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Ensaio não-destrutivo: Ultrassom

Escrito por Infosolda. Posted in Ensaios não Destrutivos e Mecânicos

Características

Os sons produzidos em um ambiente qualquer refletem-se ou reverberam nas paredes que constituem o ambiente, podendo ainda ser transmitidos a outros ambientes. Este fenômeno constitui o fundamento do ensaio por ultrassom de materiais.

 

Assim como uma onda sonora reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassônica também reflete quando percorre um meio elástico; do mesmo modo, a vibração ou onda ultrassônica refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio considerado. Através de aparelhos especiais, é possível detectar as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.

O teste ultrassônico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. O ensaio por ultrassom caracteriza-se por ser um método não destrutivo com o objetivo de detectar descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos ou formas de materiais ferrosos ou não ferrosos.

As descontinuidades são caracterizadas pelo próprio processo de fabricação da peça ou por componentes, como por exemplo, bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escórias em uniões soldadas e muitos outros. Portanto, o exame ultrassônico, assim como todo exame não destrutivo, visa a diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidade.

 

 

 

Aplicação

O ensaio por ultrassom constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, com geometria complexa de juntas soldadas e chapas. É aplicado na indústria moderna, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas. Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços carbono e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis.

 

materiais não ferrosos podem ser examinados por ultrassom mas requerem procedimentos especiais

 

vantagens

O método ultrassônico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, como trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).

Para interpretação das indicações, o ensaio por ultrassom dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção. No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme, que via de regra demanda tempo para o informe de resultados.

Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio por ultrassom não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.

A localização, a avaliação do tamanho e a interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassônico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho do defeito mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder a um reparo.

 

desvantagens

O ensaio por ultrassom apresenta algumas desvantagens, como a exigência de grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor, além do preparo da superfície; o registro permanente do teste não é facilmente obtido; faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método; em alguns casos de inspeção de solda existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, o que demanda tempo de fábrica.

O ensaio por ultrassom de materiais com ondas superficiais é aplicado com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfície; para detectar este tipo de descontinuidade, existem ensaios não destrutivos mais simples, como os ensaios por líquidos penetrantes e por partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferiores aos do ensaio por ultrassom.

 

Princípios do ensaio

Os princípios físicos que regem o ensaio por ultra- -som são a dispersão, a absorção, a atenuação sônica e a divergência do feixe sônico.

 

dispersão

A dispersão do feixe sônico deve-se ao fato de a matéria não ser totalmente homogênea e conter interfaces naturais de sua própria estrutura ou que são provocadas pelo processo de fabricação. Como exemplo citam-se os fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas. A mudança das características elásticas de ponto num mesmo material é chamada anisotropia, que é mais significativa quando o tamanho do grão é de 1/10 do comprimento de onda.

 

absorção

Absorção é a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio execute um movimento de oscilação, transmitindo vibração às outras partículas do próprio meio; esse fenômeno ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um meio elástico.

 

atenuação sônica

A onda sônica, ao percorrer um material qualquer, sofre em sua trajetória efeitos de dispersão e absorção que resultam na redução da sua energia. Os resultados dos efeitos de dispersão e absorção quando somados resultam na atenuação sônica.

Na prática, este fenômeno pode ser visualizado na tela do aparelho de ultrassom, quando se observam vários ecos de reflexão de fundo provenientes de uma peça com superfícies paralelas. As alturas dos ecos diminuem com a distância percorrida pela onda.

A atenuação sônica é importante quando se inspecionam peças em que este fator pode inviabilizar o ensaio. Soldas em aços inoxidáveis austeníticos e peças forjadas em aços inoxidáveis são exemplos clássicos desta dificuldade. O controle e avaliação da atenuação nestes casos é- razão para justificar procedimentos de ensaio especiais. Alguns valores de atenuação podem ser encontrados num quadro extraído do livro de Krautkramer "Ultrasonic Testing of Materials".

divergência do feixe sônico

A divergência é um fenômeno físico responsável pela perda de parte da intensidade ou energia da onda sônica; a divergência se pronuncia à medida que a fonte emissora é afastada das vibrações acústicas. Tal fenômeno pode ser observado ao detectar um defeito pequeno com o feixe ultrassônico central do transdutor; nesta condição, a amplitude do eco na tela do aparelho é máxima. No entanto, quando o transdutor é afastado lateralmente ao defeito, a amplitude diminui, indicando uma queda na sensibilidade de detecção do mesmo defeito. A diferença de sensibilidade ou altura do eco de reflexão entre a detecção do defeito com o feixe ultra- sônico central e a detecção do mesmo defeito com a borda do feixe ultrassônico é considerável.

Equipamento

Basicamente, o aparelho de ultrassom contém circuitos eletrônicos especiais, que permitem transmitir ao cristal píezelétrico, através do cabo coaxial, uma série de pulsos elétricos controlados, que são transformados pelo cristal em ondas ultrassônicas. Da mesma forma, sinais captados no cristal são mostrados na tela do tubo de raios catódicos em forma de pulsos luminosos denominados ecos, que podem ser regulados tanto na amplitude quanto na posição na tela graduada. Os ecos constituem o registro das descontinuidades encontradas no interior do material.

controles básicos do aparelho

Em geral, os fabricantes oferecem vários modelos de aparelhos com maiores ou menores recursos técnicos; entretanto, alguns controles e funções básicas devem existir para que sua utilização seja possível. Esses controles são referentes a escolha da função, potência de emissão, ganho, escala e velocidade de propagação.

Todo aparelho possui entradas de conectores dos tipos BNC (aparelhos de procedência norte-americana) ou Lemo (aparelhos de procedência alemã), para permitir transdutores dos tipos monocristal e duplo-cristal.

A potência de emissão está diretamente relacionada à amplitude de oscilação do cristal ou tamanho do sinal transmitido. Em geral os aparelhos apresentam níveis de potência controláveis por uma chave seletora com posições em número de 2 até 5.

O ganho está relacionado com a amplitude do sinal na tela ou amplificação do sinal recebido pelo cristal. Os aparelhos apresentam um ajuste fino e um grosseiro, calibrados em decibéis, num mesmo botão de controle ou separadamente.

 

o controle do ganho, em geral, pode variar de 0 a 100dB

 

As graduações na tela do aparelho podem ser modificadas, conforme a necessidade, por meio do controle de escala calibrada em faixas fixas com variações de 10, 50, 250 e 1.000mm.

Quando a velocidade de propagação é alterada no aparelho, nota-se claramente que o eco de reflexão produzido por uma interface muda de posição na tela do osciloscópio, permanecendo o eco original em sua posição inicial. O aparelho de ultrassom é basicamente ajustado para medir o tempo de percurso do som na peça ensaiada por meio da relação S = v. t, onde o espaço percorrido S é proporcional ao tempo t e à velocidade de propagação v.

 

A unidade de medida do material também pode ser ajustada em centímetros, metros, etc.

Dependendo do modelo e do fabricante do aparelho, pode existir um controle específico da velocidade ou na maioria dos casos, um controle que trabalha junto com o da escala do aparelho. Neste caso, existe uma graduação de velocidade em metros por segundo em relação aos diferentes materiais de ensaio por ultrassom.

Os componentes principais do equipamento de ultrassom são os cristais e os transdutores.

 

cristais

Cristais são materiais que apresentam o efeito piezelétrico responsável por transformar a energia elétrica alternada em oscilação mecânica e a energia mecânica em elétrica. Os cristais são montados sobre uma base que funciona como suporte ou bloco amortecedor. Tipos de cristais são quartzo, sulfato de lítio, titanato de bário e metaniobato de chumbo.

 

transdutor

O transdutor, também chamado de cabeçote, é formado pelos cristais, pelos eletrodos e pela carcaça externa. Um transdutor emite um impulso ultrassônico que atravessa o material e reflete nas interfaces, originando o eco. O eco retorna ao transdutor e gera o sinal elétrico correspondente.

O transdutor pode ser classificado em três tipos: normal ou reto, angular e duplo-cristal.

 

transdutor normal ou reto

O transdutor normal ou reto é o chamado cabeçote monocristal gerador de ondas longitudinais perpendiculares à superfície de acoplamento. É construído a partir de um cristal piezelétrico com uma das faces colada num bloco rígido denominado amortecedor e outra face protegida por uma membrana de borracha ou por uma resina especial. O bloco amortecedor serve de apoio para o cristal e absorve as ondas emitidas pela face colada a ele.

A face de contato do transdutor com a peça deve ser protegida contra desgaste mecânico por meio de membranas de borracha finas e resistentes ou camadas fixas de epóxi enriquecido com óxido de alumínio.

Em geral os transdutores normais são circulares, com diâmetro de 5 a 24mm, com frequência de 0,5,1, 2, 2,5,4,5 e 6M Hz. Outros diâmetros e frequências existem, porém para aplicações especiais.

 

transdutor angular

O transdutor angular é assim chamado em razão de o cristal formar um determinado ângulo em relação à superfície do material. O ângulo é obtido pela inserção de uma cunha de plástico entre o cristal piezelétrico e a superfície. A cunha pode ser fixa, sendo então englobada pela carcaça, ou intercambiável; neste último caso, um transdutor normal é preso com parafusos que fixam a cunha à carcaça.

 

Uma vez que a prática é trabalhar com diversos ângulos (35,45,60,70 e 80 graus), a solução de um único transdutor com várias cunhas é mais econômica; no entanto, é necessário maior cuidado no manuseio.

O ângulo nominal, sob o qual o feixe ultrassônico penetra no material, vale somente para inspeção de peças de aço; se o material for outro, determina-se o ângulo real de penetração por meio de blocos de calibração feitos desse mesmo material. A mudança do ângulo deve-se à mudança de velocidade no meio.

O cristal piezelétrico somente recebe ondas ou impulsos ultrassônicos que penetram na cunha na direção paralela à de emissão, em sentido contrário. A cunha de plástico funciona como amortecedor para o cristal piezelétrico após a emissão dos impulsos.

O transdutor angular apresenta sapatas de acrílico feitas para proporcionar ângulos de transmissão bem definidos. Entretanto, o uso contínuo e o consequente desgaste das sapatas poderão alterar o desempenho do transdutor. Esse problema pode ser agravado quando a pressão do dedo do operador incidir sobre as bordas do transdutor, fazendo com que o desgaste ocorra de modo irregular e alterando significativamente o ângulo nominal.

 

transdutor duplo-cristal

O transdutor duplo-cristal é o mais indicado e largamente utilizado nos procedimentos de medição de espessura por ultrassom. Apresenta dois cristais incorporados na mesma carcaça, levemente inclinados em relação à superfície de contato e separados por um material acústico isojante. Cada um deles funciona somente como emissor ou somente como receptor, sendo indiferente qual deles exerce cada uma das funções. Os cristais são conectados ao aparelho de ultrassom por um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar com dois cristais.

Os cristais são montados sobre blocos feitos de plástico especial de baixa atenuação. Devido a essa inclinação, os transdutores duplos não podem ser usados para qualquer profundidade, pois fora da zona de inclinação a sensibilidade se reduz. Possuem sempre uma faixa de inspeção ótima, que deve ser observada. Em certos casos, os transdutores duplos são utilizados com focalização, isto é, o feixe é concentrado em uma determinada zona do material para a qual se deseja máxima sensibilidade.

Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos nem com transdutores retos nem com angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir materiais de reduzida espessura, ou quando se deseja detectar descontinuidades logo abaixo da superfície do material, a zona morta existente na tela do aparelho impede uma resposta clara. O cristal piezelétrico recebe uma resposta num espaço de tempo curto após a emissão, e suas vibrações não são amortecidas suficientemente. Neste caso, somente um transdutor duplo-cristal, capaz de separar a emissão da recepção pode ajudar.

A utilização do aparelho de ultrassom requer alguns cuidados referentes a calibração, ao manuseio dos controles e às baterias.

 

calibração do aparelho

O termo calibração deve ser analisado no seu sentido mais amplo, isto é, o perfeito ajuste de todos os controles do aparelho de ultrassom para uma inspeção específica segundo um procedimento escrito e aprovado pelo cliente e pelo fabricante. O operador deverá fazer a calibração dos instrumentos e acessórios nas situações em que haja trocas de transdutores no decorrer de inspeção, quando o aparelho for desligado, ou quando ficar ligado durante 90 minutos e quando houver troca de operadores.

Os ajustes de ganho, de energia e do supressor de ruídos são efetuados com base em procedimentos específicos; entretanto, a calibração da escala pode ser feita previamente, independente de outros fatores. A calibração da escala é feita mediante a utilização de blocos especiais denominados blocos-padrão, em que todas as dimensões e formas são conhecidas e calibradas; os blocos-padrão permitem ajustar os controles concomitantemente, até que os ecos de reflexão, correspondentes ao caminho do som no bloco-padrão, permaneçam em posições definidas na tela do aparelho.

 

bloco-padrão

O bloco-padrão deve ser feito de material acusticamente similar ao da peça a ser ensaiada e com espessuras e furos de referência calibrados, pois se a calibração do aparelho foi feita em bloco e peça de materiais dissimilares, a precisão das medidas será afetada.

O material de que é feito o bloco deve permitir o exame ultrassônico de aço carbono não ligado ou de baixa liga, com velocidade sônica de 5920 +/- 30m/s para ondas longitudinais e 3255 +/- 15m/s para ondas transversais, segundo normas DIN (Deutsche Industrie Normen) 54122 e BS (British Standards) 2704.

Cita-se como exemplo um bloco-padrão para calibração da sensibilidade do ensaio em soldas, recomendado pela norma ASME Boiler and Pressure Vessel Code sec.V, artigo 5, Ed.1995, Adenda 95, com ajuste do controle de ganho do aparelho; esse bloco- padrão deve ser fabricado com o mesmo acabamento superficial da área de varredura.

 

A seleção do bloco-padrão deve ser feita com base nas espessuras da solda e do bloco e no diâmetro do furo de referência. O ideal seria ter um bloco com a mesma espessura da solda; no entanto, dada a inviabilidade econômica, deve-se escolher um bloco-padrão com dimensões aproximadas às das soldas.

 

manuseio dos controles

Os potenciômetros dos controles são dotados de um sistema de trava com a finalidade de não permitir variação da calibração do aparelho durante o uso. Quando se quer modificar a calibração do aparelho deve-se destravar o potenciômetro para evitar danos. Isso não acontece nos aparelhos modernos digitais, em que os controles e ajustes são por teclas.

Em geral os aparelhos são dotados de baterias recarregáveis, que necessitam de carga após o uso. Como regra prática, o tempo de carga deverá ser o dobro do período de trabalho do aparelho.

 

Procedimentos para o ensaio

A inspeção de solda por ultrassom se reveste de grande importância na verificação industrial de materiais, uma vez que é uma ferramenta indispensável para o controle da qualidade do produto final. A inspeção é importante principalmente em juntas soldadas como as juntas de conexões ("groove welds") ou mesmo juntas de topo com grandes espessuras, pois a radiografia industrial não consegue boa sensibilidade de imagem.

Os procedimentos para inspeção de solda descritos pelas normas ou códigos de fabricação variam em função dos ajustes de sensibilidade do ensaio, dimensionamento das indicações, critérios de aceitação das descontinuidades encontradas e outras particularidades técnicas. O inspetor deve consultar o procedimento aprovado de sua empresa para o ensaio específico, ou na falta deste, elaborar um procedimento segundo a norma aplicável ao produto a ser ensaiado.

 

a inspeção de solda deve ser precedida da traçagem de uma curva de sensibilidade do ensaio, que é um parâmetro necessário para o julgamento sobre a descontinuidade


 

superfície de varredura

A inspeção da solda se processa através da superfície do metal de base adjacente à solda, numa área paralela ao cordão de solda, denominada área ou superfície de varredura.

preparação da superfície

O resultado do ensaio por ultrassom depende da preparação das superfícies; assim, é preciso remover carepas, tintas, óxidos, pó, graxa e tudo que possa mascarar ou impedir a penetração do feixe sônico na peça a ensaiar. A limitação de temperatura da peça deve ser levada em conta e está associada ao modelo e tipo do transdutor, pois altas temperaturas (acima de 60°C) podem danificar os transdutores.

A frequência e o ângulo do transdutor selecionado podem ser significativos, dependendo da estrutura metalúrgica do material ensaiado e da espessura. Em geral utilizam-se 4MHz de frequência e ângulos de 60 e 70° para espessuras do metal de base até 15mm e 45 e 60° para espessuras de metal de base acima de 15mm.

A curva de sensibilidade é estabelecida por meio do posicionamento do transdutor angular (posições l ,2, 3 e 4), de modo a detectar o furo de referência do bloco nas quatro posições indicadas. O controle de ganho do aparelho deve ser ajustado a partir da posição"!, onde o controle é ajustado até que o eco correspondente à reflexão do furo tenha uma altura de 80% da tela do aparelho.

 

A partir deste procedimento deve ser registrado o ganho do aparelho, que deverá ser mantido até o final da inspeção e verificado periodicamente ou quando houver troca de operadores. Caso haja uma acentuada diferença de acabamento superficial entre o bloco e a peça a ser inspecionada, deve-se aplicar o procedimento de transferência de ganho do bloco para a peça, para restabelecer o nível de sensibilidade original.

 

inspeção

Para realizar a inspeção, o transdutor deve ser acoplado à peça; quando isso é feito, estabelece-se uma camada de ar entre a sapata do transdutor e a superfície da peça. Esta camada ar impede que as vibrações mecânicas produzidas pelo transdutor se propaguem para a peça em razão das características acústicas (impedância acústica) muito diferentes das do material a inspecionar. Por esta razão, deve-se usar um líquido que estabeleça uma redução desta diferença e permita a passagem das vibrações para a peça. Esse líquido, denominado líquido acoplante, é escolhido em função do acabamento superficial da peça, de condições técnicas e tipo da peça. Alguns acoplantes mais utilizados são mostrados no quadro.

 

a impedância acústica é o produto da densidade do meio pela velocidade de propagação neste meio; representa a quantidade de energia acústica que é refletida e transmitida para o meio

 

a interface água/aço apenas transmite 12% e reflete 88% da energia ultrassônica

 

Recomenda-se efetuar algumas medidas no mesmo local, pois variações de acabamento superficial, pressão do transdutor sobre a superfície e outros, podem variar os resultados.

O transdutor deve ser deslizado sobre a superfície de varredura com o feixe ultrassônico voltado perpendicularmente à solda, de modo que as ondas atravessem totalmente o volume da solda. Caso haja alguma descontinuidade no volume de solda, haverá reflexão nesta interface e parte da energia ultrassônica retorna ao transdutor; consequentemente, a indicação na tela do aparelho aparece em forma de eco ou pulso.

Através da análise da posição do eco na tela do aparelho, o inspetor poderá localizar a descontinuidade no volume de solda, assim como avaliar sua dimensão e comparar com os critérios de aceitação aplicáveis.

A presença do transdutor angular é comum para todos os tipos de chanfros, devendo ser escolhidos no mínimo dois ângulos diferentes em função da espessura do metal de base. O uso do transdutor normal ou duplo-cristal é importante para chanfros em K, Y e T para detecção de falta de fusão com o metal de base.

A forma de inspeção de soldas em função dos tipos de chanfros e das áreas de varreduras mais usuais é mostrada no quadro.

 

 

delimitação da descontinuidade

A delimitação da extensão da descontinuidade pode ser feita utilizando a técnica da queda do eco em 6dB, na qual o transdutor é posicionado no centro geométrico da descontinuidade, de forma a maximizar a altura do eco de reflexão. Em seguida, o transdutor é deslocado para a esquerda e para a direita até ser observado que a altura do eco na tela do aparelho é reduzida pela metade (- 6dB). Sobre a superfície da peça são marcados dois pontos, e o tamanho da descontinuidade será a linha que une esses pontos.

Outros métodos podem ser utilizados, como por exemplo o uso de diagramas DGS para pequenas indicações (menores que 10mm), ou mesmo a técnica da queda do eco em 20dB, que se assemelha à técnica de queda 6dB.

 

avaliação dos resultados

O julgamento da descontinuidade encontrada deve ser feito de acordo com procedimento escrito, norma aplicável, especificação do cliente, ou documento da Qualidade. As descontinuidades são julgadas pelo seu comprimento e pela amplitude do eco de reflexão, que são quantidades mensuráveis pelo inspetor de ultrassom. Entretanto algumas normas estabelecem que o tipo de descontinuidade encontrada também deve ser avaliado pois é decisivo na aceitação ou rejeição da junta soldada. Por exemplo, se o inspetor interpretou uma indicação como trinca, falta de fusão ou falta de penetração, a junta soldada deve ser rejeitada, de acordo com o Código ASME Sec.VIII Div.1 UW-53, Ed.95. independente do comprimento ou da amplitude de eco na tela do aparelho. No entanto, nem sempre é fácil ou possível avaliar a identificação do tipo de descontinuidade; isso depende da complexidade da junta, da experiência e do conhecimento do inspetor.

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997