Inspeção ultrassónica de soldas em pontes rolantes com phased array

As trincas de fadiga nos cordões de solda de estruturas de aço de pontes rolantes são a principal causa de falha em equipamentos de elevação. Os cordões de solda de emenda da viga principal, as soldas de ligação entre a cabeceira e a viga principal, e os cordões de solda da estrutura do carrinho estão sujeitos a cargas alternadas constantes, e o início e a propagação de microtrincas ocorrem frequentemente de forma invisível no interior da estrutura de aço. O ensaio ultrassônico manual tradicional com transdutor de cristal único é ineficiente (cerca de 30 minutos por cordão de solda), a localização de defeitos depende da experiência do operador e não permite a retenção de dados de imagem. O sistema KL-WELD-PAUT utiliza a tecnologia de ensaio ultrassônico phased array (PAUT) com 64 elementos, e o grau de inspeção e os critérios de avaliação de cordões de solda seguem a norma GB/T 11345-2023 e os requisitos de qualidade para cordões de solda estruturais da norma ISO 4301 / FEM 1.001 "Regras para o projeto de guindastes". Combinado com o método TOFD e um modelo de classificação de defeitos por IA, o sistema permite a geração rápida de imagens, quantificação precisa e identificação do tipo de defeitos em cordões de solda. A inspeção de um único cordão de solda leva apenas 5 a 8 minutos, com precisão de ±1 mm na medição da altura de trincas e 92% de precisão na classificação de defeitos.

Princípio do ensaio ultrassônico phased array e composição do sistema

O núcleo do sistema KL-WELD-PAUT da Kelude é uma sonda phased array de 64 elementos (frequência central de 5 MHz, espaçamento entre elementos de 0,6 mm, abertura total de 38,4 mm), combinada com uma placa de transmissão/receção ultrassónica multicanal (64:64 em paralelo, tensão de excitação ajustável de 50 a 200 V, ganho de 0 a 80 dB). A tecnologia phased array controla os atrasos de emissão de cada elemento para conseguir focagem eletrónica e deflexão do feixe: o cálculo das leis de focagem faz com que as ondas sonoras de todos os elementos se somem em fase na profundidade alvo, resultando num tamanho de foco de aproximadamente 1,2 mm (a uma profundidade de 40 mm), com resolução lateral muito superior à de um transdutor de cristal único. Durante a inspeção, a sonda é deslocada linearmente ao longo do cordão de solda com acionamento por Encoder, com passo de 0,5 mm, cobrindo uma largura de 35 mm do cordão de solda por passagem.

O sistema suporta três modos de varredura:

Varredura setorial (S-scan) — faixa angular de −45° a +45°, passo de 1°, adequada para solda de filete e juntas em T;

Varredura linear eletrónica (E-scan) — deslocamento eletrónico linear, comprimento de 35 mm, adequada para solda de topo;

Varredura com focagem (Focal Law) — focagem individual para cada profundidade, adequada para cordões de solda finos ≤20 mm.

Os dados adquiridos são exibidos em tempo real em formato de imagem S-scan, com cada quadro contendo 2.048 pontos de dados A-scan. Após a conclusão da varredura, são gerados automaticamente três imagens de projeção ortogonal: vista superior (C-scan), vista lateral (B-scan) e vista de topo (D-scan). Os dados da varredura de todo o cordão de solda são guardados no formato padrão DICONDE, permitindo análise offline e comparação histórica.

Método de avaliação quantitativa de trincas

A quantificação precisa da altura de trincas utiliza o método TOFD (Time of Flight Diffraction). Quando a onda ultrassónica incide na ponta da trinca, gera-se uma onda difratada em vez de uma onda refletida, e o percurso de propagação da onda difratada é: transdutor emissor — ponta da trinca — transdutor recetor. Medindo com precisão o tempo de propagação t da onda difratada, e combinando com a distância entre centros dos transdutores 2S e a velocidade do som c, calcula-se a profundidade da ponta da trinca d=√[(ct/2)²−S²]. A diferença de tempo entre as ondas difratadas das pontas superior e inferior corresponde diretamente à altura da trinca h. O sistema KL-WELD-PAUT possui um algoritmo TOFD automático integrado que identifica automaticamente os sinais difratados das pontas superior e inferior na imagem S-scan, com precisão de medição da altura de trincas de ±1 mm (para espessuras de 10 a 50 mm).

O comprimento da trinca é determinado pelo método de queda de 6 dB: a sonda é deslocada longitudinalmente ao longo do cordão de solda e, quando a amplitude do eco refletido da extremidade da trinca cai para metade da amplitude máxima (−6 dB), regista-se a posição da sonda — a distância entre as duas posições de −6 dB (esquerda e direita) corresponde ao comprimento da trinca. Para a localização de defeitos múltiplos em profundidade, o sistema utiliza as informações de percurso acústico e ângulo na imagem B-scan, combinadas com funções trigonométricas, para calcular as coordenadas exatas do defeito na secção transversal do cordão de solda (profundidade d a partir da superfície e desvio x a partir do centro do cordão). Todas as medições são automaticamente anotadas nas imagens B-scan e C-scan, gerando o relatório de inspeção do cordão de solda. Os critérios de inspeção seguem a norma GB/T 11345-2023 "Ensaio não destrutivo de soldas — Ensaio ultrassônico — Técnicas, graus de inspeção e avaliação".

Classificação de defeitos por IA e validação em campo

O sistema integra um modelo de classificação de defeitos baseado em CNN, cuja entrada é o mapa tempo-frequência de 128×128 pixels da imagem de varredura S, e a saída é a probabilidade de seis classes de defeitos: trinca, falta de fusão, falta de penetração, porosidade, inclusão de escória e mordedura. O modelo foi treinado em 3.800 conjuntos de dados calibrados com validação TOFD + metalográfica, atingindo uma precisão de classificação de 92,3%. A taxa de recall (taxa de deteção) para a classe de trincas atinge 95,1%, com uma taxa de falsos alarmes de 4,8%. O sistema marca automaticamente defeitos de alto risco e assinala as coordenadas no mapa de projeção tridimensional.

Na inspeção de solda de topo da viga principal de uma ponte rolante de 32t num estaleiro naval, o sistema detetou duas falhas de fusão na raiz com 8mm e 14mm de comprimento (a profundidades de 18mm e 22mm). Após re-inspeção por UT e validação por retificação local, o desvio dimensional dos defeitos foi inferior a 1,5mm. Este caso confirma a fiabilidade do sistema PAUT+AI em aplicações reais de engenharia. Nos 12 meses subsequentes de utilização contínua, o sistema inspecionou um total de 486 cordões de solda, detetando 37 defeitos (9 trincas, 14 faltas de fusão, 8 porosidades e 6 inclusões de escória), com uma taxa de concordância de 94,6% em relação à validação destrutiva. Em comparação com a amostragem UT tradicional, a taxa de deteção de defeitos do PAUT+AI aumentou de 78% para 96%, enquanto a taxa de omissão diminuiu de 22% para 4%, reduzindo significativamente o risco de falha das soldaduras.

Cenários de aplicação e casos práticos de inspeção de soldaduras

O sistema KL-WELD-PAUT é adequado para a inspeção em linha de vários tipos de soldaduras estruturais em pontes rolantes, abrangendo cenários típicos como soldaduras de topo da viga principal (espessura de chapa 10~50mm), soldaduras de filete em T entre a cabeceira e a viga principal (garganta 6~16mm), soldaduras de junção da estrutura do carrinho e soldaduras das gramas de fixação do trilho. Para diferentes espessuras de chapa e tipos de soldadura, o sistema ajusta automaticamente a configuração da sonda e os parâmetros do processo de inspeção: para espessuras de 10~20mm, utiliza uma sonda de 5MHz com 64 elementos em conjunto com varredura TOFD; para 20~40mm, uma sonda de 4MHz com 64 elementos com varredura setorial de −60° a +60°; para 40~50mm, é necessária uma varredura dupla-face e duplo-lado ou a utilização de uma sonda de baixa frequência de 2,5MHz.

Na inspeção anual das soldaduras da viga principal de um pórtico de 40t num porto, o sistema concluiu a varredura PAUT e a análise por IA de 32 soldaduras, num total de 48m, em 12 horas, detetando 7 defeitos (2 trincas, 3 faltas de fusão e 2 porosidades). Após re-inspeção por UT e validação por retificação local, os desvios quantitativos das trincas foram de 0,8mm e 1,1mm (ambos dentro do requisito de projeto de ±1,5mm), com uma precisão de classificação de defeitos de 100%. O departamento de equipamentos do porto avaliou que a solução PAUT+AI reduziu o ciclo de inspeção anual de soldaduras de 5 dias para 1,5 dias, enquanto o arquivo digital permitiu uma gestão rastreável do estado de saúde das soldaduras. O serviço de inspeção de soldaduras da Kelude já foi implementado em 12 siderúrgicas, 8 portos e 6 empresas de manufatura, com mais de 2.800 cordões de solda inspecionados até à data.

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Perguntas Frequentes sobre Inspeção de Solda