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Inspecione componentes em altas temperaturas (até 150 °C) com uma solução Phased Array


Introdução

A realização de inspeções Phased Array em peças e componentes em altas temperaturas apresenta alguns desafios. Os elementos piezoelétricos e conexões internas em sondas Phased Array típicas são sensíveis ao calor e podem ser danificadas em altas temperaturas. Para atenuar este problema, a Olympus desenvolveu uma nova ferramenta que permite a inspeção manual Phased Array em temperaturas de até 150 °C.

Desafios

À medida que as sondas Phased Array aquecem, os elementos piezoelétricos e suas conexões elétricas podem ser danificadas. Nossos testes demonstraram que sondas Phased Array falham completamente ao atingirem 80 °C. Para utilização segura, a temperatura da sonda não deve ultrapassar 60 °C.

Isolamento, dissipação de calor e arrefecimento são três fatores importantes na concepção da sonda para evitar que o calor excessivo alcance os elementos da sonda. O cabo da sonda também deve ser protegido do componente quente que será inspecionado.

A velocidade do som no calço e componentes também variam de acordo com a temperatura, e isto pode afetar o cálculo da lei focal e o deslocamento do ponto índice, causando erros de posicionamento na localização das indicações. A atenuação do sinal de ultrassom e a mudança de frequência devem ser levados em conta.

Solução

A Olympus desenvolveu uma nova série de calço que permitem inspeções em componentes quentes com temperaturas de até 150 °C. Para caracterizar e validar a eficiência destes calços, foram realizados testes em laboratórios com o detector de defeitos OmniScan MX2 configurado rastrear um setor a 40° e 70° SW, que são utilizadas para inspeção de soldas com sondas Phased Array.

Os calços são fabricados com resina de polieterimida termoplástica amorfa chamada ULTEM™. Este material possui alta resistência térmica devido à sua temperatura de transição vítrea próxima a 200 °C.

Dois modelos de calços foram projetados com estas aplicações específicas em mente; os dois calços estão disponíveis para compra — SA31C-ULT-N55S-IHC e SA32C-ULT-N55S-IHC. Estes calços possuem aberturas para acoplar o codificador Mini-Wheel da Olympus, disponibilizando a inspeção codificada. De fabricação relativamente fácil, outras séries de calços da Olympus podem ser fabricados com material ULTEM. Porém, como a dissipação de calor também depende da geometria do calço, deve-se ter cuidado e os usuários devem consultar um representante da Olympus para validar o pedido.

Uma sonda Olympus com um calço ULTEM.

Os testes de laboratório foram realizados em componentes a 150 °C. O detector de defeitos OmniScan MX2 foi utilizado para realizar uma varredura típica de setor de 40° a 70° SW com resolução de 1 grau. Foi utilizado glicerina para acoplar a sonda ao calço e utilizou-se um acoplador de alta temperatura para acoplar o calço ao componente.

Número das peças para equipamento usado para inspeções em alta temperatura.

Número U8 Descrição
Q7200423 SA31C-ULT-N55S-IHC: sonda A31 Phased Array de feixe angular para alta temperatura, rastreamento normal, onda de cisalhamento a 55°, de ULTEM a aço, com opção IHC (irrigação, aberturas e carbonetos). Possui 5 pares de luva protetora (Q7750078).
Q7200422 SA32C-ULT-N55S-IHC: sonda A32 Phased Array de feixe angular para alta temperatura, rastreamento normal, onda de cisalhamento a 55°, de ULTEM a aço, com opção IHC (irrigação, aberturas e carbonetos). Possui 5 pares de luva protetora (Q7750078).
Q3300178 5L32-19.2X10-A31-P-2.5-OM: sonda Phased Array.
Q3300179 5L64-32X10-A32-P-2.5-OM: sonda Phased Array.
Q3300180 5L32-32X10-A32-P-2.5-OM: sonda Phased Array.
Q7700002 Acoplante H-2: variação de temperatura de –18 °C a 400 °C em muitas aplicações em ambientes abertos quando utilizado de acordo com as recomendações do fabricante.
U8770023 Acoplante B2: garrafa de glicerina de 2 oz. (0,06 litros). até 90 °C.
Q7750078 0,3 m de capa protetora para proteger os cabos da sonda e do codificador. Diâmetro nominal de 0,5 pol., resiste a temperaturas de até 150 °C.

Nota: Os calços PA personalizados listados acima foram projetados para várias aplicações específicas em mente. Se a configuração da aplicação variar de forma significativa da expectativa, estes calços podem não ser mais adequados e podem ser recomendadas alterações no design. Para informações adicionais, por favor, entre em contato com eto@olympus-ossa.com.

*As aplicações típicas de defeito e espessura com UT utiliza filmes finos como acoplantes em um ambiente aberto onde uma pequena quantidade de gás composto pode se dissipar rapidamente. No entanto, a preocupação principal é se ocorre a improvável auto-ignição do gás acoplante, este acoplador não deve ser usado acima da temperatura da auto-ignição.

Resultados

Foram realizados testes em sondas com frequências diferentes par avaliar a mudança do centro da frequência causada pela utilização do material ULTEM. À temperatura ambiente, o centro da frequência da sonda de 2,25 MHz permanece a mesma, mas o centro da frequência das sondas de 5 MHz passaram para 4 MHz. A mudança mais significativa do centro da frequência ocorreu com a sonda de 7,5 MHz, que passaram para 5 MHz. Consequentemente, sondas com frequências superiores a 5 MHz não devem ser utilizadas com calços ULTEM. Os testes realizados com sondas de 5 MHz em superfícies a 150 °C e aumentaram o desvio do centro da frequência para 3 MHz.

Embora as propriedades isolantes da ULTEM sejam usadas para proteger a sonda do calor, a dissipação de calor também é importante para permitir períodos de inspeção mais longos. Quando a temperatura ambiente é de 25 °C, o calço pode ficar em contato com superfícies a 150 °C durante no máximo 10 minutos. Demora mais 10 minutos para que a sonda e o calço esfriem. Após este período não foi observado qualquer dano estrutural nos calços ou nas sondas.

Não ocorre atenuação significativa no sinal ultrassônico quando a peça atinge a temperatura de 150 °C enquanto a qualidade do acoplamento entre o calço e a peça é mantida. Os usuários devem prestar atenção para assegurar um acoplamento fiável. Com a sonda de 5 MHz utilizada com calços ULTEM, observou-se uma atenuação do sinal de 4 dB, que é tipicamente considerada aceitável.

À medida que a temperatura aumenta de 24 °C para 150 °C, a velocidade do ultrassom no calço de material ULTEM reduz de 2.470 m/s para 2.270 m/s, enquanto a velocidade da onda de cisalhamento no aço cai de 3.240 m/s para 3.103 m/s. Consequentemente, ao usar leis focais calculadas com as velocidades na temperatura ambiente, observamos movimentos de índice de feixe pequeno e alguns graus do ângulo de refração mudam quando a peça atinge 150 °C. Mesmo que esses movimentos/mudanças fossem mínimos, estes erros devem ser considerados para posicionar com mais precisão as indicações em altas temperaturas dependendo das exigências de qualificação da inspeção. O cálculo de leis focais com velocidades conhecidas à temperatura da peça eliminam este erro. Para reduzir ainda mais os erros potenciais devido a alterações de velocidade, a Olympus definiu o ângulo do calço para obter o ângulo nominal de refração específico em aço a 100 °C com a velocidade no ULTEM definida a 2.340 m/s.

À temperatura ambiente, a detecção atingiu um pico a 60 SW com ganho a 45 dB.
A 150 °C, a detecção atingiu o pico a 63 SW com um ganho de 49 dB e trajeto de som de 33,6 mm.

Observação importante:

Para ajudar a assegurar a integridade estrutural da sonda e calços, o equipamento deve ser usado por no máximo 10 minutos de cada vez e não devem ser reutilizados até que tenham resfriados por pelo menos 10 minutos. Este ciclo de trabalho é definido com base numa temperatura ambiente de no máximo 25 °C. Os usuários devem ter o cuidado de definir o ciclo de funcionamento adequado, correspondente às suas condições de trabalho, se a temperatura ambiente ultrapassar 25 °C.

Conclusão

Os calços para alta temperatura da Olympus permitem a inspeção Phased Array codificado manual simples em componentes a até 150 °C desde que os usuários tenham em mente a sonda com frequência máxima de 5 MHz, o pequeno desvio de frequência negativa, pequena atenuação de sinal e mudança no ângulo de refração positiva.

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

Este novo software é a opção mais eficiente e acessível às análises de dados do OmniScan, e possui as mesmas ferramentas de análise que o software OmniScan (onboard), com a versatilidade de rodar em um computador pessoal.
O TomoView é um software para PC possante e flexível usado para projetos, aquisição de dados, visualização e análise de sinais ultrassônicos.
O recurso de posicionamento preciso das sondas de acordo com o tipo de superfície a ser inspecionada influencia bastante na qualidade da inspeção. A Olympus oferece uma ampla gama de escâneres e acessórios para auxiliar no trabalho dos inspetores. Os escâneres possuem também vários tipos de configurações: um ou dois eixos codificados, além de rastreamento manual ou motorizado.
A unidade do OmniScan SX é leve, possui uma tela tátil de 8,4 pol. e disponibiliza soluções com um excelente custo-benefício. O OmniScan SX possui dois modelos: o SX PA e o SX UT. O SX PA é uma unidade de 16:64PR, a qual, juntamente com o exclusivo SX UT, vem equipada com um canal UT convencional às inspeções P/E, P-C ou TOFD.
O OmniScan MX2 apresenta agora um novo módulo de Phased Array (PA2) com um canal UT, e um novo módulo de ultrassom convecional de dois canais (UT2), que pode ser utilizado para TOFD, ele vem também com um novo software que expande com sucesso os recurso da plataforma OmniScan MX2.
As sondas para aplicações específicas de Phased Array tem uma extensão de 0,5 MHz a 18 MHz e pode vir com 16, 32, 64 ou 128 elementos. Sondas especiais podem conter centenas de elementos.
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