Leckprüfung – Dichtheitsprüfung von Bauteilen und Systemen
Die Leckprüfung (Dichtheitsprüfung) ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das die Undichtheit von Bauteilen, Behältern, Rohrleitungen und Systemen nachweist oder ausschließt. Sie ist in der Anlagen- und Druckbehältertechnik, in der Kryotechnik, in der Halbleiterfertigung und im Automobilbau unverzichtbar. Die Leckprüfung stellt nicht nur Funktions- und Betriebssicherheit sicher, sondern schützt auch Umwelt und Menschen vor gefährlichen Medien.
Leckrate – Einheiten und Umrechnung
Die Leckrate beschreibt den Volumenstrom eines Gases durch eine Undichtheit unter definierten Druckbedingungen. Gebräuchliche Einheiten sind:
- mbar·l/s: Im deutschsprachigen Raum und in der europäischen Vakuumtechnik gebräuchlich.
- Pa·m³/s: SI-konforme Einheit. Umrechnung: 1 Pa·m³/s = 10 mbar·l/s
- atm·cm³/s (cc/s): Verbreitet im angloamerikanischen Raum. 1 atm·cm³/s ≈ 1,013 mbar·l/s
- scc/m (standard cubic centimeters per minute): Häufig in der Halbleiterindustrie.
Typische Leckratengrenzen: Grobleck > 10⁻³ mbar·l/s, Feinleck 10⁻³–10⁻⁶ mbar·l/s, Ultrafeinleck < 10⁻⁶ mbar·l/s, Helium-Massenspektrometer-Nachweis bis ca. 10⁻¹² mbar·l/s.
Verfahrensgruppen nach EN 1779
Die europäische Norm EN 1779 klassifiziert Leckprüfverfahren in fünf Gruppen A bis E:
- Gruppe A – Druckänderungsverfahren: Druckabfall oder Druckanstieg wird gemessen. Einfach, kostengünstig, keine Ortung möglich.
- Gruppe B – Strömungsverfahren: Direktmessung des Leckstroms mit Durchflussmessern. Geeignet für definierte Leckagenmengen.
- Gruppe C – Blasenverfahren: Prüfling unter Druck in Flüssigkeit getaucht oder mit Spüllösung bestrichen; Blasenbildung zeigt Leck an.
- Gruppe D – Detektionsverfahren mit Prüfgas: Tracergas (Helium, Formiergas) wird als Prüfmedium eingesetzt; Nachweis mit Detektoren außen (Schnüffler) oder innen (Integral). Höchste Empfindlichkeit.
- Gruppe E – Radioaktive Tracerverfahren: Radioaktives Gas als Tracer; selten verwendet, hohe Empfindlichkeit, aufwändige Handhabung.
Blasenverfahren
Das Blasenverfahren (Seifenwasserprüfung, Tauchbadverfahren) ist das einfachste und am häufigsten verwendete Leckprüfverfahren. Der Prüfling wird mit Überdruck beaufschlagt (Luft, Stickstoff) und entweder in ein Wasserbad getaucht oder mit einer Seifenlösung/einem Leckdetektionsschaum eingestrichen. Gasblasen zeigen die Leckstelle an. Das Verfahren eignet sich für Leckraten ab ca. 10⁻³ mbar·l/s. Es ist einfach durchführbar, erfordert aber direkten Zugang zu allen Prüfbereichen und ist bei komplexen Geometrien eingeschränkt.
Druckabfallverfahren
Beim Druckabfall- bzw. Druckanstiegsverfahren wird der Prüfling mit einem definierten Druck beaufschlagt und der Druckabfall über eine Prüfzeit gemessen. Alternativ wird im Vakuumverfahren der Druckanstieg in einem evakuierten Prüfraum erfasst. Vorteil: Kein Prüfgas nötig, einfache Automatisierung. Nachteil: Keine Leckortung, temperaturabhängig (Druckänderung durch Temperaturschwankungen kann Leck vortäuschen). Empfindlichkeit typisch 10⁻³–10⁻⁴ mbar·l/s.
Helium-Schnüffelverfahren
Beim Helium-Schnüffelverfahren (Lecksuchgerät-Schnüffler) wird der Prüfling innen mit Helium befüllt (Überdruck) und außen mit einer Schnüffelsonde abgescannt, die an ein Helium-Massenspektrometer-Lecksucher angeschlossen ist. Vorteile: Leckortung möglich, hohe Empfindlichkeit (ca. 10⁻⁷ mbar·l/s), flexibel bei großen und komplexen Bauteilen. Nachteile: Langsamer als Integralverfahren, schnüffelgeschwindigkeitsabhängig, Helium-Hintergrund in der Umgebungsluft kann stören.
Helium-Integralverfahren (Vakuummethode)
Das Helium-Integralverfahren bietet die höchste Empfindlichkeit. Der Prüfling wird in eine evakuierte Prüfkammer eingebracht und mit Helium geflutet (Bombentest) oder intern mit Helium unter Druck gesetzt. Das Helium, das durch Lecks austritt, wird von einem Helium-Massenspektrometer-Lecksucher erfasst. Empfindlichkeit: bis 10⁻¹⁰ mbar·l/s. Anwendung: Hochvakuumkomponenten, Raumfahrt, Kernkraftkomponenten, Halbleiter-Prozessanlagen.
Vakuumanstiegsverfahren
Das Bauteil wird evakuiert und danach die Vakuumpumpe geschlossen. Der Druckanstieg über die Zeit wird gemessen. Ursachen für Druckanstieg: reale Lecks, Desorption von Gasen von Oberflächen oder aus dem Werkstoff. Daher muss Desorption von Leckrate getrennt werden (z. B. durch zweimalige Messung nach unterschiedlichen Evakuierungszeiten). Empfindlichkeit ca. 10⁻⁵ mbar·l/s.
Formiergas-Verfahren (Wasserstoff-Schnüffeln)
Als kostengünstige Alternative zu Helium wird Formiergas (Gemisch aus 5 % H₂ und 95 % N₂, nicht brennbar) eingesetzt. Spezielle Halbleitersensoren detektieren Wasserstoff außen am Prüfling. Empfindlichkeit ca. 10⁻⁵–10⁻⁶ mbar·l/s. Vorteile: Preiswert, keine Verfälschung durch Umgebungs-Helium. Nachteile: Geringere Empfindlichkeit als Helium, Interferenz durch andere Wasserstoffquellen.
Aufbau eines Helium-Massenspektrometer-Lecksuchers
Ein Helium-Massenspektrometer-Lecksucher besteht aus:
- Vorvakuumpumpe (Drehschieberpumpe): Erzeugt das erforderliche Vorvakuum.
- Turbomolekularpumpe: Erzeugt das Hochvakuum am Analysator.
- Massenspektrometer (Magnetsektor-Analysator): Ionisiert das einströmende Gas, trennt Helium-Ionen (Masse 4) von anderen Ionen durch ein Magnetfeld und detektiert sie mit einem Faraday-Kollektor oder Sekundärelektronenvervielfacher.
- Einlasssystem: Verbindet den Prüfling (Schnüffler oder Prüfkammer) mit dem Analysator.
- Steuer- und Anzeigeeinheit: Digitale Anzeige der Leckrate, Prüfprotokollierung.
Kalibrierung mit Referenzleck
Vor jeder Messserie muss der Lecksucher mit einem zertifizierten Referenzleck (Kalibrierleck) kalibriert werden. Referenzlecks sind permeationsbasiert (Helium diffundiert durch eine Glasmembran) oder kapillarbasiert und haben eine rückführbare, zertifizierte Leckrate mit Messunsicherheit. Die Kalibrierung stellt die Rückführbarkeit auf nationale Standards sicher und ist Voraussetzung für normgerechte Prüfung.
Typische Anwendungsbranchen
- Kernkraft: Prüfung von Reaktorbehältern, Kühlmittelleitungen, Brennelementbehältern und Sicherheitsbehältern. Leckratengrenzen nach KTA-Regelwerk.
- Kryotechnik: Flüssiggas-Behälter, Wasserstoff- und Sauerstoffleitungen, Supraleiter-Systeme. Tiefe Temperaturen erfordern spezielle Prüfbedingungen.
- Automotive: Klimaanlagen (Kältemittel R134a, R1234yf), Kraftstoffsysteme, Abgasanlagen, Airbag-Generatoren, Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge.
- Halbleiter- und Displayfertigung: Vakuumprozessanlagen, Gaszuleitungen, Prozesskammern. Partikel- und Feuchtigkeitseintrag durch Lecks führt zu Prozessfehlern.
- Luft- und Raumfahrt: Triebwerkskomponenten, Hydrauliksysteme, Raumfahrzeug-Druckbehälter.
- Medizintechnik: Implantate, Sterilisationsanlagen, Infusionssysteme.
Personalzertifizierung nach EN ISO 9712
Prüfpersonal für Leckprüfungen wird nach EN ISO 9712 (Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von ZfP-Personal) zertifiziert. Das Kürzel für die Leckprüfung ist LT (Leak Testing). Es werden drei Stufen vergeben:
- Stufe 1: Durchführung von Prüfungen nach schriftlichen Anweisungen, keine selbstständige Auswertung.
- Stufe 2: Aufstellung von Prüfanweisungen, Durchführung und Auswertung, Anleitung von Stufe-1-Personal.
- Stufe 3: Verantwortung für Prüftechnik und Personal, Erstellung von Prüfvorschriften, Zulassung von Verfahren.
Die Zertifizierung erfordert eine qualifikationsspezifische Ausbildung, Praxiserfahrung und das Bestehen einer schriftlichen und praktischen Prüfung bei einer anerkannten Zertifizierungsstelle (z. B. DGZfP, TÜV, ASNT in den USA).
Relevante Normen und Regelwerke
- EN 1779: Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Kriterien zur Auswahl von Methoden und Verfahren
- EN 13185: Helium-Schnüffelverfahren
- EN 13184: Druckänderungsverfahren
- EN 13186: Vakuumanstiegsverfahren
- EN ISO 9712: Qualifizierung und Zertifizierung von ZfP-Personal
- ASTM E432 / E493 / E498 / E499: US-amerikanische Normen zur Leckprüfung
- KTA 3201.4: Prüfungen von Komponenten im Primärkreis (Kernkraft, Deutschland)