Workshop
“Ensaios Não Destrutivos – Inovação e Qualidade”
Lisboa, 03 de Abril de 2008
Sondas de Correntes de Eddy para END:
Funcionalidade e Aplicação à SFL
Telmo Santos, Pedro Vilaça, Luísa Quintino
Instituto Superior Técnico, IDMEC
telmo.santos@ist.utl.pt
RESUMO ALARGADO
Resumo:
A localização e especificidade morfológica dos defeitos da Soldadura por Fricção Linear (SFL)constituem um paradigma de exigência nos END, e as sondas convencionais de correntes de eddy apresentam limitações que comprometem a detecção deste tipo de defeitos. O objectivo deste trabalho é estabelecer um método fiável para os END da SFL. Foram criadas as condições laboratoriais e desenvolvidos protótipos de sondas espirais planas para avaliar a sua performance comparativamente às sondas helicoidais cilíndricas. Foi desenvolvido e testado um novo conceito de sonda de correntes de eddy designado IOnic Probe que suplanta as limitações das sondas convencionais. Os resultados preliminares mostram que esta sonda inovadora é insensível ao efeito de lift-off e mais sensível às variações de condutividade, o que representa portanto uma performance superior para END.
1) Defeitos da SFL: um paradigma de exigência nos END
O processo de Soldadura por Fricção Linear (SFL) representa um dos mais importantes desenvolvimentos na tecnologia de soldagem das últimas décadas. No entanto, a transferência e consolidação industrial do processo necessitam ainda de técnicas fiáveis de END, cujo estado actual de desenvolvimento não permite a detecção dos defeitos com importância no desempenho estrutural e resistência à corrosão dos componentes soldados [1].
Apesar da boa repetitibilidade do processo de SFL permitir implementar metodologias de garantia total de qualidade, existem defeitos que podem ocorrer nos cordões de SFL. Estes defeitos são muito sensíveis a pequenas variações dos parâmetros do processo, típicas do ciclo de produção em ambiente industrial. A Figura 1) mostra uma macrografia da secção transversal de um cordão de soldadura em juntas topo-a-topo. Nela podem ser observados alguns dos principais tipos de defeitos da SFL [2].
Dada a localização e a especificidade morfológica dos defeitos característicos da SFL, a sua detecção e dimensionamento torna-se muito difícil. Por isso não existe uma técnica de END, que usada individualmente, assegure uma inspecção completa e fiável [3]. Para superar este problema têm sido desenvolvidos alguns trabalhos, com destaque para o projecto europeu QUALISTIR, no qual se estudou a aplicação de técnicas avançadas de ultra-sons por phased array. Uma das conclusões deste estudo refere a necessidade de integrar diferentes técnicas de END com vista à obtenção de melhores resultados.
Figura 1 – O processo de Soldadura por Fricção Linear (SFL) a) Representação esquemática
b) Macrografia da secção transversal de um cordão de soldadura com defeitos característicos numa junta topo-a-topo
2) Aplicabilidade dos END à SFL: correntes de eddy
De entre as técnicas de END possíveis de serem aplicadas no controlo de qualidade das juntas soldadas por fricção linear destacam-se os líquidos penetrantes, raios-X, ultra-sons por eco pulsado, ToFD, Phased
Arrays e correntes de eddy. No entanto, os líquidos penetrantes apenas permitem detectar defeitos na raiz
muito exagerados, do tipo falta de penetração. Os raios-X permitem detectar somente os defeitos que provocam uma diferença de absorção de radiação significativa. Por isso tipicamente só detectam os vazios internos mais significativos, não sendo sensíveis a todos os restantes defeitos que têm um papel importante nas aplicações industriais. Os sons convencionais, o ToFD e os Phased Arrays, são variantes ultra-sonoras com vantagens particulares dependendo da aplicação, mas apresentam as limitações inerentes ao
fenómeno físico em que se baseiam, nomeadamente: alta sensibilidade ao acoplamento; atenuação acústica e limite de detectabilidade dos defeitos [4].
A inspecção por correntes de eddy é a técnica mais adequada à detecção dos defeitos na raiz do cordão – os mais importantes e com maior impacto na resistência estrutural –, devido ao efeito de pele que concentra a densidade de corrente à superfície do material, aumentando a sensibilidade de detecção nesta zona. Por outro lado, existem aplicações em que usando baixas frequência de excitação consegue-se aumentar a profundidade de penetração a ponto de inspeccionar o cordão em quase toda a espessura.
Um dos principais problemas das sondas de correntes de eddy para a detecção de defeitos em END é o efeito de lift-off, ou seja, a variação do sinal da sonda (impedância eléctrica) provocado por alterações da posição da sonda relativamente à superfície do material a inspeccionar. Se o defeito for de dimensão ou morfologia de difícil detecção, esta variação da impedância devida ao lift-off pode ser superior à variação devida à diminuição da condutividade pela existência desse defeito. Nestas condições o sinal do defeito é absorvido pelo ruído do lift-off e a sua localização ou dimensionamento fica impossibilitada.
Para contornar este problema, é prática comum seleccionarem-se os parâmetros de funcionamento da sonda que provocam um aumento do ângulo de separação entre a linha de lift-off e a linha de condutividade σ (Figura 2a). Este procedimento torna as variações ao longo da linha de condutividade dependentes apenas de Abs(Z), mantendo Arg(Z) praticamente constante, e vice-versa para variações ao longo da linha de lift-off (Figura 2b). Desta forma, a única variável relevante para a detecção dos defeitos é o comportamento de
) (Z
Abs , já que esta grandeza é a única que é alterada pela influência que o defeito tem na condutividade
local do material. Quaisquer variações do lift-off irão provocar apenas alterações na grandeza Arg(Z) e não
em Abs(Z), pelo que as variações deArg(Z)são ignoradas.
Para se conseguir estas condições de inspecção a frequência de funcionamento da sonda terá de ser criteriosamente escolhida. No entanto esta metodologia apresenta duas desvantagens importantes:
1) A detecção de defeitos baseada apenas nas variações de Abs(Z), sem ter em conta as variações
deArg(Z)dada a sua forte dependência com o lift-off, leva a que o método de END com as sondas
convencionais de correntes de eddy apresente um desempenho reduzido quando usado como meio de dimensionamento dos defeitos, já que esta possibilidade está associada ao comportamento de Arg(Z).
2) As frequências de funcionamento usadas para tornar as variações ao longo da linha de condutividade dependentes apenas de Abs(Z) mantendo Arg(Z) praticamente constante, diferem de sonda para sonda, o
que leva à existência de uma frequência própria de funcionamento para cada sonda. Por outro lado, sendo a profundidade de penetração
δ
[m] função da frequência, significa que cada sonda se encontra limitada a uma profundidade de inspecção determinada.Figura 2 – O ensaio por correntes de eddy
a) Diagrama de impedância típico para sondas helicoidais cilíndricas em material não ferromagnético b) Representação esquemática do vector impedância eléctrica
↓ σ ↑ −off lift ↑ f
]
[
)
Re(
Z
Ω
Air Zr θ a) b)3) Sondas de correntes de eddy: helicoidais cilíndricas vs espirais planas
Tendo em conta estas limitações das sondas de correntes de eddy convencionais e a especificidade morfológica dos defeitos da SFL procedeu-se a um estudo comparativo entre as sondas helicoidais cilíndricas e as espirais planas, para avaliar o desempenho destas duas concepções na detecção de defeitos. Foram produzidos três protótipos de sondas com bobinas espirais planas (Figura 3): a) circular de 20 espiras; b) circular de 10 espiras; c) quadrada de 10 espiras. As sondas foram produzidas com a tecnologia
printed circuit board com 50
μ
m
de largura das pistas, 100μ
m
de espaçamento entre espiras sucessivas e 30μ
m
de altura. Estas sondas têm sido referidas como promissoras na inspecção por correntes de eddy [4], devido a algumas propriedades atractivas, nomeadamente: alta sensibilidade à detecção de falhas devido ao menor lift-off, que decorre da maior proximidade da bobina com a superfície do material, facilidade de produção, melhoramento do contacto entre a sonda e a superfície do material e possibilidade de inspeccionar superfícies de geometria complexa se a placa de circuito for flexível. Uma propriedade interessante das sondas planas rectangulares é o facto da resposta, ou seja, a impedância, variar em função da orientação da descontinuidade relativamente aos eixos da sonda.O estudo comparativo entre as sondas consistiu na análise das curvas de impedância sob condições padrão de variação do lift-off (desde 70
μ
m
até 3000μ
m
) e condutividade: Cu, AA2024-T351, e Pb. Cada um destes três materiais com uma condutividade eléctrica, respectivamente: 100%, 37.8% e 8.1% IACS (International Annealed Copper Standard).Um dos principais critérios de avaliação das sondas de correntes de eddy é que estas apresentem uma maior variação de impedância devido à variação de condutividade, do que devido à variação do lift-off; já que o primeiro comportamento está relacionado com a existência de defeitos no material, enquanto que o segundo está relacionado com o ruído que mascara os sinais provenientes desses defeitos.
Figura 3 – Sondas de correntes de eddy testadas
a) Circular de 20 espiras; b) Circular de 10 espiras; c) Quadrada de 10 espiras; d) Perfil transversal das espiras
Figura 4 – Dispositivos de teste em condições padrão a) Padrão de diferentes lift-off e condutividade
b) Variação angular da sonda helicoidal cilíndrica (LS905-50B/20K da marca NDT – EC de 20kHz)
a) b) c) d)
Figura 5 – Variação da impedância para a sonda circular plana de 20 espiras na liga AA2024-T351 a) Variação de Re(Z) em função da frequência e do lift-off (70
μ
m
até 3000μ
m
)b) Plano de impedância para lift-off 70
μ
m
variando a condutividade e a frequênciaFigura 6 – Plano de impedância para os três tipos de sondas espirais planas a) Curva de impedância com lift-off 70
μ
m
na liga AA2024-T351 b) Curvas de condutividade e de lift-off na frequência óptima de cada sondaFigura 7 – Plano de impedância para a bobina plana e cilíndrica na liga AA2024-T351 com 70μm de lift-off
8MHz 8,1%IACS 5MHz 2MHz 37,7% IACS 100% IACS 10MHz 6MHz 3MHz 1MHz 0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 Re(Z) [Ohm ] Im (Z) [O h m ] 70 um 179 um 288 um 396 um 614 um 950 um 1980 um 3000 um Ar 3.6 4.0 4.4 4.8
1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07
Freq. (Hz) R e (Z ) [O h m ] a) b) a) b) ↑ f
Figura 8 – Plano de impedância da bobina helicoidal em diferentes condições de ângulo, lift-off e condutividade
Os resultados anteriores permitem tirar algumas conclusões quanto ao desempenho de cada uma das sondas de correntes de eddy testadas.
1) Relativamente às sondas espirais planas, todas apresentam uma curva de impedância do tipo parabólico com eixo horizontal (Fig. 5b), o que difere totalmente das curvas de impedância típicas das sondas helicoidais cilíndricas, que se caracterizam por uma evolução tipo logarítmica (Fig. 2a e Fig. 7). Outra diferença significativa e bastante positiva é o facto das curvas de condutividade e de lift-off evoluírem perpendicularmente entre si (Fig. 6b), ao contrário do que se verifica nas sondas helicoidais cilíndricas, em que a evolução é quase paralela (Fig. 2a). Esta perpendicularidade das curvas é vantajosa na medida em que as permite distinguir muito facilmente durante um ensaio de END.
2) A Fig. 6 mostra que apenas a sonda circular de 20 espiras apresenta uma variação significativa de impedância (relativa e absoluta) como resposta a alterações de condutividade e lift-off. As sondas de 10 espiras são inadequadas para aplicações em END, já que apresentam uma variação residual da impedância, mesmo em condições extremas de condutividade, devido à sua reduzida indutância. No entanto, acima de 20 espiras coloca-se o problema da diminuição de resolução espacial, consequência do aumento de diâmetro das bobinas, o que representa uma desvantagem importante.
3) Relativamente à sonda circular helicoidal, esta apresenta uma impedância absoluta bastante superior, como consequência da sua maior indutância, mas é altamente sensível à variação angular da sua posição (Fig. 8). Outra limitação importante deste tipo de sondas é, como se esperava, a grande proximidade entre as curvas de condutividade e de lift-off, o que dificulta a distinção entre o ruído e um sinal proveniente de um defeito.
4) IOnic Probe: um passo à frente em END por correntes de eddy
Atendendo às limitações associadas às sondas convencionais de correntes de eddy e à sua incapacidade para o controlo de qualidade da SFL foi desenvolvido um novo conceito de sonda de correntes de eddy [5]. A IOnic Probe consiste numa nova sonda de correntes de eddy, para aplicação em END, que tem como objectivo aumentar a capacidade de detecção dos defeitos com dimensão ou morfologia de difícil detecção, por via da eliminação do efeito de lift-off e da proximidade da sonda com a superfície do material a inspeccionar. A sonda caracteriza-se por uma concepção inovadora, com uma bobina de excitação toroidal, e uma bobina sensível espiral plana perpendicular à primeira e paralela à superfície de inspecção, o que elimina o ruído do sinal causado pela variação da sua posição relativamente ao material a inspeccionar, e permite detectar defeitos que seriam mascarados pelo ruído do lift-off. Outra vantagem da sonda é a possibilidade de inspeccionar os bordos do material, e também operar segundo um método de inspecção baseado na análise do sinal durante um movimento de rotação de 360º da sonda sobre si própria, permitindo a detecção de defeitos com qualquer tipo de orientação.
Para validar este novo conceito de sonda foram produzidos e testados alguns protótipos em condições de funcionamento padrão e em comparação com as sondas de correntes de eddy convencionais.
Figura 9 – Sinal da IOnic Probe ao longo da direcção X e Y (f=85kHz; I=50mA)
Figura 10 – Parte real e imaginaria do sinal da IOnic Probe e da sonda helicoidal cilíndrica (f=85kHz; I=50mA)
A Fig. 9 representa o sinal típico obtido com a IOnic Probe num varrimento ao longo da direcção X e Y, partindo do centro de uma chapa de alumínio AA2024-T351 e terminando fora da chapa. O resultado demonstra que a componente real e imaginária da tensão induzida se mantêm constantes ao longo da direcção Y, o que comprova a independência do sinal relativamente ao lift-off. Por outro lado, ao longo da direcção X existe uma variação da tensão induzida da ordem dos 400%, que confirma a alta sensibilidade da sonda relativamente à condutividade do material.
O resultado da comparação entre a IOnic Probe e uma sonda helicoidal cilíndrica é apresentado na Fig. 10. Foi usado um defeito padrão constituído por um furo com 1mm de diâmetro numa chapa de alumínio AA2024-T351. As sondas foram colocadas a 25mm do furo e executaram um varrimento rectilíneo passando por cima do furo, parando 25mm depois. Os resultados mostram que relativamente à parte real, a amplitude da IOnic Probe é duas vezes superior à amplitude da sonda helicoidal circular, enquanto que a amplitude da parte imaginária é cinco vezes superior, demonstrando uma maior sensibilidade aos defeitos por parte da IOnic Probe.
5) Aplicação à SFL
Estão a ser desenvolvidas as condições laboratoriais para testes e realização de END, nomeadamente a cordões de soldadura por fricção linear. Os meios laboratoriais envolvem um chassis automatizado de posicionamento e locomoção das sondas, hardware de geração e aquisição de sinal, diferentes protótipos de sondas, software de controlo de parâmetros de inspecção, análise, tratamento e apresentação de resultados. Está também a ser desenvolvido um algoritmo de fusão de dados com lógica fuzzy e funções de inferência
fuzzy para agregar informação proveniente de diferentes sondas ou de diferentes técnicas de END.
Figura 11
–Dispositivo laboratorial de END
A aplicação do sistema de END foi realizada para diversos cordões de SFL (Fig. 12). Os resultados mostram que as sondas de correntes de eddy convencionais são insensíveis aos defeitos na raiz do cordão. Outro dado observado é que um cordão de SFL mesmo sem defeitos introduz uma variação da condutividade do material que impossibilita a detecção de defeitos com as sondas convencionais de funcionamento em modo absoluto.
Figura 12 – Aplicação da sonda circular espiral plana de 20 espiras à SFL a) Varrimento matricial sobre um cordão de soldadura (Abs(Z))
b) Secções transversais de (Abs(Z)) para cordões de soldadura com e sem defeitos
6) Conclusões
As sondas de correntes de eddy espirais planas com 10 espiras são inadequadas para aplicações em END, já que apresentam uma variação residual da impedância, mesmo em condições extremas de condutividade. Apenas a sonda com 20 espiras registou uma variação de impedância significativa, embora isso só se verifique para frequências demasiado altas correspondentes a profundidades de penetração muito reduzidas. A sonda de concepção helicoidal cilíndrica é altamente sensível à variação angular da sua posição e apresenta uma elevada proximidade entre as curvas de condutividade e de lift-off, o que dificulta a distinção entre o ruído e um sinal proveniente de um defeito.
Os resultados obtidos com a IOnic Probe demonstram a sua boa performance comparativamente às sondas convencionais: maior sensibilidade a variações de condutividade, independência do sinal com o lift-off e maior variação relativa do sinal para as mesmas condições padrão.
7) Agradecimentos
Os autores pretendem expressar o seu agradecimento à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) pelo suporte financeiro do projecto POCI/EME/60990/2004 (NDTStir), e pela bolsa de doutoramento SFRH/BD/29004/2006.
8) Referencias Bibliográficas
[1] VILAÇA, P.; SANTOS, T.; QUINTINO, L. Experimental Analysis, Defect Evaluation and Computational Developments of FSW. Proceeding of IIW South East, Timisoara, Roménia, 2006.
[2] VILAÇA, P. Fundamentos do Processos de Soldadura por Fricção Linear: Análise Experimental e Modelação Analítica: 2003. Dissertação (Doutoramento) – Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[3] SANTOS, T. Data Fusion with Fuzzy Logic in Non-Destructive Testing of Friction Stir Welding: 2006. Dissertação (Mestrado), – Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[4] DITCHBURN, R. J., BURKE, S. K., Planar rectangular spiral cails in eddy-current non-destructive
inspection, NDT&E International, Vol.38, No. 8, Dezembro, 2005, pp. 690-700.
[5] SANTOS, T., VILAÇA, P., et al, Advances in NDT Techniques for Friction Stir Welding Joints of
AA2024-T351, Proceedings of TMS2008, Março 2008, New Orleans, EUA.
Impedance changes for no defect and root defective weld beads
4.78 4.79 4.80 4.81 4.82 4.83 4.84 4.85 4.86 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 X (mm) Ab s (Z ) ( O h m )
Type 0 - No defec Type I - Particles alignment Type II - Lack of penetration
Cordão de FSW
Secção transversal do cordão
