CN1525164A - 内部涡流探伤检查 - Google Patents

Abstract

一种涡流探伤检查装置(10)，包括用于样品(12)的固定器(16)，用于涡流探针(20)的固定器，以及可操作地连接在固定器上的涡流测量仪器(32)。探针固定器(22)包括用于沿第一和第二轴线移动探针(20)的支架(24，26)。探针固定器(22)可选择性地移动，以便使探针(20)对准样品(12)中的内部通道(14)，从而沿通道滑动以进行涡流探伤检查。

Description

内部涡流探伤检查

技术领域

本发明大体上涉及非破坏性检验，更具体地涉及制出部件的涡流探伤检查。

背景技术

燃气涡轮发动机包括转轴和轮盘，其支撑了风扇、压缩机、高压涡轮和低压涡轮中的旋转叶片。用于在飞行中为飞行器提供动力的商用和军用涡轮发动机要求重量最轻，同时还要保证发动机部件具有适当的使用寿命。

旋转部件在工作期间承受到会产生相应应力的相当大的离心负载，为了提高部件的寿命，必须限制这种应力。在现代的飞行器涡轮发动机中普遍采用各种形式的超合金材料，以便保证部件在其使用寿命内的完整性。

然而在发动机部件的初始制造过程中，在材料中可能存在着缺陷、裂纹或其它异常，或者在其使用寿命期间会发生这种缺陷、裂纹或其它异常。因此，在制造工艺过程中和在例行检修停机过程中通常要检查发动机部件，以便发现其中存在的可能会限制部件的使用寿命的任何异常。

一种常用的非破坏性检查技术是金属部件的涡流(EC)探伤检查。EC探针包括安装在其针尖附近的小型电线圈，通过线圈产生交流电，该交流电又在部件中产生涡流。针尖沿着受检部件的表面运动，并用来测量电磁场和部件之间的相互作用。

材料中会改变其均匀性的缺陷或几何形状方面的异常会干扰涡流。被干扰的涡流会改变探针线圈中的激励电流，这样就可适当地检测到被改变的电流，并将其与材料的特定属性相关联以指示出相应的异常。例如，涡流探伤检查通常用于测量典型金属部件中的残余应力、密度以及热处理的程度。它还常用于检测材料表面上或表面附近的物理缺陷或异常，例如材料中的凹痕、凸块或微小裂纹。

裂纹检测在涡轮发动机的部件中尤其重要，这是因为裂纹会在应力下扩散并显著地降低部件的使用寿命，而且如果不进行适当调节的话则可能最终导致部件失效。

典型涡流探针中的电线圈是比较小的，例如直径约为0.5毫米，以保证能够检测到材料中非常小的裂纹或缺陷的高灵敏度。相应地，这种小线圈对于检查装置的工作环境是非常灵敏的。例如，探针必须与受检部件或样品保持接触，之间没有任何间隙，否则将导致错误的读数。

为了提高涡流探伤检查的性能，必须将线圈定位成与样品的表面大致正交或垂直。而且，探针和样品之间的接触压力必须在探针沿着样品滑动时保持基本上恒定，以便保证涡流信号的完整性并防止探针从样品上脱离，这种情况会使信号中断。

虽然可以用手移动探针来手动地进行涡流探伤检查，然而为了保证精确的检查并降低对各种部件中的多个特征的重复性检查的成本，希望使用探针的自动运动。自动的涡流探伤检查通常包括用于样品的固定器和用于探针的另一固定器，探针安装成可相对于样品运动。

探针固定器通常包括允许操作人员手动地推动安装好的探针以引导探针靠在样品上的滑动的平移支架。然而，典型的涡流探伤检查装置特别地构造用于检查样品的外表面，而外表面中的通道的任何内部空腔通常是利用光学孔径仪来目测检查。内部通道中的细小或微小的裂纹很难通过目测来检测，这样就显著地降低了样品的使用寿命。

例如，第一级涡轮转子叶片包括中空的翼型，其通过几个穿过支撑燕尾槽向下延伸的入口通道来供给冷却剂。燕尾槽包括相应的凸角(lobe)，其具有带接触面的蛇形轮廓，该接触面可将所述相当大的离心负载传送到涡轮转子轮盘周边中的支撑燕尾槽的支柱上。利用传统的涡流测量仪器可以容易地检查燕尾槽凸角的外表面，然而燕尾槽中的内部通道相对较小并有效地隐藏了其表面，因而无法容易地接触到。

因此，需要提供一种用于样品中的这种内部通道的涡流探伤检查，尽管在进入到通道中存在着限制，其仍能保证精度和可重复性。

发明内容

涡流探伤检查装置包括用于样品的固定器、用于涡流探针的固定器，以及可操作地连接在固定器上的涡流测量仪器。探针固定器包括用于沿第一和第二轴线移动探针的支架。探针固定器可选择性地移动，以便使探针对准样品中的内部通道，从而沿通道滑动以进行涡流探伤检查。

附图说明

在结合附图所作的下述详细描述中更加具体地介绍了根据优选和代表性实施例的本发明及其其它的目的和优点，其中：

图1是根据一个代表性实施例的涡流探伤检查装置，其包括可相对运动的用于样品和涡流探针的固定器。

图2是图1所示装置沿线2-2的局部侧剖视图，并带有用于校准该装置并安装样品以进行涡流探伤检查的相应流程说明。

图3是校准图1和2所示装置并对样品中的内部通道进行涡流探伤检查的代表性方法的流程图。

各幅图中的各标号的含义如下：10涡流探伤检查装置；12样品(涡轮叶片)；14内部通道；16样品固定器；18安装台；20 EC探针；22探针固定器；24上支架；26下支架；28分度销；30分度导轨；32 EC测量仪器；34校准块；36承接面；38夹头(孔)；40指旋螺钉；42针杆；44针尖；46线圈；48夹紧棒；50下支座；52上支座；54手柄；56检查部位。

具体实施方式

在图1中显示了专门构造用于对样品12进行涡流探伤检查的涡流探伤检查装置10，样品12具有一个或多个可接触到的内部通路或通道14。样品可具有能接受涡流探伤检查的任何构造和材料成分。例如，所示的代表性样品是用于飞行器燃气涡轮发动机的第一级涡轮转子叶片。

叶片样品12包括带有多排薄膜冷却孔的中空翼型，这些冷却孔用于在工作期间排放冷却空气。翼型在常规铸造中整体地形成，在其根部端具有传统的多凸角式燕尾槽，三个代表性的内部通道14穿过燕尾槽并延伸到翼型中，以便在工作期间为翼型提供冷却剂。

如上所述，在温度较高的涡轮机热燃气环境下的工作期间，涡轮的转子部件如代表性的叶片样品受到显著的离心负载，并且应该没有任何会显著缩短其在工作期间的寿命的缺陷。在一种情形下，在周期性的检修停机时会将涡轮叶片从工作发动机中拆下来，并检测可能会缩短其剩余使用寿命的破坏或裂纹。可利用任何传统的技术来检查叶片的外表面，这些技术例如包括以传统方式进行的涡流探伤检查。

然而，叶片的内部通道14不适于传统的涡流探伤检查，因此通常利用光学孔径仪来目测检查，以便在燕尾槽底端的通道入口处和沿其至翼型的路径上检查内部通道的表面。

图1所示的探伤检查装置10是针对三个代表性内部通道14中的任何一个或多个通道进行涡流探伤检查而特别构造的，通道14可将冷却剂穿过燕尾槽而供给到翼型中。

该装置包括样品固定器16形式的装置，其用于将叶片样品固定地安装就位，例如安装在普通的安装架或安装台18上。涡流(EC)探针20被特别构造成可进入到相应内部通道14的进入程度受限的空间内，以便对其进行涡流探伤检查。形式为探针固定器22的装置设置用于以面对样品通道的悬臂式结构来安装探针，以使其可在各通道内相对运动。

探针固定器又安装在上、下支架24，26上，并在安装台18上方受到支撑，用于使探针20沿着相互正交的第一和第二轴线X，Y相对于已安装的样品12移动。

图1所示的上支架24可具有任何传统的结构，例如适当地安装在探针固定器22的下方以使其可沿第二轴线Y滑动移动的直线式滑座。类似的，下支架26可采用两个间隔开的直线式滑座的形式，它们设置成与上支架正交或垂直，并可与上支架适当地固定式相连。

这样，两个支架24，26依次将探针固定器22支撑在安装台18的上方，并使其具有可在公共XY平面中沿X和Y轴线相对于样品12平移的两个自由度。样品最好水平地安装在样品固定器中，而三个代表性通道14排列在公共XY平面中的与EC探针20大致对齐的安装台上方的适当高度处。

还设置了代表性形式为协同操作的分度销28和分度导轨30的附加装置，用于沿着第一轴线X精确地分度或移动探针，以便使探针与样品中受检的特定内部通道14对准。

如图1所示，分度销28从探针固定器22的前端垂直向下地延伸，并且通过例如螺纹的方式固定在其上。相应地，分度导轨30直接安装在销28的下方，并适当地连接到安装台18上。导轨设置成靠近下支架26，以便引导分度销与相应的样品通道14对齐。

在图1所示的代表性实施例中，样品包括三个需要进行涡流探伤检查的内部通道14，因此分度导轨30包括三个相应的用于依次容纳分度销28的平行支路或凹槽。导轨的各支路与第二轴线Y平行地排列，以便与安装在样品固定器16中的内部通道14的方向一致，这些内部通道14沿第二轴线Y对应地排列。分度导轨适当地定位在公用台18上，使得当分度销28沿相应的支路纵向移动时，探针20可与相应的内部通道14对齐地移动。

导轨30的各支路在前端终止于样品和探针固定器之间，以限制探针插入到各个内部通道中的插入量。支路的相对的后端在共用的横向支路或凹槽中连接在一起，该共用的横向支路或凹槽适当地延伸到这三个支路的一侧，以便使探针从已安装的样品处退回到安全的远离位置，从而在探针和样品之间提供合适的间隙。

因此，探针固定器22可由操作人员用手握住，并通过分度销从分度导轨的横槽依次到导轨的各个纵向支路中的运动来引导，各纵向支路均在其中限定了预定的位置，其与需要进行涡流探伤检查的各个内部通道相应地对齐。

下支架26提供了一种可使处于探针固定器中的探针沿X轴线横向移动以与沿Y轴线延伸的相应那个内部通道14直接对齐的方便且精确的机构。相应地，上支架24为操作人员提供了一种沿着与通道对齐的第二轴线Y在相应的样品通道14内手动地进给或移动探针的方便且精确的机构。分度销28的直径制成与分度导轨30的相应支路的宽度紧密相配，使得在操作期间当销28在纵向支路的后端和前端之间滑动时，探针及其固定器能朝向样品被精确地引导。

EC探针20通过适当的电导线可操作地连接到可具有任何传统结构的涡流测量仪器32上。通过将已安装的探针20移动到相应的样品通道内，就可在涡流探伤检查期间随着探针沿通道表面的移动而方便、精确且可重复地进行对其内表面进行涡流探伤检查。

在进行涡流探伤检查之前，EC探针20自身通常应被校准，以便在操作期间提高其灵敏度和性能。图2显示了校准块34的简化情况，其利用在校准块和台之间延伸的可动定位销而暂时性地安装在台18上。校准块34是样品母材如金属的精密加工出来的样件，其中通过电极放电加工(EDM)来预成形精密形成的微刻痕。校准块安装在台上的适当高度处，用于与滑动中的探针20相接合，以便校准EC测量仪器32中的特定探针。

在图3的优选实施例中示意性地显示了EC探针，其包括具有平坦承接面36的大致圆柱形的针柄。如图1所示，探针固定器22包括直径适于通过紧配合来容纳针柄的互补形式的安装孔或夹头38。适当的指旋螺钉40延伸穿过探针固定器，从而靠在针柄承接面36上并与之接合，可用手拧紧螺钉而将探针锁定在从探针固定器中悬伸出来的预定旋转或周向位置上。

探针的旋转位置最好是固定的，这是因为探针自身特别构造成可进入到相应构造的内部通道14中，通道14具有通常平直的相对壁，其对应于叶片翼型的通常为下凹的压力面和翼型的通常为凸出的吸力面。如图3所示，探针还包括从针柄中悬伸出来的细长杆42，针尖44设于针杆的远端。

针尖最好包括一对电线圈46，其通过电导线与EC测量仪器相连以进行涡流探伤检查。这两个线圈的每一个都非常小，直径约为1.5毫米，用来保证检测细微裂纹的灵敏度，这些裂纹例如为图3所示的在校准块34中故意引入的对比裂纹，或者是图3所示的一条内部通道14中的实际裂纹。

考虑到针尖44和安装在其中的线圈46的特别构造而设置了针柄承接面36，其用于在将探针固定地安装到探针固定器22中时与针尖所需的方向相符。

如图3示意性地显示，将普通探针20安装在探针固定器22中，并利用暂时性地安装在台18上的校准块34来进行初始校准。然后将校准块从台上取下来，并将样品12适当地安装在样品固定器16中，以便进行涡流探伤检查。然后使探针固定器简单地沿两个支架24，26移动，使针尖44与三个内部通道14中的一个对齐，然后使该针尖44沿第二轴线Y在样品通道内移动，同时保持针尖与通道内表面之间的接触，以便进行涡流探伤检查。

这样，就可以利用涡流探伤检查在离通道入口为一段适当长度或深度上检查样品通道的一个表面，所述长度或深度由针杆42的相应长度决定。而后通过沿着上支架24拉动探针固定器来使探针从通道内退出。然后使探针固定器沿着第一轴线X横向移动以调整探针，使其与样品中的对应于另一导轨支路的第二内部通道对齐。

然后在上支架上手动地前推探针，使针尖44沿着要进行涡流探伤检查的下一内部通道的下表面滑动。这样，利用通过沿着通道的相应表面滑动针尖而进行的涡流探伤检查就可精确地检查三个代表性内部通道14中的每一通道，所述相应表面由上、下支架沿轴线X，Y的受限运动来约束，并由处于分度导轨30的相应支路中的分度销28来分度和引导。

这几幅图中所示的探伤检查装置10的一项特别优点在于，它能够在保证精度和可重复性的条件下相对简单地加速对普通样品12中的多个内部通道所进行的涡流探伤检查，不需要在针尖沿通道的各个内表面滑动时不必要地取下针尖。如上所示，探针20本身是为能够精确地保持在设于探针固定器22中的互补式夹头38内而特别构造的。

相应地，样品固定器16是为能够将叶片样品12可拆卸地安装在两个相对的上、下位置中而特别构造的，其能快速地依次安装和拆下多个叶片样品，以便对一组样品进行涡流探伤检查。

更具体地说，图2所示的样品固定器16包括可松开的夹紧棒48，其用于将样品相对于固定安装好的EC探针精确且可松开地安装就位。夹紧棒48包括适当地安装在下支座50上的圆柱形的下夹紧棒，而下支座50固定地安装在台18上。夹紧棒还包括圆柱形的上夹紧棒，其固定地安装在相应的上支座52上。

上支座通过两个垂直杆而弹性地安装在下支座的上方，各垂直杆均包括安装在其顶部沉孔中的压缩弹簧，其用于提供偏压上支座而使其接触到下支座的上表面的夹紧力。这两根杆的顶端均包括调节螺母，用来调节两个弹簧的初始压力和通过两个夹紧棒48所施加的相应夹紧力。

适当的手柄54在其近端可枢轴转动地安装在下支座的底部，并利用凸轮销适当地安装或套在上支座52上，这样，提起手柄将会提起上支座并进一步压缩压缩弹簧，以便分开夹紧棒并允许将叶片样品安装在夹紧棒之间。

如图1所示，叶片样品12包括带有相对的燕尾槽凸角的燕尾槽，燕尾槽凸角具有相应的颈部区域。通过提起手柄54就可将上支座52及其相连的夹紧棒48抬高到下支座50及其相连的夹紧棒48之上，从而允许将燕尾槽凸角设于两个夹紧棒之间。然后放下手柄54，利用足以将样品固定地安装在固定器16中的压力使相对的夹紧棒48与燕尾槽凸角的相对侧在相应的颈部位置处相接合。

上支座中的压缩弹簧在两个夹紧棒中引入了足够的夹紧力，以将样品固定就位以进行EC检查。下夹紧棒最好具有L形的远端，并且在其近端具有弹性压缩的支承，样品被横向地夹紧在这两端之间并与分度导轨精确地对齐。

因此，通过抬起手柄54就可以容易地打开夹紧棒48，使得叶片样品12可通过其燕尾槽部分而放置在打开的夹紧棒中，并且内部通道14朝向安装在探针固定器中的针尖44。然后放下手柄54以将夹紧棒闭合在样品上，并且将样品相对于已安装的探针固定地安装。这样，这几个内部通道14就朝向针尖44，并且与由分度销28和导轨30所控制的针杆大致共线地对齐。

在图3中显示了叶片样品12的燕尾槽部分的代表性结构，其包括在燕尾槽的底端具有入口并在从燕尾槽到翼型的跨度上纵向地延伸的三个内部通道14。探针相对于已安装的样品特别地安装，使得针杆42及其远端的针尖44能够在各通道中在针杆长度所能达到的范围内精确地对准。

各通道的代表性结构包括大致平直的内表面，其对应于翼型的相对的压力面和吸力面，该内表面限定了燕尾槽凸角的内部区域，包括凸角之间的狭窄颈部。

图3所示的代表性内部通道14包括沿第二平移轴线Y纵向延伸的钝角检查部位56。例如，在该部位的左边最内侧部分在空间上处于大致水平的方位时，钝角约为168度，该部位的右侧进入区域向上倾斜成约12度。

相应地，图3所示的针尖44最好沿第二平移轴线Y呈弧形或大致半圆形，而沿第一平移轴线X呈横向的直线形状。弧形针尖44包括两个设于其中的线圈46，其向下朝向针尖上的与内部通道的检查部位滑动式接合的弧面。

如图3所示，针杆42最好和针柄同轴，并以基本平行于上支架24的方式安装在探针固定器22中以便与之平行移动。上支架24则最好通过楔形块以稍微倾斜的角度A安装在下支架26上，探针的远端或尖端在高度上低于探针的近端或柄端。

因此，当探针和探针固定器通过上支架24沿第二轴线Y移动时，针杆42及其针尖44就以相对于已安装的样品通道14成相同的稍微倾斜的角度A而相应地移动。

针尖44的弧形结构和通常垂直安装在其中的两个线圈46以及上支架24的倾斜安装提供了针尖沿第二轴线Y在水平安装的样品通道14内运动的相应的倾斜轨迹。针尖和针杆42的倾斜方位使得两个线圈46基本上正交或垂直于钝角检查部位56的连接处而定位。这种连接在叶片样品中特别有用，这是因为在接近其预期使用寿命结束时，已经用过的涡轮叶片在这个区域中已经能观察到微小裂纹。针尖的特别结构及其较小的倾角增大了在这种特殊的钝角检查部位56处的涡流探伤检查的灵敏度。

此外，图3所示的针尖44具有用于允许横向地并排使用两个线圈46的延长宽度，用于在一次通过中沿着各通道的大部分内表面同时检测裂纹。

因此，仅通过在相应通道内沿第二平移轴线Y以稍微倾斜的角度A移动针尖，从而在它们的滑动接触中越过该钝角检查部位，就可以快速地对三个内部通道14的每一侧面以及钝角检查部位之前或之后的通道表面依次进行涡流探伤检查。针杆42的长度可以选择成能够在安装好的燕尾槽凸角的高应力区域内在各内部通道14中的相应深度处进行涡流探伤检查。

三个通道的每一个都可通过如上所述的从通道到通道进行分度的同一涡流探针来检查。然后可提起固定器手柄54以松开叶片，之后将叶片简单地翻转过来并重新安装在夹紧棒中，并利用已松开的手柄来牢固地重新固定住叶片样品。然后在三个内部通道的每一个中重复进行涡流探伤检查程序，以检查其相对的内表面。

上述公开的涡流探伤检查装置允许由一个操作人员对依次安装在样品固定器中的叶片样品进行人工操作。然后可在由分度销和协作分度导轨所控制的针尖的精确运动下对三个内部通道中的每一个都快速且精确地进行涡流探伤检查。悬伸出来的针尖在滑动接触中被精确地引导而仅靠在三个通道中的想要检查的表面上，不会因错误移动到叶片样品或探伤检查装置自身的非目标部分中而引起可能的损坏。在每次检查过程之后可沿着横向分度槽使探针安全地退回且适当地远离安装好的样品，从而可在不会无意中损坏针尖的情况下更换样品。

虽然在本文中已经介绍了被认为是本发明的优选和代表性的实施例，然而本领域的技术人员可从本文所授内容中明了本发明的其它修改，因此，在所附权利要求中希望保护属于本发明的精神实质和范围内的所有这些修改。

因此，希望由美国专利证书所保护的本发明由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种用于对样品(12)中的内部通道(14)进行涡流探伤检查的装置(10)，包括：

样品固定器(16)，其包括用于可松开地安装所述样品(12)的可松开的夹紧棒(48)；

涡流探针(20)；

探针固定器(22)，其包括可将所述探针安装在预定旋转位置处的夹头(38)；

上、下支架(24，26)，其支撑了所述探针固定器，其可沿第一轴线移动以使所述探针与所述样品通道对齐，以及沿第二轴线移动以使所述探针在所述通道内移动；和

涡流测量仪器(32)，其可操作地与所述探针(20)相连以便对所述样品通道进行涡流探伤检查。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上支架(24)以稍微倾斜的角度安装在所述下支架(26)上，使得所述探针相对于所述样品通道(14)倾斜相应的微小角度。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述探针(20)包括：

具有安装在所述夹头(38)中的平坦承接面(36)的针柄；

从所述针柄中悬伸出来并设置成所述倾斜角度的针杆(42)；和

设于所述针杆远端处的针尖(44)，其包括用于进行涡流探伤检查的电线圈(46)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述夹紧棒(48)构造成可安装所述样品(12)并使所述内部通道(14)与所述针杆(42)对齐地朝向所述针尖(44)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

从所述探针固定器(22)中向下延伸的分度销(28)；和

安装在所述销(28)之下并与所述下支架(26)相邻的分度导轨(30)，其用于引导所述销与所述样品通道(14)对齐。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述样品(12)包括从其公共端部处朝向外侧的多个所述内部通道(14)；

所述分度导轨(30)包括对应于所述样品通道的多个平行支路；和

所述上、下支架(24，26)构造成可使从所述探针固定器中悬伸出来的所述分度销(28)能沿所述支路依次移动，以便使所述探针与各所述样品通道(14)对齐。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述样品通道(14)中的一个包括钝角检查部位(56)；

所述针尖(44)沿所述第二轴线呈弧形，并且使所述线圈(46)朝向所述检查部位；和

所述针杆(42)的所述倾斜角度使所述线圈(46)处于与所述检查部位基本上垂直。

8.一种用于对样品(12)中的第一和第二内部通道(14)进行涡流探伤检查的方法，包括：

固定地安装所述样品(12)；

安装涡流探针(20)，使其可沿第一和第二轴线相对于所述安装好的样品(12)移动；

沿着所述第一轴线对所述探针(20)进行分度，使所述探针与所述样品中的所述第一通道(14)对齐；

使所述探针在所述第一通道内沿所述第二轴线滑动；

随着所述探针的滑动来操作所述涡流探针以检查所述第一通道；

使所述探针(20)从所述第一通道(14)中退回；

沿着所述第一轴线对所述探针进行分度，使所述探针与所述样品中的所述第二通道对齐；

使所述探针在所述第二通道内沿所述第二轴线滑动；和

随着所述探针的滑动来操作所述探针以检查所述第二通道。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述第一通道包括钝角检查部位(56)；和

所述探针(20)在所述第一通道内沿着所述第二轴线以稍微倾斜的角度滑动，使其在滑动接触中越过所述钝角检测部位。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述探针分度包括：

安装分度销(28)以使其与所述探针(20)固定地对齐；

在所述销(28)的附近处固定地安装分度导轨(30)，所述分度导轨包括多个与所述第一和第二通道相对应的支路，用于依次容纳所述销；和

沿着所述导轨的支路依次移动所述销(28)，使得所述探针按相应的次序与所述第一和第二通道对齐。

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