Helium 101: Spuren optimal nutzen

Tabelle 1: Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Tabelle 3: Die gebräuchlichsten Testmethoden für Spurengase

Tabelle 2: Die gängigsten Lecksucher

Abbildung 4: Luftströmungs-CFD-Analyse von Teilen in einer Sammelkammer zur Kartierung toter Winkel

Abbildung 3: Akkumulationslecktestsysteme

(links) Abbildung 5: Trägergas-Testsystem

(rechts) Abbildung 6: Stickstoffspültechnologie

Die Helium-Leckprüfung ist eines der ältesten und am weitesten entwickelten Mitglieder der Familie der auf Spurengasen basierenden Dichtheitsprüfungsmethoden. Auch wenn der Titel das Wort „Helium“ enthält, soll dieser Artikel einen Überblick über Spurengasmethoden im Allgemeinen geben.

Spurengasmethoden messen Leckagen direkt, das heißt, sie zielen darauf ab, die aus dem Prüfling austretende Materialmenge zu ermitteln. Dies steht im Gegensatz zu anderen, nicht auf Spurengasen basierenden Methoden, die die Auswirkungen des Lecks messen (wie es bei der Druckabfall-Leckprüfung der Fall ist). Aus diesem Grund sind diese Methoden im Allgemeinen in der Lage, sehr kleine Lecks zu messen und können zum Testen großer oder komplexer Teile verwendet werden, da das Teilvolumen keinen direkten Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Tests hat.

Helium ist seit vielen Jahren das am häufigsten verwendete Spurengas. In den letzten Jahrzehnten zwangen gelegentliche Engpässe und steigende Preise die Dichtheitsprüfbranche dazu, nach Alternativen wie einem Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, SF6 und verschiedenen Kältemitteln zu suchen.

Das ideale Spurengas sollte:

In dieser Liste gibt es mit Ausnahme der letzten beiden keine Entsprechung für Helium. Aufgrund seiner Umgebungspräsenz in der Atmosphäre von 5 ppm, seiner inerten Natur und seiner sehr kleinen Atomabmessungen ist es ideal für den Einsatz als Spurengas geeignet.

Sehen wir uns die häufig verwendeten Prüfmethoden auf Spurengasbasis an, indem wir uns zunächst ansehen, wie ein Leckprüfsystem aufgebaut ist.

Spurengas-Lecktester bestehen aus zwei Hauptkomponenten:

Die Genauigkeit der Dichtheitsprüfung hängt stark von der Konzentration und Homogenität des Spurengases im Inneren des Teils ab. Die häufigste Herausforderung besteht darin, dass Teile meist Luft enthalten, wenn sie in die Dichtheitsprüfstation gelangen. Wenn das Teil vakuumfähig ist, ist die Evakuierung dieser Restluft mithilfe einer speziellen Vakuumquelle (Vakuumpumpe, luftbetriebener Vakuumerzeuger usw.) die beste Möglichkeit, eine hohe Spurengaskonzentration sicherzustellen. Wenn dies nicht möglich ist, besteht die andere Möglichkeit darin, Spurengas durch das Teil strömen zu lassen (vorzugsweise an einer Stelle austreten zu lassen, die am weitesten vom Ladeanschluss entfernt ist). Die letztere Methode kann den Spurengasverbrauch erheblich erhöhen und ist normalerweise die letzte Wahl.

Eine typische Ladesequenz besteht aus Folgendem:

Das Gasmanagement, insbesondere während der Abgasphase, ist sehr wichtig: Hohe Spurengaskonzentrationen vom Lecksuchsystem fernzuhalten, ist die beste Möglichkeit, die Wiederholbarkeit der Testergebnisse sicherzustellen.

Füllsysteme können von einigen wenigen manuellen Ventilen an einem Verteiler, der manuell über eine Testleitung mit dem Testteil verbunden wird, bis hin zu vollautomatischen Ventilsteuerungen und Teilenverbindungswerkzeugen reichen.

Ein robustes und zuverlässiges Werkzeugdesign ist sehr wichtig, insbesondere im Fall der Teileverbindung(en). Dies liegt daran, dass etwaige Lecks zu den Teileleckagen hinzukommen und sehr leicht zu falschem Ausschuss führen können.

Die wichtigste Komponente dieser Systeme ist der Leckdetektor. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten – die Auswahl der richtigen erfordert eine sorgfältige Abwägung der Testanforderungen und der Kosten. Einige der am häufigsten verwendeten Detektortypen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Die Empfindlichkeit des Lecksuchgeräts bestimmt den Leckratenbereich, der erkannt werden kann. Abhängig von der Testmethode entspricht die volle Reichweite des Lecksuchgeräts möglicherweise nicht der Erkennungsreichweite des Testsystems. Bei den meisten Erkennungssystemen führt der Leckdetektor eine Unterprobe des Gases durch und ein Teil des Spurengassignals geht verloren. Ein typisches Beispiel wäre ein Hartvakuum-Lecktestsystem, bei dem das Helium-Massenspektrometer nur einen Teil des in die Vakuumkammer eindringenden Heliums erkennt.

Nehmen Sie zum Beispiel eine größere Vakuumkammer wie einen Kraftstofftanktester. Von einem Leck von 10-5 std.cm3/s in die Vakuumkammer erreichen aufgrund des Signalverlusts durch die Kammerevakuierungspumpen nur 10-7 std.cm3/s das Massenspektrometer.

Weitere wichtige Teile des Detektionssystems sind die Sammelbereiche (Vakuumkammer und Pumpen, Akkumulationskammer usw.), die Probenahmekreise und alle zugehörigen Geräte, die Zusatzfunktionen bereitstellen (z. B. Trägergaskreisläufe). Diese werden im Abschnitt zu den einzelnen Testmethoden näher erläutert.

Tabelle 3 fasst die gängigsten spurengasbasierten Methoden zusammen mit ihren Fähigkeiten, den damit verbundenen Systemkosten und Wartungsanforderungen zusammen.

Dies ist die traditionellste und genaueste Testmethode. Es ist in der Lage, sehr kleine Lecks zu messen, in einigen Fällen bis zu einem Wert von 10-9 std.cm3/s. Das Teil wird in eine Vakuumkammer gelegt, die wiederum mithilfe einer oder mehrerer Vakuumpumpen evakuiert wird. Sobald in der Kammer ein ausreichend niedriger Druck herrscht, wird das Massenspektrometer oder der Restgasanalysator an die Kammer angeschlossen. Wenn der Spurengaspegel in der Kammer so niedrig ist, dass der Test beginnen kann, wird das Teil mit Spurengas unter Druck gesetzt und für die Dauer des Tests unter Druck gehalten. Der Spurengasgehalt in der Kammer wird kontinuierlich überwacht und bei Überschreitung eines kritischen Grenzwerts wird das Prüfteil aussortiert.

Dies ist eine sehr ausgereifte Technologie. In das System sind zahlreiche Schutzmaßnahmen integriert, um Fehlfunktionen kritischer Systemkomponenten zu erkennen. Die Zykluszeiten können nur 20 bis 30 Sekunden betragen, was es zur schnellsten verfügbaren Testmethode macht.

All dies hat natürlich seinen Preis – Hartvakuumsysteme sind in der Regel die teuersten und erfordern die fachmännischste Wartung. Genau wie bei Fahrzeugen trägt eine kleine regelmäßige Wartung wesentlich dazu bei, dass die Tester betriebsbereit bleiben. Heutzutage sind viele Hartvakuum-Leckprüfgeräte im Einsatz, die über 30 Jahre alt sind, mehrfach umgerüstet wurden und immer noch so zuverlässig wie eh und je laufen.

Warum Helium verwenden? Ungefähr 99 % der Hartvakuum-Lecksuchgeräte verwenden Helium, einfach aufgrund der breiten Verfügbarkeit von Helium-Massenspektrometer-Lecksuchgeräten, die in den letzten Jahrzehnten „industrialisiert“ wurden. Die Verwendung von Wasserstoff im Vakuum ist bestenfalls eine Herausforderung, da die meisten am häufigsten verwendeten Metalle die großen Mengen an Wasserstoff, die sie während des Herstellungsprozesses absorbiert haben, ausgasen. Dadurch entstehen so hohe instabile Hintergrundpegel, dass die Erkennung kleiner Lecks unmöglich wird. Andere Gase wie Kältemittel werden verwendet, wenn der Leckdetektor ein Restgasanalysator (RGA) ist. Hierbei handelt es sich um ein vollwertiges Massenspektrometer, das Gase in einem weiten Bereich von Atommasseneinheiten (AMUs) analysieren kann.

Das häufigste Problem bei Hartvakuum-Testgeräten ist die Notwendigkeit, ein Hochvakuumsystem aufrechtzuerhalten, das mit einer sehr hohen Frequenz arbeitet und manchmal alle 30 Sekunden zwischen atmosphärischem Druck und Hochvakuum wechselt.

Wie der Name schon sagt, misst die Akkumulationsmethode das angesammelte Spurengas in einem geschlossenen Volumen. Genauer gesagt überwacht es die Konzentration des Spurengases in der Prüfkammer über die Zeit. Die Änderungsgeschwindigkeit der Konzentration steht in direktem Zusammenhang mit der Leckrate: Je höher die Leckrate, desto schneller steigt die Konzentration. Einige Systeme berechnen die Änderungsrate in sehr kurzen Zeitintervallen und liefern so etwas, das einem Live-Leckratenwert nahekommt. Andere warten die Dauer des Tests ab und schauen einfach auf die Gesamtkonzentrationssteigerung.

Es ist sehr wichtig sicherzustellen, dass das System nicht aus irgendeinem Grund seine Empfindlichkeit verliert. Um die Testintegrität zu überprüfen, erfordern einige Systeme die regelmäßige Ausführung eines Challenge-Teils (eines bekannten Lecks). Die andere Möglichkeit ist die Verwendung eines sogenannten Hintergrundlecks. Hierbei handelt es sich um ein Leck, das ständig mit der Prüfkammer verbunden ist und am Ende des Tests erkannt werden muss, damit der Test erfolgreich ist.

Dieses Hintergrundleck beträgt typischerweise 10–20 % des Ausschussniveaus. Es handelt sich nicht nur um eine „Gesundheitsprüfung“ am Ende des Tests, sondern beseitigt auch das Problem von Randteilen. Wenn ein Teil bei 90 % der Ausschussgrenze undicht ist, führt das Hinzufügen eines Hintergrundlecks von 20 % dazu, dass das Teil zurückgewiesen wird. Der Grad des Hintergrunds sollte unter Berücksichtigung einer Reihe von Faktoren (Variation in den Teilen, Unsicherheit der Testparameter usw.) bestimmt werden.

Die Luft in der Sammelkammer wird normalerweise mit Ventilatoren bewegt oder indem dem System ein Luftumwälzkreislauf hinzugefügt wird. Der Vorteil des Rezirkulationsansatzes besteht darin, dass ein geschlossener Luftstromkreislauf entsteht, durch den irgendwann die gesamte Kammeratmosphäre zirkulieren muss. Durch die Probenahme im Umwälzkreislauf kann sichergestellt werden, dass die gesamte Luft in der Kammer entnommen wird.

Wie bei allen atmosphärischen Lecktestmethoden ist es sehr wichtig, die Luftströmungsmuster innerhalb der Kammer zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass es keine „toten Winkel“ oder Bereiche gibt, in denen der Luftstrom um das Teil herum eingeschränkt ist.

Warum Helium verwenden? Die einfache Antwort lautet: Das müssen Sie nicht. Nach dem Schnüffeln war der Akkumulationstest die zweite Methode, um in das Nicht-Helium-Lager vorzudringen. Formiergas (eine allgemein verfügbare Mischung aus 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff) kann erfolgreich als Spurengas verwendet werden, sofern die Hintergrundwerte gut kontrolliert werden. Wenn die Testumgebung frei von Quellen ist, die Kohlenwasserstoffe ausstoßen (z. B. erdgasbetriebene Gabelstapler), ist Formiergas eine hervorragende Alternative.

Akkumulationstester liefern in der Regel keine Echtzeitinformationen zur Leckrate und weisen außerdem eine relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Hintergrundwerte von Spurengasen in der Atmosphäre in und um die Akkumulationskammer auf.

Bei kleineren Teilen kann stattdessen eine Trägergas-Leckprüfung durchgeführt werden. Bei dieser Methode reichert sich das Spurengas nicht im Testvolumen an. Vielmehr wird ein spurengasfreier Gasstrom (z. B. Stickstoff) verwendet, um die Kammer zu spülen. Das aus der Kammer austretende Trägergas wird vom Leckdetektor abgetastet und durch Messung der Konzentration des Spurengases im Trägerstrom kann die Leckrate des Testteils berechnet werden.

Die gleichen Vorsichtsmaßnahmen wie bei Akkumulationstests (z. B. das Hinzufügen eines Hintergrundlecks) werden dringend empfohlen.

Der große Vorteil dieses Tests gegenüber der Akkumulation besteht in zweierlei Hinsicht: Er liefert Leckinformationen in Echtzeit und eliminiert die Hintergrundabhängigkeit der Akkumulation.

Die Herausforderung besteht darin, dass die Größe der Prüfkammer und die nachweisbare Leckrate miteinander verknüpft sind. Je größer die Prüfkammer, desto höher ist der erforderliche Durchfluss, um sicherzustellen, dass alle Bereiche zeitnah beprobt werden. Ein höherer Trägergasfluss verdünnt jedoch das Spurengassignal und erschwert die Messung.

Diese Methode wird normalerweise für kleinere Teile oder Baugruppen angewendet.

Warum Helium verwenden? Auch hier lautet die Antwort: Normalerweise ist dies nicht notwendig. Diese Methode eignet sich problemlos für die Verwendung anderer Spurengase, sofern der Lecksucher über einen ausreichend hohen Probenfluss verfügt.

Die Trägergasprüfung eignet sich gut für die Prüfung von Bereichen größerer Teile. Die Herausforderung liegt in der Versiegelung. Die Technik setzt eine gut abgedichtete Testkammer voraus, die verhindert, dass potenziell kontaminierte Luft den Test beeinträchtigt. Das Erreichen dieses Siegels in einer Produktionsumgebung ist nicht immer praktikabel oder überhaupt möglich.

Die Methode der Stickstoffspültechnologie beseitigt dieses Problem. Durch die Verwendung eines spurengasfreien Gases als Dichtung zwischen der Prüfkammer wird die Isolierung der Prüfkammer von der Außenwelt zu einer geringeren Herausforderung.

Zu Beginn des Tests wird die Kammer mit einem hohen Stickstoffstrom gespült. Dadurch wird die atmosphärische Luft herausgedrückt. Durch die Aufrechterhaltung eines Gas-„Vorhangs“ um den Umfang der Kammer bleibt die Luft während der Dauer des Tests fern, wodurch Hintergrundprobleme vermieden werden.

Ursprünglich waren Schnüffler Zubehör zu einer der oben beschriebenen Methoden und wurden hauptsächlich zur Leckortung eingesetzt. In den letzten Jahren, da die gesamte Branche immer kostenbewusster geworden ist und mit dem Vormarsch der Robotik, hat das Schnüffeln als Methode zur Leckquantifizierung an Bedeutung gewonnen.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Schnüffeloperation ist das Gasmanagement. Alle möglichen Spurengasquellen in der Umgebung müssen beseitigt werden und es muss jederzeit ausreichend Frischluft zur Verfügung stehen. Bei vielen Anwendungen handelt es sich um eine sogenannte Schnüffelkabine, die den Testbereich vom Rest der Produktionsfläche isoliert.

Genau wie bei mittelalterlichen Herrschern war der Nachfolgeprozess von Helium eine turbulente Angelegenheit. Zum jetzigen Zeitpunkt wurde kein allgemein akzeptabler Ersatz für die spurengasbasierte Leckprüfung gefunden. Aufgrund seiner relativ geringen Umgebungspräsenz in der Atmosphäre, seiner inerten Natur und seiner sehr kleinen Atomgröße ist Helium ideal für den Einsatz als Spurengas geeignet. Durch den Einsatz der richtigen Rückgewinnungsmethoden kann Helium trotz gelegentlicher Schwierigkeiten bei der Beschaffung immer noch die beste Lösung sein.

Ich hoffe, dass dieser Artikel als geeignete Einführung für diejenigen unter Ihnen gedient hat, die neu in der Helium-Leckprüfung sind, um deren Vorteile, die häufig verwendeten Prüfmethoden auf Spurengasbasis und die Frage, wie man am besten eine zuverlässige und wiederholbare Prüfung erhält, besser zu verstehen prüfen.

Peter Bonyhati ist Systemingenieur bei Cincinnati Test Systems (CTS). CTS ist Teil der Produktintegritätsorganisation der TASI-Gruppe, zusammen mit den Partnerunternehmen CTS-Schreiner aus Deutschland und Sciemetric aus Kanada. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.cincinnati-test.com.