表面蒸发及反作用压力的影响

表面上很高的热通量辐射可能会引起熔化和相伴而生的蒸发。蒸发的蒸气引起反作用力，会施压于熔化的表面，在严重的情况下会形成深而窄的“匙孔”。这一现象最常见于高能束（激光或者电子束）焊接中。压力辅助能量传递到被辐照材料表面以下的区域，并导致比对流或者热传导所产生的更深的熔化（穿透）。极限情况下，反作用力有可能引起熔化的材料从焊缝熔池中喷射出来，导致飞溅和穿孔。S.I.Anisimov^[11，12]指出，给定温度下，由于表面蒸发产生的反作用压力正比于该温度下饱和蒸气压，即

p_rec（T）=Cp_sat（T） （3.10）

对于向真空中蒸发或者向大气压力中强烈蒸发的情况（其中的蒸发比平衡蒸气压大得多），C=0.54。

饱和蒸气压与温度之间的函数关系可在克劳修斯—克拉贝龙（Clausius-Clapeyron）关系中找到。假设蒸发行为为理想情况，这一关系表示为

式中，L是蒸发的摩尔潜热；p是饱和蒸气压；T是温度；R是普适气体常数；S_V、S_L、V_V、V_L分别是熵和体摩尔质量（其中下角标V表示蒸气，L表示液态）。式（3.11）中作了近似，忽略了相对蒸气的液体摩尔体积，应用理想气体定律来计算蒸气的摩尔体积。大多数材料的气相表现为非理想状态，因此，纯金属的饱和蒸气压与温度的关系做了一个表^[13]。对于金属合金和非金属材料，相对能够获得的数据几乎没有多少，很不方便得到^[14-18]。同时，通常可以获得的实验数据只给出了高于正常沸点温度下（常压）的饱和蒸气压。由于高热通量导致的非平衡，电子束和激光束焊接表面温度经常高于正常熔点。除了其他处给出了细节外^[19-21]，需要读者肯定的是电子束与材料相互作用太快了，以至于气泡难以形成，因此导致沸腾，如体积蒸发，相对于表面蒸发，在电子束焊接中更为重要。综上，对于温度高于沸点温度的饱和蒸气压必须由现有数据外推。激光焊接模拟和有效试验^[22，23]所累积的经验表明，数值推测可接受的精度对于大多种类的金属都是能够接受的，比如不锈钢、铝、铜和钛航空合金，利用下式计算蒸气反作用压力(www.xing528.com)

p_r（T_s）=0.54B₀（T_s）-1/2exp（-L/RT_s） （3.12）

式中，B₀是蒸发常数（由给定材料在一个大气压下沸点时等效饱和蒸气压确定）；T_s是表面温度。

已经发现匙孔电子束焊条件下具有1.5（试验）～1.7kPa（计算）反作用力值^[24，25]。一些研究者报道了更高的测量值^[26]，但是没有考虑到试验中匙孔压力作用的面积（尤其是整个最上表面，不仅仅是匙孔本身，因为压力波以声波速度传递），并且公式中没有一个因素考虑到了尺寸关系。