FORMAÇÃO PROFISSIONAL CETRE DO BRASIL APOSTILA - CONCEITOS FUNDAMENTAIS DO ENSAIO POR ULTRASSOM INDUSTRIAL Elaborado por CETRE DO BRASIL Eng° Jose Roberto G. Miranda CREA-ENGENHARIA MECÂNICA Nível 2 e 3 - SNQC/END 07/01/2020 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Prefácio “Esta apostila tem como objetivo apresentar os conceitos fundamentais do ensaio por ultrassom industrial e servir de guia para o estudo e treinamento de pessoal, desenvolvendo assuntos na teoria e na prática das aplicações mais comuns do ensaio de ultrassom que é um dos mais importantes métodos de ensaios não destrutivos, sendo que este método aplicado como complemento com outros métodos de ensaios não destrutivos que se complementam para detectar as descontinuidades do material que está sendo ensaiado, somado a experiência do profissional, ao seu conhecimento técnico adquirido do equipamento que está sendo aplicado, pode contribuir para interpretar as diversas indicações do equipamento de ultrassom, que hoje com o desenvolvimento da eletrônica cada vez mais contribui para facilitar o entendimento do que está acontecendo durante a inspeção. Hoje o método se aplica em diversos segmentos da indústria de transformação durante os processos de fabricação, manutenção, bem como é aplicado na inspeção de materiais, tais como eixos forjados e fundidos, sendo assim localizar as descontinuidades, que caso passa despercebida pode causar sérios danos ao equipamento, contribuindo assim para a segurança e qualidade dos diversos materiais e equipamentos hoje usados na indústria." Eng. José Roberto Garcia Miranda 2 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Sumário 1-introdução.............................................................................4 2-Princípios fisicos das vibrações ultrassônicas.................6 3-Classificação das ondas......................................................7 4-propagação das ondas........................................................8 5-características das ondas ultrassônicas.........................11 6-geração das ondas ultrassônicas....................................18 7-transdutores.......................................................................21 8-tipos de cristais.................................................................23 9-técnica de inspeção..........................................................24 10-aparelho de ultrassom....................................................25 11- prática de ultrassom.....................................................26 12-procedimento de ensaio.................................................26 13-calibração .......................................................................30 14-localização de descontinuidades ................................30 15-realização do ensaio com transdutor angular............31 16-blocos básicos de calibração ......................................32 17-Questionário de ultrassom............................................35 18-Materiais consultados para esta apostila ...................41 3 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 1- INTRODUÇÃO AOS PRINCIPIOS FISICOS DO ENSAIO POR ULTRASSOM O campo de audibilidade do ouvido humano se estende entre 20 Hz e 20 kHz, abaixo de 20 Hz não ouvimos mais, neste caso temos o infrassom, acima de 20 kHz também não é mais audível pelo ouvido humano, sendo que nesta faixa se estende o campo de trabalho com o ultrassom, e o mesmo pode ser utilizado em diversos formas de uso e segmentos industriais, por exemplo: na limpeza de componentes mecânicos, na verificação medica, como sonar, na medição da camada de gordura em porcos como sonar, enfim, o campo e bem vasto, conforme a tecnologia dos equipamentos acompanha e também a eletrônica aplicada nos equipamentos de ultrassom, estendese o campo da sensibilidade do ouvido humano. Entre os dois extremos da audibilidade, se estabelece toda a gama contínua de sons que o ouvido humano, além de perceber, ainda identifica de onde procede, qual a sua entoação e dentro de certos limites, a espécie de fonte sonora que os produziu. Sons extremamente graves ou agudos, podem passar desapercebidos pelo aparelho auditivo humano, não por deficiência deste, mas por caracterizarem vibrações com frequências muito baixas, até 20Hz (infrassom) ou com frequências muito altas acima de 20 kHz (ultrassom), ambas inaudíveis. No segmento industrial sua utilização está ligada ao controle de qualidade dos produtos fabricados através dos diversos processos de fabricação, na segurança dos equipamentos que depois de um tempo de uso, necessitam ser investigados pois sua integridade pode ser afetado com o tempo de uso, sendo assim ótima ferramenta para a manutenção e investigação de descontinuidades durante a vida útil do equipamento, que caso apareçam podem causar acidentes de grande monta, podendo causar mortes ou prejuízos incalculáveis a uma empresa ou organização. 4 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Um breve histórico do método do ultrassom durante o tempo Nos tempos remotos do passado (meados de 1850), se realizava teste em rodas ferroviárias, eram executados através de testes de martelo, em que o som produzido pela peça denunciava a presença de trincas. Ainda hoje, em alguns casos, para uma avaliação de forma grosseira de possíveis problemas apresentados pelos materiais, tais como no caso de rebolos de retífica, se faz este teste. Em 1880, os irmãos Jean e Marie Curie descobriram que amostras retiradas de alguns cristais produziam corrente elétrica ao serem submetidas à pressão. Lippmann apresentou a teoria da mudança da forma desses cristais pela aplicação de corrente elétrica alternada. Descobriu-se, portanto, a possibilidade de se produzir vibrações mecânicas em cristais pela aplicação de corrente elétrica alternada e também o princípio inverso, efeito mecânico no cristal pela aplicação de corrente alternada. Esses cristais ficaram conhecidos como cristais piezoeléctricos e o efeito de se transformar energia mecânica em elétrica e vice-versa como efeitos piezoeléctricos. As primeiras experiências utilizando-se o efeito piezoeléctrico foram realizadas com cristais de quartzo em 1929 pelo russo Sokolov. Esses estudos, também desenvolvidos pelos alemães Mulhauser Pohlman e outros, tiveram grande sucesso na inspeção de peças fundidas. Os resultados em outros tipos de materiais (com pouca absorção sônica) só foram satisfatórios para a época após o desenvolvimento do método pulso-eco, por D. O. Sproule, que desenvolveu o primeiro aparelho de ultra-som em 1942 trabalhando como físico para a Cia. Kelvin & Huyghens. Após a Segunda Guerra Mundial, os alemães Trost e Gots, além de Firestone, nos Estados Unidos, desenvolveram sistemas similares. Em 1947, Sproule desenvolveu o cabeçote angular que permitia a introdução de energia sônica em vários ângulos no material sem a produção de sinais indesejáveis. Após os anos 60, a aplicação do ensaio teve um grande desenvolvimento. O grande impulso no Brasil foi em 1979, com a construção das primeiras plataformas de produção de petróleo na Bacia de Campos. Devido à credibilidade do ensaio por ultrassom, deu-se início à qualificação de Inspetores de Ensaios por Ultrassom pela Petrobrás. Atualmente, o ensaio por ultrassom industrial é de grande utilização em vários ramos industriais, principalmente como alternativa à aplicação do ensaio radiográfico em situações que apresentem dificuldades quanto à proteção radiológica ou cumprimento de prazos contratuais. Hoje, na indústria moderna, principalmente na detecção de descontinuidades nos principais processos de fabricação em fundição, forjaria laminação de chapas, trefilação, extrusão, na área de detecção de descontinuidades em soldagem, nos processos de transformação em caldeiraria e estruturas metálicas soldadas, estruturas navais, na fabricação e manutenção de pás eólicas, na indústria geração de energia hidroelétrica, na fabricação de veículos do tipo automóveis, ônibus, caminhões estradeiros e fora de estrada, ultrassom em solda ponto, na manutenção em ferrovias, ensaio em trilhos, eixos de locomotivas e vagões, na medição de espessura de tubos para se verificar reduções de espessura causada por corrosão ou desgaste natural pela condução de produtos, na fabricação e na inspeção de serviço de plantas petroquímicas e na exploração de petróleo e gás, o ensaio por ultrassom constitui uma ferramenta indispensável para a garantia da qualidade de juntas soldadas, chapas e de peças de grandes espessuras e de geometria complexa, que caso apresentem uma falha podem provocar um acidente de grande monta. 5 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL O grande avanço no ensaio por ultrassom está em sua instrumentação eletrônica e na introdução da informatização, ferramentas essas que têm facilitado à aquisição e o armazenamento de dados da inspeção realizada. 2- PRINCÍPIOS FÍSICOS DAS VIBRAÇÕES ULTRASSÔNICAS O teste ultrassônico de materiais é realizado com o uso de ondas mecânicas que se propagam no meio material de inspeção, ao contrário da técnica radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas, no meio e que se propaga. A passagem de energia acústica pelo meio faz com que as partículas que compõe o mesmo executem um movimento de oscilação em torno da posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento irá diminuindo com o tempo, em decorrência da perda de energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio em estudo é elástico, ou seja, as partículas que compõe não estão rigidamente ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direção. Fig. 1- onda se propagando no material Fig 2- esquema detector de falhas por ultrassom Fig 3- esquema de medição de espessura -configuração básica de um ensaio por ultrassom, para detecção de falhas em materiais na figura 2 e no caso de medição de espessuras na fig 3, 6 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 2.1. Vantagens e limitações do método. 2.1.1 - Principais vantagens do método: Pode-se efetuar o ensaio por ultrassom com acesso por apenas um dos lados da superfície do material; Avaliação da integridade de peças de grande espessura; para detecção de descontinuidades internas Pequenas descontinuidades são detectadas; alta sensibilidade Determinação da localização de descontinuidades (profundidade, área, altura, dentre outros); Laudo imediato após o ensaio; Portabilidade do equipamento; fácil manuseio. Não gera efeitos prejudiciais ao operador e/ou pessoas próximas ao local da inspeção. 2.1.2. Principais desvantagens do método: Requer grande conhecimento teórico e prático do Inspetor; Pequenas espessuras constituem uma limitação do ensaio; Descontinuidades sub-superficiais podem não ser detectadas; Necessidade de blocos padrão e de referência para calibração do aparelho, o que pode constituir dificuldades de locomoção e certa demora na calibração da aparelhagem; Necessidade do uso de acoplantes para transmitir o ultrassom ao material pelo cabeçote. 3 - CLASSIFICAÇÃO DAS ONDAS 3.1 - O QUE É ONDA? -Onda pode ser definida como o transporte de energia de um ponto a outro do espaço sem ocorrer o transporte de matéria. Fig 4- emissão e recepção de onda ultrassonica Fig 5- representação de uma onda 7 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 3.2 - Quanto a Natureza 3.2.1 Ondas Mecânicas: São aquelas em que a energia é transportada através das vibrações das partículas que compõem um meio. As ondas mecânicas necessitam de um meio material para se transmitirem (que pode ser sólido, líquido ou gasoso). Essa é a razão pela qual não se transmite no vácuo. A propagação das ondas mecânicas por um meio ocorre devido ao mesmo ter propriedades elásticas. Exemplo: som emitido por uma corda de violão, a onda sonora, propaga-se através do ar. Velocidade do som no ar, 330 m/s. Como exemplo, quando acionamos uma campainha no vácuo, não haverá som, pois a sua vibração, ou este tipo de onda, não pode ser transmitida. 3.2.2- Ondas Eletromagnéticas: São aquelas em que a energia é transportada por um campo elétrico e por um campo magnético, que podem se propagar pelo vácuo (ou seja, não requerem meio material para se propagarem). A propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo e no ar ocorre a uma velocidade de aproximadamente 300.000 km/s. Como exemplo de ondas eletromagnéticas, podemos citar: onda luminosa (luz), ondas de rádio, raios X, etc. Fig 6- faixa de ondas eletromagnéticas Ao ligarmos uma lâmpada no vácuo, podemos ver a sua iluminação, porque este tipo de onda não depende de meio material para ser transmitida. 4.0 – Propagação das ondas fig 7- sentido de propagação da onda 8 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 4.1- Ondas Longitudinais de ultrassom. -São emitidas por cabeçotes retos ou normais. São ondas cujas partículas do meio vibram na mesma direção da propagação da onda, ou seja, paralela ao sentido de propagação da onda, são as únicas que se propagam em meio líquido. Este tipo de onda possui a mais alta velocidade de todas elas, não se propagam no vácuo, por exemplo, quando acionamos uma campainha no vácuo, não haverá som, pois a sua vibração, ou este tipo de onda, não pode ser transmitida. Velocidade no Aço: 5920m/s Velocidade na Água: 1480m/s Ar: 330m/s Obs: A velocidade depende do tipo de onda e do material que ela se propaga. Fig 8- propagação de onda na estrutura do material 4.2- Ondas Transversais de ultrassom Emitidas por cabeçotes angulares Este tipo de onda, definida quando as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao sentido de propagação. São praticamente incapazes de se propagarem nos líquidos e gases pela característica das ligações entre partículas destes meios. Apresentam velocidade de aproximadamente 50% das ondas longitudinais. Fig 9- propagação de onda transversal no material 4.3 - Ondas Superficiais Emitidas por cabeçotes angulares que trabalham dentro do 1° e 2° ângulos críticosSão assim chamadas pela característica de se propagar na superfície dos sólidos. As partículas adquirem um movimento elíptico na superfície de separação entre dos meios diferentes. Ondas de Rayleigh –(cabeçotes de 90°) e ondas de creeping cabeçotes de 35° no aço. Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem os materiais.sua profundidade é de 1 comprimento de onda. 9 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Fig 10 – onda superficial no material 4.3.1 - Ondas de Creeping: São aquelas ondas formadas a partir do 1º ângulo crítico (onde a onda longitudinal tangencia a superfície do material). Como as Ondas de Creeping são muito atenuadas devido a geração posterior de ondas transversais para o interior do material, essas ondas podem ser utilizadas na detecção de descontinuidades na superfície oposta (pois as ondas transversais formadas são novamente transformadas em Ondas de Creeping) 4.3.2 - Ondas de Rayleigh: São aquelas ondas formadas a partir do 2º ângulo crítico (onde a onda transversal tangencia a superfície do material). As Ondas de Rayleigh percorrem uma região sub-superficial devido à divergência do feixe sônico, sendo sua penetração da ordem de 01 comprimento de onda. As Ondas de Rayleigh podem ser utilizadas na verificação de finas camadas de material utilizadas para recobrir outros materiais. A velocidade das Ondas de Rayleigh está por volta de 90% das ondas transversais. 4.4- Ondas de Lamb Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próximo à espessura da chapa ensaiada, neste caso a inspeção não se restringe somente à superfície, mas todo material e para esta particularidade denominamos as ondas superficiais de Ondas de Lamb. Os ensaios ultrassônicos de materiais com ondas superficiais são aplicados com severas restrições, pois somente é observado defeito de superfície e nestes casos, existem processos mais simples como Líquido Penetrante e Partículas Magnéticas que em geral são de custo e complexidade inferior ao teste ultrassônico. Fig 11 – ondas de lamb simétrica e assimetrica. 10 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 5- CARACTERÍSTICAS DAS ONDAS ULTRASSÔNICAS 5.1 Frequência Definimos frequência, como sendo o número de vezes que um fenômeno se repete por unidade de tempo. Os fenômenos de vibrações mecânicas e suas propagações nos meios, também são exemplos de oscilações ou movimentos periódicos, e para um dado tempo de periodicidade, ou seja, frequência. Infrassom: até 20Hz Som: 20Hz a 20kHz Ultrassom: acima de 20kHz (campo de aplicação entre 0,5 e 12MHz) Hertz: significa nº de ciclos por segundo. Uma onda de frequência 30000 Hz (ou 30 kHz) indica que a mesma passa por um determinado ponto 30 mil vezes em 1 segundo! Subunidades importantes utilizadas para frequência em ultrassom: kHz- quilo hertz: 1 kHz= 1000 Hz= 103 Hz; MHz- mega-hertz: 1 MHz= 1000 kHz= 103 kHz ou 1 MHz= 1000000 Hz= 10 6 Hz. 5.2- Velocidades de Propagação Definida como sendo à distância percorrida pela onda sônica por unidade de tempo. É importante lembrar que a velocidade de propagação é uma característica do meio e independe da frequência. Tabela de velocidades- PROPRIEDADES ACÚSTICAS DE ALGUNS MATERIAIS: Densidade Velocidade Velocidade Impedância MATERIAIS Média Longitudinal Transversal acústica kg/m³ m/s m/s kg/m²/s (* 10³) Aço carbono Aço 4340 (aço baixa liga) Aço inoxidável austenítico (304L) Aço inoxidável martensítico (410) Acrílico Água Água (gelo) Álcool Alumínio Ar Berílio Borracha (polimetilacrilato) Bronze (liga cobre + estanho) Chumbo Cobre Concreto Ferro fundido Ferro fundido cinzento Gasolina Glicerina Inconel (liga níquel + cromo + molibdênio) Latão (liga cobre + zinco) Madeira (pinho com fibra alongada) Magnésio Manganês 7850 7800 7900 7670 1180 1000 900 789 2700 -------1820 ------8100 11400 8930 2000 6900 7200 803 1300 8250 5920 5850 5640 5390 2730 1480 3980 1180 6320 344 12900 1260 4430 2160 4660 4600 5300 4600 1250 1920 5720 3230 3250 3070 2990 1430 -----1990 -----3130 -----8880 -----2120 700 2250 -------2200 2650 ---------------------- 46,47 45,63 44,55 41,34 3,22 1,48 3,58 0,93 17,06 ------23,50 ------35,88 24,62 41,83 9,20 36,57 33,12 1,00 2,49 47,19 8560 ------1700 7390 4280 3320 5770 4660 2300 -------3050 2350 36,70 ------9,80 34,44 11 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Mercúrio a 20ºC Metaniobato de Chumbo Molibdênio Monel (liga níquel + cobre) Nióbio Níquel Nylon Óleo Automotivo Ouro Platina Polietileno Poliestireno Porcelana Prata PVC Quartzo natural Sulfato de Lítio Teflon Titanato de Bário Titanato Zirconato de Chumbo Titânio Tungstênio Vidro Zinco 13870 6200 10200 8830 8570 8800 1100 870 19300 21400 1100 1100 2400 10500 1400 2650 2060 2200 5400 7500 4540 19100 3600 7100 1420 3300 6250 6020 4920 5630 2620 1740 3240 3960 2670 2670 5600 3600 2390 5760 5460 1350 5100 4000 6230 5460 4260 4170 --------------3350 2720 2100 2960 1080 -------1200 1670 --------------3500 2590 1060 -----------------------------------3180 2620 2560 2410 19,70 20,50 63,75 53,16 42,16 49,54 2,88 1,51 62,53 84,74 2,94 2,94 13,44 37,80 3,35 15,26 11,20 2,97 27,00 30,00 28,28 104,28 15,33 29,60 Material Supondo que o som percorra o material com velocidade constante, temos do movimento uniforme: V = S / t (S= espaço percorrido; t= tempo decorrido); Dentro de um ciclo da onda, façamos a seguinte comparação: S (comprimento de onda- percurso efetuado pela onda em um ciclo); t T (período- tempo decorrido para a onda percorrer um ciclo); Logo, V = / T; mas T = 1 / f ; então, V = * f Unidades usuais de velocidade em ultrassom: m/s; mm/s; pol./s 1 m/s = 1000 mm/s; 1 pol./s = 25,4 mm/s; 1 m/s = 39,37 pol./s. 5.3- Comprimento de Onda Quando atiramos uma pedra num lago, imediatamente criamos uma perturbação no meio e formemos assim, ondas superficiais circulares que se propagam sobre a água. Neste simples exemplo, podemos imaginar o que definimos anteriormente de frequência como sendo o número de ondas que passam pelo observador fixo, também podemos imaginar a velocidade de propagação pela simples observação e ainda podemos estabelecer o comprimento entre dois picos de ondas consecutivos. Comprimento de Onda (): Uma onda transporta energia, mas não matéria. Ocorre uma oscilação das partículas em seu ponto de equilíbrio. O comprimento de onda é definido como a distância entre 12 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL duas cristas ou dois vales sucessivos. O comprimento de onda equivale a um ciclo completo da onda. Unidades usuais de em ultrassom: mm; m; cm; polegadas. 5.4 - Relação entre Velocidade, Comprimento de onda e Frequência. Considerando uma onda sônica se propagando num determinado material com velocidade “v”, frequência “f” e comprimento de onda “”, podemos relacionar estes três parâmetros como segue: v = . F Teremos: V= . f ou = V/f Sendo V = 5920 000 mm/s / 2000000 Hz = 2,96 mm sendo que a menor descontinuidade que pode ser detectada é 1,48 mm ( --Metade do Comprimento de onda define a menor descontinuidade detectável por ultrassom A relação acima permite calcular o comprimento de onda, pois a velocidade é em geral conhecida e depende somente do modo de vibração e o material, por outro lado à frequência depende somente da fonte emissora que também é conhecida. Esta relação é de significante importância, pois o comprimento de onda relaciona-se diretamente com o tamanho do defeito a ser detectado. 5.5 - Propagação de Onda Descrevemos os meios de propagação como sendo formados por partículas ligadas entre si, que podiam vibrar numa posição. Compreendemos, no entanto, que o meio no qual a onda se propaga não apresenta alteração permanente com a passagem da perturbação. Ocorre apenas um deslocamento de porção infinitesimal, atingida pelo pulso. Isto significa que a propagação da perturbação de um ponto para outro não implica em transporte de matéria entre esses pontos, mas somente transmissão de energia. É evidente a impossibilidade de transmissão de som no vácuo, pela ausência de matéria. A onda sônica, ao transmitir de um meio ao outro com características acústicas diferentes sofre uma mudança na sua velocidade e também no comprimento de onda. Entretanto o único parâmetro que permanece constante é a frequência. Outro parâmetro que se altera é a energia ou intensidade sônica. A energia sônica ao ser transmitida de um meio ao outro com características acústicas diferentes diminui em virtude da reflexão sofrida pela onda neste meio. O plano de mudança denomina-se interface. Uma descontinuidade interna presente mo material, via de regra inclusões não metálicas, bolhas de gás, representam uma interrupção na continuidade das propriedades acústicas do material e, portanto, interfaces (descontinuidades). Este fundamento é de vital importância e nele se baseia o exame ultrassônico. 13 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 5.6- Impedância Acústica A energia transmitida ou refletida depende exclusivamente da Impedância Acústica dos meios em questão. É definida como sendo o produto da velocidade de propagação pela densidade específica do meio. Z= impedância acústica =densidade específica do material x velocidade do som no material. 5.7 Reflexão Fenômeno que ocorre quando uma onda sônica incide numa interface qualquer. Fig 13- incidência, reflexão da onda, ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Ex: imagem no espelho. 5.7.1 - Incidência Normal Quando uma onda incide perpendicularmente numa interface qualquer, a reflexão ocorrerá na mesma direção, porém sentido contrário. Interface= separação acústica entre dois materiais Fig. 14- incidência normal no material com reflexão e transmissão da onda por uma ¨interface ¨. 5.7.2 - Incidência Oblíqua Quando uma onda incide segundo um ângulo teta qualquer numa interface, ocorre imediatamente a reflexão com ângulo teta-idêntico. Este fenômeno é bem conhecido, entretanto ocorre um segundo fenômeno que consiste na mudança do modo de vibração da onda original incidente no ponto considerado, passando a refletir também uma segunda onda com modo de vibração diferente e ângulo. 14 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 5.8 Refração 5.8.1- Incidência Normal No caso da onda incidente perpendicularmente à interface, a refração ocorrerá na mesma direção e sentido da onda incidente. 5.8.2 -Incidência Oblíqua (Quando uma onda incide segundo um ângulo a refração ocorrerá no ponto considerado da interface com o ângulo ). O conhecimento dos fatores de transmissão e reflexão é de grande importância, pois justifica o uso de líquidos acoplantes para o contato entre os transdutores ultrassônicos e a peça examinada, assim como, defini a possibilidade da aplicação do exame em certos tipos de uniões metálicas. Fig 15= onda incidente mostrando o efeito de reflexão, refração da onda, devido a diferença de velocidade dos materiais, a lei de Snell depende da relação das velocidades dos materiais Por meio da lei de Snell é possível determinar as direções de ondas refletidas e refratadas, quando certas ondas ultrassônicas obliquas, incidem em uma interface. Segundo essa lei, a relação entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração e igual a razão das velocidades correspondentes das ondas incidente e refratada. A equação abaixo demonstra matematicamente essa relação. Formula da lei de snell, cálculo das relações de velocidades, refração da onda 5.9 – Atenuação sônica A onda ao percorrer um material qualquer sofre em sua trajetória efeitos de difração, dispersão e atenuação resultando em perdas de energia (atenuação). -Fatores que causam atenuação-- Difração, absorção, Dispersão (efeitos de atenuação do material) A dispersão deve-se ao fato da matéria não ser totalmente homogênea, contendo interfaces naturais de sua própria estrutura ou processo de fabricação. Por exemplo, fundidos que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas. Para esta mudança de características elásticas em um mesmo material denominamos Anisotropia. A dispersão exerce influência principal na atenuação quando o grão for da ordem de 1/10 do comprimento de onda. 15 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL A absorção pode ser entendida como a energia gasta pela onda mecânica para fazer oscilar cada partícula no meio A dispersão e a absorção serão maiores quanto maior for à frequência ultrassônica. O fenômeno da absorção ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um meio elástico. É a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio execute um movimento de oscilação, transmitindo a vibração às outras partículas do próprio meio. Portanto, o resultado dos efeitos de dispersão e absorção quando somados resultam na atenuação sônica. Na prática, este fenômeno poderá ser visualizado, quando observamos na tela do aparelho de ultrassom, 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 somatória de todos os componentes responsáveis diretos pela perda de energia sônica, durante sua propagação, resultando no fenômeno da atenuação sônica. Fig. 16 – representação matemática da atenuação Exemplo de aplicação: Quais são os ganhos correspondentes a uma queda de 50 % e 20 % nas amplitudes de dois sinais na tela do aparelho de ultrassom, como mostrado na figura abaixo? a) para variação de 50% G = 20 log 0,50 dB G = - 6 dB b) para variação de 20 % G = 20 log 0,20 dB G = -14 dB 16 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL A tabela abaixo, apresenta alguns valores de atenuação. 5.10 – Medida da atenuação Definições de Bell , Decibell e Ganho Nível de Intensidade Sonora: O “Bell” abreviado “B” é uma grandeza que define o nível de intensidade sonora (NIS) que compara as intensidades de dois sons quaisquer, como segue: N.I.S. = log I /Io= dB Onde I e Io são duas intensidades sonoras medidas em Watts por centímetros quadrados (W/cm2). Por outro lado, o decibel equivale a 1/10 do Bell e em geral é normalmente utilizado para medidas de N.I.S., e, portanto, a equação será: N.I.S. = 10 log I/I0 dB Entretanto, a teoria dos movimentos harmônicos na propagação ondulatória nos ensina que a intensidade de vibração é proporcional ao quadrado da amplitude sonora, I = (A)2, e, portanto, devemos rescrever na forma de N.A.S (nível de amplitude sonora): N.A.S. = 10log (A)2/ (A0)2 dB (Nível de amplitude sonora). N.A.S. = 20 log A/A0 dB Esta relação pode ser entendida como sendo a comparação efetuada por um sistema eletrônico de duas amplitudes de sinais, emitida e recebida pelo transdutor ultrassónico, ou simplesmente conhecido por “Ganho”. 17 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL A título de curiosidade, fazendo um comparativo com nosso sentido auditivo, aqui vão alguns sons comuns e seus índices em decibéis: • Próximo ao silêncio total = 0 dB (padrão comparativo) • Um sussurro - 15dB • Conversa normal - 60 dB • Uma máquina de cortar grama -90 dB • Uma buzina de automóvel - 110 dB • Um show de rock ou um motor a jato - 120 dB • Um tiro ou um rojão – 140 dB Qualquer som acima de 85 dB pode causar perda de audição, e a perda depende tanto da potência do som como do período de exposição. 6- GERAÇÕES DAS ONDAS ULTRASSÔNICAS 6.1 - Efeitos Piezoeléctricos As ondas ultrassônicas são geradas ou introduzidas no material através de um elemento emissor com uma determinada dimensão e que vibra a certa frequência. Este emissor emite um feixe de ondas com uma determinada forma (circular, retangular), sendo que esquematicamente representamos somente a onda central do feixe. A onda pode ser detectada, por exemplo, por um microfone; a pressão exercida pela onda atua sobre uma membrana e seu valor (grandeza) pode ser medido. Tanto o elemento emissor como o receptor é denominado transdutor, muitas vezes designados cabeçotes, pois transformam um tipo de energia em outra. Diversos materiais (cristais) apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma lâmina de certo formato (placa) e aplicarmos uma pressão sobre a mesma, surgem em sua superfície cargas elétricas. O efeito inverso também é verdadeiro: se aplicarmos dois eletrodos sobre as faces opostas de uma placa de cristal piezelétrico de maneira que possamos carregar as faces eletricamente, a placa comporta-se como se estivesse sob pressão e diminui de espessura. Tal fenômeno é obtido aplicando-se eletrodos no cristal piezelétrico com tensão elétrica alternada da ordem de centenas de Volts, de maneira que o mesmo se contrai e se estende ciclicamente. Se tentarmos impedir esse movimento a placa transmite esforços de compressão as zonas adjacentes, emitindo uma onda longitudinal, cuja forma depende da frequência de excitação e das dimensões do cristal. 18 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL O efeito piezelétrico direto é utilizado para a recepção de ondas ultrassônicas e o efeito inverso para gerar. Neste caso aplica-se aos eletrodos da placa piezelétrica tensão elétrica alternada (da ordem de 1000v), de maneira que a mesma se contrai e se distende ciclicamente. Se tentarmos impedir esse movimento, a placa transmite esforços de compressão às zonas adjacentes, emitindo uma onda longitudinal cuja forma depende da frequência de excitação e das dimensões da placa. 6.2 - Propagação das Ondas Acústicas no Material Campo Próximo ou Zona de Fresnel Para o entendimento dos fenômenos que iremos descrever a seguir, imaginemos que o cristal piezelétrico gerador de ondas ultrassônicas, seja formado por infinitos pontos oscilantes de forma que cada ponto produz ondas que se propagam nomeio. Tal qual uma pedra que caindo num lago de águas calmas produzirá ondas circulares na superfície, cada ponto do cristal também se comportará da mesma forma, ou seja, produzirá ondas esféricas no meio de propagação, como mostra a figura seguinte. Os pontos selecionados 1, 2 e 3 do cristal emitem ondas esféricas que se propagam no meio. Campo Longínquo ou Distante ou Zona de Fraunhofer A região que vem a seguir do campo próximo é o campo longínquo também denominado pela literatura especializada de Campo Distante. Nesta região a onda sônica se diverge igual ao facho de luz de uma lanterna em relação ao eixo central e ainda diminui de intensidade quase que com o inverso do quadrado da distância. 19 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Exemplo de aplicação: Calcule o campo próximo de um transdutor normal com diâmetro 10 mm e frequência de 4 MHz, quando inspecionando aço. EXEMPLO DE CÁLCULO: Para o cálculo é necessário que as unidades estejam coerentes, ou seja: “D “ em mm , “f” em Hz , “ll” em mm e “v” em mm/s Sendo: v = 5900 m/s ou 5900.000 mm/s , para o aço N = (Def).2 / 4.ou N = (Def).2.f / 4.v = (10)2 x 4.000.000 / 4 x 5900.000 mm N = 16 mm. Campo próximo representa para efeitos práticos, uma dificuldade na avaliação ou detecção de pequenas descontinuidades, isto é, menores que o diâmetro do transdutor, situadas nesta região próxima do transdutor. Obs: Portanto o inspetor de ultrassom deve ficar atento a este problema Divergência do Feixe Sônico: Outro fenômeno físico que é responsável pela perda de parte da intensidade ou energia da onda sônica é a divergência que se pronuncia à medida que afastamos da fonte emissora das vibrações acústicas. Tal fenômeno pode ser observado detectamos um defeito pequeno com o feixe ultrassônico central do transdutor, em que nestas condições a amplitude do eco na tela do aparelho é máxima. Porém quando afastamos o transdutor lateralmente ao defeito, a amplitude diminui ,indicando uma queda da sensibilidade de detecção do mesmo defeito. Este fenômeno é medido pelo fator "k" na fórmula da divergência, e assume valores mostrados na tabela abaixo. Quanto mais a 20 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL borda do feixe Sônico incide na descontinuidade, menor será a amplitude do eco e que está relacionado ao fator "k". OBS: O FATOR k1 E K2 DEPENDEM DA SENSIBILIDADE REQUERIDA 7. – TRANSDUTORES ( cabeçotes) O campo próximo representa para efeitos práticos, uma dificuldade na avaliação ou detecção de pequenas descontinuidades, isto é, menores que o diâmetro do transdutor, situadas nesta região próximas do transdutor. Portanto o inspetor de ultrassom deve ficar atento a este problema. 7.1 Retos ou normais. São assim chamados os cabeçotes monocristal, geradores de ondas longitudinais, normal à superfície de acoplamento. Em geral os transdutores normais são circulares, com diâmetros de 5 a 25 mm, com frequência de 0,5 – 1 – 2 – 2,5 – 4 – 5 – 6MHZ. A face de contato do transdutor deve ser protegida contra desgaste mecânico. 21 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 7.2 Angulares A rigor diferem dos transdutores retos pelo fato de o cristal formar um determinado ângulo com a superfície do material. O ângulo é obtido inserindo uma cunha de plástico entre o cristal e a superfície. Deve ficar claro que o cristal piezo elétrico emite uma onda longitudinal, porém no material penetra uma onda transversal, sendo esta a grande diferença em relação ao transdutor reto. 7.3 cabeçotes Duplos Cristal Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos com transdutores retos ou angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir materiais de pequena espessura ou quando se deseja detectar descontinuidades logo sob a superfície do material, a “zona morta” existente na tela do aparelho impede uma resposta clara. O cristal piezelétrico recebe uma resposta num espaço muito curto após a emissão, não tendo suas vibrações sidas amortecidas suficientemente. Neste caso somente um transdutor que separa a emissão da recepção pode ajudar. 22 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL • • Vantagens do uso do transdutor SE Melhor para inspeção em espessuras finas; Não sofre interferência do campo próximo e da zona morta; • Limitações 1. Espessura limitada ao campo sônico, profundidade limite; 2. Presença do ¨cross talk eco¨; 3. Sofre desgaste durante o uso, limitando sua vida útil devido a espessura limite. 8.- TIPOS DE CRISTAIS 8.1 - Materiais piezelétricos são: O Quartzo, o Sulfato de Lítio, o Titanato de Bário, o Metaniobato de Chumbo. Os cristais acima mencionados são montados sobre uma base de suporte (bloco amortecedor) e junto com os eletrodos e a carcaça externa constituem o transdutor ou cabeçote propriamente dito. • • • • • • Quartzo- (cristal natural) Estável eletricamente e suporta temp. 576° C Deficiente como gerador de energia • • Titanato de Bário- sinterizado) sintético -É o mais utilizado em us, cerâmico, melhor transmissor de energia sônica, é frágil e tem tendência ao envelhecimento Sulfato de Lítio- (hidratado)sintético Melhor receptor, é solúvel em água, é instável e suporta temp. até 75 °C 23 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL • • • • • Metaniobato de Chumbo – Sinterizado) sintético Titanato zirconato de chumbo (sinterizado) -Bons transmissores de energia, suportam altas temperaturas, tendência ao envelhecimento. 9- Técnicas de inspeção Técnicas de Inspeção A inspeção de materiais por ultrassom pode ser efetuada através de dois métodos ou técnicas como segue. Técnica de Impulso-Eco ou Pulso-Eco É a técnica onde somente um transdutor é responsável por emitir e receber as ondas ultrassônicas que se propagam no material. Portanto, o transdutor é acoplado em somente um lado do material, podendo ser verificada a profundidade da descontinuidade, suas dimensões, e localização na peça. Técnica de Transparência É uma técnica onde é utilizado dois transdutores separados, um transmitindo e outro recebendo as ondas ultrassônicas. Neste caso é necessário acoplar os transdutores nos dois lados da peça, de forma que estes estejam perfeitamente alinhados. Este tipo de inspeção, não se pode determinar a posição da descontinuidade, sua extensão, ou localização na peça, é somente um ensaio do tipo passa não passa. 24 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 10- APARELHO DE ULTRASSOM Basicamente o aparelho contém circuitos eletrônicos especiais que permitem transmitir ao transdutor ultrassônico pulsos elétricos ao cristal, gerando assim ondas sônicas e por outro lado captar os pulsos recebidos pelo transdutor, transformando os mesmos em sinais ou ecos. 10.1 - CONTROLES BÁSICOS DO APARELHO DE ULTRASSOM -Aparelho digital da GE, tipo usm GO -Aparelho Analógico Básico de ultrassom, marca Krautkramer mod. USM-2.(utilizados nos anos 1970 ) 10.1 Controles de Ganho O controle de altura do eco proveniente de uma interface se faz através do ganho do equipamento. Este é o controle de recepção da energia da onda refletida que chega ao transdutor. 10.2 - Controles de Energia Determina a amplitude de oscilação do cristal. Tanto o controle de energia e ganho variam a altura do eco de reflexão. 25 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 10.3 - Ajustes de Escala Em geral mostram dois controles, um grosseiro e outro de ajuste fino. São usados conforme as dimensões a serem testadas. 10.4 - Ajustes de Velocidade de Propagação O aparelho é ajustado para medir o tempo de percurso do som na peça ensaiada. Através da relação S = v x t onde o espaço percorrido (S) é proporcional ao tempo (t) e a velocidade de propagação (v) no material. 10.5- Ajustes do Supressor de Ruídos Todo equipamento de ultrassom é afetado por ruídos inerentes ao aparelho e ruídos externos de acoplamento, etc. Os ecos provenientes de ruídos aparecem na tela em forma de ecos sem definição. Para suprimir esses ecos que podem prejudicar o ensaio do material é feito o ajuste de controle de ruídos. 11- PRÁTICA DE ENSAIO POR ULTRASSOM No ensaio, o que interessa é medir a intensidade do sinal elétrico de retorno (tensão), recebido no transdutor, e o tempo transcorrido entre a emissão do pulso e o retorno do eco. Imagine que se tenha em mãos uma chapa de aço de 50mm de espessura e precise medir o tempo que o som leva para percorrer o caminho de ida e volta através dessa espessura. Sabendo que: Espessura (e) = 50 mm Velocidade de propagação do som no aço (v) = 5.920m/s Tempo (t) = 2 x e/v t = 2 x 0,050m/5.920m/s t = 0,0000168s ou t = 16,8 micro segundos O equipamento que realiza tais medidas no ensaio de ultrassom é um tipo de osciloscópio. Os sinais elétricos recebidos do transdutor são tratados eletronicamente no aparelho e mostrados numa tela, a partir da qual o técnico de ultrassom interpreta os resultados. Na tela, vemos na vertical a intensidade do sinal elétrico de saída do eco e de retorno, na horizontal, o intervalo entre a emissão e a recepção do pulso. Além de operar como osciloscópio, efetuando medições (fonte receptora, o aparelho possui também uma fonte emissora de sinais elétricos, para gerar o ultrassom através dos transdutores). Na prática, o valor numérico dessas medidas não nos interessa, pois trabalhamos por meio de comparações. Comparamos as alturas e as distâncias entre os pulsos na relação com outros conhecidos e ajustados previamente na calibração do aparelho. 12- PROCEDIMENTOS PARA REALIZAÇÃO DO ENSAIO 12.1 Seleção dos Parâmetros de Exame Inúmeros são os parâmetros ou variáveis a serem escolhidos para realização do exame ultrassônico. Tais parâmetros deverão ser selecionados pelo operador levando em conta os tamanhos e tipos de defeitos a serem detectados, tipo de material, geometria ou forma da peça ou seção a ser examinada, especificações de fabricação e inspeção. 26 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 12.2- Método de Ensaio Ensaio por Contato Direto O acoplante é colocado em pequena quantidade entre a peça e o cabeçote formando uma película. O acoplante pode ser água, óleo, graxa, cola umectante, óleo industrial, entre outros, e temos que levar em consideração o meio ambiente, a contaminação da peça e se o mesmo vai prejudicar o uso posterior da peça, sendo assim a escolha do acoplante é de uma importância grande no ensaio de ultrassom, pois temos que levar em consideração o custo, fator este que pode inviabilizar o ensaio. Ensaio por Imersão A peça e o cabeçote são mergulhados num líquido, geralmente água, obtendo se um acoplamento perfeito. A construção de dispositivos adaptados ao tipo de peça a ensaiar. 27 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL No ponto "0" da escala calibrada para o aço, temos o pulso inicial do transdutor. A primeira reflexão proveniente da superfície do material (1) aparece na marca 4 da escala. Como a água possui velocidade sônica cerca de 4 vezes menor que a do aço, esse pulso parecerá na marca de 4 vezes a espessura da coluna d'água. O segundo eco de entrada na superfície do material aparece na marca 8 da escala. Após à primeira reflexão na tela, temos uma sequência de ecos (2), (3) e (4) correspondendo ao eco de fundo da peça. 12.3 - Escolha da Frequência A escolha de frequência deve ser feita sempre em função do tipo de material e tamanho dos defeitos a serem detectados. Quando altas frequência, da ordem de 4 ou 5 MHz, forem usadas, pequenos defeitos serão detectados. Em geral o diâmetro mínimo detectado é da ordem da metade do comprimento de onda (Y/2). Portanto o operador deverá conhecer, através das especificações ou normas, quais os diâmetros de descontinuidades relevantes no material, para correta escolha da frequência. Por outro lado, altas Frequências possuem pequenos comprimentos de onda, que interferem na estrutura do material, fazendo com que os ecos em grande quantidade apareçam na tela do osciloscópio do aparelho de ultrassom. Em geral, a frequência de 2-4 MHz é normalmente utilizada para inspeções de soldas, chapas forjadas e outros de media ou fina granulação. Por outro lado, a inspeção de fundidos sempre traz sérios problemas em virtude da estrutura grosseira de tais materiais e neste caso recomenda-se frequências de 0,5 a 1 MHz. 12.4 Escolha do Transdutor Ultrassônico A escolha do transdutor está associada à geometria da peça, granulação, área disponível para a varredura da peça a ser examinada. Os transdutores diferem entre si no tamanho do cristal, frequência e tipo angular ou normal. 28 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Se a área a ser examinada tiver acesso direto, o transdutor normal é indicado. Exemplo: chapas, eixos, etc.; Se a área a ser examinada não tiver acesso direto, transdutores angulares. Devem ser indicados. Exemplo: soldas não retificadas; Regiões que podem apresentar descontinuidades com orientações preferenciais seguem a escolha de transdutores que produzem feixes Sônicos na direção perpendicular à direção da falha. 12.5 -Seleção da Técnica de Exame Técnica Pulso-Eco É o método onde se emprega um único transdutor para emitir e receber ondas ultrassônicas. Neste caso, o transdutor não emite continuamente ondas sônicas, mas sim pulsos de ondas, daí o nome Pulso-Eco ou ondas pulsadas. Este método, aplicado em 90% dos casos, possui inúmeras vantagens, tais como: -se localizar a descontinuidade; a altura do sinal refletido; Técnica de Transparência É o método, onde se emprega dois transdutores separados, sendo um como emissor ultrassônico e o outro receptor. Neste caso, os transdutores são acoplados entre as superfícies paralelas, que contém a região a ser examinada, como mostra a figura esquemática abaixo: O método de transparência, normalmente é aplicado em peças onde não se pretende avaliar ou localizar as descontinuidades existentes, internamente, mas apenas detecta-las e submeter a uma inspeção do tipo “passa não passa”. Devido a esta característica, o método possui limitações intrínsecas tais como: se pode localizar a descontinuidades; processo; examinada. Técnica de Imersão Para evitar as variações inerentes a um acoplamento manual, desenvolveu-se a técnica de imersão. Neste método tanto o corpo de prova como o transdutor opera debaixo de água, geralmente dentro de um tanque. Na técnica de imersão o acoplamento é sempre homogêneo e independente da sensibilidade manual. Os tanques de imersão possuem dispositivos de fixação e de movimentação do corpo de prova assim como geralmente incorporam um sistema de fixação do transdutor com todos os movimentos. Tanto os movimentos do transdutor como os corpos de prova são comandados eletricamente programadas em computador especial. Estas unidades são geralmente utilizadas em institutos de pesquisa. Técnica do Duplo Cristal Para ensaiar peças com pouca espessura, na qual se espera encontrar descontinuidades próximas a superfície, os transdutores pulso eco não são adequados. 29 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Neste caso usamos outro tipo de transdutor o transmissor e receptor (TR) de duplo cristal. A zona morta, neste caso é menor. Técnica DELTA Técnica especialmente desenvolvida para ensaio de soldas com grande espessura, principalmente na área de construção de componentes nucleares. Opera com um transdutor angular como emissor e outro normal ou reto como receptor. O transdutor receptor R capta sinais dissipados (ondas longitudinais e ondas transversais) pelo flanco superior da descontinuidade. Técnica TANDEM Técnica de transparência, também utilizada na área ferroviária na inspeção de soldas elétricas por resistência em trilhos, ensaio de soldas com grande espessura, principalmente na área de construção de componentes e hidroelétricos. Opera com dois transdutores angulares de 45°, um sendo emissor e outro como receptor. O transdutor emissor envia a onda transversal que caso a mesma encontre uma descontinuidade vertical na solda, que pode ser causada pelo não caldeamento vai refletir e ser enviada para o transdutor receptor que é do mesmo ângulo, em geral utilizamos o ângulo de 45°, este recebe o sinal enviado e sentido pelo transdutor cabendo ao inspetor interpretar as indicações caso elas sejam analisadas por um critério de aceitação. Técnica com Transdutores Angulares Imagine a colocação de qualquer dos transdutores vistos anteriormente sobre um cordão de solda. Não teríamos acoplamento suficiente para o ensaio. Neste caso usamos os transdutores angulares, que possibilitam um acoplamento perfeito e a detecção das descontinuidades. 13. CALIBRAÇÃO A calibração é feita para atender os critérios de aceitação preestabelecidos pela engenharia da fábrica, a comparação de um aparelho com um padrão é uma calibração. 30 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Ajuste da Escala (distância) Iniciamos a calibração ligando o aparelho e conectando o cabo coaxial ao transdutor escolhido ao aparelho. Selecionamos a função para operação com transdutor monocristal pulse eco. Os aparelhos de ultrassom possuem escalas de medição para ajuste da tela, ou seja, ajuste do tempo de resposta para jogar o pulso na tela. Exemplo de escalas que um aparelho pode possuir: Ajuste da Sensibilidade de Resposta É nesta fase que ajustamos a sensibilidade do aparelho para detectar as descontinuidades preestabelecidas como defeitos. Vimos que o sinal de retorno é atenuado em função da distância da descontinuidade à superfície. Portanto, necessitamos elaborar uma curva de atenuação de sinal para nos orientarmos. Para isso, podemos tomar como referência um corpo de prova conhecido, em aço, com furos propositalmente crescentes da superfície. Traçamos então a curva de atenuação do sinal em função da espessura da peça, de modo a termos uma intensidade de sinal suficiente mesmo para os furos localizados próximo à face inferior da peça. Agora é só adaptar a curva sobre a tela do aparelho e inspecionar o bloco de aço. 14 - LOCALIZAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES Acoplamos o transdutor sobre a peça como mostra a figura seguinte. Movimenta-se lentamente o transdutor sobre toda a superfície a ser ensaiada, efetuando uma varredura na peça. Essa varredura deve ser feita pelo menos em duas superfícies da peça, pois dependendo da posição da descontinuidade (topo, transversal ou longitudinal) o sinal será maior ou menor. Qualquer pulso que apareça entre 0 e 8 na tela, acima da curva de atenuação, como por exemplo S3 será interpretado como defeito. Os que ficarem abaixo, como por exemplo, S4 serão descontinuidades. 15 -REALIZAÇÃO DO ENSAIO COM TRANSDUTOR ANGULAR Há situações em que o ensaio com transdutores normais não é possível. É o caso de uma chapa de aço soldada. A inspeção no cordão de solda é praticamente impossível com os cabeçotes normais. Por isso, devemos usar cabeçotes angulares, que enviam pulsos em determinados ângulos com a superfície do material, como por exemplo, 35º, 45º, 60º, 70º, 80º etc. O processo de calibração é semelhante ao realizado para os transdutores normais. Como por exemplo, usaremos a escala de 0 a 100 mm, com K=10mm e transdutores de 60º. Para esta finalidade, dois blocos padrão podem ser utilizados: V1 ou V2. Usaremos neste caso o bloco V2. 31 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 16- Blocos Básicos de Calibração Exemplo de aplicação. Bloco V1= CALIBRAÇÃO DA escala de distancia Tais blocos são construídos segundo normas EN12223 e EN-27963, de materiais que permitem o exame ultrassônico em aço carbono não ligado ou de baixa liga, com velocidade sônica de 5920 + 30 m/s para ondas longitudinais e 3255 +15 m/s, para ondas transversais. 32 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Bloco v2 – calibração da escala de distancia Bloco de calibração Tipo 2 (Norma EN27963). Espessura do bloco 12,5 mm 33 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Exemplo de aplicação com inspeção em fundidos. Lembramos que qualquer trabalho realizado por ultrassom depende de um procedimento específico para a inspeção com critérios de aceitação previamente estabelecidos de acordo com normas e especificações técnicas -EXEMPLO DO ENSAIO POR ULTRASSOM EM MATERIAIS FUNDIDOS, NA DETECÇÃO DE RECHUPE, DESCONTINUIDADE TÍPICA DE MATERIAIS FUNDIDOS. 34 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 17- QUESTIONARIO DE ULTRASSOM – TEORIA GERAL 1. A indicação na tela do osciloscópio que representa a superfície oposta em que se apoia o cabeçote na peça em exame é denominada: a) eco de fundo. b) pico, c) pulso inicial, d) eco principal, 2. No exame por imersão, a posição do cabeçote é frequentemente variada para transmitir o som para a superfície da peça em exame de modo que incida nesta em vários ângulos. Este procedimento é denominado: a) dispersão, b) angulação. c) teste de reflexão, d) refração, 3. O cabo que conecta o aparelho de ultrassom ao cabeçote e especialmente protegido de forma que um condutor seja perfeitamente centrado dentro de outro condutor. O nome tecnicamente correto deste cabo é: a) cabo bx, b) conduite, c) cabo coaxial. d) cabo condutor ultrassônico grau 2º, 4. O processo para comparar um instrumento ou dispositivo com um padrão é : a) calibração. b) angulação, c) atenuação, d) correlação, 5. As ondas de compressão são também denominadas: a) ondas de lamb, b) ondas longitudinais. c) ondas de corte, d) ondas transversais, 6. As ondas de Rayleigh são também denominadas: a) ondas de corte, b) ondas de superfície. c) ondas longitudinais, d) ondas transversais, 7. O material usado entre a face do cabeçote e a superfície em exame para melhorar a transmissão das ondas ultrassônica é denominado: a) agente umedecedor, b) transmissor acústico, c) acoplante. d) lubrificante, 8. O material piezoeléctrico existente em um cabeçote que vibra para produzir ondas ultrassônica, é denominado: a) bloco de apoio, b) cristal piezoeletrico. c) cunha de lucite, d) acoplante, 35 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 9. O exame de uma peça por meio de ultrassom, onde o cabeçote está em contato direto com a peça é denominado: a) exame utilizando cabeçote normal, b) todas estas respostas estão certas. c) exame com ondas superficiais, d) exame utilizando cabeçote angular, 10.O método de exame por meio de ultrassom que emprega dois cabeçotes trabalhando em superfícies opostas da peça em exame, é denominado: a) exame por contato, b) exame por ultrassom com ondas superficiais, c) exame por ultrassom com ondas de lamb, d) método de exame por transparência. 11.O número de ondas coletadas que passam em um determinado ponto na unidade de tempo é denominado: a) amplitude do movimento ondulatório, b) duração de um pulso do movimento ondulatório, c) frequência do movimento ondulatório. d) comprimento de onda do movimento ondulatório, 12. O limite entre dois materiais diferentes que estão em contato entre si é: a) rarefator, b) refrator, c) interface. d) marcador, 13.O ponto de emissão de um certo cabeçote angular: a) depende do material da peça em exame, b) varia de acordo com o desgaste da sapata. c) não se altera com o uso do cabeçote, d) pode ser modificado para reduzir a atenuação das ondas ultrassônicas, 14.Quando o movimento das partículas de um meio ocorre num plano normal ao sentido de propagação das ondas, estas ondas são denominadas: a) transversais. b) longitudinais, c) superficiais, d) de lamb, 15.Outra maneira de se dizer 25 milhões de ciclos: a) 25 megaciclos. b) 25 quilociclos, c) 2 500 quilociclos, d) 25 microciclos, 16.O método de exame no qual a peça não está em contato com o cabeçote, sendo separada deste por uma camada de água ou outro liquido de acoplante é denominado: a) exame por imersão. b) exame por contato, c) exame por ondas superficiais, d) método de inspeção por transparência, 17.Quando o movimento das partículas de um meio possui sentido paralelo ao sentido da propagação das ondas, estas ondas são denominadas: a) transversais, b) superficiais, c) de lamb, d) longitudinal. 36 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 18.Na tela do aparelho de ultrassom podemos interpretar em sua linha horizontal : a) pulso inicial, b) marcador. c) medidas de tempo ou superfícies refletoras d) linha de varredura, 19.O movimento de um cabeçote ao longo de uma superfície, produzido por processo manual ou mecânico é denominado: a) atenuação, b) angulação, c) varredura. d) ressonamento, 20.O termo usado em ultrassom para expressar a velocidade com que a onda de som passa através de uma substancia é: a) frequência, b) comprimento de onda, c) nenhuma destas respostas está correta, d) velocidade da onda. 21.Quando uma indicação aparece na tela de um aparelho de ultrassom correspondente a um sinal de altura máxima, diz que a indicação chegou a: a) a saturação. b) a altura distancia-amplitude, c) ao nível de absorção, d) nenhuma destas estão certas, 22.O termo usado para descrever a capacidade que um aparelho para exame por meio de ultrassom possui para detectar descontinuidade próximas a superfície em exame é: a) sensibilidade, b) resolução proxima. c) penetração, d) segregação, 23.A técnica usada no exame por meio de ultrassom na qual o feixe de vibrações emitido pelo cristal faz um ângulo com a superfície da peça em exame é denominada: a) técnica de imersão, b) exame por meio de ultrassom utilizando cabeçote angular. c) exame por contato, d) exame por transparência, 24.O ângulo marcado em um cabeçote corresponde ao ângulo: a) que a direção de propagação do feixe de ondas ultrassônica emitido pelo cabeçote faz com a normal a superfície da peça por onde é feito o exame, b) do eixo do cabeçote com a normal a superfície, c) do eixo do cabeçote com o plano da superfície, d) que a direção de propagação do feixe de ondas ultrassônicas emitido pelo cabeçote faz com a normal a superfície por onde é feito o exame em peça de aço. 25.A maioria dos exames por meio de ultrassom na indústria é feita na frequência de: a) de 01 a 25 megaciclos. b) de 01 a 25 quilociclos, c) de 01 a 1000 quilociclos, d) de 15 a 100 megaciclos, 37 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 26.Numa apresentação tipo “A-SCAN” a linha base horizontal representa: a) a quantidade de energia ultrassônica refletida, b) a distância percorrida pelo cabeçote, c) o tempo decorrido, ou distância entre superfícies refletoras. d) a espessura da peça em exame 27.Numa apresentação tipo “A- SCAN” a altura das indicações verticais na tela representa: a) a distância percorrida pelo cabeçote, b) a espessura da peça em exame, c) o tempo decorrido desde a geração do pulso ultrassônico, d) a quantidade de energia ultrassônica refletida que retornou ao cabeçote. 28.A altura máxima da indicação obtida de uma certa descontinuidade de pequeno tamanho, num aparelho de ultrassom tipo “A- SCAN”, pode ser usada como uma medida da: a) sensibilidade do aparelho. b) seletividade do aparelho, c) resolução do aparelho, d) penetração do aparelho, 29. Indique a frequência que proporciona a melhor penetração numa peça de aço com granulação grosseira, com espessura de 330mm: a) 2,25 megahertz, b) 1,0 megahertz. c) 5,0 megahertz, d) 10 megahertz, 30.Fundamentalmente, a velocidade das ondas de som depende: a) da duração do pulso, b) do material através o som se transmite e do tipo de onda. c) da frequência, d) de nenhum dos fatores citados, 31.Um aparelho para exame por meio de ultrassom, usando um cabeçote normal, é usado para examinar uma peça que consiste de uma chapa plana, este exame detecta: a) defeitos transversais, planos, perpendiculares a superfície da chapa, b) defeitos laminares, planos, paralelos a superfície. c) defeitos longitudinais, planos, perpendiculares a superfície da chapa, d) nenhum defeito citado nesta resposta, 32.No exame de uma peça por meio de ultrassom usando-se aparelho com apresentação tipo “ASCAN” e a técnica de contato, o pico inicial: a) é o primeiro pulso que aparece próximo ao lado direito da tela e representa a superfície oposta àquela que está em contato com o cabeçote na peça em exame, b) é um pico que aparece e desaparece durante a varredura, c) é sempre o segundo pulso que aparece na tela, a partir da esquerda, d) é a indicação alta que aparece no lado esquerdo da tela e que corresponde a superfície da peça, que está em contato com o cabeçote. 33.No exame por meio de ultrassom, o uso de acoplante entre o cabeçote e a superfície da peça em exame se faz necessário porque: a) serve como lubrificante para minimizar o desgaste do cabeçote, b) o cristal do cabeçote não vibrará se este for colocado diretamente sobre a peça, c) o acoplante é necessário para fechar um circuito elétrico do cabeçote, d) caso não seja usado, um ar existente na interface entre o cabeçote e a superfície da peça permitirá que apenas uma pequena quantidade de energia ultrassônico gerado no cabeçote seja transmitida para a peça, impedindo praticamente o exame . 38 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 34.A resolução na entrada da superfície e a característica de um aparelho para exame de ultrassom que define sua eficiência na: a) detecção de descontinuidade orientadas numa direção paralela ao feixe de ultrassom, b) detecção de descontinuidade localizada no centro de peças forjadas com granulação finas, c) detecção de descontinuidade localizada logo abaixo da superfície. d) detecção de pequenos arranhões superficiais, 35.Durante o exame por meio ultrassom, pelo método de imersão, é frequentemente necessário mudar de posição o cabeçote, de forma a alterar o ângulo de incidência do feixe ultrassônico na Superfície da peça em exame, isto é feito para: a) aumentar o eco de um defeito, se originalmente ele não estiver orientado perpendicularmente ao feixe ultrassônico. b) evitar o grande número de reflexões secundarias que poderiam interferir com o andamento normal do exame, c) obter o número máximo de reflexões da superfície de incidência do feixe ultrassônico, d) obter um eco da descontinuidade que seja da mesma altura do eco obtido do fundo plano do furo do bloco de referência, 36.Considerando que as demais variáveis permaneçam inalteradas, qual dos seguintes tipos de ondas se propagam com maior velocidade : a) ondas de corte, b) ondas longitudinais. c) ondas transversais, d) ondas superficiais, 37. O método de inspeção por ultrassom por transparência tem sua aplicação típica, quando: a) se pretende avaliar a profundidade das descontinuidades detectadas b) se pretende avaliar o tamanho das descontinuidades enc ontradas c) se pretende avaliar a natureza das descontinuidades encontradas d) se pretende apenas aplicar uma inspeção do tipo passa / não passa 38.Ao examinar uma peça por meio de ultrassom, usando a técnica por imersão, pode ocorrer que o eco inicial tenha a aparência de uma reflexão múltipla da superfície da peça próxima do cabeçote. Isso pode ser eliminado: a) usando uma frequência diferente, b) reduzindo a sensibilidade do aparelho, c) aumentando a espessura de água entre o cabeçote e a peça em exam e. d) usando um dispositivo curvo para correção na frente do cabeçote, 39.Na técnica por imersão prova de o cabeçote está posicionado de forma que o feixe ultrassônico incide normalmente no plano de uma peça em exame é indicada: a) pela máxima reflexão da superfície em que o feixe de ultrassom incide na peça. b) pela eliminação das harmônicas produzidas pela água, c) pelo comprimento de onda adequado, d) pela máxima amplitude do pulso inicial, 40.A desvantagem do uso do cristal de quartzo em cabeçotes reside no fato de que o quartzo: a) é o material usado para gerar energia ultrassônica, que possui menor eficiência energética. b) dissolve-se na água, c) apresenta instabilidade elétrica e mecânica, d) perder suas características de operação à medida que envelhece, 41.As vantagens dos materiais cerâmicos apresentam quando usados em cabeçotes é que: a) apresentam muita eficiência na recepção de energia ultrassônica, b) possuem impedância mecânica muito baixa, c) podem trabalhar em temperaturas de até 700º Celsius, d) apresentam muita eficiência em geração de energia ultrassônica. 39 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL 42.A vantagem proporcionada pelo uso dos cristais de sulfato de lítio em cabeçotes é que: a) esse material é um dos mais eficientes geradores de energia ultrassônica, b) este material é um dos mais eficientes receptores de energia ultrassônica. c) é insolúvel, d) suporta temperaturas de até 700º Celsius, 43.A profundidade de uma descontinuidade não pode ser determinada: a) quando for usado cabeçote normal, b) quando a peça for examinada pelo método de transparência. c) quando a peça for examinada por ondas superficiais, d) quando for usado cabeçote angular, 44. Indique a frequência do cabeçote que possui o cristal de quartzo de menor espessura: a) 01 megaciclo, b) 25 megaciclo. c) 05 megaciclo, d) 15 megaciclo, 45.As ondas de som com frequência superior a máxima que pode ser captada pelo ouvido humano são chamadas de ondas ultrassônicas, este termo se aplica a todas as ondas com frequência superior a: a) 02 megaciclos, b) 02 quilociclos, c) 200 quilociclos, d) 20 000 ciclos. 46.Um cabeçote de 25 megaciclo é adequado: a) quando se usa a técnica de imersão. b) para uso em exames por contato, com ondas longitudinais, c) para uso em exames por contato, com ondas transversais, d) para uso em exames por contato, com ondas superficiais, 47.A divergência de um cristal de quartzo é em função principalmente: a) do tipo de exame que está sendo executado, b) do aperto com que o cristal é montado no cabeçote, c) da duração do pulso, d) do tamanho e da frequência do cristal. 48.Quando um feixe de ondas ultrassônica incide na interface que separa dois materiais desiguais num ângulo diferente a 90º (graus), e passa por ela, sua propagação no segundo material será feita em direção diferente, em outro ângulo em relação a normal com a interface devido a: a) atenuação, b) rarefação, c) compressão, d) refração. 49.A execução de exames pelo método de contato direto usando cabeçotes normais não é pratica em alguns casos: a) porque geralmente é limitado a baixa frequências, b) porque a angulação é impossível e porque geralmente limitado a baixas frequências. c) porque é impossível fazer angulação. d) nenhuma dessas respostas é correta, 50.Nas mesmas circunstancias, qual das frequências relacionadas abaixo proporcionaria a melhor resolução: a) 01 megaciclo, b) 25 megaciclo. c) 05 megaciclo, d) 10 megaciclo, 40 CETRE–APOSTILA DE ULTRASSOM INDUSTRIAL Observação: as respostas certas estão negrito 18- Materiais consultados para realização desta apostila. - Livro Abendi – 2°Edição ano 2016 - Apostila de ultrassom Ricardo andreutti- 2018 - Apostila de ultrassom do cetre- 2010 -1° edição Esperamos com este trabalho estar colaborando para facilitar o aprendizado de mais um método não destrutivo. The end 41
