ENSAIO POR ULTRA-SOM EM CHAPAS GROSSAS PRODUZIDAS NA USIMINAS UTILIZANDO O MÉTODO DE IMERSÃO (1)

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1 ENSAIO POR ULTRA-SOM EM CHAPAS GROSSAS PRODUZIDAS NA USIMINAS UTILIZANDO O MÉTODO DE IMERSÃO (1) RESUMO Edmar Uzai Martins (2) João Maurício d'aparecida Melo (3) Mauro Ramon Dias (4) A USIMINAS desenvolveu uma sistemática para utilização da técnica de ensaio por ultra-som no método de imersão para inspeção em chapas grossas. Esta técnica possibilita a USIMINAS executar o ensaio por ultra-som em material laminado de pequenas espessuras a partir de 6mm, utilizando cabeçotes monocristal, de ondas longitudinais, e à prova d'agua. Neste trabalho é mostrada esta sistemática, os recursos desenvolvidos e o dispositivo utilizado para realizar o ensaio. Palavras-chaves: ULTRA-SOM, IMERSÃO, CHAPAS GROSSAS, USIMINAS. Temário: Desenvolvimento de novos ensaios e novas técnicas não convencionais de inspeção. (1) Contribuição Técnica à 6ª COTEQ da ABENDE, Salvador, BA, agosto de (2) Inspetor por Ultra-som nível II ASNT-TC-1 A- Gerência de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas da Usiminas; Ipatinga, MG. (3) Técnico Metalúrgico, Inspetor por Ultra-som nível II - ASNT-TC-1 A, ; USN1CL SNQC/END ABENDE Gerência de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas, Usiminas; Ipatinga, MG. (4) Inspetor por Ultra-som nível II ASNT-TC-1 A- Gerência de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas da Usiminas; Ipatinga, MG.

2 1 - RESUMO Esta técnica nos possibilita executar o ensaio por ultra-som em material laminado de pequenas espessuras até 6mm, utilizando cabeçote monocristal de ondas longitudinais, especial e à prova d água. Esse tipo de inspeção até alguns anos atrás era considerado impraticável nos materiais com espessuras abaixo de 50mm, pela dificuldade de interpretação do ecograma causada pelo tamanho da zona morta e turbulência sônica do campo próximo. O ensaio é feito através de um dispositivo mecânico que possui um reservatório com água, onde o cabeçote é alojado. Nesse reservatório o campo próximo é absorvido pela coluna d água. Nesse caso, a inspeção no laminado é feita dentro do campo longínquo ou zona de Fraunhofer, resultando com isso um ecograma de interpretação mais fácil. 3

3 2 - INTRODUÇÃO O ultra-som é um dos mais importantes e mais versáteis métodos de teste não destrutivos usados na indústria moderna. A importância alcançada pelo ensaio por imersão entre os demais métodos, é uma certeza, pois esse tipo de inspeção que até alguns anos atrás podia ser considerado como ensaio de laboratório, converteu-se atualmente em prática corrente no material laminado plano. Com esse método podemos medir não só a amplitude dos ecos, como também a posição dos ecos de interface água/aço, ecos de descontinuidades e eco de fundo. O processo por imersão tem como grandes vantagens o acoplamento uniforme e constante, além da eliminação do campo próximo na peça a ser ensaiada. Salientamos ainda que as literaturas pelo método de imersão encontradas no mercado, são de capacidade limitada, haja vista que é o material a ser ensaiado que é completamente mergulhado em um tanque com água para realizar o ensaio, conforme a ilustração (fig.1) abaixo: Cabeçote de imersão Tanque de teste Água Material em teste Fig. 1 Tanque de imersão 4

4 3 - DESENVOLVIMENTO 3.1. TÉCNICA DO ENSAIO - COLUNA D ÁGUA USIMINAS Essa técnica é executada em chapas grossas conforme o procedimento do setor de ultra-som da Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas ILQG. Neste procedimento o cabeçote é que fica dentro da água e não o material a ser ensaiado. No dispositivo onde o cabeçote é alojado é criada uma coluna d água de, por exemplo, 40mm de altura. Essa coluna d água é retirada pelo controle de ajuste zero do aparelho com valores na ordem de 53,67 µ/s de atraso do pulso inicial, até aparecer o eco de superfície, sendo mantida esta distância em 160mm. Isso nos possibilita executar ensaios em materiais com espessuras a partir de 6mm, mantendo assim um acoplamento acústico perfeito e com uma grande vantagem em relação ao contato direto que é absorver o campo próximo. Com isso, a região de inspeção será no campo longínquo ou zona de Fraunhofer. A figura 2 mostra a tela do aparelho (desenvolvida), usando os valores citados acima, após calibração usando o bloco V1. Nesse caso foi feita uma escala de 100 mm e usou-se o recurso do bloco (plexiglass) na espessura de 50 mm. Eco inicial eco de superfície 1 o eco de fundo 160mm espessura espessura do material do material coluna d água 2 o eco de fundo Fig. 2 Tela desenvolvida Como sabemos, a diferença da relação entre a velocidade longitudinal do som no aço ( VL M2 ) e na água ( VL M1 ) é de 4 vezes, conforme a apresentação da ilustração acima e as seqüências matemáticas abaixo: VL M2 = m/s = 1, s/h s/h VL M1 = m/s = 0, s/h s/h VL M2 = m/s = 4,0 VL M m/s 40 mm... água x 4... diferença da relação velocidade água/aço. 160 mm... coluna d água representada tela do aparelho 5

5 3.2 - DISPOSITIVOS Na Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas ILQG, o ensaio é realizado através de um dispositivo (fig. 3). Este dispositivo possui três partes e dois acessórios: tampa (bronze): local onde o cabeçote é fixado; anel de borracha: acessório para nivelamento do cabeçote; corpo (bronze) local onde o cabeçote é alojado e a sua imersão na coluna d água; sapata (aço ligado tratado) local para colocação do plástico para represar a água e o anel de borracha para amortecer o atrito entre a sapata e o corpo; anel de borracha: acessório amortecedor para diminuir o atrito entre o corpo e a sapata durante o ensaio e vedar a água. O cabeçote é fixado com um parafuso na tampa e essa por sua vez, é fixada no corpo, onde existe a coluna d água. Ao enroscar a sapata no corpo, coloca-se um plástico para represar o líquido. Após essa etapa verifica-se a perpendicularidade do cabeçote utilizando os parafusos que assentam a tampa no corpo. Finalmente é acoplada uma haste no dispositivo para execução da varredura. A montagem da haste possui duas partes: o cabo ( PVC ) e o gancho ( aço ), ( fig. 4 ). Após o estabelecimento correto dos parâmetros da calibração e sensibilidade, o inspetor estará seguro da confiabilidade do ensaio, reconhecendo os sinais indicativos das descontinuidades, a delimitação do seu tamanho aproximado e sua localização correta. Tampa (bronze) Furo para fixação do cabeçote Anel de borracha para nivelamento do cabeçote Verificação vertical do cabeçote Corpo (bronze) Furos para fixação da haste Rosca Anel de borracha para vedação da água Sapata Aço temperado Fig. 3 - Dispositivo para ensaio por imersão tubo de PVC rígido Ø ¾ comprimento 1700mm 6 rosca

6 Fig. 4 Haste para varredura gancho de aço para acoplar no corpo CARACTERÍSTICAS DO CABEÇOTE Na Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas ILQG, a grande parte do material ensaiado possui espessuras abaixo de 50mm. Se utilizarmos um cabeçote monocristal por contato direto, haverá muitas dificuldades de avaliação das descontinuidades devido ao campo próximo. O campo próximo é uma região onde existe uma interferência ondulatória muito grande, assim como uma turbulência de energia sônica, não confiável na interpretação das indicações. No campo próximo, as descontinuidades são detectadas porém seu dimensionamento não é confiável. O seu comprimento (campo próximo) depende da área do cristal e da freqüência da onda. Como sabemos, a obtenção do comprimento do campo próximo segue a seguinte fórmula matemática: N = D 2. f Exemplo: Hz MHz = 67,57mm 4. VL m/s km/s. N = distância do campo próximo D = diâmetro do cristal F = freqüência da onda VL = velocidade longitudinal do som no material 4 = constante O feixe sônico, neste método irá propagar-se em dois meios ( água e aço ) com velocidades e elasticidade diferentes, e apenas para ressaltar, teremos ainda a divergência do feixe sônico do cabeçote com 4MHz que é utilizado nos ensaios ( fig. 5 ). Fig. 5 Divergência sônica sen γ = k. v D.F k = fator da sensibilidade v = velocidade do som no material D= Ø do cristal F= freqüência 7

7 Exemplo: cabeçote Z4N ( Krautkramer ) - onda longitudinal - cabeçote de imersão - Ø do cristal 20mm k = 1,08 água = sen γ = 1, m/s 1, ,020 m Hz ,08. 0,0185 sen = 0,01998 = 1.14 o aço = sen γ = 1,08 ; m/s 1, , Hz ,08. 0,074 sen = 0,07992 = 4.58 o AVALIAÇÃO E JULGAMENTO A técnica e o dispositivo apresentados são utilizados para a varredura e localização das descontinuidades. Em alguns casos, as normas permitem a avaliação das descontinuidades com esse dispositivo. Em outros casos, elas exigem que a delimitação das descontinuidades, seja feita utilizando cabeçotes com duplo cristal. Durante o ensaio, utilizamos a água como acoplante e a varredura é executada pelo eixo transversal do sentido de laminação. A garantia da qualidade do produto obedecerá ao critério de julgamento da norma USIMINAS e outras normas internacionais de ultra-som com vários níveis de aceitação conforme a relação seguinte: Norma USI UST Norma ASTM-A-435/90 Norma ASTM-A-578 /96 Norma BS-EN-10160/99 Norma DIN-EN /97 Norma SEL 072/77 Norma NF-A04-305/83 - Normas Técnicas da Usiminas - American Society for Testing Materials - American Society for Testing Material - Norma Européia - Norma Européia - Stahl Elsen Lieferbedingunge - AFNOR Norma EURONORM EU160/85 - Norma Européia QUALIFICAÇÃO 8

8 A Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas ILQG, dispõe de inspetores treinados e qualificados pelas entidades: AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING ASNT Práticas recomendadas SNT TC 1A. CENTRO TÉCNICO AEROESPACIAL CTA Conformidade com a norma MIL STD 410 D. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ABENDE SNQC Sistema Nacional de Qualificação e Certificação Requisitos da norma ABENDE 01 NA 01 9

9 4. CONCLUSÃO O ultra-som é um ensaio muito confiável para garantir a sanidade interna dos materiais, principalmente em aço, onde várias técnicas são usadas com muita confiabilidade. No entanto, algumas restrições tornam o ensaio as vezes de difícil execução e com confiabilidade duvidosa. Uma dessas restrições é o campo próximo, que em função do tamanho do cristal do cabeçote, da freqüência, da velocidade sônica do material em teste, etc., pode ser maior ou menor. Dentro do campo próximo, as descontinuidades podem ser detectadas, porém seu dimensionamento é algo que não se pode confiar, principalmente em função da pressão sônica exercida naquela região. A Gerência de Seção de Acabamento e Expedição de Chapas Grossas - ILQG através do uso deste dispositivo, consegue ensaiar chapas grossas com espessuras a partir de 6mm, com alto grau de confiabilidade e segurança. Também é possível conseguir um acoplamento uniforme e constante, o que é muito importante em se tratando da diversidade de materiais e espessuras que produzimos. Com isso podemos assegurar que os ensaios realizados em nosso setor, são feitos dentro das mais modernas técnicas, de acordo com as normas em vigência, sem no entanto comprometer a avaliação dos resultados, devido a utilização deste dispositivo. 10

10 5- ANEXOS Durante o período de realização dos ensaios, e para nos dar as respostas com precisão, foi utilizado um aparelho da Krautkramer Branson - modelo USN 50 de fabricação alemã, para conformidade e conclusão deste trabalho. O cabeçote utilizado nos testes foi o Z4N Fabricado pela Krautkramer 11

11 6 - AUTORES Edmar Uzai Martins Operador de ultra-som nível I norma MIL - STD-410D CTA Inspetor de ultra-som industrial nível II norma - ASNT TC-1A Inspetor de partículas magnéticas nível II - norma - ASNT TC-1A João Maurício d Aparecida Melo Operador de ultra-som nível I norma MIL - STD-410D CTA Inspetor de ultra-som industrial nível II norma - ASNT TC-1A Inspetor de ultra-som chapas laminadas SNQC US N1 CL - ABENDE Inspetor de partículas magnéticas nível II - ASNT TC-1A Mauro Ramon Dias Operador de ultra-som nível I norma - MIL STD-410D CTA Inspetor de ultra-som industrial nível II norma - ASNT TC-1A 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Miranda, J. r.g., Filho, W.f., Curso de Ultra-som N1 e N2. Apostila de Ultra-som Cetre, Centro de Treinamento Abende, pp Ultra-som técnica e aplicação Jorge Luiz Santin editora Qualitymark ed. 1996, pp 52-60, 72, , 258. Bittencourt, M.s.q., Lamy, C.a., Payão Filho, J.c; Potencialidade Da Técnica Ultrasônica. Suplemento Técnico da Revista Soldagem e Inspeção, ano 4 número 12, dezembro de 1998, pp Ultrasonic Inspection 2 - Training for Nondestructive Testing E.A. Ginzel; Prometheus Press Canada. Magnetic system for ultrasonic probe providing operation with magnetic liquid coupling layer.- Defectoscopiya,Russian Acad. Sc., 1989, No.3, pp /V.Korovin, I.Lebedev, Yu.Raykher, V.Epifanov Rationale and Summary of Methods for Determining Ultrasonic Properties of Materials at Lawrence Livermore National Laboratory by Albert E. Brown, February 9, 1995 Diedericks, R, Ginzel, E., Nondestrutive Testing Encyclopedia, Ultrasonic Testing Dictionary Immersion Technique, Immersion Method, Immersion Testing, Immersion Probe 12