בדיקת חלקיקים מגנטיים

בדיקה באמצעות חלקיקים מגנטיים היא אחת משיטות הבדיקה שאינן הורסות את האובייקט הנבדק. מטרתה לאתר סדקים או אי רציפויות ביציקות, חישולים, ריתוכים ודפנות מכלים. הבדיקה מתבצעת באמצעות מגנוט החלק הנבדק, וחשיפת אי רציפויות בחומר על ידי חלקיקים מגנטיים הנמשכים אליהן ומסמנים אותן. הצורך במגנוט מגביל את הבדיקה לפריטים מחומרים פרומגנטיים בלבד.
השיטה מתבססת על עקרון פריצת (דליפת) שטף מגנטי. על פי עקרון זה, כאשר יש אי רציפות בחומר ממוגנט (למשל אם נוצר בו סדק בפני השטח או מעט מתחת לפני השטח) ייווצרו שני קטבים מגנטיים חדשים, בעלי משיכה מגנטית גבוהה עקב קרבתם זה לזה, ואליהם יימשכו חלקיקים מגנטיים המפוזרים על פני החלק הנבדק.
השיטה הומצאה על ידי ויליאם הוק בתחילת שנות ה-20 של המאה ה-20, והתפתחה בכיוונים רבים במהלך השנים.

מגנטיות

על פי עקרונות המגנטיות, שדה מגנטי יעבור תמיד בין קוטב אחד לקוטב אחר במגנט, במעגל סגור. אי רציפות במגנט יוצרת שני קטבים חדשים, שביניהם נעים קווי השטף המגנטי בעוצמה רבה עקב קרבת הקטבים (הדבר דומה למגנט פרסה - כיפוף של מגנט ישר לצורת פרסה ינצל את עוצמת המגנוט שבו בצורה מיטבית, ולמעשה יהפכו למגנט חזק יותר ממגנט ישר). חלקיקים מגנטיים המפוזרים על גבי מגנט נמשכים לקטבים, וכך ניתן לזהות מקומות בהם נוצרו קטבים חדשים והשדה המגנטי נפרץ.
יכולת החלק להתמגנט (פרמביליות) ומידת השאירות המגנטית שלו הן קריטיות לצורך בדיקה איכותית, ועקב כך לא ניתן לבדוק בשיטה זו פריטים פאראמגנטיים, המתמגנטים בצורה חלשה במיוחד או מתמגנטים רק כל עוד זורם בהם זרם חשמלי (ע"ע אלקטרומגנטיות).
על מנת לאתר אי רציפות יש צורך שקווים מגנטיים רבים ככל הניתן יעברו באי הרציפות, ולכן לכיוון תנועת השטף המגנטי יש משמעות רבה. זו אחת הסיבות לשימוש במספר שיטות מגנוט שונות, המאפשרות מגנוט היקפי או אורכי על פי הצורך, כך שהשטף נע בניצב לכיוון הסדקים המשוערים.
שדה מגנטי אורכי מתקבל כאשר מעבירים סביב החלק זרם חשמלי (בעזרת מוליך טבעתי), או כאשר מעבירים דרכו שדה מגנטי אורכי (באמצעות השראה אלקטרומגנטית). שדה מגנטי היקפי מתקבל בעזרת העברת זרם חשמלי ישירות דרך החלק או במרכזו בעזרת מוט מוליך, או כאשר משרים סביבו שדה מגנטי היקפי.

החלקיקים המגנטיים

החלקיקים המגנטיים עשויים משבבים פאראמגנטיים בעלי פרמביליות גבוהה, אך שאירות מגנטית מזערית.  אילו היו החלקיקים פרומגנטיים, הם היו נצמדים זה לזה לאחר מגנוטם, לא היו נעים לכיוון הקטבים בצורה חלקה, והיו ממשיכים בתנועתם זו גם לאחר הפסקת המגנוט בחלק הנבדק. גודלם של החלקיקים, ממיקרון אחד ועד 20 מיקרון בממוצע, וצורתם מרובת הצלעות נועדו לשפר את יכולת התנועה שלהם לעבר ריכוז קווי השטף המגנטי.
בנוסף, על מנת לייעל את תהליך הבדיקה, משתמשים בנוזל נושא (carrier) שמנוני שבתוכו מרחפים החלקיקים המגנטיים, וכך תנועתם בשדה המגנטי היא מהירה יותר. החלקיקים מתקבצים בצורה מדויקת על פני אי הרציפות, וניתן להבדילם בקלות מהסביבה עקב הכמות הרבה המתרכזת באזורים הפגומים.
כיום משתמשים בחלקיקים פלואורסצנטיים, על מנת להקל על הבודק לאתר את מיקומם, והם זוהרים בעת הארתם בתאורה אולטרה סגולה.

המגנוט וסוגיו

לצורך בדיקה מדויקת ויעילה, יש צורך להשתמש במתקן מגנוט ייעודי. המאפיינים העיקריים הקובעים את עוצמת המגנוט הם עוצמת הזרם, סוגו, ובמתקנים הפועלים על השראה - מספר כריכות הסליל.
במתקן המגנוט מועבר זרם חשמלי בעוצמה הניתנת על פי רוב לשליטה, למשך זמן של 0.5 שנייה. הזרם מופסק בעת שהוא מגיע לשיאו. הזרמים שבשימוש במתקני מגנוט קבועים הם זרם ישר, זרם חצי גל מיושר (HWDC - Half-Wave DC) או זרם גל מיושר (FWDC - Full-Wave DC), חד או תלת פאזי. במתקנים מסוימים (כגון מתקן מגנוט פרסתי) סוג הזרם ניתן לבחירה.
זרם ישר חודר לעומק החלק ומאפשר איתור פגמים תת-שטחיים, ואילו זרם חילופין מאפשר איתור פגמים על פני השטח ובצמוד לו בלבד. זרם חצי גל מיושר מהווה יתרון בעת שימוש בחלקיקים יבשים (ללא נוזל נושא), מכיוון שפעימות הזרם מייעלות את תנועת החלקיקים על פני השטח.
מכונות מגנוט מודרניות כוללות גם מתקן מגנוט סלילי וגם מתקן מגנוט במגע.

מגנוט באמצעות פרודים (Prods)

בשיטה זו משתמשים בצמד מוטות מוליכים, המשמשים כאלקטרודות, לצורך מגנוט משטחים גדולים - המוטות מוצמדים אנכית אל משטח הבדיקה, ובעת העברת זרם חשמלי דרכם נוצר סביב המוטות שדה מגנטי מעגלי. קווי השטף המגנטי נעים סביב המוטות, ולכן הפגמים המתגלים הם בניצב לכיוון השדה המגנטי שבאותה נקודת שטח.
הזרם שמועבר בפרודים הוא זרם ישר או מיושר. עוצמת הזרם נקבעת על פי היחס בין עובי המשטח לרווח שבין הפרודים.
את מוטות בפרודים ממקמים ברווח שנע בין 2 אינץ' ל-8 אינץ'. ככל שהרווח קטן יותר, כך עולה רגישות הבדיקה. רווח הקצר מ-3 אינץ' יגרום לתנודה (Banding) של החלקיקים המגנטיים בנקודת המפגש של קווי השטף היוצאים מכל מוט, ולכן במספר תקנים מידת הריווח המזערית היא 3 אינץ'. גודל השדה המגנטי היעיל שנוצר במגנוט בפרודים עומד בכל צד על כרבע ממרחק הריווח שבין המוטות.

לעיתים קרובות יוצר מגנוט כזה סימני צריבה חריפים על גבי הפריט הנבדק, ולכן השיטה אינה בשימוש לחלקים רגישים או מגומרים, כגון משטחים תעופתיים. כמו כן, במידה וקיים רווח (ולו מזערי) בין המוט לשטח הנבדק, עלולה להיווצר קשת חשמלית בעת העברת הזרם במוט, ולגרום לריתוך או התכה בין משטח הבדיקה למוט.

מגנוט באמצעות סליל מאולתר

ניתן לאלתר סליל מגנוט, תוך שימוש בכבל חשמל. כבל זה יכול להיות ייעודי, או מאולתר מכבל בעל מאפיינים הדומים לכבל התעשייתי.
המגנוט מתבצע אחרי ליפוף הדוק של הכבל מסביב לחלק, במספר כריכות, והעברת זרם חשמלי בכבל. את החלקיקים המגנטיים מיישמים בשיטה השיורית (ראה להלן), לאחר גמר המגנוט.
קשה להבטיח מגנוט מדויק בשיטה זו, אך לעיתים היא נוחה ויעילה יותר לשימוש.

מגנוט באמצעות פרסה (Yoke)

הפרסה היא מכשיר נייד המורכב ממוט ברזל רך מלופף בסליל שדרכו מועבר זרם חשמלי. המוט מתחבר לזרועות מתכת פאראמגנטיות, שבהן מושרה השדה המגנטי שנוצר כתוצאה מהזרמת החשמל במוט. הזרועות ניתנות לכוונון, כך שהן יוצרות מעין מגנט פרסה.
את הפרסה מצמידים לחלק הנבדק, כשאזור הבדיקה הוא בין זרועות הפרסה. הפגמים מתגלים בניצב לזרועות.
מתקן הפרסה מאפשר גמישות בעבודה, ועל פי רוב נותן אפשרות לבחירת סוג הזרם (זרם ישר או זרם חילופין) ולשליטה על עוצמת הזרם המועבר בו .

מגנוט באמצעות פרסה ממוגנטת

ישנה תת-שיטה המאפשרת מגנוט החלק באמצעות מתקן פרסתי העשוי ממגנט רב עוצמה, כאשר בו הבדיקה מבוצעת תוך כדי הצמדת רגלי הפרסה לפריט הנבדק.

מגנוט רב כיווני

למעשה, לא יכולים להתקיים בחלק אחד שני שדות מגנטיים מנוגדים בכיוונם. במתקנים ייעודיים ניתן לבצע מגנוט רב כיווני למראית עין. כך לדוגמה, באמצעות מתקן פרסה מיוחד, בעל שלושה סלילים, ניתן לבצע מגנוט רב כיווני. מגנוט מעין זה מתקיים וירטואלית בלבד: כיוון השדה משתנה במהירות ובקצב אחיד בין שדה אורכי לשדה היקפי.
בעוד במתקן פרסה רגיל הסליל מלופף סביב מוט הממוקם במאוזן לאורך המתקן, שבעת העברת זרם דרכו יוצר מגנוט אורכי, במתקן פרסה רב כיווני ממוקמים עוד שני סלילים, המלופפים סביב מוטות אנכיים שמהם יוצאות רגלי הפרסה. שני סלילים אלו יוצרים, בעת העברת זרם דרך שניהם, שדה מגנטי היקפי. במתקן עצמו קיים מתג חשמלי שמחליף באופן קבוע את הזרמת הזרם בין הסלילים השונים.
בשיטה זו ניתן לאתר סדקים שכיוונם ומיקומם אינם ידועים כלל, אך עקב השדה המתחלף החיוויים יתקיימו רגעית בלבד. בנוסף, יש צורך בהמשך רציף של המגנוט בכל זמן הבדיקה.

שיטות בדיקה

ישנן שתי שיטות בדיקה עיקריות: השיטה הרציפה והשיטה השיורית.
בשתי השיטות בודקים לאחר המגנוט את מיקום החלקיקים המגנטיים על פני החלק הנבדק. פגמים יימשכו אליהם חלקיקים מגנטיים, שיסתדרו על פני השטח בהתאם לצורת הפגם המדויקת.

השיטה הרציפה

בשיטה זו מיישמים את החלקיקים המגנטיים על הפריט הנבדק לפני המגנוט ובמהלכו, עד מעט לפני סיום המגנוט.
זוהי השיטה היעילה ביותר לאיתור פגמים, מכיוון שכך מנוצלת כל יכולת ההתמגנטות של הפריט. כמתואר בעקומת החשל (עקומת ההיסטרזיס, שמתארת את היחס בין הכוח הממגנט לבין צפיפות קווי השטף המגנטי שנוצרים בהתאם. ראו באיור משמאל), לאחר הגעה לנקודת הרוויה המגנטית, יורדת רמת המגנטיות של המגנט במעט, בהתאם לשאירות המגנטית של המתכת.
תאורטית, ניתן לבדוק בצורה דומה גם חלקים מחומר פאראמגנטי: מיישמים את החלקיקים על הפריט תוך כדי העברת זרם או השראת שדה מגנטי דרכו, ובמקביל בודקים את החלק. אך עקב צורת התפלגות השטף המגנטי בחלקים פאראמגנטיים, בדיקה כזו לא תהיה יעילה לעומת שיטות בדיקה אפשריות אחרות, וכלל התקנים אוסרים לבדוק חלקים פאראמגנטיים בדרך זו.

השיטה השיורית (Residual Method)

בשיטה זו מנצלים את המגנטיות השיורית של הפריט, כלומר, את השדה המגנטי שנשאר לאחר הפסקת המגנוט.
את החלקיקים המגנטיים מיישמים על הפריט לאחר הפסקת המגנוט. שיטה זו פחות יעילה למתכות בעלות שאירות מגנטית נמוכה יחסית, ובהן עדיף להשתמש בשיטה הרציפה.

יישום החלקיקים

ישנן שלוש שיטות ליישום החלקיקים המגנטיים על גבי הפריט הנבדק.

אבקה

משתמשים באבקת ברזל, שאותה מפזרים בצורה אחידה על פני הפריט הנבדק. לאחר המגנוט האבקה מתרכזת במקומות בהם יש פרצות בשטף המגנטי.
שיטה זאת היא בעלת היעילות הנמוכה ביותר, מכיוון שתנועת האבקה מוגבלת והאינדיקציות המופיעות אינן ברורות.

תרסיס

שימוש במכל ריסוס דחוס המלא בנוזל מעורב בחלקיקים מגנטיים. זו הדרך המהירה והקלה ליישום החלקיקים.
התרסיס הנו במצב נוזלי, עם ריכוז גבוה של חלקיקים קטנים, ועל כן הוא יעיל יותר מיישום בעזרת אבקה. הניידות שמציעה אריזת התרסיס היא עוד מעלה של השיטה.