Ensaio de Ultrassom
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Ensaio Pelo Ultra-som 1. Introdução O ensaio pelo ultra-som é um END , onde ondas de altas freqüências (f>20.000Hz) são introduzidas no material a ser inspecionado falhas superficiais e falhas internas de uma peça. Tipos de ondas ultra-sônicas: - longitudinais (compressão) - transversais (cisalhamento) - superficiais Ensaio Pelo Ultra-som » Onda Longitudinal • • Figura 1. Tipos de Ondas Ultra sônicas de maior interesse: a) longitudinal Ensaio Pelo Ultra-som » Onda transversal • Figura 1. Tipos de Ondas Ultra sônicas de maior interesse: b) transversal Ensaio Pelo Ultra-som Incidência da Onda 1.Normal impedância acústica (Z) de um material como : Z = ρ . V Figura 2. ONDA TRANSMITIDA INCIDÊNCIA NORMAL Ensaio Pelo Ultra-som os coeficientes de transmissão ou permeabilidade (T) e de reflexão (R) são obtidos através das relações: Ir (Z1 − Z2 )2 R= = Ii (Z1 + Z2 )2 4 . Z1 . Z2 It T= = Ii (Z1 + Z2 )2 Ensaio Pelo Ultra-som Tabela 1. Densidade, Velocidades de Propagação e Impedâncias Acústicas de alguns materiais Material Aço Água(20oC) Alumínio Ar Borracha Cádmio Chumbo Cobre Estanho Ferro Fundido Glicerina Latão Magnésio Níquel Óleo(SAE20/30) Ouro Plexiglass Densidade ρ (kg/m3) Veloc. Long VL(m/s) Veloc. Trans. VT (m/s) Impedância Z (kg/m2.s) 7.700 1.000 2.700 1,2 900 8.600 11.400 8.900 7.300 7.220 1.260 8.100 1.700 8.800 950 19.300 1.180 5.900 1.480 6.300 330 1.480 2.780 2.160 4.700 3.320 5.600 1.920 3.830 5.700 5.800 1.250 3.240 2.730 3.230 xxxx 3.130 xxxx xxxx 1.500 700 2.260 1.670 3.200 xxxx 2.050 3.170 3.080 xxxx 1.200 1.430 45 . 106 1,5 . 106 17 . 106 0,4 . 103 1,3 . 106 24. 106 25 . 106 42 . 106 24 . 106 40 . 106 2,4 . 106 31 . 106 9,7 . 106 51 . 106 1,2 . 106 63 . 106 3,2 . 106 Ensaio Pelo Ultra-som Exemplo1: O material 1 é água e o material 2 é aço. Calcular R e T. Da tabela R= T= Z1 = 1,5 . 106 (kg/m2.s) e Z2 = 45 . 106 (kg/m2.s) (1,5 − 45)2 (1,5 + 45) 2 4 . 1,5 . 45 (1,5 + 45) 2 = 0,875 ou 87,5% = 0,125 ou 12,5% Portanto,neste caso 87,5% da intensidade da onda incidente é perdida na reflexão e só 12,5% é transmitida ao meio 2 (aço). Ensaio Pelo Ultra-som Exemplo2: O material 1 é glicerina e o material 2 é aço. Calcular R e T. Da tabela Z1 = 2,4 . 106 (kg/m2.s) e Z2 = 45 . 106 (kg/m2.s) ( 2,4 − 45)2 R= = 0,808 ou 80,8% 2 ( 4,4 + 45) T= 4 . 2,4 . 45 = 0,192 ou 19,2% 2 ( 2,4 + 45) Portanto,neste caso 80,8% da intensidade da onda incidente é perdida na reflexão e 19,2% é transmitida ao meio 2 (aço). Ensaio Pelo Ultra-som Incidência oblíqua Figura 3. Incidência Oblíqua • • • • • Li = onda longitudinal incidente propagando-se no meio 1. Tr = onda transversal refletida propagando-se no meio 1. Lr = onda longitudinal refletida propagando-se no meio 1. Tt = onda transversal refratada (ou transmitida) propagando-se no meio 2. Lt = onda longitudinal refratada (ou transmitida) propagando-se no meio 2 Ensaio Pelo Ultra-som Figura 4. Incidência oblíqua Ensaio Pelo Ultra-som Os ângulos de refração podem ser calculados com o auxílio da lei de Snell V Lt VLi VTt VLr = = = sen θ Li sen θ Tt sen θ Lt sen θ Lr Ensaio Pelo Ultra-som FIG. 5. Efeito do Aumento do Ângulo de Incidência Como VLi = VLr ⇒ θLi = θLr Ensaio Pelo Ultra-som Dois tipos de ondas não podem existir simultâneamente Quando: θLt = 90o ⇒ θLi = α1 θ Tt = 90o ⇒ θLi = α 2 Se α 1 < θLi < α 2 Incidência oblíqua haverá somente onda transversal cabeçotes angulares: 35o, 45o , 60o , 70o e 80o Ensaio Pelo Ultra-som Exemplo 3: Determinar os ângulos limites α1 e α2 para uma interface plexiglass/aço, e o ângulo de refração correspondente a α1. Da tabela 7.1: VLi = 2730 m/s ⇒ plexiglass VLt = 5900 m/s ⇒ aço VTt = 3230 m/s ⇒aço de acordo com a lei de Snell: 2730 3230 5900 = = sen α1 sen θ Tt sen 90o Ensaio Pelo Ultra-som 2730 3230 5900 = = sen α1 sen θ Tt sen 90o a condição para α1 é que θLt = 90o. como sen90o = 1 , podemos determinar os ângulos α1 e θ Tt : α1 = 27,6o θ Tt = 33,2o a condição para α2 é que θTt = 90o, então: α2 = 57,7o Ensaio Pelo Ultra-som O ângulo limite de 27,6o escolhe-se um ângulo limite um pouco maior a fim de certificar-se que não haverá nenhuma onda longitudinal na peça. Então o menor ângulo de refração da onda transversal (θTt) escolhido é de 35o. os cabeçotes ultra-sônicos angulares são caracterizados pelo ângulo de refração em aço e sua fabricação é padronizada normalmente nos ângulos de 35o, 45o, 60o, 70o, e 80o. O que acontece se desejamos inspecionar um material diferente? Ensaio Pelo Ultra-som Exemplo 4: Deseja-se inspecionar uma peça de alumínio com um cabeçote de 45o (ângulo de refração em aço). Qual será ângulo de refração em alumínio? Determinar qual é o ângulo de incidência correspondente a um ângulo de refração de 45o em aço. VLi = 2730 m/s (plexiglass) VTt = 3.230 m/s (aço) V Li sen θ Li V Lt V Tt V Lr = = = sen θ Tt sen θ Lt sen θ Lr VLi VTt = ⇒ senθLi sen θTt 2730 VLi sen θLi = sen θTt = sen 45o 3230 VTt ⇒ θLi = 36,7 o Ensaio Pelo Ultra-som Agora devemos calcular qual é o ângulo de refração em alumínio correspondente a um ângulo de incidência de 36,7o no plexiglass do cabeçote. Temos portanto, uma interface plexiglass/alumínio: VLi = 2730m/s (plexiglass) VTt = 3130m/s (alumínio) VLi VTt = ⇒ sen θ Li sen θ Tt 3130 VTt sen θ Tt = sen θ Li = sen 36 ,7 o 2730 VLi ⇒ θ Tt = 43 ,3 o Ensaio Pelo Ultra-som Tabela 2. Ângulos de Refração para Diferentes Materiais Material Ângulo do feixe sônico Aço θTt 35o 45o 60o 70o 80o Alumínio θTt 33,8o 43,3o 57,1o 65,6o 72,6o θLt ---- ---- ---- ---- ---- θTt 23,7o 29,7o 37,3o 41,1o 43,6o θLt 56,6o ---- ---- ---- ---- θTt 34,3o 43,9o 58,2o 67,3o 75,1o θLt ---- ---- ---- ---- ---- θTt 37,3o 48,5o 66,5o 84,3o ---- θLt ---- ---- ---- ---- ---- θTt 21,3o 26,7o 33,3o 36,6o 38,7o θLt 42,9o 57o ---- ---- ---- Cobre Magnésio Porcelana Latão Ensaio Pelo Ultra-som 2.Geração da Onda Ultra-sônica A geração da onda ultra sônica é realizada pelo conhecido efeito piezoelétrico. Piezoeletricidade é a propriedade que possuem certos cristais de se expandir ou contrair quando aplicamos aos mesmos tensões ou voltagens alternadas. Os cristais que apresentam estas propriedades são elementos em que as propriedades físico-químicas não são as mesmas em qualquer eixo ou direção (materiais anisotrópicos). Quando uma pequena placa de cristal piezoelétrico é cortado paralelo a um certo plano cristalográfico, e dois eletrodos são colocados em suas extremidades (Figura 6.a) e se for aplicada uma tensão em corrente contínua(c.c.) a estes eletrodos se torna mais fina (Fig.6.b) ou mais grossa (Fig.6.c). Ensaio Pelo Ultra-som (a) (b) (c ) Figura 6. Efeito Piezoelétrico (d) Ensaio Pelo Ultra-som Tabela 3. Características dos cristais ultra-sônicos Cristal Sensibilidade Poder de Resolução Quartzo 4 2 Titanato de bário 2 3-4 Metaniobato de chumbo 2 1 Titanato-zirconato de chumbo 1 2 *sensível ** poder de resolução (1>2>3>4) 1 é melhor Ensaio Pelo Ultra-som Oscilações de alta freqüências são introduzidas no corpo de ensaio onda longitudinal ou transversal contínua Transmissão do cristal a peça ensaiada é possível se não existir ar entre a peça e o cristal perfeito acoplamento Eliminação do ar colocando-se entre as duas superfícies um líquido (glicerina, água, óleo, vaselina etc.) Ensaio Pelo Ultra-som Figura 7. Cabeçote Ultra-sônico O elemento piezoelétrico está alojado junto com: • Bloco amortecedor • Bobina sintonizadora de freqüência • Um conector • Uma carcaça metálica ou plástica Ensaio Pelo Ultra-som Cristal Piezoelétrico submetido a tensões alternada exibe propriedades de oscilação Submetidos a esforços mecânicos é capaz de gerar cargas elétricas Devido a essas particularidades um cristal pode tanto emitir e quanto receber sinais. Ensaio Pelo Ultra-som Geometria do Campo Sônico Cabeçote normal ondas longitudinais Qual a forma do feixe sônico? -estreito e focalizada pressão sônica elevada -disperso pressão sônica decresce Ensaio Pelo Ultra-som Geometria do Campo Sônico Ensaio Pelo Ultra-som γ D Figura 8. Campo Próximo de um cabeçote N Campo próximo N ou Zona de Fresnel diâmetro ≈ φ cristal D2 − λ2L N= como D2 >> λ2L 4 .λ L D2 D2 . f N= = 4 . λL 4 . vL onde f = freq. (MHz) vL = veloc.(km / s) e D = φ cristal(mm) o feixe sônico é cilíndrico com Ensaio Pelo Ultra-som Cabeçote angular onda transversal O cristal é retangular Área = a . b = π D2/4 N= D2eq . f 4 . vT 4 . a .b . f a .b . f = = 4 . π . vT π . vT Ensaio Pelo Ultra-som Segundo campo, além de N O feixe campo longínquo dispersão segundo um ângulo γ γ vL sen = 1,08 2 D .f Ensaio Pelo Ultra-som Exemplo 5: Determine N e γ para aço utilizando um cabeçote normal que possui um cristal piezoelétrico com diâmetro 24mm e vibra com uma freqüência constante de 2 MHz. Pela Tabela 1 vL aço = 5.900m/s = 5,9km/s D2 . f 24 2 . 2 = = 48,8mm N= 4 . vL 4 . 5,9 sen v 5,9 γ = 1,08 . L = 1,08 . = 0,133 2 D. f 24 . 2 N = 48,8mm γ = 15,2 o Cristais grandes e alta freqüência N longo e pouca divergência feixe sônico focalizado Ensaio Pelo Ultra-som Um equipamento de Ultra-som contém básicamente : - o transmissor - o receptor – amplificador - o tubo de raios catódicos - o circuito de varredura Figura 9. Diagrama Esquemático de um Ultra-som Ensaio Pelo Ultra-som Métodos de Inspeção a) Impulso – eco usa-se um cabeçote como emissor e receptor. b) Método da Transparência separados. é aquele que utiliza dois cabeçotes c) Método da Ressonância neste método as ondas recebidas e transmitidas são sobrepostas. A ressonância ocorre em uma das freqüências naturais de vibração da peça em teste quando a espessura da peça é igual a um múltiplo exato de meio comprimento de onda. λ T= N , onde N = número int eiro 2 T = espessura da peça Ensaio Pelo Ultra-som Figura 10. Método da Ressonância v λ= f v ⇒ T =N 2.f Ensaio Pelo Ultra-som Tipos de Cabeçotes Ultra-sônicos a) normais b) angulares c) SE ou duplo cristal Ensaio Pelo Ultra-som Detectabilidade de Defeitos É a medida do diâmetro mínimo (na direção perpendicular ao feixe sônico) que deve ter a descontinuidade para ser detectada. Onde d é o diâmetro mínimo da descontinuidade d≥ λ 2 como λ = v f ou seja d≥ v 2.f Ensaio Pelo Ultra-som Qual será o diâmetro mínimo do defeito que pode ser detectado numa peça de aço com um cabeçote normal de 4MHz de freqüência. No aço temos vL = 5.900 m/s = 5,9 .106 mm/s f = 4MHz = 4. 106 Hz. v 5,9.106 = = 0,74 d≥ 6 2 . f 2,4 .10 d ≥ 0,74 mm Tabela 4. dmin. que deve ter uma descontinuidade para ser detectada. Ensaio Pelo Ultra-som Principais Aplicações do ensaio Ultra-sônico a) Medições de Espessura b) Ensaio de Chapas Metálicas Planas c) Ensaio de Peças com Superfícies Curvas d) Ensaio de Peças Fundidas e forjadas Peças Fundidas localização tipo e dimensões de descontinuidade projeto de fundidos Peças forjadas trincas, escórias , inclusões, Peças grandes processo de fabricação e aquelas que ocorrem em peças acabadas Ensaio Pelo Ultra-som e)Ensaio em Soldas É uma das mais importantes aplicações do ensaio ultra-sônico, e é realizado com cabeçote angulares Figura 11. Inspeção de uma seção transversal com um cabeçote angular Ensaio Pelo Ultra-som Figura 12. Salto e Pulo Ultra-sônico de cabeçote angular P = d . tgγ 2 P = 2. d . tgγ S d = 2 cos γ S= 2.d cos γ Conhecendo-se a espessura da peça e o ângulo γ pode-se determinar S e P. Ensaio Pelo Ultra-som Figura 13. Técnica de Inspeção em Solda
