1.5　水射流技术的应用概况

最近几十年，水射流技术及装备发展迅猛，其应用遍及各行各业以及人们生活的各个方面。水射流技术成功应用的行业领域包括机械制造、汽车、航空航天、军工、电子电力、石油化工、轻工、船舶航运、食品、医疗、环保、建筑建材、市政工程等。概括起来讲，水射流技术主要应用在：工业清洗（industrial cleaning）、材料切割（material cutting）和材料表面处理（surface preparation）等方面。

1.5.1　水射流工业清洗

水射流清洗利用高速水射流的冲击动能，可以实现清除各种污垢的目的。由于使用普通水介质，不添加任何化学物质，清洗效果和效率大大优于人工清洗、机械清洗或化学清洗等，且环境友好、成本低、不伤基体，易于实现机械化、自动化和智能控制等，广泛应用于冶金、石油、化工、电力、交通、国防、市政环卫、矿山等行业各类管线、热交换器、容器、船舶、车辆及大型设备的内外清洗。

水射流工业清洗主要用于去除水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污泥、高分子聚合物垢等。通过研发专用设备，可消洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄、复杂环境、恶劣有害的场合进行作业。此外，通过设备改型，还可用于脱漆、金属构件除锈、飞机跑道的除胶、船舶船体除藻、管道疏通、海上钻井平台清洗、核电反应堆的除垢除污、特殊钢厂的铸件清砂、轧件除磷等工作。图1-7是水射流工业清洗的一些典型应用实例。

作为一种先进的物理清洗方法，水射流清洗有以下特点。

①环境友好。清洗介质为清水，对环境没有任何污染，对被清洗件无腐蚀性损伤。

②适用范围广泛。可在各种条件下进行清洗作业，对被清洗设备、设施大小、形状、材质及垢物种类均无特殊要求。

③清洗质量好、效率高。水射流对各种污垢的除垢率可达95% 以上，且效率高、成本低。

④节能、节水。水射流清洗耗水量小，且用过的水可以回收处理，循环使用。

⑤安全性好。水射流清洗可在有毒、放射性、易燃、易爆条件下安全作业。

水射流清洗技术在发达国家如美国、德国和日本广泛应用，美国的水射流清洗已占清洗业的80%，主要用于热交换器、工业锅炉、大型容器和罐体、物料输送管道、设备表面等清洗作业。美国在20世纪30年代开始将水射流清洗技术应用于半导体、电子行业，20世纪60年代，水射流电子清洗机在日本发展起来；在韩国，水射流清洗占整个水射流应用的73%，其中在半导体和电子行业中的应用占水射流清洗应用的50.3%。我国从20世纪80年代开始应用水射流清洗技术，应用行业主要是石油化工、医药、轻工、食品、冶金、电力电子、汽车、半导体、造船业、海上航运、交通、建筑业、机械行业、钢铁制造业以及其他行业。随着水射流技术的不断进步，各种水射流清洗机和清洗设备相继问世，并大量投放市场，水射流清洗技术将越来越广泛地应用于我国经济建设的各个行业，应用前景广阔。

1.5.2　水射流切割材料

水射流技术的研究和进步，尤其是磨料水射流技术的发展，使其逐渐成为一种现代新型切割工具。水射流介质成本低、清洁，切割过程中无尘、无毒、无火花，噪声小，环境友好，因此属于绿色环保工艺；水射流切割属于无机械接触“冷切割”，绝无机械应力、热变形，无受热影响区域（HAZ）产生，不会改变被切割物质的物理和化学特性，因而成为对热敏感物质的最佳切割工具；水射流切割适应性好、切割品质优良、切缝窄、材料损耗少；水射流切割可以方便地与计算机辅助制造系统结合起来，使其进一步拓展成为一种全新的特种加工工具。

目前，水射流可切割各种材料已达500余种，如各种纸（板）、聚酯、塑料、纤维、橡胶、皮革、食品、玻璃、石材、混凝土、陶瓷、硬质合金、钨钼钴合金、耐热合金、钛合金、耐蚀合金、高速钢、模具钢、淬火钢、不锈钢、白口铸铁、可锻铸铁等工程材料，切割厚度最高可达8in（203mm）。

水射流切割以无与伦比的适应性、多样性和环保性去扩充火焰、激光、等离子体、电火花（线切割）或传统机械加工所达不到的能力。根据美国市场调研机构Frost And Sullivan的研究报告，水射流切割是世界上成长最快的切割工艺之一。水射流特种加工快速成长的原因之一是加工品质高，不需二次处理，大部分水射流切制工件即为最终产品。图1-8是磨料水射流切割的一些典型应用示例。

水射流切割的优点如下。

①较其他加工便宜。

②可实际加工任何工程材料，包括：

a.淬火钢；

b.普通低碳钢；

c .特殊合金，如钛合金、镍铁合金、镍基合金；

d.黏性304不锈钢；

e.对绝大多数钢材，不论淬硬与否，都能以相同速度切割；

f.铜、黄铜、铝材等；

g.脆性材料，如玻璃、陶瓷、石英、石材等；

h.层压材料（塑料、板）；

i.易燃、易爆材料。

③可以切割薄材，也可以切割厚材。

④用一种工具加工所有零件轮廓。

⑤在适宜的尺寸公差范围内，切割厚度可达50mm。

⑥在尺寸公差不重要或材料较软的情况下，切割厚度可达127mm。

⑦冷切割，工件上绝无热影响区（HAZ）产生。

⑧没有机械应力。

⑨加工任何复杂形状（2D或部分3D）零件。

⑩准备时间很短。

只一种工具就能完成零件加工，不需更换加工刀具。

转换快——加工完一种零件后，只需2min就能开始加工另一种不同材料、不同形状的零件。

切割面光滑，不需二次加工。

加工过程清洁，无气体或油污染。

具有加工孔的能力，不需预先加工起始孔（与线切割比较）。

切缝窄，切成碎屑的材料很少（对贵重材料，尤其重要）。

切屑很容易回收利用（无油腻屑片）。

系统使用、操作容易。

根据零件加工特征，可以方便地在切割速度和加工尺寸误差之间进行调节。

适应性好，无论是单件生产还是大批量生产，都在同一设备上完成，不需额外改动。

非常安全（不会产生爆炸，由于水的不可压缩性）。

先画一个零件图，然后就加工这个零件，一切就这么简单，任何人都可以很快学会使用。

切面没有“疤痕”，因此可以容易地得到高质量的焊缝。

可加工复合材料，或有完全不同的材料黏结在一起的板材（型材）。

可以将几件较薄的材料叠在一起同时加工。

水射流究竟可以切割多厚的材料？从实用观点来看，对金属材料，磨料水射流的切割厚度极限是50～75mm。国外有人说水射流切割厚度可达125～150mm，这是完全可能的。但问题是其加工速度可能会慢到你无法接受。但这也不是绝对的，某些情况下，对一些特别贵重材料或者用其他手段特别难加工的材料，切割厚度超过75mm也是实用的。对钛合金的加工就是一例。

磨料水射流特种加工的切缝宽度视加工件材质、厚度和使用喷嘴内径、混砂管内径等而定。一般而言，磨料射流切缝宽度为0.8～1.8mm；而纯水射流切缝宽度为0.1～1.1mm。水射流切割速度视加工件材质、厚度、加工精度、表面质量要求和射流功率而定。典型切割速度如表1-2所示。

需要指出的是：由于纯水射流一般用于切割软材料，因此纯水射流的切割速度通常比磨料水射流的切割速度快得多。

表中数据显示淬火工具钢的切割速度几乎与不锈钢（或任何其他钢）的切割速度相等。这很有意义，它说明水射流适宜于切割加工热处理后或者硬化处理后的材料。

水射流特种精密加工的成本视加工材质、厚度、加工形状、加工精度、表面质量要求等决定。对普通金属材料，小时成本一般为100～120元；对钛合金等难加工材料，加工成本会更高。

水射流加工的优点是显而易见的，但是其应用仍然受到某些因素的制约：一方面水射流技术还是一种新技术，很多人并不知道水射流可以干什么；二是水射流的超高压系统的密封、喷嘴的磨损等还存在问题，使得设备的维护过于频繁；三是缺乏适应水射流加工特点的软件，因此，水射流一直被看成是一种粗加工（如下料）工具，或用于对其他加工方法无法实现的材料加工。

水射流加工已经被世界许多著名大公司，如Boeing，Textron，Lockheed，Martin Marietta，Northrop，Thiokol，Pratt & Whitney，Aerostructures，American Airlines，Northwest Airlines and Embraer （Brazil）、北京航空部625所和各大飞机制造公司成功应用。在机械制造、汽车、航空航天、国防、核工业、电子电力、石油、化工、轻工、船舶、食品、医疗、林业、农业、建筑建材、采矿、市政工程等领域具有广泛的应用前景。

我国的水射流技术研究起步较晚，发展较快。但整体水平还有差距，这主要和我国整个机械工业技术水平有关。随着我国科技发展和机械行业水平的提高，目前国产水射流设备在全国销售已有数千套，近年来还出口美国、欧洲和东南亚，显示出巨大的市场潜力。

就目前情况看，我国水射流切割机床绝大部分用于石材、民用陶瓷、玻璃等建材的加工。这些行业仍具有广阔的市场空间。另一方面，随着全球制造中心向中国的转移，用于机械、电子、环保等产业的高端水射流特种精密加工技术和设备在我国具有更广阔的市场。

1.5.3　水射流材料表面处理

近年来，水射流技术在表面处理和快速成形等方面得到长足发展，如水射流喷丸强化、水射流抛光技术、水射流渐进成形等。传统喷丸强化是一种有效提高金属零部件疲劳寿命的冷加工工艺，广泛应用于机械、化工、冶金、航空航天等领域。水射流喷丸强化是在20世纪80年代末提出，其基本原理是在水射流中加入弹丸粒子，利用高能水射流和弹丸的冲击作用使零件表层材料产生塑性变形，从而产生残余压应力，达到提高零件疲劳寿命的目的。由于水射流喷丸强化具有受喷材料表面粗糙度值增加小、喷丸强度范围宽、覆盖率高、喷丸灵活、控制方便、无尘、安全绿色环保等优点而得到了快速发展。

水射流抛光技术本质上属于磨料水射流切割的范畴，只不过这种切割作用是一种微量切削，因此，其系统压力要低得多。磨料水射流抛光工艺中，磨料及水在容器中经过机械搅拌均匀后，由低压泵送至喷嘴形成磨料水射流，射流束以一定速度喷射到工件表面，对工件表面进行微切削作用，实现表面抛光。磨料水射流抛光技术具有应用范围广、去除斑点小、无亚表面损伤、适应于高陡度、小曲率半径工件加工以及成本低等特点，具有广阔的发展前景。

水射流成形技术是基于高速的水滴对材料表面进行冲击，即产生水击效应。水射流产生的高速水滴对板材外层的冲击会引起压缩应力，从而在板材上产生足够的表面塑性应变使其保持定义的形状。水射流成形技术与传统喷丸成形非常相似，都是利用机械应力在板材表面产生变形，但与传统的喷丸成形相比，水射流技术在不改变表面粗糙度和表面形貌的情况下能够在深层产生压缩残余应力。相同的水射流技术设备可用于切割、清洗、抛光、喷丸、成形等多种工艺，仅需对工艺参数进行合理选择。

利用水射流的冷态加工优势，在射流中混入微磨料颗粒，可以用于刀具切削刃口的钝化。研究表明，微磨料水射流能去除刀具表面的毛刺、锈蚀、污垢以及刃口上的豁牙、锯齿和裂纹等缺陷，从而进化和活化刀具基体表面，降低表面微观缺陷和残余应力，提高刀具表面疲劳强度。同时还能增加涂层与基体的“锚勾效应”，减少涂层的收缩应力，增大涂层和基体的结合面积，进而提高涂层与基体的结合强度。

水射流技术在医学领域中的应用也越来越受重视。例如医用射流注射系统、水射流碎石技术治疗各类结石症、水射流手术刀等。射流注射系统与人体皮肤无接触性，不会形成交叉感染；水射流技术在泌尿系及胆系结石的破碎及排除方面具有很大潜力；水射流手术刀进行多项外科手术，切除病体器官，不但不损伤血管与纤维，还可大大降低手术中的出血量。

水射流技术在消防、除尘上的应用前景广阔。水射流技术以水雾取代大流量水柱，即采用10MPa高压泵通过喷射系统产生直径小于0.1mm的水雾水柱，细小水珠蒸发起到迅速制冷作用，在蒸发过程中水珠体积扩大1600倍，以隔绝燃烧物体处的氧气，达到灭火的目的。水雾灭火特别适用于带电区域的火灾，而这类火灾则很难使用连续水射流。同时，高压小流量的水雾灭火较常用的水龙头灭火节水近90%。

此外，水射流技术也逐步应用于煤炭脱硫、有机废水处理、食品灭菌、病毒灭活、蛋白质改性、白酒催陈等多方面。我们相信，随着水射流技术的不断发展和完善，水射流技术的应用必将推陈出新，大放异彩。