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Departamento de Engenharia Mecânica

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DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE INSPEÇÃO DE MATERIAIS

COM USO DE ULTRASSOM

Aluno: Gabriel Fischer Abati

Orientador: Marco Antonio Meggiolaro

Co-orientador: Daniel Freitas

Introdução

A solda é a mais importante técnica para a junção permanente de metais e processos de

soldagem são amplamente encontrados em diferentes áreas da indústria automobilística, naval

e de óleo e gás. Desta forma, a pesquisa aplicada ao desenvolvimento de novos aços e outras

ligas metálicas de melhor soldabilidade é de grande interesse para esses setores industriais,

com objetivo de ampliação da produção e melhor qualidade do produto final. Sabendo-se da existência de fatores de tensões contidas em materiais de engenharia e dos

concentradores de tensão (descontinuidades no material – internas; tais como defeitos de laminação,

trincas de origem térmica, trincas de fadiga, falta de fusão, bolhas, inclusões, segregações e poros e –

superficiais; tais como irregularidades no reforço das soldas), torna-se necessário a aplicação de técnicas de inspeção ultrassônica como meio de prevenção e de mitigação do grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidade, garantindo sua integridade.

Objeto da Pesquisa

A pesquisa consistiu em conhecer e avaliar as técnicas existentes em ultrassom, que se

caracteriza como uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de inspeção de

peças com grandes espessuras e com geometria complexa de juntas soldadas e chapas. Esses

ensaios são aplicados na indústria moderna, principalmente nas áreas petrolífera e

petroquímica, papel e celulose, caldeiraria, metalúrgica, eletromecânica, naval, fundição,

siderúrgica etc. O trabalho inicial teve por objeto (a) demonstrar os princípios de utilização

das técnicas de emissão de ondas ultrassônicas, (b) os possíveis problemas detectados após

essas inspeções e (c) o uso de aparelhos especiais; que detectam as reflexões provenientes do

interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades. O exame

ultrassônico, assim como todo exame não destrutivo, visa diminuir o grau de incerteza na

utilização de materiais ou peças de responsabilidade, garantindo sua integridade.

A inspeção ultrassônica mostra-se necessária como meio de prevenção contra a

possibilidade de ocorrência de trincas e fraturas nas tubulações de uso industrial.

Ensaios de Ultrassom

São métodos não destrutivos nos quais um feixe sônico de alta frequência é aplicado a

um material a ser inspecionado com o objetivo de detectar descontinuidades internas, porém,

em alguns casos, detectam-se também as descontinuidades superficiais.

As aplicações de ensaios ultrassônicos também vão além da análise de

descontinuidades. São muito utilizadas para medição de espessuras, controle da taxa de

corrosão, determinação de certas propriedades físicas (características da micro e

macroestrutura), e para a estimativa do tamanho de grão.


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Princípios e Conceitos

O princípio consiste em um emissor de ondas ultrassônicas, ondas mecânicas

longitudinais com frequências acima de 20 kHz, que viajam por um meio até encontrarem um

anteparo que é refletido (eco) e que depois é captado pelo receptor, enviando um sinal que

corresponde a distância do emissor e do anteparo.

Em uma visão do que seria a inspeção, conforme na figura abaixo, temos que a vibração

ou onda ultrassônica reflete quando percorre um meio elástico; do mesmo modo, a vibração

ou onda ultrassônica refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio

considerado. Através de aparelhos especiais, é possível detectar as reflexões provenientes do

interior da peça examinada, localizando e interpretando essas descontinuidades.

Figura 1. Princípio do Ultrassom

Transdutores

A execução de ensaios ultrassônicos se dá por meio de transdutores, que vem a ser um

dispositivo que recebe um sinal e o retransmite, independentemente de conversão de energia.

O principal elemento de um transdutor ultrassônico é um cristal piezelétrico, que caracteriza-

se pela propriedade de transformar energia elétrica em mecânica ou vice-versa, ou seja, o

cristal quando submetido a uma pressão gera um campo elétrico que pode ser coletado como

tensão elétrica. Então, quando aplicado a uma tensão elétrica, o cristal vibra. Materiais

Piezelétricos comuns são o Quartzo,Sulfato de Lítio, o Titanato de Bario, o Metaniobato de

Chumbo e o Titanato Zirconato de Chumbo.

Figura 2. Princípio de um cristal piezelétrico


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Figura 3. Esquema de um transdutor ultrassônico

Tipos de Transdutores

Os transdutores ultrassônicos são classificados por quatro características:

Função

- Emissor

- Receptor

- Emissor receptor

Tipo de Incidência

- Normal

- Angular

Número de cristais

- Monocristal

- Policristal

Tipo de Contato

- Direto

- Imersão

Transdutores Normais

Neste tipo de incidência, são assim chamados aqueles cabeçotes monocristal geradores de ondas

longitudinais normal à superfície de acoplamento. Os transdutores normais são construídos a partir de

um cristal piezelétrico colado num bloco rígido denominado de amortecedor e sua parte livre protegida

ou uma membrana de borracha.

Figura 4. Funcionamento de transdutor monocristal reto

Transdutores Angulares

Nesta característica, o cristal forma um determinado ângulo com a superfície do material. Nos

cabeçotes ou transdutores angulares é posicionado o cristal em um ângulo crítico tal que as ondas


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longitudinais se tornem superficiais, minimizando assim as interferências na recepção do sinal.

Portanto, um cabeçote angular somente emite ondas transversais.

Figura 5. Funcionamento de transdutor angular monocristal

Transdutores Duplo Cristal

Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos nem com transdutores retos ou

com os angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir materiais de reduzida espessura, ou quando

se deseja detectar descontinuidades logo abaixo da superfície do material, a zona morta existente na

tela do aparelho impede uma resposta clara. O cristal piezelétrico recebe uma resposta num espaço de

tempo curto após a emissão, e suas vibrações não são amortecidas suficientemente. Neste caso,

somente um transdutor duplo-cristal, capaz de separar a emissão da recepção, pode ajudar.

O transdutor duplo-cristal é o mais indicado e largamente utilizado nos procedimentos de

medição de espessura por ultrassom. Apresenta dois cristais incorporados na mesma carcaça,

levemente inclinados em relação à superfície de contato e separados por um material acústico isolante.

Cada um deles funciona somente como emissor ou somente como receptor, sendo indiferente qual

deles exerce cada uma dessas funções.

Figura 6. Funcionamento transdutor duplo cristal reto


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Figura 7. Funcionamento de transdutor duplo cristal angular

Transdutor Phased Array

O transdutor Array é aquele que contém uma quantidade de elementos separados em uma única

estrutura, e o Phased se refere ao modo como estes elementos são pulsados sequencialmente. Um

sistema Phased Array, normalmente, está baseado em um transdutor ultrassônico especializado que

possui muitos elementos individuais que podem ser pulsados separadamente em um padrão

programado.

Uma quantidade maior de elementos aumenta o foco e a condutividade e pode aumentar,

também, a área de cobertura. Cada um destes elementos é pulsado individualmente para criar o declive

de onda de interesse.

Figura 8. Esquema do Funcionamento de um transdutor Phased Array


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Figura 9. Diferentes cabeçotes Phased Array

Vantagens do transdutor Phased Array em relação aos demais

As vantagens da tecnologia de Phased Array em relação ao ultrassom convencional são

provenientes da sua capacidade de usar vários elementos para direcionar, focar e analisar feixes com

um único conjunto de transdutor. A direção do feixe, comumente referida como análise setorial, pode

ser utilizada para mapeamento de componentes com ângulos apropriados. Isto pode simplificar muito

a inspeção de componentes com geometrias complexas. A pequena superfície do transdutor e o

recurso de varrer o feixe sem a necessidade de se mover a sonda também auxilia na inspeção de tais

componentes em situações onde o acesso para verificação mecânica é limitado. O rastreamento

setorial também é usado para inspecionar solda. O recurso de testar soldas em vários ângulos com

apenas uma sonda aumenta muito a probabilidade de detecção de anomalias.

O foco eletrônico permite aperfeiçoar o tamanho e a forma do feixe no local esperado do

defeito, assim como um aumento na probabilidade de detecção. A capacidade de focar várias

profundidades também melhora a capacidade de dimensionamento de defeitos críticos em inspeções

volumétricas.

Figura 10. Diferentes técnicas de inspeção com transdutor Phased Arrray


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Figura 1. Diferença entre transdutores monocristal e Phased Array

Líquidos Acoplantes

Como o ar é um péssimo meio de propagação do ultrassom, os transdutores acima apresentados

são utilizados em conjunto com líquidos acoplantes, que permitem a passagem do sinal ultrassônico do

transdutor para a superfície do material a ser inspecionado.

Tais líquidos são escolhidos em função do acabamento superficial da peça, tipo do material, da

área de varredura, geometria e posição para a inspeção.

Tabela 1.Líquidos Acoplantes

Analisando a tabela acima, concluímos que um líquido acoplante à base de glicerina seria ideal

para a aplicação em ensaios ultrassônicos não destrutivos, pelo fato de que possui a maior velocidade

de onda entre os líquidos a temperatura ambiente.

Propagação das Ondas Sonoras em Materiais

Vibrações Mecânicas

O teste ultrassônico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas

colocadas no meio em inspeção. 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 executem o movimento de oscilação em torno

na posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuída com o tempo em

posição de equilíbrio, em decorrência da perda de energia adquirida pela onda. Além disso, há

outros fenômenos físicos provocado por ondas mecânicas que se apresentam como obstáculos

para analisar um ensaio ultrassônico.

Esses fenômenos físicos são conhecidos por “dispersão do feixe sônico”, “absorção de

energia”, “atenuação sônica”, “divergência do feixe sônico” e “campo sônico, a seguir

comentados.


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Dispersão do Feixe Sônico

A dispersão do feixe sônico deve-se ao fato de a matéria não ser totalmente homogênea

e conter interfaces naturais de sua própria estrutura ou que são provocadas pelo processo de

fabricação.

Absorção

Absorção é a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio execute um

movimento de oscilação, transmitindo vibração às outras partículas do próprio meio; esse

fenômeno ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um meio elástico.

Atenuação Sônica

A onda sônica, ao percorrer um material qualquer, sofre em sua trajetória efeitos de

dispersão e absorção que resultam na redução da sua energia. Os resultados dos efeitos de

dispersão e absorção, quando somados, resultam na atenuação sônica.

Na prática, este fenômeno pode ser visualizado na tela do aparelho de ultrassom,

quando se observam vários ecos de reflexão de fundo provenientes de uma peça com

superfícies paralelas. As alturas dos ecos diminuem com a distância percorrida pela onda.

Figura 12. Representação gráfica de uma atenuação sônica

Divergência do Feixe Sônico

A divergência é um fenômeno físico responsável pela perda de parte da intensidade ou energia

da onda sônica; a divergência se pronuncia à medida que a fonte emissora é afastada das vibrações

acústicas. Tal fenômeno pode ser observado ao detectar um defeito pequeno com o feixe ultrassônico

central do transdutor. Nesta condição, a amplitude do eco na tela do aparelho é máxima. No entanto,

quando o transdutor é afastado lateralmente ao defeito, a amplitude diminui, indicando uma queda na

sensibilidade de detecção do mesmo defeito. A diferença de sensibilidade ou altura do eco de reflexão

entre a detecção do defeito com o feixe ultrassônico central e a detecção do mesmo defeito com a

borda do feixe ultrassônico é considerável.


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Figura 2. Feixe divergente

Campo Sônico

Região na qual a onda sônica se diverge igual ao facho de luz de uma lanterna em relação ao

eixo central. O Campo sônico de um transdutor, a seguir representado pela região (1) onde pequenas

descontinuidades são difíceis de serem detectadas (campo mais próximo), região (2) onde

descontinuidades maiores podem ser detectadas e 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.

Figura 3. Campo sônico

Métodos de Escaneamento em Inspeções Ultrassônicas

Aparelhos de ultrassom contém circuitos eletrônicos especiais que permitem transmitir ao cristal

piezelétrico, através do cabo coaxial, uma série de pulsos elétricos controlados, transformados pelo

mesmo em ondas ultrassônicas.

Figura 15. Aparelho de Scanner


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A tela do aparelho de ultrassom pode apresentar as seguintes formas básicas a secção da peça

inspecionada:

A-scan

B-scan

C-scan

S-scan

Forma de apresentação A-scan

Neste tipo de apresentação a tela do aparelho mostra a forma tradicional de visualização da tela,

ou seja, na forma de ecos de reflexão.

Figura16. Representação A-scan

Forma de Apresentação B-scan

Neste tipo de apresentação, a tela do aparelho mostra a seção transversal da peça, e, portanto, a

visualização da peça é feita em corte. Este tipo de apresentação não é convencional, e somente

aparelhos dotados de funções especiais são capazes de mostrar esta forma de apresentação.

Figura 4. Representação B-scan


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Forma de Apresentação C-scan

O ultrassom C-Scan consiste em um ensaio do tipo automatizado, que realiza o escaneamento

ultrassônico da medição de espessura, controlado remotamente.

Figura 58. Representação C-scan

Forma de Apresentação S-scan (Sectorial Scan)

De todos os modos de imagem apresentados até agora, o rastreamento setorial é o único modo

exclusivo dos aparelhos Phased Array. Em um rastreamento linear, todas as leis focais empregam um

ângulo fixo com sequência de aberturas. Os rastreamentos setoriais, por outro lado, utilizam aberturas

fixas e são direcionadas por intermédio de uma sequência de ângulos.

Esta técnica é similar à inspeção de feixe angular, exceto pelo fato de que o feixe varre toda a

variação angular em vez de apenas um único ângulo fixo determinado pelo calço. Assim como

acontece com o rastreamento linear, a representação da imagem é um corte transversal da área

inspecionada da peça de teste.

Figure 19. Representação S-scan


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Conclusão

A inspeção por ultrassom consiste em um método não destrutivo que se reveste de grande

importância na indústria de materiais, sendo uma ferramenta indispensável para o controle da

qualidade do produto final acabado, diminuindo o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças

de responsabilidade e o desperdício de partes utilizadas em ensaios destrutivos.

Dentre os principais métodos, ficou destacada a técnica “Phased Array”, que utiliza um cabeçote composto por um mosaico de transdutores ativados, por software, de diversas maneiras, de modo a produzir um feixe sônico com as características desejadas. Com a utilização do correto liquido acoplante na peça que se deseja inspecionar, deixa mais preciso os resultados obtidos pelo ensaio. E também, adotando-se a varredura setorial como modo de escaneamento, cria-se um

sistema preciso e exato sobre o diagnóstico de qualquer peça a se inspecionar.

O ultrassom pela técnica “Phased Array” oferece vantagens técnicas significativas, tais como (a) maior produtividade de inspeção quando comparado ao ultrassom com cabeçotes convencionais, (b) otimização na detectabilidade dos defeitos ou descontinuidades; aumentando a confiabilidade dos ensaios pela menor possibilidade de erro na interpretação do defeito, minimizando o prazo de inspeção e (c) por possibilitar o registro da inspeção em imagens.

Referências

[1]-RICARDO ANDREUCCI .Ensaio por ultrassom-Aplicação industrial

Ed.maio/2014 .

[2]-PRISCILA DUARTE DE ALMEIDA. Inspeção por ultrassom de juntas adesivas

de tubulações em material compósito. Rio de Janeiro, 2011. Projeto de Graduação

(Engenharia de Materiais). Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola Politécnica.

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