Sebenta · Executar ensaios de ultrassons em materiais metálicos (UC05418)

Introdução

Esta sebenta ensina a executar ensaios de ultrassons em materiais metálicos, uma das técnicas de ensaio não destrutivo (END) mais usadas no controlo de qualidade de peças fundidas. É uma competência central de um técnico de laboratório de fundição, porque permite avaliar o interior de uma peça, incluindo a sua nodularidade quando é ferro fundido nodular, sem a destruir nem impedir que siga para serviço.

O percurso é o de um profissional real: começamos por entender o princípio físico do ultrassom (pulso-eco), conhecemos o equipamento e os transdutores disponíveis, aprendemos a preparar, configurar e validar o método com blocos padrão, executamos o ensaio propriamente dito (varrimento, deteção, dimensionamento), aplicamos as duas competências mais específicas da fundição (medição de espessuras e nodularidade em ferros fundidos nodulares), passamos por soldaduras e limitações, e terminamos a validar resultados e emitir o boletim de ensaio, sempre com segurança, gestão de resíduos, proteção ambiental e normas da qualidade cumpridas.

Objetivos de aprendizagem (referencial): preparar, configurar e verificar o equipamento de ultrassons; realizar o ensaio; validar e interpretar resultados; e emitir boletins de ensaio, cumprindo as normas de segurança e saúde no trabalho, de proteção individual, de gestão de resíduos, de proteção ambiental e da qualidade.

1. Ensaios não destrutivos e o princípio do pulso-eco

Um ensaio não destrutivo (END) avalia a integridade de uma peça sem a danificar nem impedir que continue em serviço depois do ensaio. Ao contrário de um ensaio metalográfico, que corta e destrói uma amostra, o ultrassom deixa a peça intacta.

O ultrassom funciona pelo princípio do pulso-eco:

Transdutor → emite um curto impulso sonoro de alta frequência
   → a onda viaja pelo material
      → reflete numa descontinuidade (se existir) ou na face oposta da peça
   ← o eco regressa ao mesmo transdutor

O mesmo transdutor emite e recebe: é simultaneamente o "altifalante" e o "microfone" do ensaio. O tempo entre a emissão e o eco dá a profundidade do refletor; a amplitude do eco dá informação sobre o tamanho e a natureza desse refletor.

Numa fundição, o ultrassom serve sobretudo três propósitos: detetar descontinuidades internas (poros, inclusões, rechupes, fissuras), medir espessuras sem cortar a peça, e estimar a taxa de nodularidade de um ferro fundido nodular. Uma peça pode parecer perfeita por fora e falhar por dentro; é isso que o ultrassom torna visível.

Exemplo resolvido · interpretar o tempo de um eco

Um técnico mede, numa placa de aço, um tempo de 1,0 microssegundo (µs) entre a emissão do pulso e o eco de uma descontinuidade. A velocidade do aço é de 5920 m/s.

Resolução: a profundidade calcula-se por profundidade = velocidade × tempo / 2 (divide-se por dois porque o som percorre a distância de ida e volta). Profundidade = (5920 × 0,000001) / 2 = 0,00296 m ≈ 3,0 mm. A descontinuidade encontra-se a cerca de 3 mm da superfície onde o transdutor está colocado.

2. Física do ultrassom em materiais metálicos

Frequência, velocidade e o compromisso resolução-penetração

O ultrassom usado nestes ensaios trabalha tipicamente entre 0,5 e 25 MHz, muito acima do limite audível humano (cerca de 20 kHz). A velocidade de propagação depende do material, não do aparelho:

Frequência mais alta dá melhor resolução (deteta defeitos mais pequenos), mas penetra menos e atenua mais depressa. Frequência mais baixa penetra mais fundo, mas perde resolução para defeitos pequenos. Escolher a frequência certa é sempre um compromisso entre estes dois efeitos, decidido em função da espessura da peça e do tamanho do defeito que se procura.

Impedância acústica e reflexão

A impedância acústica (Z = densidade × velocidade) determina quanta energia sonora se reflete numa interface entre dois meios. Uma interface metal-ar reflete praticamente 100% da energia sonora, é por isso que um poro ou uma fissura, cheios de ar, dão um eco tão forte. Uma interface metal-acoplante ou metal-água reflete muito menos, é por isso que se usa acoplante para o som "entrar" no material em vez de ficar bloqueado à entrada.

Esta é a base física de todo o ensaio: sem uma diferença de impedância entre dois meios, não há eco e não há deteção possível.

3. O equipamento de ultrassons

O aparelho de ultrassons gera o impulso elétrico, envia-o ao transdutor, recebe o sinal de retorno e representa-o no ecrã, tipicamente como um A-scan (amplitude em função do tempo, convertido em profundidade depois da calibração).

Os controlos essenciais do aparelho:

• Ganho (gain), em decibéis (dB): amplifica o sinal recebido; +6 dB duplica a amplitude do eco no ecrã, porque a escala é logarítmica.
• Base de tempos: define a escala de profundidade representada, calibrada com a velocidade do material em ensaio.
• Amortecimento (damping) e filtros: melhoram a definição do impulso e reduzem o ruído.
• Portas de alarme (gates): janelas de tempo e amplitude que assinalam automaticamente ecos relevantes, úteis em ensaios repetitivos.

Um aparelho mal configurado dá leituras erradas mesmo com o transdutor certo escolhido: configurar bem é tão importante como escolher bem o transdutor.

4. Transdutores: tipos e critérios de seleção

Selecionar e adequar os meios (equipamento e transdutor) à realização de um ensaio de ultrassons é uma das aptidões centrais desta UC.

Contacto vs imersão, normal vs duplo cristal

• Transdutor de contacto: encosta-se diretamente à peça com uma fina camada de acoplante; simples, portátil, é o mais usado em laboratório e em campo.
• Transdutor de imersão: a peça e o transdutor ficam mergulhados em água, que serve de acoplante uniforme, permitindo varrimento automatizado mais reprodutível.
• Transdutor normal (mono-cristal): um único elemento emite e recebe; tem uma zona morta junto à superfície onde a deteção é fraca.
• Transdutor de duplo cristal: dois elementos independentes, um a emitir e outro a receber, reduzindo essa zona morta; ideal para peças finas ou defeitos próximos da superfície.

Retos vs angulares, convencional vs Phase-Array

• Transdutor reto (0°): o feixe entra perpendicular à superfície; usa-se para medir espessuras e detetar defeitos paralelos à superfície.
• Transdutor angular (por exemplo 45°, 60° ou 70°, montado sobre um calço): introduz o feixe com um ângulo de refração no material, essencial para defeitos orientados, como os das soldaduras.
• Ultrassom convencional: um único elemento emissor/recetor, com feixe fixo.
• Phase-Array: vários elementos independentes, controlados eletronicamente, que permitem direcionar e focar o feixe sem mover o transdutor, com varrimento setorial mais rápido e completo.

5. Acoplantes, calços e blocos padrão

O acoplante e o calço

O acoplante (gel, óleo, glicerina ou água) elimina a camada de ar entre o transdutor e a peça, sem a qual o som quase não entra no material. A escolha depende do acabamento da superfície, da temperatura e da posição do ensaio: numa superfície vertical ou no teto, um acoplante mais viscoso não escorre. O calço é a peça de acoplamento angular que suporta o transdutor angular e introduz o feixe refratado no material, no ângulo desejado.

Blocos padrão de referência

Os blocos padrão são peças de referência com refletores de dimensão e posição conhecidas (furos de fundo plano, furos laterais, degraus), usados para calibrar e verificar o equipamento antes de cada ensaio:

• Calibram a base de tempos (distância/profundidade).
• Estabelecem a sensibilidade de referência (ganho), comparável com os ecos reais da peça.
• Permitem construir uma curva de correção distância-amplitude (DAC), que ajusta o critério de avaliação conforme a profundidade do refletor.

Um ensaio sem verificação prévia com blocos padrão não tem validade: não há garantia de que o que se lê no ecrã corresponde à realidade da peça.

6. Preparar, configurar e validar o método

Preparar os recursos

Antes de ligar o aparelho, avalia-se as condições de realização do ensaio: consultar a norma ou o procedimento aplicável, escolher o transdutor e o acoplante adequados ao material e à geometria, e verificar as condições do local (temperatura, acesso, limpeza da superfície).

Configurar o aparelho

1. Introduzir a velocidade do material a ensaiar.
2. Ajustar a base de tempos para a gama de profundidade da peça.
3. Ajustar o ganho e os filtros.
4. Verificar o estado dos cabos, conectores e transdutor antes de começar.

Validar o método com blocos padrão

Só depois de configurado se valida o método: calibra-se a base de tempos com um bloco padrão de espessura conhecida, e ajusta-se a sensibilidade de referência (ganho) usando um refletor a profundidade conhecida, colocando o seu eco a uma altura de referência no ecrã (por exemplo, 80% da escala). Se a peça exige avaliação a várias profundidades, constrói-se a curva DAC unindo os ecos de referência a cada profundidade.

Exemplo resolvido · calibrar a sensibilidade de referência

Um bloco padrão tem um furo de fundo plano a 20 mm de profundidade. O técnico ajusta o ganho até o eco desse furo atingir 80% da altura do ecrã.

Resolução: este ajuste define o ganho de referência a 20 mm. Se a peça real tiver um refletor à mesma profundidade e a mesma amplitude relativa, é diretamente comparável ao do bloco padrão. Se o refletor da peça estiver a uma profundidade diferente, a comparação exige a curva DAC, porque a amplitude de um mesmo tipo de refletor varia com a profundidade.

7. Preparação da amostra e controlo dimensional do provete

Antes de ensaiar a peça, prepara-se e verifica-se o provete:

• Limpar a superfície de sujidade, óxido solto ou tinta espessa, que atenuam e dispersam o sinal.
• Verificar se a geometria da peça permite o acesso do transdutor à zona de interesse.
• Identificar a peça (referência, lote) para garantir a rastreabilidade do resultado.

O controlo dimensional e geométrico confirma que as medidas e a forma da peça correspondem ao esperado: mede-se espessuras e dimensões críticas com instrumentos convencionais (paquímetro, micrómetro), e verifica-se a planeza e o paralelismo das superfícies de contacto do transdutor, que influenciam a qualidade do acoplamento. Um resultado de ultrassons só se interpreta corretamente à luz das dimensões reais da peça, não das dimensões nominais do desenho.

8. Realizar o ensaio: procedimento e varrimento

Executar o ensaio é percorrer sistematicamente a peça com o transdutor, sem deixar zonas por cobrir:

• Varrimento em padrão em ziguezague, com sobreposição entre passagens (tipicamente 10 a 15%).
• Velocidade de varrimento controlada, para não passar depressa demais sobre um defeito pequeno.
• Manter o acoplamento constante, verificando periodicamente o eco de fundo para confirmar que o transdutor continua bem acoplado.
• Marcar, no ecrã e na peça, qualquer indicação que ultrapasse o limiar de referência.

Cada indicação relevante regista-se com a sua posição, profundidade e amplitude, distinguindo-a de ruído ou de uma reflexão geométrica prevista (um canto, um furo de fixação já no desenho). Confirmam-se indicações duvidosas repetindo a leitura numa posição ligeiramente diferente. Um varrimento com falhas de cobertura é, na prática, um ensaio incompleto.

9. Deteção, localização e dimensionamento de descontinuidades

Uma descontinuidade interna (poro, inclusão, rechupe, fissura) reflete parte da energia sonora antes de chegar à face oposta, aparecendo no ecrã como um eco intermédio entre o pulso inicial e o eco de fundo. Uma queda de amplitude do eco de fundo, mesmo sem eco intermédio nítido, também é sinal de atenuação por defeitos dispersos.

Depois de detetada, a descontinuidade dimensiona-se e localiza-se por dois métodos comuns:

• Comparação com a curva DAC: a amplitude do eco real compara-se com a curva construída no bloco padrão, à mesma profundidade.
• Método da queda de 6 dB: desloca-se o transdutor até a amplitude cair a metade (6 dB), marcando os limites do defeito, e mede-se a distância entre essas posições.

Exemplo resolvido · localizar uma descontinuidade

Um transdutor deteta um eco intermédio a um tempo de 1,4 µs numa peça de alumínio (velocidade 6320 m/s).

Resolução: profundidade = (6320 × 0,0000014) / 2 = 0,0044 m ≈ 4,4 mm. A descontinuidade localiza-se a cerca de 4,4 mm da superfície de acoplamento. Se o eco tivesse metade da amplitude a uma posição 8 mm mais à frente do transdutor, essa seria a extensão aproximada do defeito, pelo método da queda de 6 dB.

10. Medição de espessuras

A medição de espessuras usa um transdutor reto, em modo de eco único ou multieco:

• Eco único: mede-se o tempo entre o pulso inicial e o primeiro eco de fundo. Espessura = velocidade × tempo / 2.
• Multieco: mede-se o tempo entre dois ecos de fundo sucessivos, o que elimina o efeito da camada de acoplante e da zona morta, com maior precisão.

Exemplo resolvido · calcular uma espessura

Um técnico mede, numa peça de aço, um tempo de 2,1 µs entre o pulso inicial e o primeiro eco de fundo, em modo eco único. A velocidade do aço é 5920 m/s.

Resolução: espessura = (5920 × 0,0000021) / 2 = 0,012432 / 2 ≈ 6,2 mm. Se a peça tivesse a espessura nominal de fabrico de 6,5 mm, a diferença de 0,3 mm poderia já ser sinal de desgaste ou corrosão a acompanhar em ensaios futuros.

11. Taxa de nodularidade em ferros fundidos nodulares

Num ferro fundido nodular, a grafite forma esferoides (nódulos); num ferro fundido cinzento, forma lamelas. A forma da grafite influencia a propagação do som: a grafite lamelar dispersa e atenua mais, reduzindo a velocidade de propagação medida; a grafite nodular, mais compacta, deixa o som propagar-se com velocidade mais alta e mais uniforme.

Medindo a velocidade ultrassónica numa peça de ferro fundido, e comparando com uma curva de calibração construída a partir de amostras de nodularidade conhecida (confirmada por metalografia), estima-se a taxa de nodularidade sem destruir a peça. Esta é uma das aptidões mais específicas desta UC: usar o ultrassom como ensaio indireto e não destrutivo de nodularidade, útil para inspecionar 100% de um lote sem cortar nenhuma peça.

Exemplo resolvido · avaliar a nodularidade

A curva de calibração de um laboratório indica que uma velocidade de 5720 m/s corresponde a uma nodularidade estimada de 82%. A especificação do cliente exige um mínimo de 80%.

Resolução: o resultado medido (82%) está acima do mínimo exigido (80%), pelo que a peça é classificada como conforme quanto à nodularidade. O boletim de ensaio regista a velocidade medida, a curva de calibração usada e a conclusão de conformidade. Se o resultado fosse 76%, abaixo do mínimo, reportar-se-ia não conformidade, com sugestão de confirmação metalográfica antes de rejeitar o lote.

12. Ensaios em soldaduras, limitações e métodos alternativos

O ultrassom com transdutores angulares é muito usado no controlo de qualidade de soldaduras, detetando falta de fusão, falta de penetração na raiz, porosidade, inclusões de escória e fissuras no cordão. O feixe angular percorre o cordão a partir do metal de base adjacente, com o ângulo escolhido conforme a espessura e a geometria da junta.

Identificar as limitações da técnica é tão importante como saber aplicá-la:

Quando o ultrassom não é adequado, existem métodos alternativos: radiografia (RX), líquidos penetrantes, partículas magnéticas ou correntes induzidas, cada um com o seu campo de aplicação. Identificar métodos alternativos, e não insistir num método claramente inadequado, é uma aptidão explicitamente exigida pelo referencial.

13. Validar e interpretar resultados: erros, desvios e incertezas

Todo o resultado de medição tem associada uma incerteza, e é preciso distinguir dois conceitos:

• Precisão: o grau de repetibilidade de medições sucessivas da mesma grandeza, mesmo que estejam todas erradas da mesma forma.
• Exatidão: o grau de proximidade do valor medido ao valor real (verdadeiro).

Um equipamento pode ser muito preciso e, ainda assim, pouco exato, se estiver mal calibrado. Distinguem-se ainda dois tipos de erro: o erro sistemático, que se repete sempre na mesma direção (por exemplo, uma calibração desatualizada) e se corrige ajustando o método; e o erro aleatório, que varia de medição para medição e se reduz repetindo e fazendo a média de várias leituras.

Validar um resultado é confirmá-lo à luz da calibração ainda válida, dos valores de referência da norma ou especificação, e da repetição de leituras duvidosas antes de as dar como definitivas. Interpretar os resultados é compará-los com os valores de referência e concluir se a peça está, ou não, conforme, uma comparação sempre explícita e documentada, nunca uma impressão vaga.

14. Controlo de qualidade, registo e boletim de ensaio

Ferramentas estatísticas de controlo de qualidade

Quando os ensaios se repetem numa linha de produção, as ferramentas estatísticas ajudam a controlar a qualidade ao longo do tempo:

• Cartas de controlo: registam um resultado (espessura, nodularidade) ao longo de sucessivas peças ou corridas, revelando desvios e tendências.
• Análise de Pareto: identifica os tipos de defeito mais frequentes, orientando onde investir esforço de melhoria.
• Planos de amostragem: definem quantas peças de um lote ensaiar, quando não é viável ensaiar 100%.

O boletim de ensaio

O registo e o boletim de ensaio são o produto final do trabalho, sem o qual o ensaio não tem valor formal:

• Identificação: peça, lote, data, operador, equipamento e transdutor usados.
• Procedimento: norma ou procedimento seguido, calibração e blocos padrão usados.
• Resultados: espessuras, indicações detetadas (posição, profundidade, amplitude), nodularidade quando aplicável.
• Conclusão: comparação com o valor de referência e veredicto de conformidade, com a assinatura do responsável técnico.

Elaborar relatórios de ensaio é um critério de desempenho explícito desta UC: um resultado sem boletim é, para efeitos de qualidade, um resultado que não existe.

15. Segurança, resíduos, ambiente e qualidade

O trabalho com aparelhos de ultrassons, acoplantes e peças metálicas pesadas exige cuidados específicos: equipamentos de proteção individual (EPI) adequados à tarefa e à área de fundição (luvas, calçado de proteção, óculos), cuidado com peças quentes ou pesadas típicas do ambiente de fundição, e cabos e ligações elétricas em bom estado, evitando riscos junto de líquidos acoplantes.

Os resíduos de acoplante (óleos, géis) seguem as normas de gestão de resíduos, nunca descartados de forma indiferenciada; a proteção ambiental implica recolha seletiva e encaminhamento correto de consumíveis usados; e as normas da qualidade do laboratório (procedimentos escritos, calibração periódica, registos completos e rastreáveis) garantem que o boletim de ensaio é fiável.

Cumprir as normas de segurança e saúde no trabalho, de proteção individual, de gestão de resíduos, de proteção ambiental e da qualidade é, ele próprio, um critério de desempenho desta UC, não um extra.

Erros comuns

• Saltar a verificação com blocos padrão antes de uma série de ensaios, "porque o aparelho já estava calibrado ontem".
• Escolher sempre a frequência mais alta, sem considerar a espessura da peça a atravessar.
• Ensaiar sobre tinta espessa ou sujidade sem a remover, mascarando um defeito real ou gerando ecos falsos.
• Assumir a espessura nominal do desenho em vez de a medir na peça real antes do ensaio de descontinuidades.
• Varrer depressa demais, perdendo indicações pequenas por falta de sobreposição entre passagens.
• Confundir uma reflexão geométrica conhecida (furo de fixação, canto) com um defeito real.
• Aplicar a curva de calibração de nodularidade de uma liga a outra liga diferente, sem revalidação metalográfica.
• Emitir um boletim sem indicar a norma, o bloco padrão ou o transdutor usados, tornando o resultado não auditável.
• Negligenciar o EPI ou a gestão de resíduos "só para um ensaio rápido".

Glossário

• Ensaio não destrutivo (END): técnica que avalia a integridade de uma peça sem a danificar.
• Pulso-eco: princípio de funcionamento do ultrassom, emissão de um impulso e receção do eco refletido.
• Transdutor: elemento que converte energia elétrica em ultrassom, e o eco de volta em sinal elétrico.
• Acoplante: substância que elimina o ar entre o transdutor e a peça, permitindo a entrada do som.
• Calço: peça de acoplamento angular usada com transdutores angulares.
• Bloco padrão: peça de referência com refletores conhecidos, usada para calibrar e verificar o equipamento.
• Curva DAC: curva de correção distância-amplitude, ajusta o critério de avaliação conforme a profundidade.
• A-scan: representação no ecrã da amplitude do eco em função do tempo (profundidade).
• Zona morta: região junto à superfície onde a deteção é fraca ou nula.
• Phase-Array: transdutor com múltiplos elementos controlados eletronicamente, feixe direcionável.
• Nodularidade: proporção de grafite em forma de nódulos esferoidais num ferro fundido nodular.
• Precisão: grau de repetibilidade de medições sucessivas.
• Exatidão: grau de proximidade do valor medido ao valor real.
• Erro sistemático / erro aleatório: erro que se repete sempre na mesma direção, ou que varia de medição para medição.
• Boletim de ensaio: documento final que regista o ensaio e conclui se a peça está conforme.

Síntese

Um ensaio de ultrassons segue sempre o mesmo fluxo: entender o pulso-eco, escolher o transdutor e o acoplante certos, preparar, configurar e validar o equipamento com blocos padrão, preparar a amostra e verificar as suas dimensões, realizar o ensaio com varrimento sistemático, detetar, dimensionar e localizar descontinuidades, aplicar as competências específicas de medição de espessuras e de nodularidade em ferros fundidos nodulares, saber quando recorrer a métodos alternativos, validar e interpretar resultados face a valores de referência, e emitir o boletim de ensaio, sempre com segurança, gestão de resíduos, proteção ambiental e normas da qualidade cumpridas em cada etapa. Domina este fluxo e és capaz de executar um ensaio de ultrassons fiável e auditável em qualquer peça metálica que um laboratório de fundição receba.

Exercícios resolvidos

1. Um técnico quer ensaiar uma peça de fundição espessa à procura de rechupes internos. Que frequência de transdutor é mais adequada e porquê?

Resolução: uma frequência mais baixa, porque penetra mais fundo, ainda que com menor resolução. Numa peça espessa, uma frequência alta atenuaria demasiado depressa e o eco de fundo poderia nem chegar a ser detetado; a resolução extra da frequência alta só compensaria numa peça fina ou num defeito muito pequeno.

2. O eco de fundo de uma peça está muito mais baixo do que o esperado, sem que se veja nenhum eco intermédio nítido. Isto é, por si só, uma indicação a investigar?

Resolução: sim. Uma queda de amplitude do eco de fundo, mesmo sem eco intermédio visível, é um sinal de atenuação, possivelmente causada por microporosidade dispersa ou por má qualidade do acoplamento. Deve investigar-se repetindo a leitura, confirmando o acoplamento, e comparando com uma zona da peça sem suspeita de defeito.

3. Calcula a profundidade de uma descontinuidade detetada a um tempo de 1,6 µs numa peça de alumínio (velocidade 6320 m/s).

Resolução: profundidade = (6320 × 0,0000016) / 2 = 0,010112 / 2 ≈ 5,06 mm. A descontinuidade localiza-se a cerca de 5 mm da superfície de acoplamento.

4. Um laboratório mede a velocidade ultrassónica numa peça de ferro fundido nodular e obtém, pela sua curva de calibração, uma nodularidade estimada de 74%. A especificação do cliente exige um mínimo de 80%. Que conclusão e que ação tomas?

Resolução: o resultado (74%) está abaixo do mínimo exigido (80%), logo a peça é classificada como não conforme. O boletim de ensaio deve registar o valor medido, a curva de calibração usada e a conclusão de não conformidade, e recomenda-se confirmação por metalografia antes de decidir o destino do lote.

5. Um colega diz que o ultrassom convencional é sempre a melhor escolha para inspecionar qualquer soldadura. Concordas? Justifica.

Resolução: não totalmente. O ultrassom com transdutores angulares é muito eficaz em soldaduras de aço, mas tem limitações: soldaduras de grão grosseiro (como em alguns aços inoxidáveis austeníticos) dispersam muito o som, dificultando a interpretação. Nesses casos, ou quando o resultado é duvidoso, deve considerar-se um método alternativo (radiografia, líquidos penetrantes, partículas magnéticas), conforme a natureza do defeito procurado.