Nesse tópico, são apresentados alguns trabalhos na área de medição de tensões residuais com a técnica de ultrassom, sobre o uso do phased array como método ultrassônico de inspeção, bem como os materiais, componente e sistemas em que essas técnicas vêm sendo aplicadas.
A acustoelasticidade foi primeiramente descrita por Hughes e Kelly (1953). Eles partiram da teoria de deformação infinitesimal para a teoria de deformação finita, visto que a primeira limitava a aplicação da teoria da elasticidade em situações como de deformações muito grandes em sólidos. Dessa forma, os autores formularam expressões matemáticas para a deformação elástica de segunda ordem, relacionando a velocidade da onda com a deformação no meio sólido sobre a tensão, e realizaram experimentos para testar a teoria.
Seus resultados mostraram que a teoria é adequada para representar o comportamento de sólidos elásticos sobre pressão hidrostática com tensão anisotrópica até o limite elástico. Esse estudo foi possível utilizando o conceito de energia de deformação elástica desenvolvido por Murnaghan (1951) que se baseou nas constantes elásticas de terceira ordem.
Hayes e Rivlin (1961) foram os primeiros a usar ondas superficiais em materiais elásticos com deformação. Desenvolveram um estudo com materiais isotrópicos submetidos a deformações homogêneas empregando ondas que se propagaram ao longo do eixo de tensão principal. Eles estudaram vários tipos de ondas, iniciando pelas ondas Rayleigh e Love.
As ondas longitudinais criticamente refratadas foram assim chamadas por Egle e Bray (1976), que estudaram o efeito acustoelástico e as constantes elásticas de terceira ordem do aço utilizado em trilhos ferroviários. Estudos anteriores empregavam principalemente ondas cisalhantes polarizadas paralelas e perpendiculares à tensão uniaxial, mas eles analisaram tanto as ondas cisalhantes quanto as longitudinais.
Os seus experimentos foram realizados com três corpos de prova usinados de trilho de estrada de ferro, as cargas uniaxiais de tensão e compressão impostas nas amostras empregaram uma máquina de ensaio convencional. Também foram usados transdutores com frequências de 2,5 ou 5 MHz. Os seus resultados mostraram que ocorre
uma maior sensibilidade à tensão da velocidade da onda longitudinal se propagando na direção da aplicação da tensão, comparado ao uso das ondas cisalhantes. Outros autores também estudaram a aplicação das ondas longitudinais desse tipo, como Basatakaya e Ermolov (1981), por exemplo, mas eles as chamaram de sub-superficiais.
Dentre as várias pesquisas voltadas aos metais, Pilarski e Rose ( 1989), propuseram o uso das ondas sub-superficiais para analisar as características de materiais compósitos e determinar suas constantes acustoelásticas, visando inspecionar defeitos próximos a superfície.
As amostras utilizadas por eles consistiam de epóxi com fibras de grafite: duas amostras com fibras unidirecionais e com espessuras diferentes e uma terceira amostra com as fibras em 0-90. As medições foram realizadas com transdutores de 2 MHz. Nesse caso, as espessuras das amostras eram maiores que o comprimento de onda e seu maior comprimento característico era menor que o comprimento de onda. Tal comprimento foi escolhido devido ao diâmetro das fibras, para reduzir os efeitos naturais de anisotropia.
Seus resultados mostraram uma atenuação de 10 dB a 30 dB quando comparada à propagação da onda ao longo da fibra e perpendicular a ela. Também realizaram medições com os transdutores distanciados em 25 mm e depois a 100 mm, não obtendo diferença nas medições. A partir dos resultados obtidos, eles calcularam as constantes acustoelásticas e as compararam com cálculos numéricos. O resultado foi bastante promissor e mostrou a viabilidade da técnica para esses materiais.
Salamanca et al. (1992) fez modelagens matemáticas e experimentos com metais de estruturas navais para averiguar a viabilidade do uso de ondas longitudinais criticamente refratadas em medir tensões na superfície e no interior do material. Seus resultados mostraram a efetividade da técnica para medir gradientes de tensão em placas, indicando também o uso da água como melhor meio de acoplamento para a repetitividade de testes. Utilizando uma variação de 1 a 10 MHz para frequência dos transdutores em seus experimentos, verificaram a tendência na mudança da velocidade das ondas em amostras de 12,4 mm (0,5 pol.), o que não se repetiu nas amostras menores, de 6,2 mm (0,25 pol.).
Tanala et al. (1995) constataram através de experimentos em um tubo de aço inoxidável soldado e uma placa de liga de alumínio, a vantagem da técnica de medição de tensão por ultrassom utilizando ondas subsuperficiais e ondas de Rayleigh para medir
tensões residuais próximas à superfície. Eles realizaram medições utilizando a técnica de refração para obter as ondas subsuperficiais e Rayleigh, colocando os transdutores sobre uma peça de plexiglas, Figura 3.1, com a angulação ideal para as refrações.
Figura 3.1 – esquema da probe utilizada. (TANALA et al, 1995)
Como a distância entre os transdutores usados permaneceu constante, eles analisaram o tempo de percurso da onda e não a velocidade. Seus resultados foram comparados aos obtidos com difração de Raios-x, Figura 3.2. Ambos os tipos de ondas apresentaram sensibilidade à tensão (efeito acustoelástico).
Figura 3.2 - Comparação da distribuição das tensões residuais medidas através de um tubo de aço inoxidável soldado, uso da técnica de ultrassom e de Raios-x.
(TANALA et al, 1995)
No gráfico anterior, Figura 3.2, é mostrado o resultado da comparação entre as técnicas de ultrassom com a difração de Raios-x para a distribuição de tensões na direção longitudinal. Conforme se observa, os valores obtidos são muito próximos, o que se deve ao bom preparo das peças, decorrente de usinagem e tratamento térmico. Ainda assim, vê-se que a técnica é viável.
Estudos semelhantes foram feitos por Duquennoy et al. em 1999, no qual aplicaram ondas Rayleigh em placas de alumínio para levantar o perfil de tensões residuais, optando por esse tipo de onda devido à espessura e grande tamanho de grão da folha avaliada.
Dickens et al. em 1996 analisaram a técnica de inspeção por ultrassom em madeira utilizando ondas Lcr. A escolha em utilizar esse tipo de onda se deu pelo fato de que o acesso possível era por uma única superfície. Seus estudos mostraram que a atenuação diminui quando o trajeto da onda é orientado na direção dos grãos e, ainda, que frequências maiores que 1 MHz melhoram a sensibilidade da velocidade da onda no material inspecionado.
Também voltado para medir tensões em compósitos, Baudouin e Hosten (1996) levantaram as constantes acustoelásticas e mediram atenuação para uma amostra de matriz polimérica e um compósito de mesma matriz, mas reforçado com longas fibras. Seus experimentos levaram em consideração a temperatura e utilizaram o método de imersão para obter as constantes elásticas, conforme esquema demonstrado na Figura 3.3, constatando que a atenuação é maior na direção perpendicular às fibras do que ao longo delas.
Figura 3.3 Método do tanque de imersão usado para aquisição de dados (BAUDOUIN; HOSTEN,1996)
Belahcene e Lu (2002) utilizaram a onda Lcr e o modo de imersão para determinar a tensão residual em aço. Foi realizado um processo de soldagem em uma placa laminada a quente do aço S355. Primeiramente, eles fizeram uma calibração para o levantamento das constantes acustoelásticas. Em seguida, estudaram a profundidade de
penetração da onda em função da frequência. Para isso usaram um bloco com um serie de fendas que aumentava de profundidade. Usando transdutores com frequência entre 2,5 e 10 MHz, concluíram que a penetração da onda equivale a um comprimento de onda.
Seus resultados foram comparados com a técnica semi-destrutiva de furação (hole-drilling), Figura 3.4. Com a técnica de ultrassom foi mais perceptível a influência dos gradientes de tensão existentes ao longo da solda. Os pontos medidos nas duas técnicas são muito próximos, mas não são os mesmos. Além disso, a técnica de furação considera a distribuição de tensão homogênea.
Figura 3.4 – Perfil de tensão longitudinal obtida pelas técnicas de ultrassom e Hole Drilling (BELAHCENE; LU 2002)
Seus resultados mostram-se positivos para o uso dessa técnica de medição de tensão usando onda Lcr. Embora a calibração das constantes acustoelásticas tenha sido demorada, as medições de tempo de percurso foram rápidas. O fato da onda Lcr não ter restrição geométrica como a birrefringência, que necessita de duas superfícies opostas, e também por ter maior sensibilidade quanto à variação de tensão, foram vantagens já destacadas da técnica.
Minicucci (2003) aplicou a técnica de medição de tensões residuais por ultrassom utilizando ondas Lcr em rodas ferroviárias novas. Ele utilizou chapas extraídas das rodas e, com as constantes acustoelásticas calculadas, comparou-as com os resultados obtidos por elementos finitos. Os valores mostraram concordâncias e permitiram chegar aos valores das tensões residuais. O autor sugere realizar estudos em rodas usadas mostrando que a técnica pode ser aprimorada e aplicada para substituir métodos de ensaios destrutivos.
Andrino et al (2003) avaliaram a tensões residuais de soldas em aço API 5L X65 através da acustoelasticidade. Esse aço é usado em dutos petrolíferos terrestres, em que se aplicam soldas convencionais, por eletrodo revestido. As chapas utilizadas passaram por alívio de tensões por tratamento térmico, antes e depois do processo de usinagem dos chanfros. O método acustoelástico foi capaz de identificar o alívio de tensões, contudo foi também encontrada uma dispersão nos valores que não foi justificada em magnitude muito acima do esperado, mas o formato encontrado para a variação de tensões estava em concordância com outros disponíveis na literatura.
Para resolver o problema das medições de tensão residual em solda, Qozam et al. (2009) estudaram a medição de tensão com a onda Lcr na zona termicamente afetada, cuja largura dificulta a calibração da amostra. Em seus estudos optaram por aplicar um tratamento térmico especifico, o que resolveu o problema. Os resultados obtidos foram comparados com a técnica de furação (hole drilling method), comprovando o potencial da onda Lcr para medir tensão em solda. Eles também mostraram a influência da microestrutura para a determinação da constante acustoelástica e para a medição do tempo de percurso.
Javadi (2013) avaliou o uso da onda Lcr para medir tensões residuais em aros de tubos de aço inoxidável soldado, realizando medições internas e externas para obter as constantes acustoelásticas. Suas amostras retangulares foram extraídas desse material, cuja aplicação se dá em vasos de pressão. Ele utilizou frequências de 1 MHz, 2 MHz, 4MHz e 5 MHz, e por isso verificou a profundidade da onda em cada frequência, isso com o uso de uma placa de mesmo material com uma ranhura, na qual colocou dois transdutores de mesma frequência para gerar e receber a onda Lcr. Em seus resultados contatou que esse tipo de tensão residual é complexa e sensível à distância da solda, contudo, a técnica foi capaz de realizar a medição das tensões residuais.
Santos et al (2014), obtiveram as constantes acustoelásticas de amostras de matérias compósitos carbono/epóxi unidirecional, para as fibras a 0°, 45° e a 90°. Eles avaliaram inicialmente a variação da velocidade da onda longitudinal sobre efeito da variação da temperatura em amostras de compósito de carbono/epóxi, estudando a velocidade da onda conforme se variava também a direção da fibra. Para as amostras com fibra a 0° não encontraram variação do tempo de percurso da onda longitudinal com a variação da temperatura, conforme pode ser visto no gráfico da Figura 3.5. O mesmo não
ocorreu com as amostras de 45° e 90°, nas quais encontraram uma variação linear expressiva.
Figura 3.5 Variação do TOF da onda longitudinal no compósito de carbono unidirecional a 0° em função da temperatura (SANTOS el al., 2014)
Em seguida, eles aplicaram tensão nas amostras e calcularam as constantes acustoelásticas, constatando que para a carga aplicada na direção da fibra (amostra 0°) o TOF da onda Lcr foi inversamente proporcional à tensão aplicada. Já para as amostras de 45° e 90° essa relação foi proporcional, mas de baixíssima sensibilidade em comparação com a direção da fibra.
Outras pesquisas buscaram avaliar o uso de ondas Lcr para a detecção de defeitos na superfície de materiais. Djerir et al. (2014) caracterizaram o feixe da onda Lcr através de análise numérica e experimental visando conhecer melhor o comportamento da onda elástica e verificar seu uso para detecção de defeitos. Seus estudos foram em amostras de alumínio com defeitos de vários tamanhos diferentes, utilizando frequências em torno de 1 MHz. Em seus resultados perceberam que os defeitos afetam os sinais temporais e seu espectro. Assim, a onda Lcr é sensível a defeitos superficiais, em especial aos que têm maior profundidade, visto que o defeito atua como um refletor do feixe acústico Lcr, e esse efeito é mais sensível à profundidade do que ao diâmetro do defeito.
Os estudos voltados à utilização de sistemas com phased arrays são recentes, a maioria voltada à detecção de defeitos e a melhora nos projetos de sondas.
Lethiecq et al. (1994) estudaram a técnica de inspeção não destrutiva com arrays ultrassônicos em compósitos. Eles avaliaram materiais compósitos e placas
plástica de 5 e de 17 mm com defeitos natural ou artificial com poucos centímetros de espessura obtendo imagens B-Scan dos defeitos existentes, conforme visto na Figura 3.6.
(a) (b)
Figura 3.6 – (a) imagem da placa de compósito com ranhuras artificiais, (b) imagem B- Scan da placa (LETHIECQ, 1994)
Em seus experimentos usaram uma sonda com 3,5 MHz, visto que frequências mais baixas diminuem a qualidade de imagem e muito altas resultam no espalhamento do mesmo. Os ensaios foram realizados utilizando um tanque de água.
Wooh e Wang (2002) utilizaram a teoria de dinâmica de direção do feixe e de sombreamento ultrassônico para estudar um transdutor array híbrido, que é constituído de um array dinâmico e um estático na mesma peça. Eles realizaram estudos em um trilho numa região com defeito e outra sem defeito, comparando o decaimento do sinal e mapeando o contorno da sombra do defeito. Isso permitiu caracterizá-lo com sua localização, tamanho e a orientação do plano em que se encontrava. Seus resultados indicaram a viabilidade do transdutor para caracterizar defeitos, mas mostraram a necessidade de levar em conta parâmetros como a largura dos elementos, além de indicar que o sistema era limitado a detectar uma única falha.
TAHERI et al (2014) realizaram estudos em compósitos com fibras de vidro, com um conjunto de mostras de espessuras variadas e outro conjunto com a espessura de 6mm, propuseram avaliar as características dos sinais de resposta, a profundidade de focagem e a sensibilidade na detecção de defeitos ao variar a sonda e a cunha utilizada, comparando seus resultados a inspeção realizada com um único transdutor convencional. Utilizando frequências de 0,5, 1,0 e 1,5 MHz nos transdutores únicos e uma sonda array de 1,5 MHz e 16 elementos, eles realizaram os testes nas placas, analisando as reflexões
no fundo da amostra e inspecionando diferentes tamanhos de furos, começando por 0,5 mm, para verificar a sensibilidade na detecção.
Seus resultados mostraram que tanto o sistema phased array quanto o transdutor convencional único conseguem inspecionar a uma espessura de até 1pol, no entanto, com a sonda phased array teve-se uma maior estabilidade do sinal. Identificaram também a influência da lei de atraso e do ângulo da cunha na propagação da onda, nas amostras em que estudaram o melhor ângulo testado foi de 80 graus.
Peña-macias et al. (2008) estudaram o uso de phased array para detecção de defeitos em estruturas de aeronaves com sensores de baixas frequências, utilizando placas de alumínio com remendos e placas de compósito, Figura 3.7. Eles usaram processamento de imagens com uso da linguagem C++ e do Matlab®, conseguindo detectar defeitos (sua localização e tamanho) com geometrias simples.
(a) (b)
Figura 3.7 – (a) esquema da placa com o defeito, (b) Imagem do defeito. (PEÑA- MACIAS, 2008)
Humeida et al. (2013) usaram várias técnicas para simular as reflexões e os efeitos de atenuação nos compósitos, visando melhorar a detecção de defeitos nesses materiais. Eles empregaram a técnica de FMC (full matrix capture) com o uso de transdutores com arrays de 5 MHz e de 2,5 MHz e aplicaram o algoritmo TFM (total focusing method) para obter imagens de compósitos sem defeito e com defeito SDH (side-drilled holes),ver Figura 3.8. As imagens foram melhoradas com a ajuda de técnicas como decomposição de espectro angular e resposta de frequência do transdutor, permitindo avaliar o limite de abertura para otimizar a relação sinal-ruído e a localização de defeitos.
Os resultados mostraram a comparação adequada entre a simulação e os experimentos, revelando que a técnica em otimização de imagens permite melhor avaliação da anisotropia do material, bem como melhora nas imagens para detectar os defeitos.
Figura 3.8 – Imagem simulada do orifício na peça. (a) ruído do material sem o defeito, (b) sinal do material com defeito (HUMEIDA, 2013).
Pain e Drinkwater (2013) também utilizaram o algoritmo TFM em compósitos para caracterizar a dispersão em sua estrutura. Uma das amostras por eles utilizada tinha uma haste de náilon inserida em seu interior, que provocava a ondulação das camadas. Com o uso de uma sonda array linear de 5 MHz foi realizado um mapeamento das mesmas, permitindo observar o potencial da técnica para a determinação de diferentes ondulações na estrutura de compósitos, como observado na Figura 3.9.
Figura 3.9 – Comparação das imagens obtidas pelos métodos aplicados. (PAIN; DRINKWATER, 2013)
Granja (2015) estudou o uso de ondas acústicas guiadas para realizar inspeção em placas planas multicamadas de compósito têxtil de trama simples. Utilizando transdutores de 5 MHz sobre prismas de diferentes ângulos e caracterizando o material, obteve informações sobre as velocidades de ondas. Também realizou a inspeção de duas placas com defeitos artificiais através de arrays lineares de transdutores, no qual usou os parâmetros obtidos das ondas para conseguir imagens de TFM.
Seu método obteve imagens com resolução adequada. No entanto, obteve uma pequena imprecisão na localização dos defeitos, o que pode ter ocorrido devido ao modelo que considerou condições de continuidade entre as interfaces do material.