Na značenie ocele, vrátane nehrdzavejúcej, je najvhodnejší vláknový laser. Používajú sa dva základné procesy laserového značenia: laserové žíhanie, laserové gravírovanie, prípadne laserová karbonizácia.
- Laserové žíhanie (annealing): Laser zohrieva povrch ocele na vysokú teplotu, čím pod povrchom vzniká oxidačná vrstva. Bez odparenia materiálu tak vzniká farebná zmena povrchu. Pri nehrdzavejúcej oceli možno touto metódou dosiahnuť širokú škálu farieb (od zlatej cez modrozelenú až po čiernu) podľa teploty zohrievania. Napríklad pri zohrievaní nerezu na ~300 °C sa objavia svetlejšie oxidy, pri ~600 °C tmavne až do čierna. Výsledkom je hladký popis, ktorý neporušuje pasívnu vrstvu nerezu a zachováva odolnosť proti korózii. Táto metóda je pomalšia, ale ideálna na čierne značenie nerezu alebo vytváranie farebných dekoratívnych popisov bez akýchkoľvek aditív. Farebný popis laserom možno dosiahnuť takmer výhradne pri nehrdzavejúcej oceli a titáne, pri iných kovoch nie.
- Laserové gravírovanie (ablácia materiálu): Pri vyššom výkone a sústredenom lúči laser odoberá materiál (taví a odparuje oceľ) a vytvára hlbšie reliéfne značenie. Vláknový laser vďaka vysokému pulznému výkonu (~kW) a malému priemeru lúča dokáže oceľ priamo odparovať. Hlboké gravírovanie sa využíva napr. na značenie VIN kódov do rámov a podvozkov – cieľom je nezmazateľný popis, ktorý nemožno odstrániť ani obrúsením. Pri hlbokom rytí ocele sa však často tvoria okuje a tmavé zafarbenie okolo značky vplyvom spáleného kovu, ktoré treba odstrániť. To možno zabezpečiť ďalším krátkym laserovým prejdením povrchu (s inými parametrami) na vyčistenie, čím sa dosiahne čistý finálny vzhľad. Alternatívne možno použiť tzv. polishing laserom – zmenou parametrov značenia (nižší výkon, vyššia frekvencia) sa materiál skôr taví a uhladzuje, čím vzniká svetlý, lesklý popis bez výrazného odberu materiálu.
- Laserová karbonizácia: Táto metóda značenia mení chemické zloženie povrchovej vrstvy ocele. Pri vysokej teplote a obmedzenom prístupe kyslíka spôsobí laserový lúč difúziu uhlíka z okolia alebo z povrchových nečistôt do povrchovej vrstvy kovu, čím vznikne tenká zóna s vyšším obsahom uhlíka – tzv. karbonizovaný povrch. Tento proces je výrazný najmä pri nelegovaných a nízkolegovaných uhlíkových oceliach, ktoré dobre reagujú na zmeny obsahu uhlíka. Výsledkom je tmavý až čierny popis s mierne odlišnou štruktúrou, odolný voči oderu a chemickému pôsobeniu. Karbonizáciu možno dosiahnuť použitím dlhých pulzov s vyššou frekvenciou a defokusovaným lúčom, ktorý hlbšie zohrieva povrch. Parametre sa podobajú žíhaniu, ale s dôrazom na minimalizáciu prístupu vzduchu. Pri značení pod ochranným plynom (dusík, argón) je karbonizácia výraznejšia.
Vhodný typ laseru
Na akékoľvek značenie ocele je ideálny vláknový laser. Vláknové pulzné lasery (dopované Ytterbiom) s vlnovou dĺžkou ~1,06 µm sa veľmi dobre absorbujú v kovoch a umožňujú rýchle a kontrastné popisy. Je nimi možné značiť všetky typy ocelí – konštrukčné, nástrojové, nerezové, kalené aj liatiny. Naproti tomu CO₂ laser (~10,6 µm) nie je vhodný na značenie holého ocele, pretože kov túto vlnovú dĺžku zle absorbuje – väčšina energie sa odrazí.
CO₂ laser teda nedokáže oceľ priamo gravírovať či kaliť (nemožno dosiahnuť abláciu materiálu). Jedinou možnosťou značenia kovov CO₂ laserom je buď odstrániteľná povrchová úprava, alebo použitie špeciálnych termochemických pást. Napríklad pri lakovanej či eloxovanej oceli môže CO₂ laser odstrániť vrchnú vrstvu (lak, elox), a tým odhaliť kontrastný podklad.
Alternatívne možno na čistý kov naniesť tenkú vrstvu absorpčného spreja (napr. s obsahom keramických častíc), ktorý sa pôsobením CO₂ lúča natrvalo prichytí k povrchu a vytvorí tmavé značenie. Tieto metódy však nedosahujú kvalitu a trvácnosť priameho značenia vláknovým laserom. Pri použití pasty sa nedosiahne hlboké rytie a proces je pomalší a nákladnejší (nutnosť nanášania a zmývania pasty).
Odporúčané parametre
Pri značení kovov vláknovým laserom sa typicky používajú stredné až vyššie výkony a pomalšie rýchlosti než pri plastoch. Vo všeobecnosti sa výkon nastavuje od cca 50 W vyššie (pri pulzných vláknových laseroch to zodpovedá napr. 50 % výkonu 100 W zdroja). Frekvencia pulzov sa pre oceľ volí relatívne nízka (v desiatkach kHz, napr. 20–60 kHz) na dosiahnutie vysokej energie v každom pulze.
Nižšia frekvencia a vyššia energia pulzu podporujú účinnú abláciu materiálu a hlboký zárez. Napr. na gravírovanie ocele 20 W vláknovým laserom sa nastaví 100 % výkon, frekvencia 20 kHz a pomalá rýchlosť ~300 mm/s.
Naopak na povrchové žíhanie (annealing, popúšťanie) sa využívajú skôr dlhšie doby pôsobenia s nižšou hustotou energie: často sa zámerne rozostrí lúč (napr. o niekoľko mm mimo ohnisko) a zvolí sa vyššia frekvencia pulzov, aby nedošlo k ablácie, ale len k ohrevu povrchu. Odporúčané nastavenie na čierny popúšťací popis nerezu je napr. 80–100 % výkonu, veľmi pomalá rýchlosť 80–120 mm/s a frekvencia 20–30 kHz, s defokusáciou cca +5 mm. V praxi sa na dokonalý čierny odtieň na nereze osvedčuje aj extrémne vysoká frekvencia (státisíce Hz) dostupná pri MOPA vláknových laseroch a defokus ~1–3 mm. Tým sa dosiahne rovnomerné zohrievanie bez odparenia materiálu.
Rýchlosť značenia kovov býva vo všeobecnosti nižšia: typicky okolo 200–400 mm/s (pri hlbokom gravírovaní aj menej), aby mal laser dostatok času na interakciu s materiálom. Pri viacerých prechodoch možno rýchlosť zvýšiť na finálne čistenie povrchu. Počet prechodov závisí od požadovanej hĺbky. Povrchové značenie (vrátane farebného) sa robí jedným pomalým prechodom, hlbšie rytie môže vyžadovať aj desiatky opakovaní.
Výhody vláknového laseru na oceľ
Vláknový laser umožňuje na oceli vytvoriť vysoko kontrastné značenie. Čierne žíhané popisy na nereze sú dobre čitateľné a odolné, bez narušenia povrchu. Možno tiež rýchlo gravírovať kód alebo text do hĺbky s vysokou presnosťou (malý priemer lúča ~50 µm umožňuje jemné detaily). Nevýhody sú minimálne: relatívne pomalší proces pri požiadavke na veľkú hĺbku, prípadne nutnosť odsávať splodiny.
CO₂ laser nemá zmysluplné využitie na priame značenie ocele – jeho nevýhodou je nízka absorpcia, teda neefektivita (výnimkou je spomenuté značenie cez vrchné vrstvy alebo pomocou špeciálnych prípravkov, čo je však komplikovanejšie a menej trvácne riešenie).