Industriell Waterjet

Utmärkande för waterjet-tekniken är utnyttjandet av komprimerat vatten som energibärare fram till bearbetningszonen. Jo, vatten är ett kompressibelt media. Många minns kanske att man under sin utbildning fick lära sig att vatten var inkompressibelt. Detta är en förenkling som vid "normala" trycknivåer ger små beräkningsfel. Vid tryck uppemot 400 MPa (ca 4000 bar) kompirmeras vattnet nära 12%.

När vattnet efter att ha transporterats från tryckstegraren (vattenpumpen) når ett munstycke lösgörs den inre energin och omvandlas till rörelseenergi under bildandet av en vattenstråle med mycket hög hastighet. Genom att använda ett fint munstycke skapas mycket höga hastigheter hos strålen och vi uppnår effektkoncentrationer på närmare 180 kW/mm2. Det är med hjälp av den mycket koncentrerade effekttillförseln vi kan sönderdela och avverka material. De mekanismer som verkar i den s k rena vattenskärningen, där enbart vattenstrålen utför avverkningen bygger på att man under vattenstrålens uppbromsning mot materialytan bygger upp ett tryck mot materialytan. För täta material måste detta tryck överstiga materialets deformationsmotstånd för att åstadkomma den önskade skärprocessen. I vissa hårdare material med mikrosprickor kan vattnet tränga ned i och trycksätta dessa som därigenom växer med slutlig materialavverkning som följd. Även hårda och täta material kan avverkas med rent vatten genom andra verkande erosionsmekanismer, t ex dropp-erosion eller kavitation. Forskning kring användandet av dessa mekanismer vid kontrollerad materialavverkning har pågått länge men har visat sig svår att styra. Det finns dock ett starkt intresse att kunna åstadkomma effektiv materialavverkning utan tillsatser t ex i kärnkraftsindustrin.

Idén att tillsätta slipmedel (abrasivmedel) till vattenstrålen ledde till ett teknikgenombrott och idag är det den s k abrasiva vattenskärningen som utvecklas mest både tekniskt och marknadsmässigt. Tekniken förmår att skära/avverka de flesta material. Abrasivmedlet tillsätts i ett skärhuvud, vilket i sin uppbyggnad har likheter med en blästerpistol. Figuren nedan visar schematiskt uppbyggnaden av ett skärhuvud för abrasiv vattenskärning.

Efter att vattenstrålen skapats i primärmunstycket passerar den genom en blandningskammare och vidare ut genom ett andra munstycke. I likhet med en jet-pump skapar vi ett undertryck i blandningskammaren med vars hjälp vi kan mata in ett abrasivmedel till strålen genom en öppning i blandningskammaren. Detta stör den känsliga strålen som bryts upp i droppar, vilka i sin tur träffar och accelererar abrasivkornen till hastigheter upp till nära hälften av strålens hastighet. I det andra munstycket fokuseras partiklarna och dropparna till en abrasiv vattenstråle med en diameter i storleksordningen 1 mm. Som förstås av denna beskrivning har vi inte längre en vattenstråle i egentlig mening utan snarare en partikelstråle som volymmässigt består till 95% av luft.

I betraktelsen ovan diskuterade vi betydelsen av att nå höga effektkoncentrationer. Genom den abrasiva skärhuvudet har vi fördelat den tillgängliga energin över en ca tio gånger större yta. Därtill kan nämnas att vi i skärhuvudet haft en verkningsgrad omkring 10% vid skapandet av AWJ-strålen. Trots detta har vi fått en skärprocess som så effektivt klarar av att skära de mest svårbearbetade material, t o m sådana som är hårdare än abrasivmedlet själv. Hur då kan detta vara möjligt? Svaret är partikelerosion. När partiklarna går i kontakt med materialet sker detta i ytterst små kontaktytor och när energin frigörs här blir effektkoncentrationen mycket kraftfull så att t o m hårda konstruktionskeramer lokalt uppvisar plastisk deformation. Avverkningen sker genom en kombination av flera erosionsmekanismer i samverkan, vilket kan förklara att praktiskt taget alla material kan avverkas på detta sätt. Partiklarna har vidare fördelen att kunna bära med sig energin längre ned i snittet.

Som vi ser av resonemanget ovan finns det trots metodens kapacitet idag mycket potential för ytterligare förbättring hos tekniken. Med förståelse för var och varför förluster uppstår och hur energin används kan den enskilde användaren själv kritiskt granska och optimera sin skärprocess.