Specyfika znakowania niklu laserem::
- Wysoka refleksyjność promieniowania IR: Nikiel ma bardzo wysoką refleksyjność w zakresie podczerwieni (≈1064 nm), dlatego większość energii lasera odbija się od powierzchni zamiast być pochłaniana przez materiał. Stawia to większe wymagania wobec mocy i parametrów lasera.
- Przewodność cieplna: Nikiel charakteryzuje się stosunkowo wysoką przewodnością cieplną (~90 W/(m·K)), przez co zaabsorbowane ciepło szybko rozprasza się w materiale. Powierzchnia nagrzewa się słabiej niż w przypadku metali o niższej przewodności, dlatego konieczne jest zwiększenie energii impulsów.
- Temperatura topnienia i twardość: Nikiel topi się dopiero w temperaturze 1455 °C i jest bardziej odporny na zużycie niż metale miękkie. Wymaga to zastosowania większej energii do odparowania materiału.
- Powłoki niklowe: Na elementach często stosuje się cienkie powłoki niklowe w celu ochrony przed korozją. Warstwy te przy zbyt dużej mocy lasera mogą łatwo ulec uszkodzeniu. Dlatego do znakowania powłok niklowych zaleca się delikatniejsze metody, tj. niższą moc i wyższą częstotliwość, aby powierzchnia pozostała nienaruszona.
Metody znakowania niklu laserem
Podczas laserowego znakowania niklu można stosować wyżarzanie, grawerowanie lub czarne znakowanie (black marking). Każda metoda daje inny wygląd końcowego oznaczenia.
Podczas wyżarzania powierzchni (annealing) laser lokalnie nagrzewa powierzchnię elementu bez usuwania materiału. Na powierzchni powstaje ciemna do czarnej warstwa tlenkowa. Rezultatem jest znakowanie o wysokim kontraście przy zachowaniu gładkiej powierzchni. Nikiel osiąga przy wyżarzaniu laserowym kontrast podobny do tytanu czy cynku. Znakowanie wyżarzane może jednak cechować się mniejszą odpornością na ścieranie oraz działanie agresywnego środowiska.
Podczas grawerowania (ablacji) laser odparowuje lub usuwa część materiału, tworząc znak o charakterze reliefowym z chropowatą powierzchnią. Dla uzyskania kontrastu stosuje się wyższe energie impulsów, które miejscowo topią lub odparowują metal. Większa moc i większa liczba przejść prowadzą do głębszego oznaczenia i ostrzejszych krawędzi. Grawerowanie zapewnia trwałe i kontrastowe znaki, lecz może powodować drobne deformacje powierzchni.
Czarne znakowanie (black marking) wykorzystuje ultrakrótkie impulsy (ps/fs) o bardzo wysokiej mocy szczytowej, które minimalizują strefę wpływu ciepła i umożliwiają powstanie nanostrukturalnej powierzchni o wysokiej absorpcji światła. Efektem jest idealnie czarny wygląd oznaczenia. Ten sposób znakowania bez refleksów i zmian termicznych, tzw. „cold marking”, zachowuje materiał praktycznie bez zmian i charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję. Wymaga zastosowania lasera femtosekundowego.
Odpowiedni typ lasera
Do znakowania niklu zazwyczaj dobiera się laser odpowiedni do właściwości materiału:
Laser fibrowy (1064 nm) jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem do metali. Jego wysoka moc oraz krótkie impulsy sprawdzają się zarówno przy głębokim grawerowaniu, jak i przy szybkim znakowaniu. W przypadku znakowania metali refleksyjnych, takich jak nikiel, preferuje się tryby impulsowe, w których wysoka moc szczytowa pomaga przezwyciężyć odbijanie promieniowania od powierzchni materiału. Laser światłowodowy charakteryzuje się ponadto długą żywotnością i jest najbardziej efektywny do zastosowań na liniach produkcyjnych
Alternatywą są lasery UV (355 nm) oraz zielone (532 nm). Krótsze długości fali lepiej oddziałują z cienkimi warstwami metalu, dlatego są wykorzystywane głównie do bardzo precyzyjnych detali na cienkich powłokach niklu. Lasery te cechują się wysoką jakością wiązki, co umożliwia uzyskanie bardzo ostrych linii. Wadą jest zazwyczaj niższa moc całkowita w porównaniu z większymi laserami światłowodowymi.
Lasery hybrydowe (MOPA / YVO₄ + fiber) łączą zalety lasera światłowodowego i krystalowego. Systemy hybrydowe (np. oscylator YVO₄ wzmacniany we włóknie) oferują bardzo wysoką moc szczytową przy doskonałej jakości wiązki. Dzięki technologii MOPA możliwa jest regulacja długości impulsu w zakresie fs–ps, co pozwala na precyzyjne dopasowanie parametrów do uzyskania efektów kolorystycznych lub głębokiego znakowania w zależności od potrzeb. Taki laser może być stosowany do niemal wszystkich materiałów, w tym niklu i jego stopów.
Ultrakrótkie impulsy (fs, ps): jak już wspomniano, są przeznaczone do „black marking” oraz do bardzo wrażliwych aplikacji. Tworzą na powierzchni nanostruktury (LIPSS), które silnie absorbują światło i prowadzą do jednorodnego czarnego znakowania przy minimalnej strefie wpływu ciepła. Do standardowego przemysłowego znakowania niklu częściej jednak stosuje się lasery nanosekundowe.
Laser CO₂ (10,6 µm) nie nadaje się do znakowania czystego niklu, ponieważ nikiel nie absorbuje promieniowania o tej długości fali.
Zalecane parametry znakowania
Parametry znakowania należy dostosować do konkretnej metody oraz rodzaju materiału, czyli do czystego niklu lub jego stopów:
- Moc: Dla typowych laserów światłowodowych stosuje się zakres 20–100 W. Im wyższa moc, tym większa prędkość znakowania i możliwość uzyskania głębszego grawerowania.
- Częstotliwość impulsów: Zazwyczaj wystarcza 20–100 kHz. Nikiel często znakowany jest przy niższej częstotliwości, ponieważ dłuższa przerwa między impulsami pozwala materiałowi lepiej akumulować energię. Wyższa częstotliwość może być korzystna przy bardzo cienkich liniach, ale może obniżać kontrast. W przypadku cienkich powłok niklowych zaleca się natomiast niższą moc i wyższą częstotliwość, aby nie doprowadzić do przepalenia warstwy.
- Prędkość skanowania ustawia się zwykle w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset mm/s. Przy laserze światłowodowym 100 W można dla niklu utrzymać kontrast ≥100 przy prędkości 1,0–1,6 cm²/s. Wyższa moc umożliwia zwiększenie prędkości bez utraty kontrastu. Dla bardzo precyzyjnego znakowania zwiększa się gęstość rastra.
- Liczba przejść i gęstość rastra: 1 do 5 przejść. Przy wyżarzaniu zwykle wystarcza jedno przejście. Przy głębokim grawerowaniu wymagane są zazwyczaj 2 do 5 przejść warstwowych w celu uzyskania maksymalnego kontrastu. Odstęp między liniami (hatch) dobiera się zwykle w zakresie 10–20 µm, w zależności od wymaganej głębokości.
- Ostrość i głębia ostrości: Przy znakowaniu niklu stosuje się soczewki o odpowiednio dużej głębi ostrości (±0,5–1 mm) lub systemy z regulacją 3-osiową, aby znakowanie na nieregularnych powierzchniach pozostało ostre. Systemy laserowe z automatycznym ustawianiem ostrości (oś Z) są szczególnie przydatne przy elementach zakrzywionych lub zwiniętych.