INSPEÇÃO COM CORRENTE PARASITA

Apresentação do Aluno Alexandre Costa Calijorne – na matéria Integridade Estrutural, do programa de

Mestrado em Engenharia Mecânica da PUC-MG – ano 2011 – Professsor Dr. Perrin Smith Neto

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APRESENTAÇÃO

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Os ensaios por correntes parasitas, também conhecidos por correntes de eddy (redemoinho) ou correntes de Foulcault, baseiam-se no principio da indução eletromagnética. Uma “corrente parasita” é uma corrente originada numa massa metálica por indução eletromagnética, o que acontece quando há variação do fluxo magnético que atravessa essa massa metálica (esta corrente é conhecida também por “corrente de Foucault”). Uma forma de isso acontecer é com uma corrente alternada, que produz um fluxo magnético alternado. Origina-se um “redemoinho” ou “turbilhão” de correntes e daí o nome de “eddy”, que tem esse significado.

Michael Faraday - 1842

AplicaçõesAplicações: 1- Detecção de descontinuidades em metais ferrosos e não ferrosos. 2- Medição de condutividade elétrica em metais não-magnéticos. 3- Medição de espessuras de camadas não condutivas sobre metais condutores não-magnéticos. 4- Medição de espessuras de camadas não-magnéticas sobre metais magnéticos. 5- Diferenciação de metais quanto à composição química, dureza, microestrutura, etc.

Aparelho para teste de trilhos – montado em um trolley de inspeção em fibra de carbono - Firma Rohmann - Alemanha

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Aparelho para teste de rodas - Firma Rohmann - Alemanha

Aparelho para teste de superfícies e furos Firma Rohmann - Alemanha

Diferentes formatos de sondas Firma Rohmann - Alemanha

A demanda por soluções completas é uma realidade que vai além da apresentação apenas de uma eletrônica de teste e um sensor específico. Desta forma somos capazes de oferecer soluções personalizadas para cada tipo específico de situação problema, principalmente na área de inspeção de componentes.Muitas destas estações automáticas trabalham na área da Indústria Automobilística e seus respectivos fornecedores de maneira a realizar este ensaio 100%, especialmente em componentes de segurança durante sua produção.Soluções personalizadas podem ser oferecidas para o ensaio de pinos bola, eixo de comando, cubos de roda, discos de freio, tambpres de freio e pistões. Estes sistemas são personalizados e integrados ao processo produtivo em cooperação direta com o cliente. Assim sendo, NOS DESAFIE! Estamos certos que poderemos oferecer a solução otimizada para seu ensaio.

Todo teste prático de eddy current requer:-Uma sonda adequada- Um instrumento com os recursos necessários- Uma boa idéia das dimensões, localização e tipo das falhas que se deseja detectar-Um padrão para ajustar o aparelho de teste e verificar sua correta operação-Um critério de aceitação ou rejeição do objeto testado.-Um operador treinado e habilitado para entender e interpretar os resultados.

Tipos de bobinas

Existem três tipos básicos de bobinas : - de superfície - externas - internas

Em qualquer tipo de bobina, para a máxima detecção, a descontinuidade deverá estar orientada perpendicular à direção do fluxo das correntes parasita e localizada próxima à superfície.

Bobinas de superfície

São usadas para inspecionar áreas planas e geram correntes parasita próximas à superfície da peça testada em um padrão circular , com diâmetro aproximadamente igual ao da bobina. As espiras são freqüentemente enroladas ao redor de um núcleo de ferrita que concentra o fluxo magnético em um volume menor, resultando em distribuições de correntes parasitas mais sensíveis à pequenas descontinuidades.As bobinas são freqüentemente enclausuradas, em unidades de mão, como mostrado na figura. A parte direita da figura 13.3 mostra uma variação de bobinas de superfície projetada para furos abertos, de diâmetro de até 1 mm.Um outro tipo de bobina é a bobina “panqueca”, para “varrer” uma área maior.

Bobina “panqueca”

Bobinas externasou circundantes

São usadas para inspecionar o lado externo de tubos ou barras contra falhas longitudinais, sendo mais sensíveis a falhas paralelas aos fios das espiras. Como indicado na figura abaixo, o comprimento da bobina pode ser ajustado de acordo com a aplicação. Bobinas largas cobrem áreas maiores e são mais sensíveis a efeitos mais grosseiros, enquanto bobinas menores examinam pequenas áreas e são mais sensíveis a pequenas descontinuidades.

Bobinas internas

São similares às bobinas externas, porém são colocadas no interior de objetos ocos. (tubos).São mais sensíveis a descontinuidades longitudinais.

Arranjos de bobinas

Bobina simples – arranjo absoluto : A mesma bobina pé usada para induzir as correntes parasita e para medir as reações às mesmas. O indicador pode ser um voltímetro, um osciloscópio, ou um gravador de sinais. Esse arranjo é chamado de absoluto pois o sinal não é comparado com nenhum padrão de referência.

Bobina dupla – padrão absoluto : Uma bobina estabelece o campo e outra faz a medição. Embora mostradas em separado na figura, a bobina secundária é enrolada dentro da bobina primária, mas não é ligada à fonte de corrente alternada.

Arranjos com bobinas diferenciais:

As bobinas diferenciais conectam as espiras ao redor de dois objetos, em pernas separadas de um circuito ponte, permitindo a comparação entre o objeto testado e um padrão de referência. O arranjo diferencial mostrado ao lado compara a peça ao padrão. Nenhum sinal é obtido se os dois objetos apresentam a mesma impedância Mas se o objeto apresentar falha, um sinal indicará uma anomalia e uma indicação de reprovação será emitida. A figura à direita mostra uma

montagem que compara os lados de uma mesma peça, e indicará se uma falha se desenvolve em um dos lados. Porém se uma falha se repetir em ambos os lados nenhuma indicação será emitida.Muitos outros arranjos são possíveis

Vantagens: 1- Ótima sensibilidade na detecção de descontinuidades superficiais. 2- Aplica-se tanto a materiais ferrosos e não-ferrosos. 3- As indicações são imediatas.4- Não a necessidade de materiais de consumo. 5- O método possibilita elevadas velocidades de inspeção. 6- Não exige uma preparação superficial rigorosa das peças e serem ensaiadas.7- A grande versatilidade do método, permite que o mesmo seja utilizado com sucesso em inúmeras aplicações.

Limitações:1- A profundidade de penetração do ensaio é limitado, e depende da freqüência e do material ensaiado.2 – Apenas materiais condutores podem ser testados3 – O acabamento do material pode causar más leituras.4 – Falhas paralelas à soda podem não ser detectadas5- Mais de uma variável afeta simultaneamente o ensaio. 6- Em algumas aplicações, o investimento inicial torna-se elevado. 7- Em algumas aplicações, as peças a serem ensaiadas precisam ter geometria uniforme.

ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

Funcionamento

A lei de Faraday1 estabelece que um campo magnético que corta um condutor em circuito fechado (ou um condutor que corta um campo magnético) gera uma corrente magnética no condutor. A corrente pode ser induzida no condutor de duas formas.Ou o condutor pode ser movido através das linhas de força magnética, ou a força do campo pode ser ciclicamente variada, num condutor estacionário. Este último método é o empregado no ensaio não destrutivo de correntes parasitas, quando um campo magnético alternado gerado por uma bobina de testes é trazido para perto do objeto inspecionado.

1 - Michael Faraday (Newington, Surrey, 22 de setembro de 1791 — Hampton Court, 25 de agosto de 1867) foi um físico e químico inglês, sendo considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos.[1] Suas contribuições mais importantes e seus trabalhos mais conhecidos foram nos intimamente conectados fenômenos da eletricidade e do magnetismo, mas ele também fez contribuições muito importantes em química.

Note na figura acima, que a corrente alternada na bobina gera correntes parasita na superfície da peça. Essas correntes geram um campo magnético secundário, oposto ao campo magnético original na bobina, alterando a impedância da bobina, que altera a sua corrente elétrica, o que é detectado no circuito da bobina. Tudo que altera as correntes parasita (trincas, porosidades, inclusões) irá modificar o campo magnético secundário e será percebido como uma mudança de impedância na bobina de teste.

Em outras palavras, a bobina produz um campo magnético alternado que induz correntes parasita na massa metálica da peça sob teste. Por sua vez, estas correntes parasitas influenciam uma grandeza elétrica da bobina chamada impedância. Se existir uma fissura na peça, a corrente parasita produzida terá um valor diferente de uma massa metálica em boa condição e, por isso, também afeta de maneira diferente a impedância do circuito indutor, o que será detectado como a existência de uma massa anormal. Com um aparelho adequado é possível detectar fissuras da ordem de grandeza de um décimo de milímetro.Variações nas características do material sendo ensaiado, tais como composição química, dureza, espessura de camadas endurecidas, condição do tratamento térmico, descontinuidade, geometria, dimensões, etc., produzem uma mudança do fluxo de correntes parasitas, e como conseqüência, uma variação do campo secundário (HS), do campo resultante (HP – HS) e da impedância e da tensão induzida da bobina, ao ser processada, pode ser mostrada num instrumento analógico ou digital, num aparelho com tubo de raios catódicos, num registrador gráfico,etc.

A densidade da corrente redemoinho é a mais alta perto da superfície da peça, então é essa região com maior resolução de teste. A penetração padrão é definida como a profundidade na qual densidade de corrente parasita é 37% de seu valor na superfície, que por sua vez pode ser calculada a partir da freqüência da corrente alternada, da permeabilidade magnética e da condutividade do material testado. Então, variações na permeabilidade magnética, na condutividade do material, na freqüência da corrente e na geometria das espiras irão ter o seu efeito na sensibilidade do teste, na resolução e penetração.

Condutividade elétrica : Correntes parasita percorrendo materiais com valores mais alto de condutividade serão mais sensíveis aos defeitos de superfície, mas terão menos penetração no material.A condutividade varia com a temperatura, com a composição química do material, tratamento térmico e estrutura resultante, dureza, tensões residuais e descontinuidades no metal.Variações nesses parâmetros podem ser monitorados pelo teste de eddy current, dada a sua influência sobre a condutividade do material testado.

Variáveis

Em geral, durante o teste, a freqüência da corrente alternada é ajustada cada tipo de material, como por exemplo, as faixas de ajuste apresentadas em um aparelho da marca CRT Instruments,:500 kHz para alumínio e aço carbono2 Mhz para detectar pequenas trincas em alumínio, aço inox e aço carbono6 MHz para ligas de baixa condutividade, titânio, etc.

Frequency - choice of three operating frequencies:500kHz for Aluminium and carbon steel,2 MHz for small cracks in Al + Stainless & carbon steels,6 MHz for low conductivity Alloys, Titanium etc

A tabela acima mostra de ligas de alumínio que apesar de terem a mesma composição, apresentam diferentes condutividades , devido aos diferentes tratamentos térmicos que receberam, com seus subseqüente efeitos em sua micro estrutura e sua resistência à tração.

Condutividade elétrica : Correntes parasita percorrendo materiais com valores mais alto de condutividade serão mais sensíveis aos defeitos de superfície, mas terão menos penetração no material.A condutividade varia com a temperatura, com a composição química do material, tratamento térmico e estrutura resultante, dureza, tensões residuais e descontinuidades no metal.Variações nesses parâmetros podem ser monitorados pelo teste de eddy current, dada a sua influência sobre a condutividade do material testado.

Variáveis no teste

Em geral, durante o teste, a freqüência da corrente alternada é ajustada cada tipo de material, como por exemplo, as faixas de ajuste apresentadas em um aparelho da marca CRT Instruments,:500 kHz para alumínio e aço carbon2 Mhz para detectar pequenas trincas em alumínio, aço inox e aço carbono6 MHz para ligas de baixa condutividade, titânio, etc.

Frequency - choice of three operating frequencies:500kHz for Aluminium and carbon steel,2 MHz for small cracks in Al + Stainless & carbon steels,6 MHz for low conductivity Alloys, Titanium etc

Permeabilidade Magnética: A permeabilidade magnética tem importante efeito no teste de corrente parasita. Essa propriedade mede a facilidade com a qual um fluxo magnético pode ser estabelecido no material testado ou o grau de magnetização que o corpo adquire ao ser submetido a um campo magnético. A permeabilidade é definida pela equação μ = B/H, onde B = intensidade do campo magnético e H = força magnética no materialA permeabilidade magnética é 1 para materiais não ferrosos não magnéticos como cobre, alumínio e etc. para aços austeníticos inoxidáveis, e centenas de vezes maior que 1 para materiais ferromagnéticos e o campo magnético induzido B é muito intensificado no objeto testado para uma dada força magnética H.Esse fato cria um problema potencial para o teste, especialmente em materiais magnéticos, pois variações na intensidade do campo podem encobrir variações na impedância da bobina causadas por outros fatores de particular interesse.A solução é saturar de magnetismo o objeto testado , reduzindo a sua permeabilidade efetiva, para que pequenas mudanças no fluxo magnético não causem grandes mudanças nas Correntes parasita que possam mascarar os outros fenômenos mais interessantes.As variações de permeabilidade geram “ruído” no teste, que pode reduzir a resolução das falhas, devido a maiores oscilações de fundo.

Fator variação de distância (lift-off factor) : As indicações do teste são muito sensíveis à distância entre a bobina e o objeto testado, com a densidade das correntes parasita geradas decrescendo rapidamente quando a bobina é afastada do objeto.É importante manter distancia constante entre a sonda e a superfície testada, pois variações de distância mascaram mudanças geradas por outras fontes de maior interesse.Embora esse requisito complique os testes para peças de geometria complexa, o fenômeno de sobe-desce é explorado para medir espessura de revestimentos não condutivos sobre superfícies de metal, como por exemplo a pintura.

Fator enchimento: Para o caso de teste de peças cilíndricas testadas dentro de uma bobina circundante, o fator sobe-desce é substituído pelo fator de enchimento, que é a fração da área da bobina de inspeção preenchida pela peça testada. Nench = (D/d)2 (D = diâmetro externo e d = diâmetro interno)Alternativamente, a bobina pode estar dentro da peça cilíndrica, para exame de suas peças internas. Então o fator de enchimento dependerá de quando a área interna da peça é preenchida. Nos dois casos, é importante manter o fator de enchimento constante e tão alto quanto possível. A bobina deve ser mantida centrada.Assim como o fator de variação de distância, os resultados do teste não destrutivo são fortemente afetados pelo fator de enchimento, mas também aqui, esse efeito magnético é utilizado para medir o diâmetro externo de fios circulares com bobinas externas ou o diâmetro interno de tubos com bobinas internas.

Efeito de borda : O efeito de borda trata da distorção das correntes parasita que ocorre quando a bobina de teste se aproxima de uma borda livre ou de uma junção entre materiais. As grandes variações surgidas das correntes nessas locações pode mascarar outras variações causadas por outras anomalias.Embora o uso de bobinas com fios de pequeno diâmetro possam amenizar as distorções, o efeito de borda não pode ser completamente eliminado.Em geral um objeto não pode ser inspecionado em região cuja distância à borda seja menor que 1/8” embora esse limite dependa das dimensões da bobina e da freqüência de teste.

Profundidade: A figura mostra a força das correntes parasita versus a profundidade de penetração. Como mostrado, as corrente parasita são mais fortes na superfície do objeto e rapidamente decaem abaixo da superfície.Essa profundidade limitada de penetração é comumente conhecida como “skin effect” (efeito de pele) e resulta do campo magnético secundário criado pelas correntes parasita. O campo secundário se opõe ao campo primário na bobina de teste, e por sua vez reduzindo a formação das próprias correntes parasita na peça.Então, fatores que aumentam a corrente parasita original também aumentam o campo secundário oposto. Limitando a profundidade de penetração na peça testada. A profundidade padrão de penetração do teste δ é definida como a profundidade na qual a densidade da corrente parasita decai para 37% em relação ao seu valor na superfície.A profundidade padrão é dada pela fórmula : δ = (π.σ.μ.ƒ)-1/2 ondeΣ = condutividade do objeto testado (mhos) ƒ = frequencia de inspeção [Hz]Μ = permeabilidade magnética

A figura acima mostra padrões de profundidade de penetração como função da freqüência de inspeção para diversos materiais, com diferentes condutividades e permeabilidades magnéticas.Note que a profundidade da penetração δ decai com o aumento da freqüência e da condutividade, levando a maior penetração em materiais menos condutivos.A profundidade de penetração é menor em materiais ferro magnéticos. Como previamente mencionado, materiais ferromagnéticos são usualmente saturados com uma bobina separada em CC, para minimizar as variações de campo magnético.Existe um fator para de espessura para o teste não destrutivo de corrente parasita.As medidas com corrente parasita são mais precisas para peças delgadas que para peças grossas, o que torna o teste com correntes de Foulcaut um complemento para os testes de ultra som, onde os testes de espessura são mais precisos para objetos grossos.

Outros fatores: A corrente na bobina e a temperatura também influenciam a formação das correntes parasita. Ao aumentar a corrente na bobina, aumenta-se o campo magnético e assim as correntes parasita são intensificadas na peça em estudo. Enquanto a condutividade decresce com o aumento da temperatura as correntes parasita irão então decrescer com elas.A sensibilidade à variações de temperatura deverá ser tida em mente quando se emprega bobinas diferenciais, quando se comprar o objeto testado com algum padrão. (as temperaturas devem ser as mesmas – na peça e no padrão, para produzir os mesmos resultados.