Horčík a jeho priemyselné zliatiny, ako sú AZ31 alebo AZ91, predstavujú špecifickú skupinu materiálov s vysokou reaktivitou a unikátnymi požiadavkami na bezpečnosť procesu.
Hlavnými výzvami pri laserovom značení sú extrémna horľavosť vznikajúceho prachu a náchylnosť na nekontrolovanú oxidáciu. Horčíkový prach a triesky sa môžu vznietiť už pri teplotách okolo 650 °C, čo vyžaduje precízny manažment tepelného príkonu a použitie inertnej atmosféry.
Vzhľadom na vysokú tepelnú vodivosť (~160 W/m·K) horčík rýchlo odvádza energiu z miesta dopadu, čo môže pri bežných laseroch viesť k rozostreniu hrán značenia alebo k nežiaducemu prehriatiu dielu.
Zliatiny horčíka často obsahujú prchavé prímesy (napr. zinok s bodom varu 907 °C), ktoré sa pri laserovom procese odparujú skôr než samotný horčík, čo môže viesť k mikroskopickým zmenám v štruktúre povrchu.
Pre dosiahnutie stabilného výsledku je nutné pracovať v ochrannej atmosfére argónu, ktorý vytláča kyslík, bráni vznieteniu a zaisťuje čistotu oxidačných procesov nevyhnutných pre vysoký kontrast.
Ďalšie špecifikum predstavuje toxicita uvoľňovaných výparov (oxid horečnatý) a riziko explózie prachu v odsávacom trakte. Priemyselné systémy musia byť vybavené filtráciou triedy ST2 určenou pre horľavé prachy.
Pred značením je nutné povrch zbaviť mastnoty a prachu, pretože nečistoty môžu pod laserovým lúčom iniciovať horenie. Pracovný priestor je nutné udržiavať bez usadeného prachu, aby sa eliminovalo riziko sekundárneho výbuchu.
Metódy laserového značenia
Na značenie horčíka sa využívajú predovšetkým pulzné procesy s vysokou frekvenciou, ktoré obmedzujú akumuláciu tepla v materiáli. Medzi hlavné metódy patria:
Laserové žíhanie: Laser v inertnej atmosfére vyvolá kontrolovanú reakciu povrchu, ktorá vytvorí čierne značenie na svetlom pozadí natívneho kovu. Táto metóda je najbezpečnejšia, pretože generuje minimum pevných častíc a zachováva integritu povrchu bez výrazného úberu materiálu.
Laserové gravírovanie: Pri vyšších výkonoch dochádza k priamej ablácii kovu do hĺbky cca 0,05–0,5 mm. Táto metóda vytvára trvalý reliéf vhodný pre odliatky v automotive, vyžaduje však extrémne výkonné odsávanie a presné riadenie pulzov, aby sa zabránilo vznieteniu odpareného materiálu.
Laserové matovanie: Laser s vysokou frekvenciou vytvorí na povrchu horčíka jemnú mikroštruktúru, ktorá mení odrazivosť materiálu. Táto metóda sa využíva buď na priame značenie, alebo na vytvorenie svetlého podkladu pre následné značenie tmavých 2D kódov alebo log. Zaisťuje sa tým maximálna čitateľnosť pre priemyselné skenery aj na lesklých či nerovných odliatkoch.
Vhodný typ lasera
Výber lasera pre horčík je kriticky závislý od schopnosti zdroja dodávať energiu v krátkych, vysoko intenzívnych impulzoch:
- Vláknové lasery (1064 nm) sú v priemysle najpoužívanejšou voľbou na značenie horčíka. Ponúkajú optimálnu absorpciu a dostatočný výkon na rýchle značenie veľkých odliatkov. Výhodou je tu technológia MOPA, pretože umožňuje nastaviť veľmi krátke pulzy v ráde ns, čím minimalizuje tepelne ovplyvnenú zónu (HAZ) a drasticky znižuje riziko vznietenia dielu.
- Ultrafialové lasery (355 nm) predstavujú najbezpečnejší variant vďaka tzv. „studenému značeniu“. Fotochemický proces rozrušuje väzby bez výrazného ohrevu, čo je ideálne pre tenkostenné horčíkové kryty elektroniky. Nevýhodou UV laserov je vysoká cena a nižšia rýchlosť značenia pri rozmernejších dieloch.
Ostatné typy laserov
- Zelené lasery (532 nm) sa pre horčík využívajú zriedka. Hoci majú malý priemer ohniska, ich absorpcia v horčíku nie je taká efektívna ako pri vláknových systémoch a investičné náklady sú vyššie.
- Modré diódové lasery (450 nm) vykazujú pri horčíku dobrú absorpciu, čo umožňuje stabilný proces aj pri nižších špičkových výkonoch. V priemysle sa však častejšie presadzujú pri zváraní horčíkových zliatin než pri precíznom popise, kde stále dominujú vláknové zdroje.
- CO₂ lasery (10,6 μm) sú na priame značenie holého horčíka úplne nevhodné. Kov odráža väčšinu energie tejto vlnovej dĺžky, čo vedie k neefektívnemu procesu a riziku poškodenia optiky spätným odrazom.
Odporúčané parametre
Pri značení horčíka sa uplatňuje stratégia vysokej frekvencie a rýchleho pohybu lúča, aby sa zabránilo lokálnemu prehriatiu materiálu nad zápalnú teplotu. Typické nastavenia vláknového lasera môžu vyzerať takto:
- Výkon: Pri gravírovaní horčíka vláknovým laserom sa využíva výkon v rozmedzí 35–60 W, pri povrchovom matovaní potom 12–25 W. Nadmerný výkon zvyšuje produkciu nebezpečného prachu a riziko vznietenia. Pri UV laseroch sa na rovnaké úlohy používajú výkony výrazne nižšie, typicky v rozmedzí 1–5 W, vďaka extrémne vysokej absorpcii UV žiarenia v horčíku.
- Rýchlosť skenovania: Rýchlosť skenovania: Odporúčajú sa vyššie rýchlosti v rozmedzí 300–600 mm/s. Rýchly pohyb lúča zaisťuje, že teplo neprenikne hlboko do materiálu a nespôsobí deformáciu alebo tavenie okrajov značenia.
- Frekvencia pulzov: Volí sa vysoká, typicky v rozmedzí 50–100 kHz. Vysoká frekvencia s krátkym trvaním pulzu je kľúčová pre bezpečnosť procesu a kvalitu oxidačnej vrstvy.
- Dĺžka pulzu (MOPA): Optimálne hodnoty sa pohybujú medzi 10–50 ns. Krátke pulzy obmedzujú veľkosť tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ), čo je kritické pre zachovanie koróznej odolnosti horčíkových zliatin.
- Počet prechodov: Pre kontrastný popis postačuje 1 prechod. Pri hlbokom gravírovaní je lepšie použiť viac prechodov (3–5) s nižším výkonom než jeden prechod s extrémnou energiou, aby sa predišlo kumulácii tepla.
- Atmosféra a odsávanie: Prietok argónu by mal byť nastavený tak, aby spoľahlivo pokryl celú značenú plochu. Odsávanie musí byť v prevádzke po celý čas značenia a ešte krátky čas po ňom, aby došlo k úplnému odvedeniu splodín.