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高压水射流切割

高压水射流切割

高压水射流切割（high 压强 H₂O jet cutting），别名水刀、水喷射加工、水射流加工，是一种是运用液体增压原理，通过特定的装置使水形成高速射流，进行切割物体的非传统冷切割技术。高压水射流切割系统主要由油压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴与管路系统等组成。压力可达600MPa，速度达 800～1000m/s（约3倍音速），可轻松切开280毫米厚的不锈钢板。

水刀起源于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。1972年第一台高压水射流设备由 AIton Boxboard 生产完成，它开辟了制造业加工工具发展的新纪元。20世纪80年代中期，英国流体力学研究协会提出将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中的方法。磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性，射流的力量被大大加强。

水刀按照切割方式、磨料混合机制、压力大小等不同方式有着不同的分类，常见的有纯水射流切割、磨料水射流切割、空化射流、脉冲射流、前/后混合式磨料水射流切割、超高/高/低压型切割等。因其具有冷态切割、切割力强、切割质量高、清洁环保等特点，使其几乎可以切割任何材料，例如塑料、纸张和纺织品等软材料，玻璃、金属、合金、陶瓷材料和碳化金属等硬材料，甚至可以切割易燃易爆设施。因此，高压水射流切割技术被广泛应用于航空航天、工业制造、临床医学、装饰装修、食品工业等领域。

历史沿革

探索实验阶段（1950~1960年代）

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，因此被人们认为采矿业是高压水射流切割技术的源头。

20世纪50年代，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。

该阶段主要研究低压水射流采矿。

设备研制阶段（1960~1970年代）

20世纪60年代末，美国密苏里大学林学教授Franz博士发现高压水射流可以被用来切割木材，这种方法对材料的切割面几乎没有损害，并且切割速度相对较高。

1972年第一台高压水射流设备由AIton Boxboard生产完成，作为第一台真正意义上的高压水射流设备，其工作压力可达400MPa，开辟了制造业加工工具发展的新纪元。此后，一家名为FIow Industries的新公司也开始生产销售这种工业应用的高压射流设备。

该阶段主要研制高压泵、增压器和高压管件，同时推广水射流清洗技术。

工业应用阶段（1970~1980年代）

70年代中期，各国开始大力研究高压水射流技术，使该技术进入了迅速发展的新阶段。

70年代末期80年代初期，水射流研究出现了转折，出现了高频冲击射流、磨料射流等技术，代替了原先的单一提高水射流压力。

该阶段主要特点是大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了工业试验和推广应用。其应用领域也由采矿发展到其他领域。

迅速发展阶段（1980~1990年代）

20世纪80年代中期，英国流体力学研究协会（British Hydrodynamics Research Association）提出了一种方法，可以将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中。磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性，射流的力量被大大加强了。磨料水射流几乎可以切割任何材料，例如玻璃、金属、合金、陶瓷材料和碳化金属。

1985年，为了满足生产中产品零件切割的需要，中国研制了一台射流压力可达600MPa的高压水发生器。该发生器于同年6月试制完毕，并在成都飞机公司进行了切割试验。

1989年专利申请EP89904317A提出了一种用于实现食品（如鱼片、鸡肉等）的等尺寸或等重量切块的水射流切割机，使水射流切割迅速应用于各行业切割。

20世纪90年代，随着世界恐怖主义的日益猖，水射流切割排爆成为水射流学科中的一个研究热点，在军事和消防中都得到广泛应用。

该阶段主要特点是水射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流和自激振动射流等新型射流发展很快，许多产品已达到商品化。

智能自动化阶段（1990年代至今）

2008年，中国专利申请，数控五轴联动水射流切割机，结合数控技术实现五轴联动水射流切割。高压水射流技术更智能化、控制系统更精细化更完善。

2010年，美国FLOW公司申请专利三维流体射流切割中射流取向参数的自动确定，提供了用于自动确定射流取向参数以校正三维零件切割中可能的偏离的方法、系统和技术。

技术原理

高压水射流切割技术是利用发动机、增压器或者水泵、喷嘴、开关等装置设备，并通过这几个装置之间动能的相互转化，使通过的水具有巨大压力能。再通过小孔喷嘴后，将压力能转变成动能，从而形成高速射流最终使水具有强大冲击力，之后便可对特定物质进行切割。

增压蓄能

高压水射流切割技术中，往复压缩式增压器在液压系统提供的高压油作用下往复运动，把动力源的机械能转化为水的压力能，水压可增大到300~1000MPa，在增压器与高压水路之间装有蓄能器，作为辅助动力源。

磨料混合

前混合式磨料水射流切割系统的高压水分为两路，一路流经磨料罐与磨料初步混合，之后与分流的另一路高压水汇合，而后从喷嘴中喷出；后混合式磨料水射流切割系统会在后增设一个混合磨料系统，磨料在喷嘴中的混合腔中完成与高压水的混合后喷出作业。

切割作业

水通过磨料混合后到达喷嘴，再将压力能转变成动能，从而形成高速水射流即把超高压水变成高压的切割流。在人工或计算机控制下，控制系统移动工件或切割头，喷射到工件表面，当水射流冲击被切工件时，动能又重新转变成作用于材料上的压力能。若压力能超过材料的破坏强度时，即可切断材料，达到去除材料的加工目的。

纯水射流切割技术原理与磨料水射流切割相似，主要区别在于无磨料混合过程，系统的用水经过软化过滤后，进入高压水发生装置，成为高压水并喷射切割。

典型结构

液压磨料水射流切割系统主要由油压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴与管路系统等组成。

主要优缺点

主要优点

采用水射流切割，由于没有热影响区存在，所以对材料无热损害，不会造成材料的结构变化或热变形，不会造成材料的组织结构变化或变质，这对加工热敏感材料如TC4尤为有利。

因为切割处为一点，所以可以全方位自由作业，而且可以从工件上的任一点开始，特别适合于切割形状复杂的工件，也便于实现自动控制。

实验证明，选择恰当的切割速度和压力，水射流可以切断180mm厚的钢板，250mm厚的钛板，75mm厚的铝合金板，470层

（每层65mm）的石墨ep合成板等。

水切割时不会产生裂痕，它可以切割间隙很窄的材料，切口可小至0.075mm，显著地减少了材料的消耗。切口表面平整光滑，棱边无毛刺，切口公差可达±0.06~±0.25mm。水刀在工件上所产生的横向及纵向的作用力极小，对材料不产生直接的表面压力，几乎不存在机械应力与应变，工件变形小，加工精度较高。

因为利用软化水进行数控刀具，较清洁卫生。所以可切食品、药物、器官管等，也可以避免某些粉末材料的飞尘，如石膏、石棉、纤维、纸张等；尤其适用于有防火要求的作业场合。

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。

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”可用于各种软质与硬质材、导电与非导电材料、金属与非金属材料、塑性与脆性材料、复合材料等切割加工；可以轻松地切割钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其它方法难以切割的材料如钛合金及各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。

可切割任意轮廓，切入点和终结点可选在工件表面的任意一点，可作全方位的切割，可从任何一点开始，无切割方向的限制，可切割出任何复杂的图形，可完成各种异形加工，包括各种形状、角度或斜度，且程序的编辑也容易。

主要缺点

无论是设备的一次性投资，还是后期维护成本，都较高。例如喷嘴的磨损，如一般碳化钨喷嘴用于AWJ（磨料水射流切割的简称），其寿命只有2~4h。

切割进给速度慢，比火焰切割慢10~100倍。

3.部分材料切割质量较低

切割很薄的延展性材料时，材料容易弯曲，切口出现飞边和毛刺。

如1mm的喷嘴，在压力为200MPa时射流功率近50kW。

由不一致的操纵器动作引起的表面缺陷。如果操纵器振动或变化速率，在过渡区上切割表面会看到痕迹。

常见分类

基于切割方式

纯水射流切割

纯水射流切割（H₂O jet，WJ），系统的用水经过软化过滤后，进入高压水发生装置，成为高压水并喷射切割。纯水射流切割切割力较小，但喷嘴磨损慢，适用于切割软材料。

磨料水射流切割

磨料水射流切割（brasive water jet，AWJ），在高压水到达喷嘴前，会在在混匀器中与预先加入的磨料（磨料通常采用氧化铝、氮化硅、石榴石等，颗粒度常为80~100目）混合均匀，然后通过喷嘴以每秒数百米的速度喷出。磨料水射流切割切割力大，但喷嘴磨损快，适用于切割硬材料。

在前混合式磨料水射流切割（磨料磨具 H₂O suspension jet，AWSJ），高压水分为两路，一路流经磨料罐与磨料初步混合，之后与分流的另一路高压水汇合，而后从喷嘴中喷出。前混合式磨料系统切割能力更强，但对机器设备要求较高。

后混合式磨料水射流切割（abrasive water injector jet，AWIJ），通过负压吸取磨料的方式，磨料在喷嘴中的混合腔中完成与高压水的混合。后混式切割能力较弱，但由于它易于实现，元件磨损小，因而是最为常见的类型且被广泛应用于工业生产中。

空化射流

空化射流（cavitation jet，CJ），利用“汽蚀”原理，水射流从喷嘴喷射出时含有空气的空泡，调整好喷嘴与加工表面的距离，使空泡在这个距离中持续存在，空泡浮着加工材料的表面，在射流冲击压力作业下破灭，汽蚀加工材料的表面，从而实现清洗、破碎加工材料表面的作用。空化射流的清洗效果优于普通的纯水射流，用于航空航天器、核反应堆等清洗。

脉冲射流

脉冲射流（pulse jet，PJ），是一种非连续射流，利用专用设备，将动力源的能量传递给水，获得能量的水经过喷嘴射出，形似炮弹一样的小水团，打击在靶体上，切割、破碎目标材料。实际上，脉冲射流利用水锤原理，提高射流的打击能力，促使材料的裂纹快速扩散，其冲击力远大于连续纯水射流的迟滞力，从而提高了脉冲射流的加工能力。

基于压力大小

基于工作环境和介质

淹没射流

当射流的工作介质和环境介质相同，如在水中喷射的水射流或在空气中喷射的气体射流都属于淹没射流。

非淹没射流

当工作介质和环境介质不同时，则称为非淹没射流，如大气中的水射流就是最常见的非淹没射流。

其他分类方式

基于加压方式：液压加压、机械加压。

基于机床结构：龙门式结构、悬臂式结构。

基于驱动方式：步进电机驱动、交流伺服电机驱动。

技术参数

压力设计参数

应用参数

纯水射流切割数据

磨料水射流切割数据

影响因素

使用水射流切割技术，材料在一股连续不断的高能量水珠的冲击下被去除。在切割过程中，水射流在工件表面施以加工力。这个力由水珠传送，所以水压、流速、射流直径以及与距离相关的直径扩散率等参数都会对加工质量产生影响。

水压决定水射流速度和冲蚀能量，水压越高，水射流速度越快，切割能力越强。压力高对活塞缸等的制造及密封要求也高。对每种切割材料及厚度都有一个门槛压力，水压只有超过这个压力值，才能进行有效切割，一般认为最佳压力为门槛压力值的倍左右。目前生产中常用200~400MPa，纯水射流切割切割金属材料或脆硬材料要求压力更高。

由于喷嘴直径的增加，射流作用于被加工材料的接触面积增加，因而增加了材料的破碎阻力，导致了切割速度和切割深度的下降。但材料破碎量随着射流功率的增加而增加这一总的能量关系并未改变。

3. 靶距

靶距大，切割能力弱，工作噪音也大；靶距过小，磨料反射对喷嘴损伤大，且反射磨料会抵消一部分工作能量，甚至堵塞喷嘴口，切割能力反而会降低，还有可能妨碍工件与喷嘴的相对移动。靶距的变化对切割速度、切割质量和切缝形状都有很大影响，确定最佳靶距取决于射流基本参数。例如，当射流用于清洗、除锈等剥层类作业时，其靶距应大于射流切割时的最佳靶距，因为适当增加靶距会使射流对材料的作用面积增大，从而有效地提高清洗等作业的速度。

增加磨料流量会增加在靶件上的冲击次数，因而增加切割深度或切割速度。但同时随着磨料流量增大，拥挤的磨料颗粒将导致磨粒之间产生于涉，而使得冲击的有效次数下降。通常存在一个最佳承载量，磨料流量较低时，切割深度与磨料流量呈线形关系、随着磨料流量的升高，切割深度反而下降。

水射流切割时，增加移动速度会降低切割深度。移动速度的稳定性显著影响切割效果。由于切割能力的限制，水射流喷嘴的移动速度相对较低。

磨料含量取决于磨料粒径与喷嘴直径。当粒径小于喷嘴直径1/10时，含量最高可达50％，但切割效果并不好。切割速度与磨料消耗处于最优的磨料含量为10％。如果只考虑切割速度，磨料的最佳含量为20％一30％。

应用领域

航空航天

美国航空航天工业部门率先采用水切割技术切割高级复合结构材料、蜂窝状夹层板、TC4元件等，水射流技术尤其适合于切割飞机机体及机翼材料，因为没有剥离作用及热损伤，疲劳寿命可提高50％以上，成本大大降低，可节省25％材料和40％的力，劳动生产率可提高5倍以上。采用AWJ仿型切割还可切割复杂轮廓的飞机零件。

工业制造

汽车制造厂和汽车修理厂最早使用水射流来切割石棉刹车片、橡胶基地毯、复合材料板、玻璃钢增强塑料等各种非金属材料。五轴水射流加工可一次完成切割和修边工序，解决了传统的切割方法的难题，且耗用人工较少，所用时间也比常规方法少得多。

临床医学

在医学领域，高压水射流技术应用已经有了一定成果。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。

装饰装修

复杂的装饰和镶嵌工艺画常用于各种表面的装饰或各个公司的标志图案，这些瓷质、石质或玻璃制成的图案花纹已越来越多地采用水射流技术加工，有些设计图案极其复杂，而所用的材料脆性又大，不采用水射流加工往往是不可能加工出来的。其他切割方法往往会使材料开裂或破损，水射流加工后的产品是完整的一块，能精确地再现设计方案。

食品工业

美国食品药品监督管理局（FDA）已明确允许使用水射流切割如饼类、法式炸鸡、肉排、家禽肉和鱼类等食品。在切割这些食品方面，水射流技术已被证明是一个有效和卫生的工具。

军事消防

高压水射流技术在军用领域主要体现在易燃易爆设施的切割、除锈，核设施去污处理以及军事装备的清洗方面。水射流切割技术，作为一种冷切割技术。由于在切割时既不会产生高温，更不会产生火花，特别适合于易燃易爆环境下切割工件。在清理战争遗留的地雷和炸弹以及应对恐怖主义、分裂势力制造的爆炸物处理时能够发挥重要的作用，保障国家和人民的生命财产安全。

公路行业

超高压和大功率水射流式砼破碎机械已应用于砼结构的切割和破碎、隧道施工、荒料开采等领域。应用情况表明，采用水射流技术切割或松动砼材料时不会损坏相邻的材料。

标准规范

发展趋势

喷嘴耐磨材料的研究及喷嘴的优化设计

水射流切割喷嘴的研究一直是个热点，水喷嘴多采用蓝宝石，而寿命问题突出反映在磨料喷嘴上，使用材料很难过关，寿命往往很低。另外，磨料水射流切割在很大程度上取决于喷嘴结构参数，而喷嘴的结构形状和尺寸是如何影响射流参数的，目前可以从理论分析、动态仿真和大量的实验中得知。

水泵关键技术

研制高压水泵存在一系列的关键技术问题，比如：润滑磨损问题，水直接参与润滑，轴承及摩擦副的材料选取十分关键；泄漏问题，液压元件的运动副采用间隙配合，间隙过小又会出现堵塞、卡死现象；系统的压力稳定性和超高压密封等。

精确供砂

料供给状态磨料供给量、供给的稳定性及均匀性，直接影响到切割性能和切割质量。全球范围内水切机的磨料供给方式普遍存在磨料供给不均匀、难于精确控制流量的缺点。

控制系统智能化、数控化、柔性化是未来的发展趋势

水刀要进一步完善专用的水切割数控系统的功能，发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自适应调整。尤其是实现从一般的两轴控制系统发展为五轴的、用于3D轮廓切割的控制系统。采用PC控制的简便的编程系统，带图形显示界面。切割路径模拟演示，用以检查切割过程，计算切割路径长度、切割时间，核算加工成本。

随着智能化软件、自适应加工技术的出现，将离线编程应用于多轴机械手中，实现回转工作台与多轴机械手的联动控制，并能够根据具体场景进行自适应加工，这样不仅能够提高产品的加工效率和加工精度，还能够进一步拓展高压水射流的应用场景。

进一步扩大超高压水射流切割加工的应用范围

5个控制轴可以切割立体的轮廓并可以进一步扩展应用范围。由二维的切割和去毛刺加工发展至孔加工和三维型面的加工。与机器人相结合的水射流加工设备脱颖而出，高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器人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维加工工件的目的。

高压水射流装备的关键零部件的开发与应用

压泵与电机的结构设计与开发以及小型化，将大大提高关键零部件的技术水平与应用前景，促进高压水射流装备的更新换代。

专利信息

参考资料

高压水切割.术语在线.2023-08-09

现代机械工程史.中国大百科全书.2023-08-03

切飞机的“刀”是水做的？一起来了解“水切割”.中新网.2023-08-07

中国“水刀”显身手.人民网.2023-08-15

国家标准全文公开系统.全国标准信息公共服务平台.2023-08-09

全国标准信息公共服务平台.全国标准信息公共服务平台.2023-08-09