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Ensaio Pelo Ultra-som
1. Introdução
O ensaio pelo ultra-som é um END , onde ondas de altas freqüências (f20.000Hz) são introduzidas no material a ser inspecionado falhas superficiais e falhas internas de uma peça.
Tipos de ondas ultra-sônicas: - longitudinais (compressão)
- transversais (cisalhamento) - superficiais
Ensaio Pelo Ultra-som
• Onda Longitudinal
Onda transversal
Figura 1. Tipos de Ondas Ultra sônicas de maior interesse: a) longitudinal b) transversal
Ensaio Pelo Ultra-som
Incidência da Onda
1.Normal
impedância acústica (Z) de um material como : Z = . V
Figura 2. ONDA TRANSMITIDA INCIDÊNCIA NORMAL
os coeficientes de transmissão ou permeabilidade (T) e de reflexão (R) são obtidos através das relações:
221
21
i
t2
21
221
i
r
ZZ
Z.Z.4II
TZZ
ZZII
R
Ensaio Pelo Ultra-som
Tabela 1. Densidade, Velocidades de Propagação e Impedâncias Acústicas de alguns materiais
Material Densidade Veloc. Long Veloc. Trans. Impedância (Kg/m3) VL(m/s) VT (m/s) Z (kg/m2.s)
Aço 7.700 5.900 3.230 45 . 106
Água(20oC) 1.000 1.480 xxxx 1,5 . 106
Alumínio 2.700 6.300 3.130 17 . 106
Ar 1,2 330 xxxx 0,4 . 103
Borracha 900 1.480 xxxx 1,3 . 106
Cádmio 8.600 2.780 1.500 24. 106
Chumbo 11.400 2.160 700 25 . 106
Cobre 8.900 4.700 2.260 42 . 106
Estanho 7.300 3.320 1.670 24 . 106
Ferro Fundido 7.220 5.600 3.200 40 . 106
Glicerina 1.260 1.920 xxxx 2,4 . 106
Latão 8.100 3.830 2.050 31 . 106
Magnésio 1.700 5.700 3.170 9,7 . 106
Níquel 8.800 5.800 3.080 51 . 106
Óleo(SAE20/30) 950 1.250 xxxx 1,2 . 106
Ouro 19.300 3.240 1.200 63 . 106
Plexiglass 1.180 2.730 1.430 3,2 . 106
Porcelana 2.500 5.660 3.420 14 . 106
Prata 10.500 3.600 1.590 38 . 106
Quartzo 2.600 5.570 3.520 14 . 106
Titânio 4.540 6.240 3.210 28 . 106
Zinco 7.100 4.170 2.410 30 . 106
Ensaio Pelo Ultra-som
Exemplo1: O material 1 é água e o material 2 é aço. Calcular R e T.
Da tabela Z1 = 1,5 . 106 (kg/m2.s) e
Z2 = 45 . 106 (kg/m2.s)
Portanto,neste caso 87,5% da intensidade da onda incidente é perdida na reflexão e só 12,5% é transmitida ao meio 2 (aço).
%5,12ou125,0)455,1(
45.5,1.4T
%5,87ou875,0)455,1(
)455,1(R
2
2
2
Ensaio Pelo Ultra-som
Incidência oblíqua
Figura 3. Incidência Oblíqua
Li = onda longitudinal incidente propagando-se no meio 1.
Tr = onda transversal refletida propagando-se no meio 1.
Lr = onda longitudinal refletida propagando-se no meio 1.
Tt = onda transversal refratada (ou transmitida) propagando-se no meio 2.
Lt = onda longitudinal refratada (ou transmitida) propagando-se no meio 2
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 4. Incidência Oblíqua Os ângulos de refração podem ser
calculados com o auxílio da lei de Snell
Lr
Lr
LtTt
Tt
Li
Li
senV
sen
V
senV
senV Lt
Ensaio Pelo Ultra-som
FIG. 5. Efeito do Aumento do Ângulo de Incidência
Dois tipos de ondas não podem existir simultâ-
neamente Quando:
Se haverá somente onda transversal
Incidência obliqua cabeçotes angulares, 35o, 45o , 60o , 70o e 80o
LrLiLrLi VVComo
2Lio
Tt
1Lio
Lt
90
90
2Li1
Ensaio Pelo Ultra-som
Exemplo 1: Determinar os ângulos limites 1 e
2 para uma interface plexiglass/aço, e o
ângulo de refração correspondente a 1.
Da tabela 7.1: VLi = 2730 m/s
plexiglass VLt = 5900 m/s aço
VTt = 3230 m/s aço
de acordo com a lei de Snell:
a condição para 1 é que Lt = 90o.
como sen90o = 1 , podemos determinar os ângulos 1 e Tt :
1 = 27,6 Tt
= 33,2o
a condição para 2 é que Tt = 90o, então:
oTt1 90sen
5900sen3230
sen2730
Ensaio Pelo Ultra-som
2 = 57,7o
O ângulo limite de 27,6o escolhe-se um ângulo limite um pouco maior a fim de certificar-se que não haverá nenhuma onda longitudinal na peça.
Então o menor ângulo de refração da onda transversal (Tt) escolhido é de 35o.
os cabeçotes ultra-sônicos angulares são caracterizados pelo ângulo de refração em aço e sua fabricação é padronizada normalmente nos ângulos de 35o, 45o, 60o, 70o, 80o e 90o.
O que acontece se desejamos inspecionar um material diferente?
Ensaio Pelo Ultra-som
Exemplo 2: Deseja-se inspecionar uma peça de alumínio com um cabeçote de 45o (ângulo de refração em aço). Qual será ângulo de refração em alumínio?
1. Determinar qual é o ângulo de incidência correspondente a um ângulo de refração de 45o em aço. VLi = 2730 m/s (plexiglass)
VTt = 3.230 m/s (aço)
Lr
Lr
Lt
Lt
Tt
Tt
Li
Li
senV
sen
V
senV
senV
oLi
oTt
Tt
LiLi
Tt
Tt
Li
Li
7,36
45sen32302730
senVV
sen
senV
senV
Ensaio Pelo Ultra-som
Agora devemos calcular qual é o ângulo de
refração em alumínio correspondente a um
ângulo de incidência de 36,7o no plexiglass do
cabeçote. Temos portanto, uma interface
plexiglass/alumínio:
VLi = 2730m/s (plexiglass)
VTt = 3130m/s (alumínio)
oTt
oLi
Li
TtTt
Tt
Tt
Li
Li
3,43
7,36sen27303130
senVV
sen
senV
senV
Ensaio Pelo Ultra-som
Tabela 2. Ângulos de Refração para Diferentes Materiais
Material Ângulo do feixe sônico
Aço Tt 35o 45o 60o 70o 80o
Alumínio Tt 33,8o 43,3o 57,1o 65,6o 72,6o
Lt ---- ---- ---- ---- ----
Cobre Tt 23,7o 29,7o 37,3o 41,1o 43,6o
Lt 56,6o ---- ---- ---- ----
Magnésio Tt 34,3o 43,9o 58,2o 67,3o 75,1o
Lt ---- ---- ---- ---- ----
Porcelana Tt 37,3o 48,5o 66,5o 84,3o ----
Lt ---- ---- ---- ---- ----
Latão Tt 21,3o 26,7o 33,3o 36,6o 38,7o
Lt 42,9o 57o ---- ---- ----
Ensaio Pelo Ultra-som
2.Geração da Onda Ultra-sônica
A geração da onda ultra sônica é realizada pelo conhecido efeito piezoelétrico.
Piezoeletricidade é a propriedade que possuem certos cristais de se expandir ou contrair quando aplicamos aos mesmos tensões ou voltagens alternadas.
Os cristais que apresentam estas propriedades são elementos em que as propriedades físico-químicas não são as mesmas em qualquer eixo ou direção (materiais anisotrópicos).
Quando uma pequena placa de cristal piezoelétrico é cortado paralelo a um certo plano cristalográfico, e dois eletrodos são colocados em suas extremidades (Figura 6.a) e se for aplicada uma tensão em corrente contínua(c.c.) a estes eletrodos se torna mais fina (Fig.6.b) ou mais grossa (Fig.6.c).
Ensaio Pelo Ultra-som
(a) (b) (c ) (d)
Figura 6. Efeito Piezoelétrico
Tabela 3. Características dos cristais ultra-sônicos
*sensível ** poder de resolução
Cristal V(m/s) (kg/mm3) Z (kg/m 2. Seg)
Quartzo * 5.700 2.600 14,8 . 106
Titanato de Bário ** 5.000 5.400 27,0 . 106
Titanato Zirconato de Chumbo
2.300 8.900 20,5 . 106
Ensaio Pelo Ultra-som
Oscilações de alta freqüências são intro-
duzidas no corpo de ensaio onda
longitudinal contínua
Transmissão do cristal a peça ensaiada
é possível se não existir ar entre a
peça e o cristal perfeito acoplamento
Eliminação do ar colocando-se entre
as duas superfícies um líquido (glicerina,
água, óleo, vaselina etc.)
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 7. Cabeçote Ultra-sônico
O elemento piezoelétrico está alojado junto com: Bloco amortecedor Bobina sintonizadora de freqüência Um conector Uma carcaça metálica ou plástica
Ensaio Pelo Ultra-som
Cristal Piezoelétrico submetido a tensões
alternada exibe propriedades de oscilação
Submetidos a esforços mecânicos é capaz
de gerar cargas elétricas
Devido a essas particularidades um cristal pode
tanto emitir e quanto receber sinais.
Geometria do Campo Sônico
Cabeçote normal ondas longitudinais
Qual a forma do feixe sônico?
-estreito e focalizada pressão sônica
-disperso pressão sônica decresce
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 8.
D Campo Próximo
de um cabeçote
N
Campo próximo N ou Zona de Fresnel o
feixe sônico é cilíndrico com diâmetro cristal
Cabeçote angular onda transversal
O cristal é retangular Área = a . b = D2/4
)mm(cristalDe)s/km.(velocv
)MHz(.freqfondev.4
f.D.4D
N
Dcomo.4
DN
L
L
2
L
2
2L
2
L
2L
2
TTT
2eq
v.f.b.a
v..4f.b.a.4
v.4
f.DN
Ensaio Pelo Ultra-som
Segundo campo, além de N campo longínquo
O feixe dispersão segundo um ângulo
Exemplo: Determine N e para aço utilizando um cabeçote normal que possui um cristal piezoelétrico
com diâmetro 24mm e vibra com uma freqüência constante de 2 MHz.
Pela tabela 1 vL aço = 5.900m/s = 5,9km/s
Cristais grandes e alta freqüência N longoe pouca divergência feixe sônico focalizado
f.Dv
08,12
sen L
oL
2
L
2
2,15133,02.24
9,5.08,1
f.D
v.08,1
2sen
mm8,48Nmm8,489,5.4
2.24
v.4
f.DN
Ensaio Pelo Ultra-som
Um equipamento de Ultra-som contém básica-mente :
- o transmissor- o receptor – amplificador- o tubo de raios catódicos- o circuito de varredura
Figura 9. Diagrama Esquemático de um Ultra-som
Ensaio Pelo Ultra-som
Métodos de Inspeção
a) Impulso – eco usa-se um cabeçote como
emissor e receptor .
b) Método da Transparência é aquele que
utiliza dois cabeçotes separados.
c) Método da Ressonância neste método as
ondas recebidas e transmitidas são sobrepostas.
A ressonância ocorre em uma das freqüências
naturais de vibração da peça em teste quando a
espessura da peça é igual a um múltiplo exato de
meio comprimento de onda.
peçadaespessuraT
eirointnúmeroNonde,2
NT
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 10. Método da Ressonância
f.2v
NTfv
Ensaio Pelo Ultra-som
Tipos de Cabeçotes Ultra-sônicos
a) normais
b) angulares
c) SE ou duplo cristal
Detectabilidade de Defeitos
É a medida do diâmetro mínimo (na direção per-
pendicular ao feixe sônico) que deve ter a des-
continuidade para ser detectada.
Onde d é o diâmetro mínimo da descontinuidade
f.2v
dsejaoufv
como2
d
Ensaio Pelo Ultra-som
Qual será o diâmetro mínimo do defeito que pode
ser detectado numa peça de aço com um cabeço-
te normal de 4MHz de freqüência.
Pela Tab1.,No aço vL = 5.900 m/s = 5,9 .106 mm/s
f = 4MHz = 4. 106 Hz.
Tabela 4. Dmin. que deve ter uma descontinuidade
para ser detectada.
mm74,0d
74,010.4,2
10.9,5f.2
vd
6
6
Ensaio Pelo Ultra-som
Principais Aplicações do ensaio Ultra-sônico
a) Medições de Espessura
b) Ensaio de Chapas Metálicas Planas
c) Ensaio de Peças com Superfícies Curvas
d) Ensaio de Peças Fundidas e forjadas
Peças Fundidas localização tipo e dimensões
de descontinuidade projeto de fundidos
Peças forjadas trincas, escórias , inclusões,
Peças grandes processo de fabricação e
aquelas que ocorrem em peças acabadas
Ensaio Pelo Ultra-som
e)Ensaio em Soldas
É uma das mais importantes aplicações do
ensaio ultra-sônico, e é realizado com cabeçote
angulares
Figura 11. Inspeção de uma seção transversal
com um cabeçote angular
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 12. Salto e Pulo Ultra-sônico de um
cabeçote angular
Conhecendo-se a espessura da peça e o ângulo pode-se determinar S e P.
cosd.2
Scos
d2S
tg.d.2Ptg.d2P
Ensaio Pelo Ultra-som
Figura 13. Técnica de Inspeção em Solda