DE102013100509A1 - Method for producing a rupture disk - Google Patents

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 10 ps ist, wobei der Laserstrahl (L) zum Einbringen der Gravur (6) über die Oberfläche der Berstscheibe (4) in einer Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren geführt wird.In a method for producing a rupture disk (4) an engraving (6) with a pulsed laser beam (L) is introduced into the rupture disk (4) as a predetermined breaking structure whose pulse duration is less than 10 ps, wherein the laser beam (L) for introducing the engraving (6) over the surface of the rupture disk (4) is guided in a plurality of adjacent tracks.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Berstscheibe, bei dem in die Berstscheibe als Sollbruchstruktur eine Gravur mit einem gepulsten Laserstrahl eingebracht wird.The invention relates to a method for producing a rupture disk, in which an engraving with a pulsed laser beam is introduced into the rupture disk as a predetermined breaking structure.

Berstscheiben sind Drucksicherungen, die einen Behälter oder ein System vor schädigendem Über- oder Unterdruck schützen und werden durch dünne Scheiben oder Membranen gebildet, beispielsweise eine Metallfolie aus Stahl oder dünne Graphitscheiben, 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 Wanddickenschwächung eine möglichst gleichmäßige und reproduzierbare Form aufweist. Aus diesem Grund sind berührungslos arbeitende Verfahren, insbesondere Lasergravierverfahren, wie sie beispielsweise aus der US 2010/0224603 A1 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 verändert.Rupture discs are pressure fuses that protect a container or a system from damaging over or under pressure and are formed by thin discs or membranes, such as a metal foil made of steel or thin graphite discs, in which a predetermined breaking point by EDM, punching or laser engraving is introduced. In this case, there is a need that the disc is not or only minimally deformed during the process and that introduced at the predetermined breaking point recess or wall thickness weakening as uniform and reproducible shape. For this reason, non-contact methods, in particular laser engraving method, as for example from the US 2010/0224603 A1 are known, particularly suitable to introduce such predetermined breaking structures in the bursting discs. However, the problem here is the associated with conventional laser engraving heat input, which leads to a structural change of the material used for the rupture disk in the region of the predetermined breaking point and changes the fracture behavior of the rupture disk accordingly.

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.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 any disturbing microstructural changes or deformations in the region of this predetermined breaking structure.

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 10 ps ist, wobei der Laserstrahl zum Einbringen der Gravur über die Oberfläche der Berstscheibe in einer Mehrzahl nebeneinander liegender Spuren geführt wird.The above object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1. According to these features, a pulsed laser beam is used whose pulse duration is less than 10 ps, wherein the laser beam for introducing the engraving over the surface of the rupture disk in a plurality adjacent tracks is guided.

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.By using very short laser pulses, engravings or recesses can be introduced into the rupture disk practically without heat input, so that a structure change in the region of the engraving which influences the bursting behavior uncontrolled does not take place.

Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass es trotz der mit der Verwendung sehr kurzer Laserpulse einhergehenden geringen Abtragsrate durch die Verwendung eines Multipassverfahrens möglich ist, in Berstscheiben Gravuren einzubringen, die eine zum Herbeiführen des angestrebten Berstverhaltens ausreichende und sehr gut reproduzierbare Tiefe und Breite aufweisen.The invention is based on the consideration that despite the low removal rate associated with the use of very short laser pulses by the use of a multi-pass method, it is possible to introduce engravings into rupture disks which have a depth and width which are sufficiently reproducible to bring about the desired bursting behavior ,

Darüber hinaus können Gravuren mit geringen Tiefentoleranzen sowohl bei gewölbten als auch bei planen Berstscheiben erzeugt werden.In addition, engravings with low depth tolerances can be generated on both domed and flat rupture discs.

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 zueinander bewegt werden, wobei jede Spur durch die Relativbewegung 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.A particularly simple and efficient process is achieved if, for focusing and guiding the laser beam, a galvano head containing at least one galvanometer mirror is used, and the rupture disk and galvo head are moved relative to each other, each track being generated by the relative movement between galvo head and rupture disk, and the 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.

Durch die Verwendung eines hochdynamischen, durch den Galvokopf gebildeten Führungssystems, mit dem schnelle Relativbewegungen 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.By using a highly dynamic, formed by the Galvo head guide system with the fast relative movement 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.

Ein besonders geringer Wärmeeintrag wird erzielt, wenn die Pulsdauer kleiner als 1 ps ist.A particularly low heat input is achieved if the pulse duration is less than 1 ps.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention reference is made to the drawing. Show it:

1 einen Ausschnitt aus einer Berstscheibe in einer perspektivischen Darstellung, in die durch Relativbewegung zwischen Berstscheibe und Laserstrahl eine Gravur eingebracht wird, 1 a detail of a rupture disk in a perspective view into which an engraving is introduced by relative movement between rupture disk and laser beam,

2 in einer vereinfachten Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Multipassbearbeitung. 2 in a simplified representation of an embodiment of a multipass processing.

Gemäß 1 wird ein von einem Laser, insbesondere einem Faserlaser, erzeugter gepulster Laserstrahl L, dessen Pulsdauer kleiner als 10 ps, vorzugsweise kleiner als 1 ps ist und insbesondere im Bereich zwischen 100 fs und 1 ps liegt, mit Hilfe eines Galvokopfes 2 auf eine Berstscheibe 4 fokussiert. Der Galvokopf 2 enthält zum Ablenken des Laserstrahls L wenigstens einen, in der Regel jedoch zwei Galvanometerspiegel 3 (in der 1 gestrichelt angedeutet), mit denen der Laserstrahl 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 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 Verstellbarkeit in Richtung der Z-Achse möglich, um die Bearbeitung von Berstscheiben mit gekrümmten Oberflächen zu ermöglichen.According to 1 a pulsed laser beam L generated by a laser, in particular a fiber laser, whose pulse duration is less than 10 ps, preferably less than 1 ps and in particular in the range between 100 fs and 1 ps, with the aid of a Galvo head 2 on a rupture disk 4 focused. Of the galvo head 2 contains for deflecting the laser beam L at least one, but usually two galvanometer 3 (in the 1 indicated by dashed lines), with which the laser beam L in a limited pivoting range about two mutually orthogonal axes x, y can be pivoted. rupture disc 4 and galvo head 2 are also relative to each other with a in the 1 only schematically indicated positioning 5 adjustable, for example, by the galvo head 2 in two mutually perpendicular directions X, Y parallel to the rupture disk 4 can be moved at a constant feed rate. In addition, an adjustment in the direction of the Z-axis is also possible to allow the processing of rupture discs with curved surfaces.

Durch die Überlagerung einer langsamen Vorschubbewegung des Galvokopfes 2 mit einer durch den Galvokopf 2 möglichen hochdynamischen Bewegung des Laserstrahls L können trotz der mit ultrakurzen Laserpulsen einhergehenden geringen Abtragsrate pro Laserpuls bei entsprechend hoher Repetitionsrate hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielt werden.By overlaying a slow feed motion of the galvo head 2 with one through the galvo head 2 possible highly dynamic movement of the laser beam L high processing speeds can be achieved in spite of the associated with ultrashort laser pulses low Abtragsrate per laser pulse with a correspondingly high repetition rate.

Im Beispiel der 1 ist eine lineare nutförmige Ausnehmung oder Gravur 6 veranschaulicht, die durch Bewegung des Galvokopfes 2 in Y-Richtung erzeugt wird.In the example of 1 is a linear groove-shaped recess or engraving 6 illustrated by movement of the galvo head 2 is generated in the Y direction.

Zum Führen des Laserstrahls LS zum Galvokopf 2 können sowohl Freistrahlsysteme als auch Lichtleitfasern vorgesehen sein.For guiding the laser beam LS to the galvo head 2 Both free-jet systems and optical fibers can be provided.

In 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 nebeneinander 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 2 illustrates a possibility with which the focus F of the laser beam over the surface of the rupture disk 4 can be performed. With the help of the galvo head are in simultaneous feed movement of the galvo head in the direction 8th several parallel tracks 10-1 . 10-2 . 10-3 and 10-4 moved side by side in the same direction, due to the advancing movement of the Galvo head each other in this direction 8th are offset. For example, after four adjacent, mutually parallel tracks 10-1 . 10-2 . 10-3 and 10-4 have been generated in a first section I, the Galvo head is driven such that the first track 10-1 in a subsequent second section II to the first track 10-1 of the first section I connects.

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 Spuren 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 benachbart sein müssen. Ebenso können mehr oder weniger als die im Beispiel dargestellten vier Spuren vorgesehen sein.In the illustrated example, the individual tracks are each generated in the same direction. In principle, a direction reversal is possible in which the direction of movement of the focus F is reversed when changing lanes. In addition, an overlap of the tracks I and II generated is possible, as well as the direction of movement of each track can be chosen freely. In principle, a multiple scan can also be performed in each track. The order of the tracks is basically arbitrary, so that not necessarily consecutively introduced tracks must be adjacent. Likewise, more or fewer than the four tracks shown in the example can be provided.

In der Praxis wurden bei der Herstellung von Berstscheiben aus Edelstahl mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,3 mm die Verwendung eines von einem Faserlaser erzeugten Laserstrahls mit einer Pulsdauer von 300 fs bei einer Wellenlänge von 1030 nm verwendet. Die typischen Pulsenergien betrugen 10–30 μJ bei einer Pulswiederholrate von 100–600 kHz. Die Geschwindigkeit der mit dem Galvokopf durchgeführten schnellen Relativbewegungen (Spurwechsel) betrug zwischen 1000 und 1500 mm/s. Der Mittenabstand der Spuren betrug typisch 5–15 μm bei einer Spurbreite zwischen 20 und 50 μm.In practice, in the production of rupture discs made of stainless steel with a thickness between 0.1 and 0.3 mm, the use of a laser beam generated by a fiber laser with a pulse duration of 300 fs at a wavelength of 1030 nm was used. The typical pulse energies were 10-30 μJ at a pulse repetition rate of 100-600 kHz. The speed of the galvo head fast relative movements (lane change) was between 1000 and 1500 mm / s. The pitch of the tracks was typically 5-15 microns with a track width between 20 and 50 microns.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 2010/0224603 A1 [0002] US 2010/0224603 A1 [0002]

Claims (4)

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 10 ps 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.Method for producing a rupture disk ( 4 ), in which in the rupture disc ( 4 ) as a predetermined breaking structure an engraving ( 6 ) is introduced with a pulsed laser beam (L) whose pulse duration is less than 10 ps, and in which the laser beam (L) for introducing the engraving ( 6 ) over the surface of the rupture disk ( 4 ) in a plurality of juxtaposed tracks ( 10-1 . 10-2 . 10-3 . 10-4 ) to be led. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Fokussieren und Führen des Laserstrahls (L) ein wenigstens einen Galvanometerspiegel (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.Method according to Claim 1, in which, for focusing and guiding the laser beam (L), at least one galvanometer mirror ( 3 ) containing Galvo head ( 2 ) and rupture disc ( 4 ) and galvo head ( 2 ) are moved relative to each other and in which each track ( 10-1 . 10-2 . 10-3 . 10-4 ) by the relative movement between galvo head ( 2 ) and rupture disc ( 4 ) and a plurality of adjacent tracks ( 10-1 . 10-2 . 10-3 . 10-4 ) generating lane change by deflecting the laser beam (L) in the galvo head ( 2 ) during the relative movement between galvo head ( 2 ) and rupture disc ( 4 ) he follows. 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.Method according to Claim 2, in which the engraving ( 6 ) is introduced in a plurality of consecutive and adjoining sections (I, II), wherein within each section (I, II) the lane change for generating the plurality of adjacent tracks ( 10-1 . 10-2 . 10-3 . 10-4 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Pulsdauer kleiner als 1 ps ist.The method of claim 1, 2 or 3, wherein the pulse duration is less than 1 ps.

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