AVALIAÇÃO POR ULTRA-SOM DO TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES. Carlos Alfredo Lamy IEN/CNEN. João da Cruz Payão Filho DEMM/UFRJ

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1 AVALIAÇÃO POR ULTRA-SOM DO TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES Carlos Alfredo Lamy IEN/CNEN João da Cruz Payão Filho DEMM/UFRJ Marcelo de Siqueira Queiroz Bittencourt IEN/CNEN Vitor Leonardo Ferreira Areas DEMM/UFRJ Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).

2 SINÓPSE Utilização da técnica ultra-sônica da birrefringência para avaliar o tratamento térmico de alívio de tensões em duas chapas de aço estrutural unidas por uma solda de topo. Para isso foi medido o tempo em que a onda cisalhante com incidência normal leva para percorrer a espessura do material antes e depois do tratamento térmico. Propositadamente trabalhou-se com um gradiente de temperatura no forno para que o alívio de tensões não fosse homogêneo ao longo de toda solda. Foi observado que esta técnica ultra-sônica é capaz de avaliar quais as regiões da chapa em que o tratamento térmico foi mais eficiente no alívio das tensões existentes. Os resultados mostraram que esta técnica ultra-sônica, barata, portátil, e não destrutiva, pode ser usada para avaliar a eficiência do tratamento térmico para alívio de tensões, podendo inclusive saber se é possível consumir menos energia e obter os mesmos resultados para o tratamento térmico de alívio de tensões.

3 1. Introdução É bem conhecido o fato de que o processo de fabricação é um dos principais causadores de tensões residuais em estruturas. Estas tensões podem alcançar valores tão altos quanto o limite de escoamento do material, e quando combinadas com tensões causadas por esforços externos podem exceder o limite de resistência do material, causando o colapso da estrutura. A soldagem é um dos processos de fabricação mais usados. Durante o processo são geradas tensões devido à contração e expansão desiguais no cordão de solda, na zona afetada pelo calor (ZTA) e no metal de base. A completa eliminação destas tensões é difícil. Entretanto, elas podem se tornar bastante prejudiciais a uma estrutura ou componente devido às solicitações em serviço. Neste caso, o alívio dessas tensões não é somente desejável, mas necessário. Dados experimentais [1] indicam que a distribuição de tensões numa junta soldada ou próxima a ela é extremamente complexa e muito difícil de analisar. Daí a importância de saber que tipo de tensões existe numa chapa soldada, a sua magnitude, sua localização, etc., principalmente em juntas soldadas que fazem parte de componentes de alta responsabilidade, isto é, de alto custo ou que coloquem vidas humanas em risco. Existem vários métodos em que as tensões residuais podem ser reduzidas, mas o método mais comum e mais efetivo é o tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT). Para um TTAT satisfatório, o aquecimento deve ser feito em um forno capaz de uniformizar o aquecimento numa temperatura controlada. O TTAT realizado numa peça de responsabilidade deveria ser avaliado. Entretanto, seja por motivos técnicos ou econômicos, isto não é feito. O ultra-som começa a surgir como uma ferramenta barata, fácil de ser usada, não destrutiva e extremamente eficaz na avaliação da eficiência do TTAT. As técnicas ultra-sônicas se baseiam nas variações da velocidade das ondas ultrasônicas, que ocorre quando esta se propaga através de um material que se encontra submetido à tensão, podendo isto estar relacionado ao estado de tensão residual através das constantes elásticas de terceira ordem do material. A esse fenômeno dá-se o nome de anisotropia acústica. As tensões internas de materiais metálicos influenciam na velocidade das ondas ultra-sônicas. Esta variação da velocidade da onda ultra-sônica depende da sua direção de propagação e da direção da movimentação das partículas (polarização) do meio devido à passagem da onda em relação ao estado de tensão do material e aos planos cristalinos. A este fenômeno dá-se o nome de efeito acustoelástico [2,3] Neste trabalho, para a avaliação do TTAT, em várias regiões das chapas soldadas foi emitida uma onda ultra-sônica cisalhante, com incidência normal à superfície e polarização alinhada a direção de laminação e outra onda com polarização ortogonal

4 a anterior. Esta técnica é chamada de técnica da birrefringência. Uma de suas grandes vantagens é que não é necessário conhecer a espessura do material. É preciso, entretanto, possuir um mecanismo capaz de medir tempo entre dois sinais eletrônicos da ordem de nanossegundo e saber distinguir a influência da textura na velocidade da onda. A técnica de medida do tempo decorrido usada neste trabalho é a do pulso-eco empregando a birrefringência de ondas cisalhantes com incidência normal, que permite a verificação do estado plano de tensões (biaxial) ao longo da espessura do material. Ela consiste na medida do tempo entre dois ecos da onda ultra-sônica. Como a aplicação dessa técnica será usada para a verificação de tensão em material, usando a birrefringência, não há a necessidade do cálculo da velocidade, já que a onda percorre exatamente o mesmo espaço (espessura), podendo-se trabalhar diretamente com os tempos medidos. O objetivo deste trabalho é avaliar o TTAT de uma junta soldada pela técnica ultrasônica da birrefringência de uma forma rápida, não destrutiva e fácil de ser utilizada. 2. Desenvolvimento do trabalho 2.1. Metodologia Neste trabalho foi utilizada uma chapa de aço SAE A chapa foi aplainada e dividida longitudinalmente ao meio. Foram feitas marcações na superfície das chapas para indicar os locais onde seria acoplado o transdutor para a medida do tempo de percurso da onda ultra-sônica. O sistema ultra-sônico montado para a aquisição dos sinais é composto de um aparelho de ultra-som convencional Krautkrämer, modelo USK-6, que funciona como um gerador de pulsos. Os pulsos gerados passam por um filtro de amplitude que divide o sinal, emitindo-o parte, a uma voltagem de aproximadamente 8V, para um osciloscópio digital analógico (Tektronix 2221A), e parte, a uma voltagem entre 300 a 350 volts, para excitar o único transdutor (emissor/receptor) que é fixado ao corpo-de-prova. O sinal ultra-sônico é transmitido ao material e seu eco retorna ao osciloscópio. Assim são observados no osciloscópio os sinais do pulso de excitação do cristal piezoelétrico e de seu eco. É usado um gerador de atraso para permitir localizar na tela do osciloscópio qualquer ponto do sinal ultra-sônico independente da espessura do corpo-de-prova ou do ajuste da base de tempo. Além disso, ele permite eliminar o pulso de excitação, e deixar na tela do osciloscópio apenas o eco ultra-sônico. O sistema eletrônico montado está conectado a um microcomputador para receber o sinal ultra-sônico do osciloscópio e permitir seu processamento. Desta forma as medidas de tempo podem ser tomadas com uma precisão muito grande, ao contrário do que ocorre quando são feitas visualmente diretamente da tela do osciloscópio. Para o processamento do sinal utiliza-se um algoritmo de correlação cruzada para permitir a exatidão e resolução necessária às medidas do tempo de percurso da onda ultra-sônica para a avaliação de tensão em materiais. A correlação cruzada, aqui, é usada diretamente para medir o tempo do sinal aquisitado no osciloscópio, eliminando a necessidade da localização de um ponto de referência entre dois ecos consecutivos, o que é fonte de erros, seja por dificuldades de localização da

5 referência ou pela falta de precisão na sua localização devido a existência de ruídos no sinal. A defasagem entre os sinais, nesse caso, corresponde ao tempo de percurso que a onda ultra-sônica levou na sua propagação através da espessura do material. Vale ressaltar que antes deste processamento faz-se um aumento na taxa de amostragem através da interpolação de pontos entre dois pontos de dados aquisitados pelo osciloscópio. A eficiência desse processamento do sinal ultra-sônico pode ser verificado pelos resultados demonstrados por Bittencourt [1]. Com um transdutor de ondas cisalhantes e incidência normal, com freqüência de 5,0 MHz, foram geradas e aquisitadas as ondas com a direção de polarização alinhada com a direção longitudinal do corpo de prova e perpendicular a esta. O material, assim como foi recebido, foi submetido a ensaios ultra-sônicos ao longo da espessura para medida do tempo de percurso da onda em locais determinados. Foi aquisitado, em cada local, uma onda com direção de polarização alinhada ao cordão de solda do corpo-de-prova e uma onda com direção de polarização perpendicular ao cordão de solda do corpo-de-prova. O mesmo procedimento de aquisição de sinais foi realizado para obtenção dos resultados depois das chapas soldadas e depois do tratamento térmico. Depois das ondas aquisitadas as chapas foram unidas por solda. Inicialmente elas foram fixadas, por pontos de solda, sobre uma outra chapa de aço, para restringir a contração e expansão do corpo de prova durante a soldagem, gerando uma maior concentração de tensões internas. Durante a soldagem das duas chapas houve o rompimento dos dois pontos de fixação no centro do corpo-de-prova, devido às tensões geradas pelo processo, como mostrado na figura 1. Será visto que este rompimento dos dois pontos de fixação causaram um certo alívio nas tensões no centro do corpo de prova. O processo de soldagem empregado foi o arco-elétrico, com a solda sendo realizada em 6 passes, na posição plana, utilizando eletrodos AWS 6013 e corrente de 155A. Foram feitas novas aquisições de ondas ultra-sônicas nas regiões estabelecidas para avaliar o estado de tensão no corpo de prova devido à soldagem. Foi realizado, então, um tratamento térmico de alívio de tensões. Segundo o código ASME, para o material utilizado, a estrutura soldada deve ser aquecida lentamente a 590 o C-650 o C, mantida nesta temperatura por pelo menos 1 hora por polegada de espessura, então resfriada no forno lentamente até 315 o C, podendo depois ser resfriada ao ar. O forno utilizado para o tratamento foi da marca Combustol, próprio para tratamentos térmicos sob atmosfera controlada, sendo usado gás argônio como proteção do material contra oxidação durante o tratamento. Durante a execução do tratamento foi medida a temperatura em 5 pontos distintos dentro da câmara do forno, utilizando termopares, ao longo do comprimento do corpo de prova. Como já era conhecido, os termopares indicaram um gradiente de temperatura de uma extremidade a outra do corpo de prova (figura 1), como era desejado neste trabalho, para mostrar o efeito da temperatura no alívio de tensões, e assim, evidenciar o fato de que a técnica ultra-sônica é uma ferramenta útil na verificação da qualidade de um tratamento térmico para esse fim.

6 Foram feitas aquisições das ondas ultra-sônicas nos mesmos pontos antes monitorados. Figura 1 Dimensões do CP. Disposição da solda de união e de fixação das chapas. Visualização do rompimento da solda de fixação no centro do CP (nas chapas 1 e 2, na altura das linhas 6,T e 7), que ocasionou um pré-alívio das tensões. Distribuição e nomenclatura dos pontos de aquisição das ondas. Gradiente de temperatura durante o TTAT Resultados e Discussão A diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica entre as duas direções ortogonais, na coluna C da chapa 1 como recebida, é mostrada na figura 2 (curva bolas azuis). Essa diferença no tempo entre os pontos está associada à anisotropia acústica do material originada principalmente pela textura e/ou tensões residuais devido ao processo de fabricação. Na figura 2 pode-se observar a alteração na diferença do tempo de percurso da onda nos mesmos pontos de aquisição anterior devido ao estado de tensões gerado pela solda das chapas. Os pontos azuis se referem ao corpo-de-prova antes da solda, enquanto que os triângulos vermelhos representam os resultados após a solda. Essa variação do T ao longo do comprimento do corpo-de-prova após a solda indica uma distribuição heterogênea de tensão no material, resultado da complexidade da distribuição de tensões em regiões próximas a junta soldada. A figura 3 mostra os resultados obtidos pelo tratamento térmico em relação ao estado após a solda nos pontos de aquisição da coluna C da chapa 1. Os triângulos vermelhos, iguais aos da figura 2, representam os resultados após a solda, enquanto que os quadrados verdes se referem ao corpo-de-prova depois do TTAT. Segundo a literatura, o TTAT desse corpo-de-prova seria efetivo em temperaturas de, no mínimo, 590 o C e no tempo estabelecido para sua espessura. Comparando as curvas da figura 4 pode-se observar que após o TTAT, as regiões que se mantiveram dentro da temperatura estabelecida para alívio de tensões, sofreram alterações consideráveis no T em relação a curva que mostra o material após a solda. Até o

7 ponto 5, a diferença de tempo entre as duas curvas é considerável e, a partir do ponto 6, vê-se que as curvas se aproximam e a curva verde tende a adotar o mesmo perfil da curva vermelha. Isto demonstra que a partir do ponto 6, o tratamento térmico não se mostrou efetivo ao alívio de tensões devido à temperatura, nesta região, durante o tratamento, se encontrar abaixo da temperatura mínima estabelecida para o tratamento térmico. Chapa 1 Coluna C - antes da solda x depois da solda 48,00 43,00 38,00 DT (ns) 33,00 28,00 23,00 antes da solda depois da solda 18,00 13,00 8, Pontos Figura 2 Diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica na coluna C da chapa 1, antes e depois da solda. Chapa 1 Coluna C - depois da solda x depois do TTAT 45, o C 618 o C 571 o C 442 o C 420 o C 40,00 35,00 DT (ns) 30,00 depois da solda depois do TTAT 25,00 20,00 15, Pontos Figura 3 Diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica na coluna C da chapa 1, depois da solda e depois do TTAT.

8 Chapa 1 Coluna C - antes da solda x depois da solda x depois do TTAT 48, o C 618 o C 571 o C 442 o C 420 o C 43,00 38,00 DT (ns) 33,00 28,00 23,00 antes da solda depois da solda depois do TTAT 18,00 13,00 8, Pontos Figura 4 Diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica na coluna C da chapa 1, antes da solda, depois da solda e depois do TTAT. A figura 4 mostra a diferença no tempo de percurso da onda nas três etapas de aquisição da onda. Os pontos azuis se referem ao corpo-de-prova antes da solda (com menores tensões), os triângulos vermelhos representam os resultados após a solda (com maiores tensões) e os quadrados verdes se referem ao corpo-de-prova depois do TTAT (tensões aliviadas, mas não totalmente). O gráfico da figura 4 mostra que a partir do ponto 6, a curva verde tende a se afastar da curva azul e se aproximar da vermelha. A curva azul não representa o estado da chapa sem tensão, pois ela ainda apresenta anisotropia acústica. A curva azul representa a anisotropia acústica da chapa como recebida que pode ter sido gerada pela textura e/ou tensões residuais que já existiam. O gráfico da figura 5 mostra, em triângulos laranja, a diferença entre os tempos após soldagem (triângulos vermelhos da figura 4) e da chapa como recebida (bolas azuis da figura 4). Mostra também, em bolas azul claro, a diferença entre os tempos após TTAT (quadrado verde da figura 4) e da chapa como recebida (bolas azuis da figura 4). Pode ser visto que do ponto 2 ao 6 da curva azul claro (após TTAT) diminui o tempo em relação a curva laranja (após solda) confirmando o alívio de tensões. É interessante observar na figura 5 que em torno dos pontos 5, 6, 7 e 8 existe um decréscimo de tempo da birrefringência acústica, que é sinalizado pela diferença entre os triângulos vermelhos e as bolas azuis que está relacionado com as tensões, para todas as situações: antes da solda e depois da solda. Isso corresponde ao fato do ponto de solda, para fixação do corpo-de-prova na chapa de baixo, ter se rompido, aliviando, assim, a tensão nesta região do corpo-de-prova. A figura 6 mostra o efeito no tempo de percurso da onda, na coluna E da chapa 1 (a faixa mais próxima do cordão de solda), no CP como recebido, após soldado e após o TTAT. Verifica-se que o estado de tensões relativo ao CP após soldagem, mostrado pela curva vermelha, tem aspecto completamente diferente daquele mostrado na coluna C da chapa 1, o que evidencia a complexidade do estado de tensões gerado

9 Chapa 1 Coluna C - Vizualizaçao do alívio de tensoes devido ao TTAT e do rompimento do ponto de solda 12,00 10,00 8,00 Tempo (ns) 6,00 4,00 2,00 0, ,00 Pontos Diferença 'após soldagem' e 'como recebido' Diferença 'após TTAT' e 'como recebido' Figura 5 Gráfico mostrando que o alívio de tensões ocorreu do ponto 2 ao ponto 6 (590 o C), isto é, onde a temperatura era aquela recomendada por norma. pelo processo de soldagem. Porém, assim como mostrado para coluna C, o alívio de tensões se torna evidente para temperaturas dentro da faixa estabelecida pela literatura. A partir do ponto 5, a curva verde, relativa ao estado de tensões após TTAT, mostra uma tendência em se aproximar da curva vermelha, demonstrando que nesta região do CP praticamente não houve o alívio nas tensões. Chapa 1 Coluna E - antes da solda x depois da solda x depois do TTAT 55, o C 618 o C 571 o C 442 o C 420 o C 50,00 45,00 40,00 DT (ns) 35,00 30,00 25,00 antes da solda depois da solda depois do TTAT 20,00 15,00 10, Pontos Figura 6 Diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica na coluna E da chapa 1, antes da solda, depois da solda e depois do TTAT. Outro resultado que se pode obter através desse estudo é em relação à economia de energia, muito importante nos dias de hoje. A literatura propõe uma faixa de

10 temperatura muito grande para o TTAT. Para garantir a eficiência do TTAT, muitas vezes faz-se o tratamento com temperaturas próximas a temperatura máxima. No caso deste estudo, a faixa de temperatura proposta era 590 o C 650 o C. Pelos resultados obtidos verificou-se que, para esse material com essas dimensões, temperaturas em torno de 600 o C são efetivas para o alívio de tensões, não havendo necessidade de chegar a temperaturas maiores, o que causaria um maior gasto de energia sem propósito. 3. Conclusões Os resultados deste trabalho mostram que, embora sejam qualitativos, o ultra-som é uma ferramenta promissora e de grande valor na avaliação da qualidade do tratamento térmico de alívio de tensões, por se tratar de um modo rápido e não destrutivo. É uma informação de grande utilidade, por se tratar de uma garantia de segurança de estruturas e componentes. O uso do ultra-som para a avaliação do estado de tensões é uma técnica nova, ainda pouco conhecida, mas se mostra bastante eficaz. Estudos para o desenvolvimento da técnica ultra-sônica têm sido realizados pela equipe do laboratório de ultra-som do Instituto de Engenharia Nuclear com bons resultados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BITTENCOURT, M.S.Q., Desenvolvimento de um Sistema de Medida de Tempo Decorrido da Onda Ultra-sônica e Análise do Estado de Tensões em Materiais Metálicos pela Técnica da Birrefringência acústica, Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, [2] LEON-SALAMANCA, T., BRAY, D.E., Residual Stress Measurement in Steel Plates and Welds Using Critically Refracted Longitudinal (LCR) Waves, Res Nondestructive Evaluation, pp , [3] BRAY, D.E., JUNGHANS, P., Application of LCR Ultrasonic Technique for Evaluation of Post-Weld Heat Treatment in Steel Plates, NDT & E International, v. 28, n.4, pp , 1995.