高压水射流切割

高压水射流切割（High pressure water jet cutting），别名水刀、水喷射加工、水射流加工是一种非常规的冷切割技术，它利用液体加压的原理使水通过特定的装置形成高速射流来切割物体。高压水射流切割系统主要由油压系统组成、供水系统、增压恒压系统、喷嘴和管道系统等。压力可达600MPa，速度可达 8万~ 1000米/s（约3倍音速），可以轻松切割280 mm厚的不锈钢板。

水射切割起源于19世纪中期，高压水射流技术首先被北美人用于开采松散的矿藏。1972年，第一台高压水射流设备由  Aiton 3356 Boxboard 3356生产，这为制造工具的发展开辟了一个新时代。20世纪80年代中期，英国流体力学研究协会提出了在高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中注入磨料的方法。由于添加了磨料，水射流具有锯片的特性，并且水射流的强度大大增强。 www.qwbaike.cn

水刀根据切割模式而定、磨料混合机制、压力等不同方式有不同的分类，常见的是纯水喷射切割、磨料水射流切割、空化射流、脉冲射流、前/后混合磨料水射流切割、超高/高/低压型切割等。因为它有冷切、切割力强、切割质量高、清洁环保，几乎可以切割任何材料，如塑料、纸和纺织品玻璃等软性材料、金属、合金、陶瓷材料和碳化金属等硬质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领域、工业制造、临床医学、装饰装修、食品工业等领域。

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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，并通过这些装置之间动能的相互转换，使通过的水具有巨大的压力能。通过小孔喷嘴后，压力能转化为动能，从而形成高速射流，最终使水产生强大的冲击力，然后可以切割特定物质。

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增压蓄能：在高压水射流切割技术中，往复压缩增压器在液压系统提供的高压油的作用下往复运动，将动力源的机械能转化为水的压力能，水压可提高到300~1000MPa增压器和高压水路之间安装有蓄能器作为辅助动力源。 www.qwbaike.cn

磨料混合：前混合磨料水射流切割系统中的高压水分为两路，一路经磨料罐与磨料初步混合，然后与另一路高压水汇合，然后从喷嘴喷出；后混合磨料水射流切割系统将在后面增加一个混合磨料系统，磨料在喷嘴内的混合腔中与高压水混合后喷射。 www.qwbaike.cn

切割作业：水被磨料混合后到达喷嘴，然后将压力能转化为动能，从而形成高速水射流，即把超高压水变成高压切割流。在手动或计算机控制下，控制系统移动工件或切割头并将其喷洒在工件表面当水射流冲击切割工件时，动能再次转化为作用于材料的压力能。如果压力可以超过材料的破坏强度，则可以切断材料以达到去除材料的加工目的。 www.qwbaike.cn

纯水射流切割技术的原理与磨料水射流切割的原理相似主要区别在于没有磨料混合过程经过软化和过滤后，系统中的水进入高压水发生器，成为喷射切割的高压水。
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水力磨料水射流切割系统主要由油压系统组成、供水系统、增压恒压系统、喷嘴和管道系统等。

水力磨料水射流切割系统的常用部件

油泵/液压泵）：油泵是实验室常用的减压设备，经常用在真空要求高的场合。机油泵的效率取决于泵的结构和机油的质量好的真空油泵可以达到10~100Pa以上的真空度。油泵通过真空减压将油箱中的油吸入油压系统

溢流阀：用于调节泵的出口压力并保持压力恒定；溢流阀处于关闭状态，只有当系统压力大于其设定压力时才打开，对系统起过载保护作用 www.qwbaike.cn

换向阀：利用阀芯与阀体之间不同的相对位置，可以改变不同管路之间的通断关系，实现液体流向的连通或改变 www.qwbaike.cn

增压器：在液压系统中，将输入的低压液体转化为输出的高压液体的元件。由于连接在一起的两个活塞直径不同，当低压液体在左端输入时，高压液体在右端输出

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蓄能器：蓄能器属于液压系统的辅助部件。它将液压系统的压力能储存在液压系统中，并能在短时间内为系统提供压力能。蓄能器在高压水射流切割系统中的作用如下：作辅助动力源、补偿泄漏、稳定压力、吸收压力脉动和液压冲击 www.qwbaike.cn

主要优点

冷态切割：使用水射流切割，由于没有热影响区，因此不会对材料产生热损伤，不会使材料发生结构变化或热变形，也不会使材料发生结构变化或变质，这特别有利于钛合金等热敏材料的加工。 www.qwbaike.cn

点能源切割：由于切割位置是一个点，所以可以在各个方向自由工作，可以从工件上的任意一点开始，特别适合切割形状复杂的工件，便于自动控制。

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具有很强的切割力：实验表明，在合适的切割速度和压力下，水射流可以切割180毫米厚的钢板250毫米厚的钛板75毫米厚的铝合金板，切割470层每层65mm）石墨环氧树脂合成板等。

高压水射流切割

高切割质量：水切割不会产生裂缝，它可以切割缝隙很窄的材料，切口可以小到0.075mm，显著降低材料消耗。缺口表面平整光滑，边缘无毛刺，缺口公差可达0.06~±0.25mm。水射流对工件产生的水平力和垂直力都很小，对材料没有直接的面压力，几乎没有机械应力和应变，因此工件变形小，加工精度高。

清洁卫生：因为用软化水切割更干净卫生。所以可切食品、药物、器官导管等，还可以避免一些粉状材料的扬尘，如石膏、石棉、纤维、纸张等；特别适用于有防火要求的工作场所。 www.qwbaike.cn

生产效率高：水射流切割速度快，效率高，加工成本低；由于高压水通过小直径的喷嘴后可以产生极高的能量，因此高压水射流技术非常高效，可以在小面积内集中极高的能量。 www.qwbaike.cn

工件材料适应性广：因为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，它被称为“万能切割机”可用于各种软硬材料、导电和非导电材料、金属和非金属材料、塑性与脆性材料、复合材料的切割加工等；您可以轻松切割钢板或硬大理石、花岗岩等对于其他方法难以切割的材料，如钛合金和各种复合材料，是一种理想或唯一的加工方法。

高度弹性化：可切割任意轮廓，起点和终点可在工件表面任意点选择，可用于全方位切割它可以从任意点开始，切割任意复杂图形，完成各种异形加工，包括各种形状、角度或坡度，并且程序易于编辑。

主要缺点

成本较高：设备的一次性投资和后期维护成本都很高。例如喷嘴磨损，如AWJ使用的通用碳化钨喷嘴（磨料水射流切割的缩写为 ）它的寿命只有2~4h。 www.qwbaike.cn

进给速度慢：切割进给速度慢，比火焰切割慢10~100倍。

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3.某些材料的切割质量较低：切割非常薄的延展性材料时，材料容易弯曲，切口中会出现飞边和毛刺。 www.qwbaike.cn

所需功率大：如1毫米喷嘴，当压力为200兆帕时，喷射功率接近50kW。 www.qwbaike.cn

操纵器跟踪 ：由不一致的机械手动作引起的表面缺陷。如果机械手振动或改变速度，将会在过渡区的切割面上看到标记。 www.qwbaike.cn

纯水射流切割：纯水射流切割（WJ water  jet）系统中的水经过软化和过滤后，进入高压水发生器成为高压水，并被喷射和切割。纯水射流切割力小，但喷嘴磨损慢，适用于切割软质材料。

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磨料水射流切割：磨料水射流切割（Brazil   water   jet, AWJ）在高压水到达喷嘴之前，它将在混合器中与预先添加的磨料混合（研磨剂通常是氧化铝、氮化硅、石榴石等，粒度往往为80~100目）混合均匀，然后以每秒数百米的速度通过喷嘴喷出。磨料水射流的切削力很大，但喷嘴磨损很快，因此适用于切割硬质材料。 www.qwbaike.cn

前混合磨料水射流切割系统：前混合磨料水射流切割（AWSJ sandblasting   water   suspension   injection）高压水分成两路，一路经磨料罐与磨料初步混合，然后与分流的另一路高压水汇合，然后从喷嘴喷出。前混合磨料系统具有更强的切割能力，但对机器设备的要求更高。

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后混合磨料水射流切割系统：后混合磨料水射流切割（Sandblasting   water   injector   nozzle, AWIJ）磨料通过负压抽吸与喷嘴内混合腔中的高压水混合。后混合切削能力较弱， ，但它是最常见的类型，因其易于实现和部件磨损小而在工业生产中广泛使用。 www.qwbaike.cn

空化射流：空化射流（Cavity   injection, CJ），利用“汽蚀”原理水射流从喷嘴喷出时，含有气泡调整喷嘴和加工表面之间的距离，使气泡在此距离内持续存在气泡漂浮在被加工材料表面，在水射流的冲击压力下破裂，使被加工材料表面产生空化，从而实现清洗、粉碎被加工材料表面的功能。空化射流的清洗效果优于普通纯水射流，用于航天飞行器、核反应堆等清洗。

脉冲射流：脉冲射流（脉冲 喷射）是一种不连续射流，利用特殊设备将动力源的能量传递给水，带有能量的水通过喷嘴喷出，像炮弹一样的小水团，击中目标并切割、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，促进材料中裂纹的快速扩展，其冲击力远大于连续纯水射流的滞后力，从而提高了脉冲射流的加工能力。

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淹没射流：当射流的工作介质与环境介质相同时，如水中的水射流或空气中的气体射流，则属于淹没射流。

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非淹没射流：当工作介质与环境介质不同时，称为非淹没射流例如，大气中的水射流是最常见的非淹没射流。

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其他分类

基于加压方式：液压加压、机械加压。

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基于机床结构：龙门式结构、悬臂式结构。

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基于驱动方式：步进电机驱动、交流伺服电机驱动。
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航空航天

美国航空航天工业率先用水切割技术切割先进复合结构材料、蜂窝状夹层板、钛合金构件，水射流技术特别适合切割飞机机身和机翼材料，因为没有剥落和热损伤，疲劳寿命可提高50％以上，成本大大降低，节省25％材料和40％力，劳动生产率可提高5倍以上。AWJ仿形切割还可以切割轮廓复杂的飞机零件。 www.qwbaike.cn

工业制造

汽车制造商和修车厂首先使用水射流切割石棉刹车片、橡胶基地毯、复合材料板、玻璃纤维增强塑料和其他非金属材料。五轴水射流加工可以一次完成切割和切边工序，解决了传统切割方法存在的问题，比常规方法耗费更少的人力和时间。 www.qwbaike.cn

临床医学

在医疗领域，高压水射流技术的应用取得了一定的成果。在这些成果中，最突出的应该是临床医学中的水刀和水刀无针注射器。这两项技术可以提高医院的效率。例如，在注射预防药物时，水射流注射器可以在一小时内完成500多人的注射。且无需更换针头，大大节省了患者和医生的时间。同时，针筒不会与注射器有任何接触，因此更加安全卫生，减少了疾病感染的可能性。

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装饰装修

复杂的装饰画和马赛克画通常用于装饰各种表面或各种公司的标志图案这些瓷器、由石头或玻璃制成的图案已经越来越多地通过水射流技术进行加工有些设计图案极其复杂，使用的材料又比较脆，不经过水射流加工往往无法加工。其他切割方法通常会导致材料开裂或断裂，而水射流加工的产品是一个完整的零件，可以准确地再现设计方案。

食品工业

美国美国食品药品监督管理局（FDA）已经明确允许使用水射流来切割例如蛋糕、法式炸鸡、肉排、家禽肉和鱼之类的食物。水射流技术已被证明是切割这些食品的有效和卫生的工具。

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军事消防

高压水射流技术在军事领域主要体现在易燃易爆设施的切割、核设施的除锈去污和军事装备的清洗。水射流切割技术作为一种冷切割技术。由于切割时既不会产生高温也不会产生火花，因此特别适合在易燃易爆环境中切割工件。清除战争遗留的地雷和炸弹，对付恐怖主义、分裂势力制造的爆炸物可以在处理中发挥重要作用，确保国家和人民的生命财产安全。

公路行业

超高压大功率水射流混凝土破碎机械已应用于混凝土结构的切割和破碎、隧道施工、荒料开采等领域。应用表明，水射流技术切割或疏松混凝土材料时不会损坏相邻材料。 www.qwbaike.cn