水射流切割技术应用现状与展望

景江明 舒正阳

摘要：水射流技术作为一种新兴技术，近几十年来发展迅猛并以良好的性能和特有的优势受到行业广泛关注和青睐。水射流加工是以水为介质通过高压发生系统将其增压，再通过换能元件喷嘴将压力能转换为动能产生高速高能强穿透力的射流打击工件以达到加工的目的。本文论述了水射流切割技术发展现状，以及探究了目前存在的问题，并展望了水射流技术的发展趋势与应用前景，期望对进一步探索水射流的深层机理及扩展其应用范围提供可借鉴的研究思路。

关键词：水射流技术;切割;发展现状;存在的问题;发展趋势;应用前景

1. 水射流切割研究现状

高压水射流切割技术凭借清洁安全、高效、强劲等独特优点在近些年来得到快速的发展和应用。水射流技术发展到今天已经过长足的发展和进步也日趋成熟化，如今水射流技术在采矿业、石油化工、机械制造业、汽车、航天业、军工、电力电子、医疗、食品等行业被大量应用。本文通过研究水射流切割在各个领域的应用发展情况来介绍水射流切割技术发展现状，下面是射流技术在各个领域目前使用情况。

在煤矿石化开采领域：水射流技术最早开始应用于煤矿开采领域，现如今该技术主要用于煤矿开采中的破岩钻井、钻孔、切割、防瓦斯爆炸等方面。水射流技术用于钻井能有效提高钻井效率并能够充分清洗井底[1]。同时，将水射流用于煤矿钻孔和切割能有效提高松软煤层透气性和瓦斯采集率。水射流技术用于防瓦斯爆炸方面有独特优势，传统切割容易产生高温和火化从而容易引起瓦斯爆炸，而水射流加工无高温和火化产生从而有效的改善钻井切割中引起的瓦斯爆炸[2]。李晓红等[3]将高压脉冲射流应用高瓦斯低透气性煤矿，结果表明平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原有工艺提升了7.8倍。WANG等[4]利用空化射流声振效应促进瓦斯解吸，实验表明声波振动效应对煤层气解吸和最终甲烷解吸有明显的加速作用。

在航天航空领域：水射流切割技术属于冷切割加工，因此对材料切割时材料的机械与物理性能以及材质的晶间组织结构都不会变化[5]，更不会发生热变化。正因其特性，使其既可以保证加工质量也能保证其经济性。水射流射流切割技术在航天航空被大量使用，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。

在军工领域消防领域的应用：军事和消防是两个特殊而危险性高的行业，由于水射流切割技术是一种冷切割技术，在废旧弹药的处理方面，高压水射流在安全、绿色处理方面有着先天的优势，被用来切割高温、易燃易爆、地雷、核武等不能产生火花的地方。在高压水射流的作用下炸药能够从弹壳中分离出来，与传统的分离技术相比较水射流切割技术是一种更为有效安全的手段分离手段[6-7]。

在食品加工领域：使用冰粒作为磨料的水射流切割技术应用到食品加工中，有效的避免了传统切割使用刀具容易产生交叉感染的问题[8]，同时也保证了食品的安全和品质。采用非接触式高压水射流切割用于农产品收割，实现对甘蔗茎秆的较远距离切断[9]。

在生物医学领域：在医学上，将纯水射流作为手术刀，可进行多种外科手术，切除病体机体，不损伤血管与纤维，可大大降低手术中的出血量[10]。水射流技术在医学上作为一种新型手术分离器械，与现有分离器械如：传统手术刀、电刀、超声刀及激光刀等器械相比，医用水刀在临床上具有高度精准灵活的组织选择性、保护性、无热损伤、无菌化、术中出血量少、创伤小等优点。合理设计的医用水刀實现了低压水射流时对伤口的冲洗，高压水射流时对实质性组织进行切割的作用，有效解决了手术中频繁换刀的麻烦[11-12]。

在复合材料加工领域：复合材料是指一种由两种及以上材料通过复合工艺组合而成的具有新性能的材料，表现出各向异性的特点，具有广泛的应用前景，但其加工一直是一项工程难题[13]。传统加工方式加工复合材料易发生破碎和分层。而在水射流的切割加工下，其切割面质量较好，没有分层现象[14]。此外，玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维复合材料也是典型的难于切削加工的复合材料，磨料水射流单点冷态的加工优势较好地解决了这些材料的加工问题[15-16]。

2. 水射流切割存在问题

经过这么多年的技术发展与沉淀，水射流技术切割技术得以很好的发展与应用，但还有许多制约其发展的瓶颈问题，需要继续探索和提高。

（1）水泵关键技术的研究。水泵作水射流高压发生系统中重要组成部分，高压泵还存在润滑磨损、泄露、超高压密封问以及定性等题急需解决。

（2）喷嘴优化和材料问题，喷嘴作为水射流加工中重要的换能元件对整个系统有这至关重要的作用。目前喷组都有着耐磨性差使用寿命短等问题，需加大对喷嘴使用材料进行研究，以提高耐磨性喷嘴寿命。此外，对喷嘴的结构形状和尺寸等参数进行优化对提高喷嘴效能有着重要的影响。

（3）智能化数字化，目前水射流切割技术还存在数字化智能化程度较低的问题。主要表现在整个系统中各个模块数字化程度低内联相关性较低，自我检测能力不强，不能自我调整加工出现的问题和工艺参数参数不能在加工中自适应调整。

（4）参数库不健全，弄清楚射流各个单一参数和各参数相互作用对射流结构的控制作用和射流切割的微观和宏观过程是获得理想的切割效果重要一环。理论和实验相结合得到数据建立切割数据库，实现在加工时只需输入材料的特性就可以自动匹配合适的切割参数便可以达到最佳切割效果。

3. 水射流切割发展前景展望

21世纪以来高压水射流技术进入了创新应用阶段，作为一项高效的应用技术，水射流切割技术在以应用领域和其他还未应用诸多领域仍有着十分广阔的发展空间。以下是对水射流切割技术发展趋势的展望。

（1）提高系统的可靠性能，目前水射流技术正朝着在高压和超高压水射发展，提对高压泵设计，高压软管，喷嘴的耗损度也急剧升高，压力脉动也特别明显，系统的可靠性在于液压零部件合理上的设计和材料领域的突破。

（2）提高精度，水射流技术加工目前还处于粗加工和半精加工，其精度还不够。精准模型建立和精确误差补偿是提高水射流加工精度的有效方式。加工将不再仅凭借传统的加工经验和简单的模型，而是结合计算机技术在建立精确模型基础上，在利用神经网络及模糊控制技术，进行全自动化加工。对于加工中出现各种复杂加工情况，计算机将根据系统算法找到相对应的加工参数实现加工。

（3）发展智能化控制，随着水射流技术的发展，对高精幅度形状复杂化加工是水射流发展的重方向。随着人工智能学科的发展，引领水射流技术向着智能化与自动化控制发展，实现多轴（5轴以上）水射流大量设计生产应用，促进高精尖水射流加工机床的发展进步。实现从二维到三维的大量转变，以及从加工从简单到复杂，从粗糙到精确加工发展。

（4）与其他技术综合应用，将其他加工技术如激光、超声波、电解加工等加工技术与水射流技术进行有机结合，两者加工优势加大程度相结合将显著提高水射流技术的应用范围和加工效率。

参考文献

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作者简介

景江明（1994年9月9日），男、四川省巴中人、研究生、西华大学、研究方向：水射流加工技术。