《专业型文档》水切割原理及应用.doc

水射流切割的原理与特点
1、水射流加工技术起源
“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，然而，作为一项独立而完整的加工技术，高压水射流(wj)、磨料水射流(awj)的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。

直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得。

在最近十多年里，水射流(wj、awj)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。

许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。

目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。

已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20％。

2.高压水射流加工系统构成与增压原理
高压水射流基本原理归之为：运用液体增压原理，通过特定的装置（增压口或高压泵）,将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流(wj)。

因而又常叫高速水射流。

高压水射流系统见图1，主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。

油压系统低压油(10～30mpa)推动大活塞往复来回移动，其方向由换向阀自动控制。

供水系统先对水进行净化处理，并加入防锈添加剂等，然后由供水泵打出低压水从单向阀进入高压缸。

增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分，增压器获得高压原理如图2所示，即利用大活塞与小活塞面积之差来实现，理论上：a大·p油=a小·p水, p出水=a大/a小·p油, 增压比即大活塞与小活塞面积之比，通常为10：1～25：1，由此，增压器输出高压水压力可达100mpa~750mpa。

由于水在400mpa时其压缩率达12％，因而活塞杆在走过其整个行程八分之一后才会有高压水输出。

活塞到达行程终端时，换向阀自动使油路改变方向(图中虚线箭头所示)，进而推动大活塞反向行进，此时高压水在另端输出。

如果将此高压水直接送到喷嘴，那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的(图3中虚线)，而且这对管路系统产生周期性振荡，为获得稳定的高压水射流，常在增压器和喷嘴回路之间设置一蓄能(恒压)器，消除水压脉动，达到恒压之目的，常能控制脉动量在5％之内。

3、切除与切断机理
高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰撞时，产生极高的冲击动压(p=ρvc)和涡流的形成，从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值)，因而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分，刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。

高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程，对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩散为主；而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则，即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值σy时，该点即发生断裂。

根据弹塑性力学，动态
断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因而这个动态断裂不仅与应力有关，还与拉伸应力的作用时间相关。

4.高压水射流(wj、awj)切割应用范围
高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。

高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克服，对其它切割工艺是一种完美补充。

目前其用途和优势主要体现在难加工材料方面：如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、耐热合金、钛合金、耐蚀合金、复合材料（frm、frp等）、锻烧陶瓷、高速钢（hrc30以下）、不锈钢、高锰钢、模具钢和马氏体钢（hrc<30）、高硅铸铁、可锻铸铁等一般工程材料，高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于清洗、破碎、表面毛化和强化处理。

在美国，几乎所有的汽车和飞机制造厂都有应用。

目前已在以下行业获得成功应用：汽车制造与修理、航空航天、机械加工、国防、军工、兵器、电子电力、石油、采矿、轻工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、医疗、林业、农业、市政工程等方面。

5.高压水射流(wj、awj)切割与激光切割的区别
激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。

而水射流切割实际应用中水中还要加入些微粉磨料，由于是在低温下完成切割的，特别适合加工易分层、高温易分解的复合材料，如玻璃钢、碳纤维复合材料等。

超高压水射流技术的基本原理及应用
超高压水射流技术其实并非新近出现，早在1974年，美国的FLOW公司就首先将其应用于工业切割领域并使其商业化，经过近30年的发展，已日趋成熟。

超高压水射流技术因其切割品质好、不受材料及厚度限制、切割成本低、无污染等诸多优点及特性已被越来越多的用户所接受，
超高压水射流技术其实并非新近出现，早在1974年，美国的FLOW公司就首先将其应用于工业切割领域并使其商业化，经过近30年的发展，已日趋成熟。

超高压水射流技术因其切割品质好、不受材料及厚度限制、切割成本低、无污染等诸多优点及特性已被越来越多的用户所接受，并逐渐成为趋势。

水射流设备工作原理
超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。

当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时, 可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品, 纸张, 纸尿片, 橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。

而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时, 所产生之加砂水射流, 实际上可切割任何硬质材料包括金属, 复合材料, 石材及玻璃. 超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如船身清洗及汽车喷漆设备清洗.
超高压水的形成关键在于高压泵。

从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。

另一方面，供水系统先对水进行净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。

由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。

为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的。

水压越高，水射流速度越快，对高压部份的制造要求也越严格，在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件和水封的寿命。

经过高压所产生之高压水经由高压过流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。

喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，直径通常是0.1mm 至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。

由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。

所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。

水射流技术特点
较之激光、等离子、线切割等传统的切割方式，水射流切割技术确实有其独特、显著的优势：
*切割品质优异
水射流是一种冷加工方式，‘水刀’不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。

加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm至1.1mm，砂水混流切割之切口约为0.8mm至1.8mm。

随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质之单侧
斜边为0.076mm至0.102mm之间)，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。

*几乎没有材料和厚度的限制
无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。

*节省成本
水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时间及制造成本。

*清洁环保无污染
在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求。

实际应用
众所周知，水射流技术因其本身的特点及优势在工业切割、清洗领域应用已十分广泛。

切割方面：纯水应用于造纸业、橡胶业等，而加砂水刀则可应用于石材业、陶瓷业、航天航空业，汽车制造业、金属加工业。

尤其值得一提的是汽车制造业，随着近几中
国汽车工业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂商产量地极剧扩大，车型地不断更新，生产周期地缩短，对配套的汽车内饰件(如汽车地毯、仪表板、顶蓬等)厂家来说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法，由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发展的需求。

此时，与机器人相结合的水射流设备脱颖而出。

高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器的手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工内饰件的目的。

此种加工方式的优点在于高效率、高质量、精度高、柔性好。

目前国内包括上海大众、上海通用、一汽大众、天津丰田、广州本田、神龙富康、南京南亚等众多车型的内饰件配套厂商已使用高压水射流设备进行内饰件的加工。

工业清洗方面，可应用于汽车业之喷漆房清洗、石化业之热交换器内外管清洗、飞机跑道之橡胶清洗、工业上之除锈及防蚀工程表面处理、航天工业引擎零件之清洗、核能发电厂之清除辐射污染等行业。

除了以上所介绍的应用领域以外，近几年，国外已有公司通过超高压技术，将其应用于食品杀菌达到食品保鲜的目的，并已成功打入食品保鲜行业(如美国著名的HEMELL公司已使用超高压设备进行食品保鲜)，取得了良好的口碑。

最新动态
2002年，美国FLOW公司将超高压水射流技术带入了一个革命性的阶段，发布了最高压力可达87,000psi的超高压水射流设备，大大提高了生产效率的同时使用成本也较之以前下降40%。

随着对水射流技术地不断研发、提升、应用，其发展和使用前景将无可限量。

日前，第8届环太平洋国际水射流会议暨第12届中国水射流技术研讨会，在中国石油大学(华东)召开。

来自美国、日本、韩国、澳大利亚、俄罗斯等国的近50位国际水射流专家学者和70名国内专家学者，围绕水射流技术的发展与应用这一主题，共同探讨了水射流的基础理论研究进展、水射流技术的发展趋势等。

水在人们的概念里往往是“柔”、“软”的代表，但是现代人依靠科技，赋予了水以神奇的力量和性能，它可以采煤、钻井、切割等。

无论是坚硬的地下岩石还是合金，当水流达到一定压力和频率的时候，坚硬的物体可以被切割、破碎。

人们称这项技术为水射流技术。

水射流技术是近30年来发展起来的一门新技术，应用日益广泛，目前已经在煤炭、石油、冶金、化工、机械、水利等部门应用。

主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。

新兴的水射流技术
19世纪中叶，在北美洲，人类第一次使用水射流开采非固结矿床。

20世纪50年代初，苏联和中国利用水射流进行采煤(即水力采煤)。

随着水力采煤技术的推广，人们认识到，提高水的压力、适当减小喷嘴直径，可以显著提高水射流的击穿效果。

于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)及高压脉冲射流。

20世纪60年代以前，人们主要研究低压水射流采矿，水射流技术还处于探索试验阶段；至20世纪70年代初，主要研究制高压泵、增压器、高压管件，推广水射流清洗技术，处在设备研制阶段；至20世纪80年代，水射流技术的应用领域从采矿发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了广泛的推广应用；之后，水射流进入了快速发展阶段，水射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流、自激振动射流等新型射流技术发展很快。

20世纪60年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了水射流技术的研究工作。

当时，部分学者认为水射流的压力越高越好。

日本研究出1700兆帕的增压器，苏联和美国研制出5600兆帕的脉冲射流发生器。

到20世纪70年代末。

水射流技术出现了一个新的动向，即从单一提高水射流压力，转向研究如何提高水射流的威力。

开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续水射流。

进入20世纪80年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展，把水射流技术推向一个新的发展阶段。

同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等进行研究。

水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、市政建设、化工、机械、医学等领域。

水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人们认可。

一大批水射流切割机、采煤机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机被陆续投放市场。

1972年，英国流体力学研究协会(BHRA)组织了第一次国际水射流切割技术会；1981年，美国水射流技术协会成立，此次技术会议也是国际性的；1983年日本水射流协会成立。

定期召开水射流技术研讨会和展览会，邀请国外水射流专家参会；1987年，国际水射流协会成立，定期出版《国际水射流》杂志，多次召开环太平洋国际水射流会议，大大推动了世界各国水射流技术的发展。

我国的水射流技术研究从20世纪70年代开始，最初主要是在煤炭部门研究和应用，
以后逐渐发展到石油、冶金、航空等领域。

经过多年的研究实践，取得很大进展，开发出了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。

我国从1979年开始，每两年召开一次全国水射流技术研讨会，并出版了《高压水射流》杂志。

水射流优点及分类
水射流技术之所以能得到这样高速的发展，主要是这种技术与其他加工方法相比具有一系列优点。

一是工作介质成本低廉。

水射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。

如果用于切割加工，由于喷嘴小(直径一般在0．5毫米以下)，用水量很少，而且对水一般无污染。

二是切割时切口窄且整齐。

用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小。

因此。

切口窄而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工。

三是工作机件易于实现自动控制。

由于水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。

利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作。

如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。

四是能降温、除尘和延长截齿寿命。

水射流用在煤矿采掘机上，除参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。

同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个安全、卫生的环境。

五是体积小。

水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸。

水射流的种类很多，分类的方法也不一样。

按驱动压力可分为低压水射流(0.5兆帕～35兆帕)，压力泵为多级离心泵、柱塞泵；高压水射流(35兆帕～140兆帕)。

压力泵为柱塞泵、增压器；超高压水射流(大于140兆帕)，压力泵为增压器。

按工作和环境介质可分为淹没射流和非淹没射流两种。

射流的介质与环境介质相同时，射流称为淹没射流，如在水中喷射的水射流或在空气中喷射气体射流，都属于淹没射流。

如果环境介质与工作介质不同，则称为非淹没射流。

按固壁条件分类，流体射流的作业环境内有或没有固体壁面的限制，对射流的形成和动力特性有明显的影响。

在有固壁约束下的射流称为非自由射流；反之，则为自由射流。

如果按射流流体力学特性，水射流又可分为定常射流和非定常射流两种。

按射流对物料的施载特性，水射流还可以分为连续射流、冲击射流和混合射流三种。

水射流技术的应用
水射流技术的应用范围和领域十分广泛。

一般包括工业切割、挖掘、开采和钻探、岩石切割和掘进、表面清洗、材料破碎等。

工业切割和加工是水射流技术应用的主要方面。

它包括纯水射流切割和精密切割。

水射流切割属于冷切割技术，切割过程中不产生火花，对切割材料不产生热影响，因此被广泛应用于航空航天器部件的切割加工。

目前的挖掘、开采和钻探系统，也开始推广应用水射流技术，在美国居领先地位的是高
级采矿建筑系统公司、弗勒第尔公司和弗尔莫尔公司。

弗勒第尔公司为石油天然气工业研制水射流钻探系统；弗尔莫尔公司在城区地下公用设施的安装和更换中，提供水射流水平钻探系统。

高级采矿建筑系统公司的第一件产品是射流锚杆钻机。

这是一种用于地下矿山安装顶板锚杆的水射流钻机，可钻出直径为19毫米~25毫米的小口径锚杆孔。

高级采矿建筑系统公司用安装在卡车和拖车上的设备，为建筑工业提供切割和拆除服务，比如当只清除混凝土（无钢筋）时，可使用不加磨料的射流；如要切割有钢筋和钢板加强的混凝土时，可使用磨料射流系统。

在岩石切割和掘进中，水射流技术很早就显示出一定的长处。

1976年，美国在水射流辅助全断面掘进机上，首次进行了盘形滚刀破岩试验。

试验证明，在花岗岩区使用315兆帕高压水射流，可提高掘进率。

但由于高压泵组设备的长期可靠性问题，阻碍了该项技术被掘进机工业接受。

美国土力学研究所拥有一套良好的试验设施，可进行旋转滚筒截割头试验。

从1983年起，美国矿业局就在水射流辅助切割岩石方面进行了广泛的研究。

研究重点放在20兆帕~70兆帕中等压力的使用上。

矿业局的研究工作在许多方面取得实际效果，如刀具利用泉流冷却和润滑，以降低刀具承受力，并从刀具路线上清除破碎材料，利用在采煤上，还可以降低煤系岩层瓦斯摩擦起火的发生率。

水射流可用来清洗汽车、高层建筑物、飞机场跑道、化工厂换热器等，近年来这类业务发展迅速。

各种清洗机和清洗设施相继问世，并大量投放市场，各种清洗公司和服务公司也相继成立，为用户提供服务。

美国密苏里•罗拉大学的最新研究表明，高压水射流在使用上还有很大潜力，它可将煤粉碎成细小颗粒，以便进行清洗和生产清洁的燃料，还可用水力制浆法分离木纤维。

水射流的发展前景
在国内，中国石油大学（华东）一直走在高压水射流技术研究的前列，并成立了高压水射流研究中心。

该中心目前重点面向石油工程领域，研究高压水射流切割、破碎和清洗等相关的理论问题和应用技术。

该中心的重点研究方向包括：通过各种新型高效射流理论研究，研发提高射流辅助机械破岩钻井速度应用技术；通过特种破岩钻孔射流理论研究，研发提高单井产量和油田采收率的新型开发钻井或钻孔应用技术；通过高效冲击或切割射流理论研究，研发恢复老井、老油田产量的相关射流清洗和切割技术。

在提高射流在井底工作效率的研究方面，该中心利用淹没非自由钻井射流动力学和井底能量衰减规律，建立了优选井底水力参数的新模式和新程序，解决了喷射钻井长期未解决的一个重要理论问题。

该研究达到国际先进水平，获国家科技进步二等奖。

根据该理论成果研制成功的加长喷嘴牙轮钻头（第一代钻头），在全国13个油田推广应用3000多只，平均提高钻速20%～30%，累计创经济效益2亿多元。

该产品获美国发明专利和我国发明三等奖，被列入国家级新产品和国家“火炬计划”推广项目。

在自激空化射流理论及其在石油工程中的应用研究方面，该中心根据瞬态流和水声学理论，建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，发展了新型高效自振空化射流，其冲击压力脉动幅度，比普通射流提高24%～37%，破岩效果提高1~3倍。

该理论成果被国内外专家引用，受到高度评价。

根据该理论成果研制成功的自振脉冲喷嘴钻。