Hélium 101 : Tirer le meilleur parti de la trace

Tableau 1 : Composition de l'atmosphère terrestre

Tableau 3 : Méthodes de test des gaz traces les plus courantes

Tableau 2 : Détecteurs de fuites les plus courants

Figure 4 : Analyse CFD du flux d'air des pièces dans une chambre d'accumulation pour cartographier les angles morts

Figure 3 : Systèmes de test de fuite par accumulation

(à gauche) Figure 5 : Système de test de gaz vecteur

(à droite) Figure 6 : Technologie de purge d'azote

Le test de fuite à l'hélium est l'un des membres les plus anciens et les plus développés de la famille des méthodes de test de fuite à base de gaz traces. Même si le titre contient le mot "hélium", cet article se veut un aperçu des méthodes de gaz trace en général.

Les méthodes par gaz traces mesurent directement les fuites, c'est-à-dire qu'elles visent à déterminer la quantité de matière s'échappant de la pièce testée. Cela contraste avec d'autres méthodes non basées sur des gaz traces qui mesurent les effets de la fuite (comme c'est le cas avec les tests de fuite de perte de pression). Pour cette raison, ces méthodes sont généralement capables de mesurer de très petites fuites et peuvent être utilisées pour tester des pièces volumineuses ou complexes car le volume de la pièce n'a aucun effet direct sur la fiabilité du test.

L'hélium est le principal gaz traceur de choix depuis de nombreuses années. Au cours des dernières décennies, des pénuries occasionnelles et la hausse des prix ont forcé l'industrie des tests d'étanchéité à rechercher des alternatives telles qu'un mélange hydrogène/azote, le SF6 et divers réfrigérants.

Le gaz traceur idéal doit :

Hors de cette liste, à l'exception des deux derniers, l'hélium n'a pas de match. Sa présence ambiante de 5 ppm dans l'atmosphère, sa nature inerte et ses très petites dimensions atomiques le rendent idéal pour une utilisation en tant que gaz traceur.

Passons en revue les méthodes de test basées sur les gaz traces couramment utilisées en examinant d'abord comment un système de test de fuite est construit.

Les testeurs de fuite de gaz de trace ont deux composants principaux :

La précision du test d'étanchéité dépend fortement de la concentration et de l'homogénéité du gaz traceur à l'intérieur de la pièce. Le défi le plus courant est le fait que les pièces contiennent généralement de l'air lorsqu'elles entrent dans la station de test d'étanchéité. Si la pièce est capable de supporter le vide, évacuer cet air résiduel à l'aide d'une source de vide dédiée (pompe à vide, générateur de vide pneumatique, etc.) est le meilleur moyen d'assurer une concentration élevée en gaz traces. Lorsque cela n'est pas possible, l'autre option consiste à laisser le gaz tracer s'écouler à travers la pièce (de préférence en sortant à un point le plus éloigné du port de charge). Cette dernière méthode peut augmenter considérablement la consommation de gaz traces et est généralement le choix de dernier recours.

Une séquence de charge typique comprend les éléments suivants :

La gestion des gaz, en particulier pendant la phase d'échappement, est très importante : maintenir les concentrations élevées de gaz traces à l'écart du système de détection des fuites est le meilleur moyen d'assurer la répétabilité des résultats des tests.

Les systèmes de charge peuvent aller de quelques vannes manuelles sur un collecteur connecté manuellement à la pièce de test via une ligne de test à des commandes de vanne entièrement automatisées et à des outils de connexion de pièces.

Une conception d'outillage robuste et fiable est très importante, en particulier en cas de connexion de pièce(s). En effet, toute fuite s'ajoutera à la fuite de la pièce et peut très facilement provoquer de faux rejets.

Le composant le plus important de ces systèmes est le détecteur de fuites. Il existe un certain nombre de choix - choisir le bon nécessite un examen attentif des exigences de test et du coût. Certains des types de détecteurs les plus couramment utilisés sont résumés dans le tableau 2.

La sensibilité du détecteur de fuite détermine la plage de taux de fuite qui peut être détectée. Selon la méthode de test, la plage complète du détecteur de fuites peut ne pas être égale à la plage de détection du système de test. Dans la plupart des systèmes de détection, le détecteur de fuite sous-échantillonne le gaz et une partie du signal de gaz traceur est perdue. Un exemple typique serait un système de test de fuite sous vide poussé dans lequel le spectromètre de masse à l'hélium ne détecte qu'une partie de l'hélium entrant dans la chambre à vide.

Prenez, par exemple, une chambre à vide plus grande telle qu'un testeur de réservoir de carburant. Sur une fuite de 10-5 std.cm3/sec dans la chambre à vide, seulement 10-7 std.cm3/sec atteignent le spectromètre de masse en raison de la perte de signal à travers les pompes d'évacuation de la chambre.

D'autres parties importantes du système de détection sont les zones de collecte (chambre à vide et pompes, chambre d'accumulation, etc.), les circuits de prélèvement et tout équipement associé assurant une fonctionnalité auxiliaire (par exemple, circuits de gaz vecteur). Ceux-ci seront détaillés dans la section sur les méthodes de test individuelles.

Le tableau 3 résume les méthodes basées sur les gaz traces les plus courantes ainsi que leurs capacités, le coût du système associé et les exigences de maintenance.

C'est la méthode de test la plus traditionnelle et la plus précise. Il est capable de mesurer de très petites fuites, dans certains cas aussi faibles que la gamme 10-9 std.cm3/sec. La pièce est placée à l'intérieur d'une chambre à vide qui est à son tour évacuée à l'aide d'une ou plusieurs pompes à vide. Une fois que la chambre est à une pression suffisamment basse, le spectromètre de masse ou l'analyseur de gaz résiduel est connecté à la chambre. Lorsque le niveau de gaz traceur dans la chambre devient suffisamment bas pour que le test commence, la pièce est pressurisée avec du gaz traceur et est maintenue sous pression pendant toute la durée du test. Le niveau de gaz traceur est surveillé en permanence dans la chambre et s'il dépasse une limite critique, la pièce d'essai est rejetée.

Il s'agit d'une technologie très mature. De nombreuses protections sont intégrées au système pour détecter les dysfonctionnements des composants critiques du système. Les temps de cycle peuvent être aussi courts que 20 à 30 secondes, ce qui en fait la méthode de test la plus rapide disponible.

Tout cela a bien sûr un coût - les systèmes d'aspiration forcée sont généralement les plus chers et nécessitent l'entretien le plus qualifié. Tout comme pour les véhicules, un peu d'entretien régulier contribue grandement à maintenir les testeurs opérationnels. Il existe aujourd'hui sur le terrain de nombreux testeurs de fuites à vide poussé qui ont plus de 30 ans, ont été rééquipés plusieurs fois et fonctionnent toujours de manière aussi fiable que jamais.

Pourquoi utiliser de l'hélium ? Environ 99% des testeurs de fuites sous vide dur utilisent de l'hélium simplement en raison de la grande disponibilité des détecteurs de fuites à spectromètre de masse à l'hélium qui ont été "industrialisés" au cours des dernières décennies. L'utilisation d'hydrogène dans le vide est au mieux un défi car les métaux les plus couramment utilisés dégagent les grandes quantités d'hydrogène qu'ils ont absorbées au cours du processus de fabrication. Cela crée des niveaux de fond instables si élevés que la détection de petites fuites devient impossible. D'autres gaz tels que les fluides frigorigènes sont utilisés lorsque le détecteur de fuite est un analyseur de gaz résiduels (RGA). Il s'agit d'un spectromètre de masse à part entière capable d'analyser les gaz dans une large gamme d'unités de masse atomique (UMA).

Le problème le plus courant avec les testeurs de vide poussé est la nécessité de maintenir un système de vide poussé qui fonctionne à une fréquence très élevée, alternant entre la pression atmosphérique et le vide poussé parfois aussi souvent que toutes les 30 secondes.

Comme son nom l'indique, la méthode d'accumulation mesure les traces de gaz accumulées dans un volume fermé. Pour être plus précis, il surveille la concentration de gaz traces dans la chambre d'essai au fil du temps. Le taux de variation de la concentration est directement lié au taux de fuite : plus le taux de fuite est élevé, plus la concentration augmente rapidement. Certains systèmes calculent le taux de changement sur des intervalles de temps très courts, donnant quelque chose de proche d'une lecture en temps réel du taux de fuite. D'autres attendent la durée du test et regardent simplement l'augmentation totale de la concentration.

Il est très important de s'assurer que le système ne perde pas sa sensibilité pour une raison ou une autre. Pour vérifier l'intégrité du test, certains systèmes nécessitent l'exécution périodique d'une partie challenge (une fuite connue). L'autre option consiste à utiliser une soi-disant fuite de fond. Il s'agit d'une fuite qui est constamment connectée à la chambre de test et qui doit être détectée à la fin du test pour que le test réussisse.

Cette fuite de fond est généralement de 10 à 20 % du niveau de rejet. En plus d'être un "contrôle de santé mentale" à la fin du test, cela élimine également le problème des parties marginales. Si une pièce fuit à 90 % de la limite de rejet, l'ajout d'une fuite de fond de 20 % entraîne le rejet de la pièce. Le niveau de bruit de fond doit être déterminé en tenant compte d'un ensemble de facteurs (variation des pièces, incertitude des paramètres d'essai, etc.).

L'air à l'intérieur de la chambre d'accumulation est généralement agité avec des ventilateurs ou en ajoutant une boucle de recirculation d'air au système. L'avantage de l'approche de recirculation est qu'elle crée une boucle fermée de flux d'air dans laquelle toute l'atmosphère de la chambre sera forcée de circuler à un moment donné. En échantillonnant la boucle de recirculation, on peut s'assurer que tout l'air de la chambre est échantillonné.

Comme pour toutes les méthodes de test de fuite atmosphérique, il est très important de prendre en compte les modèles de flux d'air à l'intérieur de la chambre et de s'assurer qu'il n'y a pas d'"angles morts" ou de zones où le flux d'air autour de la pièce est limité.

Pourquoi utiliser l'hélium ? La réponse simple est que vous n'êtes pas obligé. Après le reniflement, le test d'accumulation était la deuxième méthode pour entrer dans le camp sans hélium. Le gaz de formage (un mélange largement disponible de 5 % d'hydrogène et de 95 % d'azote) peut être utilisé avec succès comme gaz traceur, à condition que les niveaux de fond soient bien contrôlés. Si l'environnement d'essai est maintenu exempt de sources d'émission d'hydrocarbures (par exemple, des chariots élévateurs à fourche alimentés au gaz naturel), le gaz de formage est une excellente alternative.

Les testeurs d'accumulation ne fournissent généralement pas d'informations en temps réel sur le taux de fuite et souffrent également d'un niveau de sensibilité relativement élevé aux variations des niveaux de fond de gaz traces dans l'atmosphère à l'intérieur et autour de la chambre d'accumulation.

Le test de fuite de gaz vecteur peut être utilisé à la place avec des pièces plus petites. Cette méthode n'accumule pas les traces de gaz dans le volume de test. Au lieu de cela, il utilise un flux de gaz sans traces de gaz (par exemple de l'azote) pour balayer la chambre. Le gaz porteur sortant de la chambre est échantillonné par le détecteur de fuites et en mesurant la concentration de gaz porteur dans le courant porteur, le taux de fuite de la pièce d'essai peut être calculé.

Les mêmes précautions que celles utilisées pour les tests d'accumulation (par exemple, l'ajout d'une fuite de fond) sont fortement recommandées.

Le grand avantage de ce test par rapport à l'accumulation est double : il fournit des informations sur les fuites en temps réel et élimine la dépendance de fond de l'accumulation.

Le défi est que la taille de la chambre d'essai et le taux de fuite détectable sont liés. Plus la chambre d'essai est grande, plus le débit nécessaire est élevé pour s'assurer que toutes les zones sont échantillonnées en temps opportun. Cependant, un débit de gaz vecteur plus élevé dilue le signal de gaz traceur, ce qui rend la mesure plus difficile.

Cette méthode est généralement appliquée pour des pièces ou des assemblages plus petits.

Pourquoi utiliser de l'hélium ? Encore une fois, la réponse est que ce n'est généralement pas nécessaire. Cette méthode se prête facilement à l'utilisation d'autres gaz traces à condition que le détecteur de fuite ait un débit d'échantillon suffisamment élevé.

Le test de gaz vecteur se prête facilement au test de zones de pièces plus grandes. Le défi est l'étanchéité. La technique suppose une chambre de test bien scellée qui empêche l'air potentiellement contaminé d'interférer avec le test. Atteindre ce sceau dans un environnement de production n'est pas toujours pratique ni même possible.

La méthode de la technologie de purge à l'azote élimine ce problème. En utilisant un gaz sans trace de gaz comme joint entre la chambre d'essai, l'isolement de la chambre d'essai du monde extérieur devient moins difficile.

Au début de l'essai, la chambre est purgée avec un fort débit d'azote. Cela expulse l'air atmosphérique. En maintenant un "rideau" de gaz autour du périmètre de la chambre, l'air est maintenu à l'extérieur pendant toute la durée du test, éliminant ainsi tout problème de fond.

À l'origine, les renifleurs étaient des accessoires de l'une des méthodes décrites ci-dessus, utilisés principalement pour la localisation des fuites. Au cours des dernières années, avec l'ensemble de l'industrie devenue de plus en plus soucieuse des coûts et avec les progrès de la robotique, le reniflement en tant que méthode de quantification des fuites a gagné du terrain.

La clé d'une opération de reniflage réussie est la gestion du gaz. Toutes les sources possibles de gaz traces dans la zone doivent être éliminées et une quantité suffisante d'air frais doit être disponible à tout moment. De nombreuses applications impliquent une soi-disant cabine de renifleur qui isole la zone de test du reste de la surface de production.

Tout comme avec les dirigeants médiévaux, le processus de succession de l'hélium a été une affaire mouvementée. Au moment d'écrire ces lignes, aucun substitut universellement acceptable n'a été trouvé pour les tests de fuite basés sur les gaz traces. La présence ambiante relativement faible de l'hélium dans l'atmosphère, sa nature inerte et ses très petites dimensions atomiques le rendent parfaitement adapté à une utilisation comme gaz traceur. En utilisant les bonnes méthodes de récupération, l'hélium peut encore être la meilleure solution malgré les difficultés ponctuelles de son approvisionnement.

J'espère que cet article a servi d'introduction appropriée pour ceux d'entre vous qui sont nouveaux dans les tests de fuite à l'hélium, pour mieux comprendre ses avantages, les méthodes de test à base de gaz traces couramment utilisées et la meilleure façon d'obtenir un test fiable et reproductible. test.

Peter Bonyhati est ingénieur système chez Cincinnati Test Systems (CTS). CTS fait partie de l'organisation Product Integrity du groupe TASI, avec les sociétés partenaires CTS-Schreiner d'Allemagne et Sciemetric du Canada. Pour plus d'informations, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez www.cincinnati-test.com.