Laserové značenie liatiny sa v priemysle používa na trvalú identifikáciu masívnych odliatkov: blokov a hláv motorov, prevodovkových skríň, brzdových kotúčov, čerpadiel, ventilov a armatúr a podobne. Cieľom je <meta charset="UTF-8">vizuálne aj strojovo čitateľné značenie odolné proti oteru a korózii.
Z hľadiska laserového značenia sa liatina líši od ocele aj ostatných zliatin železa predovšetkým vyšším obsahom uhlíka (nad 2 %, typicky 3–4 %) a tým, že podstatná časť tohto uhlíka je v matrici prítomná vo forme voľných grafitových inklúzií. Grafit absorbuje laserové žiarenie výrazne lepšie než železná matrica a má inú tepelnú vodivosť, čo ovplyvňuje vzhľad značenia. Liatinové odliatky majú navyše hrubý liaty povrch s pieskovou krustou, ktorý sa nedá značiť priamo s rovnakými parametrami ako obrobená plocha.
Ktoré typy liatiny možno značiť laserom
- Sivá liatina (EN-GJL, predtým označovaná GG): V tomto najrozšírenejšom type liatiny je grafit prítomný vo forme lupienkov v perliticko-feritickej matrici. Lupienkový grafit má vyššiu absorpciu lasera než matrica, takže v mieste značenia vznikajú nerovnomerné teplotné gradienty. V okolí značenia sa uvoľňuje grafitový prach a tmavé sadze, ktoré je potrebné odstrániť ďalším čistiacim prechodom. Použitie: bloky motorov, valce spaľovacích motorov, prevodové skrine, lôžka obrábacích strojov.
- Tvárna liatina (EN-GJS, predtým GGG): Grafit je tu vo forme uzlov. Z hľadiska značenia je to najvďačnejší typ liatiny. Nodulárny tvar grafitu znamená rovnomernejšiu absorpciu laserového žiarenia a čistejší výsledok bez výrazného úletu sadzí. Použitie: kľukové hriadele, piesty, hlavy valcov, automobilové komponenty, vysoko zaťažené odliatky.
- Liatina s vermikulárnym grafitom (EN-GJV, anglicky CGI): Medzikrok medzi sivou a tvárnou liatinou s grafitom vo forme predĺžených červíkovitých útvarov. Pri značení laserom sa správa podobne ako tvárna liatina. Použitie: moderné vznetové motorové bloky, výfukové potrubia.
- Temperovaná liatina (EN-GJM, predtým GTW pre bielu a GTS pre čiernu temperovanú): Liatina po dlhodobom tepelnom spracovaní, ktorým sa uhlík premení do podoby grafitových vločiek alebo úplne odstráni z povrchu. Je mäkšia a ťažnejšia než ostatné liatiny. Z praxe vychádza ako najľahšie značiteľná zo všetkých liatin, jej správanie je najbližšie konštrukčným oceliam. Použitie: drobné armatúry, fitingy, reťazové články, spojovacie prvky.
- Biela liatina (EN-GJN): Tvrdá krehká liatina s uhlíkom viazaným v cementite (Fe₃C, tvrdosť cca 800 HV), bez voľného grafitu. Má vysokú oteruvzdornosť. Pre značenie je najnáročnejšia kvôli tvrdosti. Výsledok je však čistejší než u sivej liatiny vďaka absencii grafitu, pretože nevznikajú sadze. Použitie: valce, čeľuste drvičov, mlynské telesá.
- Legované liatiny (Ni-Resist, Ni-Hard, austenitické liatiny): Špeciálne zliatiny pre vysoké teploty, korózne prostredie alebo extrémny oter. Z hľadiska značenia sa správajú podľa prevažujúcej štruktúry matrice (austenitická obdobne ako nehrdzavejúca oceľ, perlitická obdobne ako sivá liatina).
Pri značení liatiny laserom záleží aj na stave povrchu. Hrubý liaty povrch s pieskovou krustou alebo s okujami po tepelnom spracovaní absorbuje laser veľmi nerovnomerne a výsledné značenie býva esteticky nedokonalé. Vo väčšine priemyselných aplikácií sa preto značí až na obrobenom povrchu alebo na povrchu s náterovou úpravou (lak, prášková farba, fosfátovanie), kde možno parametre zladiť s konkrétnou vrchnou vrstvou.
Metódy laserového značenia liatiny
Na liatinu možno podľa hustoty energie a dĺžky pulzu aplikovať niekoľko procesov. V priemyselnej praxi sa uplatňujú predovšetkým štyri:
- Laserové žíhanie (annealing): Laser zahrieva povrch tesne pod bod tavenia, čím vzniká tenká oxidická vrstva, ktorá mení farbu povrchu. Pri liatine aj oceli vzniká typicky tmavosivá až čierna značka odolná proti oteru a chemikáliám. Žíhanie je preferovanou metódou pre tvárnu liatinu (EN-GJS) a temperovanú liatinu (EN-GJM), kde matrica zodpovedá viac homogénnej oceli. Pozor na teplotnú stabilitu: vrstva oxidov vzniknutá žíhaním je farebne stabilná iba do teplôt okolo 200 °C, pri vyššom ohreve sa mriežka vracia do pôvodného stavu a značka mizne. To obmedzuje použiteľnosť annealingu na diely, ktoré pracujú pod 200 °C alebo mimo priamej tepelnej expozície.
- Karbonizácia: Pri liatine je tento proces výraznejší než u bežnej ocele. Matrica je už uhlíkom nasýtená a vplyvom laserového ohrevu sa v okolí inklúzií uvoľňuje ďalší uhlík. Vzniká veľmi tmavá až sýto čierna značka s mierne texturovaným povrchom. Karbonizácia pracuje obdobne ako žíhanie, ale s výraznejším podielom uhlíka v povrchovej vrstve. Je to metóda vhodná najmä pre sivú liatinu (EN-GJL), kde lupienkový grafit pri ohreve uvoľňuje pigmentujúce sadze. Pre výrazný kontrast pomáha značenie v ofuku dusíka alebo argónu, ktorý obmedzí oxidáciu a podporí čistú tmavú farbu. Karbonizačná značka je teplotne stabilnejšia než žíhaná, pretože farbu nedrží oxidická vrstva, ale reorganizovaný uhlík v povrchu.
- Gravírovanie (ablácia materiálu): Pri vyššom výkone a viacerých prechodoch laser odoberá materiál a vzniká hlboký reliéf. Pri liatine je to ťažšie než u ocele. Grafit sa odparuje pri nižšej energii než železná matrica, čo vedie k nerovnomernej hĺbke a hrubému povrchu dna značky. Pre pravidelný 3D reliéf je potrebných viac prechodov s nižšou energiou a obvykle záverečný čistiaci prechod, ktorý zarovná hrany a odstráni uvoľnený grafit. Typická aplikácia: VIN kódy do podvozkových rámov, hlboká identifikácia odliatkov, raznice.
- Ablácia povrchovej úpravy: Ak je liatina opatrená lakom, fosfátovaná, černená alebo galvanicky pokovená, laser dokáže selektívne odstrániť povrchovú vrstvu a obnažiť kovovú matricu pod ňou. Vzniká vysoko kontrastné značenie pri minimálnom ohreve základného materiálu. Táto metóda je u priemyselných liatinových dielov najekonomickejšia.
Bez ohľadu na metódu je u sivej liatiny prakticky nutné počítať so záverečným čistiacim prechodom s nižším výkonom a vyššou rýchlosťou, ktorý odstráni z okolia značky uvoľnené sadze. Bez neho zostávajú v okolí značky tmavé škvrny od grafitu, ktoré znižujú čitateľnosť a esteticky kazia výsledok.
Vhodný typ lasera
Štandardom pre značenie liatiny je ytterbium pulzný vláknový laser (1064 nm), ideálne vo verzii MOPA pre flexibilné riadenie dĺžky pulzu. Liatina absorbuje žiarenie v tejto oblasti výrazne lepšie než leštená oceľ. Jednak vďaka vyššiemu obsahu uhlíka v matrici, a tiež vďaka grafitovým inklúziám, ktoré majú odlišnú (vyššiu) absorpciu než železo, a u liatych dielov tiež vďaka drsnejšiemu povrchu. Pre bežné značenie sériových čísiel a kódov na obrobených plochách stačí 20–30 W, pre hlbšie gravírovanie razníc a VIN kódov sú vhodné modely 50–100 W.
MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) umožňuje nezávisle nastaviť dĺžku pulzu a opakovaciu frekvenciu. Pri liatine pomáhajú krátke pulzy (4–20 ns) dosiahnuť čistú abláciu s minimálnou tepelnou difúziou, takže sa zníži efekt rozšírenia grafitovej sadze mimo plochu značky. Pre náročnejšie aplikácie s vysokým estetickým nárokom (pamätné dosky, dekoratívne liatinové prvky, viditeľné značky na sochách) je MOPA jednoznačná voľba.
CO₂ laser nie je vhodný pre značenie holej liatiny. Železná matrica vlnovú dĺžku 10,6 µm absorbuje slabo (rádovo jednotky percent) a značenie je nestabilné a neefektívne. CO₂ laser má zmysel iba pri liatine s povrchovou úpravou (lak, prášková farba), kde odstráni vrchnú vrstvu a obnaží kov pod ňou, prípadne pri použití termochemickej pasty nanesenej na povrch pred značením. Druhá metóda je v praxi pomalá a menej trvanlivá, takže sa na liatinu nasadzuje výnimočne.
Odporúčané parametre značenia
Konkrétne hodnoty sa vždy odvíjajú od typu zdroja, optickej sústavy, akosti liatiny a stavu povrchu. Nasledujúce orientačné rozsahy počítajú s vláknovým laserom 20–60 W (ideálne MOPA) s F-theta šošovkou ohniskovej dĺžky 100–160 mm.
- Tmavý popis žíhaním na obrobenom povrchu tvárnej alebo temperovanej liatiny: výkon 80–100 %, frekvencia 20–30 kHz, dĺžka pulzu 100–200 ns (MOPA), rýchlosť 80–120 mm/s, jeden prechod, defokusácia +1 až +5 mm. Hodnoty zodpovedajú čiernemu žíhanému popisu na nehrdzavejúcej oceli, ktorý sa pri homogénnej matrici tvárnej a temperovanej liatiny správa obdobne. U MOPA strojov možno alternatívne použiť vysokú frekvenciu v stovkách kHz s defokusáciou 1–3 mm pre čistú čiernu.
- Tmavý popis karbonizáciou na obrobenom povrchu sivej liatiny: výkon 70–100 %, frekvencia 30–50 kHz, dĺžka pulzu 100–200 ns, rýchlosť 200–300 mm/s, jeden značiaci prechod plus záverečný čistiaci prechod (~30 % výkonu, rýchlosť 1000+ mm/s) pre odstránenie grafitovej sadze v okolí. Značenie v ofuku dusíka alebo argónu zvýrazní kontrast.
- Tmavý popis na hrubom liatom povrchu: výkon 80–100 %, frekvencia 20–30 kHz, rýchlosť 100–250 mm/s, dva značiace prechody. Prvý prechod prerazí slupku a karbonizuje, druhý vyrovná plochu. Hrubý povrch absorbuje lúč nerovnomerne, výsledok býva esteticky menej čistý, ale čitateľný.
- Plytké gravírovanie (do 0,1 mm): výkon 80–100 %, frekvencia 30–35 kHz, pulzy 100–200 ns, rýchlosť 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 8–15 loops. Hodnoty vychádzajú z publikovanej receptúry pre hlboké gravírovanie liatych ocelí na 30W vláknovom laseri (BarchLaser, EZcad 2: 1000 mm/s, 90 %, 35 kHz, 0,03 mm, 25 loops). Liatina vyžaduje o 30–50 % viac loops než liate oceli kvôli nerovnomernej ablácii grafitu vs. matrice.
- Hlboké gravírovanie (0,3–1,0 mm): výkon 90–100 %, frekvencia 30–35 kHz, pulzy 100–200 ns, rýchlosť 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 30–80 loops (prírastok typicky 0,01–0,02 mm na loop). Po značiacej fáze nevyhnutné záverečné čistiace prejdenie s nižším výkonom (~30 %) a vysokou rýchlosťou, ktoré zarovná hrany a odstráni napečený grafit.
- Ablácia laku alebo práškovej farby: výkon 30–50 %, frekvencia 30–50 kHz, krátke pulzy, rýchlosť 1500–3000 mm/s, jeden prechod. Cieľom je odstrániť povrchovú vrstvu, ale nenarušiť liatinu pod ňou.
- Biela liatina (vysoká tvrdosť cementitu): výkon 100 %, frekvencia 20–30 kHz, počet loops zhruba 1,5× viac než u sivej liatiny pre rovnakú hĺbku. Energetická spotreba je vyššia, ale absencia grafitu znamená čistejšie dno značky bez sadzí.
Pri ladení parametrov na konkrétnu liatinu platí niekoľko všeobecných zásad:
- Medzi šaržami aj v rámci jedného odliatku sa môže významne líšiť obsah a tvar grafitu, takže parametre doladené na jeden odliatok nemusia dať rovnaký výsledok na druhom. Je nutné vždy testovať na vzorkách z aktuálnej dodávky.
- Žíhanie je farebne stabilné iba do teplôt okolo 200 °C, takže pre diely pracujúce za vyšších teplôt, ako bloky motorov či diely výfukového potrubia je vhodnejšia karbonizácia alebo gravírovanie s mechanicky odolnou stopou.
- Mierna defokusácia o 1–2 mm rozprestrie energiu na väčšiu plochu a podporí rovnomerný ohrev pri karbonizácii; pre detail a hlboké rytie naopak ostro zaostriť.
Liatina pri ablácii uvoľňuje drobný grafitový prach, ktorý môže zanášať optiku stroja a usadzovať sa na vnútorných dieloch. Pre dlhodobú spoľahlivú prevádzku je u priemyselných strojov nutné odsávanie s viacstupňovou filtráciou, ideálne s predfiltrom na hrubé častice pred HEPA filtrom.