AVALIAÇÃO DAS TENSÕES RESIDUAIS UTILIZANDO EQUIPAMENTO DE...

AVALIAÇÃO DAS TENSÕES RESIDUAIS UTILIZANDO EQUIPAMENTO DE ULTRASSOM EM AÇO ABNT 1010 PARA DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

RESUMO

O estudo baseia-se na utilização do equipamento gerador de ondas ultrassônicas para avaliação das tensões residuais existentes no corpo de prova de aço ABNT 1010 submetidos aos processos de oxicorte, soldagem e jateamento. Para tal tarefa houve a necessidade do estudoda propagação das ondas ultrassônicas no material, os transdutores escolhidos, método para medição das tensões conveniente e a interpretação correta das informações apresentadas pelo aparelho para uma coerente avaliação dos dados obtidos. Por consequência, obtêm-se os dados corretos das análises e a geração de gráficos para as devidas comparações entre os resultados. O material cortado em oxicorte apresentou uma variação de tensão menor em relação processo de soldagem, o mesmo causou muitas perturbações nas tensões, após realizados os jateamentos houveram alívios nas tensões em todos os pontos analisados.
Palavras-chave: Ultrassom; Análises Tensões residuais; Soldagem e Jateamento;

1 INTRODUÇÃO

Este trabalho consiste em avaliar as tensões residuais acumuladas em corpos de prova submetidos aos processos de oxicorte, soldagem e jateamento.
Existe a necessidade do estudo devido à instabilidade gerada pelo acumulo das mesmas, causando problemas nesses processos de fabricação, consequentemente em suas aplicações.O principal problema gerado é o acúmulo de tensões trativas próximas a uma eventual trinca, facilitando sua propagação no material e acarretando em perigosas oscilações estruturais, a possível solução para essa situação é umpré tratamento para alívio de tensões.
As análises são realizadas por meio da velocidade de propagação das ondas ultrassônicas geradas pelo equipamento de Ultrassom ISONIC 2005, as ondas se propagam através de sólidos, líquidos ou gases. A propagação do som deve-se as características de cada material, densidade, módulo de elasticidade e frequência sonora, seguindo o princípio da física ótica podendo ser refratada, refletida ou difratada.
Tem como base os fenômenos acustoelásticos, onde a variação do estado de tensões e a textura do material, provocam oscilações na velocidade das ondas ultrassônicas geradas pelo equipamento e anisotropia acústica que é característica que uma substância possui em que certa propriedade física varia com a direção, neste caso ondas ultrassônicas propagando em meio tensionado.
A análise dos corpos de provas constituídos do material Aço ABNT 1010antes e depois de submetidos aos processos de fabricação já mencionados, serão avaliados por meio da técnica de "pulso-eco", gerados os resultados em gráficos que podem assegurar a viabilidade do processo. Por meio das análises foi verificado as variações nas tensões em cada marcaçãodo corpo de prova. Apresentando em grande parte pontos de tração, alguns de compressão e os alívios gerados após submetido aos jateamentos.

1.1 Objetivos gerais e específicos

Analisar as tensões residuais, antes e depois dos processos de soldagem e jateamento, por meio da velocidade de propagação das ondas ultrassônicas com a utilização de um equipamento de ultrassom.
· Avaliar as tensões residuais em quatro condições: Na condição normal, cortado em oxicorte,como soldado e jateamento com granalha esférica;
· Gerar gráficos e comparar os resultados obtidos;

2 revisão bibliográfica

2.1 O método de Ultrassom

Está técnica de aplicar ondas ultrassônica em materiais metálicos foram desenvolvidos na década de 40, alguns anos depois foi iniciada a utilização do princípio "eco sonda ou eco batimentos" para analisar sem danos o material. Atualmente os ensaios de ultrassom ou exames de ultrassom são utilizados em grande escala na indústria moderna nas áreas de caldeiraria, estruturas marítimas e metálicas para avaliação da qualidade dos processos, pequenas falhas, averiguação de descontinuidades que ocasionam interrupções na estrutura do material, podem ser macro ou microscopias acarretando em falhas que podem gerar situações de alto risco nas aplicações.
O ensaio não destrutivo (END) de ultrassom caracteriza-se por não medir diretamente a propriedades de interesse, os valores geralmente são obtidos através de uma correlação com outra propriedade obtida durante o teste, na maioria dos casos os ensaios são aplicados em materiais de aço carbono, já os materiais não ferrosos requerem procedimentos especiais [12].

2.2 Ajustes do método ultrassônico

Segundo comissão de normas técnicas da Petrobras para ensaios não destrutivos devem ser efetuadas correções no nível de ganho, para ajustar a sensibilidade de varredura, proceder à avaliação de descontinuidades e compensar as diferenças de acoplamento, atenuação sônica, existente entre o material a ser ensaiado e o bloco de referência [11].

Através dos estudos realizados, [1]os ganhos correspondem a uma queda de 50% e 20% nas amplitudes de sinais na tela do aparelho de ultrassom.
Devido portabilidade do equipamento, ensaios podem ser realizados com facilidade nos locais onde são exigidos (Figura 1), não havendo necessidade de deslocamento da estrutura.
Figura 1: Ensaio de Ultrassom sendo realizado

2.3 Comportamento das ondas de propagação

Sua propagação ocorre de duas formas: ondas longitudinais e ondas transversais, como ilustrado na Figura 2.
Ondas longitudinais: Ondas que oscilam na direção de propagação, fazendo com que adquiram maior velocidade em um determinado meio a ser inspecionado.
Ondas transversais: Ondas que vibram perpendicularmente a propagação da mesma [1].
Segundo [11] ondas geradas através do efeito piezelétrico geram correntes elétricas quando deformado mecanicamente, inversamente, o cristal deforma quando existe diferença de potencial elétrico em duas faces opostas, uma corrente elétrica alternada gera vibrações no cristal na frequência correspondente a frequência de excitação, estes cristais são chamados de transdutores de energia.
Fonte: ANDREUCCI R, Apostila ensaios não destrutivos, Ensaios por Ultrassom, ABENDI, Edição maio/2014, http://www.abendi.org.br/abendi/default.aspx?c=481, acesso em setembro de 2015.

2.4 Frequência sonora

As ondas acústicas ou som propriamente dito são classificadas de acordo com sua frequência e medidas em ciclos por segundo, ou seja, o número de ondas que passam por segundo pelos nossos ouvidos. A unidade "ciclos por segundos" é normalmente conhecida por "Hertz", abreviatura "Hz". Por exemplo: se tivermos um som com 300 Hz, significa que por segundo passam 300 ciclos ou ondas por nossos ouvidos. Frequências acima de 20.000 Hz são inaudíveis denominadas ultrassônicas [12].

Fonte: ANDREUCCI R, Apostila ensaios não destrutivos, Ensaios por Ultrassom, ABENDI, Edição maio/2014, http://www.abendi.org.br/abendi/default.aspx?c=481, acesso em setembro de 2015.
Segundo [12] a região de percepção do ouvido humano apresenta os mesmos valores anteriormente mencionados, no entanto frequências acima de 5.000 Hz são consideradas desagradáveis e podem causas problemas de audição quando exposto a longos períodos de tempo.
Ilustrado na Figura 3 o comportamento do espectro sonoro em relação à audição humana. Apenas frequências na faixa de 20 a 20.000 Hz são captadas pelo ouvido humano.

2.5 Transdutores de energia

Basicamente transdutor é um dispositivo que transforma um tipo de energia <https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia> em outro, utilizando para isso um elemento sensor <https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Elemento_sensor&action=edit&redlink=1>. Por exemplo, o sensor transforma energia elétrica em energia mecânica na relação de 1:1 (um sinal elétrico para um sinal mecânico) [14].
Podem ser encontrados transdutores retos (Figura 4), angulares, monocristais ou até duplo cristal. Constituídos por cristais piezoelétricos colocados em bloco rígido denominado amortecedor e sua parte livre revestida com uma membrana de acrílico [12].

Fonte: SILVA, L. E. Apostila de Relatório de estágio, Utilização na medição de componentes, UPF, setembro 2013.

2.6 As limitações do método ultrassônico

Limitações do ensaio de ultrassom em relação a outros ENDs.
· Requer muito conhecimento teórico dos métodos a serem utilizados e experiência do inspetor para realização do ensaio.
· O registro do ensaio não é facilmente obtido, requer avaliação das oscilações mostradas na tela durante inspeção.
· Faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método, devido interferências que podem acontecer na propagação do som.
· Requer o preparo da superfície para aplicação. Existem casos de inspeção de solda onde há a necessidade da remoção total do reforço a ser avaliado, que demanda tempo na indústria.
· É frequente a insegurança do inspetor em relação à identificação da indicação apresentada no visor [1].
O ensaio ultrassônico é concorrente direto da radiografia, porém a imagem radiográfica se sobressai devido melhor visualização das descontinuidades demonstradas. Em comparação, a indicação do ultrassom, nem sempre é possível afirmar qual tipo de falha detectada por meio da típica indicação na tela do ultrassom como apresentado na Figura 5.

Fonte: ANDREUCCI R, Apostila de ensaios não destrutivos, Radiologia Industrial, ABENDI, Edição julho/2014, http://www.abendi.org.br/abendi/default.aspx?c=481, acesso em setembro de 2015.

2.7 Acumulo de tensões residuais no processo de soldagem

Em relação ao acúmulo de tensões residuais no processo de soldagem, é de suma importância o conhecimento de sua magnitude, orientação e distribuição, devido segurança necessária nos projetos de estruturas e na determinação do tamanho das falhas, deve haver também o conhecimento influenciado pela microestrutura do material na vizinhança [11].
Figura 6: Comportamento das tensões residuais em junta soldada filete

Fonte: MARQUEZE M. Avaliação por ultrassom do tratamento térmico para alívio de tensões, Dissertação de mestrado submetida a UFSC, Edição julho/2002.

Seu aparecimento é a ocorrência, ao longo de uma seção da peça, de deformações plásticas não uniformes, as quais podem ser originadas por efeitos mecânicos ou térmicos, e durante a soldagem, podem também ser resultantes de transformações microestruturas não homogêneas que impliquem em alterações volumétricas.

Fonte: MARQUEZE M. Avaliação por ultrassom do tratamento térmico para alívio de tensões, Dissertação de mestrado submetida a UFSC, Edição julho/2002.
As Figuras 6 e 7 apresentam um esquema de distribuições das tensões residuais durante a deposição de material de solda, para vários pontos da chapa. Pode-se observar que as tensões variam com a distância em relação ao centro do cordão, podendo ser trativas e/ou compressivas dependendo da região analisada do cordão (zona fundida, zona afetada pelo calor, material de base). Essas tensões comportam-se de forma diferente em cada ponto analisado devido às variações bruscas na temperatura (ciclo térmico) que são submetidas [9].
Como demonstrado nas ilustrações anteriores, o comportamento das tensões nos materiais em uma solda filete e de topo, permanecem na peça quando todas as suas solicitações externas são removidas.

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