水那么软,为什么能切割钢铁等材料?

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没看到【为什么】的答案,故分享一下新视野的解释与相关计算。仅供工程技术人员参考。

定义:以水为【工质】(即工作介质)的高压水枪切割工艺(high pressure water cutting),简称【水切割】。

通常,高压水枪的极速喷流的工作压强大约在50MPa左右5×10⁶N/m²。由于喷流大部分不起作用,作用于工件的有效压强为1%,即:

p=5×10⁴N/m²...(1)

我们知道,水分子的边界层是核外电子。核子被外层电子云致密的包裹着,核子不会裸露。

因此,水切割的本质是【原子切割】,这与常见的【等离子切割】有点不同,都是通过外加能源迫使被切割【工件】的粒子加速震荡,获得足够大的动能增量(△½mv²),导致剧烈热效应(△1.5kT),在极小范围发生熔融泡发现象,好比钻地导弹与穿甲弹一样。

▲等离子切割有尖端电弧泡发效应。

▲穿甲弹属于【原子切割】泡发效应

高压水枪迫使随着水分子所作的体积功为W=pV,水分子半径r=2×10⁻¹⁰米,射流行程为d=0.1米,则有:

W=pV=p(πr²d)...(2)

这部分体积功作用到【工件原子】上,工件电子获得动能增量,则有:

p(πr²d)=½m△v²...(3)

假设原子晶体质量m=1.7×10⁻²⁷kg,原子半径r=10⁻¹⁰m,原子被加速到v',原子常温震荡速度为初始速度,

即:v₀=α²c=c/173²=1.3×10⁴[m/s]...(4)

则,△v²=v'²-v₀²...(5)

根据能量守恒与转换定律,

有:W=△Ek=1.5k△T...(6)

工质的最终温度为T',初始温度为常温,

即:T₀=273.15+20℃=293.15K...(7)

有:p(πr²d)=½m₀(v'²-v₀²)=1.5k△T...(8)

根据式(7)可估算工质原子末速度

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

还可估算工质原子的热平衡温度

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]≈760万℃

估算可见切割点的热量Q:假设切割体积为0.01×0.01×0.01cm³,铁密度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


物理新视野


水滴石穿,这个成语大家很熟悉,柔软的水,只要有足够的冲击力,就能把石头击穿。好比爆炸,气体急速膨胀,也能把房子甚至钢罐炸毁。

水切割的原理就是高压下水流产生速度,形成超高速的所谓的“水刀”。

现在切割钢板用的水切割叫水刀,高压水切割的“发现”起源于苏格兰,经过100年的试验研究,才出现了现在常见的工业高压水切割系统。这种“水刀”不仅能切割钢板,而且连切割质量的精度还超过了金属刀具。

超高压水切割是一种能产生高压的发生器,给水施加几百甚至几千个大气压,再让水从一个直径仅十分之几毫米的红宝石喷嘴中喷出,形成的水柱就是力量很大的高压水流。这种高压水的速度每秒高达近千米,能代替金属刀具做精密的切割。

水切割属于冷切割,不会改变材料的物理化学性质,而且水切割可以对任何材料进行任意曲线的一次性切割加工,切割时产生的热量会立即被高速流动的水射流带走,并且不产生有害物质,材料无热效应,应用十分广泛。

因此,水能切割刚板,主要就是其超强的压力作用,这种压力堪比大炮。而作用在很细的喷嘴上,那就是锋利的切割刀片了。

水,虽是至柔,也能至刚。




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我们家里水龙头流出来的自来水,由于水压很小,故我们感觉水是“软”的,但是我们将自来水加压后,让其从高压水枪中高速喷出,此时水流打在身上,我们便会感觉到疼痛,水流喷在地面上,可以清除地面上的污物。工业上用于切割钢铁等材料的水是经过加压到数十MPa以上,然后从细小的喷嘴高速喷出水流来切割的,我们称这种切割为“水刀”切割。▲ 水刀切割。

水刀切割需要通过高压发生器即高压泵(一般是用液压马达驱动增压器)将普通的自来水增压到数十~上百MPa以上,让水流从零点几毫米的喷嘴高速喷出,由于这种水流的速度很快,每秒可达上千米,此时喷出的水流具有很高的动能,可以用来代替金属刀片作较精密的切割,其不仅可以用来切割橡胶、木材、布料、皮革,就连切割钢板也是削铁如泥。

▲ 水刀切割机。

这种水刀切割与金属刀片切割相比,水刀切割的切缝很小,可以低至0.2毫米,并且切割时噪声小,粉尘也很少,切割出来的材料边缘较光滑、平整,用水刀切割出来的零件一般不需要打磨即可使用。此外,水刀切割属于冷切割,切割钢铁等金属材料时,产生的热量会被高速水流带走,故切割金属材料时发热量亦很小。对于玻璃、陶瓷等易碎材料,用普通的金属刀片无法切割,但用水刀却可以很好的切割。

▲ 高压水流清洗地面的油污。

由于水刀具有很高的动能,除了用于切割之外,还可以用于金属材料的除锈、除垢及清洗。像各种表面凹凸不平的金属板材、金属管件等都可以用水刀来清除其表面的污物。


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物尽其用在水这种物质上表现得淋漓尽致

水那么软,为什么能切割钢铁?我国水刀的最大压强420MPa!水被人类誉为生命之源,地球表面大约72%的部分都被其覆盖,更是我们时刻呼吸的空气中的重要组成部分。从饮用水到农业灌溉,水可以说是我们日常生活中最为常见的一种物质。但并没有多少人对水有足够深入的了解,尤其是它在现代科学技术的利用下所发挥的重大作用。

古人云:“绳锯木断,水滴石穿。”,意喻即便是再细微的力量,只要坚持不懈便能成就难能的功劳。而当代人则研究出了以水为刀的高压水射流切割技术,也就是最理想的冷切割机具水刀。或许,对于很多不曾从事相关工作的人而言,可能会觉得水如此柔软的物质,怎么可能将坚硬无比的钢铁等材料切割开!

水切割-最理想得切割机具

事实上,切割的方法有很多种,除了冷切割之外,还有摩擦切割发、切削法、化学法和电烧蚀切割法。而我们今天需要了解的是冷切割这种特殊的切割方法,在此类切割方法实施的过程中,可以在保持原来材料特性的基础上不产生高温(一般在40摄氏度以下)。

虽然,有不少的切割工具都能达到冷切割作业的基本目的,比如:液压水冷切割锯、线切割、水切割、水冷切割锯、水冷锯片切割机等。但是,当切割环境周围存在易燃易爆物品的时候,则会将冷切割的作业要求进一步提高。在切割机具的选择上,有不少人都存在安全切割作业上的误区,倘若将燃油机切割锯和液压锯当作安全的冷切割机具,便是非常危险的一件事。

在所有切割机具中,水切割才是最理想的切割机具,它包含了低压水切割和超高压水切割两种主要类别。这是两种完全不同的水切割,而真正意义上安全的冷切割机具,则非低压水切割具莫属。因为另一种高压水切割,很可能会导致射流和高压冲击高速摩擦,而该过程中产生的静电则会为作业带来危险。

在实施安全切割作业的时候,我们是无法彻底消除环境中的静电的,能做的只有将其控制在不会导致易燃易爆物品被引爆的范围之内。而整个切割过程,也需要尽量保持切割冲击力较小,从而使得静电和温度都在这个切割的过程中被摩擦吸收。

以水为刀-高压水射流切割技术

在2011年之前,水刀都是一种不太被人重视的机械产品。究其原因,则主要因为这是一种新技术带来的机械产品,不同于一般电子产品浓厚的科技感和技术神秘感。直到水刀有了更小、更安全的类型,并不再局限于非危险领域使用的尴尬境地时才得以被更多人所熟知。而以水为刀的水刀,其原名实为高压水射流切割技术。

水刀被青睐的根本原因,就在于这种冷切割方式不会导致材料的物理化学性质发生改变。很多切割方法的应用都会因为材料品种而受到限制,但任何材料都能够通过水刀,实现任意曲线上的一次性切割加工。不管是在玻璃勋和陶瓷行业,还是金属和石材等行业,水刀都已经被人们广泛应用。

而我国水刀的最大压强,更是达到了420MPa,就连5轴水刀也日趋成熟。在水刀进行作业过程中所产生的热量,并不会对生产过程带来危险,而是被高速流动的水射流一并带走。整个过程更不会有其他有害物质的产生,冷态切割可以让材料不产生热效应。

并且,被切割好的材料也不需要、也更容易进行二次加工。简而言之,水切割是一种适用性特别强大的切割方式,而高效率、快速度,以及环保和安全,都是它最大的优势和基本特性。当然,水刀也会根据不用的划分依据被分为不同的种类。比如,从压力属性这个角度来说,水刀可以分为200MPa以上的超高压型、100MPa以上的高压型,以及100MPa以下的低压型。

而小型水切割和大型水切割(设备的大小)、非安全切割类和安全切割类(安全切割)、后混式和前混式(技术原理)、加沙切割和无沙切割(加沙情况),以及龙门式和悬臂式(机械结构),其实都是从不同的角度对水刀进行了分类。

切割比较-不同于其他方式的水切割

首先,我们可以将水切割和等离子切割进行比较。属于冷态切割的水切割不仅没有过多的热量、不会导致变形,而且良好的切割面质量避免了不必要的二次加工;而切割精度较低、切割过程中有明显的热效应,以及被切割的表面不利于二次加工,这些都是等离子切割最大的特点。

线切割和水切割是两种不同的方式,当我们对比它们对金属进行加工的时候会发现,线切割虽然拥有更高的精度,但缓慢的切割速度,同时还会导致切割尺寸受到很大的限制;而水切割的加工尺寸余地则大了很多,不管是对什么材料进行切割或打孔,都具有特别快的速度。

相信很多人对激光切割都不陌生,在对薄钢板和部分非金属材料的切割的时候,它可以拥有较快的速度和较高的精度。然而,却无法做到不在切缝处引起热效应和弧痕,更不能实现对铝和铜等有色金属、合金和较厚金属板材的切割。

虽然人类一直试图通过大功率激光发生的研究,从而解决激光切割的局限性,但这却需要耗费大量的投入。水切割就不同了,它不仅仅只需要较低的运行成本,更可以覆盖更广泛的材料切割范围,就连它的操作效率和维修都特别方便。水切割材料的成品率高,还可以高精度标准实现任意曲线的切割加工。

不管是水射流的流量还是压力,我们都可以很方便的进行调节,不仅没有特殊的清洁处理要求,更不会造成二次污染。所以,不管是从切割材料的覆盖范围、切割精度的把控、切割要求的实现,还是出于对地球环境的重视,水切割都无疑是生产过程中最理想的切割机具类型。


悟空科学


"切割"就是用集中施加的外力使受切"刀口"处物质的原子或分子间的链接(各种键)断裂。子弹则是高动能的子弹撞击,使被射中物体的弹着点处的原子分子间的链接键断裂。

*

"水刀"类似子弹,是水分子在高压泵的作用下"射向"被切割物体,以图撞断原子、分子间的键。但水刀与子弹又不同,它发射的不是一颗或几颗子弹(水分子),它是连续不断地发射;这些连续发射的水分子就宛如形成了持续"切割"物体的刀,在持续不断的高速水分子的集中撞击下,"刀切"处的原子、分子键会相继断开,在宏观上就像是水刀把物体切开了。

*

如果在水中添加了固体耐磨微粒,微粒的质量密度更大,在同样的速度下,动能更大,就更容易使键被撞断裂。为啥要耐磨?其实是要它的硬度高,在与固体的撞击下自己不破碎。因为一旦破碎,微粒的一部分动能就被消耗在破碎过程中了,用到撞断被切割物体上的能量就小了。另外,越耐磨(自己不碎),复用的次数就越多。


4壹行动院


俗称高压水刀,水中有类似金刚沙磨料,对喷口硬度要求极高。

适合高危环境作业,如未爆弹...


家传红


水是既柔软又坚硬的一种,物质


用户2478617898490


水中需要加砂等磨料,加上高压水流的速度,与角磨机的磨片是一个道理。


走近科学2


水那么软,为什么能切割钢铁等材料?

水刀切割,把水加压到250~900Ma,然后通过直径为0.15~0.35mm的喷嘴,形成800~1000m/s的高速射流来切割钢铁等材料。



比如题目说的切割钢铁等材料的水刀,属于加砂水刀,就是在水射流中加入砂料。水射流中不加砂料,属于纯水水刀,多般用于软质材料切割。

所以题目说的问题,主要原因是水中加入砂料,因此是由加入的砂料颗粒来侵蚀钢铁等硬质材料。传统的切割工艺属于热切割,比如等离子切割、火焰切割、电火花切割等,而水刀切割属于冷切割。由此可见,冷切割相比热切割既有优点又有缺点。切割过程无化学变化,设备质量轻、效率高、切割质量高。

高速液体束流形成;把纯水或加入砂料的液体通过水泵送至增压器,在经过贮液蓄能器让高压液体流动平稳,最后才经过喷嘴,从而形成高速液体束流。

因此,水刀切割才是真正的冷加工,由此可见,车、刨、磨、铣还不算真正的冷加工。

水历来以柔著称,是因为我们日常所见的水总是温柔的、毫无冲击力的,主要是其处于静止或低流速状态。一旦水高速流动起来,就会具有巨大能量而变得强劲有力。高压水射流可能性源自于苏联,而获得此项专利确实是美国。


Talk工控小白


这很好理解,武侠小说看过吧,摘叶伤人的原理和这个是一模一样的,不在于软硬,而在于介质的速度,天下武功唯快不破,无坚不摧。速度足够快,就带有足够的动能,空中的飞机能被一只鸟把飞机撞个大洞,道理也是一样,飞机相对于鸟来说,速度太快了,撞击的瞬间,产生的巨大冲击力,能量瞬间释放,而且这种释放不像爆炸,能量四面八方散开,而是集中于一点进行释放。

在这一点上,能量可以摧毁一切,也就可以切割钢铁。举个例子,天龙八部中,虚竹把松球扔出去,虚竹以为没啥威力,谁知道软软的松球击中一个人的头上,那个人瞬间毙命,道理也是,因为虚竹内力深厚,发出的松球速度特别快,带有足够大的动能,松球飞行过程中遇到人体阻碍,高速瞬间降低速度,能量释放,将人击毙。


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