Ensaio Pelo Ultra-som 1. Introdução Tipos de ondas ultra-sônicas: O ensaio pelo ultra-som é um END , onde ondas de altas freqüências (f20.000Hz) 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:  

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 0,4 . 103 Borracha 900 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 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 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 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).

Figura 3. Incidência Oblíqua 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

Figura 4. Incidência Oblíqua Ensaio Pelo Ultra-som Figura 4. Incidência Oblíqua   Os ângulos de refração podem ser calculados com o auxílio da lei de Snell

FIG. 5. Efeito do Aumento do Ângulo de Incidência 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

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:

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? 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)

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)

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 33,8o 43,3o 57,1o 65,6o 72,6o Lt ---- Cobre 23,7o 29,7o 37,3o 41,1o 43,6o 56,6o Magnésio 34,3o 43,9o 58,2o 67,3o 75,1o Porcelana 48,5o 66,5o 84,3o Latão 21,3o 26,7o 33,3o 36,6o 38,7o 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).

Figura 6. Efeito Piezoelétrico 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

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 longo e pouca divergência feixe sônico focalizado

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.

Figura 10. Método da Ressonância Ensaio Pelo Ultra-som Figura 10. Método da Ressonância

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

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.

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.

Ensaio Pelo Ultra-som Figura 13. Técnica de Inspeção em Solda