激光淬火硬化层的均匀性是生产应用中评价表面硬化质量的重要指标。受限于传统高斯光束的能量分布特性,淬火后硬化层呈现“月牙”形貌,平顶矩形光斑用于淬火加工可以克服能量在时间和空间上注入的不均匀性,但是由于光斑边缘较大的横向导热损耗导致两侧硬化深度仍浅于中心。本文从提升激光淬火硬化层的均匀性出发,提出了基于振镜变速扫描调控“鞍形”光场输出的宽带激光淬火方案,主要研究内容如下:(1)进行了振镜重复变速扫描的激光淬火数值模拟。建立了重复变速扫描的等效热作用光场模型,并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程的温度场。重点分析了振镜扫描的变速系数和变速区域对淬硬层均匀性的影响,仿真结果表明,增大变速系数以及变速区域,可以加深淬火带两端的硬化深度。优化了不同宽度区域实现硬化层匀化的变速扫描方式,相较匀速扫描,优化后的变速扫描工艺显著提升了硬化层的均匀性。(2)设计了基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统,并开展了重复变速扫描的激光淬火实验研究。以等变速区域、不同变速系数的原则设计实验,淬火区域宽10 mm,取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界,当两端变速区域宽2.5 mm、变速系数为0.8时获得硬化层的匀化宽度为5.1 mm,相较振镜匀速扫描的匀化宽度3.6 mm约提升42%,实验结果与仿真基本一致。(3)开展了移动式振镜变速扫描的宽带激光淬火实验研究。在重复变速扫描的工艺基础上,通过增设水平面内垂直于振镜偏转方向的位移,完成了不同宽度的大面积区域淬火。实验结果表明,宽度为10 mm、20 mm和30 mm的区域在振镜变速扫描后,淬硬层横截面的匀化宽度分别由匀速扫描后的4.2 mm、9.5 mm、18.2 mm提升至6.3 mm、11.6 mm、24.9 mm,淬硬层的“月牙”形貌得到显著改善。通过合理匹配工件的移动速度和振镜扫描速度,淬火主体区域在工件移动方向上也保持有良好的底面平整度和均匀的硬度分布。