CN109593919B - 基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置及方法，属于金属材料表面激光淬火领域，包括激光器、激光传输光纤、激光加工头、机器人手臂；激光器发出的激光束依次经过激光传输光纤、激光加工头到达轴承滚道表面，机器人手臂搭载激光加工头；机器人手臂控制激光加工头的光束焦点对应轴承滚道的激光淬火初始位置；装置还包括隔板、冷却介质喷嘴和变位机；随着变位机带动轴承工件匀速转动，激光加工头的位置和姿态保持不变，并一直对准轴承滚道的表面设置，随轴承工件的转动对整个轴承滚道进行高速扫描。解决5~8MW风电机组大型主轴轴承滚道表面软带问题。

Description

基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料表面激光淬火领域，尤其涉及一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法；本发明涉及42CrMo、Cr18Mo、G20Cr2Ni4A等轴承材料的激光表面强化方法。

背景技术

大型风电主轴轴承对海上风电机组的安全可靠性至关重要，承受瞬时强冲击、无规律变向重载荷，对综合机械性能和可靠性要求极高。国内主轴轴承滚道均采用中频感应淬火，要求淬硬层深度≮5mm，表面硬度≮58~62HRC，存在的问题主要是，滚道表面存在40~50mm软带且表面硬度低(硬度55～58HRC)，无法满足5~8MW风电机组服役性能要求。进口轴承滚道表面疲劳剥落、腐蚀问题频发，严重制约我国风电行业健康可持续发展。

激光淬火是一种金属表面热处理技术，具有加工形式灵活、高效，硬化层的硬度、抗磨损、抗疲劳性能较工件基体大幅度提高等优点，已在机械、航空航天、船舶、交通等领域广泛应用。

5MW以上的大型风电主轴轴承滚道直径超过3m，滚道表面宽度超过145mm，需强化面积大。轴承滚道激光淬火时，需要多道扫描的方法对工件表面进行淬火。但相邻的硬化带存在一定程度的搭接。前序激光硬化带受与其存在搭接的后序硬化带的二次加热，已经形成的马氏体组织在被二次加热后转化为硬度较低的回火马氏体，从而导致多道扫描淬火的工件会存在回火软带，从而造成淬火硬化层的不均匀。对于大型风电主轴轴承来说，局部软化区域是不允许的。激光淬火的硬化深度取决于工件厚度方向上的马氏体化相变比例，当要求硬化层深度较大时（如5MW风电主轴轴承要求滚道硬化深度≮6mm，包含1mm的加工余量），必需确保有足够长的热传导时间。专利CN106755756A提出了一种轴承表面无回火软带的激光淬火装置及方法，其核心在于采用透镜组将近高斯分布的圆形激光束整形为平顶分布的矩形光束，通过一维扫描振镜进行光束的线性来回高速扫描，配合机械手臂控制激光加工头的平移和旋转实现对轴承滚道表面的激光淬火。其不足在于：（1）该方法的硬化深度难以达到6mm以上，原因为该方法采用激光能量密度平顶分布的矩形光束进行一维线性高速扫描，由于激光束能量密度高，扫描速度过慢会导致被激光辐照区域的轴承工件滚道表面过热甚至熔化，扫描深度过快，工件热传导时间不足，硬化层深度无法达到6mm以上；（2）由于该方法的一次处理幅宽≤100mm，在滚道表面宽度超过100mm（如5MW风电主轴轴承滚道表面宽度超过140mm）时，在滚道表面宽度方向上依然需要采用2道搭接方式，不可避免地在搭接区域产生一定宽度的回火软化带；（3）该方法采用轴承工件不动、激光加工头运行的方式，受机器手臂的工作范围和难以实现直径3m以上轴承滚道表面的全位置激光强化。

发明内容

国内大型主轴轴承滚道均采用中频感应淬火，要求淬硬层深度≮5mm，表面硬度≮58~62HRC，存在的问题主要是，滚道表面存在40~50mm软带且表面硬度低(硬度55～58HRC)，无法满足5~8MW风电机组服役性能要求。现有轴承激光强化方法（专利CNIO6755756A）的一次处理幅宽≤100mm，硬化深度≤6mm，难以满足5MW以上风电主轴轴承滚道表面激光强化需求。本发明针对现有技术的不足，提出了基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置及方法，解决5~8MW风电机组大型主轴轴承滚道表面软带问题。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置，包括激光器、激光传输光纤、激光加工头、机器人手臂；激光器发出的激光束依次经过激光传输光纤、激光加工头到达轴承滚道表面，机器人手臂搭载激光加工头；机器人手臂控制激光加工头的光束焦点对应轴承滚道的激光淬火初始位置；

所述的激光淬火装置还包括隔板、冷却介质喷嘴和变位机；

所述的变位机搭载轴承工件；

所述的隔板的一侧为激光加工头，隔板的另一侧为对已加工轴承滚道进行冷却的冷却介质喷嘴；

所述激光加工头定位于轴承滚道表面焦距处垂直方向的上方，激光加工头包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、反射镜、X向扫描振镜、Y向扫描振镜、第四透镜和平场聚焦镜；

激光器发出的激光束经过激光传输光纤进入激光加工头后，在激光加工头中依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜后被反射镜反射，再被X向扫描振镜和Y向扫描振镜反射改变方向后透过第四透镜和平场聚焦镜聚焦到达轴承滚道表面，随着变位机带动轴承工件匀速转动，激光加工头的位置和姿态保持不变，并一直对准轴承滚道的表面设置，随轴承工件的转动对整个轴承滚道进行高速扫描。

本发明所述的激光器为千瓦级连续固体激光器，其激光束的光束BBP值小于15mm·mrad，其输出功率1~20kW可调。

本发明所述的第一透镜和第三透镜组成光束准直透镜组，第二透镜为特殊加工的积分透镜，用于对激光束进行整形，将圆形激光整形成矩形光斑。光斑能量由近高斯分布改为特定的能量分布。

本发明所述的激光加工头是一种三维扫描振镜系统，通过X向扫描振镜、Y向扫描振镜旋转一定角度，能够实现光束在激光加工头正下方的焦平面上一定尺寸的椭圆形加工范围内按编程轨迹做高速扫描，激光加工头的扫描速度S在1m/min~20m/min，椭圆形加工范围的长轴的长度在300mm~500mm，短轴的长度在200mm~450mm，通过调节第一透镜和第三透镜的位置可实现激光束离焦量的自适应调节，调节范围在±100mm。

基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，包括以下步骤：

步骤一、机器人手臂、变位机将激光加工头定位于轴承滚道表面的正上方，并确保滚道表面处于激光加工头的有效加工距离内；

步骤二、机器人手臂搭载激光加工头确定与轴承滚道的相对距离和姿态，变位机搭载轴承工件，控制轴承工件匀速转动及轴承滚道表面的线速度为V，并要求轴承滚道表面的线速度V的方向与激光加工头发出的激光束横向扫描方向S方向垂直，并通过计算机控制激光加工头和轴承滚道的相对距离、角度和旋转速度在淬火过程中不变；

步骤三、激光加工头发出的激光束随着轴承工件的匀速转动，使激光加工头发出的激光束在激光加工范围内进行高速扫描，以设定的轨迹与速度对轴承滚道进行激光淬火，直至轴承滚道的表面全部淬火完成；

步骤四、轴承滚道被激光扫描完成后的区域通过冷却介质喷嘴喷洒冷却介质对进行加速冷却，并采用隔板对冷却介质作用区域进行隔离，完成淬火。

本发明所述的步骤三的具体实现方法为，激光加工头发出的激光束随着轴承工件的匀速转动，并在长轴的长度在300mm~500mm、短轴的长度在200mm~450mm的激光加工范围内内对n条轨迹进行N次进行高速扫描，扫描速度S为1m/min~20m/min，对轨迹①进行高速扫描，当轨迹①处轴承滚道的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹②进行高速扫描，当轨迹②处滚道的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹③并重复相同的扫描操作，直至激光束完成激光加工范围内轨迹

的高速扫描，当时间t内轨迹①处的轴承辊道表面温度低于设定的温度T_s的最后一道轨迹即为轨迹

，通过旋转X向扫描振镜、Y向扫描振镜使激光束返回轨迹①并从该位置开始重复激光束的高速扫描操作，重复次数N达到设定的轴承工件的淬硬深度，完成激光扫描。

本发明所述的机器人手臂、变位机将激光加工头定位于轴承滚道表面的正上方，并确保滚道表面处于激光加工头的有效加工距离内，同时应选择适当焦距的第四透镜和平场聚焦镜，以确保单道激光淬火的横向幅面宽度不低于轴承滚道表面宽度。

更进一步，在激光淬火之前在轴承滚道表面涂层激光吸收增益的涂层。

本发明提供的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火方法及方法，通过轴承工件在激光淬火扫描时匀速转动，能够有效地对大型轴承表面进行大面积的无回火软带、硬度均匀、宽幅面的淬火，淬火层深可达1~8mm，一次处理幅宽可达200mm，硬度偏差在±3HRC以内，可以实现快速、灵活、高质量的轴承表面淬火处理，满足5~8MW风电机组大型主轴轴承滚道表面激光淬火要求。

附图说明

图1本发明的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置示意图。

图2为本发明的扫描轨迹示意图；

图3为本发明的矩形光斑激光能量密度分布示意图；

图中：1、激光器；2、激光传输光纤；3、第一透镜；4、第二透镜；5、第三透镜；6、反射镜；7、X向扫描振镜；8、Y向扫描振镜；9、第四透镜；10、平场聚焦透镜；11、激光加工头；12、轴承工件；13、机器人手臂；14、变位机；15、轴承滚道；16、已加工轴承滚道；17、激光加工头扫描范围；18、隔板；19、冷却介质喷嘴；A矩形光斑的长度；B、矩形光斑的宽度；W、激光束横向扫描幅度；S、激光束横向扫描速度；V、轴承工件轨道表面旋转线速度，H、激光束的单道偏置距离。

具体实施方式

下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

如图1所示，基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置，该装置包括激光器1、激光传输光纤2、激光加工头11、机器人手臂13、变位机14、隔板18，冷却介质喷嘴19；激光器1发出的激光束依次经过激光传输光纤2、激光加工头11到达轴承滚道15表面，机器人手臂13搭载激光加工头11，变位机14搭载轴承工件12；机器人手臂13和变位机14控制激光加工头的光束焦点沿轴承滚道15表面的移动和旋转，使到达滚道15表面的激光光斑能够覆盖滚道15的整个待强化区域表面，在未进行激光淬火之前，机器人手臂13控制激光加工头的光束焦点对应轴承滚道15的激光淬火初始位置，变位机14搭载轴承工件以线速度V均匀转动，保证激光淬火过程中激光束横向扫描方向S与度V的方向垂直，在激光扫描时的轨道为略微倾斜的并排多条扫描轨迹，并排的效果方向、轨迹如图1所示的激光加工头扫描范围内的轨迹。

所述的激光加工头包括第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、反射镜6、X向扫描振镜7、Y向扫描振镜8、第四透镜9和平场聚焦镜10，激光器1发出的激光束经过激光传输光纤2进入激光加工头11后，在激光加工头11中依次经过第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5后被反射镜6反射，再被X向扫描振镜7和Y向扫描振镜8反射改变方向后透过第四透镜9和平场聚焦镜10聚焦到达轴承滚道15表面。

激光束进行一定尺寸的椭圆形加工范围内按编程轨迹做高速扫描分块扫描，在分块扫描相临的分块有一部分的重叠，造成分布式扫描效果。

三维光束扫描是指激光经第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5整合后在Z向有一定运动，再经过X向扫描振镜7、Y向扫描振镜8有X方向和Z方向的调整，达到三维扫描结果。

激光器1是千瓦级连续固体激光器，其激光束的光束BBP值小于15mm·mrad，其输出功率1~20kW可调。

第一透镜3和第三透镜5组成光束准直透镜组，第二透镜4为特殊加工的积分透镜，用于对激光束进行整形，将圆形激光整形成矩形光斑，光斑能量由近高斯分布改为特定的能量分布，例如图3所示的异形分布。

激光加工头是一种三维扫描振镜系统:X向扫描振镜7、Y向扫描振镜8均能够旋转一定角度，能够实现光束在激光加工头正下方的焦平面上一定尺寸的椭圆形加工范围内按编程轨迹做高速扫描，扫描速度S在1m/min~20m/min，椭圆形加工范围的长轴的长度在300mm~500mm，短轴的长度在200mm~450mm；通过调节第一透镜3和第三透镜5的位置可实现激光束离焦量的自适应调节，调节范围在±100mm，能够确保在激光加工头扫描范围17内任意位置都能够自动将激光束聚焦到轴承滚道15的表面上。

第四透镜9用于对由Y向扫描振镜8反射的激光束进行修正；平场聚焦透镜10用于对激光束进行聚焦，在轴承滚道15表面得到激光聚焦后的矩形光斑。

冷却介质喷嘴19用于喷洒冷却介质对已激光辐照区域进行加速冷却，确保大型轴承滚道15的冷却速度能够达到淬火要求。

根据需要选择指定光束整形功能的第二透镜4，调节光束焦点处矩形光斑的尺寸及能量密度分布特性。

基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，包括以下步骤：

步骤一、机器人手臂13、变位机14将激光加工头11定位于轴承滚道15表面的正上方，并确保轴承滚道15表面处于激光加工头11的有效加工距离内；

步骤二、机器人手臂13搭载激光加工头11确定与轴承滚道15的相对距离和姿态，变位机14搭载轴承工件12，控制轴承工件12匀速转动及轴承滚道15表面的线速度为V，并要求轴承滚道15表面的线速度V的方向与激光加工头11发出的激光束横向扫描方向S方向垂直，并通过计算机控制激光加工头11和轴承滚道15的相对距离、角度和旋转速度在淬火过程中不变；即采用激光加工头11不动、轴承工件12运动的方式实现大型轴承滚道全位置的分布式扫描。

步骤三、激光器1发出的激光束依次经过激光传输光纤2、激光加工头11到达轴承滚道15表面，机器人手臂13控制激光加工头的光束焦点移动到激光淬火初始位置，保证与轴承滚道15之间的相对距离与角度，变位机14控制激光加工头的光束焦点沿轴承滚道15表面的移动和旋转，使到达轴承滚道轴承5的激光光斑能够覆盖滚道15的整个表面进行分布式轨迹扫描，激光加工头11发出的激光束随着轴承工件12的匀速转动，使激光加工头11发出的激光束在激光加工范围内进行高速扫描，以设定的轨迹与速度对轴承滚道15进行激光淬火，直至轴承滚道15的表面全部淬火完成；

步骤四、轴承滚道15被激光扫描完成后的区域通过冷却介质喷嘴19喷洒冷却介质对进行加速冷却，并采用隔板18对冷却介质作用区域进行隔离，完成淬火。

在步骤三之前，可在轴承滚道15表面涂层激光吸收增益的涂层，提高轴承表面对激光束的吸收率和光-热转化效率。

激光的功率和滚动表面高温停留时间是决定矩形光斑激光淬火硬化层深度的一关键因素。激光的功率过高，会导致热量过多引起工件表面熔化，而激光功率过低，工件达不到相变点以上温度，工件淬火失败；滚动表面高温停留时间过短，硬化深度浅，不能达到6mm以上的技术要求。

步骤三的具体实现方法为，激光加工头11发出的激光束随着轴承工件12的匀速转动，并在长轴的长度在300mm~500mm、短轴的长度在200mm~450mm的激光加工范围内对n条轨迹进行N次高速扫描，扫描速度S为1m/min~20m/min，对轨迹①进行高速扫描，当轨迹①处的轴承滚道15的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹②进行高速扫描，当轨迹②处的滚道15的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹③并重复相同的扫描操作，直至激光束完成激光加工范围内至轨迹

的高速扫描，当时间t内轨迹①处的轴承辊道15表面温度低于设定的温度T_s的最后一道轨迹即为轨迹

，通过旋转X向扫描振镜7、Y向扫描振镜8使激光束返回轨迹①并从该位置开始重复激光束的高速扫描操作，重复次数N达到设定的轴承工件12的淬硬深度，完成激光扫描均由计算机控制，通过设定的温度T_s、T_m、轴承工件12的淬硬深度、测量的导热系数和轴承滚道15表面对激光能量的吸收效率，计算得到相应的扫描速度S、一次扫描的轨迹n、以及重复次数N。该计算过程不再详细陈述，为本领域技术人员的常规计算方式，分布式扫描路径、扫描参数是通过计算机程序控制实现的。

激光淬火过程中，轴承工件12始终处于匀速转动状态，激光加工头位置和姿态保持不变。

轴承滚道15被激光扫描完成后的区域通过冷却介质喷嘴19喷洒冷却介质对已加工轴承滚道16进行加速冷却，确保大型轴承滚道15的冷却速度能够达到淬火要求，完成淬火。

采用隔板18对冷却介质作用区域进行隔离，避免冷却介质影响激光扫描区域。

机器人手臂13、变位机14控制激光加工头和轴承工件的相对位置与相对移动速度，使得激光束定位于轴承滚道15表面焦距处上方以后，还包括选择适当焦距的第四透镜9和平场聚焦镜10，以确保单道激光淬火的横向幅面宽度（即W）不低于轴承滚道15表面宽度。

图1为本发明提供的一种基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置示意图。激光器1为输出功率1~20kw可调的千瓦级连续光纤激光器，也可以是光束BBP值小于15mm·mrad的光纤耦合半导体激光器。激光器1发出的激光由激光传输光纤2传输至激光加工头11；激光束经过第一透镜3进行准直进入第二透镜4；第二透镜4将能量密度高斯分布的圆形光束整形为能量密度异形分布的矩形光束；激光束经过第三透镜5实现二次准直后被反射镜6反射，再被X向扫描振镜7和Y向扫描振镜8反射改变方向后透过第四透镜9和平场聚焦镜10聚焦到达轴承滚道15表面。

图2为本发明的一具体实施例的激光二维分布式扫描方式图，同时为确保淬火层的深度均匀性和加工效率，在多道搭接选择恰当的两道之间的搭接率，搭接率为10%~30%之间。

设定程序使得轴承工件以一定的速度进行旋转，滚道表面的线速度为V。轴承滚道15表面的线速度V的方向与激光束横向扫描方向S方向垂直，设定的扫描轨迹如图2所示，为多道并排的直线扫描轨迹，扫描的方向按箭头方向，多条轨迹同一方向进行的扫描。

图3为本发明的一具体实施例采用的矩形光斑激光能量密度分布示意图，该矩形光斑可以实现激光辐照的矩形范围两侧的能量补偿，从而保证硬化深度的均匀性。通过控制光斑在材料表面轴线方向上快速扫描，形成激光光斑宽度远大于激光光源的原始圆形光斑视觉效果，其宽度可根据轴承工件的待激光强化滚道宽度调节，从而覆盖轴承滚道的整个待激光强化区域宽度。

轴承滚道15被激光扫描后的区域通过施加辅助冷却的方式快速至常温，完成淬火，并采用隔板18对冷却介质进行隔离，避免其影响激光扫描区域。

激光的功率，激光的扫描速度，光斑尺寸及其能量密度分布特性、搭接率、激光束扫描轨迹、滚道表面高温停留时间和冷却条件等是决定矩形光斑激光淬火效果的关键因素。根据轴承工件实际情况，综合以上因素选择适当的激光功率，扫描速度、扫描轨迹规划等参数，对轴承滚道表面曲面进行激光淬火，避免了传统搭接方法出现的回火软带的出现，淬火硬化层深度可达1~8mm，一次性处理幅宽可达200mm，可实现轴承表面大面积的无软带、超硬化层深、宽幅面的激光淬火效果。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置，包括激光器（1）、激光传输光纤（2）、激光加工头（11）、机器人手臂（13）;激光器（1）发出的激光束依次经过激光传输光纤（2）、激光加工头（11）到达轴承滚道（15）表面，机器人手臂（13）搭载激光加工头（11）;机器人手臂（13）控制激光加工头的光束焦点对应轴承滚道（15）的激光淬火初始位置，其特征在于：

所述的激光淬火装置还包括隔板（18）、冷却介质喷嘴（19）和变位机（14）；

所述的变位机（14）搭载轴承工件（12）；

所述的隔板（18）的一侧为激光加工头（11），隔板（18）的另一侧为对已加工轴承滚道（16）进行冷却的冷却介质喷嘴（19）；

所述激光加工头（11）定位于轴承滚道（15）表面焦距处垂直方向的上方，激光加工头包括第一透镜（3）、第二透镜（4）、第三透镜（5）、反射镜（6）、X向扫描振镜（7）、Y向扫描振镜（8）、第四透镜（9）和平场聚焦镜（10）；

激光器（1）发出的激光束经过激光传输光纤（2）进入激光加工头（11）后，在激光加工头（11）中依次经过第一透镜（3）、第二透镜（4）、第三透镜（5）后被反射镜（6）反射，再被X向扫描振镜（7）和Y向扫描振镜（8）反射改变方向后透过第四透镜（9）和平场聚焦镜（10）聚焦到达轴承滚道（15）表面，随着变位机（14）带动轴承工件（12）匀速转动，激光加工头（11）的位置和姿态保持不变，并一直对准轴承滚道（15）的表面设置，随轴承工件（12）的转动对整个轴承滚道进行高速扫描；

激光束进行一定尺寸的椭圆形加工范围内按编程轨迹做高速扫描分块扫描，在分块扫描相临的分块有一部分的重叠，造成分布式扫描效果，激光加工头是一种三维扫描振镜系统，通过X向扫描振镜（7）、Y向扫描振镜（8）旋转一定角度，能够实现光束在激光加工头正下方的焦平面上一定尺寸的椭圆形加工范围内按编程轨迹做高速扫描，激光加工头的扫描速度S在1m/min~20m/min，椭圆形加工范围的长轴的长度在300mm~500mm，短轴的长度在200mm~450mm，通过调节第一透镜（3）和第三透镜（5）的位置实现激光束离焦量的自适应调节，调节范围在±100mm，能够确保在激光加工头扫描范围（17）内任意位置都能够自动将激光束聚焦到轴承滚道（15）的表面上。

2.如权利要求1所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置，其特征在于：所述的激光器（1）为千瓦级连续固体激光器，其激光束的光束BBP值小于15mm·mrad，其输出功率1~20kW可调。

3.如权利要求1所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置，其特征在于：所述的第一透镜（3）和第三透镜（5）组成光束准直透镜组，第二透镜（4）为特殊加工的积分透镜，用于对激光束进行整形，将圆形激光整形成矩形光斑，光斑能量由近高斯分布改为特定的能量分布。

4.如权利要求1所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、机器人手臂（13）、变位机（14）将激光加工头（11）定位于轴承滚道（15）表面的正上方，并确保滚道（15）表面处于激光加工头（11）的有效加工距离内；

步骤二、机器人手臂（13）搭载激光加工头（11）确定与轴承滚道（15）的相对距离和姿态，变位机（14）搭载轴承工件（12），控制轴承工件（12）匀速转动及轴承滚道（15）表面的线速度为V，并要求轴承滚道（15）表面的线速度V的方向与激光加工头（11）发出的激光束横向扫描方向S方向垂直，并通过计算机控制激光加工头（11）和轴承滚道（15）的相对距离、角度和旋转速度在淬火过程中不变；

步骤三、激光加工头（11）发出的激光束随着轴承工件（12）的匀速转动，使激光加工头（11）发出的激光束在激光加工范围内进行高速扫描，以设定的轨迹与速度对轴承滚道(15)进行激光淬火，直至轴承滚道（15）的表面全部淬火完成；

步骤四、轴承滚道（15）被激光扫描完成后的区域通过冷却介质喷嘴（19）喷洒冷却介质对进行加速冷却，并采用隔板（18）对冷却介质作用区域进行隔离，完成淬火。

5.如权利要求4所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，其特征在于：所述的步骤三的具体实现方法为，激光加工头（11）发出的激光束随着轴承工件（12）的匀速转动，并在长轴的长度在300mm~500mm、短轴的长度在200mm~450mm的激光加工范围内进行高速扫描，扫描速度S为1m/min~20m/min，对轨迹①进行高速扫描，当轨迹①处的轴承滚道（15）的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹②进行高速扫描，当轨迹②处的轴承滚道（15）的表面温度达到淬火温度上限T_m时，激光束跳转至轨迹③并重复相同的扫描操作，直至激光束完成激光加工范围内至轨迹

的高速扫描，当时间t内轨迹①处的轴承辊道（15）表面温度低于设定的温度T_s的最后一道轨迹即为轨迹

，通过旋转X向扫描振镜（7）、Y向扫描振镜（8）使激光束返回轨迹①并从该位置开始重复激光束的高速扫描操作，重复次数N达到设定的轴承工件（12）的淬硬深度，完成激光扫描。

6.根据权利要求4所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，其特征在于，所述的机器人手臂（13）、变位机（14）将激光加工头（11）定位于轴承滚道（15）表面的正上方，并确保轴承滚道（15）表面处于激光加工头（11）的有效加工距离内，同时应选择适当焦距的第四透镜（9）和平场聚焦镜（10），以确保单道激光淬火的横向幅面宽度不低于轴承滚道（15）表面宽度。

7.根据权利要求4所述的基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置的激光淬火方法，其特征在于：在激光淬火之前在轴承滚道（15）表面涂层激光吸收增益的涂层。

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