近幾年來，隨著大功率和超大功率光纖激光器的國產(chǎn)化普及，我國激光切割機(jī)呈迅猛發(fā)展之勢(shì)，激光切割機(jī)從千瓦級(jí)躍升到萬瓦級(jí)，切割能力從僅能切割幾mm的薄板發(fā)展到能切割幾十mm的厚板，激光切割的應(yīng)用越來越廣泛。作為激光切割的輔助氣體，通常有氧氣、氮?dú)夂蛪嚎s空氣。
本文作者曾在《激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體的空氣壓縮機(jī)選擇和應(yīng)用》一文中詳細(xì)論述過激光切割機(jī)采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行金屬切割加工是一種常見的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加工方式。由于采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行激光切割的顯著的經(jīng)濟(jì)性，以前不主動(dòng)推空氣切割的激光切割機(jī)的生產(chǎn)商，現(xiàn)在推激光切割機(jī)時(shí)，都開始主動(dòng)介紹其激光切割機(jī)適合采用壓縮空氣切割。（圖一） 和（圖二） 就是兩個(gè)激光切割機(jī)品牌的超大功率激光切割機(jī)宣傳時(shí)介紹采用壓縮空氣切割的優(yōu)勢(shì)。
采用壓縮空氣作為輔助氣體進(jìn)行激光切割的經(jīng)濟(jì)性是顯而易見的。同時(shí)，由于一體式空壓機(jī)安裝簡便，占地面積小，方便挪動(dòng)，采用空氣切割的激光切割機(jī)通常都配套激光切割專用的一體式空壓機(jī)。但是，如果對(duì)一體式空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的除水排污不正確、不及時(shí)，對(duì)切割質(zhì)量和切割效率也會(huì)有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐筛哳~經(jīng)濟(jì)損失。
為什么這么說呢？
回答這個(gè)問題，我們先來看看壓縮 1m3/min 的空氣到 16bar 壓力（這個(gè)壓力是目前多數(shù)激光切割機(jī)采用空氣切割的壓縮空氣壓力）會(huì)產(chǎn)生多少液態(tài)水分？從熱力學(xué)，我們知道，空氣中的含濕量 W 為：
式中，
P——空氣壓力， kPa；
Ps——水蒸氣分壓力， kPa；
Psb——飽和水蒸氣分壓力， kPa；
ϕ——空氣相對(duì)濕度， %
壓縮機(jī)在壓縮空氣時(shí)最容易產(chǎn)生液態(tài)水的季節(jié)是夏季，最常見的濕熱天氣的氣溫大約 35℃，相對(duì)濕度大約 80%，根據(jù)上面的公式，在大氣壓力狀態(tài)下，空氣中的含濕量為 0.0297kg/kg（干空氣）。
當(dāng)壓縮到 16bar 壓力時(shí)，如果排氣溫度是 80℃，那么壓縮空氣中的含濕量為 0.0178kg/kg（干空氣）。
這意味著會(huì)有 0.0297-0.0178=0.0119kg/kg（干空氣） 的液態(tài)水析出。假設(shè)壓縮機(jī)的排氣量是 1m3/min，每天工作 10 小時(shí)，那么一天下來析出的液態(tài)水將會(huì)是：
0.0119*60*10*1.29=9.21kg
這些析出的液態(tài)水的大部分會(huì)混合在潤滑油中，使?jié)櫥秃芸斓厝榛冑|(zhì)，在油氣分離器中的潤滑油工作時(shí)會(huì)大量起泡（見圖三）。如果泡沫大量積聚，油氣分離濾芯都被泡沫包圍時(shí)，油氣分離濾芯將失去對(duì)潤滑油的攔截過濾功能，大量的潤滑油將會(huì)穿過油氣分離濾芯進(jìn)入壓縮機(jī)排氣管路，這將會(huì)使得后面的壓縮空氣過濾凈化變得異常困難。
根據(jù)計(jì)算，在環(huán)境溫度 35℃、相對(duì)濕度 80%的吸氣條件下，要保證在 16bar 排氣壓力的排氣沒有液態(tài)水析出，排氣溫度需要在 92℃以上，這需要通過溫控閥開啟溫度的選擇或者風(fēng)機(jī)啟停溫度的設(shè)定來保證。對(duì)于空壓機(jī)容量配大很多的用戶，就需要強(qiáng)制把空壓機(jī)運(yùn)行的下限頻率設(shè)高來防止溫度不能升上來。
其次， 即使對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度進(jìn)行了較好的設(shè)定，使得潤滑油中沒有液態(tài)水析出，但是壓縮后的冷卻過程會(huì)使儲(chǔ)氣罐和氣水分離器有大量液態(tài)水凝聚。從（圖四） 可以看出，壓縮機(jī)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)之后，可以從儲(chǔ)氣罐里放出很多的液態(tài)水。
還是繼續(xù)上面的例子， 我們知道，一體式空壓機(jī)都是把空壓機(jī)和冷干機(jī)安裝在儲(chǔ)氣罐上方，空氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮并經(jīng)過油氣分離和后冷卻器后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，同時(shí)把在后冷卻器冷卻產(chǎn)生的冷凝水帶入儲(chǔ)氣罐。由于壓縮空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐時(shí)速度驟降，并且儲(chǔ)氣罐與環(huán)境空氣有很大的接觸面積，壓縮空氣與環(huán)境空氣會(huì)產(chǎn)生較多的對(duì)流換熱， 使得壓縮空氣的溫度進(jìn)一步降低，產(chǎn)生更多的冷凝水。
一般設(shè)計(jì)上，經(jīng)過后冷卻器的壓縮空氣的溫度比環(huán)境溫度高 12~15℃左右，在儲(chǔ)氣罐中繼續(xù)與環(huán)境空氣對(duì)流換熱后溫度又會(huì)降低約5~8℃。因此，在 35℃環(huán)境溫度時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣溫度不會(huì)超過 35+15-5=45℃。在 16bar 壓力下， 45℃的飽和空氣的含濕量是 0.0035kg/kg（干空氣），這意味著儲(chǔ)氣罐里會(huì)有 0.0297-0.0035=0.0262 kg/kg（干空氣）的液態(tài)水積聚。假設(shè)壓縮機(jī)的排氣量是 1m3/min，每天工作 10 小時(shí)，那么一天下來儲(chǔ)氣罐積聚的冷凝水將會(huì)是：
0.0262*60*10*1.29=20.28kg
一體式空壓機(jī)的儲(chǔ)氣罐容積大約為 300L~400L，按每天產(chǎn)生 20.28kg 的冷凝水，如果一直不放水排污，只要兩周時(shí)間，整個(gè)儲(chǔ)氣罐就全是水了！如果是這樣的話，壓縮空氣將會(huì)裹挾大量液態(tài)水進(jìn)入冷干機(jī)后精密過濾器等后處理設(shè)備，造成后處理設(shè)備根本就無法處理過來，無論是水，還是殘油，由于濾芯被水濕透，均無法處理。
因?yàn)椋鶕?jù)精密過濾器的工作原理，它只能過濾顆粒粉塵、微油和水霧，如果壓縮空氣中存在大量液態(tài)水，精密過濾器的濾芯將會(huì)很快濕潤飽和，導(dǎo)致空氣分子通過濾芯時(shí)本應(yīng)過濾分離出來的液態(tài)水和殘油隨壓縮空氣一起通過。其結(jié)果就是出現(xiàn)大家最不想看到的結(jié)果，進(jìn)入激光切割機(jī)的壓縮空氣含油含水，很快就會(huì)使激光切割機(jī)保護(hù)鏡片起霧模糊（見圖五），造成激光切割機(jī)無法工作，尤其對(duì)于超大功率激光切割機(jī)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀價(jià)值昂貴的光學(xué)鏡片。
因此，對(duì)于一體式空壓機(jī)，一定要告訴操作人員，為了保障激光切割機(jī)的正常工作，必須養(yǎng)成每天開機(jī)前和停機(jī)后手動(dòng)排放掉儲(chǔ)氣罐中的冷凝水的良好習(xí)慣。即使儲(chǔ)氣罐已經(jīng)安裝了自動(dòng)排污閥，也有必要每天進(jìn)行這樣的操作，因?yàn)樽詣?dòng)排污閥有可能臟堵。
壓縮空氣離開儲(chǔ)氣罐進(jìn)入冷干機(jī)之前，通過管路與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱，氣體溫度會(huì)進(jìn)一步降低，假設(shè)降低 5℃，我們來看看降低 5℃達(dá)到 40℃時(shí)又會(huì)有多少冷凝水產(chǎn)生。按前述計(jì)算公式， 45℃的飽和空氣的含濕量是 0.0035kg/kg（干空氣）， 40℃的飽和空氣的含濕量是 0.0027kg/kg（干空氣），那么進(jìn)入冷干機(jī)之前將會(huì)有 0.0035-0.0027=0.0008 kg/kg（干空氣） 的冷凝水產(chǎn)生。假設(shè)壓縮機(jī)的排氣量是 1m3/min，每天工作10 小時(shí)，那么一天下來進(jìn)入冷干機(jī)之前的管路產(chǎn)生的冷凝水將會(huì)是：
0.0008*60*10*1.29=0.6192kg
這就是為什么在壓縮空氣進(jìn)入冷干機(jī)之前要安裝一個(gè)氣水分離器的原因。這個(gè)氣水分離器下部安裝有浮球式自動(dòng)排污器（見圖六），在夏季濕熱天氣，自動(dòng)排污器應(yīng)該在壓縮機(jī)每工作 30-45min 左右就能自動(dòng)排放一次污水。浮球式自動(dòng)排污器的下方還有一個(gè)手動(dòng)排污口，如果自動(dòng)排污器長時(shí)間都沒有自動(dòng)排污，應(yīng)該檢查手動(dòng)排污口，如果手動(dòng)排污口能放出很多水，那就表示自動(dòng)排污出了故障，需要維修或者更換。
激光切割用一體式空壓機(jī)都是集成了冷凍式干燥機(jī)的， 如果冷干機(jī)之前的除水排污都按本文要求正確地做了， 壓縮空氣經(jīng)過冷干機(jī)后，壓力露點(diǎn)溫度降低到 2-5℃， 壓縮空氣經(jīng)過冷干機(jī)時(shí)產(chǎn)生的冷凝水（進(jìn)氣參數(shù)按前述，壓力露點(diǎn)按 5℃）為 0.0024kg/kg（干空氣）。假設(shè)壓縮機(jī)的排氣量是 1m3/min，每天工作 10小時(shí)，那么一天下來進(jìn)入冷干機(jī)產(chǎn)生的冷凝水將會(huì)是：
0.0024*60*10*1.29=1.858kg
這么多的冷凝水量，如果不及時(shí)排放干凈，同樣會(huì)使后面的精密過濾器失去過濾的功能。因此冷干機(jī)內(nèi)置有水分離器，水分離器下方安裝有電子自動(dòng)排污閥（見圖七）。為了及時(shí)排放冷凝水，電子自動(dòng)排污閥的排放間隔時(shí)間不能設(shè)置太長，應(yīng)以不超過 10-15min 為宜，每次排放時(shí)間宜設(shè)置為 3-5sec。
壓縮空氣經(jīng)過冷干機(jī)把壓力露點(diǎn)降低到 2-5℃，所產(chǎn)生的冷凝水及時(shí)排放干凈， 再回溫到 20 度左右，再經(jīng)過一組精密過濾器濾除極微量的水霧、油霧和顆粒物， 這樣的壓縮空氣就是干燥的不含任何液態(tài)水的，這樣的壓力露點(diǎn)的壓縮空氣在激光切割機(jī)的保護(hù)鏡片上是沒有形成水霧的條件的，并且由于這組精密過濾器可以使液態(tài)油的去除效果達(dá)到 0.001ppm，使油蒸汽的去除效果達(dá)到 0.003ppm，在保護(hù)鏡片上形成油霧也是非常困難的。
值得一提的是，對(duì)于激光切割機(jī)來說，每個(gè)精密過濾器下面的手動(dòng)旋塞閥都應(yīng)該保持微微開啟狀態(tài)（見圖八），這樣才能隨時(shí)把精密過濾器捕捉攔截到的任何液態(tài)物質(zhì)（水或油）及時(shí)沖刷出去而不帶入激光切割機(jī)的供氣管路。在這里不安裝自動(dòng)排污閥而是安裝手動(dòng)旋塞閥，一是為了保證能隨時(shí)將捕捉攔截到的任何液態(tài)物質(zhì)沖刷出系統(tǒng)，二是為了保持供氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。根據(jù)我們的測(cè)試，每一個(gè)自動(dòng)排污閥自動(dòng)排污時(shí)，供氣壓力會(huì)下降約 1bar，如果四個(gè)自動(dòng)排污閥同時(shí)排污，那么就會(huì)引起很大的供氣壓力下降，對(duì)激光切割質(zhì)量造成很不穩(wěn)定的影響。
總結(jié)
激光切割用一體式空壓機(jī)的除水排污，絕不是一件可有可無的小事。除水排污沒有做好，往小處說，是會(huì)影響激光切割的質(zhì)量和效率；往大處說，是會(huì)影響空氣激光切割技術(shù)的推廣應(yīng)用。無論是設(shè)計(jì)人員，還是使用維護(hù)人員，都應(yīng)該對(duì)激光切割用一體式空壓機(jī)除水排污的重要性有正確的認(rèn)識(shí)，在實(shí)踐中能夠切實(shí)保障一體式空壓機(jī)正確、及時(shí)的除水排污，共同推進(jìn)空氣激光切割技術(shù)的發(fā)展。
