Zinok má veľmi nízku teplotu tavenia (~419,5 °C), čo spolu s vysokou tepelnou vodivosťou, mäkkosťou a ľahkou oxidáciou vytvára špecifické požiadavky na laserové značenie. Lesklý povrch zinku odráža väčšinu dopadajúceho žiarenia (až 80% viditeľného svetla), takže pri nízkych teplotách laserovú energiu väčšinou iba odráža. Po zahriatí zinku však odrazivosť prudko klesá a absorpcia rastie.
Laserové značenie zinku preto musí pracovať v tzv. ultra-nízkoenergetickom režime s krátkymi pulzmi, aby sa zabránilo roztaveniu a deformácii materiálu. V praxi to znamená použiť pulzný laser, vysoké frekvencie (≥200 kHz) a presné zaostrenie lúča, aby sa energia sústredila lokálne a minimalizovalo sa prehrievanie okolitých častí materiálu.
Metódy laserového značenia
Pri značení zinku a pozinku laserom možno použiť etching, abláciu alebo gravírovanie.
Najrýchlejšou metódou pri laserovom značení zinku je etching, teda leptanie povrchu, keď pri vhodnej voľbe parametrov laser len krátko nataví povrch zinku a vytvorí na ňom riedku tenkú vrstvu oxidu ZnO. Oxid zinočnatý s hrúbkou niekoľko desiatok nanometrov sa javí bielo alebo svetlosivo, čím vzniká kontrastné svetlé značenie na tmavom podklade. Proces prebieha pri kontrolovanej teplote pod ~350 °C, aby nedošlo k roztaveniu základného materiálu.
Pri ablácii laserový lúč selektívne odparuje tenkú vrstvu zinku a odkrýva základný materiál, zvyčajne oceľ. Značenie vzniká ako kontrast medzi svetlým povrchom zinku a tmavším podkladom. Typicky sa používajú pulzy vedené tesne pod teplotu tavenia (380–400 °C) a veľmi vysoké frekvencie (≥200 kHz), aby sa odstránila iba povrchová vrstva. Pri správnom nastavení vznikne ostré, tmavé značenie s vysokým kontrastom bez toho, aby došlo k prehriatiu a deformácii dielu.
Pri aplikáciách, kde neprekáža zásah do základného materiálu, sa používa aj hĺbkové gravírovanie. V prvom kroku sa laserom odstráni zinková vrstva a následne sa ďalšími pulzmi postupne taví aj podkladová oceľ. Vzniká tak veľmi kontrastné tmavé značenie na svetlom zinkovom pozadí. Počet priechodov je vhodné minimalizovať, pretože každý ďalší priechod zvyšuje tepelnú záťaž a riziko rozliatia hrán alebo deformácie dielu.
Vhodný typ laseru
-
Vláknový laser (1064 nm): Najčastejšie používaný typ na značenie kovov. Vláknové lasery, najmä s architektúrou MOPA, umožňujú generovať veľmi krátke pulzy, vysoké špičkové energie a extrémne rýchlosti skenovania. Vďaka tomu dokážu vytvárať jemné detaily, napr. QR kódy, a súčasne rýchlo spracovávať aj rozsiahle plochy. Nevýhodou je nižšia absorpcia 1064 nm lúča zinkom, iba 25–30%. Preto sa často musia používať vyššie frekvencie pulzov a starostlivé nastavenie, aby dochádzalo skôr k nataveniu a získaniu kontrastu než k okamžitému roztaveniu materiálu.
-
Zelený laser (532 nm): Vzhľadom na vysokú absorpciu (55–65%) je pre čistý zinok optimálnym zdrojom. Tieto lasery sa často používajú na čisté oxidačné značenie, keď nižší výkon a kratšie pulzy vytvoria hustý tenký film ZnO s bielym značením. Zelené lasery však nie sú vždy bežnou súčasťou priemyselných liniek, typicky dopĺňajú vláknové riešenia.
-
CO₂ laser (10,6 µm): Na priame značenie čistého zinku nie je vhodný. Jeho absorpcia je veľmi nízka (<5%), takže takmer všetku energiu lúč odrazí a materiál sa skôr prehrieva než efektívne označuje. CO₂ laser sa niekedy používa pri pozinkovaných dieloch po tom, ako vláknovým laserom odstránime vrstvu Zn. Potom totiž lúč pracuje na oceli, ktorú CO₂ laser pohlcuje veľmi dobre. Aj tak sa však na značenie zinku spravidla uprednostňuje vláknový laser kvôli jeho presnosti a účinnosti.
-
UV laser (~355 nm): Špeciálna voľba na jemné mikrogravírovanie. Vďaka krátkej vlnovej dĺžke dosahujú UV lasery submikrónové rozlíšenie a minimálnu tepelne ovplyvnenú zónu. Zvyčajne však majú nízky výkon v jednotkách wattov, sú pomalšie a často veľmi drahé. Používajú sa teda prevažne v aplikáciách, kde je potrebná extrémna presnosť, ako je napr. mikroelektronika či medicínske súčiastky, nie pri priemyselnom značení väčších dielov.
Doporučené parametre
Pri značení zinku a pozinku sa všeobecne uplatňuje vysoká intenzita v krátkom čase. Typické nastavenia vláknového laseru môžu vyzerať napríklad takto:
- Pre tenké čisté zinkové vrstvy je vhodný výkon 10–20 W, hĺbkové gravírovanie alebo hrubšie materiály vyžadujú 30–50 W.
- Rýchlosť skenovania sa pri svetlom povrchovom značení zinku bežne volí 800–1000 mm/s. Pri ablačnom režime sa postupuje pomalšie (~400–600 mm/s), aby laser stihol odoberať materiál. Pri vysokorýchlostnom značení možno ísť s rýchlosťou nad 1000 mm/s za cenu nižšieho kontrastu.
- Frekvencia pulzov sa pri značení zinku volí vysoká, v ráde stoviek kHz. Krátke pulzy s vysokou frekvenciou znižujú akumuláciu tepla a zabraňujú taven iu povrchu.
- Dĺžka pulzu stačí pár nanosekúnd, aby malo značenie ostré hrany.
- Zvyčajne postačuje 1 priechod, ďalšie priechody zvyšujú hĺbku a kontrast, ale aj riziko prehriatia zinku a rozostrenia hrán. Pri pozinkovaných dieloch sa niekedy používajú 2 až 3 priechody: prvý na odstránenie vrstvy Zn a ďalšie na prehĺbenie kontrastu.
- Pri značení zinku sa minimalizuje prekryv skenovacích riadkov (hatch overlap ~0,02–0,05 mm), aby sa tie isté oblasti nezahrievali opakovane. Odporúča sa auto-fokus s presnosťou ~0,01 mm, pretože aj nepatrné rozostrenie výrazne zvýši hustotu energie a môže spôsobiť nežiaduce tavenie. Pri veľmi tenkých vrstvách (< 10 µm) možno výnimočne použiť miernu defokusáciu za cenu zníženia rozlíšenia a kontrastu.
Správnou voľbou laserového systému, optimalizáciou parametrov a dodržaním opísaných postupov možno dosiahnuť na zinku aj na pozinkovaných povrchoch vysoko kontrastné a trvácne značenie.
V priemyselnej praxi sa spravidla používajú vláknové lasery, ktoré zvládnu vysoké rýchlosti a jemné detaily. Tajomstvo úspechu spočíva v riadenej tvorbe tenkej oxidačnej vrstvy alebo v selektívnom odstránení materiálu.