בדיקה באמצעות זרמי ערבולת

טכנולוגיית הבדיקה בעזרת זרמי ערבולת (Eddy Current) היא שיטת בדיקה לא הורסת המשתמשת בהשראת שדה מגנטי בפריט מתכתי, לצורך איתור אי רציפויות או שינויי מוליכות בחומר. כמו כן ניתן בעזרתה למדוד עובי חומרים או עובי ציפויים.

יתרונות השיטה הן מחירה הנמוך (לאחר השקעה חד-פעמית בציוד), ניידות גבוהה, דיוק רב, מהירות תהליך הבדיקה וקבלת תוצאות בזמן אמת.

טכנאי בדיקות לא הורסות מבצע בדיקת זרמי ערבולת עם מכשיר Nortec 2000D

עקרונות

שיטת הבדיקה מתבססת על מערכת שתפקידה להשרות בפריט הנבדק שדה מגנטי בצורת זרמים מערבולתיים, לקלוט את השינויים בשיווי המשקל בין השדה המושרה (שדה מגנטי משני) לשדה המשרה (שדה מגנטי ראשי), ולהציג לבודק חיווי על השינויים.

הזרמים מושפעים מגורמים רבים, המתבטאים בתוצאות הבדיקה, כגון: המוליכות חשמלית של הפריט, תכונותיו המגנטיות והחשמליות ועוד.

השדה המגנטי נוצר בעזרת זרם חילופין, וניתן להשריה בחומרים מוליכי חשמל בלבד.

מערכת הבדיקה מורכבת משלושה חלקים: מחולל זרם חילופין, סליל בדיקה ומערכת תצוגה.

המערכת עובדת על השוואה בין המוליכות של האוויר למוליכות של המתכת אליה כויילה. אי רציפות משמעה אוויר המפריד בין המתכת לבין סליל הבדיקה. כפועל יוצא מכך, בין המאפיינים החשובים המשפיעים על הבדיקה נמצאים רמת הצימוד שבין גשיש הבדיקה לפני השטח, גאומטריית פני השטח, קיומם של ציפויים על החלק, סוגם ועוביים.

מגבלות

• הבדיקה אפשרית בחומרים מוליכים בלבד.
• לא ניתן לבדוק מעל ציפויים מוליכי חשמל, ויש להסירם לפני הבדיקה.
• חלקים העשויים חומרים בעלי יכולת להתמגנט ניתנים לבדיקה רק אם רמת המגנטיות שבהם מובאת לכדי רווייה רציפה - וזאת על ידי העברת זרם חשמלי בתוכם.
• פני שטח גבשושיים, כגון פני שטח של משטח שנוצר בתהליך יציקה, יגרמו לאינדיקציות שווא רבות, ולכן יש לבדקם בשיטות חלופיות.

מאפיינים והגדרות

מחולל זרם חילופין

מחולל הזרם עומד בבסיס מערכת הבדיקה. עקב אופיו של הזרם - החלפת כיוון זרימת האלקטרונים ללא הפסק - גם זרמי הערבולת משנים את כיוון תנועתם בהתאם לתדירות הזרם. כתוצאה מכך ניתן באותו סליל גם להשרות את זרמי הערבולת, וגם למדוד את השינויים באיזון השדות המגנטיים.

סליל הבדיקה

סליל הבדיקה הוא הגשיש (Probe) שבעזרתו מבוצעת הבדיקה. זהו סליל מוליך חשמל, המחובר אל מחולל זרם החילופין שבבסיס מערכת הבדיקה. זרם החילופין שזורם אל הסליל יוצר שדה מגנטי סביבו, שבתורו יוצר שדה מגנטי משני בעזרת זרמי הערבולת שיוצאים מקצה הסליל אל השטח הנבדק.

תפקיד הגשיש הוא כפול:

1. השריית שדה מגנטי בחלק הנבדק.
2. העברת המידע על האיזון בין השדות הראשי והמשני אל מערכת התצוגה.

עקב קיומו של אפקט הקצה, כפי שיוסבר בהמשך, נוצרו שני סוגי גשישים כלליים - מסוככים (Shielded) ולא-מסוככים (Unshielded). הגשיש מגיע בתצורות רבות, בהתאם למאפייני השטח הנבדק וסוג הבדיקה עצמו.

זרמי ערבולת

זרמי ערבולת הם זרמים חשמליים הנעים במעגלים סגורים ומשנים את כיוון תנועתם בהתאם לכיוון תנועת זרם החילופין. תנועת הזרמים היא תמיד במישור המקביל לפני השטח, ובצורה אחידה - מעגלית ורציפה - כל עוד אין עיוותים בפני השטח הנבדק. שינוי בגאומטריית פני השטח (כגון סדק, בליטה וכדומה) יגרום לעיוות בתנועת הזרמים ולשינויים ניתנים למדידה בשיווי המשקל בין השדות.

הזרמים נעים בצורת משפך, כאשר מסביב לסליל המשרה הם בעלי חתך רחב, ובמרחק מהסליל הם צרים. משום כך, רק 37 אחוזים מעומק חדירת הזרמים אפקטיביים במדידת האיזון בין השדות המגנטיים - דבר המכונה עומק חדירה אפקטיבי סטנדרטי. העלאת תדירות הזרם תקטין את עומק חדירת הזרמים אל החלק הנבדק, והנמכתה תעלה את עומק החדירה.

מערכת התצוגה

מערכת התצוגה היא זו המציגה את החיווי הסופי, והיא שווה בחשיבותה לסליל הבדיקה ולמחולל הזרם. למעשה, עם התקדמות הטכנולוגיה מערכת התצוגה הפכה להיות גם מערכת ניתוח הנתונים.

ישנן שלוש תצורות תצוגה מסורתיות: חיווי אנלוגי, תצוגת גרף מודפס, ומסך קרן קתודית.

• תצוגה אנלוגית מאפשרת לדעת האם ישנה אי רציפות, או לא. תצורת ההצגה היא לרוב תצוגת מד עם שנתות (בדומה למד מהירות).
• תצוגת גרף מודפס מאפשרת תיעוד של הפלט שהגיע מסליל הבדיקה. כל עוד הערכים בגדר הסביר, נרשם קו רציף. אי רציפות גרמה לקו "לקפוץ" בחדות מתנועתו.
• תצוגה על מסך קרן קתודית (CRT) הייתה התקדמות גדולה בתחום. היא מאפשרת מדידה מדויקת של אי הרציפויות, עקב היכולת הדיגיטלית "לזכור" את מצב האותות שהגיעו מהסליל קודם לכן, ובנוסף היא מאפשרת כיול מדויק בזמן אמת ללא סיבוכים מיותרים.
• ההתפתחות מתצוגת ה-CRT הייתה מעבר לצגי LCD, המאפשרים בתורם הקטנה משמעותית של מכשירי הבדיקה והארכת חיי הסוללות שלהם.

עם השנים התפתחו מוסכמות לתצוגה וכיול סטנדרטיים, שנגזרו מעקרונות הפעולה של זרמי הערבולת.

שיטות השראת זרמי ערבולת

כיוון זרמי הערבולת ופילוגם בחלק הנבדק הם תוצאה ישירה של שיטת השראת הזרמים, על פי סוג סליל הבדיקה. הכרת השיטות היא קריטית לצורך איתור אי רציפויות מתאימות.

סליל חיצוני (גשיש היקפי-טבעתי)

סליל חיצוני הוא סליל בדיקה בעל חתך גלילי, שבמרכזו מעבירים את הפריט הנבדק. זרמי הערבולת נעים בו על פי כיוון ליפוף הסליל, ותנועתם היא כלפי פנים החלק הנבדק. בשיטה זו ניתן לאתר אי רציפויות אורכיות בלבד, הנמצאות על פני השטח.

סליל פנימי

סליל זה הוא גליל שבתוכו מלופף הסליל. את הגליל מחדירים לתוך פריטים בעלי קדח פנימי. הזרמים נעים על פי כיוון ליפוף הסליל וכלפי חוץ, וכך ניתן לאתר סדקים אורכיים בלבד, אך גם כאלו הנמצאים מתחת לפני השטח.

סליל שטח (גשיש שטח)

הסליל מלופף בתוך מוט צר, והזרמים יוצאים מקצה המוט (ולא מכל אורכו, כמו בשיטות הקודמות). כך ניתן להשרות את פני השטח הנבדק בעזרת מגע ישיר בין הסליל לפני השטח, וגם לאתר כל אי רציפות במדויק (אי הרציפות נמצאת בדיוק מתחת לגשיש, ובעזרת סריקה חכמה ניתן לאתר אותה לכל אורכה). על מנת לאתר אי רציפויות בתוך קדחים, משתמשים בגשיש שטח מסתובב - כיום נפוצות ידיות הפעלה הדומות למקדחה, שמסובבות במהירות קבועה גשיש ייחודי, הניתן להחדרה עד לעומק הקדח. עקב אופי הבדיקה, משתנה תצורת התצוגה. זוהי השיטה הנפוצה ביותר כיום.

מושגים ומונחים

Lift Off

ליפט אוף פירושו "קו ההרמה" - המעבר שנוצר בגרף התצוגה ברגע הרמת הגשיש מעל פני השטח.

מערכות תצוגה מתקדמות, מהדור השני ואילך, יודעות להבחין בין האותות המתקבלים מאי רציפות רגילה בפני השטח, לבין הרמת גשיש חדה אל האוויר.

להבדיל ממקרה אי רציפות, שבו עדיין מושרה שדה מגנטי בפני השטח הצמודים לאי הרציפות ומאפשר קיום איזון כלשהו עם השדה הראשי, במקרה של הרמת גשיש לאוויר אין קיום של שדה מגנטי משני. וכתוצאה מכך ניתן להבחין בין שני המקרים ולהציג אותם בצורה שונה.

אפקט קצה

אפקט קצה הוא המונח שמתאר התקרבות של הגשיש - ואיתו השדות המגנטיים וזרמי הערבולת - אל קצה החלק הנבדק.

מערכת התצוגה, שחשה את האוויר שנמצא מעבר לקצה החלק הנבדק, מפרשת אותו כאי רציפות בשטח הפנים (להבדיל ממקרה הליפט אוף, כאן ישנו עדיין שדה מגנטי מושרה, וקיים איזון בין השדות).

על מנת למנוע אינדיקציות שווא מעין אלו, פותחו גשישים מסוככים, שבהם סליל הבדיקה מסוכך, ומרכז את זרמי הערבולת ישירות מתחת לפני השטח החיצוניים של הגשיש. כך ניתן להחזיק את הגשיש בצמוד לקצה חלק ללא קבלת חיווי קצה במערכת התצוגה.

עומק חדירה אפקטיבי סטנדרטי

מתוך עומק חדירת זרמי הערבולת אל מתחת לפני השטח הנבדק, רק 37% אפקטיביים למדידת האיזון בין השדות המגנטיים.

עומק החדירה ($\delta$=דלתא) מושפע מתדירות הבדיקה (f), המוליכות החשמלית של החלק ($\sigma$=סיגמא), והפרמביליות שלו ($\mu$=מיו).
$\delta ={\frac {26}{\sqrt {f\cdot \mu \cdot \sigma }}}$

22011523בדיקה באמצעות זרמי ערבולת