[科普中國]-水下切割

分類

依據各種水下切割法的基本原理和切割狀態(tài)不同，大體上可將現有的水下切割法分為兩大類，即水下熱切割法和水下冷切割法。

水下熱切割法是利用熱源對金屬進行加熱，或在純氧氣中燃燒，使金屬熔化，并采取某種措施將熔化金屬或熔渣去除而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割、水下電弧切割、水下電弧-氧切割等。

熱切割法又可分為氧化切割法、熔化切割法及熔化-氧化切割法。氧化切割法是先利用火焰將待割金屬預熱到燃點，然后供氧氣使金屬燃燒，并吹掉熔渣而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割。熔化切割法是利用熱源將待割金屬熔化，靠熔化金屬自重或采取某種措施將熔化金屬及熔渣除掉而形成切口的切割方法，如水下等離子切割、熔化極氣體保護切割及熔化極水噴射切割等。熔化-氧化切割法是利用熱源對待割金屬預熱使其熔化，然后供氧使金屬燃燒，并將燃燒產生的熔渣及剩余的熔化金屬吹掉而形成切口的切割方法，如水下電弧-氧切割、熱割矛切割及熱割纜切割。

水下冷切割法是利用某種器具或某種高能量，在金屬處于固態(tài)情況下直接破壞分子間的結合而形成切口的切割方法，如水下機械切割法、水下高壓水切割法等。

操作方法起割點的操作

一般情況下，水下切割過程多從被切割工件的邊緣開始，向中間切割，直至切斷；但有時受結構特點或環(huán)境所限，需從中間開始切割。

從工件邊緣開始切割時，首先將割條端部觸及工件邊緣，并垂直于切割面，使割條內孔騎到工件邊緣棱線上，然后送電起弧。最好采用接觸法引弧，開始時最好不要移動割條，待工件邊緣形成凹形口后再慢慢向中間移動，開始正常切割；也可在邊緣附近（離邊緣線的距離不超過10mm）引弧，引弧后迅速向邊緣移動，使邊緣口形成凹口，然后再向中間逐步切割。

從中間開始切割時，要比從邊緣開始切割容易一些。首先將割條端部觸及工件，使之與工件的切割面成80°～85°角，然后采用接觸法或劃擦法引弧。引弧后保持原地不動，直至割穿后再開始正常切割。

正常切割的基本操作

正常切割是指起始切口形成后的切割過程，基本操作方法有以下3種：支撐切割法、維弧切割法、加深切割法。

支撐切割法是指在引弧形成起始切口后，割條傾斜并與切割面保持80°～85°角，利用割條藥皮套筒支撐在工件表面上，割條移動過程中，始終不離開工件的電弧-氧切割方法，操作方法如圖5(a)所示。該方法既可自左向右，也可自右向左，還可靠在規(guī)尺上切割，操作方便，效率較高，適用于中、薄板的水下切割。

維弧切割法是指起始切口形成后將割條提起，離開工件表面約2～3mm，并與工件保持垂直，然后沿切割線均勻地向前移動，始終維持電弧不熄滅，操作方法如圖5(b)所示。該方法適用于厚度在5mm以下薄鋼板的水下切割。由于潛水員在水下保持身體的穩(wěn)定性較困難，故電弧不易保持穩(wěn)定。另外，切割質量也略低于支撐切割法，因此實際應用中不大采用維弧切割法。

加深切割法是指在起始切口形成后的切割過程中，割條不斷伸入割縫中，使割縫不斷加深，直到割穿工件，如此往復進行，最終將工件割開。該方法適用于采用支撐切割法一次不易割透的厚板或層板。操作時割條上下移動要協(xié)調均勻，以保持電弧穩(wěn)定燃燒。2

各種位置的水下電弧-氧切割技術

根據被切割工件或結構在水下的位置，可將水下電弧-氧切割分為平割、立割、橫割及仰割操作技術。橫割操作是平割及立割操作在橫向被割工件或結構上的運用，而仰割操作不宜應用于這種位置。

懸空位置的水下切割技術

水下切割作業(yè)中，許多工件處于懸空位置，如果直接切割，會給在懸空狀態(tài)下工作的潛水員造成很大的危險性，切割效率也低。因此，首先應使?jié)撍畣T穩(wěn)定住身體，能安裝工作臺的盡可能安裝，不能安裝工作臺的可制作一只吊籃，讓潛水員站在吊籃中進行切割。另外，也可利用纜繩穩(wěn)定住身體。

對于懸空位置的切割，應十分注意切割順序。對于一般工件或結構進行橫割或立割時，應自上而下逐塊切割。但對于水平管的切割要嚴加注意，都要在鋼管的上半周處留一段距離，最后再切割或用吊車拉斷。3

應用范圍水下氧-火焰切割法通常適用于切割低碳鋼、低合金鋼等易氧化的材料，不適用于切割不銹鋼及除鈦以外的有色金屬，最適宜切割的厚度范圍為10～40mm。切割薄板比較困難，因為薄板在水中的冷卻速度比厚板快得多，難以預熱到燃點。板厚超過40mm時，雖然也能切割，但操作技術要求較高。

藥皮焊條切割雖然切口質量較差，但應用廣泛。既可切割低碳鋼及低合金鋼，也可切割不銹鋼及有色金屬，尤其適合于切割6mm以下的薄板。切割厚板時困難一些，需要采用拉鋸的操作方式使焊條在切口內來回拉鋸，以便將熔化金屬除掉。熔化極水噴射切割是一金屬純熔化過程，可用于切割黑色金屬和有色金屬。

等離子弧能量密度高，水下等離子弧切割法適合于切割所有的金屬材料，也可以切割某些非金屬材料。

研究進展1895年，法國人LeChatelier發(fā)明了氧乙炔火焰，1900年．Fouch和Picard制造出了第1把氧乙炔割炬。氧乙炔火焰切割作為一種熱切割方法開始被應用于生產實踐，但當時僅限于陸地切割使用。水下切割是1908年德國人試圖使用陸地上的氧乙炔割炬實現的，其工作水深在8 m以內．但由于周圍水的強烈冷卻作用，使切口處很難預熱，且火焰不穩(wěn)定，切割效果并不好。到了1925年，水下切割技術獲得重大突破，美國海軍為了便于進行海上打撈，研制出一種使用壓縮空氣作為外部屏幕的氧一氫割炬。在實際應用中獲得了良好的效果。水下氧火焰切割的機理是采用氣體火焰把鋼板預熱到燃點溫度．然后用高速氧氣射流噴向已經預熱的金屬，引起鋼板發(fā)生氧化反應同時放出熱量。氧氣射流把氧化物及熔融金屬吹掉形成切口。氧火焰切割所使用的氣體主要包括乙炔、碳氫化合物、氫和液體燃料。

水下電弧氧切割適用于能導電的金屬材料。但主要是用來切割易氧化的低碳鋼和低合金高強鋼。其使用水深已超過150 m。可能切割的厚度也在不斷增加。但水下電弧氧切割由于割縫質量不高，多用于水下破壞性切割，以切斷材料為目的。水下氧火焰切割和水下電弧氧切割都以氣體為介質。在水中自由狀態(tài)下氣體必然要產生上浮的氣泡，造成大量氣泡翻騰現象。從而降低了水下可見度，增加了切割中的困難。熔化極水噴射水下切割由13本在上世紀70年代發(fā)明，用水作為切割工作介質，除保證切割過程平靜外．還不必克服以空氣作為介質時存在的因水深而帶來的靜水壓問題。這種方法是利用電弧產生的熱量將金屬熔化．并用高壓水射流將被熔化的金屬及熔渣吹掉。隨著現代造船工業(yè)、原子能工業(yè)和海洋開發(fā)等工業(yè)的發(fā)展。要求水下切割技術能滿足切割速度快．效率高，具有較高的切割質量，熱影響區(qū)小，切割工件無變形等特點，根據等離子弧的特點人們開發(fā)了水下等離子弧切割技術，這種方法成功用于水下切割的報道最早見于1960年。其原理和設備與等離子弧焊基本相同。不同的是切割時應用的電流和氣流都比較大。

水下熱切割法都會對工件產生熱影響甚至變形，而水下冷切割法則避免了這一缺點。高壓水射流水下切割技術作為一種水下冷切割方法。不會破壞材料的物理、力學性能及材質的晶問組織結構，且免除了后序加工。尤其對特種材料如碳纖維材料，有切割無法比擬的效果。高壓水射流切割技術可以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性硬材料。美國密執(zhí)安大學教授諾曼·弗蘭茲博士于1968年首次獲得水射流切割技術專利。1971年，對制作家具的硬木進行水射流切割獲得成功，引起了國際關注。上世紀80年代．美國又率先把水磨料射流切割技術應用于實踐。使切割對象更加廣泛。純水型水射流切割的原理是將水增至超高壓，再經節(jié)流小孔，使水壓勢能轉化為射流動能，用這種高速密集的水射流進行切割：加磨料型水射流切割是再往水射流中加人磨料粒子。經混合管形成磨料射流，用磨料射流進行切割。

在日本水噴射熔化極切割原理的基礎上，我國成功開發(fā)了深海半自動熔化極水下電弧切割新技術，并在20 m及60m水深處對厚20 mm的鋼板進行了切割試驗，切割速度高達20m以上。水下聚能爆炸切割技術在我國也逐漸興起。西安204所研制的橡皮炸藥具有柔軟輕便、使用簡單、切割精度較高等特點。實際應用聚能炸藥切割厚100mm鋼板和直徑1.2 m、具有38 mm鋼套的混凝土套管曾獲得成功。在打撈“阿波丸”號沉船時，還采用了預制的聚能炸藥進行船體拆除，效果較理想4。