水下切割研究进展

1895年，法国人LeChatelier发明了氧乙炔火焰，1900年．Fouch和Picard制造出了第1把氧乙炔割炬。氧乙炔火焰切割作为一种热切割方法开始被应用于生产实践，但当时仅限于陆地切割使用。水下切割是1908年德国人试图使用陆地上的氧乙炔割炬实现的，其工作水深在8 m以内．但由于周围水的强烈冷却作用，使切口处很难预热，且火焰不稳定，切割效果并不好。到了1925年，水下切割技术获得重大突破，美国海军为了便于进行海上打捞，研制出一种使用压缩空气作为外部屏幕的氧一氢割炬。在实际应用中获得了良好的效果。水下氧火焰切割的机理是采用气体火焰把钢板预热到燃点温度．然后用高速氧气射流喷向已经预热的金属，引起钢板发生氧化反应同时放出热量。氧气射流把氧化物及熔融金属吹掉形成切口。氧火焰切割所使用的气体主要包括乙炔、碳氢化合物、氢和液体燃料。

水下电弧氧切割适用于能导电的金属材料。但主要是用来切割易氧化的低碳钢和低合金高强钢。其使用水深已超过150 m。可能切割的厚度也在不断增加。但水下电弧氧切割由于割缝质量不高，多用于水下破坏性切割，以切断材料为目的。水下氧火焰切割和水下电弧氧切割都以气体为介质。在水中自由状态下气体必然要产生上浮的气泡，造成大量气泡翻腾现象。从而降低了水下可见度，增加了切割中的困难。熔化极水喷射水下切割由13本在上世纪70年代发明，用水作为切割工作介质，除保证切割过程平静外．还不必克服以空气作为介质时存在的因水深而带来的静水压问题。这种方法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。随着现代造船工业、原子能工业和海洋开发等工业的发展。要求水下切割技术能满足切割速度快．效率高，具有较高的切割质量，热影响区小，切割工件无变形等特点，根据等离子弧的特点人们开发了水下等离子弧切割技术，这种方法成功用于水下切割的报道最早见于1960年。其原理和设备与等离子弧焊基本相同。不同的是切割时应用的电流和气流都比较大。

水下热切割法都会对工件产生热影响甚至变形，而水下冷切割法则避免了这一缺点。高压水射流水下切割技术作为一种水下冷切割方法。不会破坏材料的物理、力学性能及材质的晶问组织结构，且免除了后序加工。尤其对特种材料如碳纤维材料，有切割无法比拟的效果。高压水射流切割技术可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料。美国密执安大学教授诺曼·弗兰兹博士于1968年首次获得水射流切割技术专利。1971年，对制作家具的硬木进行水射流切割获得成功，引起了国际关注。上世纪80年代．美国又率先把水磨料射流切割技术应用于实践。使切割对象更加广泛。纯水型水射流切割的原理是将水增至超高压，再经节流小孔，使水压势能转化为射流动能，用这种高速密集的水射流进行切割：加磨料型水射流切割是再往水射流中加人磨料粒子。经混合管形成磨料射流，用磨料射流进行切割。

在日本水喷射熔化极切割原理的基础上，我国成功开发了深海半自动熔化极水下电弧切割新技术，并在20 m及60m水深处对厚20 mm的钢板进行了切割试验，切割速度高达20m以上。水下聚能爆炸切割技术在我国也逐渐兴起。西安204所研制的橡皮炸药具有柔软轻便、使用简单、切割精度较高等特点。实际应用聚能炸药切割厚100mm钢板和直径1.2 m、具有38 mm钢套的混凝土套管曾获得成功。在打捞“阿波丸”号沉船时，还采用了预制的聚能炸药进行船体拆除，效果较理想 。

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10～40mm。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。

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。

起割点的操作

一般情况下，水下切割过程多从被切割工件的边缘开始，向中间切割，直至切断；但有时受结构特点或环境所限，需从中间开始切割。

从工件边缘开始切割时，首先将割条端部触及工件边缘，并垂直于切割面，使割条内孔骑到工件边缘棱线上，然后送电起弧。最好采用接触法引弧，开始时最好不要移动割条，待工件边缘形成凹形口后再慢慢向中间移动，开始正常切割；也可在边缘附近（离边缘线的距离不超过10mm）引弧，引弧后迅速向边缘移动，使边缘口形成凹口，然后再向中间逐步切割。

从中间开始切割时，要比从边缘开始切割容易一些。首先将割条端部触及工件，使之与工件的切割面成80°～85°角，然后采用接触法或划擦法引弧。引弧后保持原地不动，直至割穿后再开始正常切割。

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过程，基本操作方法有以下3种：支撑切割法、维弧切割法、加深切割法。

支撑切割法是指在引弧形成起始切口后，割条倾斜并与切割面保持80°～85°角，利用割条药皮套筒支撑在工件表面上，割条移动过程中，始终不离开工件的电弧-氧切割方法。该方法既可自左向右，也可自右向左，还可靠在规尺上切割，操作方便，效率较高，适用于中、薄板的水下切割。

维弧切割法是指起始切口形成后将割条提起，离开工件表面约2～3mm，并与工件保持垂直，然后沿切割线均匀地向前移动，始终维持电弧不熄灭。该方法适用于厚度在5mm以下薄钢板的水下切割。由于潜水员在水下保持身体的稳定性较困难，故电弧不易保持稳定。另外，切割质量也略低于支撑切割法，因此实际应用中不大采用维弧切割法。

加深切割法是指在起始切口形成后的切割过程中，割条不断伸入割缝中，使割缝不断加深，直到割穿工件，如此往复进行，最终将工件割开。该方法适用于采用支撑切割法一次不易割透的厚板或层板。操作时割条上下移动要协调均匀，以保持电弧稳定燃烧。

各种位置的水下电弧-氧切割技术

根据被切割工件或结构在水下的位置，可将水下电弧-氧切割分为平割、立割、横割及仰割操作技术。横割操作是平割及立割操作在横向被割工件或结构上的运用，而仰割操作不宜应用于这种位置。

悬空位置的水下切割技术

水下切割作业中，许多工件处于悬空位置，如果直接切割，会给在悬空状态下工作的潜水员造成很大的危险性，切割效率也低。因此，首先应使潜水员稳定住身体，能安装工作台的尽可能安装，不能安装工作台的可制作一只吊篮，让潜水员站在吊篮中进行切割。另外，也可利用缆绳稳定住身体。

对于悬空位置的切割，应十分注意切割顺序。对于一般工件或结构进行横割或立割时，应自上而下逐块切割。但对于水平管的切割要严加注意，都要在钢管的上半周处留一段距离，最后再切割或用吊车拉断。

水下切割是一项技术性高、环境复杂恶劣、危险性大的潜水作业，稍有疏忽大意，就可能造成事故，甚至危及生命。所以潜水员在进行水下切割作业时，除了要严格遵守有关潜水规则及条例外，还要很好地了解水下切割中的安全知识，严格遵守水下切割中的安全规定，确保施工安全。

1 水下切割的安全注意事项

目前在生产中常用的水下切割方法大多是带电作业，触电、电击及腐蚀潜水装具是主要事故之一。

（1）水下安全电流及安全电压

人体对通过的电流是有一定抵抗能力的，但当电流达到某一限度时，将使人感到痛苦，危及生命安全。所谓通过人体的安全电流，就是指通过人体而不致使人发生危险的电流极限值。安全电流因人而异，电流的种类不同，安全电流也不同。

直流电比交流电安全：当人体通过60～90mA直流电时将带来严重后果；而当通15～23mA交流电时就将引起严重后果。所以，在进行水下切割中不宜采用交流电源，在控制电路或照明电路中也不宜采用交流电。

通过人体电流的大小，取决于人体接触带电体的电压及人体的接触电阻。安全电压是指确保通过人体的电流不超过安全电流的电压极限值。当人体处于水中，尤其是处于海水中时，人体的接触电阻明显下降，所能承受的安全电压也就降低。另外，人体的电阻也受所接触的电压本身的影响。随着接触电压的增大，人体电阻逐渐降低，人体的安全电流及安全电压因人而异，而同一个人在不同条件下的安全电流及安全电压也是不同的，所以确定一个确切的数值不容易。我国国家标准《水下焊接与切割中的安全》中规定：凡与潜水员直接接触的控制电器必须使用隔离变压器，并备有过载保护设施。安全电压值为：工频交流电不得超过12V，直流电不得超过36V。

上述安全电压值是指人体直接接触的电压值，而实际水下切割中使用的切割电源电压多在80V左右（直流电），这虽然远远高于安全电压值，但与人体只要不直接接触，仍是安全的。

（2）防止水下触电的措施

为防止潜水员在进行水下切割作业过程中触电，应注意以下几点。

① 施工前应对潜水员进行安全用电教育，以便了解并掌握安全用电知识，提高思想认识。

② 对水下切割用的电器、设备进行绝缘性、水密性检查，及时更换或维修不符合要求者。

③ 进行水下切割的潜水员要戴防水绝缘手套，使手保持干燥状态，并且不与带电体直接接触。

④ 在水下切割过程中，如要更换割条或割丝时，应先通知水面上的工作人员切断电源。2100433B

Broco水下切割系统是1975年由理解潜水员工作需要和要求的专业人员开发的。Broco工程师们一直在改进切割枪和切割棒，进行精细的修改，以确保其在所有条件下得到最好的切割性能和最大的安全性。可以用于水下切割板桩，去除管状支承或者修理损坏的支杆。经认可指定用于海军（ANU）的，热别写入美国海军“水下切割与焊接”手册中的Broco水下超热切割系统被全世界海军使用。

BROCO水下切割系统配件组成

1、Broco BR-22切割枪。

2、Broco水下超热切割棒。

3、Broco HVR-4401高容量两段氧气调节器

4、单刀单投或者双刀单投安全闸刀开关（额定容量400安培DC，不熔断的）

5、C型接地夹子。（适合水下使用）

6、150-200安培100%忙闲度（工作周期）的DC焊接电源，或者12V或24V蓄电池。

7、规格1/0（最小）的焊接电缆用于焊枪电源和接地导线。

8、氧气供应（只要气态氧，最低纯度为99.5%）

9、3/8”内直径供氧软管。（调节器至切割枪。呈间距为2‘的锥形至切割枪电源电缆）

BROCO水下切割系统配件详解

BR-22切割枪

按照人机工程学设计的，它使潜水员舒适，减轻其前臂疲劳。切割枪用耐久的抗冲击抗腐蚀的材料做成。全部金属零件是黄铜的。不导电的扰性联结器将氧气控制筏与切割枪头连接，它是一个关键的安全部件，设计独特。所有接头都车了螺纹，易于维修（有成套备件）。坚固的闪光消除器带有内部过滤筛网来保护潜水员和切割枪，而不阻碍氧气流动。大的夹头螺帽是有节纹的，以确保潜水员牢固地抓住它。梯形螺纹纳入污泥或者其他碎削，确保快递可靠地插入和保持住切割棒。可互换的夹头能适合3/8英寸或者1/4英寸的切割棒。而且使BR-22能用作电焊钳来夹持电焊条。所制作的BR-22切割枪，能以最低的成本无故障地使用多年。用终极价值。

BROCO超热水下切割棒

以超过10,000华氏度的温度在棒尖燃烧，Broco的超热切割棒能切割或者熔化实际上几乎热和已知的材料。Broco的有专利权的切割棒的特征是几根合金的核心线，它们由一系列圆形皱纹织物保持住。切割棒的这些合金线在切割枪一端凹进，有助于防止燃烧返回进入切割枪。超热切割棒可以弯曲90度或者更大的弯度，以便进入难以到达的地方而不妨碍氧气流动或者导致绝缘劈开或者剥落。虽然他们可被用于最大150安培电流，超热切割棒没有电气设备。一旦点着以后，只要有氧气供应，他们将继续燃烧，直到它们消耗掉为止。Broco的水下超热切割棒有直径1/4英寸和3/8英寸的，以适应潜水员的工作要求。标准长度为18英寸。对于巨大的切割任务，3/8英寸*36英寸长的超热切割棒可以伸得更远和经过更长的时间才换切割棒。用Broco的水下超热切割棒在水下进行切割，穿孔或者气创，会更安全，更快速和更低操作成本。

HVR-4401氧气调节器

2-段Broco水下HVR-4401氧气调节器（配用3/8“内经氧气软管）可输送所需的高容量氧气，优化超热切割性能。列在U.L.表上的HVR-4401的设计和制造，力求有耐久性，易于操作和最大效率