Inspecione componentes em altas temperaturas (até 150 °C) com uma solução Phased Array

Introdução

A realização de inspeções Phased Array em peças e componentes em altas temperaturas apresenta alguns desafios. Os elementos piezoelétricos e conexões internas em sondas Phased Array típicas são sensíveis ao calor e podem ser danificadas em altas temperaturas. Para atenuar este problema, a Olympus desenvolveu uma nova ferramenta que permite a inspeção manual Phased Array em temperaturas de até 150 °C.

Desafios

À medida que as sondas Phased Array aquecem, os elementos piezoelétricos e suas conexões elétricas podem ser danificadas. Nossos testes demonstraram que sondas Phased Array falham completamente ao atingirem 80 °C. Para utilização segura, a temperatura da sonda não deve ultrapassar 60 °C.

Isolamento, dissipação de calor e arrefecimento são três fatores importantes na concepção da sonda para evitar que o calor excessivo alcance os elementos da sonda. O cabo da sonda também deve ser protegido do componente quente que será inspecionado.

A velocidade do som no calço e componentes também variam de acordo com a temperatura, e isto pode afetar o cálculo da lei focal e o deslocamento do ponto índice, causando erros de posicionamento na localização das indicações. A atenuação do sinal de ultrassom e a mudança de frequência devem ser levados em conta.

Solução

A Olympus desenvolveu uma nova série de calço que permitem inspeções em componentes quentes com temperaturas de até 150 °C. Para caracterizar e validar a eficiência destes calços, foram realizados testes em laboratórios com o detector de defeitos OmniScan MX2 configurado rastrear um setor a 40° e 70° SW, que são utilizadas para inspeção de soldas com sondas Phased Array.

Os calços são fabricados com resina de polieterimida termoplástica amorfa chamada ULTEM™. Este material possui alta resistência térmica devido à sua temperatura de transição vítrea próxima a 200 °C.

Dois modelos de calços foram projetados com estas aplicações específicas em mente; os dois calços estão disponíveis para compra — SA31C-ULT-N55S-IHC e SA32C-ULT-N55S-IHC. Estes calços possuem aberturas para acoplar o codificador Mini-Wheel da Olympus, disponibilizando a inspeção codificada. De fabricação relativamente fácil, outras séries de calços da Olympus podem ser fabricados com material ULTEM. Porém, como a dissipação de calor também depende da geometria do calço, deve-se ter cuidado e os usuários devem consultar um representante da Olympus para validar o pedido.

Uma sonda Olympus com um calço ULTEM.

Os testes de laboratório foram realizados em componentes a 150 °C. O detector de defeitos OmniScan MX2 foi utilizado para realizar uma varredura típica de setor de 40° a 70° SW com resolução de 1 grau. Foi utilizado glicerina para acoplar a sonda ao calço e utilizou-se um acoplador de alta temperatura para acoplar o calço ao componente.

Número das peças para equipamento usado para inspeções em alta temperatura.

Nota: Os calços PA personalizados listados acima foram projetados para várias aplicações específicas em mente. Se a configuração da aplicação variar de forma significativa da expectativa, estes calços podem não ser mais adequados e podem ser recomendadas alterações no design. Para informações adicionais, por favor, entre em contato com eto@olympus-ossa.com.

*As aplicações típicas de defeito e espessura com UT utiliza filmes finos como acoplantes em um ambiente aberto onde uma pequena quantidade de gás composto pode se dissipar rapidamente. No entanto, a preocupação principal é se ocorre a improvável auto-ignição do gás acoplante, este acoplador não deve ser usado acima da temperatura da auto-ignição.

Resultados

Foram realizados testes em sondas com frequências diferentes par avaliar a mudança do centro da frequência causada pela utilização do material ULTEM. À temperatura ambiente, o centro da frequência da sonda de 2,25 MHz permanece a mesma, mas o centro da frequência das sondas de 5 MHz passaram para 4 MHz. A mudança mais significativa do centro da frequência ocorreu com a sonda de 7,5 MHz, que passaram para 5 MHz. Consequentemente, sondas com frequências superiores a 5 MHz não devem ser utilizadas com calços ULTEM. Os testes realizados com sondas de 5 MHz em superfícies a 150 °C e aumentaram o desvio do centro da frequência para 3 MHz.

Embora as propriedades isolantes da ULTEM sejam usadas para proteger a sonda do calor, a dissipação de calor também é importante para permitir períodos de inspeção mais longos. Quando a temperatura ambiente é de 25 °C, o calço pode ficar em contato com superfícies a 150 °C durante no máximo 10 minutos. Demora mais 10 minutos para que a sonda e o calço esfriem. Após este período não foi observado qualquer dano estrutural nos calços ou nas sondas.

Não ocorre atenuação significativa no sinal ultrassônico quando a peça atinge a temperatura de 150 °C enquanto a qualidade do acoplamento entre o calço e a peça é mantida. Os usuários devem prestar atenção para assegurar um acoplamento fiável. Com a sonda de 5 MHz utilizada com calços ULTEM, observou-se uma atenuação do sinal de 4 dB, que é tipicamente considerada aceitável.

À medida que a temperatura aumenta de 24 °C para 150 °C, a velocidade do ultrassom no calço de material ULTEM reduz de 2.470 m/s para 2.270 m/s, enquanto a velocidade da onda de cisalhamento no aço cai de 3.240 m/s para 3.103 m/s. Consequentemente, ao usar leis focais calculadas com as velocidades na temperatura ambiente, observamos movimentos de índice de feixe pequeno e alguns graus do ângulo de refração mudam quando a peça atinge 150 °C. Mesmo que esses movimentos/mudanças fossem mínimos, estes erros devem ser considerados para posicionar com mais precisão as indicações em altas temperaturas dependendo das exigências de qualificação da inspeção. O cálculo de leis focais com velocidades conhecidas à temperatura da peça eliminam este erro. Para reduzir ainda mais os erros potenciais devido a alterações de velocidade, a Olympus definiu o ângulo do calço para obter o ângulo nominal de refração específico em aço a 100 °C com a velocidade no ULTEM definida a 2.340 m/s.

À temperatura ambiente, a detecção atingiu um pico a 60 SW com ganho a 45 dB.

A 150 °C, a detecção atingiu o pico a 63 SW com um ganho de 49 dB e trajeto de som de 33,6 mm.

Observação importante:

Para ajudar a assegurar a integridade estrutural da sonda e calços, o equipamento deve ser usado por no máximo 10 minutos de cada vez e não devem ser reutilizados até que tenham resfriados por pelo menos 10 minutos. Este ciclo de trabalho é definido com base numa temperatura ambiente de no máximo 25 °C. Os usuários devem ter o cuidado de definir o ciclo de funcionamento adequado, correspondente às suas condições de trabalho, se a temperatura ambiente ultrapassar 25 °C.

Conclusão

Os calços para alta temperatura da Olympus permitem a inspeção Phased Array codificado manual simples em componentes a até 150 °C desde que os usuários tenham em mente a sonda com frequência máxima de 5 MHz, o pequeno desvio de frequência negativa, pequena atenuação de sinal e mudança no ângulo de refração positiva.