具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本发明一实施例提供了一种基于3D打印技术的异型管道的制备方法，以通过3D打印技术打印核电监管设备中的应急柴油机冷却水管道为例，参阅图2，应急柴油机冷却水管道包括主体管道10、设置在主体管道10中间的异型部20以及连接在异型部20一侧的第一法兰盘30，所述主体管道10上还设置有两个凸环50，每个所述凸环50的一侧均连接有一个第二法兰盘40，两个所述凸环50对称分布在异型部20的两侧，所述异型部20的中间为凹型结构，所述第一法兰盘30与异型部20形成异型三通结构，所述第一法兰盘30上均设置有第一螺栓孔32和第一法兰孔31，第二法兰盘40上均设置有第二螺栓孔42和第二法兰孔41，第一法兰盘30的直径大于第二法兰盘40的直径。

参阅图1，基于3D打印技术的应急柴油机冷却水管道制备方法包括：

S10、根据应急柴油机冷却水管道的服役工况选定焊丝，确定工艺参数；

其中，应急柴油机冷却水管道的制备采用3D打印技术中的电弧增材技术，其中，为了避免焊丝在熔化堆叠的过程中，不断的热量输入所产生的热量积累可能会使熔池产生飞溅问题，优选的，采用冷金属过渡的电弧增材技术进行应急柴油机冷却水管道的制备，其中，急柴油机冷却水管道的工作压力6bar，最高温度95℃，满功率时温度为68-88℃，根据核安全监管部件考虑，选取设计温度95℃；异型管道的工作承压强度不超过500MPa，管中流通介质为乙二醇冷却液。因此基于目标零件强度匹配原则选择碳钢焊丝作为原材料，优选的，焊丝选用ER50-6碳钢焊丝，其中，ER50-6碳钢焊丝的熔敷金属力学性能为：室温抗拉强度≥500MPa，室温屈服强度≥420MPa，室温拉伸率≥22％，即满足原材料满足异型管道的正常服役工况；且为了保证堆焊时焊层之间具有良好的融合性能，且打印出来的冷却水管道力学性能较好，焊丝规格选用Φ0.8mm-1.6mm，每次起始时焊丝距离喷嘴伸长长度为6mm-14mm，焊丝末端与基板距离为3mm-7mm，增材电流为150A-190A，送丝速度为4.0m/min-6.0m/min，增材速度为0.4m/min-0.6m/min，气体保护气采用体积分数为85％Ar+15％CO₂，气体保护流量为10L/min-20L/min。

电弧增材技术以电弧为载能束，制造过程中熔池体积大，加上材料种类、电弧吹力、电源特性等扰动因素的存在，增强了熔池的不稳定性。能连续一致地逐层堆焊是实现电弧增材制造的先决条件，因此要求每层的组织、成分、性能等的再现性良好。由于电弧增材制造工艺的特殊性，即使固化了工艺参数但实际产品打印中也仍然会出现性能组织异常的可能性。为此需要通过工艺评定尤其是力学性能(产品可用性)来验证或者证明已经固化的工艺参数是合理的。但因电弧增材制造作为一种新技术应用于核级监管部件中的应急柴油机冷却水管道，既不同于铸造、锻造也不同于焊接工艺，因此没有可用的工艺评定方法。

因此在本实施例中，针对电弧增材工艺和柴油机冷却水管道的特殊性，提出如下工艺评定方法，其具体步骤如S20、通过所述焊丝以及所述工艺参数将两块试制板焊接得到板状工艺试件，通过板状工艺试件对柴油机冷却水管道进行性能评定；通过所述焊丝以及所述工艺参数将两段试制管焊接得成管状工艺试件，通过管状工艺试件对柴油机冷却水管道进行形状和尺寸评定；

具体的，电弧增材属于快热激冷的特殊工艺，成型热积累严重、散热条件差，移动熔池在超高温度梯度和强约束条件下的快速凝固，导致零部件不同部位的晶粒形态和取向，显微组织特征和演化规律发生显著变化。工艺评定的考虑既要考虑此工艺条件下产品组织状态是否会出现异常，更重要如何确保整个零部件任何部位的综合力学性能满足要求；同时柴油机冷却水管道作为异型三通结构形状特殊，制备过程中如何保证零部件在整个成型过程中能满足最终要求的尺寸形状，因此，本发明通过板状工艺试件实现控性的要求，用管状工艺试件实现控形的要求，两种方案组合全方面实现工艺评定，此外，板状工艺试件和管状工艺试件均将两个板或者管焊接而成，无需打印完整的工艺试件，节省材料、耗时小。

其中，板状工艺试件尺寸采用520mm×350mm的两块试板，采用与步骤S10中的工艺参数以及ER50-6碳钢焊丝对两块试板进行焊接，并且采用与柴油机冷却水管道相同的工艺进行热处理；管状工艺试件4段，内外径与柴油机冷却水管道的主体管道10保持一致。

当性能评定符合异型管道在服役过程中所需的性能要求，且形状和尺寸符合异型管道在服役过程中所需的形状和尺寸时，则执行步骤S40；否则，则通过控制变量法调节工艺参数，执行步骤S20。

其中，异型管道在服役过程中所需的性能要求为：进行所述拉伸试验时，拉伸试样的抗拉强度不低于500MPa，屈服强度不低于320MPa；进行所述弯曲试验时，将面弯试样正面弯曲180°，将背弯试样背面弯曲180°，其中，弯曲后的面弯试样以及背面试样中的单个裂纹、气孔或者夹杂物的长度不大于3.0mm；进行所述冲击试验时，其中，冲击强度应大于等于60J；进行所述表面硬度试验时，表面硬度的范围为170HB-230HB；所述金相试验包括宏观金相试验和微观金相试验,进行金相试验时，宏观金相试验应无可见裂纹、未焊透、未熔合和/或尺寸大于等于1mm的气孔，微观金相检验(放大200倍)：应不存在显微裂纹和/或影响接头性能异常组织，包括魏氏组织、淬硬组织等。其中，如果试验测试结果不符合力学性能要求，首先应核实确认工艺评定中，取样是否合理，以及焊丝的材料选择是否合适；若没有问题，则应通过控制变量法重新调整工艺参数，如控制送丝速度、增材速度、以及保护气的体积分数比例、保护流量不变，通过调整增材电流大小，进而调整增材制造过程中原材料焊丝熔化和凝固过程中组织与性能，进而改变产品零件的力学性能。

另外，管状工艺试件应可以打印出所需的直管段，且在尺寸上满足所需的内径和外径尺寸。

由于电弧增材技术固有的热量输入大、容易变形等问题以及应急柴油机冷却水管道特殊的外观尺寸结构，应急柴油机冷却水管道在打印过程中最有可能出现的缺陷包括：原材料焊丝质量控制不当或打印时保护气氛出现异常从而在熔化凝固过程中出现的气孔；打印时层与层或道与道之间出现的未熔合缺陷；以及逐层打印每层每道清理不干净而导致的夹杂分层的缺陷。在打印完成后再进行最终的缺陷检测，存在检测方法和检测时机受限的问题，因此为确保零件最终的形状以及质量要求，如步骤S40、通过3D打印技术打印异型管道，其中在打印的过程中，通过分层液体渗透检测方法检测异型管道的层内缺陷；通过分段射线检测方法检测异型管道的管内缺陷；并对层内缺陷检测和内部缺陷检测不合格的异型管道及时处理。

打印过程中分层进行液体渗透检测，可确保零部件打印过程中每层缺陷的及时清除，解决了零件打印完成后层内缺陷无法有效检测的不足，可保证整个零部件的缺陷。

其次，在进行射线检测时，射线检测灵敏度是射线检测对比度(缺陷影像与其周围背景的黑度差)、不清晰度(影像轮廓边缘黑度过渡区的宽度)和颗粒度(影像黑度的不均匀程度)三大要素的综合结果，而此三大要素又分别受不同工艺因素的影响，通过电弧增材制备的应急柴油机冷却水管道结构复杂，透照厚度变化大，灵敏度和宽容度矛盾突出，所以为兼顾较大的厚度宽容度，灵敏度必然要受到一定损失，如对整个零件进行射线透照检测A、F段与B、E段以及D、E段管透照厚度及外形尺寸差异较大，将无法做到对比度和不清晰度以及颗粒度的平衡，因此在本实施例中，通过分段射线检测方法对异型管道进行缺陷检测。

S50、对打印完成的应急柴油机冷却水管道进行应用鉴定评估。即模拟应急柴油机冷却水管道的正常使用工况，通过各项实验进行应用评估，以验证通过3D打印技术制备的应急柴油机冷却水管道的应用情况。

在一些实施例中，步骤S20中，所述通过板状工艺试件对应急柴油机冷却水管道进行性能评定的步骤包括：

S21、垂直于板状工艺试件的焊缝将板状工艺试件分为多个性能试验试样；

S22、将多个性能试验试样分别进行拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、表面硬度试验以及金相试验。

在一些实施例中，所述多个性能试验试样至少包括两个拉伸试样、两个面弯试样、两个背弯试样、至少一个冲击试样以及至少一个备用试样，其中，两个拉伸试样为板状工艺试件上不相邻的两个性能试验试样，两个面弯试样为板状工艺试件上不相邻的两个性能试验试样，两个背弯试样为板状工艺试件上不相邻的两个性能试验试样，备用试样用于进行表面硬度试验和金相试验。

在一些实施例中，通过3D打印技术打印应急柴油机冷却水管道，由于应急柴油机冷却水管道的特殊结构，在3D打印的过程中，需要分段进行管道的打印，例如，首先在基板上进行CB段的打印，然后在基板的另一侧进行DE段的打印，接着再在DE段的基础上继续打印F段，最后在CB段的基础上打印A段；故打印过程中存在在冷却的管段或者基板上进行堆焊的过程，例如，在基板上进行CB段和DE段打印的过程，以及在CB段的基础上打印A段，其中基板以及CB段均为冷却的管段，因此板状工艺试件以及管状工艺试件均与实际打印环境类似，即在两块冷却的板状试件之间堆焊形成板状工艺试件，从而可以有效的验证熔融的金属焊丝的与冷金属板或管的融合问题，故本实施例的冲击试验也包括焊缝区的冲击试验和热影响区冲击试验，即通过焊缝区和热影响区全面检测出分段打印对打印后的管段韧性的影响。

在一些实施例中，为考虑不同焊接方向的控形要求，步骤S20中，所述管状工艺试件包括沿竖直方向焊接的两段管段和沿水平方向焊接的两段管段，竖直方向焊接用于模拟在管径不变的情况下的焊接过程，水平方向焊接用于模拟由于管径增大，焊接时有一部分悬空时的焊接过程。

在一些实施例中，步骤S40中，所述分层液体渗透检测方法的具体步骤为：每打印三层管路进行一次液体渗透检测，其中进行液体渗透检测时，层间温度的范围为10℃-50℃。

具体的，实际打印每层厚约1.5mm，每打印3层即约4-5mm时，进行一次液体渗透检测，正常情况下每打印一层需清理一次打印层表面的氧化皮等杂质，如打磨清理后肉眼看到缺陷应及时处理，但在第一层基础上再打印第二层时由于频繁的电弧起弧收弧，以及熔化金属铺展与层道间的熔合状态等有可能还会产生其他缺陷，因此采取每三层进行一次液体渗透检测可以达到效率、经济性和缺陷检出的平衡。且可确保零部件打印过程中每层缺陷的及时清除，解决了零件打印完成后层内缺陷无法有效检测的不足，可保证整个零部件的缺陷。

在一些实施例中，步骤S40中，不合格的应急柴油机冷却水管道包括：线性缺陷显示、大于4mm的非线性缺陷显示、相邻两个缺陷的边缘间距小于3mm且3个或3个以上排在一条直线的缺陷显示，以及最大边长不超过20cm且面积为100cm²的矩形区域中存在5个或5个以上的密集显示，其中异型管道上具有任意一种或多种缺陷显示均为不合格的异型管道。若检查中出现不可接受的缺陷，首先确认缺陷的类型，查找缺陷产生原因，如缺陷产生与焊丝的质量控制、打印工艺参数等因素，则需要进一步优化调整工艺参数，确保此类缺陷不再出现，并对于层内缺陷，通过机械磨平的方式及时打磨清除。

在一些实施例中，在步骤S40中，分段射线检测方法的具体步骤为：根据异型管道上各段的壁厚以及结构将管段分为多段，然后分别对各段异型管道进行射线检测。参阅图3，例如管段C和管段D的结构相同，在打印的过程中，可以先打印管段C，对管段C进行射线检测；然后在管段C的基础上打印管段D,对管段CD进行射线检测，将管段CD的成影像与管段C进行对比，即可得出管段D的缺陷情况；在管段CD的基础上打印打印管段E，然后对管段CDE进行射线检测，将管段CDE的成影像与管段CD进行对比，即可得出管段E的缺陷情况；在管段CDE的基础上打印打印管段B，然后对管段BCDE进行射线检测，将管段BCDE的成影像与管段CDE进行对比，即可得出管段B的缺陷情况；其中A、F段位正常管段可根据一般的射线检测方法进行检测；需要说明的是，上述的分段方法仅为其中一个实例，这里对管段的具体分段数量以及分段位置不限定，此外，当分段射线检测方法检测出内部缺陷时，将该段异型管道标记为异常管段，等待回收处理。

在一些实施例中，在步骤S50中，所述应用鉴定评估试验包括：水压强度评估、耐腐蚀性评估、异种材料接触稳定性评估、振动状态影响评估、涂装性能评估以及抗震评估。

其中，水压强度评估即对打印完成的应急柴油发电机冷却水管道进行水压试验，确保电弧增材制备的部件满足正常工况下的水压承载要求，水压试验压力至少为：7.5bar，保压时间至少30min，试验过程中不应出现压力下降或渗漏，不应出现永久变形；

由于应急柴油发电机冷却水管道改用ER50-6碳钢焊丝，考虑到与其装配接触的部件，应对打印完成的应急柴油发电机冷却水管道材料和与其连接的球墨铸铁材料的电偶腐蚀性进行研究，避免长期服役过程中发生接触电偶腐蚀导致的管道泄漏或失效；

生锈对比试验，即将打印完成的应急柴油发电机冷却水管道与原始应急柴油发电机冷却水管道在实验液中浸没48小时，不经烘干，将两类管道放置在空气中至少24小时，然后进行外观状态对比评估；

柴油机属于多缸往复式动力机械，运行时本体振动较大，尤其是异常振动的出现可能会导致与其连接的冷却水管段的振动幅度过大，进而出现管段泄漏或断裂的失效形式，因此，需对打印完成的冷却水管道进行振动应力测试，如考虑持续载荷、持续载荷+热膨胀载荷、持续载荷+偶然载荷三种工况下的应力水平，确保打印完成后的管道满足柴油机运行振动工况。

根据应急柴油机涂装总要求，对冷却水管道进行涂装性能的验证，确保可涂漆膜厚度，具体过程为：首先将冷却水管道表面进行喷射处理，然后进行涂装，再通过拉开法进行漆膜附着力测试，附着力应至少大于2.0MPa。

应急柴油机属于抗震类设备，对打印完成的冷却水管道需要进行抗震鉴定，通过抗震软件进行抗震计算，完成冷却水管段的抗震评估验证。

需要说明的是，本发明不限于应急柴油发电机冷却水管道的打印，还可以是其它用途的异型管道的打印，例如，各种压力管道、介质管道、异型管接头等，通过在管道制备之前，进行工艺评定；在管道制备的过程中，进行缺陷检测；在管道制备完成后，进行应用评估，从而得到合格的异型管道，通过本方法可实现各种异型管道的3D打印。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。