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 עיקרון 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.

עקרונות ותכונות

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 ישיר במגע (Head-Shot, Contact)

בשיטה זו משתמשים בפריט הנבדק עצמו כמוליך חשמלי - מצמידים אליו אלקטרודות, ומזרימים דרכו זרם חשמלי היוצר סביבו שדה מגנטי היקפי.

לשיטה זו שני חסרונות עיקריים:
 החלק מתחמם בקצוות ועלול להתעוות בעת העברת זרם רב עוצמה.
 מגע רופף בין אלקטרודות המגנוט לדפנות הפריט עלול ליצור קשת חשמלית ולגרום להתכה ולריתוך האלקטרודות אל הפריט.

הפגמים המזוהים על ידי מגנוט כזה הם רוחביים - בניצב לכיוון הזרם החשמלי.

את עוצמת הזרם הדרוש לצורך מגנוט החלק ניתן לחשב בעזרת הנוסחה  , כאשר I הוא עוצמת הזרם המבוקש, K הוא קבוע המתייחס לאמפר לאינץ', ו-D הוא קוטר החלק.

בקוטר של עד 5 אינץ', K יהיה 700-900, בין 5 אינץ' ל-15 אינץ' K יהיה 500-700, ומעל 15 אינץ' K ינוע בין 100 ל-300. הסיבה לכך שגודל הקבוע הוא ביחס הפוך לקוטר הפריט הוא מכיוון שבמוליך השדה המגנטי מתחזק ככל שמתקרבים אל פני השטח. במידה ונשתמש בזרם חלש לחלק צר, השדה המגנטי לא יגיע לשיא עוצמתו על פני השטח, ולכן יש לפצות על המרחק הקטן בזרם גבוה יותר.

מגנוט בעזרת מוט מוליך (Central Conductor)

שיטה זו מתאימה לצינורות או לחלקים בעלי חלל צינורי, ובה מעבירים דרך החלל מוט מוליך העשוי חומר פאראמגנטי (לדוגמה - נחושת), שאותו ממגנטים בשיטת המגנוט במגע. בשיטה זו לא נגרם נזק לפריט הנבדק, והסדקים המתגלים הם אורכיים - במקביל לכיוון הזרם החשמלי במוט המוליך.

אם קוטר המוליך צר יותר מקוטר החלל הפנימי של הפריט הנבדק, יש לבצע מספר מגנוטים, כאשר בכל מגנוט יוצמד למוט המוליך מקטע אחר מהפריט הנבדק (בחלוקה שווה ואחידה). ניתן לחשב את מספר המגנוטים הנדרש בעזרת הנוסחה הבאה:
 
 כאשר S הוא מספר המגנוטים, Dp הוא קוטר החלל הפנימי של הפריט הנבדק, ו-Dc הוא קוטר המוליך המרכזי (באינצ'ים).

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 טבעתי (Coil)

בשיטה זו משתמשים בטבעת שבתוכה עוברים מספר מוליכים (כריכות) שדרכם מועבר זרם חשמלי. הפריט הנבדק נמצא בתוך הסליל או בתחתיתו וכך נוצר בו שדה מגנטי. הפגמים המתגלים הם רוחביים - עם כיוון הזרם החשמלי.

עוצמת המגנוט תלויה בעוצמת הזרם, במספר הכריכות ובמיקום הפריט בסליל. ניתן לחשב את העוצמה הדרושה לבדיקת פריט בהתאם לנוסחאות הבאות:
 כאשר החלק מונח בתחתית הסליל:
 
 כאשר I הוא הזרם, N מספר הכריכות בסליל (על פי רוב: 5), L אורך החלק ו-D קוטר החלק (באינצ'ים).
 כאשר החלק מונח במרכז הסליל:
 
 כאשר I הוא הזרם, Ds הוא הקוטר הפנימי של הסליל, N מספר הכריכות, L אורך החלק ו-D הוא קוטר החלק (גם כאן המידות הן באינצ'ים).

ניתן לראות מהנוסחאות, שעוצמת המגנוט הנדרשת במרכז הסליל גבוהה מזו הנדרשת בתחתיתו, ומכך שיש יתרון למגנוט בתחתית הסליל. מצד שני, מגנוט בתחתית הסליל מצריך מגנוט נוסף לצורך בדיקת החלק התחתון של הפריט, שהצמדתו לסליל חוסמת את החלקיקים המגנטיים מלהגיע אליו.

בעיה נוספת שניתן לראות מהנוסחאות, היא שנדרשת עוצמה גבוהה ביותר למגנוט חלקים בעלי יחס קוטר/אורך נמוך (יחס L/D הקטן מ-2). ניתן להתגבר על חיסרון זה בעזרת מגנוט בצבירים - חיבור של מספר פריטים זהים ברצף יעלה את היחס בין האורך לקוטר, ומגנוט שלהם כאחד יצריך עוצמת זרם פחותה.

בשיטה מתקדמת ומורכבת יותר ליישום, המכונה "Induced current fixtures", ניתן לשפר את איכות הבדיקה של חלקים טבעתיים בעלי יחס קוטר/אורך נמוך, על ידי שימוש בליבת ברזל המושחלת במרכז הטבעת, והטבעת עצמה נמצאת במרכז סליל המגנוט. ליבת הברזל משרה זרם היקפי בטבעת, ומאפשרת ניצול מיטבי של עוצמת זרם המגנוט על ידי יצירת שדה מגנטי משני מסביב לטבעת, בעל אותו כיוון כשדה המגנטי הראשי שיוצר הסליל.

חיסרון נוסף של מגנוט באמצעות סליל הוא חוסר היכולת למגנט בפעם אחת חלקים בעלי יחס קוטר/אורך גבוה (L/D הגבוה מ-15), עקב דעיכת השדה המגנטי ככל שמתרחקים מהסליל. במקרה מעין זה יש למגנט את הפריט הנבדק במקטעים, ולחשב את עוצמת המגנוט ביחס למקטע. על פי רוב, פעולה זו תידרש בחלקים הגדולים מ-8 אינץ'.

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 נוזלי ובעל ריכוז גבוה של חלקיקים קטנים, ועל כן יעיל יותר מיישום בעזרת אבקה. הניידות שמציעה אריזת התרסיס היא עוד מעלה של השיטה.

נוזל

שימוש במתקן בעל אמבט מלא בתרחיף - נוזל שמנוני עם חלקיקים מגנטיים - שאותו שואבים בעזרת צינור ומיישמים ישירות על הפריט.

שיטה זו מבטיחה יישום מקסימלי של החלקיקים על פני השטח, ומאפשרת בקרה מלאה על ריכוז החלקיקים בנוזל, להבדיל מתרסיס.

הוצאה ממגנוט

לרוב, לאחר גמר הבדיקה, יש להוציא את החלק ממגנוט. לשם כך מפעילים כוח מאלץ (כוח קורהזיבי), המשנה את סידור האטומים המגנטיים בפריט לסידור אקראי. לשם כך ניתן להשתמש במתקן ייעודי או במתקן הממגנט עצמו (כגון פרסה או סליל נייד).

הטכניקה התעשייתית להוצאה ממגנוט מפעילה על הפריט הנבדק זרם חילופין המוחלש הדרגתית. עקב חילופי הקוטביות הקבועים בזרם חילופין, ניתן להגיע למצב שבו צפיפות קווי השדה המגנטי מגיעה לאפס. ניתן לתאר זאת בעזרת נגזרת של עקומת החשל (ראו באיור משמאל).

שימוש בזרם ישר לצורך הוצאה ממגנוט, באותה טכניקה, מצריך סיבוב של החלק לכיוונים שונים תוך כדי החלשת עוצמת הזרם, או הרחקתו ממקור הזרם.

ניתן להוציא ממגנוט במספר דרכים נוספות, שאינן מקובלות בתעשייה:
 חימום - חימום המגנט עד האדמת המתכת יבטל את המאפיינים המגנטיים שלו.
 מגע - הטלה של מגנט אחד כנגד אחר באופן אקראי תבטל את המגנטיות במגנט שאליו מופנות ההטלות.
 הלמות פטיש ו/או הרעדה - פעולות כאלו יחלישו את כוחם המגנטי של אטומי המגנט.

יתרונות וחסרונות

יתרונות
 בעוד במרבית השיטות לבדיקות לא הורסות קשה לבדוק יציקות מתכת, בשיטה זו ניתן לבצע את הבדיקה בקלות רבה.
 בדיקה מהירה ומידית, ללא זמן המתנה.
 מאפשרת בדיקת מתכות מגנטיות.
 מאפשרת בדיקת מתכות בעלות צפיפות גבוהה.
 מאפשרת איתור סדקים עדינים במיוחד.
 במקרים מסוימים, ניתנת ליישום גם מתחת למים.

חסרונות
 לרוב מחייבת שימוש בתאורת UV, המסוכנת לבריאות.
 לא תמיד ניתן לאשש חד משמעית אינדיקציות שהעלתה הבדיקה.
 מחייבת מכשור ייעודי ונגישות לחשמל.
 מחייבת ידע תאורטי רב, על מנת לתכנן ביעילות בדיקות לפריטים שונים.

תקנים
 ASTM E-1444-01 - Standard Practice for Magnetic Particle Examination

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

תעשייה
הנדסה אזרחית
מגנטיות