Helium Lecktest für hochdichte und sicherheitsrelevante Systeme

Helium Lecktest – Prüfprinzip und Einsatzgebiete

Ein Helium Lecktest ist ein hochsensitives Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Bauteilen und Systemen, bei denen sehr kleine Leckraten sicher nachgewiesen werden müssen. Typische Anwendungen liegen in der Luft- und Raumfahrt, der Halbleiter- und Elektronikindustrie, der Medizintechnik, der Pharma- und Lebensmittelindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau sowie in Forschungseinrichtungen.

Helium wird als Tracergas eingesetzt, da es eine sehr geringe Molekülgrösse besitzt, chemisch inert ist und in der Umgebungsluft nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommt. So lassen sich selbst kleinste Austrittsmengen eindeutig vom Hintergrund unterscheiden.

Prüfprinzip: Helium als Tracergas und Massenspektrometrie

Beim Helium Lecktest wird der Prüfling mit Helium beaufschlagt oder in eine heliumhaltige Atmosphäre gebracht. Tritt Helium durch Leckstellen aus oder in den Prüfling ein, wird es von einem Massenspektrometer nachgewiesen. Dieses misst den Helium-Partialdruck und ermöglicht eine quantitative Bestimmung der Leckrate.

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Vorgehensweisen:

• Vakuumverfahren: Der Prüfling oder die Prüfanordnung wird evakuiert, sodass ein definiertes Druckgefälle für den Gasaustritt oder -eintritt entsteht. Das Massenspektrometer arbeitet im Hochvakuum und erreicht sehr niedrige Nachweisgrenzen.
• Überdruck- bzw. Schnüffelverfahren: Der Prüfling wird unter Überdruck mit Helium gefüllt, während eine Schnüffelsonde an der Aussenseite geführt wird. Tritt Helium aus Leckstellen aus, wird es lokal detektiert.

Prüfverfahren im Detail

Je nach Aufgabenstellung kommen verschiedene Helium-Lecktestverfahren zum Einsatz. Diese unterscheiden sich hinsichtlich Empfindlichkeit, Prüfzeit, Integralaussage und Lokalisierungsfähigkeit von Leckstellen.

• Integrallecksuche: Die Gesamtleckrate eines geschlossenen Systems wird bestimmt. Der Prüfling wird meist in einer Vakuumkammer geprüft; das einströmende Helium wird integrativ gemessen, ohne einzelne Leckstellen zu lokalisieren.
• Lokale Lecksuche: Ziel ist die Ortung einzelner Lecks. Hierzu wird die Prüflingsoberfläche mit einer Schnüffelsonde oder Helium-Sprühsonde abgefahren, während das Messsystem kleinste Heliumspuren detektiert.
• Bombing-Methode: Das Bauteil wird über einen definierten Zeitraum in einer Kammer unter Helium-Überdruck ausgesetzt. Anschliessend wird es in einer Vakuumkammer geprüft, ob zuvor eingedrungenes Helium wieder austritt.
• Vakuumkammerprüfung: Der Prüfling wird in eine evakuierte Kammer eingebracht und von aussen mit Helium beaufschlagt oder im Prüfling selbst wird Helium freigesetzt. Das in die Kammer einströmende Helium wird mit dem Massenspektrometer gemessen.
• Schnüffelprüfung: Der Prüfling ist mit Helium unter Betriebs- oder Testdruck gefüllt. Eine Schnüffelsonde wird entlang kritischer Bereiche geführt und lokalisiert austretendes Helium an Verbindungselementen, Schweißnähten oder Dichtungen.

Messgrössen, Leckrate und Bewertung

Die zentrale Messgrösse beim Helium Lecktest ist die Leckrate, typischerweise in der Einheit mbar·l/s angegeben. Sie beschreibt das Gasvolumen, das pro Zeit über ein Leck strömt, bezogen auf einen definierten Druckunterschied. Die Anforderungen reichen – je nach Anwendung – von relativ grossen Lecks bis hin zu extrem kleinen Leckraten im Bereich moderner Helium-Leckdetektoren.

Für die Bewertung sind unter anderem folgende Aspekte entscheidend:

• Leckrate in mbar·l/s unter definierten Prüfbedingungen
• Nachweisgrenze des Messsystems und des verwendeten Prüfszenarios
• Abnahmekriterien bzw. Grenzwerte laut Spezifikation, Norm oder Kundenvorschrift
• Stabilität und Reproduzierbarkeit der Messung, zum Beispiel Drift des Messgeräts oder Temperaturabhängigkeiten
• Vergleichbarkeit von Messergebnissen mit Referenzlecks oder kalibrierten Standards

Die Festlegung der zulässigen Leckrate erfolgt anwendungs- und risikobasiert, häufig unter Berücksichtigung einschlägiger Richtlinien und Normen zur Dichtheitsprüfung und Qualitätssicherung.

Prüfausrüstung für Helium Lecktests

Die Prüfausrüstung ist modular aufgebaut und wird an Bauteilgeometrie, geforderte Leckraten und Produktionsumfeld angepasst. Typische Komponenten sind:

• Massenspektrometer-Lecksuchgerät mit Hochvakuumeinheit für Helium-Partialdruckmessung
• Vakuumpumpen zur Erzeugung der erforderlichen Druckbereiche
• Dicht- und Vakuumkammern für Integralprüfungen oder Bombing-Verfahren
• Heliumgasversorgung in Form von Gasflaschen, Gasgemischen oder zentralen Versorgungssystemen
• Prüfvorrichtungen, Aufnahmen und Adapter zur sicheren Anbindung unterschiedlicher Bauteilgeometrien
• Schnüffel- und Sprühsonden für lokale Lecksuche an Baugruppen, Leitungen oder Schweissnähten

Randbedingungen und Einflussfaktoren

Für zuverlässige und reproduzierbare Messergebnisse müssen relevante Randbedingungen kontrolliert werden. Wichtige Einflussfaktoren sind:

• Reinheit des Prüfgases und Sauberkeit der Prüflingsoberflächen
• Temperatur von Umgebung, Prüfling und Prüfgas, da sie Strömungsverhalten und Heliumdiffusion beeinflusst
• Materialeigenschaften des Prüfobjekts, zum Beispiel Permeation, Porosität und Oberflächenbeschaffenheit
• Prüfung unter Betriebsdruck oder definiertem Testdruck, inklusive Druckrampe und Haltezeiten
• Bauteilgeometrie, Wandstärken und Innenvolumen, die sich auf Füllzeiten und Stabilisierung der Messwerte auswirken
• Vorbehandlung des Prüflings, etwa Trocknung, Evakuierung oder Degassing, um virtuelle Lecks zu vermeiden

Branchen und typische Anwendungen

Der Helium Lecktest wird in zahlreichen Branchen eingesetzt, in denen höchste Dichtheitsanforderungen bestehen oder sicherheitskritische Funktionen gewährleistet sein müssen.

• Luft- und Raumfahrt: Treibstoffleitungen, Tanks, Hydrauliksysteme, Satelliten- und Raumfahrtsysteme mit sehr hohen Dichtheitsanforderungen.
• Halbleiter- und Elektronikindustrie: Hermetische Gehäuse, Optoelektronik, Vakuumkomponenten und -kammern, MEMS-Produkte und Reinraumanlagen.
• Medizintechnik: Implantate mit hermetischen Kapselungen, sterile Einweg- und Mehrweggeräte, Beatmungs-, Gas- und Flüssigkeitssysteme.
• Pharma- und Lebensmittelindustrie: Verpackungen mit Schutzatmosphäre, sterile Behälter, Kartuschen, Ampullen sowie Prozessleitungen und Tanks.
• Maschinen- und Anlagenbau: Druckbehälter, Kühlkreisläufe, Wärmepumpen, Kälteanlagen, Vakuumpumpen und Dichtkammern.
• Forschungseinrichtungen: Laboraufbauten, Vakuumsysteme, Kryoanwendungen und Prototypenprüfungen.

Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Eine strukturierte Dokumentation ist für Auditierbarkeit, Produkthaftung und interne Qualitätssicherung essenziell. Typischerweise werden folgende Inhalte erfasst:

• Prüfumfang: Anzahl und Typ der geprüften Bauteile oder Chargen
• Prüfparameter: Heliumkonzentration, Prüf- und Haltezeiten, Vakuumniveaus und Prüfdruckbereiche
• Prüfaufbau: eingesetzte Prüfvorrichtungen, Kammern, Lecksuchgeräte und Kalibrierlecks
• Ergebnisse: gemessene Leckraten, Nachweisgrenzen des Systems und Bewertung (bestanden/nicht bestanden)
• Grenzwerte: spezifizierte Abnahmekriterien und Zuordnung zu Normen, Kundenspezifikationen oder internen Vorgaben
• Rückverfolgbarkeit: eindeutige Zuordnung zu Seriennummern, Chargen, Losen, Prüfdatum und Bedienpersonal

Eine konsistente Berichterstellung erleichtert die Vergleichbarkeit von Prüfungen über längere Zeiträume und unterstützt die Optimierung von Prozessen und Konstruktionen.