अल्ट्रासोनिक परीक्षण की डिटेक्शन सीमा मापन को कैसे प्रभावित करती है?

अल्ट्रासोनिक परीक्षण (Ultrasonic Testing, UT) गैर-विनाशकारी परीक्षण (NDT) का एक आधार स्तंभ है, जो उन आंतरिक दोषों की पहचान करने में सक्षम है जो महत्वपूर्ण घटकों की संरचनात्मक अखंडता को खतरे में डाल सकते हैं। UT कितने छोटे दोष का पता लगा सकता है, इसका कोई एक निश्चित संख्यात्मक उत्तर नहीं है, क्योंकि यह भौतिकी, सामग्री गुणधर्म और उपकरण की क्षमता के जटिल संयोजन पर निर्भर करता है। फिर भी, औद्योगिक वातावरण में आदर्श परिस्थितियों के तहत आधुनिक UT सिस्टम अनुकूल सामग्रियों में लगभग 50 माइक्रोन (0.05 मिमी) तक के दोषों का विश्वसनीय रूप से पता लगा सकते हैं; जबकि वास्तविक (व्यावहारिक) डिटेक्शन सीमा प्रायः अनुप्रयोग के आधार पर 100 से 500 माइक्रोन के बीच होती है।

UT रेज़ोल्यूशन को नियंत्रित करने वाली मौलिक भौतिकी

अल्ट्रासोनिक परीक्षण की सैद्धांतिक और व्यावहारिक सीमाएँ मुख्य रूप से सामग्री के भीतर यात्रा करने वाली ध्वनि तरंगों के गुणों द्वारा निर्धारित होती हैं।

तरंगदैर्घ्य और आवृत्ति (Frequency) का संबंध

डिटेक्शन संवेदनशीलता निर्धारित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक अल्ट्रासोनिक आवृत्ति है। न्यूनतम पता चलने योग्य दोष आकार आमतौर पर सामग्री में ध्वनि तरंग के तरंगदैर्घ्य (λ) के लगभग आधे (λ/2) के बराबर होता है। उच्च आवृत्तियाँ छोटी तरंगदैर्घ्य उत्पन्न करती हैं, जिससे छोटे दोषों का पता लगाना संभव हो जाता है। हालांकि, उच्च आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगें सामग्री में यात्रा करते हुए अधिक तेज़ी से क्षीण (Attenuate) हो जाती हैं, जिससे उनकी प्रभावी प्रवेश गहराई घट जाती है। यह एक प्रत्यक्ष ट्रेड-ऑफ पैदा करता है:

• उच्च आवृत्ति (उदा. 20–50 MHz): पतले सेक्शन या सूक्ष्म-अनाज वाली सामग्रियों (जैसे सिरेमिक या कुछ मिश्र धातुएँ जो एयरोस्पेस और एविएशन में उपयोग होती हैं) में छोटे दोषों (लगभग ~50 µm तक) का पता लगाने के लिए उत्कृष्ट।

• निम्न आवृत्ति (उदा. 1–5 MHz): मोटे सेक्शन या उच्च क्षीणन वाली सामग्रियों, जैसे मोटे-अनाज वाली स्टेनलेस स्टील सीएनसी मशीनिंग कास्टिंग के निरीक्षण के लिए प्रयुक्त होती है, लेकिन रेज़ोल्यूशन कम होता है और आमतौर पर 1–2 मिमी से छोटे दोषों का पता नहीं चल पाता।

सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो (SNR)

कोई दोष तभी डिटेक्ट हो सकता है जब उससे परावर्तित अल्ट्रासोनिक सिग्नल (echo) पृष्ठभूमि इलेक्ट्रॉनिक और सामग्री “noise” की तुलना में पर्याप्त रूप से प्रबल हो। सामग्री नॉइज़ स्वयं माइक्रोस्ट्रक्चर से उत्पन्न होता है—धातुओं में अनाज सीमाएँ, कंपोजिट में पोरोसिटी या इन्क्लूज़न आदि। ऐसी कंपोनेंट्स जिनकी माइक्रोस्ट्रक्चर बारीक और समान हो, जैसे उच्च गुणवत्ता वाली प्रेसिजन मशीनिंग सेवा से तैयार किए गए समरूप बिलेट, कहीं कम नॉइज़ फ्लोर प्रदान करते हैं और छोटे दोषों की पहचान की अनुमति देते हैं।

व्यावहारिक डिटेक्शन सीमा को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण कारक

मौलिक भौतिकी के अलावा कई व्यावहारिक पहलू भी हैं जो निरीक्षक की वास्तविक डिटेक्शन क्षमता को निर्णायक रूप से प्रभावित करते हैं।

सामग्री गुणधर्म और क्षीणन (Attenuation)

सामग्री के ध्वनिक गुण सर्वोपरि हैं। क्षीणन वह ऊर्जा हानि है जो ध्वनि के प्रसार के दौरान होती है। कुछ प्लास्टिक पॉलिमर या मोटे-अनाज वाली टाइटेनियम मिश्र धातुओं जैसी उच्च क्षीणन वाली सामग्रियों में निम्न आवृत्तियों की आवश्यकता होती है, जिससे रेज़ोल्यूशन कम होता है। इसके विपरीत, कम क्षीणन वाली सूक्ष्म-अनाज वाली मिश्र धातुएँ—जैसे एल्यूमिनियम सीएनसी मशीनिंग मिश्र धातु (उदा. 6061) या Inconel 718—उच्च रेज़ोल्यूशन निरीक्षण के लिए आदर्श होती हैं।

दोष की विशेषताएँ: प्रकार, ओरिएंटेशन और स्थान

एक ही आकार के सभी दोष समान रूप से डिटेक्टेबल नहीं होते।

• प्रकार: गैस पोर्स और इन्क्लूज़न आमतौर पर गोल/स्फेरिकल होते हैं और ध्वनि तरंगों को लगभग सभी दिशाओं में परावर्तित करते हैं, इसलिए इन्हें खोजना अपेक्षाकृत आसान होता है। इसके विपरीत, क्रैक्स (दरारें) प्लानर और अत्यधिक दिशात्मक होती हैं।

• ओरिएंटेशन (दिशा-स्थिति): किसी क्रैक से प्रबल echo प्राप्त करने के लिए वह ध्वनि बीम के लगभग लंबवत होना चाहिए। बीम के समानांतर उन्मुख क्रैक पूरी तरह “अदृश्य” भी हो सकता है। यह उन जटिल भागों के निरीक्षण में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जो मल्टी-एक्सिस मशीनिंग सेवा से बने हों और जिनमें तनाव विशिष्ट दिशाओं में दोष उत्पन्न कर सकता है।

• स्थान: सतह के पास या ज्यामितीय विशेषताओं (जैसे कोनों) के निकट स्थित दोष प्रारंभिक पल्स रिंग-डाउन या अन्य संरचनात्मक echoes द्वारा छिप सकते हैं, जिससे उन्हें अलग-थलग करना अधिक कठिन हो जाता है।

संवेदनशीलता बढ़ाने के लिए उन्नत UT तकनीकें

मानक पल्स-इको UT की अपनी सीमाएँ हैं, लेकिन उन्नत विधियाँ डिटेक्शन की सीमा को आगे बढ़ाती हैं।

फेज़्ड एरे अल्ट्रासोनिक टेस्टिंग (PAUT)

PAUT बहु-एलिमेंट प्रोब्स का उपयोग करता है, जो बीम को इलेक्ट्रॉनिक रूप से steer, focus और sweep कर सकते हैं, वह भी बिना प्रोब को यांत्रिक रूप से हिलाए। इससे इच्छित गहराई पर डायनेमिक फोकसिंग संभव होती है, छोटे दोष से आने वाले सिग्नल को मजबूत करने के लिए ध्वनि ऊर्जा को केंद्रित किया जाता है और सिग्नल-टू-नॉइज़ रेश्यो में उल्लेखनीय सुधार होता है। यह तकनीक पावर जनरेशन और ऑयल एंड गैस उद्योगों में महत्वपूर्ण वेल्ड्स के निरीक्षण के लिए अत्यंत मूल्यवान है।

इमर्शन टेस्टिंग और ऑटोमेटेड C-स्कैन

कम्पोनेंट और ट्रांसड्यूसर को पानी की टंकी में डुबोकर (इमर्शन टेस्टिंग) आदर्श और सुसंगत कपलिंग प्राप्त की जाती है। जब इसे ऑटोमेटेड स्कैनिंग सिस्टम के साथ संयोजित किया जाता है, तो यह विस्तृत C-स्कैन इमेज उत्पन्न करता है — मूल रूप से आंतरिक विशेषताओं का 2D मानचित्र। यह विधि जटिल सीएनसी प्रोटोटाइपिंग भागों में छोटे पोरोसिटी और इन्क्लूज़न का उत्पादन से पहले पता लगाने और उनके आकार को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए अत्यंत विश्वसनीय है, ताकि वे सुरक्षित रूप से मैस प्रोडक्शन सेवा चरण में जा सकें।

संक्षेप में, यद्यपि अल्ट्रासोनिक परीक्षण सैद्धांतिक रूप से 50 माइक्रोन से भी कम आकार के दोषों का पता लगाने में सक्षम है, लेकिन नियमित औद्योगिक निरीक्षण के लिए व्यावहारिक निम्न सीमा साधारणतः प्लानर दोषों के लिए लगभग 100–200 माइक्रोन और वॉल्यूमेट्रिक पोर्स के लिए इससे थोड़ा कम होती है। उच्चतम संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए उच्च आवृत्ति प्रोब्स, कम-नॉइज़ वाली सामग्रियाँ, उन्नत फेज़्ड एरे तकनीक और कम्पोनेंट की ज्यामिति तथा संभावित फेलियर मोड की गहन समझ का समन्वित उपयोग आवश्यक है।