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Tipp des Monats 18
Frage: Vor dem Helium-Lecktest werden unsere Bauteile durch Waschen gereinigt. Die Teile werden durch Ausblasen vorgetrocknet. Danach kommen die Produkte zur Dichtheitsprüfung und werden im Vakuum restlos getrocknet. Trotz der zeitaufwendigen Prüfmethode hat ein Kunde vor kurzem ein Produkt reklamiert. Ist unser Lecksucher defekt?
Antwort: Dies ist eine häufige Frage, die zwei Aspekte aufweist und uns damit zwei Tipps des Monats wert ist. Dem ersten Teil der "zeitaufwendigen Prüfmethode" widmen wir uns in dieser Folge. Den zweiten Teil der Reklamation behandeln wir nächsten Monat.
Zurück zu Ihrer Frage: Der Lecksucher ist höchstwahrscheinlich in Ordnung. Grundsätzlich ist das zeitliche Ansprechverhalten einer Vakuum-Lecksuchanlage vom Volumen der Prüfkammer und dem Saugvermögen der Anlage für das Prüfgas Helium abhängig. Die Gase aus der Vakuumkammer werden mit dem Saugvermögen des Pumpsystems abgesaugt. Ist jedoch Feuchtigkeit in der Kammer vorhanden, gibt der Feuchtigkeitsfilm Dampf nur sehr langsam ab. Dieser Vorgang ist langsamer, als die Pumpgeschwindigkeit. Damit stellt sich ein konstanter Druck ein, der vom Dampfdruck der ausgasenden Flüssigkeit bestimmt wird. Die verdampfende Feuchtigkeit entzieht der verbleibenden Flüssigkeit Energie und die Flüssigkeit kühlt sich weiter ab. Damit kann es sogar zum Gefrieren der Flüssigkeit im Vakuumbehälter kommen. Der Dampfdruck sinkt nochmals, es kommt zu einem zweiten Bereich konstanten Drucks in der Abpumpkurve und der Abpumpvorgang wird noch langsamer.
Hintergrund: Ein blindgeflanschtes Helium-Lecksuchgerät pumpt die in seinem Inneren vorhandene Gasmenge zügig ab und erreicht ein gerätespezifisches Untergrundsignal für das Prüfgas. In Abbildung 1 ist dies für das Lecksuchgerät ASM Graph gezeigt.
Abbildung 1: Druck- und Leckageratensignal an einem blindgeflanschten Lecksucher
Je größer das am Lecksuchgerät angeschlossene Prüfobjekt ist, umso länger wird der Abpumpvorgang dauern. Dies liegt zum einen am gestiegenen Volumen und zum anderen an der größeren Oberfläche, die nun Gaslasten abgeben kann. Schlimm wird es, wenn der Abpumpvorgang durch Strömungswiderstände stark limitiert ist oder eine feuchte Oberfläche eine ergiebige Gasquelle darstellt. In Abbildung 2 ist dies mit demselben Lecksuchgerät wie in Abbildung 1 gezeigt. Nur wurde jetzt ein angeblich trockener Behälter mit einem Volumen von etwa einem Liter angeflanscht.
Abbildung 2: Druck- und Leckageratensignal an einem "trockenen" Behälter
Die Abpumpkurve für den Druck (rechte Achse) verläuft nun weniger steil als mit dem blindgeflanschten Gerät und lässt wegen des kleinen Buckels auch noch auf Restfeuchtigkeit schließen. Und das bei einem Behälter, an dem optisch keinerlei Feuchtigkeitsspuren festzustellen waren. Die Helium-Leckagerate sinkt innerhalb weniger Sekunden von rund 10-5 mbar · l/s über vier Dekaden auf einen Wert von 2 · 10-9 mbar · l/s. Sie benötigt aber für eine weitere Halbierung des Messwerts noch einmal die selbe Zeit! Und der erreichbare Untergrund ist in derselben Zeit um einen Faktor 10 schlechter als beim trockenen, blindgeflanschten Gerät!
Für die in Abbildung 3 gezeigten Kurven haben wir den Behälter mit nur einem kleinen Tropfen Wasser präpariert. Die rote Druckkurve zeigt nun zwei ausgeprägte Buckel. Das erste Plateau bei einem Druck von knapp unter 1 mbar (rechte Achse) ist dem Wasserdampfdruck zuzuordnen, das zweite Plateau zwischen 0,1 und 0,01 mbar ist dem Eisdampfdruck zuzuordnen. Geht die rote Druckkurve in das erste Plateau über, flacht auch die blaue Heliumkurve ab. Bei einem Druck von 0,5 mbar schaltet das Lecksuchgerät vom Grobleck- in den Normalmodus. Es dauert nun 35 Sekunden, bis der Lecksucher vom Zyklusstart weg ein Untergrundsignal von 10-9 mbar · l/s erreicht. Beim blindgeflanschten Gerät waren das gerade mal 3 Sekunden.
Beim Umschalten vom Grobleckmodus in den Normalmodus des Lecksuchgeräts werden die Gase durch andere Kanäle des Ventilblocks geleitet und das Helium-Saugvermögen des Geräts ändert sich. In unserem Beispiel führt der Übergang vom feuchten Pumpweg des Grobleckmodus in ein vorher noch trockenes Abteil des Ventilblocks zu einem schlagartigen Abfall in der Heliumkurve um mehr als eine Dekade.
Auch das Gefrieren des Wassers findet sich spiegelbildlich noch in der Leckagerate. Wie soll man solch ein Verhalten während einer normalen Serienprüfung noch interpretieren?
Abbildung 3: Druck- und Leckageratensignal an einem "feuchten" Behälter
Die Daten in unserem Beispiel zeigen eindeutig, dass feuchte Prüflinge die Abpumpzeit in Vakuumbehältern deutlich erhöhen und auch einen Einfluss auf die bei der Dichtheitsprüfung erhaltenen Werte für die Leckagerate haben.
Unser Tipp lautet also: Investieren Sie lieber mehr Zeit in eine gute Teilevorbereitung und Trocknung. Ihre Ergebnisse werden leichter interpretierbar, die Gut-/Schlecht-Entscheidung eindeutig und als angenehmer Nebeneffekt wird Ihr Lecksucher auch in längeren Intervallen zur Wartung müssen.
Was passiert, wenn Sie trotzdem feuchte Prüfobjekte testen und welche Leckageraten Sie dann überhaupt noch nachweisen können, zeigen wir Ihnen in unserem nächsten Tipp.