Sandro Gonçalves Silva, M.Sc. Eng. Metalúrgico Coppe/UFRJ,

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1 AVALIAÇÃO DO ERRO ENTRE A TÉCNICA DO TEMPO DE PERCURSO DA ONDA DIFRATADA - TOFD (TIME-OF-FLIGHT DIFRACTION) E AS TÉCNICAS CONVENCIONAIS NA INSPEÇÃO DE CORDÕES DE AÇOS Sandro Gonçalves Silva, M.Sc. Eng. Metalúrgico Coppe/UFRJ, emetsandro@zipmail.com.br Ivan Costa da Silva, M.Sc. Eng. Eletrônico Coppe/UFRJ, ivanco@metalmat.ufrj.br João Marcos Alcoforado Rebello, Dr. Eng. Metalúrgico Coppe/UFRJ, jmarcos@metalmat.ufrj.br Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, BA, agosto, 2002.

2 SINÓPSE Este trabalho objetiva fazer uma análise do erro entre técnicas de inspeção não destrutivas na localização e dimensionamento dos principais tipos de defeitos em cordões de solda. Resultados em diferença percentual estimam o erro possível da técnica TOFD em relação às duas técnicas de ensaios não destrutivos mais utilizadas: a ultra-sônica do pulso-eco e a radiografia. Os resultados mostraram que o erro comparativo da técnica varia para cada tipo de defeito encontrado num cordão de solda. 2

3 1. INTRODUÇÃO A técnica do tempo de percurso da onda difratada (TOFD do inglês Time-of-flight difraction) foi primeiramente descrita por Maurice G. Silk em 1975 [1]. Até então, a detecção e dimensionamento de descontinuidades em materiais por técnicas ultra-sônicas, utilizava somente a amplitude do eco obtido e a relacionava diretamente com a dimensão da descontinuidade [2]. A possibilidade de se utilizar o tempo de percurso dos sinais ultra-sônicos que são difratados pelas pontas superiores e inferiores dos defeitos como referência para seu dimensionamento abriu um novo horizonte às inspeções ultra-sônicas. Dificuldades encontradas na inspeção de materiais metálicos com o método radiográfico, como a detecção de trincas paralelas ao feixe de raios-x, estão sendo superadas com a utilização da técnica TOFD que incide no interior do material um feixe de ultra-som inclinado em relação a superfície de inspeção[2]. Atualmente, as técnicas mais difundidas que utilizam medidas de tempo de percurso de onda são: a do tempo de percurso da onda difratada em inspeção de soldas em vasos de pressão, tubulações, etc. [2] e a da conversão de modo da onda superficial pelo defeito, para dimensionamento de trincas superficiais nos metais [1]. A técnica TOFD viabiliza análises em campo, proporcionando aos inspetores rapidez e facilidade de se detectar e dimensionar defeitos em materiais com a emissão de relatórios instantâneos de peças e juntas soldadas. Baseada no dimensionamento da altura do defeito a partir do intervalo de tempo entre a difração da onda em suas extremidades, esta técnica adequa-se ao processo de automação da inspeção aliando rapidez e precisão, podendo em alguns casos, substituir a radiografia convencional [3-5]. Para sua utilização a determinação dos fatores envolvidos na inspeção, tais como: tamanho, forma e posição do defeito; ângulo e freqüência dos transdutores; espessura do material e parâmetros de varredura são imprescindíveis. Este trabalho objetiva fazer uma análise do erro entre técnicas de inspeção não destrutivas na localização e dimensionamento dos principais tipos de defeitos em cordões de solda. Resultados em diferença percentual estimam o erro possível da técnica TOFD em relação às duas técnicas de ensaios não destrutivos mais utilizadas: a ultra-sônica do pulso-eco e a radiografia. Os resultados mostraram que o erro comparativo da técnica varia para cada tipo de defeito encontrado num cordão de solda. 2. METODOLOGIA Foram inspecionados vinte corpos-de-prova soldados com espessura de 20 mm. O sistema da figura 1 foi montado para a inspeção das soldas, para isto utilizou-se um aparelho de ultra-som modelo ECHOGRAPH 1080 da KARL DEUTSCH, um par de transdutores normais da 3

4 KRAUTKRÄMER de freqüência 5 MHz e um par sapatas acrílicas para ondas longitudinais de 60 0 de incidência do feixe sônico no material. Os sinais analógicos foram convertidos para digitais através de uma placa digitalizadora da GAGE modelo CS-lite. Os resultados foram obtidos através de medições sobre imagens construídas por programa de computador (figura 2). Permaneceram fixas a distância entre transdutores, a velocidade de varredura. Uma curva de calibração foi construída a partir de blocos de calibração com trincas de diferentes profundidades induzidas por fadiga. Resultados de comprimento e profundidade de defeitos como trincas de solidificação, falta de fusão e de penetração foram comparados com resultados dos ensaios por raio-x e pulso-eco e são apresentados na forma de erro percentual entre técnicas. Figura 1. Sistema para inspeção por TOFD. 4

5 Figura 2. Programa de computador desenvolvido para a técnica TOFD. 3. RESULTADOS O grau de correlação R 2 obtido no levantamento da curva de calibração (figura 3) foi de 0,98 para cinco tamanhos conhecidos de trincas padrões. Figura 3. Curva de calibração. A equação de segundo grau obtida por regressão linear foi, y = -2,7802x ,845x onde x é o tempo de percurso da onda ultra-sônica em µs e y é o resultado em milímetros da profundidade do defeito ou uma de suas extremidades na qual difratou a onda ultra-sônica. Os resultados obtidos são mostrados na tabela 1, onde o erro percentual representa a diferença de medições encontradas entre a técnica TOFD e as técnicas de raio-x e pulso-eco mais comumente utilizadas nestes tipos de inspeções. Tabela 1. Erro percentual entre técnicas de inspeções de cordões de solda. Erro % Trinca de Falta de Falta de fusão solidificação penetração Comprimento (TOFD - R-x) 64,84 ± 25,52 n=8 4,54 ± 34,09 n=16 7,17 ± 19,54 n=41 Profundidade (TOFD P-eco) 10,43 ± 5,08 n=8-25,02 ± 12,72 n=12-4,54 ± 7,17 n=31 5

6 4. DISCUSSÃO Medidas de comprimentos de defeitos (comparação do erro entre TOFD e Raio-x). Para a trinca de solidificação o erro relativo foi o maior encontrado, assim como o desvio dos resultados. Este erro pode ser atribuído a dificuldade encontrada pela técnica por raio-x detectar trincas de solidificação pois este tipo de defeito é muito fechado e está paralelo à radiação durante o ensaio. Neste caso, a técnica TOFD parece dispor da vantagem de se estar emitindo uma onda ultra-sônica praticamente perpendicular à superfície da trinca. Em média as faltas de fusão e penetração obtiveram menores erros entre técnicas porém o desvio padrão dos resultados foi muito grande. Isto se dá pela forte influência sofrida pela onda ultra-sônica quando difrata em defeitos inclinados ou volumétricos dentro do cordão de solda. Medidas de profundidade de defeitos (comparação do erro entre TOFD e Pulso-eco). Trincas de solidificação parecem estar mais profundas nos ensaios por TOFD do que por Pulso-eco. Este resultado é encontrado, provavelmente devido a dificuldade de se detectar a extremidade superior da trinca com a borda do feixe ultra-sônico já que a técnica TOFD a distância entre transdutores é fixa, impossibilitando o cultivo do eco, como é feito na técnica Pulso-eco. O efeito inverso é notado na determinação da profundidade de faltas de fusão onde tendem a surgir menos profundas, ou seja, neste caso a extremidade inferior do defeito está na região de menor energia do feixe ultra-sônico e, em parte é omitida. A figura 4 explica o fenômeno de omissões de extremidades destes defeitos quando sua extremidade interage com a borda de menor energia do feixe ultra-sônico. Erros entre as técnicas de medidas de profundidades das faltas de penetrações apresentaram média e desvio relativamente pequenos. O erro médio é praticamente desprezível 4,5%. Diferentes geometrias que esses defeitos podem assumir: ora surgem com as duas faces do chanfro preservadas e ora não. Esta variável parece ter a mesma gravidade para ambas as técnicas. Figura 4. Localizações dos defeitos em relação ao feixe ultra-sônico, (1) Região de maior energia ultra-sônica e (2) região de menor energia. 6

7 5. CONCLUSÕES a) A técnica TOFD pode ser utilizada para medir comprimentos e profundidades de defeitos em cordões de solda de aço com satisfatória confiabilidade. b) Defeitos inclinados em relação à superfície de inspeção e volumétricos provocam dispersões na onda difratada que induzem a maiores desvios padrões nas medidas de comprimento do que por raiox. c) Extremidades de defeitos próximas à borda do feixe ultra-sônico são omitidas ou fracamente detectadas aumentando o erro entre as técnicas TOFD e Pulso-eco. Este efeito faz com que trincas de solidificação pareçam mais profundas e faltas de fusão menos profundas por TOFD do que por Pulso-eco. d) A inclinação da falta de fusão é uma característica que afeta significativamente a correta estimativa de seu posicionamento dentro do cordão de solda pela técnica TOFD, sendo este o defeito de maior suscetibilidade a erros. e) Erros de indicação da profundidade dos defeitos dentro do cordão de solda são atribuídas à proximidade de suas pontas à região de menor energia do feixe ultra-sônico. f) A profundidade dos defeitos do tipo falta de penetração nos ensaios TOFD tenderam a uma menor profundidade em relação à técnica pulso-eco, que pode estar relacionado às diferentes geometrias assumidas por esses defeitos. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Lamy, C. A., Um estudo sobre o dimensionamento de descontinuidades superficiais pela técnica ultra-sônica do tempo decorrido. Tese D.Sc., COPPE/UFRJ. Julho de [2] Silk, M. G., Sizing crack-like defects by ultrasonic means. Research techniques in nondrestructive testing. Ed. By Sharpe, R. S., vol III, chapter 2; Academic Press, pp 51-79, [3] Silva, I. C. da. Avaliação da Técnica do Tempo de Percurso da Onda Difratada no Dimensionamento de Descontinuidades., Tese M.Sc., COPPE/UFRJ. Março de

8 [4] Richter, M. R. e Quadrado, F. E., END na construção do gasoduto Bolívia - Brasil (GASBOL), XVII CONAEND - Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, São Paulo, pp 29-40, Agosto de [5] Silk, M. G., The potential use of ultrasound for sizing defects in offshore structures. Material Physics Division, Non Destructive Testing Centre. AERE Harwell, pp 1-10, October AGRADECIMENTOS Ao CNPq, Capes, FUJB e Finep pelo apoio na forma de bolsas e aporte financeiro. Ao CEPEL pelo apoio na confecção de blocos de calibração com trincas de fadiga. A todos colegas do Laboend (Laboratório de ensaios não destrutivos) COPPE/UFRJ. 8. ABSTRACT This work present an error analysis between not destructive techniques of inspection in the localization and sizing of main types of defects in weld. Results in percentile difference more esteem the possible error of technique TOFD in relation to the two techniques of used non destructive testings: pulse-echo and x-ray. Results had shown that comparative error of technique varies for each type of defect found in a weld. 8