FUNDAÇÃO LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA BRUNO GABRIEL AMARO DE SOUSA BRUNO GUILHERME EIDELWEIN RAMUR RODRIGUES

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1 FUNDAÇÃO LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA BRUNO GABRIEL AMARO DE SOUSA BRUNO GUILHERME EIDELWEIN RAMUR RODRIGUES KIT DIDÁTICO PARA ENSAIOS DE ULTRASSOM Orientador: Victor Espanhol Novo Hamburgo 2016

2 1 BRUNO GABRIEL AMARO DE SOUSA BRUNO GUILHERME EIDELWEIN RAMUR RODRIGUES KIT DIDÁTICO PARA ENSAIOS DE ULTRASSOM Trabalho científico apresentado ao Curso Técnico de Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha para aprovação do PID (Projeto de Integração Disciplinar). Orientador: Prof. Victor Espanhol Novo Hamburgo, 2016.

3 2 FOLHA DE ASSINATURAS BRUNO GABRIEL AMARO DE SOUSA BRUNO GUILHERME EIDELWEIN RAMUR RODRIGUES KIT DIDÁTICO PARA ENSAIOS DE ULTRASSOM FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA Novo Hamburgo, outubro, Aluno Contato Aluno Contato Aluno Contato Victor Espanhol Professor Orientador

4 3 RESUMO Este trabalho tem o objetivo de apresentar um kit didático para ensaios de ultrassom, visando à diminuição na dificuldade dos alunos técnicos em mecânica em compreender e executar o mesmo. O desenvolvimento do projeto deve-se ao fato de que mesmo o ensaio sendo um processo não muito complicado, ele torna-se difícil de ser compreendido quando não há um padrão de peças para serem ensaiadas. Foi realizado um questionário para 30 alunos da escola técnica Fundação Liberato, fazendo assim um levantamento das maiores dificuldades dos mesmos. Entre outros resultados, pode-se afirmar que os dados obtidos pelo questionário foram positivos, pois a maior porcentagem desses alunos já havia passado pelo processo de aprendizado de do ensaio de ultrassom e não se julgam capazes de executa-lo sozinho. Então, foram criadas as peças virtualmente no software Inventor, definindo um padrão de peças para serem ensaiados em sequencia. Julgando assim que após cada aluno ensaiar os corpos de prova ficariam capazes de executar o ensaio de maneira eficiente, e conseguiriam executa-lo sozinho. Palavras - chave: Ensaio não destrutivo. Ensaio de ultrassom. Kit para ensaio.

5 4 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Principio básico do ensaio de ultrassom...07 Figura 2:Técnica duplo cristal Figura 3: Técnica com transdutores angulares...11 Figura 4 Peça Figura 5- Peça Figura 6 Peça Figura 7 Gráfico do questionário...17

6 5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ENSAIO DE ULTRASSOM CARACTERIZAÇÃO DO ENSAIO DE ULTRASSOM APLICAÇÃO EQUIPAMENTOS Cristais Transdutores TÉCNICAS DE ENSAIO Técnica de Pulso-Eco Técnica de transparência Técnica do duplo cristal Técnica com transdutores angulares EFEITO PIEZELÉTRICOS APARELHOS MEDIDORES DE ESPESSURA POR ULTRASSOM METODOLOGIA PESQUISAS E COLETA DE DADOS ELABORAÇÃO E APLICAÇÃO DO QUESTIONÁRIO MANUAL DE UTILIZAÇÃO PARA O KIT Finalidade do manual de utilização CORPOS DE PROVA DO KIT Material dos corpos de prova Dimensões dos corpos de prova ANÁLISE DE DADOS Resultado do questionário CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICE APÊNDICE A- FORMULÁRIO DE CONSENTIMENTO... 21

7 6 1 INTRODUÇÃO O ensaio por ultrassom caracteriza-se num método não destrutivo, tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos. Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação, portando, o ensaio não destrutivo por ultrassom, assim como todo ensaio não destrutivo, visa a diminuir o grau de incerteza na utilização em ensaios destrutivos (ANDREUCCI, 2002). Sabendo da importância de um futuro técnico ter o domínio do ensaio de ultrassom, este projeto consiste em um kit didático próprio para as aulas do curso de Mecânica. Esse projeto visa a melhorar o aprendizado dos alunos tendo como justificativa a dificuldade destes em executar e entender o ensaio de ultrassom devido à falta de exemplificações necessárias das descontinuidades e defeitos possíveis de serem encontrados nas peças. É notável que muitas vezes, na hora de explicar o ensaio, os professores utilizam uma peça aleatória que, por vezes, não ajuda na detecção destas descontinuidades e/ou outros problemas. Com base nisso, formulou-se a pergunta norteadora: como desenvolver um kit para o ensaio de ultrassom que melhore o aprendizado dos alunos? Para isso, uma hipótese é dimensionar o kit e os corpos de prova (cp) com descontinuidades de acordo com pesquisas aprofundadas e fabricar, na oficina da Mecânica da Fundação Liberato, os cp s, tendo como objetivo geral desenvolver um kit didático para as aulas de ultrassom, e como objetivos específicos, estudos sobre o ensaio como procedimentos adequados, processo de medição, tipos de descontinuidades que podem ser obtidas, como funciona o ensaio teoricamente e fenômenos atuantes no ensaio. O relatório vai ser apresentado nos seguintes tópicos: revisão bibliográfica, metodologia onde é detalhada a confecção dos corpos de provas, resultados e discussão e conclusão.

8 7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Ensaio de ultrassom O ensaio consiste em um aparelho eletrônico que através de seu circuito elétrico e de um cristal piezelétrico gera ondas ultrassônicas. As ondas ultrassônicas são emitidas em direção ao material a ser ensaiado através de um elemento emissor chamado de transdutor (THE ULTRAN GROUP, 2011). No momento do ensaio as ondas se propagam em um meio elástico em direção à peça a ser ensaiada e, se for encontrado algum tipo de descontinuidade, é gerado um eco de reflexo na tela do aparelho de ultrassom, caracterizando uma peça não conforme (DUARTE, 1999). Figura 1- Principio básico do ensaio de ultrassom Fonte: Ricardo Andreucci, Caracterização do ensaio de Ultrassom O ensaio de ultrassom é bastante utilizado nas indústrias caracterizado segundo Andreucci (2002, p. 5):"O ensaio por ultra-som, caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos[...]" Os defeitos presentes nas peças podem ser de inúmeras causas, porém os mais comuns são devido aos seus processos de fabricação, exemplos de defeitos e

9 8 descontinuidades comuns são: bolhas de gás em fundidos, micro trincas em forjados, escórias em uniões soldadas e entre outros. O ensaio diminui o grau de incerteza na utilização de peças e também seu desperdício (ANDREUCCI, 2002). Assim, o ensaio de ultassom tem como objetivo a verificação das estruturas das peças e materiais a fim de avaliar a possibilidade de sua utilização nos seus devidos campos de uso. 2.3 Aplicação O ensaio de ultrassom possui um grande campo de aplicação, pois é um ensaio não destrutivo, o que significa que não altera a forma, as propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais, das peças ou materiais a serem analisados. Exemplos de aplicação são em soldas, laminados, forjados, fundidos, ferrosos e não ferrosos, ligas metálicas, vidro, borracha, materiais compostos, Indústria de base (usinas siderúrgicas) e de transformação (mecânicas pesadas), indústria automobilística, transporte marítimo, ferroviário, rodoviário, aéreo e aeroespacial, (ANDREUCCI, R., 2011). Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços carbono e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis. 2.4 Equipamentos O equipamento para a realização do ensaio de ultrassom contém circuitos eletrônicos, cristal piezelétrico (um cristal que, quando submetido a uma pressão, gera um campo elétrico que pode ser coletado como diferença de potencial), cabo coxial (condutor usado para transmitir sinais), tela graduada para demonstração dos raios catódicos (feixes de elétrons produzidos quando uma diferença de potencial elevada é estabelecida entre dois eletrodos) em forma de pulsos luminosos. Os circuitos eletrônicos transmitem ao cristal piezelétrico, pelo cabo coxial, pulsos elétricos controlados, que são convertidos pelo cristal em ondas ultrassônicas. Os sinais captados no cristal são mostrados na tela do tubo de raios catódicos em forma de pulsos luminosos denominados ecos. Os ecos constituem o registro das descontinuidades encontradas no interior do material. (ANDREUCCI, R., 2011)

10 9 transdutores. Os componentes principais do equipamento de ultrassom são os cristais e os Cristais Os cristais piezelétricos fazem a transformação da energia elétrica alternada em oscilação mecânica e a energia mecânica em elétrica. São montados sobre uma base que funciona como suporte ou bloco amortecedor. Tipos de cristais são quartzo, sulfato de lítio, titanato de bário e metaniobato de chumbo Transdutores O transdutor, é formado pelos cristais, pelos eletrodos e pela carcaça externa. Um transdutor emite um impulso ultrassônico que atravessa o material e reflete nas interfaces, originando o eco. O eco retorna ao transdutor e gera o sinal elétrico correspondente. O transdutor pode ser classificado em três tipos: normal ou reto, angular e duplo-cristal. 2.5 Técnicas de ensaio Para entender melhor o ensaio de ultrassom foram pesquisadas as técnicas para realização do mesmo Técnica de Pulso-Eco A técnica de pulso-eco onde apenas um transdutor é responsável por emitir e receber as ondas ultrassônicas, assim o transdutor é acoplado em somente um lado do material, onde pode se verificar a profundidade, dimensões e localização das descontinuidades na peça (ANDREUCCI, 2002).

11 Técnica de transparência Para a técnica de transparência é preciso de dois transdutores, um responsável por emitir e outro por receber, neste caso é necessário acoplar os dois transdutores de forma alinhada. Nessa técnica não se pode determinar a localidade, extensão, posição da descontinuidade, só se pode saber se tem ou não alguma descontinuidade Técnica do duplo cristal A técnica do duplo cristal apresenta dois cristais no mesmo transdutor, o mesmo funciona somente como emissor ou receptor. Essa técnica é adequada para peças com pequenas espessuras pelo motivo da zona morta dessa técnica ser menor do que a do pulso-eco (TELECURSO, 2000). Figura 2:Técnica duplo cristal. Fonte: Telecurso, Técnica com transdutores angulares A técnica com transdutores angulares formam um determinado ângulo com a superfície do material. É bastante utilizado na inspeção de soldas e quando a descontinuidade está orientada perpendicularmente à superfície da peça (THE ULTRAN GROUP, 2011).

12 11 Figura 3- Técnica com transdutores angulares Fonte: Telecurso, Efeito piezelétricos O efeito piezelétrico é um dos fatores mais importantes para o ensaio de ultrassom, Andreucci (2002, p.19) afirma que: Diversos materiais (cristais) apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma lâmina de certo formato (placa) e aplicarmos uma pressão sobre o mesmo, surgem em sua superfície cargas elétricas. O efeito inverso também é verdadeiro: se aplicarmos dois eletrodos sobre as faces opostas de uma placa de cristal piezelétrico, de maneira que possamos carregar as faces eletricamente, a placa comporta-se como se estivesse sobre pressão e diminui de espessura. O cristal piezelétrico pode transformar a energia elétrica alternada em oscilação mecânica e transformar a energia mecânica em elétrica. 2.7 Aparelhos Medidores de Espessura por ultrassom Os aparelhos de medição por ultrassom medem o tempo do percurso da onda para atravessar a espessura do material, e registra no display o espaço percorrido, ou seja, a própria espessura. Eles podem ser tanto analógicos quanto digitais. São utilizados para a medição de espessuras de chapas, tubos, taxas de corrosão em equipamentos industriais. O aparelho utiliza transdutores duplo cristal, tem uma exatidão de décimos ou centésimos, dependendo do modelo. Para medir a espessura o aparelho transmite uma onda ultra-sônica perpendicular a superfície da no peça e esta percorre a espessura total da peça. A

13 12 onda bate no fundo da peça, volta para o cristal que produz um sinal elétrico que será amplificado e registrado na tela do aparelho em forma de pulso-eco. O caminho percorrido do som mostrado na tela será o de ida e de volta, ou seja, para medir a espessura total é necessário dividir o valor mostrado por dois.

14 13 3 METODOLOGIA O desenvolvimento do projeto passou por diversas etapas, desde sua elaboração até o desenvolvimento de um kit didático para ensaio de ultrassom. 3.1 Pesquisas e coleta de dados Para elaborar o projeto usufruímos de recursos bibliográficos, desde livros, artigo de revistas, internet, entre outras fontes de informação. Onde encontramos fundamentação teórica para o desenvolvimento do trabalho. 3.2 Elaboração e aplicação do questionário Para ajudar na fundamentação teórica do trabalho, o grupo decidiu aplicar um questionário com os alunos da Fundação Liberato. Foi elaborado um questionário simples e direto para avaliarmos a importância da criação do nosso kit didático, a decisão de aplicar um questionário veio do nosso orientador que também nos ajudou a formular a pergunta para o tal. Inicialmente o grupo tinha o objetivo de realizar o questionário para três turmas, porém chegamos à conclusão que devíamos realiza-lo com alunos cursando o quarto ano do curso técnico em mecânica, pois todos já passaram pelo conteúdo de ensaios não destrutivos e conhecem o de ultrassom. O questionário consiste no seguinte levantamento. Você se julga capaz de executar o ensaio não destrutivo de ultrassom? a) Sim, e sem acompanhamento do professor. b) Sim, mas com acompanhamento do professor. c) Não, teria que reaprender todo o conteúdo. 3.3 Manual de utilização para o kit Baseado no funcionamento do ensaio de ultrassom, o grupo criou um passo a passo para o aluno de como utilizar o kit.

15 14 Passo 1: deve-se realizar o ensaio do corpo de prova denominado número um, e redigir um relatório indicando a onde estão localizados os furos e o rebaixo juntamente com suas medidas. Passo 2: realizar o ensaio do corpo de prova denominado número dois, e redigir um relatório indicando as condições da solda, descontinuidades e defeitos. Deve constar uma avaliação se a solda foi aprovada. Passo 3: realizar o ensaio do corpo de prova denominado número três, redigir um relatório indicando a localização dos furos internos e deve-se realizar um croqui para demonstrar onde estão esses furos Finalidade do manual de utilização Na criação do manual de utilização do kit didático para ensaios de ultrassom, temos como finalidade desenvolver um sistema adequado para ensinar os alunos como proceder na execução do ensaio. O passo um visa ensinar como fazer a leitura do aparelho, aprendendo assim, a identificar o sistema de ondas que indicam onde há descontinuidades e defeitos. Passo dois tem como objetivo ensinar os alunos a configurar o aparelho para conseguirem fazer a verificação de soldas em peças e podendo identificar se a solda está aprovada ou não. Por ultimo, o passo três vai fazer com que os aprendizes consigam verificar se uma peça tem alguma descontinuidade ou defeito interno que é um dos maiores objetivos deste ensaio, pois é o único não destrutivo capaz de realizar essa verificação. 3.4 Corpos de prova do kit Foram criados três corpos de prova para o kit, cada um desses Cp s foi pensado detalhadamente para ser usado de forma didática, com o intuito de demonstrar como funciona o ensaio de ultrassom e capacitar o aprendiz a executar o mesmo sozinho.

16 Material dos corpos de prova Partimos para a escolha de materiais a serem utilizados na criação das peças do kit. Então, primeiramente, decidimos que seria mais interessante ser desenvolvido a partir de materiais ferrosos, já que o kit é para ser utilizado no curso técnico de mecânica, da Fundação Liberato, os alunos se deparariam mais com esse tipo de material. O grupo então decidiu que o melhor material é um aço de baixa liga por ser mais fácil de usinar e forçar as descontinuidades a serem encontradas no ensaio. O aço escolhido foi o SAE 1020, pois ele tem ótima forjabiidade e soldabilidade Dimensões dos corpos de prova As dimensões foram definidas para que os alunos entendam como o aparelho do ensaio funciona, seguindo os três passos do manual. Na figura quatro esta representada a peça denominada número um, na figura cinco a peça dois e na figura sete a peça três. Figura 4 Peça 1. Fonte: Os autores, 2016.

17 16 Figura 5- Peça 2. Fonte: Os autores, Figura 6 Peça 3. Fonte: Os autores, 2016.

18 17 4 ANÁLISE DE DADOS 4.1 Resultado do questionário Para melhor representar os resultados do questionário aplicado para realizar o levantamento das condições dos alunos que já aprenderam executar o ensaio de ultrassom foi gerado um gráfico de acordo com as respostas obtidas no mesmo. Figura 7 Gráfico do questionário Você se julga capaz de executar o ensaio não destrutivo de ultrassom? Sim, sem acompanhamento do professor. Sim, mas com acompanhamento do professor. Não, teria que reapreender todo o conteúdo. Fonte: os autores, O gráfico demonstra a dificuldade dos alunos em relação ao ensaio não destrutivo de ultrassom, pois apenas 2 alunos julgam conseguir realiza-lo sozinhos, outros 13 precisariam da ajuda de um professor para um acompanhamento demonstrando processos que não sabem mais como executar, e a metade dos entrevistados julgam não conseguir realizar o ensaio precisariam rever sobre o conteúdo novamente.

19 18 5 CONCLUSÃO Baseado nos resultados obtidos, foi possível concluir que grande parte dos alunos do Curso de Mecânica da Fundação Liberato Salzano Vieira da Cunha possuem dificuldades para executar o ensaio de ultrassom, que é muito importante nas indústrias por possuir um grande campo de aplicação, devido ao fato de ser um ensaio não destrutivo, ou seja, que não altera a forma, as propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais, das peças ou materiais a serem analisados, que possibilita a detecção de descontinuidades e defeitos nas peças e materiais. Isso torna necessária a tomada de medidas para reverter este fato. Uma solução para o problema que foi apresentado pelo grupo foi criação de um kit didático, com peças desenhadas e que possuam defeitos ou descontinuidades propositalmente, para realização do ensaio. Foi concluído que é uma boa alternativa para ser utilizada pelos professores que não possuem um material padrão, que tenha as possíveis descontinuidades que podem ser encontradas no ensaio de ultrassom, pois o kit didático apresenta as peças com as descontinuidades e defeitos necessários para um entendimento completo do ensaio. O kit didático para ensaio de ultrassom melhora o aprendizado e a compreensão dos alunos do ensaio fazendo com que haja uma melhora na formação dos alunos do Liberato e que os torne melhores futuros profissionais.

20 19 Referências ANDREUCCI, R. Ensaio não destrutivo por ultrassom. Ed. Jan/2011. ABENDE / SP: p. DUARTE, M. A., Machado, J. C. and Pereira, W. C. A. (1999). Método para classificação de ecos reais e de reverberação em meios homogêneos, multicamadas. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, Vol. 15, No 3; pp THE ULTRAN GROUP, Non-Contact Ultrasound, Composites Analysis. Disponível em : Acesso em 22 jun TELECURSO 2000 PROFISSIONALIZANTE. Mecânica Processos de Fabricação. São Paulo p.

21 APÊNDICE 20

22 21 APÊNDICE A- Formulário de Consentimento SOLICITO SUA AJUDA VOLUNTÁRIA EM MEU PROJETO DE PESQUISA. LEIA AS SEGUINTES INFORMAÇÕES E SE VOCÊ CONCORDAR EM PARTICIPAR, POR FAVOR, ASSINE NO LOCAL INDICADO. Objetivo do projeto: Verificar a necessidade de um kit didático para ensaio de ultrassom visando melhor aprendizado por parte dos alunos do curso técnico de mecânica. Se você participar, terá que: Responder ao questionário apresentado pelo grupo. Tempo necessário para a participação: Tem necessário para responder todas as questões presentes. Riscos: Nenhum Benefícios: Ajudar o grupo a dar continuidade ao projeto. Como a confidencialidade será mantida: A divulgação dos dados questionário não irá apresentar nenhum dado dos voluntários. São informações somente para fins acadêmicos. A participação nesse estudo é totalmente voluntária. Se você decidir não participar, não haverá nenhuma consequência. Esteja ciente de que, se você optar por participar, poderá deixar a pesquisa a qualquer momento e, se não quiser, não precisará explicar o motivo da desistência. Se você tiver qualquer dúvida sobre esta pesquisa, poderá contatar o professor Orientador. Nome do Orientador: Diógenes Dias Telefone / diogenes@liberato.com.br Ao assinar este formulário, estou atestando que li e entendo as informações acima e que livremente dou meu consentimento/concordância para participar. Consentimento de Adulto Nome do Sujeito da Pesquisa: Data: Assinatura: