高壓水流的溫柔一刀

華慶富

水，給我們的印象是溫柔的、軟弱無力的，類似意思的詞語俯拾皆是：溫柔似水、弱水三千、柔情似水……可是，當你稍稍改變一下水的流動方式，它竟然也能柔中帶剛，甚至像武林高手一樣，瞬間就能化掌為刀，變指為劍！

自古以來，人類就利用水流的沖擊力來制成水車、水磨等水力機械，讓它們替我們完成一些重復、繁重的體力活。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。高壓水槍最初被用于采煤工業，名曰水力采煤。高速噴出的水流受阻于煤層，速度驟然下降，頃刻間會產生足夠大的沖擊力，使煤層出現脆性斷裂，從而完成采煤作業。受此啟發，科學家開發出高壓水噴流切割技術，也就是今天我們所說的超高壓水刀。

超高壓水刀的基本技術既簡單又極為復雜。普通水經過一個超高壓加壓器，將水加壓至4.137×108Pa，然后通過一個直徑為0.004英寸至0.016英寸的細小的噴嘴（1英寸=2.54厘米），可產生一道每秒達915米（約音速的3倍）的水箭，這道水箭可做各種表面處理及切割各種非金屬物質，如紙類、紙尿褲、玻璃、纖維、海綿等。而當少量的砂（如石榴砂）被加入水射流中與其混合時，所產生的加砂水射流，幾乎可切割任何硬質材料，包括金屬、復合材料、石材及玻璃。超高壓水刀還運用于各種不同的工業表面處理，如船身清洗及汽車噴漆設備清洗等。

超高壓水刀對水、管道、噴口都有比較高的需求。如管道，水刀是用高壓工具把水加壓后射出來的，必須擁有極高的壓力才能把堅硬的材料切開，所以管道必須能承受極高的壓強，這個壓強遠遠大于7×108Pa，因為薄鋼板（被切割材料）本身就能承受7×108Pa的壓強。

其次，水刀用的水完全沒有雜質是不行的。因為水壓遠遠大于7×108Pa，那么對于管道等密封設備而言，無論密封性能多么好，純水總會使它們磨損而滲漏。為了解決這個問題，水刀用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。對于高壓泵，也要加入一些油液提高其密封性能。

水刀的噴嘴是用硬質合金、藍寶石等材料做成的，噴口直徑僅0.05毫米，而且孔內壁光滑平整，能承受1.7×109Pa的壓強，所以噴出來的高壓水能像刀一樣切割材料。有時往水中還加入一些長鏈聚合物（如聚乙烯氧化物），用來增加水的黏度，使噴出的水猶如一條細線。

水刀的加工精度高，切割寬度只有0.1～0.8毫米，可以加工型面復雜的零部件，而且加工后的零部件切口光滑整齊，無須修整，尤其對易熱變形材料的加工，水刀更具獨特的優越性。

除低成本切割外，水刀還被認為是世界上功能最多樣、增長速度最快的加工技術。它與其他技術（銑床、激光、EDM、等離子和刨床）相輔相成。水刀切割不使用有毒的氣體或液體，不會產生有毒的物質或蒸汽。水刀切割表面不留任何熱影響區域或機械變形。它是一種真正的多功能、高效率冷切割技術。

從在石材、玻璃和金屬上切割極薄的細節，在鈦合金上快速鉆孔，切割食品，甚至對飲料和溶液進行殺菌消毒，水刀已經證明了它獨一無二的價值。

正因為它不是刀，它不像刀具那樣存在磨損問題，摻入水噴流中的磨料和廢水可回收使用，設備又較為簡單，加工成本低廉，而且加工過程中引起的振動和噪聲都很小，切屑量僅是機械加工的15%～20%，并且碎屑隨水流走，不會飛揚傷及操作者，因此它有廣闊的用武之地。對復合材料的切割是加工中的棘手問題，如果采用傳統的加工方法，會出現分層和撕扯現象，而水刀正是解決這個問題的理想工具。用水刀來清除部件的陶瓷涂層，效果優于機械方法和化學方法。水刀可用于沖孔，粉碎材料。船體及螺旋槳表面的附著物、化工管道中的積垢，用水刀來清洗也很方便。

水刀甚至還可以用于外科手術。某著名大學醫學院用壓強7×107Pa的水刀在家兔身上做試驗表明，它可用于肝、腎等器官的手術，不會損傷周圍組織，也不易引起感染。

（編輯 孫世奇）