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
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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)
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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
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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
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Geometria do Campo Sônico
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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
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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
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Segundo campo, além de N
O feixe
campo longínquo
dispersão segundo um ângulo γ
γ
vL
sen = 1,08
2
D .f
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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
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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
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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
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Figura 10. Método da Ressonância
v
λ=
f
v
⇒ T =N
2.f
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Tipos de Cabeçotes Ultra-sônicos
a) normais
b) angulares
c) SE ou duplo cristal
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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.
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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
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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
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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.
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Figura 13. Técnica de Inspeção em Solda
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