葛軍

（北京北方車(chē)輛集團(tuán)有限公司，北京 100072）

高壓水射流切割技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種高科技、新型切割技術(shù)，憑借清潔安全、高效、強(qiáng)勁等特點(diǎn)，在中國(guó)的采礦業(yè)、機(jī)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(shù)和高壓水射流技術(shù)

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

水射流切割技術(shù)，顧名思義就是利用水來(lái)切割某些物質(zhì)的技術(shù)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，通常情況下要靠一些裝置或設(shè)備來(lái)完成，主要設(shè)備有發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓器或者水泵、噴嘴、開(kāi)關(guān)等。通過(guò)這幾個(gè)裝置之間動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，最終使水具有強(qiáng)大沖擊力，之后便可對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行切割。

高壓水射流切割技術(shù)，就是利用高壓發(fā)生裝置及恒壓系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行水射流切割，這種技術(shù)一般要增壓器的增壓能力要相當(dāng)強(qiáng)大，設(shè)備功率相對(duì)也就大，同時(shí)為提高切割質(zhì)量，在高壓水中添加了固體磨料，達(dá)到了提高切割速度和質(zhì)量的目的。

2 高壓水射流切割技術(shù)的發(fā)展概況

采礦業(yè)是高壓水射流切割技術(shù)的源頭。在19世紀(jì)中葉，高壓水射流技術(shù)第一次被北美人用來(lái)開(kāi)采質(zhì)地較為疏松的礦床。而中國(guó)應(yīng)用高壓水射流切割技術(shù)來(lái)開(kāi)采礦石，要追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)和中國(guó)的專(zhuān)家們利用水射流的沖擊和輸送作用，進(jìn)行礦石的開(kāi)發(fā)，這些技術(shù)都大大提高了采礦業(yè)的工作效率。然而，這一時(shí)期的水射流技術(shù)仍舊屬于低壓水射流。

20世紀(jì)60-70年代，人們漸漸開(kāi)始利用增壓裝置，如增壓器、高壓泵、高壓管件等，來(lái)完成水射流技術(shù)由低壓向高壓的過(guò)渡。當(dāng)然這一時(shí)期的水射流技術(shù)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(shù)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(jì)80-90年代，水射流技術(shù)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(dòng)射流、空化射流等。水射流技術(shù)成為一種可以面向市場(chǎng)直接銷(xiāo)售的商品。

3 高壓水射流切割技術(shù)的工作原理

高壓水射流切割技術(shù)很大程度上是靠各種物理動(dòng)能的相互作用和相互轉(zhuǎn)化來(lái)完成。所以就應(yīng)該有相應(yīng)的設(shè)備，這些設(shè)備主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)能設(shè)備、開(kāi)關(guān)、噴嘴等。

那么這些設(shè)備是如何運(yùn)作實(shí)現(xiàn)切割的呢？這就要說(shuō)道高壓水射流切割技術(shù)的工作原理：

首先，要有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以是電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)，或者是油料機(jī)，通過(guò)一些高壓泵或增壓器等轉(zhuǎn)能設(shè)備（注：當(dāng)壓力小于70MP時(shí)，用多級(jí)離心泵或者柱塞泵都是可以的；當(dāng)壓力大于70MP時(shí)，就要用增壓器或者動(dòng)壓式水炮。），將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成為壓力能。

第二，利用帶有開(kāi)關(guān)的噴嘴，噴射出高速射流，將壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

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

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

4 高壓水射流切割技術(shù)的應(yīng)用

4.1 高壓水射流技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)方面的應(yīng)用。隨著高壓水射流切割系統(tǒng)的不斷更新發(fā)展，經(jīng)過(guò)增壓裝置加工后，從噴嘴處射出的水速度相當(dāng)快，甚至可以達(dá)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(zhì)地較好的金屬等硬質(zhì)材料；泡沫、塑料、橡膠等軟質(zhì)材料，還有玻璃等脆質(zhì)材料。經(jīng)過(guò)高壓水射流切割后，切口處的材料結(jié)構(gòu)組織性能不會(huì)改變。同時(shí)，由于高壓水射流是一種具備“冷、軟“等加工性能的技術(shù)，所以在切割的過(guò)程中，沒(méi)有傳統(tǒng)切割機(jī)的熱能高，故而被切割的材料也不會(huì)發(fā)生熱變形。在機(jī)械制造業(yè)中，經(jīng)常需要切割各種不同質(zhì)地的材料，并且因?yàn)樾袠I(yè)本身對(duì)于切割標(biāo)準(zhǔn)的高要求，高壓水射流切割技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)被廣泛使用。

4.2 高壓水射流切割技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高壓水射流技術(shù)應(yīng)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(yīng)該是臨床醫(yī)學(xué)中的水射流手術(shù)刀和水射流無(wú)針注射器。這兩項(xiàng)技術(shù)，能夠提高醫(yī)院的工作效率。比如在注射預(yù)防針類(lèi)的藥水時(shí)，水射流注射器在一個(gè)小時(shí)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(shí)間。同時(shí)，這種注射器與注射者不會(huì)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(shù)在軍事和消防領(lǐng)域的應(yīng)用。軍事和消防是兩個(gè)危險(xiǎn)性高、精確度要求也高的行業(yè)。高壓水射流切割技術(shù)是一種獨(dú)特的冷切割技術(shù)，它通常被用來(lái)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(guò)高壓水射流的切割，爆炸物的危險(xiǎn)性會(huì)被解除的同時(shí)，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(shù)在石油化工工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用。石油化工工業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)也極高，操作不當(dāng)或者設(shè)備質(zhì)量和技術(shù)不高的情況下，往往會(huì)產(chǎn)生爆炸或者泄露，嚴(yán)重威脅人的生命。在開(kāi)采石油的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到不同質(zhì)地的巖石或海底礁石，運(yùn)用高壓水射流切割技術(shù)，可以進(jìn)行高難度石油開(kāi)采，并且安全有效?；すI(yè)就更需要高壓水射流切割技術(shù)了，各種化學(xué)物質(zhì)在這里交織，管道錯(cuò)綜復(fù)雜，而水幾乎可以溶解各種化學(xué)物質(zhì)，所以利用高壓水射流切割技術(shù)會(huì)更安全。

4.5 高壓水射流切割技術(shù)在航空航天方面的應(yīng)用。航空航天業(yè)要求精準(zhǔn)、無(wú)誤差，所以在選擇切割技術(shù)時(shí)，這是這個(gè)行業(yè)首先考慮的問(wèn)題。航天材料經(jīng)過(guò)高壓水射流切割技術(shù)不會(huì)結(jié)構(gòu)組織不會(huì)變。更不會(huì)發(fā)生熱變化。我國(guó)航天航空部門(mén)，曾經(jīng)多次從技術(shù)先進(jìn)的美國(guó)引進(jìn)高質(zhì)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(fù)合和特種材料。切割后，可以保證質(zhì)量，同時(shí)也很經(jīng)濟(jì)。

結(jié)語(yǔ)

高壓水射流切割技術(shù)在我國(guó)還是一項(xiàng)新的技術(shù)，由于相關(guān)切割核心理論問(wèn)題及耐超高壓部件制造還未完全解決，所以中國(guó)很多行業(yè)所用的高壓水射流切割系統(tǒng)多是從外國(guó)引進(jìn)的。所以相對(duì)于技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟的美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，我們?cè)诟邏核淞髑懈罴夹g(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新上，還有很長(zhǎng)的路要走。

[1]楊志，陳世明，張毅君，李滿(mǎn).高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2009，24（5），87-89.

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[3]靳曉明，郭睿智.高壓水射流技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用（基金項(xiàng)目）[J].中國(guó)科技信息，2012（12），163-164.