随着半导体激光器功率的不断提高和光束质量的不断改善,半导体激光器在表面改性中的应用越来越广泛,同时直接输出的半导体激光器由于其输出波长较短,光电转化效率和材料吸收率较高等优势,已经大量应用于汽车、模具、五金、轻工、机械制造等众多行业。激光相变硬化技术作为材料表面改性技术中的一个重要环节,解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题,其技术优势越来越明显。然而,影响激光相变硬化工艺质量的因素很多,导致在实际应用中控制马氏体相变层质量的难度较大,从而制约了激光相变硬化技术的应用。为了简化激光相变硬化工艺的探索,提高马氏体相变硬化层的质量,本文根据温度可控的激光加工工艺的需求,搭建了可以实现激光加工温度控制的大功率半导体直接输出激光加工平台。在该硬件平台的基础上,基于Labwindows/CVI的开发环境开发了可以实现激光加工各工艺参数数字化控制的LaserM主控软件;并且设计了用于激光加工过程中温度控制的模糊控制算法。以所开发装备为实验平台,进行了常规的恒定激光功率输出模式和温度控制模式下的激光相变硬化的对比实验,该实验表明温度可控模式下的激光相变硬化层深度和硬度的一致性要优于常规的恒定激光功率输出模式;进行了温度可控模式下的激光相变硬化工艺的正交实验,实验结果表明,相变硬化层深度与控制温度和激光光斑宽度呈正相关,随着激光扫描速度的增加,硬化层深度先增大后减小;为了得到较深的硬化层深度,并且进一步探索扫描速度对激光相变硬化层深度的影响,又进行了温度控制模式下的激光相变硬化工艺优化实验,实验获得了硬化层深度为1.25mm左右的相变硬化层;对试样的金相组织分析表明,受冷却速度影响产生的激光相变硬化区成分、组织的差异是造成硬化层深度和硬度不同的原因。为了进一步探索扫描速度和激光相变硬化控制温度对马氏体相变硬化层的影响,基于非平衡态的奥氏体转化温度和马氏体临界转化速度两个条件为马氏体生成的判断依据,建立了基于COMSOL Multiphysics软件的三维激光相变硬化数值分析模型,探讨了激光加工参数对硬化层深度的影响,与实验结果对比发现,该模型能够较为准确预测温度控制模式下的激光相变硬化层深度。