Helium-Lecktest: Praxisleitfaden für hermetische Schweißnähte
Der Helium-Lecktest (auch Helium-Dichtheitsprüfung) ist die etablierte Validierungsmethode für hermetische Schweißnähte an Laborkapseln, Sensorgehäusen, Medizinimplantaten und hochzuverlässigen Elektronikgehäusen. Übliche Akzeptanzgrenzen reichen von 10⁻⁵ mbar·l/s für allgemein-industrielle Spezifikationen bis unter 10⁻⁹ mbar·l/s für Hochvakuum und Luftfahrt; maßgebliche Regelwerke sind MIL-STD-883 (Test Method 1014) und DIN EN ISO 20485. Ob ein Bauteil den Test besteht, entscheiden drei Dinge: Schweißvorbereitung, Schweißparameter und Testmethode. Dieser Leitfaden erklärt, was geprüft wird, wie geprüft wird und wie der Schweißprozess das Bauteil für den Test vorbereitet.
Warum ist der Helium-Lecktest entscheidend?
Eine hermetische Schweißnaht ist nur so gut wie der Test, der sie bestätigt. Das gilt für Laborkapseln mit radioaktiven Seeds, biologischen Proben oder luftempfindlichen Substanzen, für Medizinimplantate im Körpergewebe und für Sensorgehäuse in der Tiefsee oder im Luftfahrt-Vakuum.
Der Helium-Lecktest ist der industrielle Standard, weil:
- Helium den kleinsten kinetischen Durchmesser der praktisch nutzbaren Tracergase hat. Es dringt durch Nahtfehler, die andere Testgase nicht zeigen.
- die Helium-Hintergrundkonzentration in der Atmosphäre niedrig ist (rund 5 ppm), was ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.
- heliumkalibrierte Massenspektrometer kommerziell verfügbar sind und im Labor Empfindlichkeiten unter 10⁻¹² mbar·l/s erreichen.
Zur Begriffsklärung: „Dichtheitsprüfung“ ist der normative Oberbegriff für den Pass/Fail-Nachweis, „Lecksuche“ bezeichnet die Lokalisierung der Leckstelle. „Helium-Lecktest“ und „Helium-Dichtheitsprüfung“ werden im Markt wiederum als Synonym.
Bei den meisten hermetischen Anwendungen lautet die Frage nicht: „Kann die Naht irgendeinen Lecktest bestehen?“, sondern: „Kann sie die Leckrate erfüllen, die die Anwendung verlangt?“. Daher wird erst die Ziel-Leckrate festgelegt und anschließend die Schweißnaht und Testmethode darauf auslegt.
Akzeptable Leckraten je Anwendung
Die Leckrate wird in mbar·l/s gemessen (Millibar × Liter pro Sekunde), also das Gasvolumen, das pro Zeiteinheit unter Standardbedingungen entweicht. Anwendungen tolerieren sehr unterschiedliche Werte:
| Anwendung | Übliche Akzeptanz-Leckrate | Testmethode |
|---|---|---|
| Industriell allgemein-hermetisch (Steckverbinder, Sensorgrundgehäuse) | 10⁻⁴ bis 10⁻⁵ mbar·l/s | Schnüffel-Sonde, Druckabfall |
| Brachytherapie-Seeds (Radioisotopen-Kapseln) | 10⁻⁶ bis 10⁻⁸ mbar·l/s, anwendungsspezifisch | Vakuumkammer + Bombing |
| Hochzuverlässigkeits-Elektronik (Luftfahrt, Medizinimplantate, Militär) | volumenabhängig 5·10⁻⁸ bis 1·10⁻⁶ mbar·l/s (Luft-Äquivalent), Space/Class K bis 10⁻⁹ | Vakuumkammer nach MIL-STD-883, Test Method 1014 |
| Glas-Metall-Durchführungen (hermetische Gehäuse) | 10⁻⁸ mbar·l/s typisch | Vakuumkammer-Bombing |
| Vakuumdichte Komponenten (UHV, Teilchenphysik) | 10⁻⁹ bis 10⁻¹² mbar·l/s | Vakuumkammer, kalibriertes Massenspektrometer |
| Implantierbare Kardio- und Neuro-Geräte | 10⁻⁸ bis 10⁻⁹ mbar·l/s | FDA-/ISO-spezifische Protokolle |
| Laborkapseln für Hochdruck-Forschung (Diamant-Stempel-Zellen, Platin) | 10⁻⁶ bis 10⁻⁸ mbar·l/s | Vakuumkammer-Bombing |
| Lithium-Ionen-Zellen-Versiegelung (Serie) | ≤ 10⁻⁶ mbar·l/s, Trend zu strengeren Limits | Schnüffel + Produktions-Skalierung |
Hinweis zu den MIL-Limits: MIL-STD-883, Test Method 1014 staffelt die Reject-Limits nach dem Innenvolumen des Gehäuses: bis 0,05 cm³ gelten 5×10⁻⁸, über 0,05 bis 0,4 cm³ 1×10⁻⁷, über 0,4 cm³ 1×10⁻⁶ mbar·l/s, jeweils als Luft-Äquivalent. Für Space-Hybride (Class K) gilt jeweils eine Dekade strenger. Pauschalwerte wie „10⁻⁸ bis 10⁻⁹“ beschreiben das strenge Ende dieser Staffelung.
Testmethoden im Überblick
Vakuumkammer (höchste Genauigkeit)
Das Bauteil wird in einer Vakuumkammer platziert, die mit einem Helium-Massenspektrometer verbunden ist. Ist das Bauteil zuvor mit Helium beladen (durch Bombing oder Befüllen beim Versiegeln), diffundiert Helium durch jedes Leck nach außen und wird detektiert. Höchste Empfindlichkeit: im optimierten Laboraufbau bis 10⁻¹² mbar·l/s, typische Praxis-Nachweisgrenze bei Dienstleistern rund 10⁻⁹ mbar·l/s. Gilt als Standard für Medizin, Luftfahrt und Brachytherapie-Seeds. Das Verfahren ist allerdings langsamer pro Bauteil aufgrund der benötigten Kammer-Pumpzeit.
Schnüffel-Sonde
Das Bauteil wird mit Helium befüllt oder gebombt und eine Handsonde scannt die Naht und detektiert austretendes Helium in der Umgebungsluft. Optimal für Produktionslinien-Tests, da das Verfahren schnell und ohne Kammer durchgeführt werden kann. Die Empfindlichkeit liegt typischerweise bei 10⁻⁵ bis 10⁻⁷ mbar·l/s. Das Verfahren ist mobil und kann Leckstellen lokalisieren, was ein Vorteil für Reparatur-Workflows darstellt.
Druckbombing (Helium-Vorbeladung)
Ein versiegeltes Bauteil wird für eine definierte Verweildauer in einen Druckbehälter mit Helium gestellt und Helium diffundiert durch jedes Leck in den Innenraum. Anschließend wird in der Vakuumkammer der Heliumgehalt getestet. Das ermöglicht den Post-Seal-Test von Bauteilen, die beim Schweißen nicht mit Helium befüllt wurden. Die Messung muss innerhalb von einer Stunde nach dem Bombing erfolgen, kann jedoch mit qualifiziertem Verfahren bis zu vier Stunden betragen. Die Fixed-Bedingungen decken Innenvolumina nur bis 20 cm³ ab, was in der Praxis bedeutet, dass größere Gehäuse beim Versiegeln direkt mit Helium befüllt werden (z. B. in der Glove-Box) statt nachträglich zu bomben.
Druckabfall- und Massenstrom-Methoden
Für größere Volumina, in denen Helium-Tracer-Tests unpraktisch sind, liefert der Druckabfalltest (versiegeltes Bauteil unter Druck, Druckabfall über Zeit gemessen) eine gröbere Leckmessung. Die Methode ist weniger empfindlich als Helium-Tracer-Methoden, aber akzeptabel für allgemein-industrielle hermetische Spezifikationen und unabhängig vom Tracergas.
Fine Leak und Gross Leak: die Prüfreihenfolge zählt
Ein Grobleck kann im Fine-Leak-Test paradoxerweise „dicht“ erscheinen, denn das Tracergas ist durch das große Leck schon vor der Messung entwichen, woraufhin das Massenspektrometer keine Heliumpartikel registriert. MIL-STD-883, Test Method 1014 kombiniert deshalb die Fine-Leak- und Gross-Leak-Prüfung in definierter Reihenfolge mit engen Zeitfenstern nach dem Bombing. Der einfache Blasentest im Wasserbad taugt hier als schnelle Grobvorprüfung in der Werkstatt, ist für kleine Lecks allerdings ungeeignet.
Scheinbefunde einordnen: Nicht jedes Signal am Lecksucher ist ein Nahtfehler. Permeation ist Gasdurchgang durch das Material selbst, relevant vor allem bei Polymerdichtungen und Glas. Abhilfe schafft die Werkstoffwahl in diesem Fall, nicht Schweißkorrektur. Virtuelle Lecks sind eingeschlossene Gasvolumina im Bauteil (Hohlräume, Spalte hinter der Naht, Sacklöcher), im Vakuumtest gasen sie aus wie ein echtes Leck, von außen ist aber keine Leckstelle auffindbar. Spaltgeometrien hinter der Naht sollten deshalb konstruktiv vermieden werden.
Einheiten und Umrechnung
Drei Einheiten dominieren die Praxis. Merkregel: 1 mbar·l/s = 0,1 Pa·m³/s.
| Einheit | Umrechnung | Typischer Kontext |
|---|---|---|
| mbar·l/s | Referenzeinheit dieses Leitfadens | Europäische Praxis, Lecksucher-Anzeigen |
| Pa·m³/s | 1 Pa·m³/s = 10 mbar·l/s | SI-Einheit; ISO-Normen, ASTM-Scope-Angaben |
| atm·cm³/s | 1 atm·cm³/s ≈ 1,013 mbar·l/s | MIL-STD-883, US-Spezifikationen |
Zwei Stolperfallen bei US-Spezifikationen: MIL-STD-883 gibt Leckraten in atm·cm³/s an, die Zahlenwerte sind praktisch deckungsgleich mit mbar·l/s. Und die Reject-Limits gelten als Luft-Äquivalent, gemessene Helium-Raten müssen umgerechnet werden, bei den Fixed-Bedingungen mit Faktor 0,37, bei den flexiblen Bedingungen über die Howl-Mann-Gleichung.
Normen und Regelwerke
| Regelwerk | Inhalt und Relevanz |
|---|---|
| MIL-STD-883, Test Method 1014 „Seal“ | US-Benchmark für Mikroelektronik-Gehäuse: Fine-/Gross-Leak-Testbedingungen, Bombing-Parameter, volumenabhängige Reject-Limits. Basisdokument aktuell Revision L mit Change 1 vom 27.06.2025, jüngste belegte Methodenrevision 1014.17. |
| DIN EN ISO 20485:2018 (ISO 20485:2017) | Zentrale zivile Norm für die Dichtheitsprüfung mit Tracergas. |
| DIN EN 1779:1999-10 | Kriterien zur Auswahl von Prüfmethode und Prüfverfahren; Norm-Entwurf 2024-12 in Arbeit. |
| ASTM E493/E493M-11 (2022) | Inside-Out-Testmodus für vorab versiegelte Bauteile (Halbleiter, hermetische Relais), passt direkt auf verschweißte Kapseln und Gehäuse. |
| ASTM E498/E498M-11 (2022) | Tracer-Probe-Modus: Prüfling evakuiert, Tracergas außen; Scope ab 1×10⁻⁸ Pa·m³/s. |
| ASTM E499/E499M-11 (2017) | Detector-Probe-Modus (Schnüffeln); Scope ab 1×10⁻⁷ Pa·m³/s. |
| ASTM F2391-22 | Helium-Lecktest für Implantat- und Medizinverpackungen; klassifiziert Lecks von large (10⁻² bis 10⁻⁵ Pa·m³/s) bis ultra-fine (10⁻⁹ bis 10⁻¹¹ Pa·m³/s). |
Die Begriffsnorm DIN EN ISO 20484 (ersetzt DIN EN 1330-8) definiert die zugehörige Terminologie.
Wie die Schweißvorbereitung das Testergebnis bestimmt
Ein Lecktest kann eine schlecht vorbereitete Schweißnaht nicht retten. Die Faktoren, die über das Bestehen entscheiden, liegen vor dem Schweißschritt:
- Sauberkeit der Fügeflächen. Verunreinigungen in Poren, Rücksprüngen oder Spalten verbrennen beim Schweißen und erzeugen Porosität in der Naht. Die Ultraschallreinigung ist der Laborstandard, bei tiefen Rücksprüngen oder Gewinden sollten zusätzlich Hartbürste und Schleifreiniger verwendet werden.
- Fügegeometrie. Eine Schweißnaht kann nur das versiegeln, was geometrisch zusammenliegt. Ein 0,1-mm-Spalt, kann typischerweise überbrückt werden, wohingegen ein 0,5-mm-Spalt dann die hermetische Spezifikationen typischerweise nicht mehr erfüllt.
- Werkstoff-Kompatibilität. Etabliert für hermetisches Mikro-WIG-Schweißen: Edelstahl 316L (DIN 1.4404), Titan Grade 2 und 5, Platin und Platin-Rhodium-Legierungen, Kovar, Nickelbasis-Superlegierungen, Gold, Gold-Palladium-Legierungen. Tantal, Niob und Zirkonium erfordern üblicherweise vorab Testschweißungen.
- Pulsparameter zur Wandstärke passend. Bei dünnen Kapselwänden (0,1–0,3 mm) verhindern niedrige Energie und kurze Pulsdauern (15–25 % Energie, 1,0–3,5 ms) Durchbrand und Porosität. Bei dickeren Körpern sichern längere Pulse mit tieferem Einbrand die vollständige Nahtverschmelzung.
- Schutzgas-Integrität. Argon ≥ 99,9 % (Argon 4.6) bei ca. 2 l/min mit automatischem Pre- und Post-Flow schützt das Schweißbad vor Atmosphärenkontamination. Unzureichendes Schutzgas erzeugt Oxideinschlüsse, die als Leckpfade wirken.
- Erstmuster-Validierung. Bei neuen Geometrien oder Werkstoffen vor der Serie eine Musterschweißung quer aufschneiden. Vollständige Einbrandtiefe und oxidfreies Schweißmetall im Querschliff sind der zuverlässigste Indikator dafür, dass der Helium-Lecktest gelingt.
Typische Fehlerbilder und ihre Korrektur
| Fehlerbild | Häufige Ursache | Korrektur |
|---|---|---|
| Lokale Porosität | Verbrennende Oberflächen-Verunreinigung | Ultraschall-reinigen, bürsten, Vorbereitung wiederholen |
| Unvollständige Einbrandtiefe | Pulsdauer zu kurz für Wandstärke | Pulsdauer in 0,5-ms-Schritten erhöhen; Querschliff zur Verifikation |
| Oxid-Einschlüsse | Unzureichender Argon-Pre-Flow | Argon-Strom ≥ 2 l/min und Pre-Flow aktiv prüfen |
| Leck an Nahtecke / Kante | Spaltgeometrie oder Vorrichtungs-Verschiebung | Vorrichtung verbessern; vor der Durchgangsnaht Heftpunkte setzen |
| Schweißnaht-Risse | Zu hoher Wärmeeintrag bei rissempfindlicher Legierung | Energie reduzieren, Puls kürzen, ggf. Materialprogramm wechseln |
| Schwankende Leckrate Charge-zu-Charge | Bediener-Parameterdrift oder Elektrodenverschleiß | Programm-Speicher und Elektroden-Zähler nutzen (der MAW liefert beides über Modbus) |
Wie der Lampert Micro Arc Welder Teile für Lecktests vorbereitet
Der Lampert Micro Arc Welder (MAW) ist auf reproduzierbare, lecktest-taugliche hermetische Schweißnähte ausgelegt:
- 5–1.200 A Spitzenstrom und 0,1–34 ms Pulsdauer. Der Energiebereich deckt dünne Laborkapseln bis robuste Industrie-Sensorgehäuse ab.
- 12 vorinstallierte Materialprogramme für Edelstahl, Titan, Platin, Kupfer, Aluminium und weitere. Kein Parameter-Rätselraten bei der Erstmuster-Qualifizierung.
- Patentierte Prozessüberwachung. Echtzeit-Fehlererkennung (Kontakt, Druck, Elektrodenverschleiß, Temperatur, „Elektrode klebt“). Fehlerhafte Schweißungen werden markiert, bevor sie zum Lecktester kommen.
- Modbus TCP/IP mit 21 dokumentierten Registern für Produktionsintegration, Parameter-Logging, Elektroden-Verschleiß-Tracking und Schweißpunkt-Zählung. Das Parameter-Logging unterstützt Rückverfolgbarkeits-Anforderungen typischer Medizin- und Luftfahrt-Anwendungen.
- Argon Pre- und Post-Flow automatisch. Konsistente Schutzgas-Integrität bei ca. 2 l/min Argon ≥ 99,9 %.
- Glove-Box-fähig. Für luft- oder feuchtigkeitsempfindliche Verkapselung und für Gehäuse, deren Innenvolumen über der praktikablen Bombing-Grenze liegt: Wer beim Versiegeln direkt mit Helium befüllt, braucht hinterher kein Bombing.
Eine Anwendungsübersicht mit Werkstoffen und Parameter-Empfehlungen liefert der Beitrag Hermetic Sealing mit Mikro-WIG-Schweißen; wie der Schweißimpuls grundsätzlich entsteht, erklärt das Lampert Schweißprinzip.
Geräte-Empfehlung: der Lampert Micro Arc Welder
| Spezifikation | Wert |
|---|---|
| Spitzenstrom (WIG) | 5 bis 1.200 A |
| Impulsdauer | 0,1 bis 34 ms |
| Minimale Werkstückdicke | 0,1 mm |
| Schweißpunkt-Durchmesser | 0,2 bis 4,0 mm; über 1 mm Einbrand mit 1,3 mm-Elektrode |
| Werkstoffprogramme (voreingestellt) | 12 (Universal, Gold, Silber, Platin, Palladium, Bronze, Edelstahl, Titan, Aluminium, Zinn, Messing, Kupfer) |
| Aluminium-Modus | speziell optimiert (HF-überlagerte Schweißkurve) |
| Industrie-4.0-Schnittstelle | Modbus TCP/IP über LAN (21 dokumentierte Register) |
| Patentierte Schweißprozessregelung | ja (Echtzeit-Fehlererkennung) |
| Schutzgas | Argon ≥ 99,9 %, ca. 2 l/min |
| Gewicht | 10,9 kg |
| Zertifizierung | EN 60974-6, EN 61000-6-2/-6-4, RoHS 2011/65/EU; UKCA-konform |
| Garantie | 1 Jahr, in Deutschland entwickelt und hergestellt |
| Investition (Komplett-Einstieg) | ab etwa 7.000 EUR netto |
Häufige Fragen zum Helium-Lecktest
Es gibt keine einheitliche Definition. „Hermetisch“ ist anwendungsspezifisch: Medizinimplantat-Normen verlangen typisch 10⁻⁸ bis 10⁻⁹ mbar·l/s, allgemein-industrielle Hermetik akzeptiert 10⁻⁴ bis 10⁻⁵, Hochvakuum und Luftfahrt liegen unter 10⁻⁹. Zur Einordnung: „bakteriendicht“ entspricht etwa 10⁻⁴ mbar·l/s, „virendicht“ je nach Quelle 10⁻⁶ bis 10⁻⁸ mbar·l/s. Den Ziel-Wert vor der Schweißauslegung definieren.
Ja. Die Schnüffel-Sonde erreicht 10⁻⁵ bis 10⁻⁷ mbar·l/s und eignet sich für Produktionslinien- und Feldtests. Für höhere Empfindlichkeit (10⁻⁸ und besser) ist die Vakuumkammer der Industriestandard.
Nein. Druckbombing nach dem Schweißen belädt das versiegelte Bauteil mit Helium und erlaubt den Lecktest auch an Bauteilen, die in Argon oder Luft verschlossen wurden. Bombing-Druck (30 bis 75 psia) und Verweildauer sind in MIL-STD-883, Test Method 1014 volumenabhängig definiert; die Messung muss innerhalb 1 h nach dem Bombing erfolgen, mit qualifiziertem Verfahren bis 4 h.
Nur eingeschränkt. Die Fixed-Bedingungen der Test Method 1014 decken Innenvolumina bis 20 cm³ ab; darüber steigen die Bombingzeiten stark (für Class-K-Hybride sind bis 190 h gelistet) oder die Nachweisempfindlichkeit sinkt. Praxisempfehlung: größere Gehäuse beim Versiegeln direkt mit Helium befüllen, etwa beim Schweißen in der Glove-Box.
Ja, mit sauberer Vorbereitung, passendem Materialprogramm, validierten Pulsparametern und Schutzgas-Integrität. Mikro-WIG-Schweißungen erreichen die typischen medizinischen und elektronischen hermetischen Spezifikationen mit validierten Parametern zuverlässig. Für Hochvakuum- oder Forschungs-Spezifikationen (unter 10⁻⁹) Musterschweißungen vorab validieren.
Edelstahl 316L (DIN 1.4404), Titan Grade 2 und 5, Platin und Platin-Rhodium-Legierungen, Kovar und Nickelbasis-Superlegierungen sind die etablierten Standards. Tantal, Niob und Zirkonium sind bedingt geeignet, Musterschweißung anfordern.
Ja. Der Lampert MAW arbeitet mit entsprechender Vorbereitung in Inertgas-Umgebungen. Das ist wichtig für luft- oder feuchtigkeitsempfindliche Verkapselungen und für Bauteile, deren Innenvolumen ein nachträgliches Bombing unpraktikabel macht.
Ja. Üblich ist Formiergas mit 5 % H₂ in 95 % N₂ (nicht brennbar), das günstiger ist als Helium. Heliumkosten lassen sich auch über Rückgewinnung oder reduzierte Konzentrationen senken. Für höchste Empfindlichkeit bleibt Helium der Standard.
Bei Wandstärke 0,1 bis 0,3 mm: 15 bis 25 % Energie, 0,5 bis 1,5 ms Pulsdauer, spitz angeschliffene Wolfram-Elektrode, Argon mit ca. 2 l/min. Erstmuster im Querschliff validieren.
Bei der Lampert-Anwendungstechnik unter [email protected]. Auf Wunsch kostenlose Musterschweißungen mit schriftlichem Schweißbericht, besonders nützlich, wenn Ziel-Leckrate, Geometrie oder Werkstoff vom Standard abweichen.
Fazit: erst die Ziel-Leckrate, dann die Naht
Der Helium-Lecktest ist die Referenzmethode für hermetische Schweißnähte, von der allgemein-industriellen Spezifikation bei 10⁻⁵ mbar·l/s bis zur Luftfahrt- und Implantat-Güte unter 10⁻⁹. Wer hermetische Bauteile fertigt, legt zuerst die Ziel-Leckrate fest, wählt dann die Testmethode (Vakuumkammer für höchste Empfindlichkeit, Schnüffel-Sonde für die Linie, Bombing für den Post-Seal-Test) und richtet die Schweißvorbereitung konsequent darauf aus. Saubere Fügeflächen, kontrollierte Spaltmaße, passende Pulsparameter und intakte Schutzgas-Abdeckung entscheiden über das Testergebnis, lange bevor das Bauteil den Lecktester sieht.
Der Lampert Micro Arc Welder liefert dafür die Werkzeuge: 12 Materialprogramme, patentierte Prozessüberwachung, automatisches Argon-Management und Modbus-Logging für die Rückverfolgbarkeit. Bei sauberer Vorbereitung erfüllen MAW-Schweißnähte die typischen industriellen Hermetik-Spezifikationen zuverlässig.
Kostenlose Musterschweißungen mit schriftlichem Schweißbericht inklusive: Fragen zur konkreten Anwendung beantwortet die Lampert-Anwendungstechnik unter [email protected].