随着对材料表面耐磨损、耐腐蚀和抗疲劳等性能要求的提高,采用高功率激光束进行工件表面改性强化已成为材料加工领域的研究热点。宽带激光技术得到的激光输出模式和形貌分布均匀,且一次性处理区域大,可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命,在航空航天、冶金、工程机械以及石油石化等行业具有广阔的应用前景。本课题针对宽带激光束的光斑形貌、能量密度分布特点和激光熔凝层尺寸特征,建立了切合实际的宽带热源模型。基于弹塑性理论、金属物理学和力学基本理论,结合试验分析,研究了42CrMo合金钢、轧辊表面宽带激光熔凝的热-力学过程和熔凝区的残余应力及熔凝层的开裂倾向。采用扫描电子显微镜、显微硬度计和光弹试验仪等设备,观察熔凝层显微组织,测定了熔凝层显微硬度和热影响区残余应力。结合激光宽带熔凝试验,采用SYSWELD有限元软件对激光熔凝温度场、组织转变、硬度和应力场进行了数值模拟计算。激光熔凝加工是一个快速加热和快速冷却的过程,加热阶段的最大升温速率接近1.3×10~4℃/s,冷却阶段的最大冷却速率达7×10~3℃/s。激光熔凝层由熔化区、相变区和回火区组成,且熔化区初始的铁素体+珠光体组织绝大部分均转变为细针状马氏体,使得显微硬度值提高2.5~3倍,但在热影响区存在残余应力集中现象。42CrMo钢激光熔凝后,熔凝区马氏体相的体积比例高达90%以上,理论分析结果表明,马氏体相变伴随的尺寸膨胀效应使熔化区易于获得残余压应力。当激光功率P= 3500W左右,扫描速率v= 600mm/min~1000mm/min,线能量密度ρE= 20.9J/mm~2~35.0J/mm~2时,熔凝表层具有均匀的组织结构,表面成型质量良好,且在熔化区可获得有利的压应力分布。搭接率对轧辊熔凝层相变和力学性能的影响较小,但叠道扫描的搭接区存在一定程度的软化现象;分析表明,搭接率控制在0~20%以内有利于提高熔凝工件的硬度及耐磨擦、磨损性能。激光熔凝层的最大压应力幅值出现在熔化区与相变区的边界处;热影响区则呈现残余拉应力,在相变区与回火区之间的区域存在着最大残余拉应力和最大的Von Mises应力值,裂纹易于在此处萌生和扩展。实测数据与数值模拟结果两者之间有着良好的一致性。