《Welding in the World》：Initial CFD-based investigation of cooling gas nozzle sets for in situ component cooling for directional independent DED-Arc
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为提高电弧定向能量沉积（DED-Arc）增材制造效率并控制高合金钢等低热扩散率材料的冷却速率，本研究探讨了利用冷却气流进行构件原位冷却的方法。研究人员基于前期工作，提出了一系列冷却气体喷嘴组设计概念，并通过平板冷却气流CFD建模，结合模拟与实验评估了其在平整构件上的应用性能，包括保护气流、冷却效果及特定变体保护气氛围中的残余氧含量测定。该研究为开发不依赖于工艺进给方向的原位高效冷却方案提供了理论与实验基础。
在金属增材制造领域，电弧定向能量沉积（DED-Arc）技术以其高效率、低成本制造复杂金属构件的能力，在原型制造、小批量及个性化零件生产中展现出巨大潜力。然而，这项技术也面临着一系列“热烦恼”。想象一下，在连续堆叠金属层的过程中，热量会不断积累。对于那些散热“迟钝”的高合金钢，或者接触面积小、结构高耸的薄壁零件，局部过热、变形乃至材料性能恶化等问题随之而来，成为限制生产效率和零件质量的瓶颈。为了给构件“降温”，传统的做法通常是暂停加工，等待自然冷却，或者干脆降低堆积速率。这好比是跑步时跑跑停停，无疑大大拖慢了“制造马拉松”的进程。更灵活、高效的主动冷却方法，成为提升DED-Arc生产率的关键突破口。
近期发表在《Welding in the World》上的一项研究，正是瞄准了这一痛点。它探讨如何利用一股气流，在焊接电弧工作的同时，就地对构件进行“吹风降温”，即所谓“原位气体冷却”。与以往多数跟随焊枪移动的“追尾式”冷却不同，本研究旨在开发一种能够不依赖于焊接方向、环绕整个工艺区域均匀冷却的喷嘴方案。这就像给核心区域安装了一圈可控的“空调出风口”，从而实现更灵活、高效的主动热管理。
为了找到这圈“出风口”的最佳设计方案，研究人员开展了一项结合计算机模拟与实验验证的系统性研究。他们首先运用计算流体动力学（CFD）技术，在虚拟世界中构建了包含焊接电弧、保护气流和冷却气流的复杂三维模型。这个模型就像是一个高精度的数字风洞，可以预测不同设计的喷嘴引导出的气流，如何与保护气混合，又如何冲击到下方的金属平板工件上。通过这个模型，研究者分析了多达15种不同的冷却气体喷嘴组设计，这些设计在喷嘴直径、出风口数量、气流倾斜角度等关键参数上各不相同。在模拟筛选出有潜力的方案后，研究并未止步于电脑屏幕。他们进一步搭建了实验台，将选定的喷嘴实物与GMAW焊枪一同安装，在不通电弧的情况下，精确测量了冷却气流对焊枪下方保护气氛中氧气含量的影响，从而验证模拟预测的准确性，确保了方案的实用可靠性。
4.1 CFD模型分析与评估
通过CFD模拟，研究重点关注了冷却效率和保护气覆盖两大核心性能。
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有助于构件冷却的传热：研究评估了工件表面因强制对流而得到冷却的区域比例（Fcool）及该区域的平均对流换热系数（αcool）。结果显示，在固定冷却气体入口流量为150 L/min的条件下，不同设计的冷却效果差异显著。冷却区域比例在55%到71%之间，而平均对流换热系数则在46到99 W/(m2·K)之间。性能最优的设计通常具有较大的单出口直径、较多的出口数量、较大的喷嘴组总直径（50或60 mm）以及一定的切向倾斜角。
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保护气覆盖：通过分析氧气质量分数为50 wt. ppm的等值面，评估了冷却气流对焊接区域保护气氛的干扰程度。研究发现，大部分设计在150 L/min的流量下能维持可接受的保护效果，其等效覆盖半径（r50 ppm）变化不大。然而，当冷却气流速度过高或某些设计（如总直径过小、出口距离保护气喷嘴过近）时，保护气会被“吹散”，导致失效。此外，单纯切向倾斜的冷却气流在较高流速下对保护气的干扰更大。
数值建模
研究建立了一个稳态CFD模型，用于分析冷却气体喷嘴组的性能。模型进行了多项简化假设，如忽略过程的瞬态特性、熔滴过渡细节，并采用TIG电弧模型的源项来近似模拟GMAW过程的热源和电磁力。控制方程包括质量、动量（采用SST k-ω湍流模型）、能量及组分（氩气-空气）输运方程。模型物理属性（如粘度、导热系数、比热容）和氩-空气互扩散系数均考虑了高温等离子体状态。边界条件设定了屏蔽气（氩气，15 L/min）和冷却气（空气，流量可变）的入口，并在工件表面施加了模拟电弧加热的热通量。
冷却气体喷嘴组的设计概念
研究共提出了15种设计变体，可分为三类：径向倾斜冷却气流（变体1-6）、切向倾斜冷却气流（变体7-11）以及径向和切向复合倾斜冷却气流（变体12-15）。设计参数系统地变化，包括喷嘴组总直径（30, 40, 50, 60 mm）、出风口数量（15, 16, 18, 20, 24）、径向倾角（0°, 10°, 20°, 30°）和切向倾角（0°, 10°, 20°, 30°），旨在探究这些参数对冷却效果和保护气覆盖的综合影响。
组合评估与关键技术
将冷却效率与保护效果结合评估发现，在固定冷却气消耗量（150 L/min）下，变体2-4、6和12-15在提供合适保护气覆盖的同时，实现了最高的冷却传热。而在固定冷却气出口速度（21 m/s）下，变体2-4、6-9和15表现最佳。实验验证进一步确认，对于选定的有前景的变体（如变体6），CFD模型关于保护气覆盖的预测与实测结果吻合良好，证明了模型的有效性。
本研究通过系统的CFD模拟与实验验证，为DED-Arc工艺中的原位气体冷却提供了一套创新的喷嘴组设计方案和深入的理论分析。研究的主要结论和意义在于：
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可行性验证：证实了利用环绕式、多出口冷却气体喷嘴组对DED-Arc构件进行原位、方向无关的强制对流冷却在技术上是可行的，能够在维持有效保护气氛的前提下，显著增强构件表面的对流换热。
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设计指南：明确了冷却气体喷嘴设计的关键参数及其影响。增大喷嘴组总直径、增加出风口数量、采用适当倾角（尤其是结合径向与切向倾斜）有利于提高冷却效率。而过小的总直径或出风口与保护气喷嘴距离过近，则会严重破坏保护气覆盖，限制冷却气流量的使用上限。
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性能平衡：研究揭示了冷却效果与保护气质量之间的权衡关系。存在一个最佳的冷却气体流量/速度窗口，超过此窗口，冷却效果的提升将以保护气氛恶化为代价。本研究为150 L/min的空气流量提供了多种可行设计方案。
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方法论贡献：建立并验证了一套适用于该复杂多物理场问题的CFD建模方法，为后续的喷嘴优化和工艺参数研究提供了可靠工具。
这项研究不仅为解决DED-Arc制造中的热积累问题提供了一种新颖、高效的工程解决方案，而且其基于CFD的设计探索方法和实验验证框架，对增材制造及其他涉及复杂气流的工艺过程中的热管理设计具有普遍的参考价值。通过实现更精确、灵活的原位冷却控制，该技术有望进一步提升DED-Arc在制造高合金材料、薄壁结构及大型构件时的生产效率和产品质量。
