O teste por meio ultrassom é considerado
um ensaio não destrutivo, onde o feixe de ultrassom é introduzido no material.
Este teste é utilizado para verificação de descontinuidades no interior de
pecas metálicas, plásticas e cerâmicas e para a medida de espessura. Trata-se
de um procedimento cuja interpretação de resultados é extremamente cautelosa.
Com ele conseguimos identificar qualquer descontinuidade, superficial, sub-superficial
e interna.
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experiência contam para poderem se atualizar e galgar os próximos níveis de
aplicação do ensaio por meio de ultrassom. Saiba mais em nosso blog.
O teste por meio ultrassom é considerado
um ensaio não destrutivo, onde o feixe de ultrassom é introduzido no material.
Este teste é utilizado para verificação de descontinuidades no interior de pecas
metálicas, plásticas e cerâmicas e para a medida de espessura. Trata-se de um
procedimento cuja interpretação de resultados é extremamente cautelosa. Com ele
conseguimos identificar qualquer descontinuidade, superficial, sub-superficial
e interna.
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.
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.
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.
Fonte de referência: http://stdengenharia.com.br/biblioteca.html#ultrassom
http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao- destrutivos-e-mecanicos/214-ensaio-nao-destrutivo-ultrassom.html
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