高壓水流的溫柔一刀

華慶富

水，給我們的印象是溫柔的、軟弱無(wú)力的，類似意思的詞語(yǔ)俯拾皆是：溫柔似水、弱水三千、柔情似水……可是，當(dāng)你稍稍改變一下水的流動(dòng)方式，它竟然也能柔中帶剛，甚至像武林高手一樣，瞬間就能化掌為刀，變指為劍！

自古以來(lái)，人類就利用水流的沖擊力來(lái)制成水車、水磨等水力機(jī)械，讓它們替我們完成一些重復(fù)、繁重的體力活。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。高壓水槍最初被用于采煤工業(yè)，名曰水力采煤。高速噴出的水流受阻于煤層，速度驟然下降，頃刻間會(huì)產(chǎn)生足夠大的沖擊力，使煤層出現(xiàn)脆性斷裂，從而完成采煤作業(yè)。受此啟發(fā)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出高壓水噴流切割技術(shù)，也就是今天我們所說(shuō)的超高壓水刀。

超高壓水刀的基本技術(shù)既簡(jiǎn)單又極為復(fù)雜。普通水經(jīng)過(guò)一個(gè)超高壓加壓器，將水加壓至4.137×108Pa，然后通過(guò)一個(gè)直徑為0.004英寸至0.016英寸的細(xì)小的噴嘴（1英寸=2.54厘米），可產(chǎn)生一道每秒達(dá)915米（約音速的3倍）的水箭，這道水箭可做各種表面處理及切割各種非金屬物質(zhì)，如紙類、紙尿褲、玻璃、纖維、海綿等。而當(dāng)少量的砂（如石榴砂）被加入水射流中與其混合時(shí)，所產(chǎn)生的加砂水射流，幾乎可切割任何硬質(zhì)材料，包括金屬、復(fù)合材料、石材及玻璃。超高壓水刀還運(yùn)用于各種不同的工業(yè)表面處理，如船身清洗及汽車噴漆設(shè)備清洗等。

超高壓水刀對(duì)水、管道、噴口都有比較高的需求。如管道，水刀是用高壓工具把水加壓后射出來(lái)的，必須擁有極高的壓力才能把堅(jiān)硬的材料切開(kāi)，所以管道必須能承受極高的壓強(qiáng)，這個(gè)壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7×108Pa，因?yàn)楸′摪澹ū磺懈畈牧希┍旧砭湍艹惺?×108Pa的壓強(qiáng)。

其次，水刀用的水完全沒(méi)有雜質(zhì)是不行的。因?yàn)樗畨哼h(yuǎn)遠(yuǎn)大于7×108Pa，那么對(duì)于管道等密封設(shè)備而言，無(wú)論密封性能多么好，純水總會(huì)使它們磨損而滲漏。為了解決這個(gè)問(wèn)題，水刀用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。對(duì)于高壓泵，也要加入一些油液提高其密封性能。

水刀的噴嘴是用硬質(zhì)合金、藍(lán)寶石等材料做成的，噴口直徑僅0.05毫米，而且孔內(nèi)壁光滑平整，能承受1.7×109Pa的壓強(qiáng)，所以噴出來(lái)的高壓水能像刀一樣切割材料。有時(shí)往水中還加入一些長(zhǎng)鏈聚合物（如聚乙烯氧化物），用來(lái)增加水的黏度，使噴出的水猶如一條細(xì)線。

水刀的加工精度高，切割寬度只有0.1～0.8毫米，可以加工型面復(fù)雜的零部件，而且加工后的零部件切口光滑整齊，無(wú)須修整，尤其對(duì)易熱變形材料的加工，水刀更具獨(dú)特的優(yōu)越性。

除低成本切割外，水刀還被認(rèn)為是世界上功能最多樣、增長(zhǎng)速度最快的加工技術(shù)。它與其他技術(shù)（銑床、激光、EDM、等離子和刨床）相輔相成。水刀切割不使用有毒的氣體或液體，不會(huì)產(chǎn)生有毒的物質(zhì)或蒸汽。水刀切割表面不留任何熱影響區(qū)域或機(jī)械變形。它是一種真正的多功能、高效率冷切割技術(shù)。

從在石材、玻璃和金屬上切割極薄的細(xì)節(jié)，在鈦合金上快速鉆孔，切割食品，甚至對(duì)飲料和溶液進(jìn)行殺菌消毒，水刀已經(jīng)證明了它獨(dú)一無(wú)二的價(jià)值。

正因?yàn)樗皇堑?，它不像刀具那樣存在磨損問(wèn)題，摻入水噴流中的磨料和廢水可回收使用，設(shè)備又較為簡(jiǎn)單，加工成本低廉，而且加工過(guò)程中引起的振動(dòng)和噪聲都很小，切屑量?jī)H是機(jī)械加工的15%～20%，并且碎屑隨水流走，不會(huì)飛揚(yáng)傷及操作者，因此它有廣闊的用武之地。對(duì)復(fù)合材料的切割是加工中的棘手問(wèn)題，如果采用傳統(tǒng)的加工方法，會(huì)出現(xiàn)分層和撕扯現(xiàn)象，而水刀正是解決這個(gè)問(wèn)題的理想工具。用水刀來(lái)清除部件的陶瓷涂層，效果優(yōu)于機(jī)械方法和化學(xué)方法。水刀可用于沖孔，粉碎材料。船體及螺旋槳表面的附著物、化工管道中的積垢，用水刀來(lái)清洗也很方便。

水刀甚至還可以用于外科手術(shù)。某著名大學(xué)醫(yī)學(xué)院用壓強(qiáng)7×107Pa的水刀在家兔身上做試驗(yàn)表明，它可用于肝、腎等器官的手術(shù)，不會(huì)損傷周圍組織，也不易引起感染。

（編輯 孫世奇）