Złoto wykazuje ekstremalną refleksyjność dla standardowych długości fal laserowych (IR, ~1064 nm), osiągając blisko 100%. Lasery fibrowe mają w warstwie złotowej stosunkowo niską absorpcję, dlatego proces znakowania wymaga bardzo wysokiej mocy lub zmniejszonej prędkości skanowania. Złoto znacznie lepiej absorbuje lasery zielone (532 nm) i UV (355 nm).
W szczególności lasery UV umożliwiają znakowanie złota bez uszkodzenia cienkiej warstwy, nawet na bardzo refleksyjnych powierzchniach. Jednocześnie złoto charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną (~318 W/mK), dzięki czemu ciepło szybko rozprasza się w otoczeniu, co wymaga większej energii, aby osiągnąć potrzebną temperaturę.
Czyste złoto (24K) jest bardzo miękkie, natomiast stopy (14–18K) zawierają miedź, srebro czy nikiel. Cięższe stopy są twardsze i można je obrabiać bardziej agresywnie, jednak mogą wykazywać odmienne właściwości spektralne. Różne stopy mogą także generować różne efekty kolorystyczne, np. domieszka miedzi w różowym złocie umożliwia tworzenie tlenków zwiększających kontrast znakowania. Białe złoto często posiada warstwę rodu, którą podczas laserowego znakowania można usunąć lub uszkodzić, dlatego konieczne jest dostosowanie parametrów lub przygotowania powierzchniowego.
Podczas znakowania elementów technicznych, np. złącz, gdzie złoto występuje tylko w cienkiej warstwie, można ją selektywnie usunąć wiązką laserową. Z drugiej strony należy unikać uszkodzenia cienkiej warstwy złotowej na elektronice lub biżuterii, co zmniejszyłoby ich połysk.
Ogólnie rzecz biorąc, znakowanie złota jest wrażliwe na ustawienia. Ze względu na wysoką cenę materiału niepożądane jest prowadzenie procesu znakowania na dużych głębokościach, aby nie powstawały niepotrzebne odpady.
Metody znakowania laserowego
Główną metodą znakowania laserowego złota jest grawerowanie, czyli fizyczne usuwanie materiału. Ze względu na miękkość złota podczas grawerowania często powstaje drobny pył metalowy oraz zmienia się struktura termiczna powierzchni. Często stosuje się wiele przejść — na przykład przy głębokim grawerowaniu cienkiej folii złotej (do ok. 0,5 mm) może być potrzebne od 5 do 20 przejść.
Kontrastowe znakowanie złota można uzyskać również poprzez laserowe wyżarzanie. W przypadku złota nie chodzi o utlenianie w ścisłym znaczeniu, lecz o termiczne oddziaływanie na powierzchnię, prowadzące do powstawania ciemniejszych lub brązowych odcieni, podobnie jak przy czarnym lub białym znakowaniu stali. Samo złoto nie tworzy trwałych czarnych tlenków jak stal, dlatego efekt końcowy ma zwykle barwę od szarej do ciemnobrązowej i bardziej grafitowy wygląd.
Kolejną metodą, stosowaną zwłaszcza w jubilerstwie, jest kolorowe znakowanie z wykorzystaniem ultrakrótkich impulsów. W przypadku laserów ps/fs zachodzi bardzo szybka interakcja, w której tzw. zimne znakowanie może na metalu tworzyć cienkie, wielobarwne warstwy oparte na interferencji cienkich tlenków lub na strukturyzacji powierzchni. Na złocie można w ten sposób uzyskać różnorodne efekty kolorystyczne.
Zaletą znakowania ps/fs jest minimalna deformacja termiczna oraz możliwość wykonywania ekstremalnie drobnych elementów, takich jak mikrodruki czy kody QR. Wadą jest wyższa cena urządzeń, konieczność bardzo precyzyjnego ogniskowania oraz zazwyczaj mniejsza moc, co skutkuje dłuższym czasem obróbki większych powierzchni.
Odpowiedni typ lasera
Do znakowania złota najczęściej stosuje się długofalowe lasery włóknowe oraz lasery zielone/UV, odpowiednie są również lasery niebieskie:
-
Lasery fibrowe (~1064 nm) zapewniają wysoką moc w zakresie kilkunastu–kilkudziesięciu watów oraz szybkie skanowanie, dzięki czemu radzą sobie z głębszym grawerowaniem lub szybkim znakowaniem seryjnym. Ich wadą jest niska absorpcja przez złoto. Aby uzyskać efektywne odparowanie materiału, wiązkę należy zwolnić lub zwiększyć moc. Lasery włóknowe MOPA umożliwiają regulację szerokości impulsu, co jest idealne do złota. Krótkie impulsy (ns) minimalizują uszkodzenia termiczne i często pozwalają na delikatne szare znakowanie, podczas gdy dłuższe impulsy (μs) raczej temperują powierzchnię do ciemniejszego odcieniau.
-
Lasery zielone (532 nm) mają tę zaletę, że złoto absorbuje je wielokrotnie skuteczniej. Oznacza to ostrzejszy znak i płytszą strefę wpływu cieplnego. Zielony kolor jest popularny w elektrotechnice, gdzie dzięki lepszej absorpcji efektywnie znakowane są złote elektrody. Do wad laserów zielonych należą zazwyczaj mniejsza moc oraz wyższy koszt eksploatacji w porównaniu z systemami fibrowymi.
-
Lasery niebieskie (~445 nm) znajdują zastosowanie w znakowaniu złota jako bardzo perspektywiczna technologia dzięki wysokiej absorpcji, która zapewnia doskonałą stabilność procesu. Chociaż nadają się one do znakowania kontrastowego i głębszego grawerowania, w dziedzinie mikroznakowania o najwyższej rozdzielczości wciąż dominują systemy zielone i UV ze względu na ich lepszą jakość wiązki oraz mniejszą średnicę ogniska. Czynnikiem ograniczającym jest także niższa dostępność przemysłowych systemów znakujących z laserami niebieskimi oraz wyższa cena zakupu.
-
Lasery UV (~355 nm) oferują najkrótszą długość fali i tzw. „zimne znakowanie”. Mają bardzo mały punkt ogniskowy i wysoką absorpcję w większości metali, w tym złota. Lasery UV są odpowiednie do znakowania delikatnej biżuterii lub cienkich warstw powierzchniowych. Bez problemu znakują również wysoce refleksyjne złoto. Do wad laserów UV należy zazwyczaj niska moc, a co za tym idzie niższa prędkość znakowania, oraz wyższa cena zakupu.
Zalecane parametry
Przy znakowaniu złota laserem kluczowe jest dopasowanie ustawień, które pozwolą uzyskać pożądany kontrast lub głębokość znakowania przy minimalizacji topienia i rozprysku materiału. Parametry dobiera się w zależności od rodzaju złota (próba, stop) oraz oczekiwanego efektu (znakowanie powierzchniowe vs. grawerowanie).
Do technicznego znakowania cienkich warstw złota, np. pozłacanych złączek, typowo stosuje się laser fibrowy o mocy 20–50 W, częstotliwości 50–100 kHz, prędkości skanowania 500–1000 mm/s oraz 1–2 przejścia. Takie ustawienia pozwalają odparować warstwę złota o grubości 5–10 µm bez istotnego wpływu na materiał podłoża.
Do delikatnego znakowania powierzchniowego złotej biżuterii stosuje się niższą gęstość energii: moc około 8–12 W, prędkość 1200–1800 mm/s, częstotliwość około 30–40 kHz oraz 2 przejścia. Celem jest uzyskanie gładkiego, szarego śladu przy minimalnym topieniu stopu.
Do głębszego grawerowania twardszych stopów, takich jak złoto 18K, typowe parametry to: moc 12–18 W, prędkość 600–800 mm/s, częstotliwość 15–25 kHz oraz 2–3 przejścia. Wraz ze wzrostem głębokości znakowania zwykle zmniejsza się prędkość i częstotliwość, a zwiększa liczbę przejść.
Dokładne wartości różnią się w zależności od konkretnego stopu i urządzenia, dlatego zawsze zaleca się wcześniejsze przeprowadzenie testów znakowania.