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Automatisches Lecktesten mit Luft

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Das Werkstück

	*Dicht oder undicht?* Dichtheit ist ein relativer Begriff. Absolut dichte Teile gibt es nicht. Die Forderung nach Dichtheit eines Bauteils bezieht sich immer auf die Bedingungen am späteren Einsatzort. Entsprechend muss das Lecktestverfahren, die Höhe der Druckbeaufschlagung und die zulässige Leckrate festgelegt werden. An dieser Stelle können bereits die ersten Zweifel aufkommen. Zulässige Leckrate? - die Werkstücke müssen dicht sein! Einzelteile von Verbrennungsmotoren zum Beispiel müssen wasser- oder öldicht sein, andere dürfen keine Kraftstoff- oder Gasundichtheit haben. Dabei soll die Dichtheitsprüfung zum frühestmöglichen Zeitpunkt innerhalb eines Fertigungsprozesses Aufschluss darüber geben, ob ein Bauteil unter den späteren Einsatzbedingungen dicht ist - die Bearbeitung oder Montage eines undichten Werkstückes hieße "Schrott veredeln". In automatischen Lecktestanlagen wird als Prüfmedium entweder Luft oder ein spezielles Prüfgas verwendet, auch - oder gerade dann - wenn die Werkstücke flüssigkeitsdicht sein müssen. Die geringere Viskosität des gasförmigen Prüfmediums gegenüber dem flüssigen Betriebsmedium erlaubt eine wesentlich höhere Prüfgenauigkeit: Durch eine poröse Stelle, durch die praktisch keine Flüssigkeit austritt, kann das gasförmige Prüfmedium entweichen und gemessen werden. Das Vorhandensein und die Definition einer entweichenden Luftmenge (Leckrate) ist Voraussetzung für eine automatische Dichtheitsprüfung. Die Leckrate "Null" ist mit keinem Prüfverfahren feststellbar - auch nicht mit der Unterwasser-Sichtprüfung. Die Forderung, dass keine Blase sichtbar werden darf, bedeutet doch umgekehrt nur, dass eine kleine, gerade noch sichtbare Blase während einer bestimmten Beobachtungsdauer nicht in Erscheinung treten darf. Ein Beispiel Bei einem Unterwassertest entweicht aus dem Prüfkörper Luft, die beim Erreichen einer Blasengröße von 1 mm aufsteigt. Wenn das alle 30 Sekunden geschieht, lässt sich daraus eine Leckrate von 0,001 cm³/min errechnen. Angenommen, bei diesem Prüfkörper handelt es sich um einen Pkw-Autoreifen (Innenraumvolumen ca. 40 l), so würde aufgrund dieses Lecks der Reifendruck innerhalb von 10 Jahren um nur 0,1 bar abfallen. Ist dieser Reifen als dicht oder undicht zu bezeichnen? Wenn die Blase von 1 mm Durchmesser alle 3 Sekunden aufsteigt, entspricht das einer Leckrate von 0,01 cm³/min. Der vorgenannte Druckabfall im Reifen stellt sich dann innerhalb eines Jahres ein. Gilt dieser Autoreifen jetzt noch als dicht oder schon als undicht? Die zulässige Leckrate von Kühlschrank-Kompressoren beispielsweise beträgt 1 g Freon/Jahr bei 10 bar Druckbeaufschlagung. Das entspricht einer Leckrate von 8,4 x 10-7 Norm cm³/min. Bei der Fragestellung "dicht oder undicht" geht es also um die Definition der zulässigen Leckrate VL zul. Dabei gelten Werkstücke mit einer Leckrate < VL zul = dicht Leckrate > VL zul = undicht. Die Unterwasser-Sichtprüfung ist eine ziemlich genaue Prüfmethode - bei sorgfältiger Ausführung durch den Prüfer und bei guter Beobachtungsmöglichkeit des Werkstückes. Sollen die damit erreichbaren Leckraten (wie im vorgenannten Beispiel) von einer automatischen Lecktesteinrichtung erfasst werden, ist der Einsatz eines Massenspektrometer-Prüfverfahrens erforderlich. Die Unterwasser-Sichtprüfung wird jedoch nicht nur wegen ihrer Genauigkeit gerne angewendet, sie ist auch vergleichsweise billig und - ein ganz wichtiger Vorteil - die Leckstelle wird dabei gleichzeitig lokalisiert. Die Nachteile dieser Prüfmethode - sie ist abhängig vom Bedienungsmann (geringe Prüfsicherheit), sie dauert lange, und die Werkstücke werden nass - sind die Gründe für den Einsatz von automatischen Lecktesteinrichtungen.

	Bei der automatischen Dichtheitsprüfung von Serienteilen hat das Lecktesten mit Luft eine weite Verbreitung gefunden. Die Gründe für den Einsatz dieses Prüfverfahrens sind: - hohe Prüfsicherheit und Zuverlässigkeit - objektive und quantifizierte Qualitätsaussage - kurze Prüfzeiten - geringe Investitions- und Betriebskosten - ausreichende Genauigkeit - schonende Werkstückbehandlung - einfache Integration in verkettete Produktionsprozesse - einfache Kalibrierung Die automatische Dichtheitsprüfung von Serienteilen wird künftig noch an Bedeutung zunehmen im Zusammenhang mit den Anforderungen aus den Bereichen - ISO 9000 - Produkthaftung - Dokumentationspflicht - Umweltschutz - Verbraucherschutz - Arbeitsplatzgestaltung Die Prüfspezifikation Zur Dichtheitsprüfung gehören zwei Angaben: Prüfdruck und Leckrate. Die Kernfrage lautet: Wie groß darf die Luftleckrate sein, um sicherzustellen, dass aus einem Werkstück unter Betriebsbedingungen keine Flüssigkeit austritt? Die zulässige Leckrate ist für jeden Anwendungsfall verschieden. Sie ist von vielen Faktoren abhängig, wie z.B. vom Material des Werkstückes, von den konstruktiven Gegebenheiten und - wie schon zuvor erwähnt - von den späteren Beanspruchungen im Betriebszustand. Das Verhältnis zwischen Luft- und Flüssigkeitsleckrate ist im unteren Leckratenbereich (Flüssigkeitsleckrate gegen Null) nicht berechenbar. Für größere Leckraten kann näherungsweise das Verhältnis der Viskositäten herangezogen werden. Dabei spielen auch Faktoren wie die Wanddicke des Werkstückes, die Oberflächenbeschaffenheit und die Ausbildung der Porosität (Lunker, Riss) eine entscheidende Rolle. Ein Leckratenwert ist immer bezogen auf einen bestimmten Prüfdruck. Die Druckbeaufschlagung des Werkstückes bei der Dichtheitsprüfung wird in der Regel so gewählt, dass der spätere Betriebszustand simuliert wird. Dabei geht es zum einen um die Höhe der Prüfdruckes und zum anderen um die Prüfrichtung. Bei der Festlegung des Prüfdruckes stellt sich die Frage nach der Abhängigkeit zwischen Prüfdruck und Leckrate Bei großen Porositäten verhält sich die Leckrate in etwa proportional zum Prüfdruck, bei kleinen Porositäten wird das Verhältnis Leckrate zu Prüfdruck kleiner. Kleine Lecks sind nicht konstant. Sie verändern sich mit der Zeit, aber vor allem durch eine Unterwasser-Sichtprüfung. Wenn das Ergebnis einer automatischen Trockenprüfung durch eine Unterwasser-Sichtprüfung verifiziert werden soll, so muss dieser Einfluss berücksichtigt werden. Entscheidend für die Festlegung der zulässigen Leckrate in der industriellen Fertigung sind außerdem wirtschaftliche Gesichtspunkte. Die Prüfung soll nur so genau sein wie nötig - nicht so genau wie möglich. Wenn die eingestellte Grenzleckrate kleiner als erforderlich ist, steigt der Anteil der Ausschussteile, und damit steigen auch die Kosten.

	Die endgültige für den Produktionsbetrieb zugelassene Leckrate muss empirisch ermittelt werden. Für etliche Fälle liegen Erfahrungswerte vor bzw. können Empfehlungen abgegeben werden. Beim Lecktestverfahren mit dem Prüfmedium Luft (Druck- oder Durchflussmessung) wird die Leckrate üblicherweise in Norm cm³/min angegeben, beim Lecktesten unter Verwendung eines speziellen Prüfgases (z.B. Helium) ist die Angabe in mbar l/sec gebräuchlich. 1 Norm cm3/min = 60 mbar 1/sec Bei dieser Gelegenheit sei darauf hingewiesen, dass 1 Norm cm³ eine Gasmenge ist, die im physikalischen Normzustand (0° C und 1013 mbar) 1 cm³ ausfüllt. 1 Norm cm³ ist kein Raummaß sondern eine Gasmenge, in Raumabmessungen ausgedrückt. Die Angabe Norm cm³/min ist somit ein Massestrom und kein Volumenstrom. Für die Leckmessung bedeutet das, dass strenggenommen bei der Angabe der Leckrate in Norm cm³/min entweder im Massestromverfahren gemessen oder das Druckmesssignal um den Einfluss des barometrischen Druckes und der Umgebungstemperatur korrigiert werden muss. Geschieht das nicht, sollte die Leckrate korrekterweise in cm³/min oder ml/min angegeben werden. Der Unterschied zwischen Normzustand und Prüfzustand beträgt durchschnittlich etwa 10 %. Beispiel von zugelassenen Luft-Leckraten für PKW-Motorenteile:

	Gebräuchliche zulässige Leckraten für Motorenteile