高压水射流切割技术原理及其应用研究

葛军

（北京北方车辆集团有限公司，北京 100072）

高压水射流切割技术是近几年发展起来的一种高科技、新型切割技术，凭借清洁安全、高效、强劲等特点，在中国的采矿业、机械制造业、航天业、军工等行业占据一席之地。

1 水射流技术和高压水射流技术

中国古代就有“天下莫柔于水，驰骋天下之至坚“的名句及“水滴石穿“的成语，这些都包含有以柔克刚的观念。水射流切割技术和高压水射流切割技术就是这一观念的延伸和实践。

水射流切割技术，顾名思义就是利用水来切割某些物质的技术。这一技术的实现，通常情况下要靠一些装置或设备来完成，主要设备有发动机、增压器或者水泵、喷嘴、开关等。通过这几个装置之间动能的相互转化，最终使水具有强大冲击力，之后便可对特定物质进行切割。

高压水射流切割技术，就是利用高压发生装置及恒压系统，来进行水射流切割，这种技术一般要增压器的增压能力要相当强大，设备功率相对也就大，同时为提高切割质量，在高压水中添加了固体磨料，达到了提高切割速度和质量的目的。

2 高压水射流切割技术的发展概况

采矿业是高压水射流切割技术的源头。在19世纪中叶，高压水射流技术第一次被北美人用来开采质地较为疏松的矿床。而中国应用高压水射流切割技术来开采矿石，要追溯到20世纪50年代，当时前苏联和中国的专家们利用水射流的冲击和输送作用，进行矿石的开发，这些技术都大大提高了采矿业的工作效率。然而，这一时期的水射流技术仍旧属于低压水射流。

20世纪60-70年代，人们渐渐开始利用增压装置，如增压器、高压泵、高压管件等，来完成水射流技术由低压向高压的过渡。当然这一时期的水射流技术还是普遍在采矿业中使用。

到了70-80年代，高压水射流技术才逐渐向清洗、切割等行业发展。随着人们研究的逐渐深入和科技的不断发展，20世纪80-90年代，水射流技术已经发展成为一种产品，并且有各种方式，主要包括磨料射流、自激振动射流、空化射流等。水射流技术成为一种可以面向市场直接销售的商品。

3 高压水射流切割技术的工作原理

高压水射流切割技术很大程度上是靠各种物理动能的相互作用和相互转化来完成。所以就应该有相应的设备，这些设备主要有：发动机、转能设备、开关、喷嘴等。

那么这些设备是如何运作实现切割的呢？这就要说道高压水射流切割技术的工作原理：

首先，要有一个发动机，这个发动机可以是电机、内燃机，或者是油料机，通过一些高压泵或增压器等转能设备（注：当压力小于70MP时，用多级离心泵或者柱塞泵都是可以的；当压力大于70MP时，就要用增压器或者动压式水炮。），将发动机的机械能转变成为压力能。

第二，利用带有开关的喷嘴，喷射出高速射流，将压力能转化为动能。

最后，材料被高压水射流冲击切割后，动能直接转变为作用于被切割的材料表面的压力能。

实际上，高压水射流切割技术就是利用水的射流（0.80～1.50mm），通过压力发生装置，使得水聚集，通常情况下，喷射速度可以达到600～800m/s，已经大于2马赫。通过这些数据，我们能够想象到当水经过加工后，喷射出来时的冲击力完全可以对任何材料完成切割。

4 高压水射流切割技术的应用

4.1 高压水射流技术在机械制造业方面的应用。随着高压水射流切割系统的不断更新发展，经过增压装置加工后，从喷嘴处射出的水速度相当快，甚至可以达到音速的3倍。这种高速的冲击力完全可以切割各种各样的材料，比如大理石、陶瓷、还有一些质地较好的金属等硬质材料；泡沫、塑料、橡胶等软质材料，还有玻璃等脆质材料。经过高压水射流切割后，切口处的材料结构组织性能不会改变。同时，由于高压水射流是一种具备“冷、软“等加工性能的技术，所以在切割的过程中，没有传统切割机的热能高，故而被切割的材料也不会发生热变形。在机械制造业中，经常需要切割各种不同质地的材料，并且因为行业本身对于切割标准的高要求，高压水射流切割技术在机械制造业被广泛使用。

4.2 高压水射流切割技术在医学领域的应用。当前在医学领域，高压水射流技术应用还不太普遍，但已经有了一定成果。在这些成果中，最突出的应该是临床医学中的水射流手术刀和水射流无针注射器。这两项技术，能够提高医院的工作效率。比如在注射预防针类的药水时，水射流注射器在一个小时内，就可以完成500多人的注射工作。并且不需要更换针头，大大节省了患者和医生的时间。同时，这种注射器与注射者不会有任何接触，所以更加安全卫生，降低了疾病传染的可能性。

4.3 高压水射流切割技术在军事和消防领域的应用。军事和消防是两个危险性高、精确度要求也高的行业。高压水射流切割技术是一种独特的冷切割技术，它通常被用来切割高温、易燃易爆、地雷、核武等不需要产生火花的地方。通过高压水射流的切割，爆炸物的危险性会被解除的同时，也能够降低操作人员的伤亡概率。

4.4 高压水射流切割技术在石油化工工业领域的运用。石油化工工业危险系数也极高，操作不当或者设备质量和技术不高的情况下，往往会产生爆炸或者泄露，严重威胁人的生命。在开采石油的过程中，经常会遇到不同质地的岩石或海底礁石，运用高压水射流切割技术，可以进行高难度石油开采，并且安全有效。化工工业就更需要高压水射流切割技术了，各种化学物质在这里交织，管道错综复杂，而水几乎可以溶解各种化学物质，所以利用高压水射流切割技术会更安全。

4.5 高压水射流切割技术在航空航天方面的应用。航空航天业要求精准、无误差，所以在选择切割技术时，这是这个行业首先考虑的问题。航天材料经过高压水射流切割技术不会结构组织不会变。更不会发生热变化。我国航天航空部门，曾经多次从技术先进的美国引进高质量的高压水射流切割系统，主要用于切割航天玻璃、碳纤维、钛合金以及各种复合和特种材料。切割后，可以保证质量，同时也很经济。

结语

高压水射流切割技术在我国还是一项新的技术，由于相关切割核心理论问题及耐超高压部件制造还未完全解决，所以中国很多行业所用的高压水射流切割系统多是从外国引进的。所以相对于技术已经相对成熟的美国、日本等发达国家，我们在高压水射流切割技术的发展和创新上，还有很长的路要走。

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