用于检查材料中的大致圆形孔的方法与流程

本发明总体上涉及部件的检查。更具体地，本发明涉及使用基于涡流或基于超声波的探针来检查大致圆形孔的方法。

背景技术：

诸如燃气涡轮机(gas turbines)等工业机器具有许多零件，这些零件中有孔，这些孔需要使用涡流(eddy currents)或超声(ultrasound)进行检查(inspection)。例如，燃气涡轮机零件中的螺栓孔(bolt hole)可能需要进行这种检查来识别裂纹(cracks)等。使用涡流和超声波检查方法的一个挑战是它们需要对检查探针进行非常精确的操控(precise manipulation)。对较大直径(例如，超过2.5厘米)的内径表面执行检查使得探针操控变得非常困难。另一个挑战是采用单个传感器的探针由于适当的检查覆盖(coverage)要求而一定需要很长的检查时间。另外，单个传感器探针需要复杂的操控来确保充分的检查覆盖。

技术实现要素：

各个方面包括检查材料中的大致圆形孔(substantially round hole)的方法。本发明的第一方面提供了一种方法，该方法包括：将探针轴向地(axially)馈送(feeding)至大致圆形孔中直至探针完全通过大致圆形孔为止，同时探针被激活(activated)；在将探针完全馈送通过大致圆形孔之后，使探针围绕大致圆形孔的主轴(primary axis)旋转至少九十度；在使探针旋转至少九十度之后并在探针被激活的同时，将探针从大致上圆形孔中轴向地移除；以及将由将探针轴向地馈送至大致圆形孔中并从大致圆形孔中轴向地移除探针得到的关于孔的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译(compiling)。所述探针包括柔性片(flexible sheet)以及设置在所述柔性片上的多个传感器，所述柔性片被塑形并被偏置成大致上与所述大致圆形孔的内部的一部分相符合(conform with)，每个传感器配置成将无损信号(non-destructive signal)传送至所述材料中用于检查所述大致圆形孔。

所述的方法进一步包括在将所述探针轴向地馈送至所述大致圆形孔中之前校准(calibrating)所述探针。

其中，所述校准包括：将所述探针放置在校准样品(calibration sample)中，所述校准样品复制(replicates)所述大致圆形孔的形状；从所述探针发起(initiating)进入所述校准样品中的所述无损信号；将关于所述校准样品的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译；以及响应于涡流数据或超声数据中的所述至少一个偏离(deviating from)所述校准样品的预期涡流或预期超声响应(expected eddy current or ultrasound response)而调整所述无损信号。

其中，所述校准包括：将所述探针放置在平板(flat plate)附近；从所述探针发起进入所述平板中的所述无损信号；将关于所述平板的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译；以及响应于涡流数据或超声数据中的所述至少一个偏离所述平板的预期涡流或预期超声响应而调整所述无损信号。

其中，所述探针进一步包括与所述柔性片耦接的探针支架(probe support)，所述方法进一步包括：将所述探针支架安装在所述大致圆形孔附近的所述材料上。

其中，所述大致圆形孔是所述材料中的螺栓孔或钻孔(borehole)。

其中，所述无损信号包括涡流信号和超声信号中的一个。

其中，所述探针中的所述多个传感器沿着某条线在所述柔性片上延伸。

本发明的第二方面提供了一种方法，该方法包括：将探针安装在该大致圆形孔附近的材料上，该探针包括：柔性片，其被塑形并被偏置成大致上与该大致圆形孔的内部的一部分相符合；设置在该柔性片上的多个传感器，每个传感器用于将无损信号传送至该材料中用于检查该大致圆形孔；以及与该柔性片耦接的探针底座(probe mount)，该探针底座用于安装在该材料上；激活该探针；在将该柔性片插入至该大致圆形孔中并激活该探针之后，使该柔性片围绕该大致圆形孔的主轴旋转至少三百六十度；从该大致圆形孔中移除该柔性片；以及将来自于该柔性片在该大致圆形孔内的旋转期间收集的涡流数据或超声数据中的至少一个的关于该孔的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译。

所述的方法进一步包括在将所述探针安装在所述大致圆形孔附近的所述材料上之前校准所述探针。

其中，所述校准包括：将所述探针放置在平板附近；从所述探针发起进入所述平板中的所述无损信号；将关于所述平板的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译；以及响应于涡流数据或超声数据中的所述至少一个偏离所述平板的预期涡流或预期超声响应而调整所述无损信号。

其中，所述大致圆形孔包括所述材料中的钻孔。

其中，所述无损信号包括涡流信号和超声信号中的一个。

其中，所述探针中的所述多个传感器沿着某条线在所述柔性片上延伸。

其中，所述旋转包括使所述柔性片围绕所述大致圆形孔的所述主轴旋转至少三百七十度。

其中，安装所述探针包括将所述探针插入至所述大致圆形孔中。

本发明的说明性方面设计成用于解决本发明中所述的问题和/或未讨论的其它问题。

附图说明

从以下结合附图对本发明各方面进行的详细描述中可更容易理解本发明的这些和其它特征，附图描绘了本发明的各种实施例，其中：

图1示出了根据本发明的一个方面的用于大致圆形孔的检查系统的探针的透视图。

图2示出了图1的探针上的引导构件的放大平面图。

图3示出了图1的处于操作中的探针的透视图。

图4示出了根据本发明的另一个方面的用于大致圆形孔的检查系统的探针的示意横截面视图。

图5示出了根据本发明的方面的图1的探针的轴承板的侧视图。

图6示出了根据本发明的方面的图4的探针的传感器安装表面的平面图。

图7示出了根据本发明的方面的图4的探针的传感器安装表面的侧视图。

图8示出了说明根据本发明的各个方面的过程的流程图。

图9至12说明了图1的探针在执行根据图8的流程图的过程时的透视图。

图13示出了说明根据本发明的各个方面的过程的流程图。

图14示出了执行根据图13的流程图的过程的图4的探针的轴承板的侧视图。

图15示出了执行根据图13的流程图的校准过程的图4的探针的传感器安装表面的平面图。

应注意，本发明的附图无需按比例绘制。附图仅旨在描绘本发明的典型方面，因此不视作限制本发明的范围。在附图中，相同编号表示附图间的相同元件。

具体实施方式

如上所述，本发明提供了用于大致圆形孔(例如，如涡轮机部件中的螺栓孔或钻孔)的检查方法的探针。

参考图1至3，在一个实施例中，说明了用于材料中的大致圆形孔的检查系统102的探针100。检查系统102可包括任何现在已知或后续开发的涡流或超声检查系统，其能够与根据本发明的探针可操作地耦接(operatively coupling with)。如所理解的，检查系统102包括控制系统，其用于通过探针(诸如，图1至3中的探针100或图4至6中的探针200)传送涡流或超声信号，接收返回信号并分析返回信号，使得可对在其上传送信号的材料的结构进行分析和/或成像。此类检查系统102尤其能够识别材料中的瑕疵(flaws)，诸如裂纹或其它缺陷(other imperfections)。

如本发明中所使用，“大致圆形孔”是指材料(例如，钢、铝或其它金属或其合金)中的孔，其具有包括倒圆(rounded)、椭圆形(oval)、圆形(circular)或接近圆形(near circular)的横截面(cross-section)的至少一部分。在一个示例中，孔可为螺纹开口，诸如燃气涡轮机的一个零件中的螺栓孔。在另一个示例中，孔可为燃气涡轮机的一个零件中的钻孔(例如，无螺纹开口(unthreaded opening))。对于本领域技术人员来说，各种替代示例将是显而易见的。

参考图1，探针100可包括柔性片110，其被塑形并被偏置成大致上与材料118中的大致圆形孔116的内部114的一部分112相符合。在一个实施例中，柔性片110可包括聚苯乙烯衬底(polystyrene substrate)；然而，也可采用各种其它柔性片材料，诸如但不限于聚四氟乙烯(PTFE)和乙烯基。多个传感器122可设置在柔性片110上，使得每个传感器122可将无损信号传送至材料118中用于检查大致圆形孔(即，通过检查系统102分析由传感器122接收的返回信号来检查大致圆形孔)。在各种实施例中，如图1中所示，一对柔性片110可对称地放置在孔116内。如本发明中所述，无损信号可包括涡流信号和超声信号中的一个。每个传感器122可基于所使用的信号的类型而采用任何适当的形式，例如，用于涡流的线圈的任何组合，或用于超声信号的传送和接收的超声换能器(ultrasound transducer)。在一个实施例中，如图1中所示，多个传感器122可沿着线124在柔性片110上延伸，并且沿着每个柔性片110的大致整个长度延伸。以此方式，当探针100进入或离开孔116时，其正评估孔的至少一半，例如，圆孔的至少180°。虽然已经说明了线性布置，但是取决于部分112的形状可提供其它布置。例如，可采用两行传感器、正弦线、传感器阵列等。

柔性片110最初可(例如，通过具有特定的长度和曲率半径)被塑形成大致上与部分112相符合。例如，聚苯乙烯衬底可具有用于大致上与大致圆形孔116的内部114的部分112的形状相符合。例如，如果孔116的直径为1.2厘米，那么每个柔性片110的曲率半径(孔116的半径)可为0.6cm和长度大约1.9cm(刚好超过孔116的圆周的一半)。另外，如图2中所示，每个柔性片110可在尺寸上适于进入大致圆形孔116的端部的第一压缩位置(110C，图2中的虚线)和尺寸上大致上与大致圆形孔116的内部114的部分112相符合的第二膨胀位置(110E，图2中的实线)的之间是柔性的。以此方式，探针100可容易地插入孔116中，而不会在第一压缩位置中进行大量的操控，然后允许膨胀至第二膨胀位置进行使用。在一个示例中，如图1中所示，部分112可被塑形成接合大致圆形孔116的内部114的大致半圆形部分，且每个柔性片110的尺寸可大致上与大致圆形孔的内部的大致半圆形部分相符合。替代地，如图2中所示，部分112可比大致半圆形更呈圆弧形(arcuate)，其中孔116不是精确的圆形。

如图1和2中所示，探针100还可包括探针支架130(仅图2)，其耦接至柔性片110用于相对于大致圆形孔116支撑柔性片。手柄(handle)132可耦接至探针支架130用于控制探针的位置。探针支架130和手柄132可由具有足够强度的任何材料(例如，金属或硬塑料)制成，以操控对应的柔性片110的位置。探针支架130可以任何现在已知或后续开发的方式(例如，机械紧固件，诸如螺钉、粘合剂等)耦接至对应的柔性片110。探针支架130和手柄132可以类似方式耦接或可制成为单件式结构。

如图1中所说明，将检查系统102耦接至传感器120可能需要的任何布线152可沿着手柄132放置或放置在手柄内和/或沿着探针支架130放置或放置在探针支架130内。可采用任何现在已知或后续开发的过渡密封件、相对于开口(例如，在手柄内)保护布线所必要的硬件，或可移动部分。

在操作中，如图2和3中所示，探针100将允许通过将包含传感器120的探针馈送至大致圆形孔(或简称为孔)116孔中来检查该孔。当探针100被引导至孔116中时，传感器传送/接收适当的信号至约一半的孔(例如，大约180°)中，导致检查约一半的孔。一旦探针100在一个方向上馈送，探针100可旋转大约180°并被拉回(pulled back)穿过孔，导致检查剩余一半的孔。在插入和缩回(retraction)期间，每个柔性片110与孔116的内部114的部分112维持良好的一致性或相符合性，从而为检查系统102提供良好质量的涡流或超声数据。

转向图4至6，说明了用于材料118中的大致圆形孔116的检查系统102的探针200的另一个实施例。在此实施例中，探针200可包括细长的传感器支架210。细长的传感器支架210充分伸长以确保传感器完全覆盖孔116的长度，即，能够评估孔116的所有相关部分。轴承板(bearing plate)或探针底座212用于将细长的传感器支架210可旋转地支撑在大致圆形孔116中的位置中。如所说明，轴承板212放置细长的传感器支架210，使得其居中于孔116中；然而，这在所有情况下均不是必需的，例如，对于长的倒圆孔。在任何情况下，轴承板212均可包括底座表面(mount surface)214，其用于与大致圆形孔116的端部216配合以放置细长的传感器支架210。底座表面214可被塑形成匹配端部216，使得轴承板212适当地放置传感器支架210，并且可在端部216中转动，其中端部216和底座表面214大致上是同心的。如图5中所示，轴承板212还可包括穿过其中的至少一个通道218，以允许布线耦接至传感器220(图6和7)(如果需要)，允许观察孔116的内部等。虽然说明了四个通道，但是可使用任何数量的通道。虽然底座表面214在图5中被说明成大致圆形的构件，但是底座表面214不必是连续的，因为可采用轴承板212上的周向空间构件。

细长的传感器支架210通过轴承222可旋转地耦接至轴承板212，该轴承可将细长的传感器支架210的旋转限制为刚好大于360°(例如，362°、365°、370°等)，其目的将在本发明中进行描述。“刚好大于360°”可为接近360°的任何量，确保在没有大量重叠的情况下对孔的全部进行评估。轴承222可以任何已知方式限制细长的传感器支架210的旋转，例如，轴承222上、中或附近和/或支架210上、中或附近的旋转止动件。另外，起始位置可设置有轴承222或与其键合，以确保所有测量均从相同的位置开始。支架210、轴承板212和轴承222可由具有足够强度的任何材料(例如，金属或硬塑料)制成以支撑传感器220。

图6示出了根据本发明的实施例的图4的探针200的传感器安装表面(sensor mount surface)230的平面图，且图7展示该传感器安装表面230的侧视图。如所说明，传感器安装表面230可被塑形成大致上与大致圆形孔116(图4)的内部114(图4)的部分112(图4)相符合。如本发明中所述，部分112可包括大致圆形孔116的内部114的大致半圆形部分，且传感器安装表面的尺寸大致上与大致圆形孔的内部的大致半圆形部分的至少一些部分相符合。因此，在一个实施例中，传感器安装表面230可具有固定的曲率以适应最小孔116，即，可施加探针200(图4)的部分112。在此情况下，传感器安装表面230可由诸如金属或硬塑料等刚性材料232制成。在另一个实施例中，探针的底座表面214可包括柔性片234，其被塑形并偏置成大致上与大致圆形孔116的内部114的一部分112相符合。柔性片234可为与本发明中所述的柔性片110相同的材料(例如，聚苯乙烯衬底)。与柔性片110一样，柔性片234在压缩状态与膨胀状态之间可为柔性的。柔性片234连同细长的传感器支架210各自具有一定长度以确保完整测量孔116的长度，并且可改变长度以适应不同长度的孔。

如图6的平面图部分中所示，多个传感器220可设置在传感器安装表面230上。每个传感器220可用于将无损信号传送至材料中用于检查大致圆形孔116(图4)。如本发明中所述，无损信号可包括涡流信号或超声信号。另外，多个传感器220可以各种各样的布置(例如平行线、正弦、阵列等)而布置在传感器安装表面230上，以适应不同的孔116。在所说明的实施例中，例如，传感器220沿着纵向轴线在传感器安装表面230上延伸，并且可沿着传感器安装表面230的大致整个长度延伸。在一个实施例中，传感器安装表面230可包括(如图7的侧视图中所示)沿着其纵向轴线的通道236。多个传感器220可设置在通道236内，以在需要保护的情况下(诸如在孔116具有粗糙表面内部的情况下)保护传感器220。

返回至图4，探针200还可包括偏置元件(biasingelement)250，其耦接传感器安装表面230和细长的传感器支架210。偏置元件250将传感器安装表面230偏置成大致上与大致圆形孔116的内部114的部分112相符合。在所示的示例中，偏置元件250包括沿着传感器安装表面230的长度分布的多个气动柱塞(pneumatic rams)252。虽然示出了三个柱塞252，但是可采用任何数量来充分地偏置传感器安装表面230。另外，虽然说明了气动柱塞，但是偏置元件可采用现在已知或后续开发的任何形式的偏置系统，诸如但不限于弹簧、液压柱塞等。偏置元件250的尺寸和/或位置可改变以适应不同尺寸的孔116。偏置元件250(例如，柱塞252)可使用任何现在已知的或后续开发的解决方案(例如，机械紧固件，诸如铰链、枢转接头、螺丝等；焊接；粘合剂；等)耦接至传感器支架210和传感器安装表面230。另外，虽然偏置元件250被说明为具有相对于传感器安装表面230以线性方式布置的柱塞252，但是柱塞或其它偏置元件可沿着圆弧传感器安装表面230周向地移位，以便跨该表面的圆周来分布偏置。另外，虽然在每个轴向位置处仅示出了一个柱塞，但是也可在沿着支架210的每个轴向位置处采用一个或多个柱塞或其它偏置元件。

在操作中，如图4中所示，探针200将允许检查孔116。一旦探针200被放置在孔116中，偏置元件250可例如通过向柱塞252施加气动压力来激活，以确保传感器安装表面234充分地接触或足够接近部分112以使传感器220进行操作。此时，检查系统102可激活传感器220，且传感器支架210可旋转以通过传感器支架210刚好旋转大于360度(例如，361°、364°、369°等)来将整个孔116暴露于传感器220。以此方式，孔116的完整检查可用偏置元件250完成，该偏置元件维持与孔116的内部114的部分112良好的一致性，从而为检查系统102提供良好质量的涡流或超声数据。

任一个实施例提供了用于延长其中具有孔116的工业零件(例如，燃气涡轮机部件)的使用寿命的信息。

图8示出了说明根据本发明的各个实施例的方法中的过程的流程图。这些过程是连同图1至3中的探针100的示意描绘和图9至12中的对应描绘一起进行说明的。在各个实施例中，图8的流程图中的过程包括：

过程P1：将探针100轴向地馈送至大致圆形孔116中，直至探针100完全通过大致圆形孔116为止(图3；图9)，同时探针100被激活。在一些情况下，此过程可包括经由检查系统102激活探针100以传送无损信号(例如，涡流或超声信号)以及手动地(例如，用手、经由与手柄132耦接的工具或其它保持器)将探针100轴向地(沿着大致圆形孔116的主轴A)馈送至孔116中，直至柔性片110完全进入孔116为止。

过程P2：在将探针110完全馈送通过大致圆形孔116之后，使探针100围绕大致圆形孔116的主轴(A)旋转至少九十度(图10)。这可包括用手、工具或其它旋转保持器手柄132旋转，直至探针100已经围绕主轴(A)移动至少四分之一转为止。如本发明中所述，这个旋转量允许探针100对准(target)大致圆形孔116的整个内表面，而不需要过度旋转。应理解，探针100在这个旋转过程期间保持活动。

过程P3：在将探针110旋转至少九十度之后并在激活时，将探针100从大致圆形孔116中轴向地移除(图11)。这个过程可包括将探针100从大致圆形孔116轴向地(沿着轴A)拉动或以其它方式移位，并同时保持探针100活动的(active)(经由检查系统102)。

过程P4：(在检查系统102处)将通过将探针100轴向地馈送至大致圆形孔116中并从大致圆形孔116中轴向地移除探针100得到的关于孔116的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译。这个过程可包括排列来自插入、旋转和移除过程(过程P1至P3)得到的关于孔116的涡流数据或超声数据，以根据涡流或超声响应来形成对大致圆形孔116的完整描绘。

在一些实施例中，在过程P1之前，初步过程P0A可包括在将探针100轴向地馈送至大致圆形孔116中之前校准探针100。即，如图12的示意描绘中所示，校准过程可包括将探针100放置在校准样品300内，该校准样品300复制大致圆形孔116的形状。在各种实施例中，校准样品300包括孔隙(aperture)302，或形成孔隙302，孔隙302具有与大致圆形孔116大约(+/-3％)相同的尺寸和/或形状。校准样品300可由与材料118类似的材料形成。在一些情况下，校准探针100可包括将探针100放置在校准样品300内(如图12中所示)、使用检查系统102发起无损信号、在检查系统102处将关于校准样品300的涡流数据和/或超声数据进行编译，以及响应于涡流数据或超声数据偏离校准样品300的预期响应(例如，涡流或超声响应，这取决于信号类型)而调整无损信号。校准样品300的预期响应可作为校准数据存储在检查系统102处，并且可包括关于不同材料(包括形成校准样品300的材料)的涡流和/或超声响应的经验数据或基于模型的数据。

在各种实施例中，过程P0至P4以及探针100的使用对于检查部件中的螺栓孔可能是特别有利的。即，在一些情况下，当大致圆形孔116是螺栓孔(例如，具有内螺纹壁的孔)时，探针100可用于检查该孔116。

图13示出了说明根据本发明的各个实施例的方法中的过程的流程图。这些过程是连同图4至7中的探针200的示意描绘以及图14和15中的对应描绘一起进行说明的。在各个实施例中，图13的流程图中的过程包括：

过程P101：将探针200安装在大致圆形孔116附近的材料118上。在各种实施例中，这个过程可包括将轴承板212与大致圆形孔116的端部216配合，以将探针200与材料118耦接，如本发明中关于图4所述。探针200可包括配合表面230，配合表面230可包括柔性片234。

过程P102：使用检查系统102如本发明中所讨论般激活探针200，以当探针200在孔116内部时传送无损信号(例如，涡流或超声信号)。

过程P103：在激活探针200之后使探针200围绕大致圆形孔116的主轴(A)旋转至少三百六十(360)度。图14说明了探针(参考传感器支架210)围绕孔116的主轴(A)的旋转。这可包括用手、工具或其它保持器旋转传感器支架210，直至探针200已经至少完全围绕主轴(A)移动为止。如本发明中所述，这个旋转量允许探针200对准大致圆形孔116的整个内表面，而不需要过度旋转。应理解，探针200在这个旋转过程期间保持活动。在一些情况下，探针200可围绕主轴(A)旋转大约三百七十(370)度，以确保检查系统102具有关于孔116的整个内圆周的数据，其中涡流或超声数据的重叠最小。

过程P104：在将探针200旋转至少三百六十度之后，从大致圆形孔116中轴向地移除探针200。这个过程可包括将探针200从大致圆形孔116轴向地(沿着轴A)拉动或以其它方式移位。

过程P105：(在检查系统102处)将通过探针200围绕大致圆形孔116内的轴A的旋转得到的关于孔116的涡流数据或超声数据中的至少一个进行编译。这个过程可包括排列通过旋转得到的关于孔116的涡流数据或超声数据，以根据涡流或超声响应来形成对大致圆形孔116的完整描绘。应理解，过程P105可在过程P104之前或与过程P104同时执行。

在一些实施例中，在过程P101之前，初步过程P100可包括在将探针200安装在大致圆形孔116附近之前校准探针200。即，如图15的示意描绘中所示，校准过程可包括将探针200放置在平板400附近，该平板可由金属或复合材料形成。在一些情况下，平板400是由与材料118类似的材料形成。在一些情况下，校准探针200可包括将探针200放置在平板400(图15中所示)附近(例如，在探测范围内，诸如大约一(1)毫米至大约几毫米)，使用检查系统102发起无损信号(图4)，在检查系统102处将关于平板400的涡流数据和/或超声数据进行编译，以及响应于涡流数据或超声数据偏离平板400的预期响应(涡流或超声响应，这取决于信号类型)而调整无损信号。平板400的预期响应可作为校准数据存储在检查系统102处，并且可包括关于不同材料(包括形成平板400的材料)的涡流和/或超声响应的经验数据或基于模型的数据。

在各种实施例中，过程P100至P105以及探针200的使用对于检查部件中的钻孔可能是特别有利的。即，在一些情况下，当大致圆形孔116是钻孔(例如，没有内螺纹壁的孔)时，探针200可用于检查该孔116。

本发明中所使用的术语仅是为了描述特定实施例，并且不旨在限制本发明。如本发明中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a、an)”和“该”旨在还包括复数形式。应进一步理解，说明书中所用的术语“包括”和/或“包含”指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

随附权利要求书中所有方法和步骤及功能元件的对应结构、材料、作用和等效物旨在包括用于结合特别主张的其它权利要求元件执行该功能的任何结构、材料或作用。本发明的描述已经为了说明及描述目的而提出，但是不旨在详尽或限于所揭示形式的揭示内容。在不脱离本发明范围和精神的前提下，本领域普通技术人员可显而易见地做出许多修改和变化。所选和所述的实施例用于最好地解释本发明的原理及实践应用，同时让本领域普通技术人员了解多个实施例，这些实施例可针对特定的目标用途做出各种修改。