Magnez i jego stopy przemysłowe, takie jak AZ31 czy AZ91, stanowią specyficzną grupę materiałów o wysokiej reaktywności i unikalnych wymaganiach dotyczących bezpieczeństwa procesu.
Głównymi wyzwaniami podczas znakowania laserowego są ekstremalna palność powstającego pyłu oraz podatność na niekontrolowane utlenianie. Pył i wióry magnezowe mogą zapalić się już w temperaturach około , co wymaga precyzyjnego zarządzania energią cieplną oraz zastosowania atmosfery obojętnej.
Ze względu na wysoką przewodność cieplną (ok. ) magnez szybko odprowadza energię z miejsca padania wiązki, co w przypadku standardowych laserów może prowadzić do rozmycia krawędzi znakowania lub niepożądanego przegrzania elementu.
Stopy magnezu często zawierają lotne domieszki (np. cynk o temperaturze wrzenia ), które podczas procesu laserowego odparowują wcześniej niż sam magnez, co może prowadzić do mikroskopijnych zmian w strukturze powierzchni.
Aby uzyskać stabilny rezultat, konieczna jest praca w ochronnej atmosferze argonu, który wypiera tlen, zapobiega zapłonowi i zapewnia czystość procesów utleniania niezbędnych do uzyskania wysokiego kontrastu.
Kolejnym specyficznym czynnikiem jest toksyczność uwalnianych oparów (tlenek magnezu) oraz ryzyko wybuchu pyłu w układzie odciągowym. Systemy przemysłowe muszą być wyposażone w filtrację klasy ST2 przeznaczoną do pyłów palnych.
Przed znakowaniem należy oczyścić powierzchnię z tłuszczu i pyłu, ponieważ zanieczyszczenia mogą pod wpływem wiązki lasera zainicjować zapłon. Przestrzeń roboczą trzeba utrzymywać wolną od osadzonego pyłu, aby wyeliminować ryzyko wtórnego wybuchu.
Metody znakowania laserowego
Do znakowania magnezu wykorzystuje się przede wszystkim procesy impulsowe o wysokiej częstotliwości, które ograniczają akumulację ciepła w materiale. Do głównych metod należą:
Wyżarzanie laserowe: Laser w atmosferze obojętnej wywołuje kontrolowaną reakcję powierzchni, która tworzy czarne znakowanie na jasnym tle rodzimego metalu. Metoda ta jest najbezpieczniejsza, ponieważ generuje minimum cząstek stałych i zachowuje integralność powierzchni bez znacznego ubytku materiału.
Grawerowanie laserowe: Przy wyższych mocach dochodzi do bezpośredniej ablacji metalu na głębokość około 0,05–0,5 mm. Metoda ta tworzy trwały relief odpowiedni dla odlewów w branży automotive, wymaga jednak niezwykle wydajnego odciągu oraz precyzyjnego sterowania impulsami, aby zapobiec zapłonowi odparowanego materiału.
Matowanie laserowe: Laser o wysokiej częstotliwości tworzy na powierzchni magnezu delikatną mikrostrukturę, która zmienia refleksyjność materiału. Metoda ta jest wykorzystywana do bezpośredniego znakowania lub do przygotowania jasnego podkładu pod późniejsze nanoszenie ciemnych kodów 2D lub logotypów. Zapewnia to maksymalną czytelność dla skanerów przemysłowych, nawet na błyszczących lub nierównych odlewach.
Odpowiedni typ lasera
Wybór lasera do magnezu zależy w krytycznym stopniu od zdolności źródła do dostarczania energii w krótkich, wysoce intensywnych impulsach:
- Lasery fibrowe (1064 nm) są najczęściej wybieranym rozwiązaniem przemysłowym do znakowania magnezu. Oferują optymalną absorpcję i wystarczającą moc do szybkiego znakowania dużych odlewów. Zaletą jest tu technologia MOPA, która pozwala na ustawienie bardzo krótkich impulsów rzędu nanosekund, co minimalizuje strefę wpływu ciepła (HAZ) i drastycznie zmniejsza ryzyko zapłonu elementu.
- Lasery ultrafioletowe (355 nm) stanowią najbezpieczniejszy wariant dzięki tzw. „zimnemu znakowaniu”. Proces fotochemiczny zrywa wiązania bez znacznego nagrzewania, co jest idealne dla cienkościennych obudów elektroniki wykonanych z magnezu. Wadą laserów UV jest wysoka cena oraz niższa prędkość znakowania większych elementów.
Pozostałe typy laserów
- Lasery zielone (532 nm) są rzadko wykorzystywane do magnezu. Choć mają małą średnicę ogniska, ich absorpcja w magnezie nie jest tak efektywna jak w przypadku systemów fibrowych, a koszty inwestycyjne są wyższe.
- Niebieskie lasery diodowe (450 nm) wykazują dobrą absorpcję w magnezie, co pozwala na stabilny proces nawet przy niższych mocach szczytowych. W przemyśle częściej jednak znajdują zastosowanie przy spawaniu stopów magnezu niż przy precyzyjnym znakowaniu, gdzie wciąż dominują źródła fibrowe.
- Lasery CO₂ (10,6 μm) są całkowicie nieodpowiednie do bezpośredniego znakowania czystego magnezu. Metal odbija większość energii tej długości fali, co prowadzi do nieefektywnego procesu i ryzyka uszkodzenia optyki przez odbicie wsteczne.
Zalecane parametry
Przy znakowaniu magnezu stosuje się strategię wysokiej częstotliwości i szybkiego ruchu wiązki, aby zapobiec lokalnemu przegrzaniu materiału powyżej temperatury zapłonu. Typowe nastawy lasera fibrowego mogą wyglądać następująco:
- Moc: Przy grawerowaniu magnezu laserem fibrowym wykorzystuje się moc w zakresie 35–60 W, natomiast przy powierzchniowym matowaniu 12–25 W. Nadmierna moc zwiększa produkcję niebezpiecznego pyłu oraz ryzyko zapłonu. W przypadku laserów UV do tych samych zadań używa się mocy znacznie niższych, typowo w przedziale 1–5 W, ze względu na ekstremalnie wysoką absorpcję promieniowania UV w magnezie.
- Prędkość skanowania: Zalecane są wyższe prędkości w zakresie300–600 mm/s. Szybki ruch wiązki zapewnia, że ciepło nie wniknie głęboko w materiał i nie spowoduje deformacji lub stopienia krawędzi znakowania.
- Częstotliwość impulsów: Dobiera się ją wysoką, typowo w zakresie 50–100 kHz. Wysoka częstotliwość przy krótkim czasie trwania impulsu jest kluczowa dla bezpieczeństwa procesu i jakości warstwy utlenionej.
- Czas trwania impulsu (MOPA): Optymalne wartości mieszczą się między 10–50 ns. Krótkie impulsy ograniczają wielkość strefy wpływu ciepła (HAZ), co jest krytyczne dla zachowania odporności korozyjnej stopów magnezu.
- Liczba przejść: Do kontrastowego opisu wystarcza 1 przejście. Przy głębokim grawerowaniu lepiej zastosować więcej przejść (3–5) z niższą mocą niż jedno przejście z ekstremalną energią, aby uniknąć kumulacji ciepła.
- Atmosfera i odciąg: Przepływ argonu powinien być ustawiony tak, aby niezawodnie pokrywał całą znakowaną powierzchnię. Odciąg musi pracować przez cały czas znakowania oraz jeszcze przez krótki czas po jego zakończeniu, aby zapewnić całkowite odprowadzenie spalin.