projeto dirigido - final

Universidade Federal do ABC (UFABC)

Bacharelado em Cincia e Tecnologia

Joo Paulo Bispo Filho

INSPEO POR ULTRASSONOGRAFIA EM

SOLDAS DE AOS INOXIDVEIS Utilizao de ondas longitudinais na inspeo por ultrassonografia em

soldas de aos inoxidveis austenticos

Projeto Dirigido

So Bernardo do Campo SP

2013

Joo Paulo Bispo Filho

INSPEO POR ULTRASSONOGRAFIA EM

SOLDAS DE AOS INOXIDVEIS Utilizao de ondas longitudinais na inspeo por ultrassonografia em

soldas de aos inoxidveis austenticos

Orientador: Prof. Dr. Humberto N. Yoshimura.

So Bernardo do Campo SP

2013

Projeto de pesquisa apresentado como requisito na disciplina de Projeto Dirigido (BC 0002) do curso de graduao em Bacharelado em Cincia e Tecnologia da Universidade Federal do ABC




RESUMO

Visando diversificar as tcnicas de inspeo no-destrutivas utilizadas nas estruturas soldadas de aos inoxidveis, que atualmente consiste quase que exclusivamente de radiografia, foi elaborado este projeto de pesquisa apresentando uma possvel alternativa, com o uso da ultrassonografia. Aps pesquisa e estudo de diversas bibliografias (artigos, teses, livros, normas, etc.), sugerida neste projeto a utilizao de ondas de propagao ultrassnicas longitudinais ao invs das ondas transversais, comumente utilizadas nas soldas de ao-carbono. Acredita-se que, devido s diferentes caractersticas observadas entre os tipos de onda, haver uma diminuio nas dificuldades que foram encontradas em outros trabalhos realizados sobre o tema, como a forte atenuao e o surgimento indevido de ecos esprios na tela do aparelho de ultrassonografia. O trabalho apresenta uma reviso bibliogrfica sobre os temas de ultrassonografia (principais conceitos e equipamentos), aos inoxidveis (austenticos e soldabilidade) e ultrassonografia aplicada a aos inoxidveis. Para comprovao da hiptese prope-se, com o auxilio de sapatas (suportes) de acrlico, realizar a inspeo em corpos de provas atravs da tcnica de ultrassonografia. Os resultados destes devero ser comparados aos resultados da tcnica de radiografia para garantir a confiabilidade da tcnica proposta. Alm disso, prope-se realizar metalografia (micrografia e macrografia) visando identificar e/ou confirmar quais so as causas metalrgicas dos problemas apresentados durante o ensaio de ultrassonografia em aos inoxidveis.

Palavras-chave: Ultrassonografia, ensaio no destrutivo, ao inoxidvel, ultrassom

Lista de Ilustraes

Figura 1 Imagens mostrando: (a) o transdutor apoiado sobre um padro com espessura definida; e (b) a tela do osciloscpio com o pulso ou eco ultrassnico gerado pela propagao e reflexo da onda no fundo do padro (ANDREUCCI, 2008). 16

Figura 2 Imagem do aparelho de ultrassonografia modelo Krautkramer USM 35X. Disponvel em: ,

consultado em 02/03/2013. 17

Figura 3 Imagem de blocos de calibrao. Disponvel em: , consultado em 02/03/2013. 17

Figura 4 Imagem de transdutores. Disponvel em:, consultado em 02/03/2013. 18

Figura 5 Esquemas dos transdutores: (a) angulares; e (b) de duplo-cristal (ANDREUCCI, 2008). 19

Figura 6 Desenho bsico das sapatas de acrlico 25

Lista de tabelas

Tabela 1 Propriedades acsticas de alguns materiais (SANTIN, 2003). 12

Tabela 2 Propriedades fsicas de cristais piezoeltricos (SANTIN, 2003). 14

Tabela 3 Comparao entre os cristais piezoeltricos (SANTIN, 2003). 15

Tabela 4 Caractersticas de alguns aos inoxidveis austenticos (MODENESI, 2001). 21

Tabela 5 Dimenses para fabricao dos transdutores, conforme quotas da FIG. 6. Os ngulos de inclinao sero calculados aps serem obtidos os valores reais de velocidades longitudinais do acrlico e ao inoxidvel que sero utilizados no projeto. 26

SUMRIO 1. Introduo 07

1.1. Justificativa 07 1.2. Objetivo 08

2. Reviso bibliogrfica 09 2.1. Ensaios no destrutivos 09

2.1.1. Ultrassonografia 09 2.1.1.1. Breve histrico 09 2.1.1.2. Conceito bsico 10

2.1.1.2.1. Vantagens 10

2.1.1.2.2. Desvantagens 11

2.1.1.3. Ondas snicas 11 2.1.1.4. Caractersticas das ondas 12

2.1.1.4.1. Frequncia 12

2.1.1.4.2. Velocidade snica 12 2.1.1.4.3. Comprimento de onda 12

2.1.1.5. Gerao das ondas snicas 14 2.1.1.6. Interao entre ondas e defeitos 17 2.1.1.7. Equipamentos 18

2.1.1.7.1. Aparelho de ultrassonografia 18 2.1.1.7.2. Blocos de calibrao 19 2.1.1.7.3. Transdutores 20

2.1.1.8. Tcnicas de inspeo 21 2.2. Aos inoxidveis 22

2.2.1. Aos inoxidveis austenticos 22 2.2.2. Soldabilidade 24

2.3. Inspeo por ultrassonografia em aos inoxidveis 24 2.3.1. Dificuldades 24

3. Metodologia 26 3.1. Fabricao e montagem dos transdutores 26 3.2. Preparao e soldagem dos corpos de prova 29 3.3. Execuo da metalografia, radiografia e ultrassonografia 30

4. Concluses e pesquisas futuras 31

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1. INTRODUO

Na fabricao de estruturas soldadas o controle de qualidade faz uso dos ensaios no destrutivo (ENDs) para deteco de defeitos para garantir a sanidade da pea. Dentre estes ENDs podemos citar a ultrassonografia (US) como importante ferramenta para deteco de descontinuidades internas solda. Na utilizao em conjuntos soldados de ao carbono, o US j bastante difundido e se encontra num estgio bastante avanado em termos tecnolgicos, porm quando se trata de soldas de aos inoxidveis este END apresenta dificuldades (LOBERTO, 2007; CONOLLY, 2009; PLOIX, 2006), isto se deve provavelmente devido grande diferena microestrutural entre o metal de base (laminado) e o metal depositado (fundido) e verificamos que o mercado pouco o utiliza substituindo-o geralmente pela radiografia. Este ensaio por sua vez apresenta limitaes com relao geometria da junta soldada e com o fato do isolamento que se faz necessrio e nem sempre possvel. Com isso faz-se necessrio um estudo mais aprofundado, para que seja possvel sanar os problemas enfrentados na inspeo por US em aos inoxidveis.

1.1. Justificativa Na fabricao de estruturas soldadas, o controle de qualidade faz uso dos ensaios no destrutivo (ENDs) para deteco de defeitos para garantir a sanidade da pea. Dentre estes ENDs podemos citar a ultrassonografia (US) como importante ferramenta para deteco de descontinuidades internas solda.

Na utilizao em conjuntos soldados de ao carbono a US j bastante difundida e se encontra num estgio avanado em termos tecnolgicos, porm quando se trata de soldas de aos inoxidveis este END apresenta dificuldades (LOBERTO, 2007; CONOLLY, 2009; PLOIX et al., 2006; KURTULMUS; YUKLER, 2010). Isto se deve provavelmente grande diferena microestrutural entre o metal de base (laminado) e o metal depositado (fundido). Por isso, verifica-se que o mercado pouco o utiliza substituindo-o geralmente pela radiografia, mas este ensaio por sua vez apresenta limitaes com relao geometria da junta soldada e com o fato do isolamento que se faz necessrio e nem sempre possvel de se realizar. Com isso, faz-se necessrio um estudo mais aprofundado, para que seja possvel sanar os problemas enfrentados na inspeo por US em aos inoxidveis.

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1.2. Objetivo Este projeto de pesquisa tem como objetivo avaliar a viabilidade tcnica da inspeo por ultrassonografia de juntas soldadas de aos inoxidveis austenticos AISI 304L com a insero de ondas longitudinais de propagao do som geradas por transdutores normais (90) em detrimento das comumente utilizadas ondas transversais emitidas por transdutores angulares (tipicamente utilizadas na inspeo ultrassnica de estruturas soldadas de ao-carbono).

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2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. Ensaios No Destrutivos So denominados ensaios no destrutivos (ENDs) as tcnicas para inspeo de

materiais e equipamentos que no alteram de forma permanente as caractersticas fsicas, qumicas e/ou mecnicas da pea. Podem ser executadas em etapas de fabricao, montagem ou manuteno.

So tcnicas muito utilizadas nos setores de petrleo/petroqumico, qumico, aeroespacial, siderrgico, naval, eletromecnico, energia, dentre outros. Esto entre as principais ferramentas do controle de qualidade para garantia da sanidade do produto, com mtodos capazes de obter informaes a respeito do teor de defeitos do mesmo, alm de poder proporcionar o monitoramento da degradao em servio de componentes, equipamentos e estruturas (ABENDI, 2013).

Dentre os ENDs mais utilizados podem ser citados: radiografia/gamagrafia; ensaio visual; estanqueidade; lquido penetrante; partculas magnticas; e ultrassonografia.

2.1.1. Ultrassonografia

2.1.1.1. Breve histrico Desde a antiguidade a humanidade utiliza o som para descobrir o estado dos materiais,

desde a simples verificao da condio de maturao dos frutos at a diferena de som produzida por peas slidas com ou sem grandes defeitos, sejam elas fabricadas de vidro, cermica ou metal (SANTIN, 2003).

Este mtodo de audio direta, embora muito eficiente, fornece informaes grosseiras com relao ao estado da pea. Com o avano tecnolgico, foi necessria a sofisticao dos testes audveis para deteco de descontinuidades e defeitos cada vez menores (SANTIN, 2003).

Em 1880, os irmos Pierre e Jacques Curie descobriram o efeito piezoeltrico, que a caracterstica de determinados cristais produzir corrente eltrica quando submetidos presso. J em 1881, Lipmann descreveu que tais cristais podem emitir vibraes, conforme so submetidos a uma corrente eltrica alternada (SANTIN, 2003).

Outros fatores que contriburam para o desenvolvimento do aparelho de ultrassonografia foram o ecobatmetro, o tubo de raios catdicos e o radar desenvolvidos nas

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dcadas de 1930 e 1940, que possibilitaram a medio de pequenos intervalos de tempo (SANTIN, 2003).

Atualmente a tcnica de ultrassonografia muito utilizada em indstrias, alm de ter crescido muito seu uso na conservao de obras de arte e na agropecuria (por ex., controle de camada de bovinos e sunos) (ABENDI, 2013). Podemos citar ainda seu difundido e amplamente aceito uso na medicina, contribuindo para tornar mais eficiente e preciso diagnsticos de sade e patologias dos pacientes. Com base em diversos estudos e pesquisas realizadas durante as ltimas dcadas, ainda no foi encontrado nenhum indcio de dano permanente ao ser humano devido a ultrassonografia (WANG; KABO, 2002).

No Brasil a ultrassonografia foi impulsionada pela construo das primeiras plataformas para produo de petrleo da PETROBRAS em 1979 na Bacia de Campos (SANTIN, 2003).

2.1.1.2. Conceito bsico O ensaio por ultrassonografia consiste na insero de um feixe snico de alta

frequncia no material a ser avaliado com intuito de detectar descontinuidades internas ou superficiais.

Ao incidir sobre interfaces metal-gs, metal-lquido ou metal-slido, a energia snica reflete parcial ou totalmente, sendo recebida, quantificada e monitorada pelo aparelho atravs do transdutor que est acoplado pea.

2.1.1.2.1. Vantagens Dentre as vantagens do mtodo de ultrassonografia pode-se citar (ASM HANDBOOK, 1989):

- Grande poder de penetrao, podendo ser realizado em espessuras de centenas de milmetros ou eixos forjados com comprimento em torno de at seis metros;

- Alta sensibilidade, da ordem de meio milmetro ou menor; - Alta preciso, sendo possvel determinar a posio e estimar o tamanho, a orientao, a

forma e a natureza da descontinuidade; - Somente necessrio acesso a uma superfcie; - Interpretao imediata da descontinuidade e possibilidade de automatizar e monitorar a

inspeo, podendo ser obtido at um registro permanente para anlise futura; - Varredura volumtrica;

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- No insalubre ou txico; e - Portabilidade.

2.1.1.2.2. Desvantagens E dentre as desvantagens do mtodo de ultrassonografia pode-se citar (ASM HANDBOOK, 1989):

- Requer grande ateno e pessoal qualificado para execuo; - Geometrias irregulares, superfcies rugosas, peas pequenas, muito finas e/ou no

homogneas so difceis de ensaiar; - Descontinuidades muito prximas superfcie podem no ser detectadas; - Necessidade de uso de acoplante para proporcionar bom contato entre as superfcies do

transdutor e da pea; e - Necessidade de blocos padres e de referncia para calibrao do aparelho e

caracterizao das descontinuidades.

2.1.1.3. Ondas snicas Ondas snicas so ondas mecnicas, ou seja, diferem das ondas eletromagnticas porque necessitam de um meio para se propagar. Essas ondas so transmitidas atravs da oscilao das partculas constituintes do material em torno da sua posio de equilbrio (ASM HANDBOOK, 1989). O som classificado em infrassom, som e ultrassom. O que difere so as faixas de frequncias, e estas foram determinadas com base na faixa de frequncia audvel pelo ouvido humano. Com isso, as ondas snicas que esto abaixo de 20 Hz so classificadas como infrassom, as que esto entre 20 Hz e 20 kHz so consideradas como som e as ondas que tm frequncia acima de 20 kHz so denominadas ondas ultrassnicas, que so objeto de estudo neste projeto (SANTIN, 2003). Na fsica clssica, assim como as partculas, as ondas tm certas caractersticas prprias. A seguir sero revistas as principais caractersticas.

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2.1.1.4. Caractersticas das ondas Partculas e ondas so dois conceitos bem estabelecidos da fsica; aqui ser tratado do segundo. Numa onda, informao e/ou energia se deslocam de um ponto ao outro, mas nenhum objeto material realiza este percurso (HALLIDAY et AL, 2003). As ondas ultrassnicas podem ser classificadas quanto a diversas caractersticas como frequncia, velocidade e comprimento de onda.

2.1.1.4.1. Frequncia Ondas acsticas so caracterizados por sua frequncia, que medida em ciclos por segundo, isto o nmero de ondas que passam por segundo pelos nossos ouvidos. No SI sua unidade de medida o Hz (1/s).

2.1.1.4.2. Velocidade snica A velocidade de propagao da onda snica est diretamente relacionada forma como essa onda se propaga. Essa velocidade pode ser definida como a distncia percorrida pela onda snica por unidade de tempo. De acordo com o SI (sistema internacional) deve ser medida em m/s. Esta velocidade uma caracterstica do meio, sendo constante, independente da frequncia ou comprimento de onda. O som se propaga em meios elsticos, diferindo das ondas eletromagnticas que no necessitam de meios materiais para se propagar, por isso propagam inclusive no vcuo. A velocidade com a qual o som se propaga depende diretamente do material no qual est inserido. A Tabela 1 apresenta velocidades snicas de alguns materiais.

2.1.1.4.3. Comprimento de onda O comprimento de onda a distncia aps a qual a forma da onda comea a se repetir.

Em termos simples, pode-se definir como a distncia entre dois picos ou dois vales

consecutivos da onda (HALLIDAY, 2003). Geralmente representada pela letra grega (HALLIDAY,2003; ANDREUCCI, 2008) O comprimento de onda inversamente proporcional frequncia e tem grande importncia para a ultrassonografia, porque ele determina em quais meios a onda poder se propagar. Por exemplo, a onda snica por ter comprimento de onda maior do que a

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ultrassnica se propaga em meios gasosos que contm molculas e tomos dispersos e com interaes muito mais fracas do que nos slidos. O conceito de ultrassonografia industrial baseado exatamente nessa caracterstica do som.

Tabela 1: Propriedades acsticas de alguns materiais (SANTIN, 2003).

Material Massa especfica (kg/m3)

Velocidade transversal

(m/s)

Velocidade longitudinal

(m/s)

Impedncia acstica

(106 kg/m2s)

Ao carbono 7850 3250 5920 46,472

Ao inoxidvel 304L 7900 3070 5640 44,556

Ao inoxidvel 410 7670 2990 5390 41,341

Acrlico 1180 1430 2730 3,221

gua 900 --- 1480 1,480

Alumnio 2700 3130 6320 17,064

Cobre 8900 2250 4700 41,830

Ferro fundido 6900 2200 5300 36,570

Ferro fundido cinzento 7200 2650 4600 33,120

Ouro 19300 1200 3240 62,532

Vidro 3600 2560 4260 15,336

2.1.1.5. Gerao das ondas snicas Os cristais so slidos nos quais seus tomos esto organizados num padro

tridimensional bem definido, que se repete no espao, formando uma estrutura com geometria especfica (ZAMBRANO; PEREIRA, 2004).

Existem diversos materiais piezoeltricos no mercado, como, por exemplo, o quartzo, que insubstituvel em algumas aplicaes e ocorre na natureza em formas de prismas hexagonais com os extremos piramidais (SANTIN, 2003).

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Explica-se o efeito piezoeltrico pelo fato de que quando se deforma um cristal, ocorre o deslocamento dos centros de cargas eltricas, polarizando o cristal e com isso produz-se uma diferena de potencial entre as faces do cristal (SANTIN, 2003; ATCP DO BRASIL, 2004). A direo dessa deformao depende da orientao do corte do cristal.

Cada cristal tem uma frequncia fundamental de ressonncia que depende do tipo e da geometria do cristal. Esta frequncia pode ser calculada atravs da frmula abaixo:

F = V/(2e) (1)

Onde: F a frequncia fundamental de ressonncia do cristal (Hz); V a velocidade do som no cristal (m/s); e a espessura do cristal (m).

Atravs da Equao 1, pode-se tambm calcular a espessura adequada para uma frequncia desejada (SANTIN, 2003).

Alm do quartzo, tm-se tambm os cristais abaixo que so obtidos artificialmente (SANTIN, 2003):

- sulfato de ltio: tem como principal vantagem a facilidade de se obter um timo amortecimento e, com isso, se obter tima resoluo. Porm, solvel em gua e apresenta fragilidade e limitao de operao em temperaturas abaixo de 75C;

- titanato de brio: tem como caractersticas a insolubilidade, quimicamente inerte e trabalha em temperaturas at 100C. Eficiente emissor snico, porm limitado a frequncias de 15 MHz. Durante muito tempo foi o mais utilizado no Brasil;

- metaniobato de chumbo: apresenta elevado mdulo piezoeltrico, caracterstica de um bom emissor snico. Trabalha em altas temperaturas. Entre suas desvantagens podem-se citar a baixa velocidade snica e a baixa resistncia mecnica; indicado para altas frequncias;

- titanato zirconato de chumbo: melhor emissor snico devido ao seu elevado mdulo piezoeltrico, difcil de ser amortecido. Empregado quando necessria grande penetrao. Atualmente o mais utilizado.

Abaixo seguem a Tabela 2 com algumas propriedades fsicas e a Tabela 3 com um resumo comparativo entre os cristais piezoeltricos mais usados:

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Tabela 2: Propriedades fsicas de cristais piezoeltricos (SANTIN, 2003).

Quartzo Sulfato de ltio

Titanato de brio

Metaniobato de chumbo

Titanato zirconato de

chumbo

Massa especfica (g/cm3) 2,65 2,06 5,4 6,2 7,5

Velocidade acstica (106 mm/s)

5,74 5,46 5,10 3,30 4,00

Impedncia acstica (106 kg/m2s)

15,3 11,2 27 20,5 30

Temperatura crtica (C)

576 75 120 550 190-350

Constante dieltrica 4,5 10,3 1000 300 400-4000

Coeficiente de acoplamento eletromecnico

0,10 0,35 0,45 0,42 0,6-0,7

Mdulo piezoeltrico (10-12 m/V)

2,3 15 125-190 85 150-593

Constante de deformao piezoeltrico (10-9 V/m)

4,9 8,2 1,1-1,6 1,9 1,8-4,6

Constante de presso piezoeltrica (10-3 Vm/N)

57 156 14-21 32 20-40

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Tabela 3: Comparao entre os cristais piezoeltricos (SANTIN, 2003).

Material Eficincia como emissor

Eficincia como receptor

Sensibilidade Poder de resoluo

Caractersticas mecnicas

Quartzo Ruim Regular Pouca timo Boas Sulfato de ltio Regular Boa Boa timo

Solvel em gua

Titanato de brio Boa Regular tima Regular Frgil

Metaniobato de chumbo Boa Regular tima timo Boas

Titanato zirconato de chumbo

Boa Regular tima Regular Boas

A escolha do cristal deve ser feita em funo da aplicao desejada. Observando-se suas caractersticas como temperatura crtica, mdulo piezoeltrico, etc., pode-se optar pelo material piezoeltrico mais adequado. Para isso, deve-se conhecer o mximo possvel sobre o material no qual o ultrassom ser propagado, no caso especfico deste projeto trata-se do ao inoxidvel austentico.

2.1.1.6. Interao entre as ondas snicas e os defeitos Quando a onda ultrassnica inserida em determinado meio slido ou liquido, ela se

propaga at encontrar uma interface que far com que parte ou a totalidade dessa energia snica seja refletida e recebida pelo transdutor. Essa interface gerada quando temos dois materiais com diferenas fsicas e/ou mecnicas suficientemente grandes como a superfcie oposta da chapa que gera uma interface metal-gs. A Figura 1a mostra a imagem do transdutor (contendo o cristal piezoeltrico que gera a onda ultrassnica) apoiado sobre um padro com espessura definida e a Figura 1b mostra a tela de um osciloscpio com o pulso ou eco ultrassnico gerado pela propagao da onda, que percorreu duas vezes (ida e volta) a espessura do padro, que chamado de eco de fundo.

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Figura 1 Imagens mostrando: (a) o transdutor apoiado sobre um padro com espessura definida; e (b) a tela do osciloscpio com o pulso ou eco ultrassnico gerado pela propagao e reflexo da onda no fundo do padro (ANDREUCCI, 2008).

Os defeitos mais comuns de soldas, chapas e produtos fundidos geram algum tipo de interface, geralmente metal-gs, como nos poros, ou metal-slido, como ocorre nas incluses de escrias. Estas interfaces causam reflexes adicionais na onda ultrassnica, em distncias menores do que a espessura do material, causando a formao de ecos adicionais na tela do osciloscpio, possibilitando obter dados sobre os defeitos.

2.1.1.7. Equipamentos

2.1.1.7.1. Aparelho de ultrassonografia O aparelho de US tem como funo bsica cronometrar o tempo que o som leva para

percorrer certa distncia em determinado material. Se a velocidade a razo do deslocamento pelo tempo gasto, ento o deslocamento

pode ser calculado pelo produto da velocidade pelo tempo gasto. Como o dado de entrada no aparelho a velocidade de propagao do som no material inspecionado, ele apenas cronometra o tempo gasto pelo som propagar no material e com isso consegue calcular o valor

do percurso snico. Por isso, a importncia da calibrao correta da velocidade nos blocos normatizados. A Figura 2 apresenta a imagem de um equipamento de ultrassonografia tpico empregado para inspecionar a sanidade estrutural de peas.

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Figura 2 Imagem do aparelho de ultrassonografia modelo Krautkramer USM 35X. Disponvel em: ,

consultado em 02/03/2013.

2.1.1.7.2. Blocos de calibrao Existem diverso tipos de blocos de calibrao cada qual com sua finalidade, como

calibrao do percurso snico (escala), verificao do ngulo, verificao da resoluo, verificao da linearidade horizontal e vertical, e traagem das curvas de referncia.

Dentre os blocos mais importantes, tm-se o V1 (IIW), o V2 (bloco bolo de noiva) e os blocos para traagem da curva de referncia que variam de acordo com a espessura a ser ensaiada. A Figura 3 apresenta a imagem de blocos de calibrao tpicos empregados para calibrar os equipamentos de ultrassonografia.

Figura 3 Imagem de blocos de calibrao. Disponvel em: , consultado em 02/03/2013.

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2.1.1.7.3. Transdutores Os transdutores, tambm conhecidos no mercado como cabeotes, tambm tm uma

grande diversidade de tipos e modelos, variando conforme a aplicao desejada (Figura 4).

Figura 4 Imagem de transdutores. Disponvel em:, consultado em 02/03/2013.

O transdutor normal que usualmente utilizado na inspeo de matrias-primas (fundidos, forjados, laminados, etc.) apresenta um cristal paralelo superfcie e consequentemente insere ondas perpendiculares a esta, i.e., utiliza ondas longitudinais.

O transdutor angular utilizado na inspeo de soldas, em geral, apresenta um cristal montado sobre uma sapata (base) de acrlico de forma oblqua superfcie (Figura 5a). Esse ngulo calculado de forma tal que se insira o ngulo desejado na pea. Neste caso, utiliza-se ondas transversais. O transdutor duplo-cristal de certa forma similar ao cabeote normal, porm tem dois cristais: um emissor e um receptor que so isolados entre si por um material isolante acstico (Figura 5b). Isso tem como objetivo eliminar uma zona morta presente nas proximidades dos cristais (Princpio de Huygens).

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(a)

(b) Figura 5 Esquemas dos transdutores: (a) angulares; e (b) de duplo-cristal (ANDREUCCI, 2008).

2.1.1.8. Tcnicas de inspeo Industrialmente existem trs tcnicas usuais de inspeo:

Pulso-eco: nesta tcnica apenas um transdutor acoplado pea. Ele atua tanto como emissor quanto receptor, esta a tcnica mais utilizada e nela possvel verificar a profundidade da descontinuidade, suas dimenses e localizao na pea (ANDREUCCI, 2008);

Transparncia: so utilizados dois transdutores de forma alinhada em superfcies opostas, o primeiro agindo como emissor e o segundo apenas como receptor. Este tipo de inspeo do tipo passa-no passa. Utilizadas geralmente em chapas, vigas ou barras forjadas. Nesta tcnica no possvel determinar as caractersticas do defeito ou sua profundidade (ANDREUCCI, 2008);

Outras tcnicas: atualmente existem outras tcnicas disponveis com phased array ou imerso, porm devido a sua complexidade no sero tratadas nesta reviso.

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2.2. Aos Inoxidveis Os aos inoxidveis so um grupo de ligas ferrosas que tm como caracterstica

principal a resistncia corroso a baixas e altas temperaturas e, tambm, resistncia em meios aquosos na presena de inmeros agentes orgnicos e minerais agressivos. Para se alcanar a resistncia corroso, so adicionados elementos de liga, como o cromo e nquel (MODENESI, 2001).

Ao se adicionar cromo liga metlica, este reage com o oxignio do ambiente e forma a chamada camada passivada de xido de cromo (Cr2O3). Esta camada fina, porm age impedindo a interao qumica entre o ferro e o oxignio do ar ambiente, com isso no se forma o xido de ferro (ferrugem) (MODENESI, 2001).

Os aos inoxidveis so comumente classificados em cinco classes distintas de acordo com a microestrutura predominante (MODENESI, 2001): austenticos; martensticos; ferrticos; duplex; e endurecveis por precipitao.

2.2.1. Aos inoxidveis austenticos A produo dos aos inoxidveis austenticos representa aproximadamente 70% de

todo ao inoxidvel produzido no mundo. Estes aos so o foco deste projeto de pesquisa. So ligas compostas principalmente por Fe-Cr-Ni, embora haja ligas austenticas em que o nquel parcial ou totalmente substitudo por Mn e N. Com estrutura predominantemente austentica, no endurecvel por tratamento trmico. Sua composio qumica da ordem de 6 a 26% de nquel e 16 a 30% de cromo, sendo que os elementos de liga devem representar no mnimo 26% (MODENESI, 2001).

Os aos inoxidveis austenticos apresentam, em temperatura ambiente, baixo limite de escoamento, alto limite de resistncia e elevada ductilidade. Dentre os inoxidveis apresentam a melhor soldabilidade e resistncia geral corroso (MODENESI, 2001).

Na Tabela 4 encontram-se a classificao, conforme (AISI American Iron and Steel Institute), a composio qumica e as respectivas aplicaes de alguns aos inoxidveis austenticos.

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Tabela 4: Caractersticas de alguns aos inoxidveis austenticos (MODENESI, 2001). Classifica-o AISI

% C % Cr % Ni Outros elementos

Propriedades gerais e aplicaes tpicas

301 0,15 16,0-18,0

6,0-8,0

Mn mx 2,0 Si mx 1,0

Aplicaes gerais; boa trabalhabilidade, ornamentao, utenslios domsticos, fins estruturais, equipamento para indstria qumica, naval, alimentcia, transportes, etc.

302 0,15 17,0-19,0

8,0-10,0

Mn max 2,0 Si max 1,0

Idem, para aplicaes decorativas ou de resistncia corroso como indicados para o tipo 301.

304 0,08 18,0-20,0

8,0-11,0


Tipo 18:8 de C mais baixo, soldvel com menor perigo de corroso intercristalina, mesma aplicaes dos tipos de 301 e 302.

308 0,08 19,0-21,0

10,0-12,0


Maior resistncia corroso que o 18:8; para consumveis de soldagem, entre outras aplicaes.

309 0,20 22,0-24,0

12,0-15,0


Boa resistncia oxidao e mecnica a altas temperaturas, para equipamentos da indstria qumica, peas de fornos estufas, etc.

309S 0,08 22,0-24,0

12,0-15,0


Devido ao baixo C, permite soldagem com menor perigo de corroso intergranular.

310 0,25 24,0-26,0

19,0-22,0


Boa estabilidade nas temperaturas de soldagem, consumveis de soldagem, equipamentos para indstria qumica, peas de fornos, estufas; resiste oxidao at temperaturas da ordem de 1100C

316 0,08 16,0-18,0

10,0-14,0

Mn max 2,0 Si max 1,0 Mo 2,0-3,0

Menor resistncia corroso qumica; para equipamentos da indstria qumica, de papel, etc.

317 0,08 18,0-20,0

11,0-14,0

Mn max 2,0 Si max 1,0 Mo 3,0-4,0

Melhor resistncia corroso que o tipo 316, idnticas aplicaes.

321 0,08 17,0-19,0

9,0-12,0

Mn max 2,0 Si max 1,0 Ti 5x%C min

Tipo 18:8, estabilizado contra corroso intergranular a altas temperaturas; para aplicaes que exigem soldagem.

347 0,08 17,0-19,0

9,0-12,0

Mn max 2,0 Si max 1,0 Nb 10x%C min

Tipo 18:8, estabilizado para servio a alta temperatura e onde se exige soldagem.

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2.2.2. Soldabilidade A solda a unio de dois ou mais metais atravs de fuso. Ao se unir duas peas

metlicas e ocorrendo a fuso localizada, a junta soldada comumente dividida em trs partes distintas: metal fundido, zona termicamente afetada (ZTA) e metal de base.

A zona fundida a regio que compreende o metal que ultrapassou o ponto de fuso tornando-se lquido durante a soldagem.

A ZTA uma regio relativamente pequena onde no ocorreu a fuso, porm houve calor suficiente para afetar suas propriedades e sua microestrutura.

Metal de base considerado a regio onde no houve alterao microestrutural e o metal permanece na mesma condio anterior a soldagem.

bem comum haver grandes diferenas microestruturais, fsicas e at qumicas entre as trs regies. No caso dos aos austenticos, podem ocorrer o aumento de gro ou a formao de ferrita na zona fundida. Estas diferenas podem gerar uma interface passvel de ser detectada no ensaio de ultrassonografia (ALVES et al., 2013).

2.3. Inspeo por Ultrassonografia em Aos Inoxidveis Devido a diversas caractersticas prprias do ao inoxidvel, o ensaio por ultrassonografia comumente substituindo pela radiografia.

2.3.1. Dificuldades Na prtica, durante o ensaio por ultrassonografia, podem ocorrer dificuldades, como o

surgimento de ecos esprios e/ou atenuao, que inviabilizam o ensaio. Isso pode ocorrer devido a alguns fatores. Normalmente, o aparecimento de ecos fantasmas ocorre quando se tem uma divergncia muito grande entre dois meios slidos, como, por exemplo, quando o metal de base um produto laminado (com estrutura de gros finos) e o metal fundido apresenta forte tendncia de crescimento do tamanho de gro (ALVES et al., 2013; MODENESI, 2001; DAVID et al., 1987). J o problema da atenuao geralmente ocorre devido s diferenas tanto relativas ao tamanho quanto ao sentido de orientao do gro. Isso se d pela caracterstica anisotrpica do ao inoxidvel. Isto quer dizer que suas caractersticas fsicas variam conforme variam o sentido do cristal. No caso do ao inoxidvel, comum observar-se grande desordem na orientao dos gros aps a soldagem (PLOIX, 2006).

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importante salientar que estas caractersticas geradoras dos problemas podem ser amenizadas com um processo de soldagem adequado e tambm com tratamento trmico posterior, porm este tratamento trmico nem sempre possvel devido s caractersticas qumicas do ao (MODENESI, 2001)

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3. METODOLOGIA

A metodologia dividida em trs etapas: a) fabricao e montagem dos transdutores; b) preparao e soldagem dos corpos de prova; e c) execuo da metalografia, radiografia e ultrassonografia.

As duas primeiras etapas sero realizadas em paralelo. Na ltima etapa ser realizada a metalografia para se avaliar a microestrutura predominante das trs regies da junta soldada (metal fundido, ZTA e metal de base), alm de se verificar o tamanho de gro das mesmas para que seja possvel fazer uma avaliao e obter uma possvel concluso sobre o que gera os ecos esprios na inspeo por ultrassonografia. Espera-se que se possa confirmar a hiptese

de que a diferena de microestrutura, como o tamanho de gro muito distinto, possa gerar diferenas metalrgicas suficientemente considerveis para criar uma interface que reflete a energia snica.

J a radiografia tem como objetivo utilizar seu resultado como comparativo e com isso confirmar a confiabilidade do mtodo de ultrassonografia proposto.

3.1. Fabricao e montagem dos transdutores Para esta primeira etapa sero necessrios os materiais e servios listados abaixo:

- Material acrlico (dimenses aproximadas: 50 mm x 50 mm x 200 mm); - Servio de usinagem e ferramentas necessrias e ajuste das sapatas conforme desenho

(fresadora, torno mecnico, lixas, etc.); - Bloco de calibrao V1 (ASM HANDBOOK, 1989); - Bloco de calibrao para traagem da curva DAC (ASME, 2007); - Aparelho de ultrassonografia com calibrao vlida (preferencialmente digital, por

exemplo, Krautkramer USM25 ou USM 35, ou ento o Panametric Epoch LT); - Cabos e transdutores adequados; para os corpos de provas utilizados ser necessria a

utilizao de cabeote MB2S (normal miniatura de 2 MHz); e - leo genrico com viscosidade mnima suficiente para evitar formao de filme de ar

entre o acrlico e o transdutor (acoplante). As sapatas de acrlico sero fabricadas com o intuito de alterar o ngulo de insero das ondas longitudinais dos transdutores normais, dos 90 originais para os ngulos necessrios para inspeo dos corpos de provas, que so 45, 60 e 70 (ASME, 2007).

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Com a utilizao da lei de Snell (Equao 2), os ngulos sero calculados e as sapatas sero usinadas considerando estes ngulos.

(2)

Para fabricao das sapatas ser necessria a verificao das velocidades reais dos meios A (acrlico) e B (inoxidvel). Isso ser feito com o prprio aparelho de US utilizando o transdutor normal MB2S.

A Figura 6 apresenta o desenho bsico e a Tabela 5 apresenta as dimenses das sapatas para fabricao dos transdutores.

Figura 6 Desenho bsico das sapatas de acrlico.

Com as medidas descritas na Tabela 5, sero usinadas as 3 (trs) sapatas de acrlico. Aps a usinagem, ser efetuado o acoplamento do transdutor normal sapata atravs do furo roscado usinado na mesma. Ser utilizado o leo como acoplante antes do acoplamento do transdutor s sapatas para se evitar a formao de um filme de ar entre os dois e consequente bloqueio das ondas ultrassnicas no acrlico.

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Tabela 5: Dimenses para fabricao dos transdutores, conforme quotas da FIG. 6. Os ngulos de inclinao sero calculados aps serem obtidos os valores reais de velocidades longitudinais do acrlico e ao inoxidvel que sero utilizados no projeto.

Transdutor Dimenses e frmulas L 70 mm W 50 mm H 50 mm

H1 12 mm

D A rosca dever ser fabricada de acordo com a marca do transdutor, pois ocorrem variaes entre fabricantes. d 7 mm

Ang

Aps o acoplamento, ser feito por meio do bloco V1 o ajuste da escala (percurso snico), verificao da sada do feixe snico e o ngulo real do conjunto transdutor/sapata para que as ondas ultrassnicas sejam inseridas com o ngulo ideal (ASME, 2007). Caso haja alguma variao maior que 2 do ngulo real, o conjunto dever ser ajustado atravs de lixamento manual com lixas d'gua. Aps os ajustes necessrios citados acima, ser traada uma curva conforme mtodo DAC para ser utilizada na inspeo dos corpos de provas (ASME, 2007).

3.2. Preparao e soldagem dos corpos de prova Para esta etapa sero necessrios os materiais e equipamentos descritos abaixo:

Chapa de ao inoxidvel austentico AISI 304;

Mquina de oxicorte e insumos para corte e chanfro conforme desenho (Figura 6 e Tabela 5);

Esmerilhadeira para preparao do chanfro e eliminao de oxidaes provenientes do corte e carepas de laminao; e

Arame para soldagem ER308L (ASM 1993). A segunda etapa ser a fabricao e soldagem dos corpos de prova. Primeiro devero ser cortados e chanfrados conforme norma ASME (2007). A soldagem tambm ser realizada seguindo as recomendaes desta norma.

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Durante a soldagem podero ser adicionados em alguns pontos fios de cobre ou alumnio, e poder tambm no ser realizada a limpeza adequada em certos trechos durante a soldagem dos passes a fim de que haja defeitos e com isso possibilite a comparao da localizao dos mesmos nos resultados de ultrassonografia e radiografia.

3.3. Execuo da metalografia, radiografia e ultrassonografia Nesta ltima etapa sero necessrios os seguintes materiais e servios:

Corpo de prova fabricado conforme item 3.2;

Servio de radiografia para comparao com o resultado de ultrassonografia;

Servio de polimento para preparao das amostras que sero utilizadas para metalografia; e

Servio de metalografia para avaliao da microestrutura do metal de base, ZTA e metal fundido.

Aps a soldagem devero ser retiradas amostras para realizao de metalografia (micrografia e macrografia), conforme procedimentos descritos no ASM (2004). Os resultados sero utilizados para posterior anlise da microestrutura predominante e avaliao do tamanho do gro das zonas fundidas, ZTA e metal de base dos corpos de prova. Alm da metalografia ser realizado ensaio por radiografia (ASME) para efeito de comparao e, assim, tornar possvel a confirmao da hiptese sugerida no objetivo deste projeto. Nos ensaios de ultrassonografia, sero registradas todas as indicaes provenientes de descontinuidades, inclusive as aprovadas para que a avaliao seja mais abrangente e mais confivel.

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4. CONCLUSO E PESQUISAS FUTURAS

Espera-se que a metalografia apresente como laudo grande diferena entre o metal de base laminado e o metal fundido durante a soldagem, isso explicaria a presena de diversos ecos esprios na tela do aparelho de ultrassonografia durante a inspeo de aos inoxidveis. Isso ocorreria porque a grande diferena de microestrutura e/ou tamanho de gro geraria uma interface significante que agiria como um refletor para o feixe ultrassnico.

Espera-se tambm que devido s distintas caractersticas fsicas das ondas longitudinais (maior poder de penetrao, menor perda por atenuao, maior comprimento de onda, etc.) em relao s ondas transversais, a primeira obtenha maior sucesso em inspees por ultrassonografia em aos inoxidveis e com isso torne o ensaio vivel e confivel. Mesmo acreditando no sucesso da proposta, espera-se que as pesquisas sobre o tema no sejam descontinuadas, para com isso tornar cada vez mais eficiente tecnolgica e economicamente a ultrassonografia ampliando a gama de materiais inspecionveis. Sugere-se que em pesquisas futuras sejam exploradas outras variveis como a utilizao de diferentes frequncias, o uso de transdutores de duplo-cristais e at mesmo de diferentes materiais que possam ser empregados na fabricao dos cristais piezoeltricos.

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REFERNCIAS

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projeto dirigido - final

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