Tại sao lại dùng tia nước để cắt vật liệu?

Nước là chất lỏng, không có hình dạng cố định. Người ta thường dùng hình ảnh “êm dịu như nước” để nói về sự mềm mại. Thế nhưng, các nhà khoa học lại có thể biến nước thành một loại “dao” cực mạnh, không chỉ dùng để đào đất, khai mỏ mà còn có thể cắt thép tấm.

Người ta phát hiện rằng trong vài phần triệu giây đầu tiên khi dòng nước cao áp phun vào bề mặt vật thể, áp lực tức thời của nó rất lớn. Đặc điểm này đã được ứng dụng trong khai thác than. Khi bơm cao áp đưa áp lực nước lên tới vài trăm megapascal (MPa), dòng nước có thể xói thủng tầng than làm than rơi xuống, sau đó dùng bơm đưa nước và than lên mặt đất. Phương pháp này gọi là khai thác than bằng áp lực nước.

Dùng nước để cắt thép tấm phức tạp hơn nhiều so với khai thác than, vì thép tấm mỏng có thể chịu áp suất khoảng 700 MPa. Khi áp suất tăng đến mức này, thiết bị bịt kín rất dễ mài mòn và rò rỉ. Để giải quyết, các nhà khoa học cho vào nước khoảng 5% dầu cắt có tính hòa tan, vừa bôi trơn vừa nâng cao hiệu quả bịt kín. Đồng thời, bơm cao áp cũng được xử lý đặc biệt, dùng dung dịch dầu trong vòng bịt kín hai lớp để bảo đảm độ kín ở áp suất cao.

Một vấn đề khác là nước không có hình dạng cố định. Sau khi phun ra khỏi ống, dòng nước dễ tản ra, làm giảm áp lực và khó cắt chính xác. Vì vậy, người ta cho thêm một lượng nhỏ polymer mạch dài như polyvinyl oxit vào nước. Các phân tử nước bám vào chất này, khiến dòng nước phun ra kết dính như sợi chỉ dài, trong một đoạn khá xa vẫn không tản ra và duy trì áp lực mạnh.

Vấn đề thứ ba là miệng vòi phải chịu áp lực rất lớn, đồng thời đường kính phải cực nhỏ để tia nước bắn trúng mục tiêu chính xác. Hiện nay, miệng vòi phun nước áp lực cao được chế tạo bằng hợp kim cứng cao cấp, ngọc thạch, kim cương... với đường kính chỉ khoảng 0,05 mm. Vách trong của lỗ phun rất trơn, có thể chịu áp suất dòng nước tới 1700 MPa, tức khoảng 17.000 atm.

Dùng nước làm “dao” có nhiều ưu điểm. Trước hết, phạm vi ứng dụng rất rộng: thép tấm, đồng tấm, kính, nhựa... đều có thể gia công bằng “dao nước”. Thứ hai, mặt cắt nhẵn, không sần sùi như khi cưa, cũng không làm vật liệu bị nóng và biến dạng như khi dùng laser hoặc axetylen. Khi cắt một số vật liệu tổng hợp, phương pháp này còn hạn chế khí độc và khói bụi, thậm chí gần như không làm ướt vật liệu vì tốc độ xuyên thủng của nước rất nhanh.

Hiện nay, nhiều quốc gia đã đưa công nghệ cắt bằng nước áp suất cao vào sử dụng thực tế. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ứng dụng của “dao nước” sẽ ngày càng rộng, như tẩy lớp sơn gốm trên linh kiện, đục lỗ, nghiền vật liệu, làm sạch bề mặt thân tàu và chân vịt, thậm chí có thể dùng trong phẫu thuật ngoại khoa.