O documento descreve as principais aplicações do ensaio por ultrassom na indústria, incluindo detecção e avaliação de descontinuidades internas e superficiais e medição de espessuras e propriedades físicas. Ele também discute vantagens do método como não requerer cuidados de segurança e permitir definir profundidade e tamanho de descontinuidades, bem como limitações como faixas de espessura muito finas e necessidade de preparo de superfície.
LEAN SIX SIGMA - Garantia da qualidade e segurança
Ensaios não destrutivos na indústria
1.
2. Hoje na área de inspeção de produtos na
industria moderna, tem grande aplicação em
forjarias , caldeirarias , ferroviária, estruturas
marítimas , automotiva, grandes metalúrgicas,
área de petróleo e petroquímica, papel e celulose,
indústria alimentícia, aeronáutica, gasodutos e
oleodutos, tubulações, sempre como uma
ferramenta indispensável para a garantia da
qualidade.
Principais aplicações
3. ENSAIO NÃO DESTRUTIVO COM O OBJETIVO DE DETECÇÃO
DE DESCONTINUIDADES , PREJUDICAR UMA ATIVIDADE
INDUSTRIAL OU TRAZER DANOS À PESSOAS OU AO MEIO
AMBIENTE.
PRINCIPAIS APLICAÇÕES DO ENSAIO NA INDÚSTRIA
• Detecção e avaliação de descontinuidades internas.
• Detecção de descontinuidades superficiais.
• Medição de espessuras em diversos materiais
• Medição de dureza pelo módulo de elasticidade , bem
como determinar propriedades físicas
4. Vantagens
Não requer cuidados quanto a segurança;
Grandes espessuras não é uma limitação para o ensaio;
Permite definir a profundidade e o tamanho da descontinuidade;
O acesso por uma das superfícies somente.
Laudo imediato
Alta sensibilidade
5.
6. Limitações
•Faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para a aplicação
do método, por motivo da zona morta;
•Pequenas descontinuidades sub-superficiais podem não ser detectadas;
•Requer o preparo da superfície, e em alguns casos existe a necessidade de
remover o reforço de solda;
•Necessidade de blocos padrão e de referência
•Superfícies irregulares constitui uma dificuldade de acoplamento;
•Necessidade do acoplante.
7. Espectro de frequencias
sonoras
Ultrassom são ondas mecânicas ou acústicas com frequência
acima do limite audível. O ensaio de ultrassom utiliza frequências
acima de 20 KHz.
As ondas sonoras se propagam nos sólidos, nos gases e nos líquidos
onde uma partícula transmite a vibração para a partícula vizinha.
8. •INFRA-SOM = f < 20Hz
É toda vibração que possui uma frequência abaixo dos 20 Hz.
• SOM AUDÍVEL de 20Hz até 20 kHz
É toda vibração que pode ser captada pelo ouvido
humano, e sua frequência esta na faixa dos 20 Hz aos
20.000 Hz.
•ULTRA SOM > 20 kHz
É toda vibração que possui uma frequência acima dos 20.000 Hz.
9. FREQUÊNCIA
É o número de vibrações (ciclos) que ocorre num
intervalo de tempo.
1Hz=1 ciclo por segundo ou 1/s.
FREQUÊNCIAS MAIS USADAS NA INDÚSTRIA METALÚRGICA
Na indústria, utilizando o aço como material de ensaio
Faixa utilizada: de 0,5 a 25 mHz
Frequências mais utilizadas: 1, 2, 4 e 5 mHz
10. Podemos definir que:
• 1 Hz = a 1 vibração por segundo (1 ciclo /seg)
• 1000 Hz = 1 KHz = 1000 vibrações por Segundo
• 1.000.000 Hz = 1 MHz = a 1.000.000 de vibrações por segundo
• PERÍODO= TEMPO GASTO PELA ONDA PARA COMPLETAR UM CICLO (s)
11. Definição de Onda : São vibrações mecânicas periódicas na
matéria, que transporta energia sem transporte de matéria
Provocando vários pulsos teremos um trem de ondas
Pulso = Perturbação Onda = movimento do pulso
Fonte = mão da pessoa Meio = corda
12. COMPRIMENTO DE ONDA
distancia entre dois vales ou duas cristas de onda na mesma fase
sensibilidade do ensaio:
METADE DO COMPRIMENTO DA ONDA
DEFINE A MENOR DESCONTINUIDADE DETECTÁVEL NO ENSAIO
POR ULTRASSOM
Frequência fundamental: relação entre espessura do cirstal, velocidade
e frequência – F= V / 2e
13. Velocidade de propagação
do som
• Definimos velocidade de propagação como sendo a distância
percorrida pela onda na unidade de tempo (m/s)
• (depende da propriedade física do meio em que se desloca, modulo de
elasticidade)
• é uma característica do meio, sendo constante independente da
frequência
15. Ondas Longitudinais ou ondas de compressão: se propagam nos sólidos,
líquidos e gases. É a onda de maior velocidade de propagação.
•Emitida por cabeçote normal e duplo cristal
16. Ondas Transversais, de corte ou de cisalhamento: se propagam
somente nos sólidos. Sua velocidade é aproximadamente 50% da onda
Longitudinal.
Emitida por cabeçotes angulares
17. Ondas Superficiais de Rayleigh e de Creeping: se propagam
apenas nos sólidos, velocidade é aproximadamente 10% inferior a
onda transversal. No aço vel. de 2700 m/s.
18. Exemplo 1
Qual a menor descontinuidade que poderá ser detectada na inspeção de
uma chapa de aço com ondas longitudinais e frequência de 4 MHz ?
VL aço = 5920 m/s = 5.920.000 mm/s
f = 4 MHz = 4.000.000 Hz
= V / f = 5920.000__ = 1,48 mm
4.000.000
A menor descontinuidade detectável será de /2 = 0,74 mm
19. Exemplo 2
Qual a menor descontinuidade que poderá ser detectada na inspeção de
uma chapa de aço com ondas transversais e frequência de 4 MHz?
VT aço = 3.250 m/s = 3250.000 mm/s
f = 4 MHz = 4.000.000 Hz
= V / f = 325.0000__ = 0,81 mm
4.000.000
A menor descontinuidade detectável será de /2 = 0,41 mm
20. SE A FREQUÊNCIA É ALTA:
. A DETECTABILIDADE AUMENTA
. A PENETRAÇÃO DIMINUI
. AATENUAÇÃO AUMENTA
21. Efeito piezoelétrico
DEFINIÇÃO: É a propriedade de certos cristais, de transformar energia
elétrica em mecânica e vice – versa
Primeiro efeito piezo elétrico= transformação de energia mecânica em
elétrica
Segundo efeito piezo elétrico= transformação de energia elétrica em
vibração mecânica
22. Tipos de cristais
Quartzo= (cristal natural)
Sulfato de Lítio= (hidratado)sintético
Titanato de Bário= CERÂMICO (sinterizado) sintético
Metaniobato de Chumbo= (sinterizado)sintético
Titanato zirconato de chumbo =(sinterizado)SINTÉTICO
Frequência de ressonância
e = V/2f f = V/2e
Onde V = velocidade do som no cristal
23. Cristais Piezoelétricos
Quartzo (cristal natural)
Estável eletricamente, suporta temperatura 576 C
Deficiente como gerador de energia
Sulfato de Lítio (hidratado)sintético
Melhor receptor, é solúvel em água, é instável e suporta temp até 75
C
Titanato de Bário (sinterizado)sintético
É o mais utilizado em us, cerâmico, melhor transmissor de energia
sônica, é fragil e tem tendência ao envelhecimento
Metaniobato de Chumbo (sinterizado)sintético
Titanato zirconato de chumbo(sinterizado)
Bons transmissores de energia, suportam altas temperaturas,
tendência ao envelhecimento
24. Esses cabeçotes geram ondas longitudinais normais à superfície de
acoplamento. Possuem um único cristal que emite e recebe as ondas
ultrasônicas alternadamente.
Características
•Contato direto
•Emite onda longitudinal
•Não permite angulação
•Problemas de zona morta
•Pulso-eco
Cabeçote Normal
25. Cabeçote Normal
Esses cabeçotes tem a
desvantagem do pulso inicial (zona
morta) sempre ser mostrado na tela
do aparelho. Com isso,
descontinuidades próximas à
superfície não são detectadas.
O pulso inicial é característica do
método pulso-eco, onde parte das
vibrações do cristal, que estão
sendo transmitidas para a peça,
também gera sinal elétrico, que é
convertido em imagem gráfica na
tela do aparelho.
26. Cabeçote Duplo-cristal
Possuem dois cristais, sendo que um somente emite e o outro
somente recebe o impulso ultra-sônico. Os cristais são montados em
blocos independentes, separados por um elemento isolante acústico.
PARA INSPEÇÃO DE PEQUENAS ESPESSURAS
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.
27. Cabeçote Angular
Diferem dos cabeçotes normais pelo fato de o cristal formar um certo ângulo
com a superfície do material. Os transdutores angulares são
confeccionados de maneira que a onda longitudinal refratada a partir da
onda longitudinal que percorre a sapata de acrílico ( plexiglass ) tenha um
ângulo maior que 90º e somente a onda transversal penetre na peça
ensaiada.
28. Cabeçote Angular
Assim como os cabeçotes normais, os cabeçotes angulares também
apresentam problemas para detectar descontinuidades próximas a
superfície, devido a zona morta. Porém, devido à sapata de acrílico, que
retarda a entrada do eco na peça, este efeito é menos significativo.
29. Campo próximo
Região de grande pressão sônica e grande variação na intensidade
do feixe sônico devido a interferência entre frentes de onda. O final do
campo próximo é onde está a maior concentração do feixe sônico.
No campo próximo há dificuldade na avaliação ou detecção de pequenas
descontinuidades, isto é, menores que o diâmetro do transdutor
30. Campo próximo
Fórmulas para cálculo do campo próximo
N = Def 2 . F para cristais circulares
4 . V
N = 1,3 Mef 2 . F para cristais quadrados ou retangulares
V
N = campo próximo
Def = diâmetro efetivo do cristal do transdutor = 0,97 x D real do cristal
F = freqüência do transdutor
V = velocidade longitudinal do material
Mef = Metade do comprimento efetivo do lado maior do cristal retangular,
onde comprimento efetivo = 0,97 x comprimento real
31. Divergência:
Sabemos que na região central do feixe sônico, a sensibilidade
e a intensidade sônica é maior, e na medida que nos afastamos
do eixo central, num mesmo plano, diminui a sensibilidade.
Esse efeito é conseqüência da divergência do feixe sônico,
após percorrido a distância equivalente ao campo próximo, e
pode ser calculada (para cristal circular) através da relação:
Sen y = K . Velocidade do Som (mm/s) .
Diâmetro Cristal (mm) x Freqüência (Hz)
K = Constante em função sensibilidade requerida
32. Campo Longínquo ou Distante
Região após o campo próximo. Nesta região a onda sônica se
diverge igual ao facho de luz de uma lanterna em relação ao eixo
central e diminui de intensidade quase que com o inverso do quadrado
da distância.
33. Impedância acústica
A impedância acústica é definida como sendo o produto da massa
específica ( ρ ) pela velocidade sônica do material ( V )
Z = ρ . V
Com Z em Kg/m2s ρ em Kg/m3 e V em m/s
A impedância acústica determina a quantidade de energia refletida e
transmitida.
Se as impedâncias acústicas de dois materiais forem iguais não
haverá reflexão, e toda a energia será transmitida.
Se as impedâncias acústicas de dois materiais forem muito
diferentes ( como na interface metal-ar ) haverá apenas reflexão.
A porcentagem da energia acústica incidente que será refletida pela
interface depende da razão entre as impedâncias acústicas ( Z2/Z1 ) e
do ângulo de incidência.
34. Incidência normal
R =
Ir
Ii =
( Z2 – Z1 )2
( Z2 + Z1 )2
T =
It
Ii
4( Z2 x Z1 )2
( Z2 + Z1 )2
ou T = 1 - R
Exemplo: Calcular os coeficientes de reflexão e transmissão para
a interface aço-água.
Z aço = 46 . 106 Kg/m2s
Z água = 1,5 . 106 Kg/m2s
35. Incidência normal
Resolução:
R =
Ir
Ii =
( 1,5 – 46 )2
( 1,5 + 46 )2
= 0,88
T = 1 – 0,88 = 0,12
Assim, teremos apenas 12% da
interface sônica que chega na interface
sendo transmitida para o segundo meio.
Os restantes 88% serão refletidos.
36. Lei de Snell
O primeiro ângulo crítico da onda longitudinal incidente é
aquele cujo ângulo da onda longitudinal refratada seja igual a 90º.
38. Acoplantes
•O acoplante= elimina a camada de ar entre o cabeçote e a peça
fazendo com que a impedância acústica seja diminuída a valores muito
baixos e portanto que tenha a transmissão de som
•Em uma interface aço/aço = transmissão 100%
•Em uma interface aço/ar = 0% de transmissão
Água, óleo, carboximetilcelulose, graxa, etc.
Tipos de acoplantes
39. ATENUAÇÃO SÔNICA
principais causas
• Perdas por transmissão
1. Impedância acústica: materiais compostos
2. Absorção: energia gasta para movimentar as
partículas
3. Espalhamento: devido a anisotropia do material
• Efeitos de interferência : difração
• Dispersão do feixe : divergência
40. Atenuação sônica
Podemos definir então que, atenuação são perdas devido a propagação
do som no material, apresenta uma curva exponencial
42. Técnicas de Ensaio
Ensaio por contato
Na maioria das aplicações do ultra som, o cabeçote esta em contato com a peça,
causando atenuação devido a superfície irregular e acoplamento.
X
Ensaio por imersão
Podemos utilizar altas freqüências, pois o cabeçote não esta em contato com a peça.
Ex 25 mhz
o contato com a peça causa atenuação e limita o ensaio a freqüências baixas
45. 45
Utiliza o transdutor angular para inspeção de soldas em função da
impossibilidade de um perfeito acoplamento dos transdutores normais e duplo
cristal na região do reforço da solda. O ângulo de confecção do transdutor
possibilitará a inspeção do chanfro da solda como também o interior da mesma.
Transdutor angular
47. Transparência
Caso não haja nenhuma descontinuidade no material, as ondas chegaram
no receptor praticamente sem perda do sinal (1).
A existência de uma descontinuidade no interior do material, fará com que o
sinal recebido seja menor que no local isento de descontinuidade (2), ou
desapareça totalmente (3).
48. Ressonância
•Este método baseia-se no fato que uma onda elástica entra em ressonância
quando a espessura da peça é igual a um número inteiro de meios
comprimento de onda
•Utiliza-se um feixe contínuo e a frequência é variada até que a peça entre em
ressonância. O fenômeno repete-se nos diferentes harmônicos além da
frequência fundamental.
57. Resolução:
Poder de detecção de descontinuidades próximas entre si.
Sensibilidade:
Capacidade de detecção de descontinuidades pequenas.
É função inversa do comprimento de onda: quanto menor o
comprimento de onda, maior será a sensibilidade.
Campo Próximo:
Região próxima ao cabeçote onde há uma grande interferência
sônica, dificultando a identificação de descontinuidades.
É função direta da Freqüência: quanto maior a freqüência, maior
será o campo próximo.
Definições Importantes
58. Penetração:
Capacidade da onda sônica penetrar no meio em exame.
É função direta do comprimento de onda: quanto maior o
comprimento de onda, maior será a penetração.
Divergência:
Abertura que o feixe sônico sofre durante a propagação da
onda no material.
É função inversa da Freqüência: quanto menor a
freqüência, melhor será a resolução.
Atenuação:
Perda de energia sônica durante a propagação da onda no
material.
É função direta do comprimento de onda: quanto maior o
comprimento de onda, maior será a atenuação.
É a soma das perdas por impedância acústica + absorção +
espalhamento + dispersão + difração.