水那麼軟,為什麼能切割鋼鐵等材料?

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沒看到【為什麼】的答案,故分享一下新視野的解釋與相關計算。僅供工程技術人員參考。

定義:以水為【工質】(即工作介質)的高壓水槍切割工藝(high pressure water cutting),簡稱【水切割】。

通常,高壓水槍的極速噴流的工作壓強大約在50MPa左右5×10⁶N/m²。由於噴流大部分不起作用,作用於工件的有效壓強為1%,即:

p=5×10⁴N/m²...(1)

我們知道,水分子的邊界層是核外電子。核子被外層電子雲緻密的包裹著,核子不會裸露。

因此,水切割的本質是【原子切割】,這與常見的【等離子切割】有點不同,都是通過外加能源迫使被切割【工件】的粒子加速震盪,獲得足夠大的動能增量(△½mv²),導致劇烈熱效應(△1.5kT),在極小範圍發生熔融泡發現象,好比鑽地導彈與穿甲彈一樣。

▲等離子切割有尖端電弧泡發效應。

▲穿甲彈屬於【原子切割】泡發效應

高壓水槍迫使隨著水分子所作的體積功為W=pV,水分子半徑r=2×10⁻¹⁰米,射流行程為d=0.1米,則有:

W=pV=p(πr²d)...(2)

這部分體積功作用到【工件原子】上,工件電子獲得動能增量,則有:

p(πr²d)=½m△v²...(3)

假設原子晶體質量m=1.7×10⁻²⁷kg,原子半徑r=10⁻¹⁰m,原子被加速到v',原子常溫震盪速度為初始速度,

即:v₀=α²c=c/173²=1.3×10⁴[m/s]...(4)

則,△v²=v'²-v₀²...(5)

根據能量守恆與轉換定律,

有:W=△Ek=1.5k△T...(6)

工質的最終溫度為T',初始溫度為常溫,

即:T₀=273.15+20℃=293.15K...(7)

有:p(πr²d)=½m₀(v'²-v₀²)=1.5k△T...(8)

根據式(7)可估算工質原子末速度

v'=√(2pπr²d/m+v₀²)...(9)

=√(2×5×10⁴×π×10⁻²⁰×0.1

÷(1.7×10⁻²⁷)+1.3²×10⁸)

=√(18.5×10¹⁰+3.69×10⁸)

=4.3×10⁵[m/s]=43km/s

還可估算工質原子的熱平衡溫度

T'=2p(πr²d)/3k+T₀...(10)

=2×5×10⁴×π×10⁻²⁰×0.1

÷(3×1.38×10⁻²³)+293.15

=7.6×10⁶[K]≈760萬℃

估算可見切割點的熱量Q:假設切割體積為0.01×0.01×0.01cm³,鐵密度7.8g/cm³,

M=ρV=7.8×4.2×0.01³=3.3×10⁻⁸kg,

Q=(M/m)×1.5kT

=3.3×10⁻⁸÷(1.7×10⁻²⁷)×1.5k×7.6×10⁶

=3000焦耳


物理新視野


水滴石穿,這個成語大家很熟悉,柔軟的水,只要有足夠的衝擊力,就能把石頭擊穿。好比爆炸,氣體急速膨脹,也能把房子甚至鋼罐炸燬。

水切割的原理就是高壓下水流產生速度,形成超高速的所謂的“水刀”。

現在切割鋼板用的水切割叫水刀,高壓水切割的“發現”起源於蘇格蘭,經過100年的試驗研究,才出現了現在常見的工業高壓水切割系統。這種“水刀”不僅能切割鋼板,而且連切割質量的精度還超過了金屬刀具。

超高壓水切割是一種能產生高壓的發生器,給水施加幾百甚至幾千個大氣壓,再讓水從一個直徑僅十分之幾毫米的紅寶石噴嘴中噴出,形成的水柱就是力量很大的高壓水流。這種高壓水的速度每秒高達近千米,能代替金屬刀具做精密的切割。

水切割屬於冷切割,不會改變材料的物理化學性質,而且水切割可以對任何材料進行任意曲線的一次性切割加工,切割時產生的熱量會立即被高速流動的水射流帶走,並且不產生有害物質,材料無熱效應,應用十分廣泛。

因此,水能切割剛板,主要就是其超強的壓力作用,這種壓力堪比大炮。而作用在很細的噴嘴上,那就是鋒利的切割刀片了。

水,雖是至柔,也能至剛。




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我們家裡水龍頭流出來的自來水,由於水壓很小,故我們感覺水是“軟”的,但是我們將自來水加壓後,讓其從高壓水槍中高速噴出,此時水流打在身上,我們便會感覺到疼痛,水流噴在地面上,可以清除地面上的汙物。工業上用於切割鋼鐵等材料的水是經過加壓到數十MPa以上,然後從細小的噴嘴高速噴出水流來切割的,我們稱這種切割為“水刀”切割。▲ 水刀切割。

水刀切割需要通過高壓發生器即高壓泵(一般是用液壓馬達驅動增壓器)將普通的自來水增壓到數十~上百MPa以上,讓水流從零點幾毫米的噴嘴高速噴出,由於這種水流的速度很快,每秒可達上千米,此時噴出的水流具有很高的動能,可以用來代替金屬刀片作較精密的切割,其不僅可以用來切割橡膠、木材、布料、皮革,就連切割鋼板也是削鐵如泥。

▲ 水刀切割機。

這種水刀切割與金屬刀片切割相比,水刀切割的切縫很小,可以低至0.2毫米,並且切割時噪聲小,粉塵也很少,切割出來的材料邊緣較光滑、平整,用水刀切割出來的零件一般不需要打磨即可使用。此外,水刀切割屬於冷切割,切割鋼鐵等金屬材料時,產生的熱量會被高速水流帶走,故切割金屬材料時發熱量亦很小。對於玻璃、陶瓷等易碎材料,用普通的金屬刀片無法切割,但用水刀卻可以很好的切割。

▲ 高壓水流清洗地面的油汙。

由於水刀具有很高的動能,除了用於切割之外,還可以用於金屬材料的除鏽、除垢及清洗。像各種表面凹凸不平的金屬板材、金屬管件等都可以用水刀來清除其表面的汙物。


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物盡其用在水這種物質上表現得淋漓盡致

水那麼軟,為什麼能切割鋼鐵?我國水刀的最大壓強420MPa!水被人類譽為生命之源,地球表面大約72%的部分都被其覆蓋,更是我們時刻呼吸的空氣中的重要組成部分。從飲用水到農業灌溉,水可以說是我們日常生活中最為常見的一種物質。但並沒有多少人對水有足夠深入的瞭解,尤其是它在現代科學技術的利用下所發揮的重大作用。

古人云:“繩鋸木斷,水滴石穿。”,意喻即便是再細微的力量,只要堅持不懈便能成就難能的功勞。而當代人則研究出了以水為刀的高壓水射流切割技術,也就是最理想的冷切割機具水刀。或許,對於很多不曾從事相關工作的人而言,可能會覺得水如此柔軟的物質,怎麼可能將堅硬無比的鋼鐵等材料切割開!

水切割-最理想得切割機具

事實上,切割的方法有很多種,除了冷切割之外,還有摩擦切割發、切削法、化學法和電燒蝕切割法。而我們今天需要了解的是冷切割這種特殊的切割方法,在此類切割方法實施的過程中,可以在保持原來材料特性的基礎上不產生高溫(一般在40攝氏度以下)。

雖然,有不少的切割工具都能達到冷切割作業的基本目的,比如:液壓水冷切割鋸、線切割、水切割、水冷切割鋸、水冷鋸片切割機等。但是,當切割環境周圍存在易燃易爆物品的時候,則會將冷切割的作業要求進一步提高。在切割機具的選擇上,有不少人都存在安全切割作業上的誤區,倘若將燃油機切割鋸和液壓鋸當作安全的冷切割機具,便是非常危險的一件事。

在所有切割機具中,水切割才是最理想的切割機具,它包含了低壓水切割和超高壓水切割兩種主要類別。這是兩種完全不同的水切割,而真正意義上安全的冷切割機具,則非低壓水切割具莫屬。因為另一種高壓水切割,很可能會導致射流和高壓衝擊高速摩擦,而該過程中產生的靜電則會為作業帶來危險。

在實施安全切割作業的時候,我們是無法徹底消除環境中的靜電的,能做的只有將其控制在不會導致易燃易爆物品被引爆的範圍之內。而整個切割過程,也需要儘量保持切割衝擊力較小,從而使得靜電和溫度都在這個切割的過程中被摩擦吸收。

以水為刀-高壓水射流切割技術

在2011年之前,水刀都是一種不太被人重視的機械產品。究其原因,則主要因為這是一種新技術帶來的機械產品,不同於一般電子產品濃厚的科技感和技術神秘感。直到水刀有了更小、更安全的類型,並不再侷限於非危險領域使用的尷尬境地時才得以被更多人所熟知。而以水為刀的水刀,其原名實為高壓水射流切割技術。

水刀被青睞的根本原因,就在於這種冷切割方式不會導致材料的物理化學性質發生改變。很多切割方法的應用都會因為材料品種而受到限制,但任何材料都能夠通過水刀,實現任意曲線上的一次性切割加工。不管是在玻璃勳和陶瓷行業,還是金屬和石材等行業,水刀都已經被人們廣泛應用。

而我國水刀的最大壓強,更是達到了420MPa,就連5軸水刀也日趨成熟。在水刀進行作業過程中所產生的熱量,並不會對生產過程帶來危險,而是被高速流動的水射流一併帶走。整個過程更不會有其他有害物質的產生,冷態切割可以讓材料不產生熱效應。

並且,被切割好的材料也不需要、也更容易進行二次加工。簡而言之,水切割是一種適用性特別強大的切割方式,而高效率、快速度,以及環保和安全,都是它最大的優勢和基本特性。當然,水刀也會根據不用的劃分依據被分為不同的種類。比如,從壓力屬性這個角度來說,水刀可以分為200MPa以上的超高壓型、100MPa以上的高壓型,以及100MPa以下的低壓型。

而小型水切割和大型水切割(設備的大小)、非安全切割類和安全切割類(安全切割)、後混式和前混式(技術原理)、加沙切割和無沙切割(加沙情況),以及龍門式和懸臂式(機械結構),其實都是從不同的角度對水刀進行了分類。

切割比較-不同於其他方式的水切割

首先,我們可以將水切割和等離子切割進行比較。屬於冷態切割的水切割不僅沒有過多的熱量、不會導致變形,而且良好的切割面質量避免了不必要的二次加工;而切割精度較低、切割過程中有明顯的熱效應,以及被切割的表面不利於二次加工,這些都是等離子切割最大的特點。

線切割和水切割是兩種不同的方式,當我們對比它們對金屬進行加工的時候會發現,線切割雖然擁有更高的精度,但緩慢的切割速度,同時還會導致切割尺寸受到很大的限制;而水切割的加工尺寸餘地則大了很多,不管是對什麼材料進行切割或打孔,都具有特別快的速度。

相信很多人對激光切割都不陌生,在對薄鋼板和部分非金屬材料的切割的時候,它可以擁有較快的速度和較高的精度。然而,卻無法做到不在切縫處引起熱效應和弧痕,更不能實現對鋁和銅等有色金屬、合金和較厚金屬板材的切割。

雖然人類一直試圖通過大功率激光發生的研究,從而解決激光切割的侷限性,但這卻需要耗費大量的投入。水切割就不同了,它不僅僅只需要較低的運行成本,更可以覆蓋更廣泛的材料切割範圍,就連它的操作效率和維修都特別方便。水切割材料的成品率高,還可以高精度標準實現任意曲線的切割加工。

不管是水射流的流量還是壓力,我們都可以很方便的進行調節,不僅沒有特殊的清潔處理要求,更不會造成二次汙染。所以,不管是從切割材料的覆蓋範圍、切割精度的把控、切割要求的實現,還是出於對地球環境的重視,水切割都無疑是生產過程中最理想的切割機具類型。


悟空科學


"切割"就是用集中施加的外力使受切"刀口"處物質的原子或分子間的鏈接(各種鍵)斷裂。子彈則是高動能的子彈撞擊,使被射中物體的彈著點處的原子分子間的鏈接鍵斷裂。

*

"水刀"類似子彈,是水分子在高壓泵的作用下"射向"被切割物體,以圖撞斷原子、分子間的鍵。但水刀與子彈又不同,它發射的不是一顆或幾顆子彈(水分子),它是連續不斷地發射;這些連續發射的水分子就宛如形成了持續"切割"物體的刀,在持續不斷的高速水分子的集中撞擊下,"刀切"處的原子、分子鍵會相繼斷開,在宏觀上就像是水刀把物體切開了。

*

如果在水中添加了固體耐磨微粒,微粒的質量密度更大,在同樣的速度下,動能更大,就更容易使鍵被撞斷裂。為啥要耐磨?其實是要它的硬度高,在與固體的撞擊下自己不破碎。因為一旦破碎,微粒的一部分動能就被消耗在破碎過程中了,用到撞斷被切割物體上的能量就小了。另外,越耐磨(自己不碎),複用的次數就越多。


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俗稱高壓水刀,水中有類似金剛沙磨料,對噴口硬度要求極高。

適合高危環境作業,如未爆彈...


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水是既柔軟又堅硬的一種,物質


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水中需要加砂等磨料,加上高壓水流的速度,與角磨機的磨片是一個道理。


走近科學2


水那麼軟,為什麼能切割鋼鐵等材料?

水刀切割,把水加壓到250~900Ma,然後通過直徑為0.15~0.35mm的噴嘴,形成800~1000m/s的高速射流來切割鋼鐵等材料。



比如題目說的切割鋼鐵等材料的水刀,屬於加砂水刀,就是在水射流中加入砂料。水射流中不加砂料,屬於純水水刀,多般用於軟質材料切割。

所以題目說的問題,主要原因是水中加入砂料,因此是由加入的砂料顆粒來侵蝕鋼鐵等硬質材料。傳統的切割工藝屬於熱切割,比如等離子切割、火焰切割、電火花切割等,而水刀切割屬於冷切割。由此可見,冷切割相比熱切割既有優點又有缺點。切割過程無化學變化,設備質量輕、效率高、切割質量高。

高速液體束流形成;把純水或加入砂料的液體通過水泵送至增壓器,在經過貯液蓄能器讓高壓液體流動平穩,最後才經過噴嘴,從而形成高速液體束流。

因此,水刀切割才是真正的冷加工,由此可見,車、刨、磨、銑還不算真正的冷加工。

水歷來以柔著稱,是因為我們日常所見的水總是溫柔的、毫無衝擊力的,主要是其處於靜止或低流速狀態。一旦水高速流動起來,就會具有巨大能量而變得強勁有力。高壓水射流可能性源自於蘇聯,而獲得此項專利確實是美國。


Talk工控小白


這很好理解,武俠小說看過吧,摘葉傷人的原理和這個是一模一樣的,不在於軟硬,而在於介質的速度,天下武功唯快不破,無堅不摧。速度足夠快,就帶有足夠的動能,空中的飛機能被一隻鳥把飛機撞個大洞,道理也是一樣,飛機相對於鳥來說,速度太快了,撞擊的瞬間,產生的巨大沖擊力,能量瞬間釋放,而且這種釋放不像爆炸,能量四面八方散開,而是集中於一點進行釋放。

在這一點上,能量可以摧毀一切,也就可以切割鋼鐵。舉個例子,天龍八部中,虛竹把松球扔出去,虛竹以為沒啥威力,誰知道軟軟的松球擊中一個人的頭上,那個人瞬間斃命,道理也是,因為虛竹內力深厚,發出的松球速度特別快,帶有足夠大的動能,松球飛行過程中遇到人體阻礙,高速瞬間降低速度,能量釋放,將人擊斃。


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