水下切割的分类及特点.doc

1 水下切割的分类依据各种水下切割法的基本原理和切割状态不同，大体上可将现有的水下切割法分为两大类，即水下热切割法和水下冷切割法。水下热切割法是利用热源对金属进行加热，或在纯氧气中燃烧，使金属熔化，并采取某种措施将熔化金属或熔渣去除而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割、水下电弧切割、水下电弧-氧切割等。热切割法又可分为氧化切割法、熔化切割法及熔化-氧化切割法。氧化切割法是先利用火焰将待割金属预热到燃点，然后供氧气使金属燃烧，并吹掉熔渣而形成切口的切割方法，如水下氧-火焰切割。熔化切割法是利用热源将待割金属熔化，靠熔化金属自重或采取某种措施将熔化金属及熔渣除掉而形成切口的切割方法，如水下等离子切割、熔化极气体保护切割及熔化极水喷射切割等。熔化-氧化切割法是利用热源对待割金属预热使其熔化，然后供氧使金属燃烧，并将燃烧产生的熔渣及剩余的熔化金属吹掉而形成切口的切割方法，如水下电弧-氧切割、热割矛切割及热割缆切割。水下冷切割法是利用某种器具或某种高能量，在金属处于固态情况下直接破坏分子间的结合而形成切口的切割方法，如水下机械切割法、水下高压水切割法等。各种水下切割法的具体分类见表1。表1 水下切割法的分类第 一 层 次第 二 层 次第 三 层 次第 四 层 次水下热切割氧-火焰切割气体燃烧乙炔火焰切割天然气火焰切割合成燃气火焰切割液体燃烧汽油火焰切割熔化切割电弧切割等离子弧切割电弧锯切割电弧-水射流切割喷水式碳弧切割熔化极水喷射切割铝热剂切割电子束切割氧化物切割熔化-氧化切割热割矛切割热割缆切割电弧-氧切割钢管割条切割陶瓷管割条切割碳棒割条切割水下冷切割机械切割气动机械切割电动机械切割液压机械切割爆炸切割炸药爆炸切割成形药包爆炸切割高压水射流切割（1）水下电弧-氧切割水下电弧-氧切割是一种利用空心电极（即割条）与工件之间产生的电弧使工件熔化，氧气从电极孔中吹出，使热态工件金属氧化燃烧，并吹掉熔化的金属及熔渣，从而形成切口的切割方法，其原理示意如图1所示。（2）水下等离子弧切割水下等离子弧切割是利用高温高速等离子气流来熔化待切割金属，并借助高速气流或水流把熔化金属除掉而形成切口的切割方法。由于等离子弧难以在电极和工件之间形成，必须利用高频或直接接触方式首先在钨极和喷嘴之间引燃引导电弧（即小弧），然后再转移过渡到钨极和工件之间。目前用于水下金属材料切割的等离子弧切割枪都是转移弧形式的。（3）熔化极水喷射水下切割熔化极水喷射水下切割是利用电弧产生的热量将金属熔化，并用高压水射流将被熔化的金属及熔渣吹掉，从而形成清洁的切口表面。（4）水下氧-火焰切割水下氧-火焰切割是先利用气体火焰将被切割工件表面预热到燃烧点，然后喷射氧气使金属燃烧，并吹掉熔化金属及熔渣，从而形成切口。具体过程如下。 点燃预热火焰 先将预热火焰在空气中点燃，然后由潜水员将燃着火焰的割炬带到工位来进行切割。但由于水对火焰冷却作用很大，火焰容易熄灭，尤其是深水作业时，火焰的点燃成功率很低，可采用点火器在工位上来点燃。 预热起割处 用预热火焰将起割处预热到燃点。由于水的冷却作用，预热时要比陆上困难得多。 供氧切割 当起割处温度达到燃点后，供给高压氧气使金属燃烧，并次掉生成的熔渣。金属燃烧产生的热量及预热火焰继续预热下层金属，使其继续燃烧，最终将工件割穿。随着割炬的移动，工件被割开。（5）热割矛切割热割矛是一根装满钢丝的钢管，当从外部对钢管出气端预热并使其达到燃点时，将氧气从钢管内的钢丝间吹出，钢管及钢丝开始燃烧放出大量的热量，从而使工件熔化而达到切割的目的。热割矛放出的热量及通过热割矛吹出的氧气使被切工件熔化、燃烧而形成切口，是一熔化-氧化过程。但与水下电弧-氧切割不同的是：热割矛是以本身氧化产生的热量起主导作用，而水下电弧-氧切割是以氧化金属为主。（6）热割缆切割热割缆是用细钢丝制成的空心缆，外面用密封套套着。其切割原理与热割矛切割基本一样：先将热割缆出气端预热到燃点，然后供氧气使热割缆燃烧，放出的热量使工件熔化，从而达到切割目的。（7）水下成形药包爆炸切割该地用的成形药包是装在软质金属（如铜、铝及铅等）外壳内的、成分经特别配制的一种炸药（如RDX等）。药包的断面通常呈倒V形（如图2所示）。水下成形药包爆炸切割的原理是：把药包置于被切割工件的待切割部位，当炸药起爆、爆炸波将金属外壳破坏时，所形成的高温高速金属粒子流（伴有高能冲击波）定向集中地喷射到工件很小的面积上，把工件击穿而形成切口。与一般炸药爆炸相比，成形药包爆炸切割具有以下优点： 能切割出相对精确的切口； 由于定向爆炸，故破坏邻近构件的危险性较小。该水下切割可对板材进行直线切割、穿孔以及标准几何形状的断面（如切割管子、钢缆等）。（8）高压水射流切割高压水射流切割是利用从喷嘴中喷出的高速高压水射流将工件破断，以达到切割目的。该切割法属于冷切割，切割过程中无热影响，不会造成工件切口附近材料金相组织变化，也不会产生热变形。另外，切口质量良好，并能切割三维曲形工件。（9）水下机械切割水下机械切割的有的原理与陆上的机械切割一样，也是采用锯、磨、刨、铣等方法对构件进行切割，切割速度比热切割慢得多，但切口质量和精度很高，可按照标准要求对工件进行精确加工。2 水下切割的特点不同的水下切割法有不同的技术要求、切割速度、应用水深等，每一种水下切割法都有其优点和局限性，各种水下切割法的比较见表2。表2 各种水下切割法的比较切割方法现有经验深度/m优 点限 度氧-乙炔13 火焰温度较氧-氢为高 超过2105Pa，乙炔燃烧就不稳定氧-氢100 具有最佳蒸氧压的可燃气体，火焰容易维持，设备轻便 切割速度较低氧-丙烷、丙二烯1 对喷嘴到工件之间距离的敏感性很小 火焰温度较氧-氢为低，装卸困难氧-汽油100 在压力下液体燃料易于保存 在点燃前需要加热器使燃料汽化电弧-氧/钢管割条180 设备简易轻便，操作技术要求不高 需要经常更换割条，切口表面粗糙电弧-氧/陶瓷管割条120 设备简单，操作技术要求不高，割条轻 割条较脆，较钢管割条的割速为慢手工金属电弧60 与湿法手工电弧焊的设备相同 技术要求很高，切割速度慢爆炸(爆破炸药) 设备简易，可远距离操纵 切口很粗糙，对临近构件有危害爆炸(成型装药)90 设备简易，切割速度快，对技术要求很低 限于简单的几何形状，对临近构件也会有影响机械180 能精确加工，可机械化，易于操作 限于简单的几何形状，切割速度很慢等离子弧(转移弧)4 高速，精确，切口干净，不需要更换割条 使用高电压，对手工操作造成威胁等离子弧(非转移弧) 需要大功率热割矛60 设备简易，操作简单，几乎能切割所有的东西 切口很粗糙，有“蒸气爆炸”的危险熔化极水喷射54 设备和熔化极都简单，能机构化开坡口 要求可见度高铝热剂 设备简单 割缝粗糙高压水 切口质量高，无热影响区，能切割三维曲形工件 设备成本高，切割速度低，切割精度与机械切割相比较差目前应用最广的水下切割法是钢管割条水下电弧-氧切割。该切割法操作方便、灵活，设备简单、成本低，用来切割厚度不超过40mm的钢板，操作技术容易掌握，是实际应用最广泛、应用水深最大的一种水下切割方法。但需要频繁地更换割条，影响切割效率，切口也较粗糙。切割速度比较快的是熔化极水喷射切割法及水下等离子弧切割法。这两种切割法切割效率高，切口质量也比较好，不加修整或稍加修整就可以进行水下焊接。但水下等离子弧切割与在大气中切割相比，存在以下问题。 要求的电弧功率较大。水中切割时存在水压的阻力，使等离子弧的稳定性变差、弧长缩短、电弧吹力减弱、有效热能降低，再加上水对工件的冷却作用，因此在切割同等板厚时需要提高电弧功率。 要求的电源空载电压和高频引弧功率较大。在水中为引燃“小弧”，需先用较大流量的气流把喷嘴周围的水排除。在这种气流中引弧，必须增大高频引弧装置的电源功率和提高电源的空载电压。 在水中能见度低，对切割情况不易观察，给操作带来一定的困难。我国于20世纪70年代末引进了熔化极水喷射水下切割技术，研制了切割设备。在浅水及56m水深对12mm厚的低碳钢板进行切割，切割速度越过20m/h。熔化极水喷射水下切割的最大切割能力可达40mm。但水下作业的安全性较电弧-氧切割差，尤其是水下等离子弧切割，使用的电压高达180V，这对水下作业人员有很大的危险性。切割速度最快的是聚能爆炸切割，适用于几何形状简单的工件水下切割，如水下管道、水下金属桩和柱等结构。如能很好地控制炸药用量并掌握好爆炸方向，可以大大减少对临近结构的威胁。水下氧-火焰切割和机械切割，切割速度虽然很慢，但它是修整焊接坡口的最好的水下切割方法。水下氧-火焰割炬的割嘴上带有一个空气喷嘴，高压空气从喷嘴中喷出，在火焰周围形成一个“气帘”，将火焰与水分开，这样既确保了火焰燃烧的稳定性，又提高了火焰的预热效果，同时也增大了从喷嘴到待切割工件间距离的变化范围，便于操作。水下机械切割机一般有液压驱动、气压驱动及电动驱动三种。液压驱动的切割机在同样的液压下，随着水深的增加，供给切割机的功率相应降低，即驱动功率受到水深的限制。气压驱动与液压驱动的切割机相似，如能将排气管道与大气相通，则可消除反冲压力作用，从而提高切割效率。电动驱动切割机不受水深的限制，理论上可应用到水下几百米深度切割。水下切割法的实际采用受水深的限制，表3列出水深对各种水下切割法可行性的影响。表3 水深对各种水下切割法可行性的影响切 割 方 法注 释切割方法注 释氧-碳氢化合物70丙烷30丁烷碳氢化合物液化的极限深度16.5m(4)21.3m(10)金属电弧 电弧的长度取决于周围的压力及电压，极限深度尚不清楚。在30m深、电压50V以及在200m深、电压100V时的电弧长度是5mm丙烷、乙烷44m(4)54m(10)乙炔255m(4)甲烷179m(0)丙烷、丙二烯35m(0)氢-氧，氢氢化的极限深度1400m机械切割(气动，液动，电动) 由于高压气体管路搬运问题，极限深度为30m 用水面上液压装置时，极限深度是45m 水面上供电和水下液压泵及驱动装置时，基本不受深度的限制氧-弧，氧热割矛等离子弧氮离子气液化的极限深度5090m氩3750m氢1400m 等离子气是真正液化，而是在这个深度时，气体密度接近于其液态密度。3 水下切割的应用范围水下氧-火焰切割法通常适用于切割低碳钢、低合金钢等易氧化的材料，不适用于切割不锈钢及除钛以外的有色金属，最适宜切割的厚度范围为1040mm。切割薄板比较困难，因为薄板在水中的冷却速度比厚板快得多，难以预热到燃点。板厚超过40mm时，虽然也能切割，但操作技术要求较高。药皮焊条切割虽然切口质量较差，但应用广泛。既可切割低碳钢及低合金钢，也可切割不锈钢及有色金属，尤其适合于切割6mm以下的薄板。切割厚板时困难一些，需要采用拉锯的操作方式使焊条在切口内来回拉锯，以便将熔化金属除掉。熔化极水喷射切割是一金属纯熔化过程，可用于切割黑色金属和有色金属。等离子弧能量密度高，水下等离子弧切割法适合于切割所有的金属材料，也可以切割某些非金属材料。各种水下切割法的应用见表4。表4 各种水下切割法的应用切 割 方 法应 用氧-乙炔氧-氢 厚度达40mm的铁素体材料，维修切割达300mm厚，但有困难氧-丙烷，丙二烯氧-汽油 厚度达40mm的铁素体材料，维修切割达300mm厚，但有困难电弧-氧/钢管割条 厚度达40mm的