高压水射流切割技术

高压水射流切割技术

一、高压水射流加工简介

近二十年来，随着科学技术的不断发展，人们不断的发掘着自然界中有益的现象并加以改造为人类服务。

为了提高效率，【1】人们将水加以高压，并使之从直径较小的喷嘴中喷出，形成一束高速、连续或间断的水流束，这便是高压水射流。水射流加工(water Jet Cutting)又称水喷射加工，是利用高压高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，俗称“水刀加工”，即利用高压水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层材料去除等加工【1】。与其他高能束流加工技术相比，水射流切割技术具有独特的优越性。高压水射流切割法是一种新型的切割方法，可以切割用其他切割方法无法加工的材料，应用范围涵盖各种金属及非金属材料。在切割过程中不会使被切割材料产生热影响区，切口边缘的材质不发生变化，这种切割方法的精度较高，适用于加工尺寸精度要求高的零部件。高压水射流切割因其独特的优点而在切割领域占有重要地位，在矿业、土木工程、建筑业以及航空航天业中的应用日益广泛，应用前景良好。

二、高压水射流切割原理

①高压水射流切割示意图

1-水箱 2-过滤器 3-水泵 4-蓄能器 5-液压系统

6-增压器 7-控制器 8-阀门 9-喷嘴 10-工件 11-水槽

【2】高压水射流切割是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经贮液蓄能器使高压液体流动平稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s（约为音速的1-3倍）的高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。高速液体束流的能量密度可达102W/mm2,流量为7.5L/min【2】。

储存在水箱中的水经过滤器处理后，由水泵抽出送至蓄能器中。液压系统驱动增压器，使水压增高。高压水经控制器、阀门和喷嘴喷射到工件的加工部位进行切割。切割过程中产生的切屑和水混合在一起，排入水槽。

【3】利用增压装置将水加压到几十至数百兆帕后从喷嘴中喷出形成高压水射流。高压水射流本身具有较高的刚性，在与工件发生碰撞时，会产生极高的冲击动压和涡流。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)，因而超高水射流表面上虽然为圆柱模型，而内部刚性高和刚性低的部分并存。刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间减少，增大冲击强度，宏观上起快速楔劈作用；而低刚性部分相对于高刚性部分形成了柔性窄间，起吸屑、排屑作用【3】。高速高压水射流，对切割物进行冲击，使其表层产生破碎和微裂纹，水射流进入裂纹中，如楔子般将工件劈裂、剥离，同时高速水流的冲刷将切下的碎屑带走，形成切缝。

三、高压水射流切割的分类

高压水射流切割按所用的工作介质分为纯水高压水射流切割和在水中加入各种磨料的加磨料高压水射流切割两种基本类型。

（1）纯水型

纯水型高压水射流切割由于仅仅利用从喷嘴喷出的高速高压水射流进行切割，其切割能力相对较低，但设备简单，消耗物品少，操作成本低。

（2）加磨料型

加磨料型高压水射流切割由于在水中混入磨料，大大增强了水射流的冲击作用，所以其切割能力比纯水型切割大为提高，但设备复杂，操作成本高。

加磨料型按混入磨料的方式及水压又分为高压加磨料型水射流切割和低压加磨料型水射流切割两种，后者具有很多优点，是最有前途的切割方法。

②高压水射流切割两种基本类型示意图

注：①、②图片来自---中国焊接网

1）高压加磨料型

称为携带式水射流切割，就是将高压水和磨料用管道送至混合室混合后随高压水从喷嘴喷出，切割水压通常在100-400MPa。

2）低压加磨料型

称为直接注入型水射流切割，水和磨料预先在贮存罐内混合，然后将混合好的浆液直接送至割枪的喷嘴喷出进行切割，使用的水压较低，通常在20-100MPa。由于水压较低，液浆可用柔性管道输送到远距离的割枪，割枪可远离高压泵装置，切割范围可扩大至300-500米。

四、高压水射流切割的特点

高压水射流加工是借助水射流的动能加速磨料，利用水和磨料的动能来冲击和切割材料的过程，由三中作用共同完成，一种是固体磨料和液滴的冲蚀作用，一种是带磨料的水射流沿工作界面的剪切破断作用，以及磨料在切割面的微机械加工作用。其最大特点就是利用非热源的高能量水射流来加工，切割中无热过程，

故可用来切割几乎所有金属材料和非金属材料，特别是传统的热加工难以加工的材料。高压水射流切割还有以下特点：：

（1）水射流切割是一种先进的“冷态切割”加工新工艺技术。由于水的冷却作用，在切割过程中工件温升小，水刀切割加工时几乎不产生热量，对工件材料无热影响，因而工件不会产生热影响区和热交形、不会造成材科的组织结构变化或变质，对加工热敏感材料尤为有利。

（2）切口质量高，切割面平整光洁度高，特别适用于切割薄板金属。

（3）切口宽度较小，可提高材料利用率。

（4）不产生污染环境的有害气体、粉尘等，符合绿色制造的要求。

（5）设备维护简单，操作方便，可以灵活的任意选择加工起点和部位，可结合数控实现复杂形状的自动加工。

（6）适应性强，切割范围广。由于超高压水射流切割几乎“无坚不摧”，几乎没有材料和切割尺寸的限制，被誉为“万能切割机”。

（7）水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低；由于高压水经过小直径的喷嘴以后可以产生极高的能量，所以高压水射流技术的效率非常高，能够在很小的区域内集中极大的能量。

五、高压水射流切割与其他切割方法的对比

（1）与传统热切割的对比

相对于热切割，高压水射流切割由于水的冷却作用，在切割过程中工件温升小，不会改变材料的材质和性能，在要求较高的材料加工方面有优势。水射流切割的设备成本高于热切割，但从总的加工费用来比较，在某些场合高压水射流切割反而更经济。

（2）与光电切割的对比

与激光切割相比，高压水射流的加工精度较差，但有能切割厚板，对切割材料无热影响等优点。与电火花切割相比，加工精度也差，但加工速度快，能切割多种材料。

六、目前高压水射流的应用

高压水射流切割技术的发展时间虽然不长，但目前应用范围已很广，包括建材业及装璜业、汽车制造业，航空航天业、造船业、造纸业、皮革业乃至食品业。