高壓水射流切割技術原理及其應用研究

葛軍

（北京北方車輛集團有限公司，北京 100072）

高壓水射流切割技術是近幾年發(fā)展起來的一種高科技、新型切割技術，憑借清潔安全、高效、強勁等特點，在中國的采礦業(yè)、機械制造業(yè)、航天業(yè)、軍工等行業(yè)占據(jù)一席之地。

1 水射流技術和高壓水射流技術

中國古代就有“天下莫柔于水，馳騁天下之至堅“的名句及“水滴石穿“的成語，這些都包含有以柔克剛的觀念。水射流切割技術和高壓水射流切割技術就是這一觀念的延伸和實踐。

水射流切割技術，顧名思義就是利用水來切割某些物質的技術。這一技術的實現(xiàn)，通常情況下要靠一些裝置或設備來完成，主要設備有發(fā)動機、增壓器或者水泵、噴嘴、開關等。通過這幾個裝置之間動能的相互轉化，最終使水具有強大沖擊力，之后便可對特定物質進行切割。

高壓水射流切割技術，就是利用高壓發(fā)生裝置及恒壓系統(tǒng)，來進行水射流切割，這種技術一般要增壓器的增壓能力要相當強大，設備功率相對也就大，同時為提高切割質量，在高壓水中添加了固體磨料，達到了提高切割速度和質量的目的。

2 高壓水射流切割技術的發(fā)展概況

采礦業(yè)是高壓水射流切割技術的源頭。在19世紀中葉，高壓水射流技術第一次被北美人用來開采質地較為疏松的礦床。而中國應用高壓水射流切割技術來開采礦石，要追溯到20世紀50年代，當時前蘇聯(lián)和中國的專家們利用水射流的沖擊和輸送作用，進行礦石的開發(fā)，這些技術都大大提高了采礦業(yè)的工作效率。然而，這一時期的水射流技術仍舊屬于低壓水射流。

20世紀60-70年代，人們漸漸開始利用增壓裝置，如增壓器、高壓泵、高壓管件等，來完成水射流技術由低壓向高壓的過渡。當然這一時期的水射流技術還是普遍在采礦業(yè)中使用。

到了70-80年代，高壓水射流技術才逐漸向清洗、切割等行業(yè)發(fā)展。隨著人們研究的逐漸深入和科技的不斷發(fā)展，20世紀80-90年代，水射流技術已經(jīng)發(fā)展成為一種產(chǎn)品，并且有各種方式，主要包括磨料射流、自激振動射流、空化射流等。水射流技術成為一種可以面向市場直接銷售的商品。

3 高壓水射流切割技術的工作原理

高壓水射流切割技術很大程度上是靠各種物理動能的相互作用和相互轉化來完成。所以就應該有相應的設備，這些設備主要有：發(fā)動機、轉能設備、開關、噴嘴等。

那么這些設備是如何運作實現(xiàn)切割的呢？這就要說道高壓水射流切割技術的工作原理：

首先，要有一個發(fā)動機，這個發(fā)動機可以是電機、內(nèi)燃機，或者是油料機，通過一些高壓泵或增壓器等轉能設備（注：當壓力小于70MP時，用多級離心泵或者柱塞泵都是可以的；當壓力大于70MP時，就要用增壓器或者動壓式水炮。），將發(fā)動機的機械能轉變成為壓力能。

第二，利用帶有開關的噴嘴，噴射出高速射流，將壓力能轉化為動能。

最后，材料被高壓水射流沖擊切割后，動能直接轉變?yōu)樽饔糜诒磺懈畹牟牧媳砻娴膲毫δ堋?/p>

實際上，高壓水射流切割技術就是利用水的射流（0.80～1.50mm），通過壓力發(fā)生裝置，使得水聚集，通常情況下，噴射速度可以達到600～800m/s，已經(jīng)大于2馬赫。通過這些數(shù)據(jù)，我們能夠想象到當水經(jīng)過加工后，噴射出來時的沖擊力完全可以對任何材料完成切割。

4 高壓水射流切割技術的應用

4.1 高壓水射流技術在機械制造業(yè)方面的應用。隨著高壓水射流切割系統(tǒng)的不斷更新發(fā)展，經(jīng)過增壓裝置加工后，從噴嘴處射出的水速度相當快，甚至可以達到音速的3倍。這種高速的沖擊力完全可以切割各種各樣的材料，比如大理石、陶瓷、還有一些質地較好的金屬等硬質材料；泡沫、塑料、橡膠等軟質材料，還有玻璃等脆質材料。經(jīng)過高壓水射流切割后，切口處的材料結構組織性能不會改變。同時，由于高壓水射流是一種具備“冷、軟“等加工性能的技術，所以在切割的過程中，沒有傳統(tǒng)切割機的熱能高，故而被切割的材料也不會發(fā)生熱變形。在機械制造業(yè)中，經(jīng)常需要切割各種不同質地的材料，并且因為行業(yè)本身對于切割標準的高要求，高壓水射流切割技術在機械制造業(yè)被廣泛使用。

4.2 高壓水射流切割技術在醫(yī)學領域的應用。當前在醫(yī)學領域，高壓水射流技術應用還不太普遍，但已經(jīng)有了一定成果。在這些成果中，最突出的應該是臨床醫(yī)學中的水射流手術刀和水射流無針注射器。這兩項技術，能夠提高醫(yī)院的工作效率。比如在注射預防針類的藥水時，水射流注射器在一個小時內(nèi)，就可以完成500多人的注射工作。并且不需要更換針頭，大大節(jié)省了患者和醫(yī)生的時間。同時，這種注射器與注射者不會有任何接觸，所以更加安全衛(wèi)生，降低了疾病傳染的可能性。

4.3 高壓水射流切割技術在軍事和消防領域的應用。軍事和消防是兩個危險性高、精確度要求也高的行業(yè)。高壓水射流切割技術是一種獨特的冷切割技術，它通常被用來切割高溫、易燃易爆、地雷、核武等不需要產(chǎn)生火花的地方。通過高壓水射流的切割，爆炸物的危險性會被解除的同時，也能夠降低操作人員的傷亡概率。

4.4 高壓水射流切割技術在石油化工工業(yè)領域的運用。石油化工工業(yè)危險系數(shù)也極高，操作不當或者設備質量和技術不高的情況下，往往會產(chǎn)生爆炸或者泄露，嚴重威脅人的生命。在開采石油的過程中，經(jīng)常會遇到不同質地的巖石或海底礁石，運用高壓水射流切割技術，可以進行高難度石油開采，并且安全有效。化工工業(yè)就更需要高壓水射流切割技術了，各種化學物質在這里交織，管道錯綜復雜，而水幾乎可以溶解各種化學物質，所以利用高壓水射流切割技術會更安全。

4.5 高壓水射流切割技術在航空航天方面的應用。航空航天業(yè)要求精準、無誤差，所以在選擇切割技術時，這是這個行業(yè)首先考慮的問題。航天材料經(jīng)過高壓水射流切割技術不會結構組織不會變。更不會發(fā)生熱變化。我國航天航空部門，曾經(jīng)多次從技術先進的美國引進高質量的高壓水射流切割系統(tǒng)，主要用于切割航天玻璃、碳纖維、鈦合金以及各種復合和特種材料。切割后，可以保證質量，同時也很經(jīng)濟。

結語

高壓水射流切割技術在我國還是一項新的技術，由于相關切割核心理論問題及耐超高壓部件制造還未完全解決，所以中國很多行業(yè)所用的高壓水射流切割系統(tǒng)多是從外國引進的。所以相對于技術已經(jīng)相對成熟的美國、日本等發(fā)達國家，我們在高壓水射流切割技術的發(fā)展和創(chuàng)新上，還有很長的路要走。

[1]楊志，陳世明，張毅君，李滿.高壓水射流技術的發(fā)展及應用[J].機械管理開發(fā)，2009，24（5），87-89.

[2]劉忠偉.高壓水射流技術綜述[J].湖南冶金職業(yè)技術學院學報，2005，5（3），330-333.

[3]靳曉明，郭睿智.高壓水射流技術在制造業(yè)的應用（基金項目）[J].中國科技信息，2012（12），163-164.