Dichtheitsprüfung

Bei der Dichtheitsprüfung unterscheidet man im Wesentlichen zwei unterschiedliche Bereiche:

1. Dichtheitsprüfung/Lecksuche an installierten Systemen (Rohrleitungen, Speicher, Kühlanlagen, Vakuumanlagen, ...)

2. Dichtheitsprüfung an Komponenten und Systemen in der Serienproduktion (z.B. Heizkörper(-elemente), Gaszähler, Kraftstoff-Behälter, Kraftstofffilter, Bremsleitungen, Leichtmetallräder, Einspritzpumpengehäuse, ... diese Aufzählung kann nahezu beliebig fortgesetzt werden). Genrell gilt, dass im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall (Anforderungen, Randbedingungen) sehr sorgfältig geprüft werden muss, welche Prüftechnik am geeignetsten erscheint.

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Werker-Wasserbad-Prüfung/Blasentest

Die vermutlich älteste und auch heute noch weltweit am weitesten verbreitete Technik zur Dichtheitsprüfung in der Serienproduktion ist die sog. Werker-Wasserbad-Prüfung oder auch "Fahrradschlauch" Methode genannt. Dabei wird das zu prüfende Teil abgedichtet, mit (Über-)Druck beaufschlagt und in ein Wasserbecken getaucht. Existiert ein Leck, so kommt es zur (Luft-)Blasenbildung. Die entstehenden Luftblasen werden vom Werker/Prüfer "detektiert" und dabei gleichzeitig das Leck lokalisiert. Die Lokalisierung des Lecks stellt bei dieser Prüfmethode auch heute noch einen großen Vorteil des Prüfverfahrens dar. Da der Mensch bei dieser Prüfmethode die Entscheidung über dicht/undicht fällt ist diese Prüfmethode jedoch subjektiv und wird in der industriellen Fertigung, trotz ihrer Vorteile, zunehmend nicht mehr akzeptiert.

Differenzdruck-Prüfung

Bei der Differenzdruck-Prüfung wird das Prüfteil ebenfalls mit Druck beaufschlagt. Nach einer kurzen Beruhigungszeit wird das Teil von der Druckluftversorgung getrennt (Ventil geschlossen) und nach einer weiteren Messzeit die Druckdifferenz gemessen. Existiert ein Leck, so fällt der Druck ab. Die Differenzdruck-Prüfung zählt zu den kostengünstigen Methoden der werkerunabhängigen Dichtheitsprüfverfahren und ist dem entsprechend weit verbreitet. Die Differenzdruck-Prüfung ist ein indirektes Verfahren, da nicht die aus dem Leck austretende Stoffmenge/Substanz detektiert wird sondern die dadurch hervorgerufene Druckänderung. Zu den Nachteilen des Verfahrens gehören:

1. Volumenabhängigkeit: Das gleiche Leck verursacht bei unterschiedlichen Volumina unterschiedliche Druckänderungen. Währen bei einem sehr kleinen Volumen ein kleines Leck bereits eine größere Druckdifferenz hervor ruft, bewirkt das kleine Leck bei einem großen Messvolumen nahezu keine Druckänderung.

2. Temperaturabhängigkeit: Eine Temperaturänderung verursacht ebenfalls eine Druckänderung in einem abgeschlossenen Volumen. So kann z.B. eine Temperaturerhöhung zu einem Druckanstieg führen obwohl ein Leck vorhanden ist. Ebenso kann ein Temperaturabfall zu einem Druckabfall führen obwohl kein Leck vorhanden ist.

Ultraschall-Gasblasen-Detektion/Ultraschall-Leck-Test

Bei der Ultraschall-Gasblasen-Detektion übernimmt ein Ultraschallsystem die Detektion der bei einem Leck austretendem Luftblasen in der bereits oben beschriebenen Wasserbad-Prüfung. Dadurch wird das o.g. Verfahren objektiv und sensitiv. Über die Auswertung der Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender/Empfänger bis zu den Leckblasen können diese vom Ultraschall-Gasblasen-Detektionssystem lokalisiert werden. Damit gehört dieses Verfahren zu den wenigen automatischen Dichtheitsprüfverfahren mit Lokalisierungseigenschaft.

Dichtheitsprüfung mit Testgasen

Bei der Dichtheitsprüfung im Rahmen der (Hoch-) Vakuumtechnik wird ein Testgas eingesetzt, um Leckstellen an einer Vielzahl unterschiedlicher Prüflinge aufzufinden. Die Dichtheitsprüfung gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. Dichtheitsprüfungen werden in großem Maßstab in der industriellen Fertigung und Qualitätskontrolle eingesetzt.

Die Helium-Leckageprüfung kann sowohl qualitativ als auch quantitativ eingesetzt werden. Sie ist zusammen mit auf Radioaktivität basierenden Messverfahren das empfindlichste zerstörungsfreie Prüfverfahren und bietet darüber hinaus einen breiten dynamischen Bereich, ist also in der Lage sehr kleine und sehr große Leckagen zu detektieren. Als alternative zur Helium-Leckageprüfung steht die Leckageprüfung mit Schwefelhexafluorid (SF₆) zur Wahl, welches in der Handhabung wesentliche Vorteile gegenüber Helium hat, so kommt dieses Gas z.B. in der normalen Umgebungsluft nicht vor und die Prüfung kann unter normalem Atmosphärendruck stattfinden.

Weitere Begriffe für die Lecksuche sind Lecktest oder Leckprüfung.

Prinzip

Die Leckageprüfung mit einem Prüfgas beruht auf dem Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen dem Prüfling und dem Nachweisgerät. Dies kann durch Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks auf einer Seite des Prüflings im Vergleich zur anderen Seite oder einer Kombination von Druckerniedrigung und Druckerhöhung erreicht werden. Im Falle einer Leckage entsteht ein konstanter Gasstrom von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite. Befindet sich auf der Niederdruckseite ein Nachweisgerät für das strömende Gas, kann die Leckage qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden.

Als Prüfgase werden Wasserstoff (meist als Formiergas), Schwefelhexafluorid und vor allem Helium eingesetzt. Das Prüfgas Helium dominiert die Prüfgasmethoden, da es nur in geringer natürlicher Konzentration von etwa 5 ppm vorkommt. Als Edelgas geht es unter Normalbedingungen keine chemische Reaktionen ein und ist damit sehr betriebssicher. Bei der Prüfung kann es mit hoher Selektivität und ohne Querempfindlichkeit nachgewiesen werden.

Als Nachweisgerät wird dabei ein fest auf die Heliummasse 4 eingestelltes Massenspektrometer eingesetzt, das zusammen mit dem zugehörigen Gasverteilungs- und Vakuumsystem ein kompaktes Lecksuchgerät mit einfacher Bedienung bildet. In kommerziellen Helium-Lecksuchgeräten werden vorzugsweise magnetische Sektorfeldmassenspektrometer eingesetzt.

Helium-Lecksuchgeräte

Das Nachweisgerät ist ein magnetisches Sektorfeldmassenspektrometer. Ein Heizfaden oder Filament emittiert bei hohen Temperaturen Elektronen, die beschleunigt und in eine Ionisationskammer geleitet werden. In der Ionisationskammer werden die dort vorhandenen Gasmoleküle durch Elektronenstöße ionisiert. Damit werden aus elektrisch neutralen Gasteilchen positive Ionen. Diese positiven Ionen können nun durch eine Ziehelektrode abgesaugt und durch eine hohe Beschleunigungsspannung in ein Magnetfeld eingeschossen werden. Die Ionen beschreiben im Magnetfeld eine Kreisbahn, deren Radius von der Ionenmasse abhängig ist.

Diese Massenspektrometer können durchstimmbar aufgebaut werden, um ein Massenspektrum zu erzeugen. In Helium-Lecksuchgeräten werden die Spektrometer meist fest auf die Masse 4 für Helium eingestellt. Andere Bauformen erlauben den Nachweis auch von Masse 2 für molekularen Wasserstoff (H₂), und 3 für das speziell in der Kryotechnik wichtige Heliumisotop 3He.

Der Arbeitsdruck des Massenspektrometers liegt bei < 10-4 mbar. In kommerziellen Lecksuchgeräten ist das Massenspektrometer immer auch mit einem Vakuumsystem kombiniert, das mindestens aus einer mechanischen Vorpumpe, einer Hochvakuumpumpe, Druckmessgeräten sowie einer Reihe von druckabhängig gesteuerten Ventilen besteht. Stand der Technik ist ebenfalls ein integriertes Testleck, mit dem das Lecksuchgerät kalibriert werden kann.

Vor der Leckageprüfung muss sichergestellt sein, dass der Prüfling sauber und trocken ist. Ausgasungen durch Dämpfe oder Flüssigkeitsreste verlängern die Pump- und damit Prüfzeit. Die eingetragenen Verunreinigungen verkürzen die Standzeit des Messgeräts.

Die einzelnen Funktionen und Betriebszustände werden in der Folge am Beispiel einer Vakuumprüfung erklärt. Nach Einschalten des Lecksuchgeräts wird die Spektrometerzelle permanent leergepumpt. Damit wird Rest-Helium aus dem Messgerät entfernt und ein bestmögliches Signal-Rausch-Verhältnis sichergestellt.

Nach Anflanschen des Prüflings und Start des Testzyklus wird zunächst der Prüfling evakuiert. In diesem Betriebszustand sind Hochvakuumpumpe und Massenspektrometer abgesperrt.

Grobleck- oder Gegenstrommodus

Nach Erreichen einer bestimmten Druckschwelle werden Hochvakuumpumpe und Massenspektrometer wieder zugeschaltet. Das Prüfgas kann nun im Gegenstrom durch die Hochvakuumpumpe zur Analysenzelle gelangen.

Die Druckschwelle für diesen sogenannten Grobleck- oder Gegenstrommodus liegt bei kommerziellen Geräten zwischen etwa 1 und 25 mbar, bei Spezialgeräten bis zu 200 mbar. Zum Erreichen kurzer Pumpzeiten ist eine hohe Druckschwelle von Vorteil. Dies muss jedoch abgewogen werden gegen eventuelle Verunreinigungen (Wasserdampf, Reste von bei der Teilebearbeitung eingesetzten Flüssigkeiten), die noch aus dem Prüfling emanieren und abgepumpt werden müssen.

Das Grobleck- oder Gegenstromverfahren zeichnet sich durch einen geringen Zeitbedarf aufgrund kurzer Pumpzeiten und einem guten Schutz des Massenspektrometers bei Lufteinbruch (z.B. Implosion des Prüflings) aus. Nachteile sind die eingeschränkte Empfindlichkeit von ca. 10-7 bis 10-8 mbarl/s und eine langsame Ansprechzeit.

Feinleck- oder Hauptstrommodus

Um die maximale Empfindlichkeit des Lecksuchers ausnutzen zu können, muss weiter abgepumpt werden. Im sogenannten Feinleck- oder Hauptstrommodus wird eine direkte Verbindung zwischen dem Einlass des Lecksuchgeräts und dem Massenspektrometer hergestellt.

Um den Arbeitsdruck des Massenspektrometers nicht zu überschreiten, muss bei diesem Verfahren der Einlassdruck sehr niedrig sein. Bei den meisten kommerziellen Geräten liegt der maximale Einlassdruck im Feinleckmodus bei etwa 10-2 mbar. Einige Geräte auf dem Weltmarkt (z. B. adixen ASM142, ASMGraph) erreichen ihren empfindlichsten Messmodus mit maximaler Empfindlichkeit bereits bei einem Druck von ca. 0,5 mbar.

Das Feinleck- oder Hauptstromverfahrens zeichnet sich aus durch die höchste Empfindlichkeit von ca. 10-11 bis 10-12 mbarl/s und eine schnelle Ansprechzeit. Die Prüfergebnisse sind hervorragend reproduzierbar und der Prüfling ist gut geschützt vor zurückdiffundierenden Gasen aus der Vorpumpe (wichtig z. B. bei tiefkalten Prüflingen). Nachteile sind der höherer Zeitbedarf durch längere Pumpzeiten und ein schlechterer Schutz der Analysenzelle bei Lufteinbruch.

Neben den oben beschriebenen Vakuumverfahren wird auch beim Schnüffeltest das Prüfgas im Gegenstrom an das Massenspektrometer geleitet.

Anwendung

Die Helium-Leckageprüfung wird in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt. Dazu zählen:

• Automotive: Airbagzünder und Gasgeneratoren, Kraftstoffbehälter, Kompressoren und Kondensatoren für die Klimatechnik, Kraftstoffleitungen und -pumpen, Stoßdämpfer, Lüfter, Sensoren, Ölkühler

• Halbleiterindustrie: Massenflussregler, Integrierte Schaltkreise

• Vakuumsysteme: gasführende Leitungen, Gaskabinette, Teilchenbeschleuniger, Flachbildschirme

• Luft- und Raumfahrt: Hydraulik-Komponenten, Kreisel, Flügel, Raketen, Triebwerke und Kraftstoffsysteme

• Elektrik und Elektronik: Lampen, Röhren (Bildröhren, Elektronenröhren, Gasentladungsröhren), Transformatoren, Kraftwerke

• Medizintechnik: Herzschrittmacher, Katheter, Blutfilter

• Verpackungen, Fässer, Uhren, Lebensmittelverpackungen, Kältetechnik-Anlagen, analytische Geräte, etc.

Verfahren

Überdruckverfahren

Der Prüfling wird mit Helium oder einem heliumhaltigen Gasgemisch gefüllt, verschlossen und eventuell unter Druck gesetzt.

Im Falle einer Leckage, z. B. einer undichten Schweißnaht erzeugt das Druckgefälle vom Inneren des Prüflings zur Umgebungsluft einen Gasstrom durch den Leckkanal. An der Außenwand des Prüflings wird eine Schnüffelsonde mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von maximal 1 cm/s entlang bewegt. Passiert die Schnüffelsonde ein Leck, wird das angesaugte Helium am Lecksuchgerät angezeigt.

Der Strömungswiderstand der Schnüffelsonde und das Vakuumsystem des Lecksuchgeräts sorgen dabei für die nötige Druckuntersetzung von Atmosphärendruck auf den Betriebsdruck des Massenspektrometers, der unterhalb von 10E-4 mbar liegt.

Dieses sogenannte Schnüffelverfahren erlaubt eine hohe Ortsauflösung bei der Suche nach Leckagen und damit zweifelsfreie Identifikation fehlerhafter Stellen des Prüflings. Ein geringer Überdruck bedeutet auch nur geringe Krafteinwirkung auf dünne Wände eines Prüflings und erlaubt den Test fragiler Werkstücke.

In einer Variation des Verfahrens kann auch der Konzentrationsanstieg von Helium in einer Hülle um den Prüfling gemessen und ausgewertet werden.

Dieses Verfahren bietet zwar keine Ortsauflösung, aber eine quantitative Aussage, ob Leckagen vorliegen.

Die Heliumkonzentration im Prüfgas, der Prüfdruck und der natürliche Heliumuntergrund der Luft begrenzen die Empfindlichkeit des Analyseverfahrens. Die Nachweisgrenze liegt bei etwa 1,0x10-7 mbarl/s. Die Effizienz des Verfahrens ist abhängig vom Bediener und schwierig zu kalibrieren. Daher wird das Schnüffelverfahren meist als qualitatives Verfahren eingesetzt.

Lecksuchverfahren im Vakuum

Im einfachsten Fall wird der Prüfling an das Lecksuchgerät angeschlossen und evakuiert. Damit wird ein Differenzdruck von etwa einem bar erzeugt. Durch dieses Druckgefälle wird ein Gasstrom vom Umgebungsdruck in das Innere des Prüflings und damit zum Nachweisgerät erzeugt.

Bei diesem Verfahren bläst der Bediener das Helium an potentielle Leckstellen und kann Leckagen orten.

In einer Variation des Verfahrens wird der Prüfling evakuiert und das Testgas in eine Glocke eingelassen, die den Prüfling umhüllt.

Dieses Verfahren erlaubt zwar keine Ortsauflösung, aber eine rasche Aussage über das Vorhandensein von Leckagen und deren Quantifizierung. Damit ist diese Variante die Methode der Wahl bei automatisierten Prüfverfahren.

Bei der Leckageprüfung sollte immer die Druckrichtung simuliert werden, die im Praxiseinsatz des Prüflings vorherrscht. Damit ist auch ein Verfahren denkbar, bei dem das Innere des Prüflings mit einem heliumhaltigen Prüfgas beaufschlagt wird und die umhüllende Prüfkammer mit dem Lecksuchgerät verbunden ist.

Bombing

Viele Prüflinge sind in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut, das weder an eine Prüfgasversorgung noch an ein Lecksuchgerät angeschlossen werden kann. Beispiele sind Lampen sowie elektronische Komponenten wie Oberflächenwellenleiter oder Schwingquarze. Diese Prüflinge werden entweder in einer heliumhaltigen Atmosphäre verschlossen oder nachträglich einem Helium-Überdruck ausgesetzt. Letzteres geschieht in einer Druckkammer und wird als „Bombing“ bezeichnet. Das Prüfgas dringt durch eventuelle Leckagen in den Prüfling ein.

Der derart mit Testgas beaufschlagte Prüfling wird nun in eine Vakuumkammer verbracht, die direkt mit dem Nachweisgerät verbunden ist.

Das innere Volumen des Prüflings, die Abdrückzeit, der Differenz- oder Bombingdruck, die Wartezeit zwischen Abdrücken und Prüfung und die Größe der Leckage bestimmen den Informationsgehalt der Prüfung. Bei zu langen Wartezeiten kann das Helium durch Diffusion wieder aus dem Prüfling austreten und das Messergebnis irrelevant werden.

SF6 -Lecksuchgeräte

Die laseroptischen Dichtheitsprüfsysteme arbeiten optisch mittels Laserstrahlung. Als Testgas wird bei diesen optischen Dichtheitsprüfsystemen häufig das Inertgas Schwefelhexafluorid (SF₆) verwendet, als Laser ein darauf abgestimmter CO₂-Wellenleiterlaser.

Laseroptische Dichtheitsprüfsysteme sind letztendlich auf Grund des völlig unkritischen Vakuumenddrucks bzw. der Möglichkeit auch bei Atmosphärendruck das Nachweissystem betreiben zu können, sehr ökonomisch und robust gegenüber verschmutzten oder feuchten Prüflingen. Die gesamte Prüfanlage kann üblicherweise mit normalen Pneumatik-Artikeln wie Ventilen und Kunststoff-Schläuchen aufgebaut werden. Zum Abdichten genügen gewöhnliche O-Ringe, als Vakuumpumpe ist in der Regel eine einfache ölgedichtete Drehschieberpumpe ausreichend. Auch brauchen keine besonderen Vorkehrungen gegenüber Groblecks getroffen werden, da die Nachweiskammer des Lasersystems sehr schnell und effektiv bei Atmosphärendruck gespült werden kann. SF₆ gilt jedoch als Treibhausgas und kommt daher nicht mehr so häufig zur Anwendung.

Literatur

• Jobst H. Kerspe et al.: Vakuumtechnik in der industriellen Praxis. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. 1993, expert Verlag, ISBN 3-8169-0936-1
• Max Wutz et al.: Handbuch Vakuumtechnik. 7., erweiterte Auflage. 2000, vieweg Verlag, ISBN 3-528-54884-3
• L. Hütten (Übs): Praxis der Dichtheitsprüfung mit Helium. 1974, Alcatel Hochvakuum Technik GmbH, Selbstverlag

Siehe auch:

• Dichtheit
• Violet Wand

Lecksuche in der Raumfahrt

Da das bisher in Space Shuttles verwendete Ultraschallgerät für die Detektion eines Loches in der Aussenhaut bis zu einer Woche benötigte, wird nun ein neuer Sensor erprobt. Er besteht aus 64 kleinen Messfühlern und misst die akustische Schwingungen (Vibrationen) im Raumfahrzeug selbst, die die ausströmende Luft erzeugt. Ein Computer errechnet daraus innerhalb von einer Minute die Position der Fehlstelle. (Dale Chimenti, University of Iowa, 2007)