So wählen Sie die passande Dichtheitsprüfmethode in der HLK-Fertigung

Ein Überblick über Dichtheits- und Lecksuchverfahren, ihre Stärken und Herausforderungen.

Eines der ältesten - und nach wie vor weit verbreiteten - Verfahren ist die Prüfung im Wasserbad, auch bekannt als Blasenprüfung. Das Prinzip ist einfach: Das Bauteil wird unter Druck gesetzt und in Wasser getaucht, und der Prüfer beobachtet, ob Blasen an die Oberfläche steigen. Die Logik dahinter ist einleuchtend - ähnlich wie bei der Überprüfung eines Fahrradreifens auf Löcher.
In der Praxis lassen sich mit dem Wasserbad-Test Leckraten bis hinunter zu etwa 5×10⁻² mbar l/s nachweisen, was sich als langsamer, aber sichtbarer Blasenstrom zeigt. Bei einer Leckrate von 1×10⁻⁴ mbar l/s verlangsamt sich die Blasenbildung jedoch extrem - es dauert etwa 30 Sekunden, bis eine einzelne Blase erscheint.
Obwohl die theoretische Nachweisgrenze noch niedriger liegt, verschlechtert sich diese unter realen Bedingungen je nach Geometrie des Prüflings erheblich. Eine Luftblase, die in offenem Wasser ungehindert aufsteigen würde, kann sich von einem Bauteil mit komplexer Form nur schwer lösen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Methode nicht für Bauteile verwendet werden kann, die nicht mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen dürfen.
Schließlich gibt es noch den menschlichen Faktor: Ob Blasen überhaupt erkannt werden, hängt stark von der Aufmerksamkeit und der Tagesform des Bedieners ab. Daher ist das Risiko von falsch-negativen Ergebnissen bei der Wasserbadmethode relativ hoch.

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Die Schaumprüfung ist eine gängige Methode zur Dichtheitsprüfung von Prüfteilen. Das Verfahren ist einfach: Das Prüfteil wird mit Luft - oder einem anderen Gas - unter Druck gesetzt und anschließend mit einer schäumenden Flüssigkeit besprüht. Der Sprühnebel wird auf die Bereiche konzentriert, an denen Undichtigkeiten am wahrscheinlichsten sind.

Es gibt drei Hauptverfahren zur Lecksuche durch Überwachung von Druckänderungen: die Druckabfallprüfung, die Differenzdruckprüfung und die Druckanstiegsprüfung. Alle drei Verfahren werden häufig für die integrierte Dichtheitsprüfung eingesetzt, wobei das Druckabfallverfahren in der Industrie am weitesten verbreitet ist.

Druckabfallprüfung

Bei einem Druckabfalltest wird ein Bauteil auf einen festgelegten Überdruck befüllt, man lässt ihn sich stabilisieren und überwacht ihn anschließend auf einen eventuellen Druckabfall. Ein sinkender Druck deutet auf ein Leck hin. Während die theoretische Nachweisgrenze bei etwa 1×10⁻³ mbar l/s liegt, liegt die Empfindlichkeit in der Praxis aufgrund von Temperaturschwankungen meist näher bei 1×10⁻² mbar l/s. Temperaturschwankungen können Druckänderungen verursachen, die ein Leck vortäuschen oder ein tatsächliches Leck verdecken.

Differenzdruckprüfung

Bei der Differenzdruckprüfung wird die Empfindlichkeit erhöht, indem das Prüfteil mit einem leckdichten Referenzprüfteil verglichen wird. Dieser Ansatz ermöglicht es, selbst geringe Druckunterschiede zu erkennen, wobei die theoretische Grenze bei 1×10⁻⁴ mbar l/s und die praktischen Werte bei etwa 1×10⁻³ mbar l/s liegen.

Druckanstiegsprüfung

Die Druckanstiegsprüfung wird für vakuumdichte Bauteile eingesetzt. Im Inneren des Bauteils wird ein Vakuum erzeugt, und die Geschwindigkeit, mit der der Druck ansteigt, gibt die Leckrate an. Obwohl die theoretische Empfindlichkeit bei 1×10⁻⁴ mbar l/s liegt, werden in der Praxis in der Regel Lecks im Bereich von etwa 1×10⁻³ mbar l/s erkannt.

Zusammen bieten diese drei Methoden zuverlässige Optionen für die integrierte Dichtheitsprüfung in industriellen Anwendungen, doch bei der Auswahl der geeigneten Methode müssen praktische Einschränkungen wie Temperatureinflüsse, Geräteaufbau und Bauteilbeschränkungen berücksichtigt werden.

Helium ist das am häufigsten verwendete Spurengas. Da es chemisch inert, ungiftig und nicht brennbar ist und eine niedrige Molekülmasse von 4 aufweist, eignet es sich besonders gut für Dichtheitsprüfungen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist seine geringe Hintergrundkonzentration: Helium kommt in der Luft von Natur aus nur in einer Konzentration von etwa 5 ppm vor.

Bei der integralen Helium-Dichtheitsprüfung in einer Vakuumkammer wird das Prüfobjekt manuell oder automatisch, beispielsweise mittels eines Roboterarms, in die Kammer eingebracht. Eine Pumpe erzeugt ein Vakuum, und das Prüfobjekt wird zunächst evakuiert und anschließend mit Helium als Tracergas befüllt. Obwohl dieses Verfahren aufgrund der strengen Dichtheitsanforderungen und der Kosten für die Vakuumpumpe vergleichsweise aufwendig ist, bietet es wichtige Vorteile.

Die Heliumprüfung in einer Vakuumkammer ist die empfindlichste aller Tracergasverfahren. Die zur Detektion eingesetzten Massenspektrometer können unter optimalen Bedingungen Leckraten bis hinunter zu 1×10⁻¹² mbar l/s messen. Das Vakuumverfahren eignet sich besonders gut für Inline-Prüfungen in automatisierten Produktionsprozessen, bei denen jedes gefertigte Teil einer integrierten Dichtheitsprüfung unterzogen wird. Kurze Prüfzyklen und schnelle Durchlaufzeiten sind wesentliche Vorteile, insbesondere in vollautomatisierten Betrieben. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Empfindlichkeit oft eine deutliche Reduzierung der Heliumkonzentration, beispielsweise auf nur 10 %, wodurch die Prüfgaskosten entsprechend gesenkt werden.

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Die Dichtheitsprüfung in einer Akkumulationskammer ist ebenfalls ein auf Spurengas basierendes Verfahren und daher sehr genau, jedoch deutlich kostengünstiger als die Prüfung in einer Vakuumkammer. Bei dieser Methode wird das Prüfteil in eine eher einfache Akkumulationskammer gebracht, die deutlich weniger strenge Dichtheitsanforderungen erfüllen muss als eine Vakuumkammer.
Das Prüfteil wird mit einem Prüfgas befüllt - entweder mit Helium oder Formiergas (5 % Wasserstoff in Stickstoff). Das Prüfgas entweicht dann durch etwaige Lecks im Prüfteil. Die Leckrate wird berechnet, indem ermittelt wird, wie viel Prüfgas über einen definierten Zeitraum durch das Leck entweicht und sich in der Kammer ansammelt. Um sicherzustellen, dass sich das entweichende Gas gleichmäßig in der Akkumulationskammer verteilt, werden in der Regel Ventilatoren eingesetzt.

Während der Test in einer Vakuumkammer nur zwei bis drei Sekunden dauert, nimmt die Prüfung in einer einfachen Akkumulationskammer etwa fünfmal so lange in Anspruch. Allerdings erfordert der Vakuumtestzyklus auch Zeit für die Evakuierung, was bei der Akkumulationsmethode nicht erforderlich ist. Im Vergleich zum schnelleren Vakuumtest bietet die Akkumulationsmethode den Vorteil, dass die Kosten zwei- bis viermal niedriger sind.

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Die sogenannte Schnüffellecksuche mit Prüfgasen dient meist dazu, die exakte Lage eines Lecks zu lokalisieren. Nicht selten schließt sich die Schnüffellecksuche darum an eine negativ verlaufene integrale Dichtheitsprüfung an. Sind Komponenten bereits vorgeprüft und montiert, kann die Schnüffellecksuche allerdings auch dazu dienen, in der Endmontage die Dichtheit der Verbindungsstellen zu prüfen, etwa in End-of-Line-Tests.

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