在工件上的序号为j，淬火周期为T，一个淬火单元内所需的扫描次数为Q，实际扫描次数的参量为q；

淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积；淬火单元是指在一个扫描周期内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合；

令j＝1，q＝1；并且在整个激光淬火过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(2)经过扫描振镜后的激光束辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录该时间点为t₀；所述激光束对淬火单元中的每一个加工单元进行一次扫描，完成后进入(3)；

(3)判断q是否等于设定的扫描次数Q，如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即第j个淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(4)；如果否，令q＝q+1，设当前时间为t，扫描周期T_b，当t-t₀＝T_b时，转入步骤(2)；

(4)判断j是否等于N，如果是，则说明所包含的所有淬火单元发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化区域，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(5)；如果否，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

5.根据权利要求1、2或3所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，设工件上淬火单元总数为N，当前处理的淬火单元的序号为j，设淬火单元所需的扫描次数为Q，淬火周期为T，实际扫描次数的参量为q；设定工件与振镜之间的相对移动速度为v，振镜输出激光束的补偿运动速度为-v；其中，淬火周期T是指一个淬火单元内的扫描次数与扫描周期的乘积，淬火单元是指在一个淬火周期T内激光束在工件表面辐照的加工单元的集合；

(1)令j＝1，q＝1；

(2)激光束经过扫描振镜后辐照到第j个淬火单元的起始位置，并记录此开始时间点为t₀；所述激光束按照设计的加工单元和设定的扫描速度对第j个淬火单元内的各加工单元进行单次扫描的同时，还以速度-v进行飞行反向补偿运动，完成后进入(3)；在激光扫描过程中一个加工单元内的激光能量分布基本均匀一致；

(3)判断q是否等于设定的扫描次数Q，如果是，则第j个淬火单元淬火完毕，即该淬火单元中所包含的所有加工单元发生激光相变硬化，并达到所设计的硬化层深度，然后转入步骤(4)；如果否，令q＝q+1，设当前时间为t，设定扫描周期为T_b，当t-t₀＝T_b时，转入步骤(2)；

对淬火单元进行一次扫描的时间正好等于一个扫描周期T_b，则激光束立即从最后一个加工单元跳转到第一个加工单元，跳转距离等于公式Ⅳ在T_b时刻计算的飞行补偿跳转距离，并开始对淬火单元进行下一次重复扫描飞行激光淬火，如果还没有到达一个扫描周期T_b，则需要等待，当满足t-t₀＝T_b时才开始下一次重复扫描式飞行激光淬火过程；

(4)判断j是否等于N，如果是，则所有淬火单元均淬火完毕，即所有淬火单元均发生激光相变硬化，形成激光淬火硬化层，并达到所设计的硬化层深度；然后进入步骤(5)，否则，令j＝j+1，转入步骤(2)；

(5)结束。

6.根据权利要求4所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，激光加热时间t₁为1-10000ms，加工间隙时间t₂为1-10000ms，淬火周期T为2-200000ms。

7.根据权利要求5所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，激光加热时间t₁为1-10000ms，加工间隙时间t₂为1-10000ms，淬火周期T为2-200000ms。

8.根据权利要求4所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为1000-20000，光斑尺寸为1-30mm，扫描速度为300-8000mm/s，加工单元尺寸为1-30000mm²，扫描次数为2-5000，激光加热时间t₁为1-1000ms，加工间隙时间t₂为1-1000ms，淬火周期T为2-20000ms。

9.根据权利要求5所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为1000-20000，光斑尺寸为1-30mm，扫描速度为300-8000mm/s，加工单元尺寸为1-30000mm²，扫描次数为2-5000，激光加热时间t₁为1-1000ms，加工间隙时间t₂为1-1000ms，淬火周期T为2-20000ms。

10.根据权利要求4所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为1500-15000W，光斑尺寸为2-15mm，扫描速度为300-7000mm/s，加工单元尺寸为10-15000mm²，扫描次数为2-3000，激光加热时间t₁为1-500ms，加工间隙时间t₂为1-500ms，淬火周期T为2-10000ms。

11.根据权利要求5中所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为1500-15000W，光斑尺寸为2-15mm，扫描速度为300-7000mm/s，加工单元尺寸为10-15000mm²，扫描次数为2-3000，激光加热时间t₁为1-500ms，加工间隙时间t₂为1-500ms，淬火周期T为2-10000ms。

12.根据权利要求4所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为2000-10000W，光斑尺寸为3-10mm，扫描速度为300-5000mm/s，加工单元尺寸为15-10000mm²，扫描次数为2-1000，激光加热时间t₁为1-300ms，加工间隙时间t₂为1-300ms，淬火周期T为2-6000ms。

13.根据权利要求5所述的金属工件的重复扫描式激光表面淬火方法，其特征在于，所述激光功率为2000-10000W，光斑尺寸为3-10mm，扫描速度为300-5000mm/s，加工单元尺寸为15-10000mm²，扫描次数为2-1000，激光加热时间t₁为1-300ms，加工间隙时间t₂为1-300ms，淬火周期T为2-6000ms。