用于超快激光旋光钻孔的同轴吹吸复合喷嘴

本发明涉及激光精密加工，尤其是涉及用于超快激光旋光钻孔的同轴吹吸复合喷嘴。

背景技术：

1、超快激光具有极短脉冲、高峰值功率及多光子吸收加工等特性，其热影响区小且材料适应性广。在高温合金等难加工材料中，超快激光旋光钻孔具有显著优势（李朋，贺斌，田东坡等.超快激光制孔辅助吹气优化的仿真与实验研究[j]. 激光技术，2018，42(5)、liuy，wen z，li m，et al. a comparative study of auxiliary gases' effects on filmcooling hole machining quality in femtosecond laser helical drilling[j].optics and laser technology，2026）。但深孔加工时，等离子体与加工的微纳颗粒会屏蔽激光能量，并且加工过程产生的残渣排泄不畅，则会导致加工效率与质量严重下降（sun t，fan z，sun x，et al. femtosecond laser drilling of film cooling holes:quantitative analysis and real-time monitoring[j]. journal of manufacturingprocesses，2023，101：990-998），因此必须采用辅助气体进行吹气排渣。

2、目前，激光加工中常用的气体辅助加工方式主要有以下几种类型：

3、1.收敛型喷嘴吹气辅助加工：

4、收敛型喷嘴是当前最广泛使用的辅助气体喷嘴形式，其通道截面积沿气流方向逐渐减小，气流能够加速至亚音速或音速。cn112139661b公开了一种激光加工三维柔性喷嘴，通过同轴吹气方式向激光作用区域输送氮气、氩气等辅助保护气体。cn215880413u公开了一种新型激光切割头同轴吹气气路，引导气体与射入激光同轴向下运动。这类收敛型喷嘴结构简单、制造成本低，在常规激光加工中应用普遍。

5、2.拉瓦尔喷嘴吹气辅助加工：

6、拉瓦尔喷嘴是一种依据空气动力学原理设计的先收缩后扩张的喷嘴结构。其核心特征在于：气流首先经过收敛段加速，在喉部达到音速后进入扩张段进一步加速至超音速（马赫数ma>1），从而产生集中、均匀的超音速气流。

7、拉瓦尔喷嘴在激光加工领域已有研究和应用。相关研究表明，拉瓦尔喷嘴喷出的辅助气流比传统收敛型喷嘴喷出的气流更加笔直与集中，经过结构改进后能减小激波的影响，因此能够有效地促进加工过程中残渣的排出，减少等离子体屏蔽对于激光加工的不利影响。

8、在激光切割领域中，刘建华等分析了传统喷嘴在较高供气压力下产生激波的原因及激波对切割工艺的不良影响，提出了一种包括稳定段、收缩段、喉部、扩张段四部分的拉瓦尔喷嘴设计方法（刘建华，陈一坚，段军，等. 激光切割超音速喷嘴设计[j]. 激光技术，2000(1)）。有研究应用阶面层理论和小扰动稳定性理论分析了激光切割前沿熔融层控制方程，指出拉瓦尔喷嘴出流特点为流体速度高而压力较低。cn101104222a公开了一种用于激光切割的超音速喷嘴，包括平行段、收敛段、喉部和发散段。

9、3.旁轴吹气与双路辅助吹气：

10、旁轴吹气是指辅助气体从激光束轴线的侧方向加工区域吹送，气体喷射方向与激光束轴线呈一定角度。双路辅助吹气则是在单一吹气方式基础上，有研究者提出了双路辅助吹气的方案，将同轴吹气与旁轴吹气结合的方式辅助加工。相关研究表明，双路辅助吹气不但可以提升加工效率，同时也有助于工件表面洁净度的提升（李朋，贺斌，田东坡等. 超快激光制孔辅助吹气优化的仿真与实验研究[j]. 激光技术，2018，42(5)）。

11、4.带吸气功能的激光加工装置：

12、部分现有技术已在激光加工装置中引入了吸气或负压功能。例如，cn108326450b公开了一种激光加工机，其喷嘴主体上形成有供气口和与供气口对置的排气口，以横断激光的形式沿着从供气口到排气口的气体流路向喷嘴内部供给气体，从而使喷嘴主体前端的开口部附近产生负压。cn202110644477公开了一种飞秒激光加工喷嘴切向孔的装置，包括吸尘装置、过滤系统、抽真空泵等。

13、上述现有技术方案虽然在一定程度上解决了激光加工过程中的排渣和防护问题，但仍存在以下不足：

14、（1）收敛型喷嘴在深孔加工中气流发散严重、排渣效率不足：

15、收敛型喷嘴虽然结构简单，但其喷出的气流速度有限（通常为亚音速），且射流在离开喷嘴后迅速发散。在超快激光旋光钻孔的深孔加工中，发散的气流难以将孔底部的熔渣有效吹出，尤其是当加工深径比较大的微孔时，到达孔底的气流动能已大幅衰减，排渣效果急剧下降[14]。虽然拉瓦尔喷嘴已在激光切割领域得到应用，但在激光钻孔这一特定加工场景中，尚无针对性的拉瓦尔喷嘴结构设计（he c，bühring j，gillner a. helicaldrilling of three-dimensional conical converging-diverging nozzle in steelusing ultrashort laser pulses[j]. elsevier，2018）。

16、（2）现有拉瓦尔喷嘴未与吸气功能进行同轴集成：

17、目前文献中报道的拉瓦尔喷嘴主要用于激光切割场景，其功能为单一的吹气排渣。拉瓦尔喷嘴产生的超音速气流具有流速高、挺度好等优点，但现有设计均未将拉瓦尔吹气结构与吸气结构进行同轴复合集成。在超快激光旋光钻孔中，单一吹气方式即使采用超音速气流，超音速气流在孔内可能产生复杂的激波结构，影响激光束传输稳定性，吹出的粉尘和飞溅物缺乏主动收集手段，易污染光学系统和工件表面，并且加工区域的等离子体无法被及时抽离。

18、近年来，国外学者在激光加工喷嘴领域开展了大量研究。us10562131b2提出了一种在喷嘴内部形成横断激光束的气体流路以产生负压的喷嘴结构；jp6920237b2公开了一种将拉瓦尔喷嘴偏离激光束轴线布置的激光加工喷嘴；jp2023130581a提出了一种出口开口面相对于喷嘴中心轴垂直面倾斜的喷嘴结构，能够根据加工对象的姿态提供适当的滞止压力。这些研究表明，将吹气与吸气功能集成以及拉瓦尔喷嘴的优化设计已成为国际上的研究热点。

19、（3）拉瓦尔喷嘴应用于超快激光旋光钻孔时存在适配性问题：

20、现有拉瓦尔喷嘴主要针对连续激光切割或长脉冲激光加工设计。超快激光旋光钻孔具有脉冲宽度极短、光束高速旋转扫描、单脉冲能量低但峰值功率极高等特点，其排渣需求和气流组织要求与连续切割有显著差异。现有拉瓦尔喷嘴的设计参数（如喉部直径、出口面积比、设计出口马赫数等）并非针对超快激光旋光钻孔优化，直接套用可能导致气流与激光束的时空匹配不佳，超音速气流对超快激光的传输产生非线性扰动与无法适应旋光钻孔中光束旋转扫描的动态过程。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于超快激光旋光钻孔的同轴吹吸复合喷嘴，利用拉瓦尔喷嘴超音速吹气实现高效深孔排渣，同时通过同轴环形吸气实现微小颗粒的实时收集以保障环境安全与加工质量，并通过吹吸独立调控，使该喷嘴能够完美适配超快激光旋光钻孔的特殊工艺需求，最终以高度集成化的结构实现低成本、高效率、高安全性的精密加工。

2、为实现上述目的，本发明提供了用于超快激光旋光钻孔的同轴吹吸复合喷嘴，所述同轴吹吸复合喷嘴包括同轴设置的中心吹气通道和环形吸气通道，中心吹气通道设置在轴心，中心吹气通道外部设置有环绕中心吹气通道的环形吸气通道；

3、所述中心吹气通道为拉瓦尔喷嘴结构，沿气流方向依次为收缩段和扩张段；收缩段和扩张段连接处为喉部；收缩段通过减小流通面积使进入喷嘴的亚音速气流逐渐加速，当入口压力达到临界压力比条件时，气流在最小截面喉部达到音速；气流进入扩张段，在面积逐渐增大的作用下发生超音速膨胀加速，使气流速度进一步提高并形成稳定超音速射流；

4、所述环形吸气通道包括环形吸气腔室和侧向吸气接口，环形吸气腔室侧面设置有侧向吸气接口，侧向吸气接口与环形吸气腔室连通。

5、进一步地，所述收缩段的入口内径为d1，喉部直径为d2，扩张段出口直径为d3，喷嘴总高度为l1，扩张段高度为l3；其中，扩张段出口马赫数ma由喉部与扩张段出口的面积比控制，计算公式为：

6、；

7、其中：

8、

a2为拉瓦尔喷嘴喉部的截面积；

9、

a3为拉瓦尔喷嘴扩张段出口的截面积；

10、

γ为辅助气体的定压比热容与定容比热容之比（当辅助气体为空气时，

γ取值为1.4）；

11、

m

a为喷嘴出口的气流马赫数，根据实际提供最大入口气压与出口环境背压，确定合适出口马赫数；

12、所述拉瓦尔喷嘴的扩张段高度l3的计算公式为：

13、；

14、其中：

15、

α为拉瓦尔喷嘴扩张段全角；

16、喷嘴总高度l1与喷嘴入口内径d1的根据实际加工距离和安装空间尺寸决定。

17、进一步地，所述收缩段顶部与旋光平台设备的稳压腔连接，压缩气体经稳压腔稳压后进入收缩段，以保证进入拉瓦尔吹气通道的气流压力稳定、流动均匀。

18、进一步地，所述环形吸气腔室的环形通道宽度l2，高度h1，环形通道与喷嘴出口横截面夹角为

β；l2、h1、

β根据实际喷嘴中心段结构和安装空间尺寸确定。

19、进一步地，所述中心吹气通道和环形吸气通道相互隔离不连通。

20、进一步地，所述环形吸气腔室的底部设置为圆角，并设置为喇叭状。

21、进一步地，所述侧向吸气接口设置为n个，n≥2，n个侧向吸气接口圆周阵列分布在环形吸气腔室侧面。

22、进一步地，所述侧向吸气接口设置为2个，2个侧向吸气接口对称分布在环形吸气腔室两侧。

23、本发明还提供了同轴吹吸复合喷嘴的使用方法，步骤如下：

24、步骤s1，安装与对光：

25、将同轴吹吸复合喷嘴主体固定安装于超快激光旋光稳压腔上，调整喷嘴位置，确保激光束的光轴与喷嘴的中心吹气通道的几何中心轴严格同轴；超快激光束经旋光系统后，变为旋转的聚焦光束，穿过中心吹气通道，从底部出口射出后照射在待加工的工件表面。

26、步骤s2，开启辅助气源和真空泵：

27、启动激光器的同时，开启外部高压气瓶和真空泵，根据加工材料和工艺要求，通过气瓶减压阀和真空泵变频器预设吹气供气压力和吸气流量；

28、步骤s3，超音速吹气过程：

29、压缩空气从顶部中心入口进入中心吹气通道，经过拉瓦尔喷嘴结构的收缩段时逐渐加速，在喉部达到音速，进入扩张段后进一步膨胀加速，最终从底部出口喷射出超音速射流，超音速射流垂直向下冲击超快激光旋光钻孔的加工区域；形成集中、稳定的超音速射流，能够有效穿透深孔，将孔底部的熔渣、等离子体和粉尘沿孔壁强力吹出。

30、步骤s4，外部真空泵吸气过程：

31、与外部真空泵相连的环形吸气腔室内形成持续的负压环境，通过环形吸气腔室，将加工区域产生的熔融溅射物、微细碎屑、超快激光诱导产生的等离子体羽流以及吹扫后的空气一同吸入环形腔室，并最终从吸气接口经管道排出。

32、本发明所述的用于超快激光旋光钻孔的同轴吹吸复合喷嘴的优点和积极效果是：

33、1、本发明通过在喷嘴主体内部设置收缩扩张型拉瓦尔吹气通道，产生超音速射流辅助吹气，解决现有收敛型喷嘴在大深径比微孔加工中气流发散、排渣困难的问题。

34、2、本发明通过同轴套设于拉瓦尔吹气通道外部的环形吸气通道，在加工区域周围形成负压环境以实时抽吸加工产生的微小颗粒，避免其飘散至环境或污染光学系统，保障操作安全与加工稳定性。

35、3、本发明通过设置相互隔离的拉瓦尔吹气管路和环形吸气管路，分别配置独立接口，实现吹气压力与吸气负压的独立精确调控，以适应不同材料、不同加工阶段的工艺需求，发挥“超音速吹气强力排渣+负压吸气安全除尘”的协同效应。

36、4、本发明通过优化拉瓦尔吹气通道的几何参数，使其与超快激光旋光钻孔中光束高速旋转扫描、深径比大等特殊工艺需求相匹配，保证整周加工质量的一致性。

37、5、本发明通过将拉瓦尔吹气结构与环形吸气结构集成于同一喷嘴主体内，取代传统分离式吹气装置和外置吸尘装置，减小设备占用空间，简化气路连接，降低制造成本和维护难度。

38、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。