PT1830185E - Processo para a inspecção por ultra-sons de uma peça a mecanizar, numa zona curva da sua superfície e dispositivo de ensaio adequado para a realização do processo - Google Patents

Processo para a inspecção por ultra-sons de uma peça a mecanizar, numa zona curva da sua superfície e dispositivo de ensaio adequado para a realização do processo Download PDF

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Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA A INSPECÇÃO POR ULTRA-SONS DE UMA PEÇA A MECANIZAR, NUMA ZONA CURVA DA SUA SUPERFÍCIE E DISPOSITIVO DE ENSAIO ADEQUADO PARA A REALIZAÇÃO DO PROCESSO" A invenção refere-se a um processo para a inspecção por ultra-sons de uma peça a mecanizar, numa zona curva da sua superfície, em especial de uma peça a mecanizar de um material compósito reforçado por fibras. Além disso, a invenção refere-se a um dispositivo de ensaio adequado para a realização do processo.
Em especial as peças a mecanizar que são fabricadas de materiais compósitos reforçados por fibras, como por exemplo materiais sintéticos reforçados por fibras de vidro ou reforçados por fibras de carbono (GFK ou CFK), podem apresentar uma elevada porosidade ou separações interlaminares, condicionadas pelo processo de fabrico respectivamente escolhido. Isto representa um problema considerável, em especial no caso de componentes sujeitos a elevadas solicitações mecânicas e relevantes para a segurança. A partir de Gundtoft, Hans Erik, "Quantitative material characterisation of composites by ultrasonic scanning", 15a Conferência da WCNDT Conference, Roma, 2000, publicado na Internet sob o endereço www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn531/idn531.htm, é conhecido um processo para a detecção da porosidade de um material compósito reforçado por fibras, no qual é acoplado ao 1 componente um sinal ultra-sónico, que detecta a amplitude do sinal de eco de superfície limite e compara-a com os sinais correspondentes de um componente intacto. Uma amplitude mais baixa do sinal de eco de superfície limite do sinal ultra-sónico é, neste caso, um indício da presença de pontos porosos no interior do componente. A partir de Shark L.-K., Yu, C., "Automatic estimation of ultrasonic attenuation for porosity evaluation in composite material", 15a Conferência da WCNDT, Roma, 2000, é conhecido, além disso, que se corrige o sinal de eco de superfície limite com uma chamada análise Wavelet, sendo que para a avaliação da porosidade é utilizada a relação entre a amplitude do sinal de entrada de eco e a amplitude do sinal corrigido de eco de superfície limite.
Os processos conhecidos pressupõem, no entanto, que os componentes a ensaiar apresentem uma superfície plana e uma parede posterior paralela àquela, no essencial, para receber um eco de superfície limite que possa ser avaliado. No entanto, representa um problema, especial, em particular, o ensaio automatizado de componentes em zonas não planas, especialmente susceptíveis de defeitos condicionados pela técnica de fabrico, por exemplo em zonas radiais curvas ou em zonas nas quais o componente está reforçado por tirantes. Para obter resultados fiáveis de ensaios também nestas zonas, é necessário, tal como antes, realizar uma inspecção manual com apalpadores individuais de oscilação. A partir dos documentos EP-1398627 A2 e US 2004/0016299 AI são conhecidos dispositivos de ensaio para a inspecção por ultra-sons de componentes com superfícies curvas, nos quais são 2 utilizados apalpadores ultra-sónicos, que são constituídos por uma pluralidade de elementos transdutores, colocados ao lado uns dos outros e que podem ser controlados individualmente.
Cabe agora à invenção o objectivo de indicar um processo para a inspecção por ultra-sons de uma peça a mecanizar, numa zona curva da sua superfície, em especial de uma peça a mecanizar de um material compósito reforçado por fibras, com o qual é possível uma considerável automatização da inspecção, com elevada qualidade de ensaio. Além disso, cabe à invenção o objectivo de indicar um dispositivo de ensaio adequado para a realização do processo.
Em relação ao processo, o referido objectivo de acordo com a invenção é resolvido com um processo com as características da reivindicação 1. De acordo com estas características, é acoplado acusticamente à peça a mecanizar, numa zona curva da sua superfície, um apalpador ultra-sónico, que contém um dispositivo transdutor ultra-sónico, montado a partir de uma pluralidade de elementos transdutores, colocados ao lado uns dos outros e que podem ser controlados individualmente, sendo que, em ciclos de ensaios consecutivos no tempo, respectivamente, são reunidos elementos transdutores num certo número para formar um grupo e, numa pluralidade de fases de ensaio dentro deste ciclo de ensaios, são controlados reciprocamente de modo temporizado, de maneira que o raio ultra-sónico emitido neste ciclo de ensaios oscila numa zona angular definida previamente, de modo que para cada grupo são recebidos sinais de eco, em número correspondente ao número das fases de ensaio, a partir de diferentes direcções da peça a mecanizar. Para a avaliação são utilizados os sinais de eco das fases de ensaio nas quais é máximo um sinal de eco de superfície limite, recebido por uma parede posterior da peça a 3 mecanizar ou um sinal de eco de entrada, recebido pela superfície da peça a mecanizar.
Uma vez que podem ser analisados sinais de eco de diferentes direcções da peça a mecanizar, é melhorada a avaliação qualitativa da peça a mecanizar, por exemplo, em relação à sua porosidade ou em relação à presença de separações interlaminares.
Numa configuração preferida do processo é utilizado um dispositivo transdutor ultra-sónico, com uma superfície curva de emissão e recepção adaptada à curvatura da superfície.
Quando o acoplamento acústico se verifica através de um trajecto de avanço na água, é possível acoplar à peça a mecanizar, com poucas perdas, o ultra-som produzido pelo dispositivo transdutor ultra-sónico, mesmo com superfícies não planas irregulares.
Numa configuração preferida do processo é alterada a distância do apalpador ultra-sónico à superfície. Deste modo é possível limitar a zona angular necessária e, consequentemente, o número das fases de ensaio necessárias em cada ciclo de ensaios, a uma dimensão necessária para encontrar o máximo eco de superfície limite.
Em relação ao dispositivo de ensaio, o referido objectivo de acordo com a invenção é resolvido com um dispositivo de ensaio com as características da reivindicação 5, cujas vantagens correspondem, respectivamente, às vantagens indicadas em relação às reivindicações do processo respectivo. Algumas configurações vantajosas deste dispositivo de ensaio são indicadas nas reivindicações dependentes. 4
Para melhor explicação da invenção remete-se para o exemplo de realização do desenho. Mostram:
Fig. 1 - 3 respectivamente, uma peça a mecanizar constituída por um material compósito reforçado por fibras, numa zona curva da sua superfície, numa representação esquemática em corte, Fig. 4 a peça a mecanizar de acordo com a fig. 2 com um dispositivo de ensaio representado esquematicamente, situado na zona radial, Fig. 5 um dispositivo de ensaio numa posição situada sobre uma peça a mecanizar, numa representação esquemática em corte, Fig. 6 um diagrama simplificado, esquematizado grosseiramente, no qual estão representados os sinais S de eco recebidos pelo dispositivo transdutor ultra-sónico, em diversas fases de ensaio dentro de um ciclo de ensaios, contra-o tempo t de execução.
De acordo com a fig. 1, uma peça 2 a mecanizar constituída por um material compósito reforçado por fibras é, por exemplo, um componente de CFK constituído por várias camadas 4 de fibras, que estão laminadas umas sobre as outras. A peça 2 a mecanizar apresenta uma zona de superfície curva, sendo que no exemplo representado está representada uma situação ideal, na qual o centro Ml de curvatura do raio da superfície 6 interior côncava coincide com o centro M2 de curvatura do raio da superfície 8 5 exterior côncava, de modo que nesta zona um raio ultra-sónico acoplado perpendicularmente na superfície 8 exterior incide também perpendicularmente sobre a superfície 6 interior - a parede posterior.
Mas uma tal situação ideal, na prática, em regra não se consegue atingir. A fig. 2 mostra agora uma situação, como se pode observar frequentemente, na qual a superfície 6 interior e a superfície 8 exterior apresentam zonas radiais que já não estão concêntricas entre si, de modo que um raio ultra-sónico acoplado perpendicularmente na superfície 8 exterior forçosamente já não incide também perpendicularmente sobre a superfície 6 interior.
Uma outra situação, na prática igualmente·frequente de encontrar, está ilustrada na fig. 3. Ali a zona curva forma uma zona de transição entre duas zonas da peça 2 a mecanizar, que apresentam diferentes espessuras di e d2.
De acordo com a fig. 4, um dispositivo de ensaio de acordo com a invenção está montado sobre a zona curva da superfície da peça 2 a mecanizar representada na fig. 2. Contém um apalpador 10 ultra-sónico, que está centrado sobre a peça 2 a mecanizar, de modo que o seu eixo 11 médio intersecta o centro M2 do raio da superfície 8 exterior. No apalpador 10 ultra-sónico está colocado um dispositivo 12 transdutor ultra-sónico, cuja superfície 14 de emissão e recepção apresenta um raio de curvatura adaptado ao raio de curvatura da superfície exterior e, neste exemplo, está curvado de forma côncava. No caso ideal este raio de curvatura, bem como a distância da superfície 14 de emissão e recepção é ajustado à superfície 8 exterior, com o apalpador 10 ultra-sónico posicionado correctamente, de maneira que o seu centro do raio 6 coincide com o centro M2 do raio de curvatura da superfície 8 exterior. 0 apalpador 10 ultra-sónico está colocado numa câmara 16 de água, de modo que entre a superfície 14 de emissão e recepção e a superfície 8 exterior se encontra um trajecto de avanço cheio de água. Os rebordos 18 estanques no bordo da câmara 16 de água providenciam para que o necessário débito de entrada de água na câmara 16 de água para a manutenção do trajecto de avanço na água seja o mais reduzido possível.
De acordo com a fig. 5, o dispositivo 12 transdutor ultra-sónico contém uma pluralidade N, por exemplo N = 32, de elementos 20i, 2O2 . . · 20N transdutores piezoeléctricos, colocados ao lado uns dos outros, que estão situados ao longo de uma linha curva côncava num alojamento 22 (matriz de transdutor linear curvo) . No seu lado de emissão e recepção está colocada uma camada·24 de adaptação λ/4, que serve para uma adaptação acústica entre o material transdutor dos elementos 20i-20N transdutores e o meio de acoplamento que serve como trajecto de avanço na água, no exemplo de realização, água. No seu lado posterior oposto ao lado de emissão e recepção, os elementos 20i-20n transdutores confinam com um corpo 26 de amortecimento, colocado no alojamento 22.
Os elementos 20i-20n transdutores podem ser controlados independentemente uns dos outros. Neste caso podem ser reunidos, respectivamente, elementos 20i-20n transdutores, num número n, de um modo preferido dois a quatro elementos 20i-20n transdutores adjacentes uns aos outros, num ciclo de ensaios, para formar um grupo. No exemplo de realização é ilustrada uma situação, na qual dois elementos 20i e 20i+i transdutores adjacentes num tal ciclo 7 de ensaios são reunidos para formar um grupo. Neste ciclo de ensaios os elementos 20i e 20i+i transdutores, respectivamente, são controlados reciprocamente de modo temporizado, numa pluralidade de fases de ensaio, com diferentes tempos de retardamento, de modo que o raio ultra-sónico emitido por eles pode oscilar numa zona oíi, c*2 angular.
Na figura 5 está assinalada agora uma situação na qual, para o caso de a temporização (diferença de tempo) At entre os elementos 20± e 20i+i transdutores ser igual a zero, o raio 30a ultra-sónico emitido perpendicularmente à superfície 14 de emissão e recepção pelos dois elementos 20i e 20i+i transdutores incide de facto perpendicularmente sobre a superfície 8 exterior da peça 2 a mecanizar, mas já não perpendicularmente sobre a sua superfície 6 interior e, assim, é reflectida em obliquângulo por esta superfície 6 interior, de modo que o respectivo eco de superfície limite não é recebido pelos dois elementos 20i e 20i+i transdutores ou é-o apenas com uma potência de sinal reduzida. Através de temporização do comando dos elementos 20i e 20i+i individuais, o ângulo α do raio é agora variado sucessivamente, em passos de por exemplo 2o em ambas as direcções e os respectivos sinais de eco são recebidos, respectivamente. A zona oíi, oí2 angular alcança, neste caso, aproximadamente 20° (por exemplo, simetricamente em torno de α = 00 com oíi = oç = 10°), de modo que dentro do ciclo 11 de ensaios se verificam fases de ensaio. Na figura pode-se reconhecer agora que, com um ângulo oç de raio resulta, pelo menos aproximadamente, uma situação na qual o raio 30b ultra-sónico emitido na fase s de ensaio e que se propaga num ângulo as em relação à normal da superfície 14 de emissão e recepção, incide sobre a superfície 6 interior aproximadamente na perpendicular, de modo que o eco de superfície limite, emitido com a máxima potência de sinal pela superfície 6 interior, é recebido pelos dois elementos 20i e 20i+i transdutores. Este sinal de eco com a máxima potência de sinal do sinal de eco de superfície limite é agora recolhido para a avaliação posterior, na medida em que, por exemplo, a amplitude de sinal do sinal de eco de superfície limite é comparada com a amplitude de sinal do sinal de eco de entrada reflectido na superfície 8 exterior, por exemplo, através de formação de proporção. Nesta formação de proporção é utilizado, de um modo preferido, o sinal de eco de entrada daquela fase de ensaio na qual este é máximo, no exemplo com um ângulo de oscilação α = 0o. Os raios 30c ou 30d ultra-sónicos emitidos, respectivamente, com os ângulos de oscilação cg e oç são reflectidos na superfície 6 interior igualmente de uma maneira que praticamente já não são recebidos pelos elementos 20i e 20i+i transdutores do grupo activo.
Na figura 5, por razões de clareza, uma refracção dos raios 30a-d ultra-sónicos, que tem lugar na superfície 8 exterior, não está representada.
Na figura 5 está representada uma situação, na qual a curvatura da superfície 14 de emissão e recepção do dispositivo 12 transdutor ultra-sónico ou do apalpador 10 ultra-sónico apresenta um raio que é maior que o raio da superfície 8 exterior, representado de modo idealizado como constante e no qual, para o caso de a diferença de tempo, com a qual são comandados os elementos 20i e 20i+i transdutores que formam um grupo, ser igual a zero, o raio ultra-sónico emitido por estes incide perpendicularmente sobre a superfície 8 exterior. Isto pressupõe que a distância a entre a superfície 14 de emissão e recepção e a superfície 8 exterior corresponda à diferença destes dois raios e que os seus centros dos raios coincidam. 9
Para tornar isto possível dentro de certos limites, o apalpador 10 ultra-sónico com o seu dispositivo 12 transdutor ultra-sónico está montado de modo a poder ser deslocado axialmente na câmara 16 de água, ou seja, na direcção do eixo 11 médio do dispositivo 12 transdutor ultra-sónico, como é ilustrado através da seta 40 dupla. Através desta medida podem ser compensadas diferenças nos raios de curvatura da superfície 8 exterior, de modo que pode ser minimizada a zona angular necessária no ciclo de ensaios. Se, por exemplo, o raio de curvatura da superfície 8 exterior for ligeiramente maior, então pode ser obtida uma situação concêntrica - pressuposto de posicionamento ideal do apalpador 10 ultra-sónico e curvatura ideal em forma de arco de círculo da superfície 8 exterior -pelo facto de que o apalpador 10 ultra-sónico é deslocado axialmente na câmara 16 de água, na direcção da superfície 8 exterior, ou seja, a sua distância a para esta superfície 8 é alterada. Deste modo é possível ensaiar um componente com um raio de curvatura que se altera numa direcção perpendicular ao plano de curvatura (plano de projecção das fig. 1-5), por exemplo, uma longarina de um leme de direcção de uma aeronave, com um único dispositivo de ensaio, na medida em que a distância a é alterada simultaneamente com o movimento do dispositivo de ensaio nesta direcção longitudinal.
No caso de raios não ideais, não é constante a distância da superfície de emissão e recepção dos elementos transdutores que formam respectivamente um grupo, em relação à superfície 8 exterior. O trajecto de avanço na água que se altera na câmara 16 de água causa um desfasamento temporal dos sinais de eco. Isto dificulta a avaliação dos sinais de medição com uma representação gráfica, por exemplo numa imagem B. Para avaliar a janela temporal para os sinais de eco, adequada para um grupo, um 10 elemento 20± transdutor individual, cujo raio ultra-sónico é emitido numa grande zona angular, é comandado numa fase de medição precedente e com o qual é verificada a distância deste elemento 20i transdutor até à superfície 8 exterior. Esta distância ou o tempo de execução respectivo é utilizado para determinar a janela temporal para o sinal de eco daqueles grupos que estão adjacentes a este elemento 20i transdutor, por exemplo o grupo 20±-2, 20i_i a 20i+i, 20í+2·
No diagrama da fig. 6 estão representados, a título de exemplo, os sinais S de eco para quatro fases de ensaio dentro de um ciclo de ensaios de um grupo, recebidos em diversas segundas fases de ensaio, respectivamente, em função do tempo de execução. A curva a mostra uma situação na qual o raio ultra-sónico incide, de facto, perpendicularmente sobre a superfície 8 exterior, no entanto, não perpendicularmente sobre a superfície 6 interior (diferença temporal At = 0, respectivo raio 30a ultra-sónico). Deste modo é produzido um elevado sinal E de eco de entrada, com um sinal R de eco de superfície limite relativamente baixo. A curva b reproduz a situação tal como é medida com o raio 30b ultra-sónico. O sinal E de eco de entrada é nitidamente reduzido, o sinal R de eco de superfície limite, em contrapartida, é máximo. As curvas c e d mostram situações nas quais o raio 30c ou 30d ultra-sónico não incide num ângulo recto nem sobre a superfície 8 exterior, nem sobre a superfície 6 interior, de modo que nem o sinal E de eco de entrada, nem o sinal R de eco de superfície limite são máximos. Para a avaliação recorre-se agora aos sinais de eco das curvas a e b, ou seja, os sinais de eco das fases de ensaio pertencentes aos ângulos de oscilação 0o e as, na medida em que, por exemplo, a amplitude de sinal do sinal R de eco de superfície limite da fase de ensaio que produz a 11 curva b entrada é dividida pela amplitude de sinal do sinal E de eco de da fase de ensaio que produz a curva a.
Lisboa, 14 de Agosto de 2013 12

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a inspecção por ultra-sons de uma peça (2) a mecanizar, numa zona curva da sua superfície, em especial de uma peça (2) a mecanizar constituída por um material compósito reforçado por fibras, processo no qual é acoplado acusticamente à peça a mecanizar, nesta zona, um apalpador (10) ultra-sónico, que contém um dispositivo (12) transdutor ultra-sónico, montado a partir de uma pluralidade (N) de elementos (20±) transdutores, colocados ao lado uns dos outros e que podem ser controlados individualmente, sendo que, em ciclos de ensaios consecutivos no tempo, respectivamente, são reunidos elementos (2 01) transdutores num certo número (n) para formar um qrupo e, numa pluralidade de fases de ensaio dentro deste ciclo de ensaios, são controlados reciprocamente de modo temporizado, de maneira que o raio (30a-d) ultra-sónico emitido neste ciclo de ensaios oscila numa zona (oíi, oç) angular definida previamente, de modo que por cada grupo são recebidos sinais de eco, em número correspondente ao número das fases de ensaio, a partir de diferentes direcções da peça (2) a mecanizar e no qual são detectados e utilizados para avaliação os sinais de eco das fases de ensaio, nas quais é máximo um sinal (R) de eco de superfície limite, recebido por uma parede (6) posterior da peça (2) a mecanizar ou um sinal (E) de eco de entrada, recebido pela superfície (8) da peça (2) a mecanizar.
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o dispositivo (12) transdutor ultra-sónico apresenta uma 1 superfície (14) curva de emissão e recepção adaptada à curvatura da superfície (8).
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual é utilizado um trajecto de avanço na água para o acoplamento acústico.
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 3, no qual a distância (a) do apalpador (10) à superfície (8) é alterada.
  5. 5. Dispositivo de ensaio que compreende uma câmara (16) de água e um apalpador (10) ultra-sónico, que contém um dispositivo (12) transdutor ultra-sónico, montado a partir de uma pluralidade de elementos (2 01) transdutores, colocados ao lado uns dos outros ao longo de uma linha curvada de forma côncava com um raio e que podem ser controlados individualmente e que, na câmara (16) de água que serve como trajecto de avanço na água, está colocado de modo a poder deslocar-se na direcção do seu eixo (11) médio, que corre na direcção do centro deste raio, instalado para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, sendo que, em ciclos de ensaios consecutivos no tempo, respectivamente, são reunidos elementos (20i) transdutores num número (n) para formar um grupo e, numa pluralidade de fases de ensaio dentro deste ciclo de ensaios, são controlados reciprocamente de modo temporizado, de maneira que o raio (30a-d) ultra-sónico emitido neste ciclo de ensaios oscila numa zona (oq, a2) angular definida previamente, de modo que por cada grupo são recebidos sinais de eco, em número correspondente ao número das fases de ensaio, a partir de diferentes direcções da peça (2) a mecanizar e no qual os sinais de eco das fases 2 de ensaio são detectados e utilizados para avaliação, nos quais é máximo um sinal (R) de eco de superfície limite, recebido por uma parede (6) posterior da peça (2) a mecanizar ou um sinal (E) de eco de entrada, recebido pela superfície (8) da peça (2) a mecanizar.
  6. 6. Dispositivo de ensaio de acordo com a reivindicação 5, no qual a câmara (16) de água está aberta numa superfície de acoplamento oposta ao apalpador (10) ultra-sónico e está provida de um bordo com um rebordo (18) estanque elástico, que rodeia a superfície de acoplamento.
  7. 7. Dispositivo de ensaio de acordo com a reivindicação 5 ou 6, no qual o dispositivo (12) transdutor ultra-sónico apresenta uma superfície de emissão curva. Lisboa, 14 de Agosto de 2013 3
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