WO2013107858A1 - Verfahren zum herstellen einer berstscheibe - Google Patents

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WO2013107858A1
WO2013107858A1 PCT/EP2013/050937 EP2013050937W WO2013107858A1 WO 2013107858 A1 WO2013107858 A1 WO 2013107858A1 EP 2013050937 W EP2013050937 W EP 2013050937W WO 2013107858 A1 WO2013107858 A1 WO 2013107858A1
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rupture disk
engraving
galvo head
rupture
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Roland Mayerhofer
Ludger Müllers
Stephan Geiger
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Rofin-Baasel Lasertech Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a method of producing a rupture disk, is introduced received at the in the rupture disk as a predetermined breaking structure ⁇ an engraving with a pulsed laser beam.
  • Bursting discs are pressure fuses which protect a container or a system from injurious pressure or vacuum and are formed by thin disks or membranes, game as examples, a metal foil made of steel or thin graphite ⁇ slices in which a predetermined breaking point by
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a rupture disk, in which a rupture or engraving with a pulsed laser beam is introduced into the rupture disk as a predetermined breaking structure, with which it is possible to reproducible recesses or engraving with a defined track depth and Insert track width, without causing this disturbing microstructural changes or deformations in the region of this predetermined breaking structure.
  • a pulsed laser beam is used whose pulse duration is less than lOps, wherein the laser beam for introducing the engraving on the surface of the rupture disk in a plurality of side by side lying tracks is guided.
  • Rupture disc are introduced, so that a
  • the invention is based on the consideration that it is possible, despite the low removal rate associated with the use of very short laser pulses by the use of a multipass method, to introduce engravings into rupture disks which have a depth that is sufficiently reproducible to achieve the desired bursting behavior Have width.
  • engravings with low depth tolerances can be generated on both domed and flat rupture discs.
  • a particularly simple and efficient process control is achieved when a least one galvanometer mirror containing Galvo head is used for focusing and guiding the laser beam, and are moved bursting disc and galvo head relative zuei ⁇ Nander, each track is generated by the relative movement between Galvo head and rupture disc , and a plurality of adjacent tracks generating lane change by deflection of the laser beam in the galvo head during the relative movement between Galvo head and rupture disk takes place.
  • Galvo head formed guiding system with the fast Rela ⁇ tive movements between the laser beam and rupture disc in a limited space are possible, in combination with a slow positioning, with the Galvo head can be delivered and moved over the rupture disk, the laser processing can also be performed with high repetition rate, so that high processing speeds are possible. Since the laser beam guidance is carried out with a galvano head, the width and depth of the engraving can be flexibly varied.
  • FIG. 2 in a simplified representation of an embodiment of a multipass processing.
  • the galvo head 2 contains for deflecting the laser beam L at least one, but usually two galvanometer mirror 3 (indicated by dashed lines in FIG. 1), with which the laser ⁇ beam L in a limited pivoting range about two mutually orthogonal axes x, y can be swiveled.
  • Rupture disk 4 and Galvo head 2 are also relative to each other with a in FIG. 1 only schematically indicated positioning device 5 adjustable by, for example, the Galvo head 2 in two mutually perpendicular directions X, Y parallel to
  • Rupture disk 4 can be moved at a constant feed rate.
  • an adjustability in the direction of the Z-axis is also possible to allow the processing of rupture discs with curved surfaces.
  • a linear groove-shaped recess or engraving 6 is illustrated, which by movement of the
  • Galvo head 2 is generated in the Y direction.
  • both free-jet systems and optical fibers can be provided.
  • FIG. 2 illustrates a possibility with which the focus F of the laser beam can be guided over the surface of the rupture disk 4.
  • the individual tracks are each generated in the same direction.
  • a direction reversal is possible in which the direction of movement of the focus F is reversed when changing lanes.
  • an overlap of the tracks I and II generated is possible, as well as the direction of movement of each track can be freely selected.
  • a multiple scan can also be performed in each track.
  • the order of the tracks is basically freely selectable, so that not necessarily consecutively introduced tracks must be be ⁇ neighbors. Likewise, more or fewer than the four tracks shown in the example can be provided.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe (4) wird in die Berstscheibe (4) als Sollbruchstruktur eine Gravur (6) mit einem gepulsten Laserstrahl (L) eingebracht wird, dessen Pulsdauer kleiner als 10ps ist, wobei der Laserstrahl (L) zum Einbringen der Gravur (6) über die Oberfläche der Berstscheibe (4) in einer Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren geführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe, bei dem in die Berstscheibe als Sollbruch¬ struktur eine Gravur mit einem gepulsten Laserstrahl einge- bracht wird.
Berstscheiben sind Drucksicherungen, die einen Behälter oder ein System vor schädigendem Über- oder Unterdruck schützen und werden durch dünne Scheiben oder Membranen gebildet, bei- spielsweise eine Metallfolie aus Stahl oder dünne Graphit¬ scheiben, in denen eine Sollbruchstelle durch
Erodierverfahren, Stanzen oder Lasergravur eingebracht ist. Dabei besteht die Notwendigkeit, dass die Scheibe während des Prozesses nicht oder nur minimal deformiert wird und dass die an der Sollbruchstelle eingebrachte Ausnehmung oder Wanddi¬ ckenschwächung eine möglichst gleichmäßige und reproduzierbare Form aufweist. Aus diesem Grund sind berührungslos arbeitende Verfahren, insbesondere Lasergravierverfahren, wie sie beispielsweise aus der US 2010/0224603 AI bekannt sind, besonders geeignet, um derartige Sollbruchstrukturen in die
Berstscheiben einzubringen. Problematisch ist aber auch hier der mit üblichen Lasergravierverfahren verbundene Wärmeeintrag, der zu einer Gefügeveränderung des für die Berstscheibe verwendeten Werkstoffes im Bereich der Sollbruchstelle führt und das Bruchverhalten der Berstscheibe dementsprechend verän¬ dert . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe anzugeben, bei dem in die Berstscheibe als Sollbruchstruktur eine Ausnehmung oder Gravur mit einem gepulsten Laserstrahl eingebracht wird, mit dem es möglich ist, reproduzierbare Ausnehmungen oder Gravuren mit einer definierten Spurtiefe und Spurbreite einzubringen, ohne dass es hierbei zu störenden Gefügeveränderungen oder Deformationen im Bereich dieser Sollbruchstruktur kommt.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird ein gepulster Laserstrahl verwendet, dessen Pulsdauer kleiner als lOps ist, wobei der Laserstrahl zum Einbringen der Gravur über die Oberfläche der Berstscheibe in einer Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren geführt wird.
Durch die Verwendung sehr kurzer Laserpulse, können Gravuren bzw. Ausnehmungen praktisch ohne Wärmeeintrag in die
Berstscheibe eingebracht werden, so dass eine das
Berstverhalten unkontrolliert beeinflussende Gefügeveränderung im Bereich der Gravur nicht stattfindet.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass es trotz der mit der Verwendung sehr kurzer Laserpulse einhergehenden geringen Abtragsrate durch die Verwendung eines Multipassver- fahrens möglich ist, in Berstscheiben Gravuren einzubringen, die eine zum Herbeiführen des angestrebten Berstverhaltens ausreichende und sehr gut reproduzierbare Tiefe und Breite aufweisen . Darüber hinaus können Gravuren mit geringen Tiefentoleranzen sowohl bei gewölbten als auch bei planen Berstscheiben erzeugt werden . Eine besonders einfache und effiziente Verfahrensführung wird erreicht, wenn zum Fokussieren und Führen des Laserstrahls ein wenigstens einen Galvanometerspiegel enthaltender Galvokopf verwendet wird, und Berstscheibe und Galvokopf relativ zuei¬ nander bewegt werden, wobei jede Spur durch die Relativbewe- gung zwischen Galvokopf und Berstscheibe erzeugt wird, und ein die Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren erzeugender Spurwechsel durch Ablenkung des Laserstrahls im Galvokopf während der Relativbewegung zwischen Galvokopf und Berstscheibe erfolgt .
Durch die Verwendung eines hochdynamischen, durch den
Galvokopf gebildeten Führungssystems, mit dem schnelle Rela¬ tivbewegungen zwischen Laserstrahl und Berstscheibe auf begrenztem Raum möglich sind, in Kombination mit einer langsamen Positioniereinrichtung, mit der der Galvokopf zugestellt und über der Berstscheibe verfahren werden kann, kann die Laserbearbeitung außerdem mit hoher Repetitionsrate durchgeführt werden, so dass hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten möglich sind. Da die Laserstrahlführung mit einem Galvokopf erfolgt, können Breite und Tiefe der Gravur flexibel variiert werden.
Ein besonders geringer Wärmeeintrag wird erzielt, wenn die Pulsdauer kleiner als lps ist. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen: Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Berstscheibe in einer perspektivischen Darstellung, in die durch Relativbewegung zwischen Berstscheibe und Laserstrahl eine Gravur eingebracht wird,
Fig. 2 in einer vereinfachten Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Multipassbearbeitung .
Gemäß Fig. 1 wird ein von einem Laser, insbesondere einem Faserlaser, erzeugter gepulster Laserstrahl L, dessen Pulsdauer kleiner als lOps, vorzugsweise kleiner als lps ist und insbesondere im Bereich zwischen lOOfs und lps liegt, mit Hilfe eines Galvokopfes 2 auf eine Berstscheibe 4 fokussiert. Der Galvokopf 2 enthält zum Ablenken des Laserstrahls L we- nigstens einen, in der Regel jedoch zwei Galvanometerspiegel 3 (in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet), mit denen der Laser¬ strahl L in einem begrenzten Schwenkbereich um zwei zueinander orthogonale Achsen x, y geschwenkt werden kann. Berstscheibe 4 und Galvokopf 2 sind außerdem relativ zueinander mit einer in der Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Positioniereinrichtung 5 verstellbar, indem beispielsweise der Galvokopf 2 in zwei zueinander senkrechten Richtungen X, Y parallel zur
Berstscheibe 4 mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit verfahren werden kann. Zusätzlich ist auch noch eine Verstell- barkeit in Richtung der Z-Achse möglich, um die Bearbeitung von Berstscheiben mit gekrümmten Oberflächen zu ermöglichen.
Durch die Überlagerung einer langsamen Vorschubbewegung des Galvokopfes 2 mit einer durch den Galvokopf 2 möglichen hoch- dynamischen Bewegung des Laserstrahls L können trotz der mit ultrakurzen Laserpulsen einhergehenden geringen Abtragsrate pro Laserpuls bei entsprechend hoher Repetitionsrate hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielt werden.
Im Beispiel der Fig. 1 ist eine lineare nutförmige Ausnehmung oder Gravur 6 veranschaulicht, die durch Bewegung des
Galvokopfes 2 in Y-Richtung erzeugt wird.
Zum Führen des Laserstrahls LS zum Galvokopf 2 können sowohl Freistrahlsysteme als auch Lichtleitfasern vorgesehen sein.
In Figur 2 ist eine Möglichkeit veranschaulicht, mit der der Fokus F des Laserstrahls über die Oberfläche der Berstscheibe 4 geführt werden kann. Mit Hilfe des Galvokopfes werden bei gleichzeitiger Vorschubbewegung des Galvokopfes in Richtung 8 mehrere parallele Spuren 10-1, 10-2, 10-3 und 10-4 nebeneinan¬ der in derselben Richtung gefahren, die aufgrund der Vorschubbewegung des Galvokopfes zueinander in dieser Richtung 8 versetzt sind. Nachdem beispielsweise vier nebeneinander liegende, zueinander parallele Spuren 10-1, 10-2, 10-3 und 10-4 in einem ersten Abschnitt I erzeugt worden sind, wird der
Galvokopf derart angesteuert, dass die erste Spur 10-1 in einem darauf folgenden zweiten Abschnitt II an die erste Spur 10-1 des ersten Abschnittes I anschließt. In dem dargestellten Beispiel werden die Einzelspuren jeweils in der gleichen Richtung erzeugt. Grundsätzlich ist auch eine Richtungsumkehr möglich, bei der die Bewegungsrichtung des Fokus F beim Spurwechsel umgekehrt wird. Darüber hinaus ist auch ein Überlapp der den Abschnitten I und II erzeugten Spu- ren möglich, ebenso kann auch die Bewegungsrichtung jeder einzelnen Spur frei gewählt werden. Grundsätzlich kann auch in jeder Spur ein mehrfacher Scan durchgeführt werden. Auch die Reihenfolge der Spuren ist grundsätzlich frei wählbar, so dass nicht notwendigerweise nacheinander eingebrachte Spuren be¬ nachbart sein müssen. Ebenso können mehr oder weniger als die im Beispiel dargestellten vier Spuren vorgesehen sein.
In der Praxis wurden bei der Herstellung von Berstscheiben aus Edelstahl mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,3mm die Verwendung eines von einem Faserlaser erzeugten Laserstrahls mit einer Pulsdauer von 300fs bei einer Wellenlänge von 1030nm verwendet. Die typischen Pulsenergien betrugen 10-30yJ bei einer Pulswiederholrate von 100-600kHz. Die Geschwindigkeit der mit dem Galvokopf durchgeführten schnellen Relativbewegungen (Spurwechsel) betrug zwischen 1000 und 1500mm/s. Der Mit¬ tenabstand der Spuren betrug typisch 5-15ym bei einer Spurbreite zwischen 20 und 50ym.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe (4), bei dem in die Berstscheibe (4) als Sollbruchstruktur eine Gravur (6) mit einem gepulsten Laserstrahl (L) eingebracht wird, dessen Pulsdauer kleiner als lOps ist, und bei dem der Laserstrahl (L) zum Einbringen der Gravur (6) über die Oberfläche der
Berstscheibe (4) in einer Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren (10-1,10-2, 10-3, 10-4) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Fokussieren und Führen des Laserstrahls (L) ein wenigstens einen Galvanometer- Spiegel (3) enthaltender Galvokopf (2) verwendet wird, und Berstscheibe (4) und Galvokopf (2) relativ zueinander bewegt werden, und bei dem jede Spur (10-1,10-2, 10-3, 10-4) durch die Relativbewegung zwischen Galvokopf (2) und Berstscheibe (4) erzeugt wird und ein die Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren (10-1,10-2, 10-3, 10-4) erzeugender Spurwechsel durch Ablenkung des Laserstrahls (L) im Galvokopf (2) während der Relativbewegung zwischen Galvokopf (2) und Berstscheibe (4) erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Gravur (6) in einer Mehrzahl von hintereinander liegenden und aneinander anschließenden Abschnitten (I, II) eingebracht wird, wobei innerhalb eines jeden Abschnittes (I, II) der Spurwechsel zum Erzeugen der Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren (10-1,10-2, 10-3, 10-4) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Pulsdauer kleiner als lps ist.
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