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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
João Carlos Matarezi
APLICAÇÃO DO ENSAIO DE EDDY CURRENT PHASED ARRAY EM COMPONENTES AEROESPACIAIS
Taubaté – SP
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João Carlos Matarezi
APLICAÇÃO DO ENSAIO DE EDDY CURRENT PHASED ARRAY EM COMPONENTES AEROESPACIAIS Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Produção Mecânica. Orientador: Prof. Dr. José Rubens de Camargo.
Taubaté – SP
JOÃO CARLOS MATAREZI
APLICAÇÃO DO ENSAIO DE EDDY CURRENT PHASED ARRAY EM
COMPONENTES AEROESPACIAIS
Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo curso de Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté. Área de Concentração: Produção Mecânica .
Data: _________________
Resultado: _________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Rubens de Camargo Universidade de Taubaté
Assinatura _______________________________________________
Prof. Dr. Gilberto Walter Arenas Miranda Universidade de Taubaté
Assinatura _______________________________________________
Prof. Dr. Sergio Rebello Ferreira DCTA/IFI
Assinatura _______________________________________________
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, que sempre me municia de forças para me manter firme nos meus propósitos. Ao meu orientador, Prof. Dr. José Rubens de Camargo, pelo apoio e dedicação na orientação. Seu conhecimento e a sua experiência foram fundamentais para a conclusão deste trabalho. À Universidade de Taubaté, pelo alto nível do curso e dos professores. Ao Instituto de Fomento e Coordenação Industrial – IFI, que me ofereceu todas as condições para a realização do mestrado. À Agência Espacial Brasileira – AEB, por apoiar financeiramente a realização do curso. À Ligia, pela ajuda e carinho, ao Eduardo Mineiro, Eng. Antonio Carlos, José Maria Cavalcanti e todos que me apoiaram na realização deste trabalho.
“A educação faz com que as pessoas sejam fáceis de guiar, mas difíceis de arrastar, fáceis de governar, mas impossíveis de escravizar” Henry Peter
ABSTRACT
In the area of nondestructive testing, eddy current testing is an electromagnetic technique widely used in aerospace, nuclear and petrochemical industries. This test detects surface and subsurface discontinuities, preventing accidents. Phased array technique has emerged to fill in the gaps, as the enormous time spent implementing the test of large parts or complex geometry and lack of trial registration. This technique, already widely used in others countries, is not used in Brazil, there is no studies proving the economic viability, levels of detectability of discontinuities and reliability of the results. This study aims to compare the conventional technique by eddy current testing with phased array technique, in particular materials and parts used in aeronautics and space sector. Samples of materials and parts were prepared, so that could be applied both techniques and compared the results. A literature survey of the main standards and specifications for this segment was conducted to verify the compatibility of the methods. To meet the objective of this work, seven experiments were performed, varying the material and techniques. After the tests, there was a significant time reduction with the use of phased array technique, costs reduction and increased detectability of discontinuities. Based on the results, it can be said that phased array technique can be used in this segment, with advantages over the conventional technique. Keywords: Eddy current. Nondestructive testings. Aerospace.
LISTA DE FIGURAS
Mol Quantidade de matéria NASA National Aeronautics and Space Administration NBR POD R SI TO VLS VSB XL ZTA m Norma Brasileira Probability of detection Resistência elétrica Sistema Internacional de Unidades Technical Order Veículo Lançador de Satélite Veículo de sondagem Booster Reatância indutiva Zona termicamente afetada Metro kg Quilograma A Ampere ºC K B H Z ρ Graus Celsius Kelvin Indução magnética Intensidade do campo magnético Impedância Resistividade Ω Ohm Hz Hertz σ δ f μ Sigma Profundidade Frequência Permeabilidade magnética
SUMÁRIO
- Figura 1- Correntes parasitas produzidas por uma bobina superficial.....................
- Figura 2- Sentido das descontinuidades detectadas pelo ensaio..............................
- Figura 3- Circuito elétrico........................................................................................
- Figura 4- Plotagem da voltagem (CA) e corrente....................................................
- Figura 5- Relação entre a resistência, reatância e impedância.................................
- Figura 6- Blocos de referência.................................................................................
- Figura 7- Relação da condutividade elétrica com a profundidade de penetração....
- Figura 8- Curvas de magnetização...........................................................................
- penetração................................................................................................. Figura 9- Relação da permeabilidade magnética com a profundidade de
- penetração................................................................................................. Figura 10- Comparação da distância sonda peça com a profundidade de
- Figura 11- Efeito lift off no diagrama do plano de impedância.................................
- Figura 12- Profundidade de penetração padrão.........................................................
- Figura 13- Tipos de sondas superficiais.....................................................................
- Figura 14- Bobina de superfície.................................................................................
- Figura 15- Bobina interna..........................................................................................
- Figura 16- Bobina externa..........................................................................................
- Figura 17- Bobinas simples absoluta e diferencial....................................................
- Figura 18- Bobina dupla absoluta..............................................................................
- Figura 19- Bobina dupla diferencial..........................................................................
- Figura 20- Bobina dupla diferencial e padrão............................................................
- Figura 21- Relação da frequência com a profundidade de penetração......................
- Figura 22- Funções dos equipamentos de correntes parasitas...................................
- Figura 23- Circuito ponte com resistência e reatância variáveis...............................
- Figura 24- Padrão de calibração – bloco de referência..............................................
- Figura 25- Representação das curvas na tela do equipamento...................................
- Figura 26- Respostas de trincas de diferentes profundidades....................................
- Figura 27- Tipos de inclusões....................................................................................
- Figura 28- Trinca localizada na ZTA.........................................................................
- Figura 29- Tipos de porosidade.................................................................................
- Figura 30- Imagem de varredura típica de corrosão..................................................
- Figura 31- Corrosão ao pitting
- Figura 32- Comparação da varredura convencional e por phased array
- Figura 33- Efeito do multiplexador............................................................................
- Figura 34- Sonda com o efeito multiplexador...........................................................
- Figura 35 Padrão de alumínio, utilizado para calibração do equipamento...............
- Figura 36- Parte inferior do padrão, com as trincas a partir dos rebites....................
- Figura 37- Sonda convencional simples e sonda phased array múltipla...................
- Figura 38- Equipamento digital de correntes parasitas..............................................
- Figura 39- Equipamento com a imagem das indicações de corrosões.......................
- Figura 40- Imagem C Scan
- Figura 41- Sonda flexível array
- Figura 42- Sonda para detecção de corrosão.............................................................
- Figura 43- Sonda rotativa automática para furos.......................................................
- Figura 44- Fluxograma das etapas de ensaio.............................................................
- Figura 45- Fuselagem de aeronave............................................................................
- Figura 46- Detecção de corrosão pela técnica convencional.....................................
- Figura 47- Detecção de corrosão pela técnica phased array
- Figura 48- Amostra de grafite do foguete..................................................................
- Figura 49- Ensaio por phased array da amostra de grafite........................................
- Figura 50- Adaptador do motor aeronáutico Lycoming............................................
- Figura 51- Trincas detectadas pelo ensaio por líquido penetrante.............................
- Figura 52- Calibração do equipamento com a utilização do padrão..........................
- Figura 53- Ensaio por phased array no adaptador.....................................................
- Figura 54- Ensaio do adaptador, com a representação das trincas na tela.................
- Figura 55- Registro da representação da imagem das trincas....................................
- Figura 56- Garfo do trem de pouso da aeronave Xavante.........................................
- Figura 57- Utilização da sonda rotativa no ensaio de furos.......................................
- Figura 58- Localização das trincas no furo do trem de pouso...................................
- Figura 59- Ensaio phased array no garfo do trem de pouso......................................
- Figura 60- Furos de fixação do trem de pouso...........................................................
- Figura 61- Resultado da representação das trincas na tela do equipamento.............
- Figura 62- Empena vertical da aeronave Xavante.....................................................
- Figura 63- Equipamento, sonda e padrão no ensaio da empena vertical...................
- Figura 64- Sonda array com encoder , utilizada para o ensaio..................................
- Figura 65- Equipamento phased array com a indicação dos rebites.........................
- Figura 66- Empena do foguete VSB 30.....................................................................
- Figura 67- Ensaio convencional na empena do foguete, com as trincas....................
- Figura 68- Ensaio phased array na empena do foguete.............................................
- Figura 69- Processo de solda por junção...................................................................
- Figura 70- Solda por junção (FSW)...........................................................................
- Figura 71- Corpo de prova FSW com as descontinuidades.............
- Figura 72- Indicação das descontinuidades na tela do equipamento.........................
- Tabela 1 Resistividade e condutividade dos metais e ligas.............................. LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 Classificação dos valores da frequência............................................
- Tabela 3 Valores da frequência em função dos tipos de materiais...................
- Tabela 4 Materiais e ligas dos corpos de prova................................................
- Tabela 5 Composição química e tratamento térmico.......................................
- Tabela 6 Corpos de prova ensaiados................................................................
- 1 INTRODUÇÃO...........................................................................................
- 1.1 Justificativa..................................................................................................
- 1.2 Objetivos......................................................................................................
- 1.3 Estrutura do trabalho....................................................................................
- 2 REVISÃO DA LITERATURA....................................................................
- 2.1 Ensaios não-destrutivos................................................................................
- 2.1.1 Ensaios mais comuns...................................................................................
- 2.1.2 Qualificação de pessoal na área de END
- 2.2 Ensaio por correntes parasitas.....................................................................
- 2.2.1 Histórico......................................................................................................
- 2.2.2 Fundamento do método................................................................................
- 2.2.2.1 Vantagens do método
- 2.2.2.2 Limitações do método..................................................................................
- 2.2.3 Variáveis principais do ensaio.....................................................................
- 2.2.3.1 Indução.........................................................................................................
- 2.2.3.2 Impedância...................................................................................................
- 2.2.3.3 Condutividade elétrica.................................................................................
- 2.2.3.3.1 Padrões de condutividade............................................................................
- 2.2.3.3.2 Fatores que afetam a condutividade............................................................
- 2.2.3.3.3 Efeito da condutividade nas correntes parasitas..........................................
- 2.2.3.4 Permeabilidade magnética...........................................................................
- 2.2.3.5 Acoplamento magnético..............................................................................
- 2.2.3.5.1 Efeito sonda peça - lift off
- 2.2.3.5.2 Fator de enchimento – fill factor
- 2.2.3.5.3 Efeito de borda – edge effect
- 2.2.3.5.4 Efeito pelicular – skin effect
- 2.2.4 Tipos de sondas e bobinas............................................................................
- 2.2.4.1 Classificação das sondas..............................................................................
- 2.2.4.2 Bobinas.........................................................................................................
- 2.2.4.3 Arranjo das bobinas......................................................................................
- 2.2.5 Seleção da frequência do ensaio...................................................................
- 2.2.6 Instrumentação.............................................................................................
- 2.2.7 Aplicações do ensaio....................................................................................
- 2.2.7.1 Medição de condutividade............................................................................
- 2.2.7.2 Medição de espessura de camadas...............................................................
- 2.2.7.3 Medição de espessura de materiais não-condutores.....................................
- 2.2.7.4 Diferenciação de materiais...........................................................................
- 2.2.7.5 Detecção de descontinuidades......................................................................
- 2.2.7.6 Dureza
- 2.2.8 Calibração.....................................................................................................
- 2.2.8.1 Padrões..........................................................................................................
- 2.2.8.2 Considerações sobre os padrões...................................................................
- 2.2.9 Prática do ensaio convencional.....................................................................
- 2.2.10 Segurança......................................................................................................
- 2.2.11 Descontinuidades detectáveis pelo ensaio....................................................
- 2.2.11.1 Aparência das descontinuidades...................................................................
- 2.2.11.2 Tipos de descontinuidades detectáveis pelo ensaio......................................
- 2.2.12 Aplicações do ensaio em aeronaves.............................................................
- 2.2.12.1 Ensaios em estruturas de aeronaves..............................................................
- 2.2.12.2 Ensaios em componentes de motores aeronáuticos......................................
- 2.3 Técnica por phased array
- 2.3.1 Efeito do multiplexador................................................................................
- 2.3.2 Utilização de padrões....................................................................................
- 2.3.3 Vantagens da técnica por phased array
- 2.3.4 Equipamentos...............................................................................................
- 2.3.5 Imagem C Scan
- 2.3.6 Tipos de sondas............................................................................................
- 2.3.7 Probabilidade de detecção de descontinuidades...........................................
- 2.3.8 Registros.......................................................................................................
- 3 PROPOSIÇÃO.............................................................................................
- 3.1 Análise de custo e viabilidade econômica do ensaio....................................
- 4 MATERIAIS E MÉTODOS.........................................................................
- 4.1 Planejamento experimental...........................................................................
- 4.2 Materiais......................................................................................................
- 4.3 Corpos de prova...........................................................................................
- 4.3.1 Descrição das peças e materiais...................................................................
- 4.3.2 Descontinuidades artificiais.........................................................................
- 4.4 Métodos.......................................................................................................
- 4.4.1 Técnica convencional...................................................................................
- 4.4.2 Técnica por phased array
- 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................
- 5.1 Experiência 1 – Fuselagem de aeronave......................................................
- 5.1.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.1.2 Técnica por phased array
- 5.1.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.2 Experiência 2 – Amostra de grafite da tubeira do VLS...............................
- 5.2.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.2.2 Técnica por phased array
- 5.2.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.3 Experiência 3 – Adaptador do motor aeronáutico Lycoming......................
- 5.3.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.3.2 Técnica por phased array
- 5.3.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.4 Experiência 4 – Garfo do trem de pouso......................................................
- 5.4.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.4.2 Técnica por phased array
- 5.4.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.5 Experiência 5 – Empena vertical da aeronave Xavante...............................
- 5.5.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.5.2 Técnica por phased array
- 5.5.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.6 Experiência 6 – Empena do foguete VSB 30...............................................
- 5.6.1 Técnica convencional...................................................................................
- 5.6.2 Técnica por phased array
- 5.6.3 Comparação das técnicas.............................................................................
- 5.7 Experiência 7 – Solda por junção...................................................................
- 5.7.1 Técnica convencional.....................................................................................
- 5.7.2 Técnica por phased array
- 5.7.3 Comparação das técnicas...............................................................................
- 5.8 Resultados......................................................................................................
- 5.8.1 Técnica convencional.....................................................................................
- 5.8.2 Técnica por phased array...............................................................................
- 6 CONCLUSÕES..............................................................................................
- REFERÊNCIAS.............................................................................................
