O controle por ultrassom multi-elementos (PAUT) é um teste não destrutivo avançado. Ele permite inspecionar materiais para detectar defeitos usando um conjunto de pequenas sondas ultrassônicas, sem danificar o componente. Ao contrário dos testes convencionais com sonda única, você não precisa mover a sonda.
Ela permanece no lugar enquanto você direciona o feixe sonoro eletronicamente, permitindo uma focalização precisa do feixe.
Se você já precisou verificar geometrias complexas ou grandes áreas rapidamente, o PAUT oferece aquisições mais rápidas e muito mais detalhadas do que os métodos tradicionais.
Neste artigo, vou explicar como funciona a inspeção por ultrassom com arranjo em fases multi-elementos.
Abordaremos os princípios fundamentais, como os parâmetros de defasagem e as leis de controle que comandam o feixe, bem como técnicas incluindo a varredura setorial.
Você também conhecerá os principais componentes de hardware e suas aplicações mais comuns.
Se você quiser revisar os fundamentos primeiro, consulte nosso guia sobre o que é o controle por ultrassom e como ele funciona.
Ele constitui uma boa base para entender o controle por ultrassom em geral.
Índice
O que é o Controle por Ultrassom Multi-elementos?
O controle por ultrassom multielementos (PAUT) é um método de inspeção que se baseia em uma sonda composta por muitos pequenos elementos ultrassônicos.
O acrônimo PAUT significa “Phased Array Ultrasonic Testing” em inglês.
Com as técnicas mais antigas, você precisava deslizar fisicamente uma sonda única sobre uma superfície.
O PAUT funciona de forma diferente.
Ele permite direcionar o feixe ultrassônico eletronicamente, dando a você um controle preciso sem mover a sonda.
O nome técnico revela como ele funciona.
O “multi-elementos” refere-se ao conjunto de elementos da sonda.
Ao ajustar o tempo, você pode moldar e direcionar o feixe exatamente onde precisa. Esse processo baseia-se nos princípios fundamentais da física de ondas, em que as perturbações acústicas interferem para concentrar a energia.
Desenvolvimento histórico
Essa tecnologia foi desenvolvida primeiro na área médica em meados do século XX, onde os médicos a utilizavam para imagens por ultrassom.
Levou tempo para que o teste não destrutivo industrial a adotasse, pois os primeiros sistemas eram simplesmente complexos demais e caros para a maioria das equipes.
Quando os computadores se tornaram mais potentes e os custos de fabricação caíram, o PAUT se firmou como uma ferramenta de alto desempenho para inspeções.
Hoje, você o encontrará sendo usado em muitos setores exigentes como construção, dutos e geração de energia para verificar a qualidade dos materiais.
No entanto, ainda não é amplamente adotado, pois é uma ferramenta de controle muito cara em comparação com as alternativas.
Componentes-chave
No coração de qualquer sistema PAUT está a sonda.
Esse componente contém o conjunto de elementos de cristais piezoelétricos que transformam sinais elétricos em ondas ultrassônicas.
Os elementos são mantidos separados uns dos outros para evitar interferências dentro da sonda.
As sondas estão disponíveis em várias configurações: arranjos lineares, matriciais ou circulares.
Para a maioria das aplicações industriais, como a inspeção de cordões de solda por ultrassom multi-elementos, você provavelmente usará um arranjo linear contendo entre 16 e 32 elementos.
Essa sonda se conecta à unidade principal por meio de cabos especializados, mas opções sem fio também estão disponíveis.
Como funciona a Focalização Eletrônica do Feixe
Você direciona e molda o feixe ultrassônico na tecnologia multi-elementos sem mover a sonda.
Essa é a grande diferença do PAUT em relação aos métodos antigos: isso permite inspecionar as peças mais rapidamente e com mais detalhes.
No entanto, você precisa de temporização precisa e de compreender os princípios fundamentais da física de ondas para direcionar as ondas sonoras exatamente onde deseja.
Parâmetros de defasagem e mecanismos de atraso
Você gerencia a focalização do feixe usando os parâmetros de defasagem.
São instruções de controle que indicam a cada elemento do arranjo o momento de disparar seu pulso.
O conceito parece simples, mas exige grande precisão na execução.
Ao introduzir pequenos atrasos temporais nos pulsos de cada elemento, as perturbações acústicas resultantes se combinam e criam um feixe focalizado direcionado exatamente onde você precisa.
Esses parâmetros de defasagem exigem precisão extrema, pois os circuitos de temporização operam na escala de nanossegundos.
Essa precisão permite ajustar tanto o ângulo do feixe quanto a profundidade de focalização para corresponder à geometria da sua peça.
Com os atrasos adequados, você pode adaptar a inspeção ao formato específico do seu componente para obter melhores resultados.
Geração da frente de onda
Quando cada elemento individual do arranjo é ativado e transmite um pulso ultrassônico, ele gera uma perturbação acústica que se propaga em expansão esférica em todas as direções a partir da fonte pontual.
Embora os pulsos individuais permaneçam relativamente ineficazes quando atuam isoladamente, tornam-se consideravelmente mais potentes quando sincronizados com precisão usando os parâmetros de defasagem.
Isso permite que as ondas convirjam e se amplifiquem mutuamente para produzir um feixe único e concentrado que pode ser direcionado com precisão para um local-alvo específico.
O tamanho do seu ponto focal é determinado pelo número de elementos ativos.
Esse parâmetro representa o número de elementos que são ativados simultaneamente. Como o aumento do número de elementos acionados produz um ponto focal progressivamente mais estreito, você tem a capacidade de moldar dinamicamente o feixe resultante para detectar e caracterizar uma ampla variedade de defeitos de materiais.
No entanto, é importante observar que essa capacidade de focalização funciona de maneira ideal apenas no campo próximo da sonda. Além dessa zona, o feixe diverge e as vantagens da focalização diminuem consideravelmente.
Princípios de funcionamento e técnicas
Você gerencia a geração e a recepção dos ultrassons de forma diferente com as ferramentas multi-elementos do que com as antigas de elemento único.
Um sistema PAUT aciona grupos de elementos de cada vez, geralmente pulsando de 4 a 32 elementos juntos.
Em uma tarefa comum como a inspeção de cordões de solda por ultrassom multi-elementos, você usará cerca de 16, por exemplo.
É necessário cronometrar cuidadosamente o pulso de cada elemento para que as ondas sonoras se combinem em um único feixe focalizado.
Quando essa energia atinge seu componente, a física assume o controle, não importa como você criou a onda.
Aqui está uma visão geral das técnicas disponíveis.
Varredura setorial e direção do feixe
A varredura setorial, ou varredura setorial, é uma das técnicas mais utilizadas.
Ela varre o feixe ultrassônico através de diferentes ângulos com um único grupo de elementos, um pouco como um refletor.
Você pode verificar uma faixa de 40 a 70 graus sem mover a sonda. É a direção do feixe em ação.
Isso ajuda quando as peças têm formas complexas ou locais de difícil acesso, permitindo escolher o ângulo que oferece a melhor chance de detectar os defeitos.
Varredura eletrônica
A varredura eletrônica acelera consideravelmente as operações.
Ela reproduz o que você faz quando move manualmente uma sonda UT, mas aqui, nada se move fisicamente.
O instrumento ativa grupos de elementos um após o outro ao longo da sonda. Isso envia o feixe através da área que você está inspecionando.
Você cobre grandes áreas rapidamente e pode acoplá-la com a focalização eletrônica do feixe para manter uma resolução nítida.
Método de focalização total
Quer imagens mais nítidas?
Use o método de focalização total (TFM).
Ele não cria um único feixe. Em vez disso, o TFM obtém dados brutos de todos os pares emissor-receptor do arranjo.
Seu sistema divide a área de inspeção em uma grade de minúsculos pixels e calcula os atrasos temporais corretos para focalizar o som em cada um deles.
É assim que você obtém uma imagem detalhada e precisa da área.
Aquisição e exibição de dados
Seu sistema PAUT reúne informações enviando feixes ultrassônicos em intervalos de tempo precisos. Ele captura centenas de sinais de uma vez, coletando um grande volume de dados brutos.
Se você processar esses dados corretamente para criar imagens claras, isso lhe dará uma visão em tempo real dentro do material, o que é uma excelente maneira de melhorar sua avaliação de qualidade.
Esse processo cria também um registro permanente e rastreável da inspeção.
Para mais precisão, você pode anexar um codificador à sonda. Ele registra a posição física exata de cada medição, vinculando os dados visuais a um local específico no componente.
Requisitos de software
O desempenho do sistema depende do software; é ele que gerencia o trabalho complexo.
Ele calcula a temporização complexa, conhecida como parâmetros de defasagem e leis de controle, para direcionar e focalizar o feixe ultrassônico exatamente onde você precisa. O software também gerencia a calibração de cada elemento da sonda e organiza os dados para uma apresentação clara.
Embora a primeira configuração exija uma preparação cuidadosa, você pode salvar os parâmetros em um arquivo. Esse recurso permite recarregar uma configuração completa em segundos, o que é uma vantagem importante para tarefas de rotina.
Tipos de varredura e imagem
O software converte os sinais coletados em imagens que mostram uma seção transversal do objeto em tempo real. Existem vários tipos de varreduras:
- As varreduras lineares deslocam o feixe eletronicamente ao longo da sonda.
- As varreduras setoriais usam a direção do feixe para varrer uma faixa de ângulos a partir de um único ponto.
Essa técnica, chamada varredura setorial, produz uma imagem em forma de leque ideal para examinar cordões de solda e geometrias complexas.
Essa focalização eletrônica do feixe fornece uma representação clara em corte do componente, tornando a interpretação muito mais fácil do que com os métodos convencionais.
Para saber mais sobre as normas de imagem, consulte os recursos de teste não destrutivo de organizações como ASNT.
Aplicações industriais para a inspeção multi-elementos
Você pode contar com o controle por ultrassom multi-elementos para verificar os materiais sem precisar destruí-los.
É flexível, portanto funciona bem para muitas peças em muitos setores diferentes. Você identificará defeitos nos seus cordões de solda, verificará a qualidade de rebites e encontrará problemas como trincas, vazios ou picadas provenientes da corrosão.
Eis um panorama rápido.
Exame de soldas
Para as inspeções de cordões de solda, o PAUT é excelente para trabalhos difíceis como vasos de pressão e dutos. Ele encontra defeitos comuns como falta de fusão, porosidade ou inclusões de escória.
Você pode ajustar o ângulo do feixe para corresponder à forma do cordão de solda, o que torna a detecção mais confiável. O processo segue normas como a ASTM E2700 para testes por contato.
Medição de espessura e corrosão
O PAUT também mede a espessura do material com precisão.
Isso ajuda a acompanhar os danos causados pela corrosão ou erosão ao longo do tempo. Você pode mapear a perda de material em grandes áreas para obter uma visão completa.
Por exemplo, ele é usado para verificar os tubos sob seus suportes, onde a ferrugem pode facilmente se esconder. Os dados que você obtém ajudam a determinar se um componente ainda é seguro ou necessita de reparos.
Outras aplicações
Você pode usar o PAUT para muito mais do que cordões de solda e corrosão. Ele é usado para verificar rodas e eixos de trem na indústria ferroviária.
A tecnologia também é útil para examinar materiais compósitos e mapear adesivos em juntas coladas. Esteja você em um canteiro de obras ou em uma usina, ela fornece bons dados para os controles de qualidade e para o planejamento dos seus trabalhos de manutenção.
Modos de implementação
Os sistemas multi-elementos oferecem flexibilidade na forma de usá-los.
Sua escolha de método depende das necessidades específicas da inspeção, equilibrando velocidade, acesso aos componentes, orçamento e segurança.
Você tem três opções principais: manual, semiautomatizada ou totalmente automatizada.
Inspeção manual
Para verificações rápidas ou inspeção de peças com formas complexas, a inspeção manual é uma escolha prática.
Nesse modo livre, um técnico move a sonda sobre a superfície do componente à mão. A sonda pode ser usada com acoplante, fixada a um sapato rígido ou alojada em uma sonda com roletes para uma varredura mais suave.
Essa abordagem oferece uma excelente portabilidade e fornece um retorno imediato em tempo real.
Sistemas codificados e automatizados
Os sistemas semiautomatizados, também chamados sistemas codificados, trazem mais precisão à varredura manual.
Um codificador anexado à sonda registra sua posição exata. Esse processo armazena e mapeia todos os dados de inspeção com precisão. Ter esses dados ajuda a rastrear os resultados e a repetir as inspeções com facilidade.
Os sistemas totalmente automatizados utilizam scanners motorizados para melhorar a produtividade e a segurança. Esses scanners podem usar rodas magnéticas para se deslocar ao longo de dutos ou empregar braços multi-eixos para peças complexas, movimentando a sonda automaticamente.
Esse método mantém os operadores fora de ambientes potencialmente perigosos e fornece resultados altamente reprodutíveis para inspeções em grande escala.
Configuração e calibração
Quando você começa com um sistema de controle por ultrassom multi-elementos, é fundamental configurá-lo corretamente, pois isso leva a inspeções melhores.
O processo é semelhante ao controle por ultrassom que você talvez já conheça. Mas o PAUT tem vários elementos, portanto requer um pouco mais de atenção na configuração e na calibração.
Você pode começar pelo básico ao qual está acostumado e, depois, ajustá-los para a sua tarefa exata.
Seleção de parâmetros
Se você já realizou controle convencional, o início parece o mesmo.
Escolha sua frequência de teste, o tamanho do número de elementos ativos, a distância focal e o ângulo de incidência, usando os valores do seu trabalho com sonda única.
Em seguida, ajuste os parâmetros de defasagem, também chamados de leis de controle, para gerenciar a focalização eletrônica do feixe. Isso ajuda a adaptar a inspeção ao material. Você deve considerar sua velocidade do som e quanto o sinal se atenua.
Para cordões de solda espessos em aço carbono, você usaria uma frequência mais baixa e um número de elementos ativos maior do que para peças finas em aço inoxidável.
Normas e qualificação
Calibre corretamente e siga as normas da indústria. Essa abordagem fornece resultados nos quais você pode confiar (e seu cliente/responsável pela qualidade exigirá isso de qualquer forma).
Existem muitas normas internacionais a seguir, e seus engenheiros de métodos fornecerão aquelas que os operadores devem seguir. Aqui estão alguns exemplos:
- ASTM International oferece regras sólidas, como a E2491, que ajudam a verificar as características do seu sistema multi-elementos.
- Para tarefas como o dimensionamento de trincas em cordões de solda, informe-se sobre qualificações como o exame API QUSE-Phased Array.
Calibre sempre primeiro com um bloco de demonstração antes de inspecionar. Isso garante que cada elemento do arranjo funcione e que os atrasos temporais estejam alinhados corretamente.
Conclusão
O controle por ultrassom multi-elementos é uma forma mais inteligente de inspecionar materiais.
Você usa uma sonda com muitos pequenos elementos, e um computador aplica os chamados parâmetros de defasagem ou leis de controle para cronometrar cada pulso perfeitamente. Isso cria um feixe que você pode direcionar e focalizar com a focalização eletrônica do feixe, de modo que você não precisa varrer manualmente.
Esse controle eletrônico oferece reais vantagens em velocidade e precisão.
Com a varredura setorial, você pode direcionar o feixe sobre grandes áreas ou em peças complexas muito rapidamente.
Você obtém dados mais confiáveis e pode encontrar defeitos ocultos com mais confiança, tudo sem os problemas de segurança da radiografia.
Mas isso não é adequado para todos os trabalhos.
O custo inicial é mais alto do que o do controle convencional, e você precisará de um treinamento especializado para obter bons resultados.
Funciona muito bem para a inspeção de cordões de solda por ultrassom multi-elementos e para o mapeamento de corrosão. Para outras tarefas, como encontrar trincas de superfície, métodos diferentes podem atendê-lo melhor.
Para tirar o melhor proveito do PAUT, você precisa de um operador qualificado que selecione os parâmetros corretos e adapte a técnica ao trabalho. À medida que os softwares melhoram e métodos como o método de focalização total (TFM) se tornam comuns, essa tecnologia fica ainda mais poderosa e mais fácil de usar.
Você utiliza o PAUT no trabalho?
Perguntas frequentes
O que é o Controle por Ultrassom Multi-elementos (PAUT)?
O controle por ultrassom por arranjo de fases multi-elementos (PAUT) é um teste não destrutivo avançado. Ele utiliza uma sonda multi-elementos para gerar, direcionar e focalizar os feixes ultrassônicos eletronicamente, inspecionando os materiais sem movimento físico da sonda. Isso difere consideravelmente do controle por ultrassom convencional de elemento único, oferecendo capacidades aprimoradas.
Como o PAUT cria e controla os feixes ultrassônicos?
O PAUT cria e controla os feixes pulsando individualmente cada elemento de sua sonda com atrasos temporais precisamente calculados. Esses atrasos manipulam as ondas sonoras, levando-as a interferir de forma construtiva e a formar um feixe focalizado que pode ser direcionado para diferentes ângulos e profundidades no material inspecionado.
Quais tipos de defeitos o PAUT pode detectar com eficácia nos materiais?
O PAUT é altamente eficaz para detectar diversos defeitos nos materiais. Ele pode identificar trincas, vazios, porosidade e inclusões de escória nos cordões de solda. Também se destaca no mapeamento de corrosão e na medição de espessura, permitindo a avaliação da perda de material e de padrões de erosão em componentes como dutos e vasos de pressão.
Como a focalização eletrônica do feixe aprimora as capacidades de inspeção do PAUT?
A focalização eletrônica do feixe aprimora as capacidades do PAUT ao controlar com precisão onde a energia ultrassônica converge em um material. Ao aplicar atrasos temporais específicos, o PAUT focaliza o feixe em profundidades e ângulos escolhidos, melhorando a relação sinal/ruído. Isso permite uma caracterização e dimensionamento mais precisos dos defeitos na área de inspeção.
Quais são as principais considerações para o equipamento e o treinamento de PAUT?
O equipamento de PAUT geralmente envolve um custo inicial mais alto do que os sistemas de controle convencionais. Além disso, sua complexidade exige que os operadores recebam treinamento especializado além da certificação padrão de controle por ultrassom. Embora exista uma curva de aprendizado para configuração e interpretação, os ganhos de eficiência podem levar a um custo total de propriedade menor ao longo do tempo.
Como os parâmetros de defasagem influenciam o desempenho de um sistema PAUT?
Os parâmetros de defasagem são conjuntos críticos de parâmetros de software e hardware que controlam com precisão as características do feixe PAUT. Eles determinam os atrasos temporais aplicados a cada elemento, definindo onde o feixe se focalizará e em qual ângulo. Parâmetros de defasagem corretamente definidos são essenciais para otimizar a sensibilidade acústica e a eficácia da inspeção.
Em quais setores industriais o PAUT é amplamente utilizado para a garantia da qualidade?
O PAUT é amplamente usado em vários setores industriais para a garantia da qualidade. É extensivamente utilizado na construção, no petróleo e gás (para dutos e vasos de pressão), na geração de energia e no transporte (para inspeção de material rodante). Ele se destaca em exames de cordões de solda, mapeamento de corrosão e inspeção de materiais compósitos.
