S rincípios Básicos do Método P, Notas de estudo de Gestão da Qualidade

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Prefácio

“Este trabalho representa um guia básico para programas de

estudos e treinamento de pessoal em Ensaio por Ultrassom,

contendo assuntos voltados para as aplicações mais comuns e

importantes deste método de Ensaio Não Destrutivo. Trata-se

portanto de um material didático de interesse e consulta, para

os profissionais e estudantes que se iniciam ou estejam

envolvidos com a inspeção de materiais por este método de

ensaio."

O Autor

umário

• Ed. Jan./
• Princípios básicos do método.................................................................. Assunto Pág.
• Limitações em comparação com outros ensaios....................................
• Vibrações mecânicas
• Definições de Bell, e Decibel, Ganho......................................................
• Propagação das ondas acústicas no material.........................................
• Geração das ondas ultrassonicas............................................................
• Interface, Acoplantes..............................................................................
• Diagramas AVG ou DGS
• Técnicas de Inspeção..............................................................................
• Aparelhagem............................................................................................
• Formas de Representação na Tela dos Aparelhos
• Procedimentos específicos de inspeção.................................................
• Avaliação e critérios de aceitação...........................................................
• Guia para Exercícios Práticos
• Questões para Estudo
• Gabarito das Questões
• Obras consultadas..................................................................................

rincípios Básicos do Método

Introdução:

Sons extremamente graves ou agudos, podem passar desapercebidos pelo aparelho auditivo humano, não por deficiência deste, mas por caracterizarem vibrações com freqüências muito baixas , até 20Hz (infra-som) ou com freqüências muito altas acima de 20 kHz (ultrassom), ambas inaudíveis.

Como sabemos, os sons produzidos em um ambiente qualquer, refletem-se ou reverberam nas paredes que consistem o mesmo, podendo ainda ser transmitidos a outros ambientes. Fenômenos como este apesar de simples e serem freqüentes em nossa vida cotidiana, constituem os fundamentos do ensaio ultrassonico de materiais. No passado, testes de eixos ferroviários, ou mesmos sinos, eram executados através de testes com martelo, em que o som produzido pela peça, denunciava a presença de rachaduras ou trincas grosseiras pelo som característico. Assim como uma onda sonora, reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassonica ao percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma, ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassonica ao percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma, ao incidir numa descontinuidade ou falha interna a este meio considerado. Através de aparelhos especiais, detectamos as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.

Princípio Básico da Inspeção de Materiais por ultrassom

P

aparelho de ultrassom

imitações em Comparação com outros Ensaios

Assim como todo ensaio não-destrutivo, o ensaio ultrassonico, possui vantagens e limitações nas aplicações, como segue:

Vantagens em relação a outros ensaios:

O método ultrassonico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, por exemplo:

• Trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).
• Para interpretação das indicações, dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção.
• No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme, que via de regra demanda tempo do informe de resultados.
• Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio ultrassonico não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.
• A localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassonico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder um reparo.

Limitações em relação a outros ensaios.

• Requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor.
• O registro permanente do teste não é facilmente obtido.
• Faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para aplicação do método.
• Requer o preparo da superfície para sua aplicação. Em alguns casos de inspeção de solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, que demanda tempo de fábrica.

Nenhum ensaio não destrutivos deve ser considerado o mais sensível ou o mais completo, pois as limitações e as vantagens fazem com que aplicação de cada ensaio seja objeto de análise e estudo da viabilidade de sua utilização, em conjunto com os Códigos e Normas de fabricação.

L

ibrações Mecânicas

Tipos de Ondas:

Como já vimos, o teste ultrassonico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas no meio em que se propaga. A passagem de energia acústica no meio faz com que as partículas que compõem o mesmo, execute o movimento de oscilação em torno na posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em decorrência da perda de energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio em estudo é elástico, ou seja que as partículas que o compõem rigidamente ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direção, então podemos classificar as ondas acústicas em quatro tipos:

Ondas longitudinais (Ondas de compressão):

São ondas cujas partículas oscilam na direção de propagação da onda, podendo ser transmitidas a sólidos, líquidos e gases.

Onda longitudinal

No desenho acima nota-se que o primeiro plano de partículas vibra e transfere sua energia cinética para os próximos planos de partículas, e passam a oscilar. Desta maneira, todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da onda (longitudinal),e aparecerá “zonas de compressão” e “zonas diluídas”. As distâncias

entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda (λ).

V

As partículas oscilam na direção transversal a direção de propagação, podendo ser transmitidas somente a sólidos. As ondas transversais são praticamente incapazes de se propagarem nos líquidos e gases, pela características das ligações entre partículas, destes meios. O comprimento de onda é a distância entre dois “vales” ou dois “picos”.

Velocidades de Propagação das Ondas Transversais

Material Velocidade m/s Ar - Alumínio 3100 Cobre 2300 Acrílico 1100 Alumínio 3100 Ouro 1200 Aço 3200 Aço Inoxidável 3100 Aço Fundido 2400 Nylon 1100 Óleo(SAE30) - Água - Prata 1600 Titânio 3100 Níquel 3000 Magnésio 3000 Fonte: Ultrasonic Testing, Krautkramer

Ondas superficiais ou Ondas de Rayleigh.

São assim chamadas, pela características de se propagar na superfície dos sólidos. Devido ao complexo movimento oscilatório das partículas da superfície, a velocidade de propagação da onda superficial entre duas fases diferentes é de aproximadamente 10% inferior que a de uma onda transversal. Para o tipo de onda superficial que não possui a componente normal, portanto se propaga em movimento paralelo a superfície e transversal em relação a direção de propagação recebe a denominação de ondas de “Love”. Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros materiais.

Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próxima a espessura da chapa ensaiada, neste caso a inspeção não se restringe somente a superfície, mas todo o material e para esta particularidade denominamos as ondas de “Lamb”.

As ondas de “Lamb” podem ser geradas a partir das ondas longitudinais incidindo segundo um ângulo de inclinação em relação a chapa. A relação entre o ângulo e velocidade é feita pela Lei de Snell: sen α / sen β = V1 / V2 , onde α é o angula de entrada da onda na superfície, β = 90^0 , V1 e V2 as velocidades de propagação das ondas nos meios.

O ensaio ultrassonico de materiais com ondas superficiais, são aplicados com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfícies e nestes casos, existem processos mais simples para a detecção destes tipos de descontinuidades, dentro dos ensaios não destrutivos como por exemplo de Líquidos penetrantes e Partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferior ao ensaio ultrassonico.

Freqüência , Velocidade e Comprimento de Onda

Freqüência:

As ondas acústicas ou som propriamente dito, são classificados de acordo com suas freqüências e medidos em ciclos por segundo, ou seja o número de ondas que passam por segundo pelo nossos ouvidos. A unidade “ ciclos por segundos ” é normalmente conhecido por “Hertz”, abreviatura “Hz”.

Assim sendo se tivermos um som com 280 Hz, significa que por segundo passam 280 ciclos ou ondas por nossos ouvidos. Note que freqüências acima de 20. Hz são inaudíveis denominadas freqüência ultrassonica.

Campo de Audibilidade das Vibrações Mecânicas

Considera-se 20 kHz o limite superior audível e denomina-se a partir desta, freqüência ultrassonica.

Teremos: V= λ. f ou λ = V f sendo V = 5900 m/s vem que:

5900 m/s λ = -------------- metros 2 x 10^6 Hz

λ = 2950 x 10-6^ m ou λ = 2,95 mm

O conhecimento do comprimento de onda é de significante importância, pois relaciona-se diretamente com o tamanho do defeito a ser detectado. Em geral , o menor diâmetro de uma descontinuidade a ser detectada no material deve ser da ordem de λ/2. Assim se inspecionarmos um material de velocidade de propagação de 5900 m/s com uma freqüência de 1 MHz , a mínima descontinuidade que poderemos detectar será de aproximadamente 2,95 mm de diâmetro.

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 B I 0 Onde I e Io são duas intensidades sonoras medidas em Watts por centímetros quadrados (W/cm^2 ). Por outro lado, o decibell 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 dB I 0 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 dB (Nível de amplitude sonora). (A 0 )^2

N.A.S. = 20 log A dB A 0

Esta relação pode ser entendida como sendo a comparação efetuada por um sistema eletrônico de duas amplitudes de sinais, emitida e recebida pelo transdutor ultrassonico, ou simplesmente conhecido por “Ganho”.

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

N = Def^2 / 4. λλλλ ou N = Def^2. f / 4.v

onde:

Def = diâmetro efetivo do cristal. É a área acusticamente efetiva do cristal, que depende da sua forma geométrica. Para cristais circulares , Def = 0,97 x diâmetro do cristal. Para cristais retangulares, Def = 0,97 x metade do comprimento do lado maior do cristal. f = frequência ultrassonica

λ = comprimento de onda v = velocidade de propagação do som = λ x f

Exemplo de aplicação:

Calcule o campo próximo de um transdutor normal com diâmetro 10 mm e frequência de 4 MHz, quando inspecionando aço.

Solução: Para o cálculo é necessário que as unidades estejam coerentes, ou

seja: “D “ em mm , “f” em Hz , “ λλλλ ” em mm e “v” em mm/s

Sendo: v = 5900 m/s ou 5900.000 mm/s , para o aço

N = Def.^2 / 4.λ ou N = Def.^2 .f / 4.v = 10^2 x 4.000.000 / 4 x 5900.000 mm N = 16 mm

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.

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.

Em razão da existência do campo próximo , do campo distante, e do fenômeno da divergência , na literatura o campo sônico tem a forma geral visualizada conforme o desenho abaixo.

Classificação teórica das zonas do campo sônico

Campo sônico de um transdutor, representado pela região (1) onde pequenas descontinuidades são difíceis de serem detectadas ( campo próximo ), a região (2) descontinuidades maiores podem ser detectadas e na região (3) onde qualquer descontinuidade compatível com o comprimento de onda pode ser detectada. As linhas limítrofes do campo no desenho são didáticas, e não significa que não existe nenhuma vibração sônica nestas regiões.

Atenuação Sônica:

A onda sônica ao percorrer um material qualquer sofre, em sua trajetória efeitos de dispersão e absorção, resultando na redução da sua energia ao percorrer um material qualquer.

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 das características elásticas de ponto num mesmo material denominamos anisotropia, que é mais significativo quando o tamanho de grão for 1/10 do comprimento de onda.

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.

Campo Próximo Campo distante

Sen Ø = k. Velocidade / frequência x diâmetro

Valores de k em função da redução da intensidade sônica

k % dB 0,37 71 -3, 0,51 50 -6, 0,70 25 -12, 0,87 10 -20, 0,93 6 -24, 1,09 1 -40, 1,22 0 0

A figura abaixo mostra a diferença de sensibilidade (altura do eco de reflexão) quando detectamos o defeito com o feixe ultrassonico central (1) e quando detectamos o mesmo defeito com a borda do feixe ultrassonico (2).

Variação da sensibilidade de detecção em função da divergência

Ø

Geração das Ondas ultrassonicas

Efeito Piezelétrico:

As ondas ultrassonicas são geradas ou introduzidas no material através de um elemento emissor com uma determinada dimensão e que vibra com uma certa freqüência. Este emissor pode se apresentar com determinadas formas (circular, retangular).Tanto o elemento emissor e receptor, são denominados transdutores, também designados por cabeçotes.

Diversos materiais (cristais) apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma lâmina de certo formato (placa) e aplicarmos uma pressão sobre o mesmo, 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 sobre pressão e diminui de espessura. O cristal piezelétrico pode transformar a energia elétrica alternada em oscilação mecânica e transformar a energia mecânica em elétrica.

cristal piezoeléctrico revestido com prata metálica em ambos os lados

contatos elétricos ~ 1000 V , AC

~ ~

emissão de um pulso elétrico gerando um sinal no aparelho de ultra-som

+++++++++++++++

cargas elétricas geradas na superfície do cristal

vibrações mecânicas

Figura mostrando a contração e expansão do cristal quando submetido a uma alta tensão alternada na mesma frequência ultrassonica emitida pelo cristal. É um processo de transformação da energia elétrica em energia mecânica e vice-versa

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 freqüência de excitação e das dimensões do cristal.

piezelétrico

corrente elétrica desligada corrente elétrica ligada

piezelétrico

corrente elétrica desligada corrente elétrica ligada