(57)【要約】【課題】構成部品を製作するための方法（３００）及び装置（１０）を提供する。【解決手段】本方法は、構成部品（２４）の超音波画像を受信する段階（３０２）と、構成部品の第１の表面（２０６）及び該構成部品の検査領域を含むサブ画像を選択する段階と、フィルタ処理したサブ画像を選択したサブ画像と合成する段階（３１８）と、合成した画像を表示装置及び分析装置の少なくとも１つに出力する段階とを含む。【選択図】      図１
2006170995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品（２４）の検査方法（３００）であって、
前記構成部品の超音波画像を受信する段階（３０２）と、
前記構成部品の第１の表面と該構成部品の検査領域とを含むサブ画像を選択する段階と、
フィルタ処理したサブ画像を前記選択したサブ画像と合成する段階（３１８）と、
前記合成した画像を表示装置及び分析装置の少なくとも１つに出力する段階とを含むことを特徴とする部品の検査方法。
【請求項２】
前記構成部品の超音波画像を受信する段階が、前記構成部品のＢ−スキャン超音波画像を受信する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記構成部品の第１の表面を含むサブ画像を選択する段階が、
前記画像から波形を抽出する段階（３０４）と、
前記波形の前面エコーの半値点を決定する段階（３０６）と、
前記波形の微分を取る段階（３０８）と、
前記構成部品の前面を前記半値点の後方での前記微分波形内の第１のゼロ交差に定位する段階（３１０）と、を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記構成部品の第１の表面を含むサブ画像を選択する段階が、前記ｂ−スキャン画像に対して２次元エッジ強調フィルタを適用することによって前記第１の表面位置を決定する段階を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１の表面位置を決定する段階が、前記ｂ−スキャン画像に対して、Ｓｏｂｅｌフィルタ、Ｒｏｂｅｒｓフィルタ、Ｇｒａｄｉａｎｔフィルタ、Ｌａｐｌａｃｉａｎフィルタ、Ｋｉｒｓｃｈフィルタ、Ｃａｎｎｙフィルタ、Ｓｈｅｎ−Ｃａｓｔａｎフィルタ及びＭａｒｒ−Ｈｉｌｄｒｅｔｈフィルタの少なくとも１つを適用する段階を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記エッジ強調画像を用いて第１の表面位置（２０６）のセットを決定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記フィルタ処理したサブ画像を前記選択したサブ画像と合成する段階（３１８）が、
前記構成部品の第１の表面及び該構成部品の検査領域を含む前記受信した画像のサブ画像を抽出する段階（３１４）と、
前記サブ画像を平滑化フィルタでフィルタ処理する段階（３１６）と、
前記抽出したサブ画像から前記フィルタ処理したサブ画像を除去して処理画像を生成する段階（３１８）と、
前記処理画像を分析して表面近傍の異常を求める段階と、を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記サブ画像を平滑化フィルタでフィルタ処理する段階が、前記サブ画像を平均化フィルタ及び低域フィルタの少なくとも１つでフィルタ処理する段階を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記抽出したサブ画像から前記フィルタ処理したサブ画像を除去して処理画像を生成する段階が、前記処理画像の検査領域における振幅ピーク（２０８、２１０）を特定する段階を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
畳込み処理を用いて処理画像を生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には非破壊検査に関し、より具体的には、製作した構成部品の超音波検査に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波検査法は、被加工物又は構成部品の非破壊評価を必要とする多くの用途で用いられる。そのような超音波検査の１つの用途には、ガスタービンエンジンロータの検査での使用がある。そのようなロータは一般的に、例えばＲｅｎｅ−８８のような所望の金属学的性質を備えた材料の鍛造品から形成される。エアロスペース回転構成部品の製造においては、完成構成部品の全ボリュームが超音波で検査される必要がある。このことは、完成構成部品を機械加工する前に検査するときに、鍛造品上に付加的材料を存在させることを必要とする。この付加的材料は、材料外被と呼ばれ、その超音波検査法の表面近傍分解能性能と同等又はそれよりも大きくなければならない。
【０００３】
割れ目及び／又は不連続部などの表面近傍ターゲットからの信号を検出する能力は、超音波検査法の品質機能にとって重要である。本明細書で用いる場合、表面近傍ターゲットというのは、検査試料の前面又は後面のいずれかに近接して位置するあらゆる関心のあるターゲットを意味する。本明細書で用いる場合、所定の超音波検査法の表面近傍分解能というのは、構成部品の前（又は後）面から、検査法の要件を満たす超音波信号を生成するターゲットまでの最小距離を意味する。
【０００４】
構成部品のコストの観点から、材料外被を最小にすることが重要である。エアロスペース回転構成部品の高い原材料コストのために、材料外被のわずかな低減でさえ構成部品コストに大きな影響を与えることができる。しかしながら、公知のシステムは、材料外被の必要性を減少させることが可能になる表面近傍分解能性能に限界がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態では、構成部品を製作する方法を提供する。本方法は、構成部品の超音波画像を受信する段階と、構成部品の第１の表面及び該構成部品の検査領域を含むサブ画像を選択する段階と、フィルタ処理したサブ画像を選択したサブ画像と合成する段階と、合成した画像を表示装置及び分析装置の少なくとも１つに出力する段階とを含む。
【０００６】
別の実施形態では、超音波検査システムを提供する。本システムは、パルスエコー変換器と、変換器に動作可能に接続されたプロセッサとを含み、プロセッサは、構成部品の表面近傍検査領域から受信したエコーのノイズを低減するようにプログラムされる。
【０００７】
さらに別の実施形態では、超音波検査システムを提供する。本システムは、パルスエコー変換器と、変換器に動作可能に接続されたプロセッサとを含み、プロセッサは、構成部品のスキャン中にパルスエコー変換器を制御しかつスキャンから複数のＢ−スキャン画像を受信するようにプログラムされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書で用いる場合、「構成部品」という用語は、例えばタービンシュラウド支持体のような、ガスタービンエンジンに結合するように構成されかつ耐摩耗性皮膜で被覆することができるあらゆる構成部品を含むことができる。タービンシュラウド支持体は、単に例示的なものであることを意図しており、従って「構成部品」という用語の定義及び／又は意味を限定することを決して意図するものではない。さらに、本明細書では、ガスタービンエンジンに関連して、より具体的にはガスタービンエンジン用のロータでの使用について本発明を説明するが、本発明は他のガスタービンエンジン固定構成部品及び回転構成部品に適用可能であることを理解されたい。従って、本発明の実施は、ガスタービンエンジン用のロータに限定されるものではない。
【０００９】
図１は、超音波システム１０の例示的な実施形態の概略図であり、超音波システム１０は、プロセッサ１６、表示装置１８、キーボード２０及びマウス２２を含む制御ユニット１４に接続されたパルスエコー変換器１２を含む。本明細書で用いる場合、プロセッサという用語は、当技術分野でプロセッサと呼ばれるその集積回路そのものだけに限定されるものではなく、広範にコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置、特定用途向け集積回路及び他のプログラマブル回路を意味する。制御ユニット１４は、超音波検査データを収集し、分析しかつ表示するように構成される。この例示的な実施形態では、超音波システム１０は、パルスエコー（ＰＥ）超音波検査装置であり、パルスエコー（ＰＥ）超音波検査装置は、構成部品の一側に配置され、送信機及び受信機の両方として機能する単一の変換器を用いる。パルスエコー検査を用いることは、検査構成部品の一側へのアクセスを必要とするのみである。様々な実施形態では、超音波システム１０は、検査構成部品の表面にわたって変換器１２を移動させるための電気機械装置を含むことができ、電気機械スキャン装置は、移動する変換器の位置をモニタする１つ又は複数の位置センサを含むことができる。
【００１０】
使用に際しては、変換器１２は、検査対象の構成部品２４と音響伝導状態で配置され、超音波が構成部品２４に送られる。１つの実施形態では、構成部品２４と変換器１２との間に公知の音響ゲルを配置して、構成部品２４及び変換器１２間の音の伝達を可能にしてもよい。別の実施形態では、構成部品２４及び変換器１２は、それを通して超音波の伝達を可能する液体に沈めた状態で互いに近接して配置される。自動設定において液体を用いる例示的な実施形態では、システム１０は、少なくとも１つのコレット又はマンドレル（図示せず）を備えた回転テーブル（図示せず）を含む。構成部品２４はコレット内に又はマンドレル上に自動的にチャッキングされ、テーブルが、スキャン中に変換器１２に近接させて構成部品２４を保持するように回転又は並行移動する。変換器１２は、超音波エネルギーを放射し、超音波エネルギーは、構成部品２４内に境界面２６（例えば、不連続部、異物又は微小割れなど）が存在するときに、或いは構成部品２４の該構成部品２４と液体との間の遠い側（変換器１２に対して）の境界面において少なくとも部分的に反射される。超音波が境界面に接触すると、音響エネルギーの一部分は、構成部品を通して超音波変換器１２に向かって反射して戻される。超音波変換器１２は、ＲＦ音波パルスを生成する送信機と反射したＲＦ音波信号を記録する受信機との両方として用いることができる。ＲＦパルスが送信されかつＲＦ反射が受信される間の時間は、音波が検査構成部品内を通り、不連続部の領域に接触しかつ超音波変換器１２に移動して戻るまでにかかる時間と等しい。従って、送信及び受信間の時間は不連続部の深度に関連する。不連続部が大きければ大きいほど、超音波変換器１２に向かってより大きな音響エネルギーが反射して戻されるので、ＲＦ信号の振幅は、不連続部の大きさに関連する。１つの実施形態では、超音波変換器１２は、その移動が制御ユニット１４によって正確に制御される機械アーム（図示せず）上に設置される。機械アームは、検査中に正確に制御したスキャンの状態で検査構成部品２４の表面全体にわたって超音波変換器１２を移動させる。機械アームは、始動点２８から超音波変換器１２を移動させる。超音波変換器１２が検査構成部品２４全体にわたって移動すると、予めプログラムしたデータ点３０において超音波検査データが取られる。この例示的な実施形態では、データ点ト３０は、距離３２で等しい間隔を置いている。別の実施形態では、制御ユニット１４は、不規則な距離でデータを取るようにプログラムされる。位置センサ（図示せず）を用いて、スキャン中に超音波変換器１２の位置を決定するのを可能にすることができる。次に、位置データを使用して、検査構成部品２４を超音波画像として再構成することができる。
【００１１】
超音波変換器１２が個々のデータ点３０で反射された音波を受信すると、情報は、ＲＦ信号の形態で制御ユニット１４に送られる。このＲＦ信号は制御ユニット１４によってデジタル化され、得られたデジタル・データは制御ユニット１４内のメモリ３４に送られかつ該メモリ３４内にデータ・アレイとして記憶される。それからデジタ・データの各セットが生じた検査構成部品２４上の位置は、スキャン・パターンを知ること及びデータ・アレイにおけるデジタル・データの位置を知ることによって決定することができる。
【００１２】
図２は、構成部品２４（図１に示す）のような構成部品の例示的なＡ−スキャン波形２０１のグラフ２００である。デジタルＲＦ信号は、超音波変換器１２によって受信した反射ＲＦ音響エネルギー信号のＡ−スキャン・グラフとして表示することができ、ここで、時間は例えばＸ軸２０２に沿ってプロットされ、また振幅はＹ軸２０４に沿ってプロットすることができる。上述のように、検査構成部品２４内の境界面２６の相対的寸法が大きければ大きいほど、反射した音響エネルギーの振幅はより大きくなり、従ってＲＦ信号の振幅もより大きくなる。前面エコー２０６すなわち第１の反射は、検査構成部品２４の前面によって引き起こされた振幅を有する。第２及び第３のより小さい振幅反射２０８及び２１０は、意図的に構成部品２４内に導入した基準欠陥すなわち構成部品２４の検査ゲート領域内の不連続部によって引き起こされる。反射２０８及び２１０は、検査対象構成部品内の空隙、剥離又は他の割れ目とすることができ、或いは複合材層で作られた構成部品においては、複合材構成部品を形成する個々の複合材層間の交差部とすることができる。
【００１３】
超音波検査システム１０の表面近傍分解能は、一般的に、超音波変換器１２と、変換器１２からの超音波を送信及び受信するのに用いる制御ユニット１４と、表面近傍ターゲットに対して検査手法が必要とする信号対雑音比（ＳＮＲ）によって制御することができる。分解能は一般的に、ターゲットのピーク振幅をそのピークと前面信号のピーク振幅との間の最小信号振幅から分離する振幅（ｄＢで測定）の差異として定められる。次に、検査領域（すなわち検査ゲート）は、表面近傍分解能に対して検査手法が必要とするｄＢ量を生成する表面近傍ターゲットに基づいて設定される。超音波システム１０は超音波波形全体を記録し、後でのアクセスのために記憶する。波形データは、検査領域そのものだけ或いは前面及び／又は後面反射を含むことができるより大きな領域のいずれかについて記録することができる。一旦超音波波形データが記録されると、信号及び画像処理法を用いて後処理で利用可能である。
【００１４】
図３は、超音波システム１０（図１に示す）のような超音波システムの表面近傍分解能を改善する例示的な方法３００のフローチャートである。方法３００は、検査領域プラス表面エコーの超音波波形データを収集することによって表面近傍分解能を改善するのを可能にする。方法３００のステップを実行するアルゴリズムは、制御ユニット１４のメモリ内に記憶したソフトウェア・コードセグメントとして具現化することができる。波形データは、検査中に構成部品２４上の２次元点グリッドにわたって収集することができる。表面信号の周りの領域からの波形データは、信号及び画像処理法を用いて後処理される。その結果、ゲート最大振幅法と比較すると表面近傍分解能が改善される。得られたデータは、自動検出アルゴリズム又は手動精査のいずれかによって検査における関心信号の検出のためにさらに処理することができる。
【００１５】
複数のＢ−スキャン画像の１つは、超音波検査システム１０のメモリ内に読込まれる３０２。この例示的な実施形態では、超音波検査システム１０は、例えば検査試料の表面上の２次元空間と超音波信号の伝播の方向における時間次元とを処理するための３次元データ・セットを収集する。３Ｄデータ・セットから抽出した１次元空間と時間とからなる２次元画像は、Ｂ−スキャンと呼ぶことができる。
【００１６】
各Ｂ−スキャン画像について、Ａ−スキャン波形が抽出される３０４。各空間位置につての前面エコー２０６の時間位置は、各波形（信号空間位置からの時間信号）を個々に処理することによって定位される。波形の最大値は、前面信号の最大値に対応することになる。前面波形のデジタル特性のために、この最大値を用いることにより、常には前面を定めることはできない。むしろ、アルゴリズムが最大値を用いて、半値よりも大きい振幅を有する第１の時点ｔｈを定位する３０６。波形の数値微分が取られる３０８。ｔｈよりも大きくかつ微分の値がゼロよりも小さい微分における第１の時点ｔｆが、定位される３１０。点ｔｆは、この波形の前面の位置として記憶される３１２。この処理は、Ｂ−スキャン画像における全ての波形の前面位置が決定されるまで反復される。
【００１７】
これに代えて、前面位置はｂ−スキャン画像を全体として処理することによって決定することができる。この方法では、画像に対して、Ｓｏｂｅｌ、Ｒｏｂｅｒｓ、Ｇｒａｄｉａｎｔ、Ｌａｐｌａｃｉａｎ、Ｋｉｒｓｃｈ、Ｃａｎｎｙ、Ｓｈｅｎ−Ｃａｓｔａｎ又はＭａｒｒ−Ｈｉｌｄｒｅｔｈなどの２次元エッジ強調フィルタを適用する。次に、エッジ強調画像を後処理して、前面位置ｔｆのセットを決定する。
【００１８】
Ｂ−スキャン画像の前面位置のセットを用いて、前面エコー及び前面エコー後方の検査の関心領域を含むサブ画像が抽出される３１４。この例示的な実施形態では、アルゴリズムが、例えばバックグラウンド除去法を適用してフィルタ処理したサブ画像を形成する３１６ことによって、抽出したサブ画像から前面エコーを除去する。前面信号を除去した後に、残余信号はいずれも、表面近傍反射体によるものとなる。バックグラウンド除去法を適用するために、Ｂ−スキャンを平滑化フィルタでフィルタ処理することによって合成バックグラウンド画像が形成される。このフィルタは、Ｂ−スキャン画像の空間次元における応答を平滑化して、表面近傍ターゲットからのあらゆるエコーが今後の画像除去ステップ後に際立つようにそれらエコーを抑圧するようにすべきである。フィルタ構成は、ターゲット構成部品の特性、変換器のタイプ及び空間インデックスに応じて選択可能とすることができる。抽出したサブ画像からフィルタ処理したサブ画像を除去して３１８処理サブ画像を形成し、この処理サブ画像は、制御ユニット１４のメモリ或いは他のメモリ又は記憶装置内に記憶する３２０ことができる。
【００１９】
これに代えて、点ｔｆで取得した前面の正確な位置を用いて、時間の狭帯域の信号を正確に抽出することができ、この狭帯域は、上述したバックグラウンド除去ステップなどのいかなる後処理もない状態でその前面の位置から一定距離である。
【００２０】
方法３００は、データ・セットのＢ−スキャン画像全てにおいて反復する３２２ことができる。全てのＢ−スキャン画像が処理された後に、処理データ・セットはさらに、画像処理操作により表面近傍ターゲットの信号対雑音比が高くなることになるという利点のもとで分析することができる。
【００２１】
本明細書に記載したシステム及び方法の様々な実施形態の技術的効果には、スキャンされる対象物の表面近傍不連続部の検出を改善することの少なくとも１つが含まれる。
【００２２】
上述の方法及び装置は、超音波検査システムの表面近傍分解能を改善するのに費用効果がありかつ高い信頼性がある。本方法及び装置は、検査対象の構成部品上の２次元点グリッドにわたり検査領域及び表面エコーの超音波波形データを収集することを説明している。表面信号の周りの領域からの波形データは、信号及び画像処理法を用いて後処理される。その結果、表面近傍分解能が改善される。得られたデータは、自動検出アルゴリズム又は手動精査のいずれかによって検査の関心信号の検出のためにさらに処理することができる。上述の本方法及び装置は、費用効果がありかつ信頼性がある方法で、製作及び組立を可能にし、また構成部品の整備所要時間の低減を可能する。
【００２３】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】超音波システムの例示的な実施形態の概略図。
【図２】図１に示す構成部品のような構成部品の例示的なＡ−スキャン波形のグラフ。
【図３】図１に示す超音波システムのような超音波システムの表面近傍分解能を向上させる例示的な方法のフローチャート。
【符号の説明】
【００２５】
１０  超音波システム
１２  パルスエコー変換器
１４  制御ユニット
１６  プロセッサ
１８  表示装置
２０  キーボード
２２  マウス２２
２４  検査対象構成部品
２６  境界面
２８  始点
３０  データ点
【図１】
2006170995.tif 000003
【図２】
2006170995.tif 000004
【図３】
2006170995.tif 000005