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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


• Onda Longitudinal

Onda transversal

Figura 1. Tipos de Ondas Ultra sônicas de maior interesse: a) longitudinal b) transversal


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


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


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


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 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


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


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


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?


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


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


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 ---- ---- ----


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).


(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


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.)


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


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


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


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


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


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


Figura 10. Método da Ressonância

f.2v

NTfv


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


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


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


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


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


Figura 13. Técnica de Inspeção em Solda

ensaio pelo ultra-som n 1. introdução n o ensaio pelo ultra-som é um end, onde ondas de altas...

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