王儉辛,朱 青,黎文航,施佳慧,范太坤

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 鎮(zhèn)江 212003)

在陸地資源日益匱乏的今天,海洋資源開(kāi)發(fā)日益受到人們的重視,《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》明確將海洋資源高效開(kāi)發(fā)利用、大型海洋工程技術(shù)與裝備等列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域．被廣泛應(yīng)用于水下施工制造、水下打撈與水下拆除等領(lǐng)域的水下焊接/切割技術(shù),得到了前所未有的發(fā)展契機(jī)和空間[1-3]．相比水下焊接而言,水下切割技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢,文中就水下切割技術(shù)的發(fā)展概況作詳細(xì)介紹．

1 水下切割的特點(diǎn)和分類

獨(dú)特的水汽環(huán)境及水壓環(huán)境使得水下切割技術(shù)的理論探索較為獨(dú)特,從1908年成功使用氧-乙炔割炬在8 m內(nèi)水深進(jìn)行切割[4]開(kāi)始,人們不斷改進(jìn)水下切割技術(shù),朝著高效、安全、自動(dòng)化方向不斷前進(jìn)．水下切割技術(shù)分類繁雜,常見(jiàn)的分類方法是根據(jù)是否對(duì)工件加熱熔化將其分為冷切割和熱切割,如圖1[4]．

圖1 水下切割的分類Fig.1 Classifications of underwater cutting

總之，目前水下熱切割和冷切割技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)都不足以支持自身得到優(yōu)先發(fā)展[5]．盡管當(dāng)下使用的水下切割方法中,熱切割技術(shù)應(yīng)用居多,占水下切割總量的90%以上[4].但水下冷切割技術(shù)在許多領(lǐng)域仍然不可替代,水下熱切割和冷切割技術(shù)在可預(yù)見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)協(xié)同發(fā)展并相互補(bǔ)充．

2 水下冷切割

水下冷切割是利用機(jī)械能或動(dòng)能對(duì)工件切割的一種技術(shù),基本可以適用于所有材料的切割,但其對(duì)工件的尺寸、形狀有要求．利用水下冷切割技術(shù)獲得的割口縫寬較窄,割口面平整,熱變形較小．常見(jiàn)的水下冷切割技術(shù)包括機(jī)械切割、高壓水切割、聚能爆炸切割．

2.1 機(jī)械切割

水下機(jī)械切割是利用銑刀、車(chē)刀等工具對(duì)被切割件進(jìn)行擠壓破壞并實(shí)施切割．根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同,可將水下機(jī)械切割系統(tǒng)細(xì)分為液壓功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),氣動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6-8]．

總的來(lái)說(shuō),機(jī)械切割在切割過(guò)程中不對(duì)工件加熱,工件的材質(zhì)性能變化小,切割材料也不局限于金屬材料．機(jī)械切割易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,切割過(guò)程相對(duì)于其他切割方式環(huán)保,但設(shè)備體積大,投資較多,切割速度也較慢．

2.2 高壓水切割

高壓水切割技術(shù)是對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)高壓水流沖擊而實(shí)現(xiàn)工件的切割[9]，該技術(shù)工作噪音小,割縫狹窄,割口整齊;屬無(wú)刃切割,設(shè)備價(jià)格較低、故障率低．超高壓水射流技術(shù)是目前較為先進(jìn)的一種高壓水切割技術(shù),該技術(shù)是在水中加入金剛砂、銅礦渣等磨料顆粒后增壓,形成一股高速磨料液流[10],水流速度可達(dá)600～1 000 m/s[11],切割效率顯著提高．

水下高壓水切割技術(shù)在國(guó)外已被應(yīng)用多年并形成了系列化產(chǎn)品,最初在20世紀(jì)70年代,由美國(guó)的Ingersoll Rand公司在Alton建立了第一套工業(yè)應(yīng)用裝置[12]．在國(guó)內(nèi)關(guān)于水下高壓水切割技術(shù),特別是其在深水條件作業(yè)的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道．

2.3 聚能爆炸切割

水下聚能爆炸切割是上個(gè)世紀(jì)60年代由陸地爆炸切割發(fā)展而來(lái)[13].利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量對(duì)基體進(jìn)行切割．早期水下爆炸切割技術(shù)采用的是接觸爆炸裝藥,即在構(gòu)件周?chē)苯影卜耪ㄋ?通過(guò)爆炸產(chǎn)生能量將工件撕裂,獲得的割口很不規(guī)則,一般在后續(xù)進(jìn)行加工時(shí)需二次切割．近些年來(lái)成型裝藥爆炸切割技術(shù)由于其切割成型精密得到了飛快的發(fā)展,將炸藥裝在軟金屬管(銅,鋁等)中后引爆,通過(guò)爆炸后產(chǎn)生的高速金屬質(zhì)點(diǎn)切割工件[14]．

水下爆炸切割受水壓的影響很大,隨著水深增大炸藥的爆速和猛度會(huì)迅速減小,因此需要更多的裝藥量．在10 m水深處(0.1 MPa)爆速降低11%、猛度降低10%;在30 m水深時(shí)(0.3 MPa),爆速降低26%、猛度降低33%,爆破效果顯著降低[15]．同時(shí),由于水下可視性差,對(duì)炸藥定位設(shè)置的要求也較陸地高很多．

3 水下熱切割

水下熱切割技術(shù)是通過(guò)加熱工件使其熔化或在氧氣中燃燒,并將熔化的金屬及熔渣去除的一種技術(shù)．水下熱切割技術(shù)對(duì)被切割材料有一定要求,但對(duì)被切割工件的形狀要求較少．值得注意的是在水壓、紊流等復(fù)雜條件的影響下,水下電弧并不穩(wěn)定[16]．利用水下熱切割技術(shù)獲得的割口縫寬較大,割口粗糙,熱變形較大,在進(jìn)行如水下焊接、水下安裝等操作之前一般需要再加工．水下熱切割技術(shù)包括熔化切割、氧化切割、熔化—氧化切割．

3.1 熔化切割

水下熔化切割是利用熱源將材料加熱熔化并去除,有電弧切割、等離子弧切割、激光切割和煙火切割等．

3.1.1 水下電弧切割

水下電弧切割主要利用焊條或焊絲的電弧燃燒與金屬反應(yīng)完成切割過(guò)程．根據(jù)電極的種類電弧切割又可分為:藥皮焊條切割、熔化極氣保護(hù)切割和熔化極水噴射切割等．

藥皮焊條切割技術(shù)使用的設(shè)備同水下手工電弧焊的設(shè)備一致,但切割時(shí)電流密度更高．理論上只要焊條含有防水涂層,即可用于水下切割．該技術(shù)僅由電弧熔化作用完成,需要潛水員操作電極做拉鋸運(yùn)動(dòng)將熔化金屬排除,對(duì)潛水員的操作有較高要求;同時(shí)在水下焊條過(guò)熱嚴(yán)重,需要頻繁更換．

熔化極氣體保護(hù)切割技術(shù)解決了藥皮焊條切割過(guò)程中藥皮焊條嚴(yán)重過(guò)熱需頻繁更換的問(wèn)題,通過(guò)使用連續(xù)的焊絲來(lái)增加實(shí)際工作時(shí)間,提高切割效率．研究表明,熔化極氣體保護(hù)切割過(guò)程中熔化金屬有流向電弧周?chē)内厔?shì),在切割過(guò)程中有產(chǎn)生大量割渣在割口邊緣形成“掛渣”的可能性[8]．

熔化極水噴射電弧切割技術(shù)[8]由日本四國(guó)工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所開(kāi)發(fā),使用惰性氣體保護(hù)金屬極切割設(shè)備,將通惰性氣體改為通高壓水流,通過(guò)水流將切割熔渣排除,如圖2[8]．

熔化極水噴射電弧切割技術(shù)具有切割速度快、切割電壓低等優(yōu)點(diǎn)．這主要是由于噴水將熔化的金屬迅速?zèng)_走,電弧移動(dòng)速度快,同時(shí)割絲側(cè)面是電弧的主要產(chǎn)生區(qū),使電弧熄滅時(shí)間縮短,有效工作時(shí)間增加[17]．

A—高壓水流;B—割絲;C—導(dǎo)電嘴;D—噴嘴圖2 熔化極水噴射電弧切割Fig.2 Schematic diagram ofconsumableelectrode water jet technique

3.1.2 水下等離子弧切割

水下等離子弧切割是以高能量密度的等離子弧為熱源,將待切割金屬局部熔化,并以高速等離子氣流將熔化金屬吹落而形成割口．

等離子弧切割使用的設(shè)備基本和等離子弧焊接一致,但切割時(shí)使用的電流和氣流更大[18]，具有切割能力較強(qiáng)、切割速度較快、切割質(zhì)量較好、切割熱影響區(qū)較小等優(yōu)點(diǎn)[19]，水下等離子弧切割技術(shù)主要存在的問(wèn)題有:

(1) 等離子弧隨水壓增加起弧困難,電弧有效功率降低;

(2) 易出現(xiàn)“雙弧”,切割效率降低;

(3) 等離子弧切割工作電壓達(dá)180 V,施工安全性有待檢驗(yàn)．

20世紀(jì)60年代,美國(guó)和意大利用等離子割炬在水深1～7 m范圍內(nèi)拆除了核反應(yīng)堆容器中具有放射性的部件，這是水下等離子切割的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用;英國(guó)皇家軍備研究和發(fā)展中心研究了深水等離子弧切割特性,并在模擬裝置中成功完成了370 m水深的等離子弧切割[20]．

20世紀(jì)90年代,哈爾濱焊接研究所對(duì)水下空氣等離子切割技術(shù)展開(kāi)研究,攻克了深水引弧困難等技術(shù)難題,開(kāi)發(fā)了成套設(shè)備,隨后又開(kāi)發(fā)了遙控水下等離子自動(dòng)切割技術(shù),該技術(shù)已在2000年初完成我國(guó)首次核設(shè)施退役中大厚度活化部件水下切割任務(wù)[20]．江蘇科技大學(xué)王加友等研究者構(gòu)建了水中超聲頻脈沖切割系統(tǒng),將超聲頻電源與等離子弧切割電源并聯(lián),實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子切割電弧的超聲頻脈沖調(diào)制,使水下等離子弧切割割口成形得到顯著改善[21]．

3.1.3 水下激光切割

激光水下切割技術(shù)是一項(xiàng)共性材料加工技術(shù),由于具有切割速度快、切縫窄、切割質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),比較適用于核設(shè)施解體、沉船打撈快速解體和海洋工程等領(lǐng)域．目前對(duì)水下激光切割的研究較多集中在水下20 m以內(nèi)的環(huán)境中[22]，文獻(xiàn)[23]采用CO2激光器在水下500 mm深度,切割了2～8 mm的316不銹鋼板,而后又在試驗(yàn)密封艙內(nèi)用5 kW激光切割了10 mm以上厚板材料;文獻(xiàn)[24]在干燥空氣和水下兩種環(huán)境中,運(yùn)用Nd: YAG脈沖激光器以500 W激光功率切割4～20 mm厚304不銹鋼板．文獻(xiàn)[25]采用高壓密封艙模擬水深50 m的環(huán)境,對(duì)深水條件下30 mm厚鋼板激光切割特性進(jìn)行了研究．文獻(xiàn)[26]在氬氣輔助下利用光纖激光水下切割1mm厚304不銹鋼板,研究了激光功率、切割速度、水層厚度、水體條件等因素對(duì)切割效率及切割質(zhì)量的影響規(guī)律．

3.1.4 水下煙火切割

煙火切割是利用煙火藥燃燒產(chǎn)生的高溫熔融金屬射流來(lái)實(shí)現(xiàn)切割,由于該煙火藥的主要成分為鋁熱劑,因此又稱為鋁熱切割．盡管在切割質(zhì)量及精度上不能與其它切割方法媲美,但煙火切割憑借設(shè)備體積小,重量輕,運(yùn)輸攜帶方便,且無(wú)需外加能源等優(yōu)點(diǎn),在戰(zhàn)場(chǎng)搶修、自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救援等要求快速反應(yīng)的場(chǎng)合能對(duì)妨礙救援的連接件實(shí)現(xiàn)高效率切割．煙火切割設(shè)備在水下也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒,因此水下煙火切割可用于切割水下電纜、鋼結(jié)構(gòu)件以及沉船打撈與海上救援等水下?lián)岆U(xiǎn)救援作業(yè)[27]．

以鋁熱劑為基礎(chǔ)的煙火藥燃燒后得到達(dá)熔渣會(huì)包裹或堵塞在被切割材料表面,導(dǎo)致出現(xiàn)“掛渣”現(xiàn)象,阻礙了切割的進(jìn)行,因此在鉆孔等場(chǎng)合或切割混凝土、花崗巖、陶瓷等非金屬材料場(chǎng)合效果欠佳,并且應(yīng)控制煙火藥燃燒產(chǎn)物中液態(tài)熔渣量在較低的水平,既要避免“掛渣”現(xiàn)象,又要保證熔融金屬的射流效果[28]．

煙火切割已具有從單純高溫高熱的熔化切割向化學(xué)腐蝕方向發(fā)展的趨勢(shì),即除了發(fā)揮鋁熱劑的產(chǎn)熱效果外,利用氧元素或氟元素對(duì)金屬或非金屬產(chǎn)生的氧化腐蝕、氟化腐蝕等作用提高切割效率,拓展了該方法的應(yīng)用場(chǎng)合[27]．

3.2 氧化切割

氧化切割技術(shù)是利用預(yù)熱火焰加熱待切割物到達(dá)燃點(diǎn),通氧維持基體燃燒并放熱繼續(xù)該過(guò)程[29]，常見(jiàn)的割炬如圖3[8]．

目前氧化切割技術(shù)主要是氧-火焰切割,這種方法可通常用于切割低碳鋼、低合金鋼和容易氧化的材料,但對(duì)于有色金屬(鈦除外)和耐腐蝕鋼不適宜．由于基體氧化速度快,該方法切割速度較快,設(shè)備簡(jiǎn)單,無(wú)觸電危險(xiǎn),但切割后得到的割口粗糙,其切割質(zhì)量與效率同燃料有關(guān),且可燃?xì)怏w的安全問(wèn)題仍需考慮．水下切割使用的可燃?xì)怏w需要滿足在低溫和水壓下不液化的要求,目前常見(jiàn)的燃料有乙炔,碳?xì)浠衔?液化氫和液體燃料等．

A—空氣；B—切割射流氧氣；C—氧氣； D—氧氫混合氣體；E—?dú)錃?；F—防護(hù)罩圖3 氧-可燃?xì)怏w割炬示意Fig.3 Underwater oxygen-inflammable gas cutting torch

3.3 熔化-氧化切割

熔化-氧化切割是利用熱源對(duì)基體加熱至其燃點(diǎn),并使基體氧化燃燒,同時(shí)吹落燃燒產(chǎn)生的熔渣和熔化金屬而完成切割的方法．目前比較常見(jiàn)的熔化-氧化切割有熱割矛切割、熱割纜切割和電-氧切割．

3.3.1 水下熱割矛切割

熱割矛是一根裝滿鋼絲的鋼管,一端通氣一端出氣,通過(guò)對(duì)鋼管出氣端加熱至鋼絲燃點(diǎn)后通氧,使鋼管放熱燃燒切割材料．鋼管內(nèi)除了填充鋼絲還可以是各種金屬合金,如鎂,鋁等．若被切割材料易氧化,則被切割材料同氧反應(yīng)產(chǎn)生的熱也是切割所需熱源的提供者;若被切割材料不易氧化,則切割所需的熱全都由熱割矛提供．該方法既可切割非金屬也可切割金屬．水下熱割矛切割目前主要存在的問(wèn)題是未消耗的氧可能與分解出的氫反應(yīng)發(fā)生爆炸,這成為限制其深水應(yīng)用的主要原因之一．

3.3.2 水下熱割纜切割

熱割纜是用細(xì)鋼絲圍繞中心孔旋轉(zhuǎn)制成的空心纜,中心孔通氣．通過(guò)對(duì)熱割纜出氣端預(yù)熱到燃點(diǎn),然后供氧氣使熱割纜燃燒,放出的熱量使工件熔化,從而達(dá)到切割目的．

3.3.3 水下電-氧切割

該技術(shù)通過(guò)空心電極的氧氣一方面氧化放熱反應(yīng),另一方面吹落熔化的金屬,與氧-可燃?xì)怏w切割均是目前最常見(jiàn)的切割方法．切割過(guò)程直接在水中進(jìn)行,不需額外加入保護(hù)氣體,設(shè)備較為輕便．由于電極在電弧的加熱下會(huì)快速燒損,因此開(kāi)發(fā)了鑄鐵鋼管,陶瓷管,碳棒管等材料的電極來(lái)延長(zhǎng)切割電極的使用壽命．目前,一種典型的鋼管涂料切割電極如圖4[8],長(zhǎng)355 mm,外徑是8 mm,內(nèi)徑是3 mm．

圖4 電弧-氧切割條及割槍Fig.4 Underwater oxygen-arc cutting torch and splitting

氧-電弧切割經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)普遍應(yīng)用于水下切割作業(yè)中．該方法操作簡(jiǎn)單,即使在可見(jiàn)度差的情況下也可以切割易于氧化的材料,如低碳鋼和合金鋼;不銹鋼、鑄鐵、銅或鋁也可切割,但主要靠熔化切割,所以效率比較低,而且對(duì)操作者的技術(shù)有一定的要求．

3.4 水下藥芯割絲電弧切割

水下藥芯割絲電弧切割方法由烏克蘭巴頓焊接研究所率先提出,藥芯割絲化學(xué)成分對(duì)切割效果至關(guān)重要．切割過(guò)程中藥芯反應(yīng)釋放大量氣體排開(kāi)周?chē)?形成一個(gè)較穩(wěn)定的氣體空腔,確保電弧穩(wěn)定燃燒,利用電弧熱熔化待切割金屬;藥芯反應(yīng)釋放氧氣,使得熔融金屬在氧氣環(huán)境中燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?從而被吹落形成割口[30]，如圖5．

A—送絲機(jī)構(gòu);B—藥芯割絲;C—水;D—割口;E—割絲側(cè)邊與割口放電;F—切割射流;G—工件;V—切割方向圖5 水下藥芯割叢電弧切割示意圖Fig.5 Schematic diagram of underwaterflux-cored wire are cutting

由于切割過(guò)程中藥芯割絲更換頻率低,提高了切割效率;并且切割過(guò)程中藥芯反應(yīng)提供所需氣體,因此無(wú)需氣體保護(hù)、無(wú)需額外供氧,這無(wú)疑大大簡(jiǎn)化了水下切割設(shè)備,提高了水下切割過(guò)程的安全性[31]．

江蘇科技大學(xué)王加友等研究者與烏克蘭巴頓焊接研究所就該切割方法進(jìn)行合作研究,構(gòu)建了水下藥芯割絲電弧切割試驗(yàn)系統(tǒng),研究了其切割機(jī)理及切割電流(送絲速度)、電弧電壓、切割速度等參數(shù)對(duì)切割效果的影響規(guī)律[32]；構(gòu)建了超聲頻脈沖水下熔化極電弧熱切割試驗(yàn)系統(tǒng),研究了超聲頻脈沖電流的幅值和頻率對(duì)割口寬度、割口面傾斜角和直線度的影響,表明超聲頻脈沖調(diào)制作用增強(qiáng)了電弧的收縮程度、挺度,改善了割口的直線度[33]；并自主研制開(kāi)發(fā)了若干種藥芯割絲用于切割水下低碳鋼和低合金鋼[34-36]，已獲得優(yōu)良的切割效果．

4 水下切割發(fā)展與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,水下切割技術(shù)及設(shè)備有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì):

(1) 朝著小型化、安全化方向發(fā)展:由于水下特殊環(huán)境導(dǎo)致水下切割作業(yè)困難而復(fù)雜,龐大復(fù)雜的水下切割設(shè)備將給水下作業(yè)帶來(lái)不便并存在較多安全隱患,小型化、安全化的水下切割設(shè)備將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)．

(2) 朝著智能化方向發(fā)展:水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及人工智能的進(jìn)步可將潛水員從危險(xiǎn)的環(huán)境中解放,將使水下切割技術(shù)更安全、便捷．

(3) 朝著深水發(fā)展:目前海上作業(yè)逐步走向深藍(lán),不久的將來(lái)深水切割的需求更加旺盛,深水切割技術(shù)需要獲得長(zhǎng)足發(fā)展．

(4) 朝著環(huán)?；较虬l(fā)展:目前對(duì)海洋環(huán)保的要求越來(lái)越高,污染嚴(yán)重、對(duì)生態(tài)環(huán)境危害較大的技術(shù)必將被淘汰,因而發(fā)展環(huán)保型的水下切割技術(shù)是大勢(shì)所趨．

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