ENSAIO DE ULTRASSOM

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ENSAIO DE ULTRASSOM
O ensaio de ultrassom é o um método de ensaio não destrutivo mais utilizado mundialmente para verificação de descontinuidades internas nos materiais. Geralmente, as dimensões reais de uma descontinuidade interna podem ser estimadas com uma razoável precisão através da altura dos ecos refletidos, fornecendo meios para que a peça possa ser aceita ou rejeitada, com base nos critérios de aceitação da norma aplicável. 
O Principio do ensaio por ultrassom baseia-se no fenômeno de reflexão de ondas acústicas quando encontram obstáculos á sua propagação dentro do material. A onda será refletida e retornará até a sua geradora, isto se o obstáculo estiver numa posição normal(perpendicular) em relação ao feixe sônico emitido. 
APLICAÇÕES 
O ensaio por ultrassom constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, com geometria complexa de juntas soldadas e chapas. É aplicado na indústria moderna, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas. Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços carbono e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis.
As maiores aplicações desse ensaio estão relacionadas á inspeção de fabricação de peças fundidas, forjadas, laminadas, caldeiras, medições de espessura, além da detecção e medição de profundidade de trincas, estes relacionadas á inspeção preventiva de componetes em uso. 
Outra grande utilidade é o seu emprego na inspeção de soldas de tubulações de vapor realizadas em campo como substituição ao ensaio radiográfico, evitando-se a necesssidade de evacuar a área de trabalho para proteção da emissão de raios x. 
A sua aplicação é extremamente necessária, por exemplo, na detecção de trincas em eixos de moenda quando montados em camisas que não vão ser sacadas durante as paradas. Com essa técnica, é possível varrer a região do eixo que está inacessível devido à camisa montada, para verificar a presença de trincas nessa área.
LIMITAÇÕES 
Algumas limitações para esse ensaio, como por exemplo, não poder ser empregado em peças fabricadas com materiais de alta atenuação acústica, como ferro fundido cinzento, metais não ferrosos (ex.: bronze), aços com microestrutura grosseira (sem tratamento térmico), etc.
Peças de geometria complexa dificultam a realização do ensaio, pois a técnica requer que a região a ser varrida tenha superfícies paralelas. Altas temperaturas também dificultam a sua aplicação. O acabamento superficial também é um fator limitante, já que a alta rugosidade superficial devido a riscos ou corrosão não permite a perfeita acomodação do transdutor (cabeçote) na superfície, o que afeta a emissão das ondas ultrassônicas pelo mesmo e compromete o ensaio.
DIFERENTES MÉTODOS E EQUIPAMENTOS DE ENSAIO DE ULTRASSOM INDUSTRIAL
· Ultrassom convencional: o método de ensaio de ultrassom industrial por equipamentos convencionais é o mais comum encontrado atualmente, basicamente por ainda ser o que demande de menor investimento de equipamentos e que possui o maior número de pessoas aptas neste método de inspeção. Neste método, o equipamento basicamente é composto por um transdutor, um componente emissor/receptor e um display. É um método de ultrassom eficiente e rápido que pode ser aplicado em uma grande variedade de situações, isso em virtude de equipamentos portáteis de ordem de grandeza comparados a pouco maior do que smartphones e tablets. Algumas aplicações em inspeção de espessuras de chapas e equipamentos, em juntas soldadas, principalmente onde a geometria da peça é complexa, sendo inspeções desde peças planas a tubulares.
· Phased array: é um método de ensaio de ultrassom industrial não convencional que tem o mesmo princípio do ultrassom convencional, porém com vantagens significativas, enquanto o ultrassom convencional trabalha somente com transdutor monocristal, o ultrassom Phaded Array utiliza transdutores com multi-elementos, enquanto o transdutor monocrista emite apenas um feixe sônico com única direção, o transdutor com multi-elementos emite vários feixes sônicos focados com a possibilidade de alterar os parâmetros desse feixe por software, como exemplo a distancia focal, ponto de foco e, ângulo do feixe. Outra característica importante deste método é a facilidade na interpretação do ensaio visto que o mapeamento da inspeção é visualizado no display do equipamento. Algumas aplicações realizados em inspeção a partir de uma única superfície, pequenas descontinuidades podem ser detectadas, controle sobre variáveis de teste, diversas técnicas de são permitidas usando varias modos de onda, permite inspecionar peças em alta temperatura, descontinuidades na superfície e sub-superficie podem ser detectadas entre outras. 
· TOFD: Esta técnica de ensaio de ultrassom industrial aplicada para detecção precisa da localização e tamanho de defeitos em inspeções principalmente de juntas de topo entre chapas de equipamentos antes ou durante o uso, sendo esta última muito aplicada para análise estrutural pelas técnicas FFS (fitness for service) e ECA (engineering critical assessments). O método de inspeção consiste em dois transdutores, um emissor e outro receptor, que são montados alinhados em dispositivos de forma que percorrem a região a ser inspecionada de uma só vez. Este método garante registro da inspeção realizada e velocidade na operação, visto que não precisa repassar os transdutores mais do que uma vez em uma área inspecionada. Algumas aplicações com grande velocidade de inspeção, alta precisão nas descontinuidades detectadas independe da orientação, registro da inspeção entre outros.
VANTAGENS 
O método ultrassônico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, como trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).
Para interpretação das indicações, o ensaio por ultrassom dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção. No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme, que via de regra demanda tempo para o informe de resultados.
Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio por ultrassom não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.
A localização, a avaliação do tamanho e a interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassônico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho do defeito mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder a um reparo.
DESVANTAGENS 
O ensaio por ultrassom apresenta algumas desvantagens, como a exigência de grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor, além do preparo da superfície; o registro permanente do teste não é facilmente obtido; faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método; em alguns casos de inspeção de solda existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, o que demanda tempo de fábrica.
O ensaio por ultrassom de materiais com ondas superficiais é aplicado com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfície; para detectar este tipo de descontinuidade, existem ensaios não destrutivos mais simples, como os ensaios por líquidos penetrantes e por partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferiores aos do ensaio por ultrassom.
PRINCIPIOS DO ENSAIO 
Os princípios físicos que regem o ensaio por ultra- -som são a dispersão, a absorção, a atenuação sônica e a divergência do feixe sônico.
Dispersão
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. Como exemplo citam-se os fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas. A mudança das características elásticas de ponto num mesmo materialé chamada anisotropia, que é mais significativa quando o tamanho do grão é de 1/10 do comprimento de onda.
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.
A atenuação sônica é importante quando se inspecionam peças em que este fator pode inviabilizar o ensaio. Soldas em aços inoxidáveis austeníticos e peças forjadas em aços inoxidáveis são exemplos clássicos desta dificuldade. O controle e avaliação da atenuação nestes casos é- razão para justificar procedimentos de ensaio especiais. Alguns valores de atenuação podem ser encontrados num quadro extraído do livro de Krautkramer “Ultrasonic Testing of Materials”.
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 ultra- sônico central e a detecção do mesmo defeito com a borda do feixe ultrassônico é considerável.
PROCEDIMENTOS PARA O ENSAIO 
A inspeção de solda por ultrassom se reveste de grande importância na verificação industrial de materiais, uma vez que é uma ferramenta indispensável para o controle da qualidade do produto final. A inspeção é importante principalmente em juntas soldadas como as juntas de conexões (“groove welds”) ou mesmo juntas de topo com grandes espessuras, pois a radiografia industrial não consegue boa sensibilidade de imagem.
Os procedimentos para inspeção de solda descritos pelas normas ou códigos de fabricação variam em função dos ajustes de sensibilidade do ensaio, dimensionamento das indicações, critérios de aceitação das descontinuidades encontradas e outras particularidades técnicas. O inspetor deve consultar o procedimento aprovado de sua empresa para o ensaio específico, ou na falta deste, elaborar um procedimento segundo a norma aplicável ao produto a ser ensaiado.
A inspeção de solda deve ser precedida da traçagem de uma curva de sensibilidade do ensaio, que é um parâmetro necessário para o julgamento sobre a descontinuidade.
SUPERFÍCIE DE VARREDURA 
A inspeção da solda se processa através da superfície do metal de base adjacente à solda, numa área paralela ao cordão de solda, denominada área ou superfície de varredura.
PREPARAÇÃO DA SUPERFICIE 
O resultado do ensaio por ultrassom depende da preparação das superfícies; assim, é preciso remover carepas, tintas, óxidos, pó, graxa e tudo que possa mascarar ou impedir a penetração do feixe sônico na peça a ensaiar. A limitação de temperatura da peça deve ser levada em conta e está associada ao modelo e tipo do transdutor, pois altas temperaturas (acima de 60°C) podem danificar os transdutores.
A frequência e o ângulo do transdutor selecionado podem ser significativos, dependendo da estrutura metalúrgica do material ensaiado e da espessura. Em geral utilizam-se 4MHz de frequência e ângulos de 60 e 70° para espessuras do metal de base até 15mm e 45 e 60° para espessuras de metal de base acima de 15mm.
A curva de sensibilidade é estabelecida por meio do posicionamento do transdutor angular (posições l ,2, 3 e 4), de modo a detectar o furo de referência do bloco nas quatro posições indicadas. O controle de ganho do aparelho deve ser ajustado a partir da posição”!, onde o controle é ajustado até que o eco correspondente à reflexão do furo tenha uma altura de 80% da tela do aparelho.
A partir deste procedimento deve ser registrado o ganho do aparelho, que deverá ser mantido até o final da inspeção e verificado periodicamente ou quando houver troca de operadores. Caso haja uma acentuada diferença de acabamento superficial entre o bloco e a peça a ser inspecionada, deve-se aplicar o procedimento de transferência de ganho do bloco para a peça, para restabelecer o nível de sensibilidade original.
INSPEÇÃO 
Para realizar a inspeção, o transdutor deve ser acoplado à peça; quando isso é feito, estabelece-se uma camada de ar entre a sapata do transdutor e a superfície da peça. Esta camada ar impede que as vibrações mecânicas produzidas pelo transdutor se propaguem para a peça em razão das características acústicas (impedância acústica) muito diferentes das do material a inspecionar. Por esta razão, deve-se usar um líquido que estabeleça uma redução desta diferença e permita a passagem das vibrações para a peça. Esse líquido, denominado líquido acoplante, é escolhido em função do acabamento superficial da peça, de condições técnicas e tipo da peça. Alguns acoplantes mais utilizados são mostrados no quadro.
  A impedância acústica é o produto da densidade do meio pela velocidade de propagação neste meio; representa a quantidade de energia acústica que é refletida e transmitida para o meio
a interface água/aço apenas transmite 12% e reflete 88% da energia ultrassônica
 Recomenda-se efetuar algumas medidas no mesmo local, pois variações de acabamento superficial, pressão do transdutor sobre a superfície e outros, podem variar os resultados.
O transdutor deve ser deslizado sobre a superfície de varredura com o feixe ultrassônico voltado perpendicularmente à solda, de modo que as ondas atravessem totalmente o volume da solda. Caso haja alguma descontinuidade no volume de solda, haverá reflexão nesta interface e parte da energia ultrassônica retorna ao transdutor; consequentemente, a indicação na tela do aparelho aparece em forma de eco ou pulso.
Através da análise da posição do eco na tela do aparelho, o inspetor poderá localizar a descontinuidade no volume de solda, assim como avaliar sua dimensão e comparar com os critérios de aceitação aplicáveis.
A presença do transdutor angular é comum para todos os tipos de chanfros, devendo ser escolhidos no mínimo dois ângulos diferentes em função da espessura do metal de base. O uso do transdutor normal ou duplo-cristal é importante para chanfros em K, Y e T para detecção de falta de fusão com o metal de base.
A forma de inspeção de soldas em função dos tipos de chanfros e das áreas de varreduras mais usuais é mostrada no quadro.
DELIMITAÇÃO DA DESCONTINUIDADE 
A delimitação da extensão da descontinuidade pode ser feita utilizando a técnica da queda do eco em 6dB, na qual o transdutor é posicionado no centro geométrico da descontinuidade, de forma a maximizar a altura do eco de reflexão. Em seguida, o transdutor é deslocado para a esquerda e para a direita até ser observado que a altura do eco na tela do aparelho é reduzida pela metade (- 6dB). Sobre a superfície da peça são marcados dois pontos, e o tamanho da descontinuidade será a linha que une esses pontos.
Outros métodos podem ser utilizados, como por exemplo o uso de diagramas DGS para pequenas indicações (menores que 10mm), ou mesmo a técnica da queda do eco em 20dB, que se assemelha à técnica de queda 6dB.
 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS 
O julgamento da descontinuidade encontrada deve ser feito de acordo com procedimento escrito, norma aplicável, especificação do cliente, ou documento da Qualidade.As descontinuidades são julgadas pelo seu comprimento e pela amplitude do eco de reflexão, que são quantidades mensuráveis pelo inspetor de ultrassom. Entretanto algumas normas estabelecem que o tipo de descontinuidade encontrada também deve ser avaliado pois é decisivo na aceitação ou rejeição da junta soldada. Por exemplo, se o inspetor interpretou uma indicação como trinca, falta de fusão ou falta de penetração, a junta soldada deve ser rejeitada, de acordo com o Código ASME Sec.VIII Div.1 UW-53, Ed.95. independente do comprimento ou da amplitude de eco na tela do aparelho. No entanto, nem sempre é fácil ou possível avaliar a identificação do tipo de descontinuidade; isso depende da complexidade da junta, da experiência e do conhecimento do inspetor.
Bibliografia 
http://www.welding.com.br/site/ensaios-ultrassom 
https://www.krasinspecao.com.br/ensaio-ultrassom-industrial
https://infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e-mecanicos-livros-senai/214-ensaio-nao-destrutivo-ultrassom