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Teste ultrassônico na indústria de fundição


Aplicação

Este artigo dá uma visão geral sobre as aplicações de ensaio não destrutivo por ultrassom na indústria de fundição, incluindo a medição de espessura, detecção de defeitos e testes de nodularidade.

Cenário

A arte de fundir o metal em formas específicas é ancestral, porém, foi somente nas últimas décadas que as modernas ferramentas de ensaio não destrutivo por ultrassom estão à disposição para assegurar a integridade do produto. Antigamente, um trabalhador de fundição avaliava a qualidade da fundição por intermédio do som provocado ao se bater na fundição com um martelo. Hoje em dia, os aparelhos com microprocessadores que utilizam ultrassom podem fornecer, com precisão, muito mais informações sobre a estrutura interna da fundição de metais ferrosos e não ferrosos.

Teste ultrassônico na indústria de fundição

Os medidores de espessura por ultrassom podem ser utilizados para medir as dimensões da parede de fundições vazadas. Os detectores de defeitos por ultrassom também podem ser utilizados para identificar descontinuidades como porosidade, inclusões, cavidades e trincas escondidas. Os testes ultrassônicos baseados na velocidade, com medidores de espessura e detectores de defeitos, também podem ser utilizados para quantificar a nodularidade de grafite em ferro fundido.

Normalmente, o medidor de espessura por ultrassom é usado para medir fundições vazadas com formatos complexos, como blocos de motores de automóveis. As alterações no núcleo durante o processo podem resultar em uma peça muito fina de um lado e muito espessa de outro. O medidor de espessura ultrassônico pode medir a espessura da parede de um lado, sem a necessidade de cortar a peça para acessá-la.

Durante o processo de fundição podem ocorrer cavidades, porosidades, inclusões e trincas em metais. Estas condições produzem indicações de ultrassom que podem ser identificadas por um operador treinado com um detector de defeitos por ultrassom com os transdutores adequados.

O tamanho e a distribuição das inclusões de grafite (nodularidade) têm um impacto importante na resistência mecânica do ferro fundido. O teste de nodularidade é especialmente importante na indústria automotiva e em campos em que a operação segura dos componentes de ferro fundido é extremamente preocupante. As técnicas por ultrassom são uma alternativa de ensaio não destrutivo às técnicas de análise realizadas com microscópios transversais e de resistência à tração que determinam o grau de nodularidade, pois elas podem ser correlacionadas à velocidade do som.

Medidor de espessura por ultrassom

Os testes de espessura de parede podem ser realizados com os medidores de espessura 38DL PLUS® ou 45MG com software de elemento único. Se a espessura do metal é superior a 12,7 mm, aproximadamente, deve-se usar o software de alta penetração. A seleção do transdutor depende do intervalo da espessura que se deseja medir e das propriedades acústicas do metal fundido. Os transdutores mais utilizados são o M106, M1036 (ambos de 2,25 MHz), M109 e M110 (ambos de 5 MHz). Para fundições com espessura superior a 50 mm, recomenda-se, com frequência, um transdutor de baixa frequência e com grande diâmetro, como o M101 de 500 KHz.

Procedimento

Os procedimentos detalhados para configuração e calibração do medidor estão disponíveis no manual de operação de cada aparelho. Além disso, a seleção do acoplante, a condição da superfície, a geometria da fundição, a calibração do medidor e o ruído de dispersão podem afetar a precisão da medição da fundição.

Acoplante
As superfícies ásperas, frequentemente encontradas em fundição de areia, prejudicam o acoplamento do transdutor, por este motivo, recomenda-se a utilização de um acoplante de alta viscosidade, como gel (acoplante D) ou a glicerina (acoplante B).

Condição da superfície
Quando a superfície de acoplamento é muito áspera, a espessura mínima que pode ser medida com um determinado transdutor é aumentada devido às reverberações do som na camada de acoplante. Estas reverberações devem ser eliminadas. Da mesma forma, a espessura máxima mensurável é menor devido ao acoplamento acústico ineficiente entre o transdutor e a peça fundida. Na maioria dos casos, as medições de espessura podem ser realizadas em superfícies fundidas, porém, para aplicações mais complexas será preciso preparar a superfície para conseguir um desempenho melhor.

Geometria
As superfícies internas e externas da peça fundida devem ser paralelas ou concêntricas para poder-se realizar a medição ultrassônica. Quando o desalinhamento entre as paredes é muito grande, as ondas sonoras refletem longe do transdutor e nenhum eco é exibido na tela.

Calibração do medidor
A medição de qualquer medidor de espessura só será precisa se a velocidade do som no material for consistente com a calibração do medidor. A velocidade do som pode variar no ferro fundido ferroso ou não ferroso devido às mudanças na rigidez, na estrutura dos grãos e na nodularidade da grafite. Em grandes fundições em que as áreas foram resfriadas com taxas diferentes, a velocidade pode mudar dentro de uma única peça por causa da estrutura irregular dos grãos. Para realizar uma medição precisa, a calibração da velocidade do medidor deve ser realizada com uma espessura conhecida (padrão) de referência que seja metalurgicamente semelhante a das amostras.

Ruído de dispersão
A estrutura de grão grosso de algumas fundições de metal produzem ruído de dispersão interno que precede o eco da parede traseira. O ruído de dispersão pode fazer com que o software de medição de espessura realize falsas leituras, especialmente ao usar as configurações padrões do medidor em vez de configurações personalizadas. Esta condição pode ser prontamente diagnosticada através da observação da forma de onda. Normalmente, o ruído de dispersão pode ser eliminado ao substituir o transdutor por um com frequência mais baixa, ou ajustar o ganho e/ou o blanking do aparelho (veja as formas de onda do 38DL PLUS nas figuras 1 e 2).

Formas de onda do 38DL PLUS
Figura 1 — Ruído de dispersão provoca uma falsa leitura (o eco da parede traseira está à direita da tela).
Formas de onda do 38DL PLUS
Figura 2 — Leitura correta depois do ajuste da inclinação de TCG e do ganho (o eco da parede traseira é exibido com nitidez).

Detectores de defeito por ultrassom

Todos os detectores de defeitos da série EPOCH®, da Olympus (EPOCH 650, EPOCH 6LT e EPOCH 1000), podem ser usados para inspeção de fundidos. Os transdutores de elemento duplo, como os da série DHC, com frequências entre 1 MHz e 5 MHz, são comumente utilizados em testes de peças fundidas, tanto para reduzir as reflexões retidas pelo acoplante em superfícies de peças fundidas brutas, como para otimização de reflexões das descontinuidades de formas irregulares. Em alguns casos, os transdutores de feixe angular podem ser usados para detecção de fissuras. Os sistemas de testes especializados que realizam varredura automatizada utilizam transdutores de imersão na mesma faixa de frequência.

Procedimento

A natureza granular das fundições ferrosas e não ferrosas representam um desafio para a detecção de defeitos por ultrassom devido aos reflexos gerados pelos perímetros dos grãos em que o ruído da dispersão é diretamente proporcional ao tamanho do grão. Além disso, como nas aplicações de medição de espessura, a superfície áspera encontrada normalmente nas fundições de areia comprometem o acoplamento do som e reduz a amplitude do eco. Estes fatores determinam o tamanho mínimo de defeito detectável em todo o teste. Por este motivo, é importante prestar atenção à seleção do transdutor e à configuração do aparelho. O procedimento recomendado é para otimizar a seleção do transdutor e da configuração. Isto é realizado com a ajuda de padrões de referência que representam as amostras das peças que serão inspecionadas com defeitos conhecidos e identificados por meio de testes destrutivos, radiografia ou outras técnicas não ultrassônicas. As indicações destes defeitos conhecidos podem então ser armazenadas e comparadas com as indicações da peça de teste. A filtragem passa-banda, como encontrada nos detectores de defeitos EPOCH 650, EPOCH 6LT e EPOCH 1000, é muito útil para reduzir o ruído de dispersão causada pelos grãos.

As figuras 3 e 4 exibem um teste típico de porosidade em 40 mm de ferro fundido usando o detector de defeitos EPOCH 650 com um transdutor de elemento duplo DHC709-RM (5 MHz, 12,7 mm de diâmetro). A figura 3 exibe o eco de parede traseira de uma peça fundida no lado direito da tela, juntamente com o ruído da superfície de baixo nível e o ruído do grão ao longo da linha de referência. A figura 4 exibe a indicação a partir de um defeito vazado, que é identificado imediatamente contra o ruído de fundo.

Boa área de fundição
Figura 3 — Boa área de fundição
Indicação de porosidade
Figura 4 — Indicação de porosidade

Embora a aplicação mais comum da detecção de defeitos em peças fundidas inclua porosidade, inclusões e vácuo, alguns usuários também precisam verificar a presença de rachaduras ou fissuras. Os testes de trincas sempre devem ser desenvolvidos em relação à geometria específica da fundição, à localização, ao tamanho e à orientação das trincas suspeitas. Além disso, os testes de trincas devem utilizar padrões de referência adequados aos defeitos conhecidos ou induzidos artificialmente. Os transdutores de feixe linear são usados quando a face do defeito é paralela à superfície de acoplamento do transdutor. Os feixes angulares são usados quando a trinca é perpendicular ou inclinada em relação à superfície de acoplamento. Note que, como a velocidade do som é menor em metais fundidos ferrosos e não ferrosos, os ângulos refratados reais projetados para utilização em aço serão menores. Estes ângulos devem ser recalculados utilizando a lei de Snell todas as vezes que os calços de aço convencional forem utilizados em outros materiais.

Teste de nodularidade

Os aparelhos recomendados para análise de nodularidade são os medidores de espessura 38DL PLUS e 45MG com software para elemento único, os dois fornecem leitura direta da velocidade do som baseada na espessura da peça inserida. O software opcional High Penetration para 38DL PLUS e 45MG é recomendado para metais com espessura superior a 12,5 mm (aproximadamente). Também pode-se usar qualquer um dos detectores de defeitos da série EPOCH, da Olympus, e obter a informação de velocidade através da realização de um procedimento de calibração de velocidade. Este assunto importante é discutido em detalhes na nota de aplicação “Medição de nodularidade em ferro fundido.”

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

O detector de defeitos portátil por ultrassom, EPOCH 6LT, é otimizado para operação com uma mão e fornece excelente performance para aplicações para acesso por corda e de alta portabilidade. Leve e com design ergonômico, o aparelho se encaixa de forma segura à mão do usuário ou pode ser fixado à perna para aplicações de acesso por corda.
O EPOCH 650 é um detector de defeitos por ultrassom convencional com uma excelente performance de inspeção e pode ser utilizado em uma ampla variedade de aplicações. Este aparelho robusto e intuitivo é a extensão do popular detector de defeitos EPOCH 600, mas com mais recursos.
O 45 MG é um medidor de espessura por ultrassom portátil com vários recursos para medição e várias opções de software. Este instrumento exclusivo é compatível com toda a linha de transdutores de elemento simples e duplo, fazendo dele um inovador instrumento tudo em um para quase todas as aplicações de medição de espessura.
O 38DL PLUS é um medidor de espessura por ultrassom avançado. Ele utiliza um transdutor de elemento duplo à inspeção de corrosão interna e inclui THRU-COAT e Echo-to-echo. Os transdutores de elemento simples são utilizados à medição precisa de espessuras de materiais finos, espessos ou multicamadas.
O EPOCH 1000 é um detector de defeitos avançado que usa a tecnologia de ultrassom convencional, a qual pode ser otimizada com a adição de imagens de Phased Array em um centro de serviço autorizado da Olympus. Algumas características: Em conformidade com a norma EN12668-1, 37 filtros digitais e frequência de repetição de impulsos de 6 kHz às inspeções de alta velocidade.
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