apostila de us

7/24/2019 Apostila de US

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ULTRA-SOM INDUSTRIAL

1. HistricoConhecido inicialmente como teste por tinido, por ser utilizado na comparao do som

emitido por uma pea forjada ou fundida quando submetida ao golpe de um martelo. A avaliaoera feita pela comparao com um padro livre de descontinuidades.

As primeiras experincias com energia ultra-snica foram realizadas na antiga UnioSovitica por Sokolov e na Alemanha por Mulhauser em 1929. A energia ultra-snica era emitidapor uma face da pea e recebida pela face oposta.

A tcnica utilizada hoje de trens de ondas foi desenvolvida por Firestone em 1942, sendoutilizada para deteco de submarinos (SONAR). A partir de 1945 desenvolveu-se como umapoderosa ferramenta para o controle de qualidade de materiais. Pela sua versatilidade tem aplicaoem vrias reas como: odontologia, medicina, indstria aeronutica, naval, nuclear, mecnica, dealimentos, etc.

2. Conceitos

2.1OndaAo atirarmos uma pedra nas guas calmas de um lago, veremos o aparecimento de crculos

concntricos a partir do local onde a pedra caiu.

Se no caminho destas ondas houver uma rolha, verificaremos que a folha ondula com agua (sobe e desce), mas que no se afasta do seu local inicial.

A ondulao da rolha mostra-nos que ela recebeu energia para se movimentar para cima epara baixo.

Uma corda quando movimentada para cima e para baixo bruscamente provoca uma

perturbao que caminha ao longo da corda. A perturbao chamada de pulso e o movimento dopulso constitui a onda. Onda uma perturbao que se propaga atravs de um meio.

Toda onda transmite energia, sem transportar matria.


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2.2Natureza das OndasQuanto natureza as ondas podem ser classificadas como Eletromagnticas e Mecnicas.As ondas eletromagnticas no necessitam de um meio para se propagar. So originadas por

cargas eltricas oscilantes. Estas ondas se propagam no vcuo e nos meios materiais. So exemplosde ondas eletromagnticas: luz, ondas de rdio, microondas, raios-X, etc.

As ondas mecnicas necessitam de um meio material para se propagar, no se propagandono vcuo. As ondas formadas na superfcie do lago e na corda so exemplos de ondas mecnicas.Os materiais so formados por partculas que esto interligadas por foras de adeso. Deste modo,uma partcula transmite a vibrao para a partcula vizinha. Nesta categoria das ondas mecnicasesto as ondas sonoras, que se propagam nos meios elsticos. As ondas sonoras se propagam nosslidos, nos gases e nos lquidos.

Em nossa comunicao normal com as pessoas utilizamos ondas sonoras numa determinadafaixa de freqncia, de 20 Hz a 20 KHz. Para o ensaio de ultra-som, as freqncias utilizadas estomuito acima da nossa percepo, variando de 0,5 MHz a 25 MHz.

2.3Modo de VibraoAs ondas podem ter diferentes modos de vibrao como: ondas longitudinais, transversais

e superficiais.As ondas longitudinais se caracterizam pela vibrao da onda na mesma direo de

propagao. Neste tipo de onda os planos de partculas do meio de propagao no mantm asmesmas distncias uns dos outros.

As ondas transversais vibram perpendicularmente a direo de propagao. Os planos departculas do meio mantm a mesma distncia uns dos outros.

As ondas superficiais na verdade so variaes das ondas transversais e longitudinais.Propagam-se na interface entre slido e gs (ar).So divididas em trs classes: Ondas de Rayleigh, Ondas de Creeping e Ondas de Lamb.Essas ondas sero vistas com maiores detalhes ao estudarmos os ngulos crticos.

20 HZ 20 KHZ

INFRA-SOM SOM AUDVEL ULTRA-SOM

Quando submetido a uma onda ultra-snicalongitudinal o primeiro plano do plano elstico comprimido e por ao do impacto transmite a energiacintica para o plano seguinte, e assimsucessivamente.

As ondas longitudinais se propagam nosmeios slidos lquidos e gasosos e possuem velocidadede propagao maior que as ondas transversais.

As ondas transversais no se propagam noslquidos e nos gases, porque nestes meios no hligaes mecnicas. Propagam-se somente nos slidos.A velocidade de propagao das ondas transversais aproximadamente a metade da velocidade das ondaslongitudinais.


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Tabela 1 - Propriedades acsticas de alguns materiais

MATERIALPeso

Especfico(Kg/m)

VelocidadeTransversal

(m/s)

VelocidadeLongitudinal

(m/s)

ImpednciaAcstica

106 (Kg/m 2s)

Ao baixa liga 7.850 3.250 5.940 46.629Ao carbono 7.850 3.250 5.920 46.472Ao inoxidvel (tipo 304L) 7.900 3.070 5.640 44.556Ao inoxidvel (tipo 410) 7.670 2.2990 5.390 41.341Acrlico (plexiglass) 1.180 1.430 2.730 3.221gua (gelo) 900 1.990 3.980 3.582gua (20C) 1.000 ----- 1.480 1.480Alumnio 2.700 3.130 6.320 17.064Alumnio (xido) 3.600 5.500 9.000 32.400Bismuto 9.800 1.100 2.180 21.364Bronze 8.100 2.120 4.430 35.883

Cdmio 8.600 1.500 2.780 23.908Chumbo 11.400 700 2.160 24.624Cobre 8.900 2.250 4.700 41.830Concreto 2.000 ----- 4.600 9.200Ferro fundido 6.900 2.200 5.300 36.570Ferro fundido cinzento 7.200 2.650 4.600 33.120Glicerina 1.300 ----- 1.920 2.496Inconel 8.500 3.020 5.820 49.470Magnsio 7.100 3.050 5.770 9.809Molibdnio 10.200 3.350 6.250 63.750Nquel 8.800 2.960 5.630 49.544Nilon 1.100 1.080 2.620 2.882leo automotivo 870 ----- 1.740 1.514Ouro 19.300 1.200 3.240 62.532Platina 21.400 1.670 3.960 84.744Polietileno 940 925 2.340 2.200Porcelana 2.400 3.500 5.600 13.440Prata 10.500 1.590 3.600 37.800PVC 1.400 1.060 2.395 3.353Quartzo (natural) 2.650 ----- 5.760 15.264Titnio 4.540 3.180 6.230 28.284Tungstnio 19.100 2.620 5.460 104.286Urnio 18.700 ----- 3.200 59.840

Vidro 3.600 2.560 4.260 15.336Zinco 7.100 2.410 4.170 29.607

2.4Elementos de uma OndaAs ondas possuem caractersticas como comprimento de onda, freqncia e amplitude, que

as identificam. O comprimento de onda () a distncia entre duas compresses ou duas diluiesseguidas para as ondas longitudinais ou entre dois vales ou dois picos seguidos para as ondastransversais.


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A freqncia medida pelo nmero de ciclos por unidade de tempo. O ciclo ummovimento completo de um comprimento de onda. A unidade de freqncia o Hertz (Hz) quecorresponde ao nmero de ciclos por segundo de uma onda. Na medio da freqncia sonormalmente utilizados os mltiplos como K (kilo = 1000), M(mega = 1.000.000). Portanto umaonda com freqncia de 1 MHz vibra 1.000.000 de ciclos por segundo.

Para freqncias altas, as ondas so afetadas pela prpria estrutura metalrgica do material,ou seja, a granulao, compostos intermetlicos, precipitados ou qualquer outra caractersticaproveniente do processo de fabricao. Os sinais destes pequenos refletores podem interferir na

deteco de pequenas descontinuidades e so conhecidas como rudo ou grama.Como regra, para detectarmos pequenas descontinuidades devemos utilizar transdutores

com freqncias mais altas. Para deteco de descontinuidades grandes ou quando requerida umamaior penetrao do feixe snico, devemos utilizar cabeotes de freqncia mais baixa.

A velocidade de propagao de uma onda depende fundamentalmente do meio que elapercorre. A velocidade de propagao do som ( longitudinal ou transversal) funo do material.

Estas trs caractersticas das ondas so relacionadas entre si pela seguinte equao:

v = .fOnde: v = velocidade do som no meio (depende do tipo de onda transversal/longitudinal)

= comprimento de ondaf = freqncia de vibrao da onda

Com base nas informaes sobre o material que estamos ensaiando e o tipo de onde queutilizamos, podemos determinar o comprimento da onda utilizada. Esta informao tem grandeimportncia, pois, a capacidade de deteco de descontinuidades num material funo docomprimento de onda utilizado. As descontinuidades podem ser identificadas at o valor mnimode meio comprimento de onda.

Exemplo:1- Inspeo em chapa de ao com ondas longitudinais e freqncia de 4 MHz.Da tabela1, temos que vL= 5920 m/s

f = 4.000.000 Hz = 5920__ = 1,48 mm

4.000.000A menor descontinuidade detectvel ser de /2 = 0,74 mm

2- Inspeo em chapa de ao com ondas transversais e freqncia de 4 MHzDa tabela1, temos que vT= 3250 m/sf = 4.000.000 Hz

= 3250__ = 0,81 mm4.000.000

A menor descontinuidade detectvel ser de /2 = 0,41 mm

=vTf

=vT

f


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2.5Propagao das OndasUma onda ao se propagar em um meio e encontrar uma interface com outro meio com

caractersticas diferentes sofre uma mudana na sua velocidade e tambm no comprimento deonda, a freqncia permanece constante. Na interface com o outro meio a onda incidente (emitida)pode ser refletida (voltar para o mesmo meio) ou refratada (se propagar no outro meio).

A porcentagem da onda incidente que ser refletida ou refratada depender dascaractersticas dos dois meios em questo.Uma onda incidindo na direo normal de uma superfcie ter uma parcela refletida, ao

encontrar a interface dos dois meios, na mesma direo e sentido contrrio. A parcela restante serrefratada na mesma direo e no mesmo sentido no outro meio.

Para uma incidncia obliqua teremos uma alterao no comportamento da onda, alterandoinclusive seu modo de vibrao. Ao atingir uma interface entre dois meios com caractersticasacsticas diferentes, uma onda sofrer uma mudana no modo de vibrao, produzindo duas ondasrefletidas e duas ondas refratadas. A relao entre o ngulo de incidncia e os ngulos de reflexo erefrao podem ser calculados atravs da seguinte relao, tambm denominada Lei de Snell:

v1= velocidade da onda longitudinal no meio 1v2= velocidade da onda transversal no meio 1v3= velocidade da onda transversal no meio 2v4= velocidade da onda longitudinal no meio 2= ngulo da onda longitudinal incidente e refletida no meio 1= ngulo da onda transversal refletida no meio 1

= ngulo da onda transversal refratada no meio 2= ngulo da onda longitudinal refratada no meio 2

MEIO 1

MEIO 2

REFLEXO

REFRAO

ONDAINCIDENTE

OL

V1

OL

OL

V3

V2 V1

V4

OT

OT

sen = sen = sen = sen v1 v2 v3 v4

Lei de Snell


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2.5.1 ngulos Crticos

Se tivermos duas ondas ( longitudinal e transversal ) na pea, ao detectarmos uma indicaona tela do aparelho teremos duas possibilidades de localizao do refletor, conforme mostra afigura abaixo.

Essa condio no desejvel. Por isso os cabeotes so construdos de forma que o nguloda onda longitudinal refratada seja maior que 90, ou seja, na pea s exista onda transversal.

O primeiro ngulo crtico da onda longitudinal incidente aquele cujo ngulo da ondalongitudinal refratada seja igual a 90.

As Ondas superficiais de Creepingso geradas no primeiro ngulo crtico, ou seja, quando

a onda longitudinal est tangenciando a superfcie. So fortemente atenuadas ao longo do percursoe geram ondas transversais a cada ponto em seu deslocamento. Em peas com superfcies paralelas,estas ondas transversais so novamente transformadas em ondas de creeping no lado oposto, edesta forma possvel detectar descontinuidades na superfcie oposta.

Longitudinal

2

1

Transversal

Longitudinal

Sem = VL acrlicoSen 1 VLao

Sen x = 2730Sen90 5920

Sem x = 0,461

x = 27,46

P

PL

PT

OL

OL

OT

OL

OL

OT


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Se o ngulo de incidncia continuar a ser aumentado alm do primeiro ngulo crtico, aonda transversal refratada que se aproximar da superfcie da interface. Em um segundo ngulodeterminado, a onda refratada transversal formar exatamente 90. Este ngulo chamado desegundo ngulo crtico.

Acrlico

As Ondas de Rayleigh (Lorde Rayleigh) so geradas quando uma onda transversalpercorre a superfcie de um material slido. A condio para que seja gerado esse tipo de ondapode ser calculada pela Lei de Snell e corresponde ao segundo ngulo crtico, que aquele em quea onda transversal tangencia a superfcie do material. Essas ondas possuem a capacidade depercorrer superfcies curvas. A profundidade de penetrao desta onda de um comprimento de

onda. A velocidade de propagao aproximadamente 90% da onda transversal.

As ondas de Lamb (Horace Lamb) so ondas superficiais que se propagam comcomprimento de onda prximo espessura da chapa ensaiada. Neste caso, toda a espessura dachapa ensaiada. Sua aplicao se restringe ao exame de finas camadas de material que recobremoutros materiais.

2.6Feixe SnicoO feixe snico no uniforme quando se propaga num meio, divergente e sua intensidade

varia conforme se distancia do transdutor. Quanto mais distante do transdutor menor ser aamplitude do sinal. A velocidade de propagao e a freqncia no se alteram com a distncia.

O feixe snico dividido em trs zonas distintas: zona morta, campo prximo e campodistante.

A zona morta a regio abaixo do transdutor, e no pode ser utilizada no ensaio. Varianuma profundidade de 1 a 3 mm dependendo da freqncia utilizada. Esta regio deve ser ensaiadapela outra superfcie da pea ou por outro ensaio.

O campo prximo (zona de Fresnel) uma regio de grande presso snica e grandevariao na intensidade do feixe, gerando grande turbulncia. O final do campo prximo ondeest a maior concentrao do feixe snico.

Podemos calcular o campo prximo pelas seguintes frmulas:

N = Def 2. F para cristais redondos4 . V

Longitudinal

Acrlico

Ao

Sem = VL acrlicoSen 2 VTao

Sen x = 2730Sen90 3250

Sem x = 0,84

x = 57,14

2= 90

Transversal


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N = 1,3 Mef 2. F para cristais quadrados ou retangularesV

Onde: N = campo prximoDef = dimetro efetivo do cristal do transdutor = 0,97 x dimetro real do cristal

F = freqncia do transdutorV = velocidade longitudinal do materialMef = Metade do comprimento efetivo do lado maior do cristal retangular, onde

comprimento efetivo = 0,97 x comprimento real

O campo prximo caracteriza-se pela grande variao da intensidade snica na regio

imediatamente frente do cristal devido interferncia entre frentes de onda. O ponto de pressomxima do feixe snico determina o final do campo prximo.


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Exemplo de aplicao:

Calcule o campo prximo de um transdutor normal com dimetro 10 mm e freqncia de 4 MHz,quando inspecionando ao.Soluo: Para o clculo necessrio que as unidades estejam coerentes, ou seja: D em mm ,

F em Hz , em mm e v em mm/sSendo: v = 5900 m/s ou 5900.000 mm/s , para o aoN = Def.2/ 4. ou N = Def.2.f / 4.v= (9,7) 2x 4.000.000 / 4 x 5920.000 mmN = 15,9 mm

O campo prximo representa para efeitos prticos, uma dificuldade na avaliao ou deteco depequenas descontinuidades, isto , menores que o dimetro do transdutor , situadas nesta regioprximas do transdutor. Portanto o inspetor de ultra-som deve ficar atento a este problema.

O campo Longnquo ou Distante ou Zona de Fraunhofer a regio que vem a seguir do campoprximo. Nesta regio a onda snica se diverge igual ao facho de luz de uma lanterna em relao

ao eixo central e ainda diminui de intensidade quase que com o inverso do quadrado da distncia.Em razo da existncia do campo prximo , do campo distante, e do fenmeno da divergncia , naliteratura o campo snico tem a forma geral visualizada conforme o desenho abaixo.

No campo prximo ( regio 1 ) pequenas descontinuidades so difceis de serem detectadas.Na regio (2) descontinuidades maiores podem ser detectadas e na regio (3) qualquerdescontinuidade compatvel com o comprimento de onda pode ser detectada.

As equaes para o clculo do ngulo de divergncia ()do feixe snico no campo distanteesto relacionadas a seguir:

Sem = K1__V___ para cristais circularesDef x F

Sem = K2__V___ para cristais quadrados ou retangularesMef x F

Onde:K1 = 0,51 para divergncia no limite de -6 dBK1 = 0,87 para divergncia no limite de -20 dBK1 = 1,08 para divergncia no limite de -30 dBK2 = 0,44 para divergncia no limite de -6 dBK2 = 0,74 para divergncia no limite de -20 dB


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3. Gerao das OndasOs irmos Pierre Curie e Jacques Curie, em 1880, observaram que determinados cristais

cortados em lminas quando submetidos a cargas mecnicas geravam cargas eltricas em suasuperfcie. A este efeito deram o nome de piezeltrico.

No ano seguinte, G. Lippmann descobriu que o inverso do efeito piezeltrico tambm eraverdadeiro. Aplicando-se cargas eltricas na superfcie destes cristais, originavam-se deformaes

dos mesmos.

Quando aplicamos uma corrente alternada na superfcie de um cristal, h uma vibrao docristal a uma determinada freqncia. Quando aplicamos uma corrente alternada de alta freqncianum cristal piezeltrico, ele vibrar na mesma freqncia gerando o ultra-som.

Na recepo, ocorre o inverso: o ultra-som far vibrar o cristal, gerando um sinal eltrico dealta freqncia.

Os materiais mais utilizados na gerao/recepo de ultra-som so: cristais de quartzo,sulfato de ltio, titanato de brio, metaniobato de chumbo e o zirconato-titanato de chumbo.

O quartzo o material piezeltrico mais antigo, translcido e duro como o vidro sendo

cortado a partir de cristais originrios no Brasil. Sulfato de Ltio um cristal sensvel a temperaturae pouco resistente. Titanato de brio e zirconato-titanato de chumbo so materiais cermicos querecebem o efeito piezeltrico atravs de polarizao. Esses dois cristais so os melhores emissores,produzindo impulsos ou ondas de grande energia, se comparadas com aquelas produzidas porcristais de quartzo.

4. TransdutoresSo os dispositivos que convertem um tipo de energia em outro. No caso do ultra-som os

transdutores convertem energia eltrica em mecnica, quando esto emitindo as ondas de ultra-som, e energia mecnica em eltrica, quando esto recebendo as ondas de ultra-som que retornamda pea inspecionada.

So normalmente conhecidos como cabeotes e composto de uma carcaa para possibilitaro manuseio, onde esto montados internamente o cristal piezeltrico num bloco amortecedor e oconector com os terminais ligado ao cristal. O bloco amortecedor suprime as vibraes indesejveis

Cristalpiezeltrico

desligado Ligado- aumento da

espessura

Invertendo polaridade-

diminuio da espessura

bateria

peso

Cristal

piezeletrico U

Cargaseltricas


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do cristal no transdutor. A face de contado com a pea normalmente confeccionada em materialplstico, existindo transdutores com a superfcie de contato protegidos por uma pelcula plstica,que pode ser substituda.

So identificados pelo ngulo de trabalho, freqncia e tamanho do cristal. Os transdutorespodem variar quanto freqncia de 0,5 a 25 MHz, sendo os mais encontrados na faixa de 1 a 6

MHz. Quanto ao tamanho, podem varia de 5 a 25 mm de dimetro.

4.1 Transdutor NormalTransdutor composto com um nico cristal que emite e recebe as ondas de ultra-som. Emite

e recebe ondas perpendiculares a sua superfcie, na direo normal a pea.Os transdutores normais geram ondas longitudinais superfcie do material. O pulso ultra-

snico gerado no transdutor penetra no material e prossegue at que seja refletido em algumainterface, gerando o que chamamos de eco. Esse eco retorna ao transdutor e gera um sinal eltricocorrespondente. Como a velocidade de propagao do som no material constante, distnciapercorrida pelo som at a interface funo do tempo que a onda demora em retornar ao transdutor

segundo a relao:

D = V.T

Onde: D = distncia percorrida pelo som at retornar ao cabeote;V = velocidade de propagao do som no material testado;T = tempo decorrido para a onda retornar ao cabeote.Abaixo vemos o diagrama de um transdutor normal.

4.2 Transdutor AngularTransdutor composto por um nico cristal que emite e recebe ondas na direo oblqua

sua superfcie. So montados numa cunha que possui uma superfcie inclinada em relao basedo transdutor. A onda que sai do transdutor refratada no material inspecionado e devido mudana do modo de vibrao da onda, na pea s existir onda transversal.

Os transdutores angulares so confeccionados de maneira que a onda longitudinal refratadatenha um ngulo maior que 90 e somente a onda transversal penetre na pea ensaiada.

Utilizando-se da equao do item 2.5 podemos verificar o menor ngulo de trabalho paraque as ondas longitudinais sejam totalmente refletidas.

Sabendo-se que a cunha onde montado o cristal confeccionada em acrlico comvelocidade longitudinal de 2730 m/s e que a pea ensaiada confeccionada em ao carbono comvelocidade longitudinal de 5920 m/s e velocidade transversal de 3250 m/s, podemos fazer oseguinte clculo:


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= 90Sen = sen 90 = arc sen 2730 sen 902730 5920 5920

= 27,5 menor ngulo no cabeote para gerao de somente ondas transversais na pea de ao.

Para sabermos o ngulo da onda transversal na pea, utilizamos a mesma equao:

sen 27,5 = sen = arc sen 3250 sen 27,52730 3250 2730

= 33,3 ngulo da onda transversal na pea de ao carbono

Os transdutores angulares normalmente utilizados para inspeo com ultra-som apresentamos ngulos de 45, 60 e 70. Estes ngulos marcados nos transdutores referem-se ao ngulo daonda no ao carbono. Para utilizao do cabeote em outros materiais ser necessrio calcular ongulo no respectivo material.

Abaixo vemos um esquema de um transdutor angular.

4.3 Duplo cristalTransdutor com dois cristais montados, sendo um para emisso do ultra-som e o outro para

recepo.Os cristais so montados em blocos independentes, separados por um elemento isolante

acstico, com a finalidade de impedir que as ondas geradas pelo bloco emissor passem direto aobloco receptor.

Os transdutores duplo cristal so indicados para medio de espessuras em peas de paredes

finas, possuem menor sensibilidade quando comparados com os transdutores normais. Estestransdutores no possuem campo prximo. Tambm no so aplicados no ensaio de grandesespessuras devido ao campo til limitado


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4.4 Transdutores superficiaisSemelhantes aos transdutores angulares, so montados numa cunha com ngulo de

inclinao que faz com que a onda transversal refratada, seja conduzida a superfcie da pea.

4.5 Defeitos em transdutores

Os transdutores so acessrios delicados que podem ser danificados facilmente, devendopor esta razo serem manuseados com cuidado. Podem ser verificados os seguintes defeitos nostransdutores:

- destruio mecnica do cristal - queda do cabeote- excesso de aperto

- descolamento do cristal - penetrao de lquido- utilizao em temperatura elevada

- desgaste natural - atrito do cabeote com a pea- defeitos eltricos - alta voltagem

5. Acoplante

Para que as ondas de ultra-som geradas no transdutor passem para a pea a ser ensaiada,devemos evitar que haja interferncias. O ar entre o transdutor e a pea impede a transmisso erecepo das ondas de ultra-som. Tambm a rugosidade da superfcie da pea interferir no ensaio.

O acoplante tem a finalidade de eliminar a camada de ar entre a pea e o transdutor ecorrigir uma pequena rugosidade da pea. Podem ser utilizados como acoplante: gua, leo,glicerina, graxa, carbox-metil-celulose, etc.

Ao acoplarmos o transdutor sobre a pea a ser inspecionada, imediatamente estabelece umacamada de ar entre a sapata do transdutor e a superfcie da pea. Esta camada ar impede que asvibraes mecnicas produzidas pelo transdutor se propaguem para a pea em razo dascaractersticas acsticas (impedncia acstica) muito diferente do material a inspecionar.

A impedncia acstica "Z" definida como sendo o produto da densidade do meio ( d ) pela

velocidade de propagao neste meio ( V ) , ( Z = d x v ) e representa a quantidade de energiaacstica que se reflete e transmite para o meio. Em geral podemos calcular as fraes de energiasnica que transmitida e refletida pela interface entre dois materiais diferentes usando asseguintes frmulas:

Onde: Z1 e Z2 so as impedncias dos dois meios que formam a interface.Como exemplo podemos citar que a interface gua e ao , apenas transmite 12% e reflete

88% da energia ultra-snica.


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6. Mtodo de EnsaioQuanto ao modo de aplicao das ondas de ultra-som, podemos ter o contato direto ou

imerso.

6.1 Contato direto

O transdutor posicionado diretamente sobre a pea devidamente preparada e limpa,atravs de uma pequena quantidade de acoplante, formando uma pelcula.

6.2 ImersoA pea e o transdutor so mergulhados num lquido, geralmente gua obtendo-se um

perfeito acoplamento.Este mtodo geralmente utilizado em sistemas automticos, onde um ou mais transdutores

so previamente posicionados para cobrir toda a superfcie de interesse a ser inspecionada.

Ensaio Tela do aparelhoEco 1 Proveniente da reflexo na superfcie da pea. Como a velocidade snica na gua cercade 4 vezes menor que a velocidade snica no ao, o eco da espessura da gua aparecer com cercade 4 vezes a espessura da lmina dgua.

Eco 2 Proveniente da reflexo da espessura da pea.Eco 3 Segunda reflexo da espessura da lmina dgua.

7. Tcnica de EnsaioConforme o transdutor utilizado, podemos variar a tcnica de ensaio em: transparncia,

pulso-eco, duplo-cristal e transdutor angular.

7.1 TransparnciaPrimeira tcnica a ser utilizada, baseia-se no trabalho com dois transdutores, sendo um

emissor e outro receptor das ondas de ultra-som. Cada transdutor colocado em uma dassuperfcies da pea e as ondas de ultra-som atravessam todo o material.

Caso no haja nenhuma descontinuidade no material, as ondas chegaram ao receptor

praticamente sem perda do sinal. A existncia de uma descontinuidade no interior do material, farcom que o sinal recebido seja menor que no local isento de descontinuidade, ou desapareatotalmente.

1

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Esta tcnica mais aplicada para processos automticos que envolvem grandes produes.Possui algumas limitaes quanto ao seu emprego:- necessidade de acesso as duas superfcies da pea;

- dificuldade manual de manter os transdutores alinhados;- dificuldade de manusear os dois transdutores e os controles do equipamento.

7.2 Pulso-Eco o mtodo mais utilizado para inspeo de equipamentos em operao e caracteriza-se pelo

cabeote com um nico cristal atuando com transmissor e receptor do feixe snico, requerendoacesso a somente uma das superfcies da pea.

O transdutor emite pulsos de energia snica, que so introduzidos na pea em intervalosregulares de tempo. Ao encontrarem uma interface refletora, o pulso retorna ao transdutor. Emfuno da dimenso da interface refletora, o pulso retornar totalmente ou parcialmente. Os pulsosde energia snica ao atingirem o cristal piezeltrico so transformados em corrente eltrica que

interpretada pelo aparelho de ultra-som. O tempo decorrido e a quantidade de energia so medidospelo aparelho.

7.3 Transdutor angularUtiliza o transdutor angular para inspeo de soldas em funo da impossibilidade de um

perfeito acoplamento dos transdutores normais e duplo cristal na regio do reforo da solda. Ongulo de confeco do transdutor possibilitar a inspeo do chanfro da solda como tambm ointerior da mesma.


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7.4 Duplo cristalEsta tcnica empregada para inspeo de chapas de pequena espessura e a regio

adjacente a solda onde sero utilizados os transdutores angulares.

8. Aparelhos de ultra-som

Para inspeo com ultra-som so utilizados aparelhos mais simples para medio deespessura e os aparelhos mais completos e complexos para determinao de descontinuidades nointerior dos materiais.

8.1 Medidor de espessuraConjunto simples composto de um aparelho que processa as informaes e um transdutor,

normalmente do tipo duplo cristal, que envia as informaes para serem processadas no aparelho.Neste tipo de equipamento, normalmente verificamos um controle para ajustar a velocidade

do material a ser medido, conforme tabela fornecida pelo fabricante. E outro controle onde feito oajuste da leitura do cabeote. Este ajuste acerta o conjunto para efetuar leituras na faixa de 25%do padro utilizado.

Os equipamentos mais modernos, podem ser providos de um microprocessador que faz a correodo caminho V percorrido pelo som devido ao transdutor duplo cristal. Estes aparelhos possibilitama calibrao numa determinada espessura e a utilizao para todas as espessuras menores que opadro e 25% maiores.

Na medio de tubos, devido a sua curvatura, devemos ter o cuidado no posicionamento dotransdutor duplo cristal, para no incorrer em leituras erradas. Devido ao caminho snico (caminhoV) deste transdutor, devemos posicionar a linha de separao dos cristais transversalmente ao eixodo tubo, para evitar erros na leitura.

A ltima gerao de aparelhos de medio de espessura dispe de artifcio que possibilita amedio de espessura sobre camada de tinta.


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8.2 Aparelhos de ultra-somSo encontrados vrios modelos de diversos fabricantes e que na composio bsica

possuem uma tela, controles de ajustes e calibrao, conectores para transdutor e bateria.A tela normalmente encontrada um tubo de raios catdicos com duas escalas. A escala

vertical utilizada para verificao da amplitude do sinal e a escala horizontal onde montada uma

escala de distncia.

1 Tela de visualizao.2 Ajuste da escala horizontal.3 Ajuste do ganho. Ajuste grosso 20 em 20 dB.4 Boto de liga/desliga e seleo do tipo de inspeo, duplo cristal ou cabeote normal/angular5 Conexo para os cabos dos cabeotes.6 Ajuste da velocidade, utilizado na construo da escala horizontal7 Indicador de carga da bateria8 Ajuste do ponto zero.9 Ajuste de ganho. Ajuste fino de 2 em 2 dB.

10 Conector para carga da bateria ou uso ligado direto a rede eltrica.11 Supressor.

Entre os controles normalmente utilizados temos o ajuste de ganho, ajuste de escala, ajustede freqncia, ajuste da velocidade, supressor de rudos.

O ajuste de ganho dividido em dois controles, sendo um com posies pr definidas de 20em 20 dB e outro controle ou ajuste fino que permite ajustar o ganho com intervalos de 1 ou 2 dB.Este controle tem a finalidade de regular a recepo do sinal de uma reflexo. Podemos compar-locom o volume de um aparelho de som.

Quanto maior o ganho, maior ser a altura do eco na tela do aparelho, que poder ser

aumentado ou diminudo, simplesmente atuando no controle do ganho.O ajuste fino permite quantificar as reflexes dos sinais recebidos em funo de um sinal

padro.

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9 10

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O ajuste da escala, possibilita posicionar a reflexo de uma determinada espessura oupercurso snico, na tela horizontal do aparelho, ou seja, identificar a distncia percorrida pelo feixesnico dentro do material. A escala horizontal composta de uma graduao de 0 a 10 onde seconstri a escala desejada de 50, 100, 200 ou 300 mm conforme a necessidade da inspeo.

Ajuste do ponto zero possibilita movimentar os ecos para a direita e esquerda, sem alterar a

distncia entre eles. Permite posicionar o eco inicial no zero.O controle de ajuste de freqncia permite selecionar a freqncia de acordo com otransdutor utilizado.

Ajuste da velocidade de propagao, altera a distncia entre o ponto zero e o eco dareflexo. Utilizado para construo da escala horizontal.

Supressor de rudos, tem a funo de eliminar da tela do aparelho os ecos de pequenasreflexes decorrentes do acoplamento e de estruturas com granulao grosseira, conhecidas comograma. A utilizao deste controle deve ser efetuada com muita cautela para evitar eliminar da telareflexes de descontinuidades muito pequenas.

9. Calibrao

Para utilizao do aparelho de ultra-som para inspeo de chapas, solda, etc., devemosefetuar a calibrao do aparelho para que as leituras efetuadas sejam confiveis e possam sercomparadas com padro conhecido.

9.1 Blocos de calibraoSo blocos utilizados para verificao das caractersticas dos transdutores e fazer a

calibrao das escalas que sero utilizadas no ensaio.Os blocos mais utilizados para calibraes de escalas e verificao do ngulo dos

transdutores so conhecidos normalmente como bloco V1 e bloco V2, fabricados em ao carbono.O bloco V1 da norma DIN 54120 e o bloco V2 da norma DIN 54122, so utilizados para

calibrao da escala horizontal. Em funo das diversas dimenses, possibilita a calibrao emdiversas escalas e com diferentes tipos de cabeotes.

Nas figuras abaixo mostramos os dois blocos citados com suas caractersticas dimensionais.

Bloco V1 (DIN 54120)


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Bloco V2 (DIN 54122)

No bloco V1 a partir do entalhe com o cabeote angular direcionado para a regio decurvatura, podemos verificar o exato ponto de sada do feixe snico. Esta informao de grandeimportncia na inspeo com ultra-som. Movimentando-se o cabeote para frente e para trsverificaremos a amplitude do sinal, na tela do aparelho, aumentar e diminuir. Com o transdutorposicionado no ponto de maior amplitude, temos o local de sada do feixe posicionado sobre oentalhe do bloco, faremos ento uma marca no transdutor para identificar este ponto.

Ainda no bloco V1 podemos fazer a escala com um cabeote normal conforme verificamosna figura abaixo.


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Podemos assim montar a escala necessria para a inspeo a ser efetuada.Para os cabeotes angulares utilizamos o bloco V2 para confeco da escala horizontal,

posicionando o transdutor voltado para o raio menor, de 25 mm, construiremos a escala desejadacom o primeiro eco a 25 mm e os ecos repetidos a cada intervalo de 75 mm que o percurso at oraio de 50 mm somado ao de 25 mm. Com o transdutor voltado para o raio de 50 mm temos oprimeiro eco a 50 mm e os ecos de repetio a cada 75 mm, conforme podemos ver na figuraabaixo.


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9.2 Bloco de refernciaCom a escala do aparelho de ultra-som calibrada, faremos uma curva de referncia, que nos

permitir comparar uma descontinuidade encontrada com um padro conhecido.O bloco de referncia confeccionado num material o mais parecido possvel com o

material a ser empregado. Na fabricao de equipamentos, costuma-se separar um pedao da chapa

original para confeco do bloco de referncia.Este bloco possui normalmente dois furos que dependem da espessura da pea a serinspecionada.

A partir do bloco de referncia construiremos a curva que simula uma descontinuidadelocalizada em diversas profundidades ao longo da espessura de uma pea. Esta curva montada daseguinte maneira:

a) Na tela do aparelho de ultra-som, coloca-se um acetato transparente que permita avisualizao dos picos na tela do aparelho.

b) Posiciona-se o transdutor de modo a indicar o furo mais prximo da superfcie, com amaior amplitude possvel;

c) Ajusta-se no controle de ganho a amplitude at 80% da tela;

d) Marca-se no acetato o ponto de mximo do sinal;e) Diminui-se o ganho em 6 dB, marcando-se ai outro ponto referente a 50% do sinal do

furo;f) Retorna o ganho nos 6 dB anteriores e posiciona o transdutor no outro furo do bloco,

repetem-se as etapas c, d, e at a montagem da curva.

Na figura abaixo verificamos as dimenses dos blocos utilizados em funo da espessura aser inspecionada.

Dimenses padronizadas para bloco de referncia


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Esquema de posicionamento do cabeote angular para confeco da curva de referncia

Com o aparelho de ultra-som calibrado e a curva de referncia confeccionada, podemosento inspecionar a pea em questo.

10. InspeoA inspeo por ultra-som pode ser efetuada em regies soldadas, componentes forjados ou

deposio de materiais.

10.1 Inspeo de soldasPara inspeo de soldas so necessrios pelo menos trs transdutores. Primeiramente

utiliza-se um transdutor duplo-cristal ou normal para inspeo da rea adjacente a solda,certificando-se a ausncia de descontinuidades que possam interferir no caminho snico dostransdutores angulares, podendo causar uma interpretao errada de uma indicao. Para estainspeo podemos selecionar o cabeote a ser utilizado conforme tabela abaixo.

Tabela 1Requisitos para seleo de cabeotes Normal e Duplo Cristal - Norma BS 5996

Espessura da Chapa(mm)

Tipo de Cabeote eFreqncia

Maior Dimensodo Cristal (mm)

rea do CristalTransmissor ou

Receptor (mm 2)

8 a 15 duplo cristal 3 a 5 MHz 20 a 25 100 a 350

16 a 40 duplo-cristal 3 a 5 MHz 20 a 25 100 a 350

41 a 100 normal 2 a 4 MHz 20 a 25 300 a 650

Nota:Os requisitos da norma ASTM A-435 com relao seleo de cabeotes no leva emconsiderao a espessura da chapa, e determinam que os cabeotes devam ser do tipo normal,

com dimetro de 25 a 30 mm, ou quadrado, com 25 mm de lado (a rea ativa do cristal deveser de no mnimo 450 mm2).


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Aps a inspeo da rea adjacente a solda, iniciaremos a inspeo da solda propriamentedita. Nesta etapa devemos utilizar pelo menos dois cabeotes com ngulos diferentes, garantindoassim que toda a rea da solda foi verificada. A seleo dos cabeotes pode ser efetuada conformetabela abaixo.

Tabela 2Seleo de Cabeotes Angulares

Espessura (mm) Cabeotes angulares a seremutilizados

at 15 mm 60e 70

entre 15 e 25 mm 60e 70ou 45e 60

entre 25 e 40 mm 45e 60ou 45e 70

acima de 40 mm 45e 60

Obs.: A seleo de cabeotes angulares dever ser em funo da geometria da face dochanfro inspecionada, de modo a se obter a incidncia do feixe snico mais perpendicular aface do chanfro.

Para varredura(inspeo) de toda a solda podemos utilizar o esquema de inspeo conformefigura abaixo.

Como vimos anteriormente o aparelho de ultra-som fornece o percurso snico, a distnciaat uma interface. Conhecendo a configurao do chanfro utilizado e sobrepondo o feixe,verificamos a posio em que se encontra a interface e avaliamos se uma descontinuidade ou no.

T = espessura da pea ensaiadaR= ngulo do transdutor

P = distncia da interface em relao ao ponto de sada do somH = profundidade da interface


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Com o valor do percurso snico, atravs de clculo trigonomtrico podemos encontrar aprofundidade da indicao e sua localizao a partir do ponto de sada do feixe snico.

Sendo S = o caminho snico, temos:

P = S. sen R localizao da indicao a partir da sada do feixe snico

H = S . cos R profundidade da indicao

H= 2T - S . cos R profundidade da indicao para o feixe rebatido

10.2 Inspeo em forjadosNas inspeo de peas forjadas submetidas a esforos cclicos, o ultra-som utilizado para

verificao da existncia de trincas. Neste casos, cada pea a ser inspecionada possuir umprocedimento especfico de calibrao e critrio de aceitao.

Na figura abaixo verificamos um croqui de um trem de pouso de uma aeronave, com aindicao dos cabeotes a serem utilizados em cada regio da pea. As denominaes WB-70, WB-80, WB-60 referem-se a cabeotes angulares e os seus respectivos ngulos. As denominaes Q-4 eQ-6 referem-se a cabeotes normais e suas respectivas freqncias.

T = espessura da pea ensaiadaR= ngulo do transdutorP = distncia da interface em relao ao ponto de sada do somH = profundidade da interface


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10.3 Inspeo de fundidosA inspeo por ultra-som de peas fabricadas em ao ou ferro fundido, sempre foi um

desafio para a indstria de base, em razo das muitas estruturas que podem apresentar em taismateriais, das espessuras envolvidas, do acabamento superficial das peas, das formas geomtricase outras. Como regra geral, sabemos que as estruturas fundidas no permitem que se use altas

freqncias ultra-snicas (igual ou acima de 4 MHz), e portanto baixas freqncias em torno de 0,5a 2 MHz so mais adequadas.

Inspeo de uma pea fundida. Note o eco da descontinuidade na tela do aparelho.

10.4 Inspeo de deposioNa rea de mquinas comum a utilizao de deposio de materiais macios ou auto-

lubrificantes sobre estruturas de ao. Um caso comum na indstria o preenchimento com metalpatente dos mancais de motores, mancais de encosto de geradores hidroeltricos, etc. Com afinalidade de garantir mancais com aderncia perfeita, os mesmos so inspecionados com ultra-som. Para possibilitar o perfeito acoplamento do cabeote com a superfcie curva da pea, instalada uma sapata em acrlico com a curvatura da pea. Caso haja um descolamento do depsitoser verificado na tela do aparelho o eco da espessura do depsito.


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11. Delimitao da Extenso da descontinuidadeA delimitao da extenso da descontinuidade pode ser feita utilizando a tcnica da queda

do eco em 6 dB , ou seja o transdutor deve ser posicionado no centro geomtrico dadescontinuidade , de forma a maximizar a altura do eco de reflexo. Este ponto deve ser pesquisadopelo inspetor. Aps, o transdutor deslocado para a esquerda e para a direita at que se observe a

altura do eco na tela do aparelho reduzir pela metade da altura que tinha inicialmente (- 6dB).Sobre a superfcie da pea, deve ser marcado estes pontos onde o eco diminui em 6 dB, e otamanho da descontinuidade ser a linha que uni os dois pontos (para a esquerda e para a direita)

Posio em que o eco cai metade da altura

12. Vantagens e limitaesVantagens: Necessidade de acesso a somente uma das superfcies da pea Dimensionamento com preciso de descontinuidades internas Rapidez do resultado Possibilidade de automao Portabilidade, fcil de transportar

Limitaes: Requer grande ateno e experincia do tcnico Dificuldade em execuo em peas com forma irregular, com superfcie rugosa, muito

pequenas e finas

Necessidade de uso de acoplante Necessidade de uso de blocos padres e de referncia para a calibrao do aparelho e

para caracterizao das descontinuidades

apostila de us

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