Znakowanie stali, w tym nierdzewnej, najlepiej realizować za pomocą lasera fibrowego. Stosuje się dwa podstawowe procesy znakowania laserowego: wyżarzanie laserowe (annealing), grawerowanie laserowe oraz ewentualnie karbonizację laserową.
- Wyżarzanie laserowe (annealing): Laser podgrzewa powierzchnię stali do wysokiej temperatury, powodując powstawanie pod powierzchnią warstwy tlenków. Bez odparowywania materiału dochodzi do zmiany koloru powierzchni. W przypadku stali nierdzewnej można tą metodą uzyskać szeroką gamę kolorów (od złotego, przez niebiesko-zielony, aż po czarny) zależnie od temperatury nagrzania. Na przykład przy nagrzaniu stali nierdzewnej do około 300 °C pojawiają się jaśniejsze tlenki, natomiast przy około 600 °C kolor ciemnieje aż do czarnego. Rezultatem jest gładkie oznaczenie, które nie narusza pasywnej warstwy stali nierdzewnej i utrzymuje odporność na korozję. Metoda ta jest wolniejsza, ale idealna do czarnego znakowania stali nierdzewnej lub tworzenia dekoracyjnych, kolorowych oznaczeń bez użycia jakichkolwiek dodatków. Kolorowe znakowanie laserowe możliwe jest niemal wyłącznie na stali nierdzewnej i tytanie; w przypadku innych metali praktycznie nie występuje.
- Grawerowanie laserowe (ablacja materiału): Przy wyższej mocy i skoncentrowanej wiązce, laser usuwa materiał (topi i odparowuje stal), tworząc głębsze, reliefowe oznaczenie. Laser fibrowy dzięki wysokiej mocy impulsowej (~kW) i małej średnicy wiązki pozwala bezpośrednio odparować stal. Głębokie grawerowanie jest stosowane np. do znakowania kodów VIN na ramach i podwoziach – celem jest trwałe oznaczenie, którego nie można usunąć nawet przez szlifowanie. Podczas głębokiego grawerowania stali często powstają jednak zgorzeliny oraz ciemne przebarwienia wokół oznaczenia, powstałe na skutek przypalenia materiału, które należy usunąć. Można to łatwo osiągnąć poprzez kolejne krótkie przejście laserem po powierzchni (z innymi parametrami), co oczyszcza powierzchnię i zapewnia czysty końcowy efekt. Alternatywnie można zastosować tzw. polishing laserowy – zmieniając parametry znakowania (niższa moc, wyższa częstotliwość), materiał jest raczej topiony i wygładzany, dzięki czemu powstaje jasne, błyszczące oznaczenie bez znacznego ubytku materiału.
- Karbonizacja laserowa: Ta metoda znakowania zmienia skład chemiczny powierzchniowej warstwy stali. Przy wysokiej temperaturze i ograniczonym dostępie tlenu wiązka laserowa powoduje dyfuzję węgla z otoczenia lub z powierzchniowych zanieczyszczeń do powierzchniowej warstwy metalu, tworząc cienką warstwę o podwyższonej zawartości węgla – tzw. powierzchnię skarbonizowaną. Proces ten jest szczególnie efektywny w przypadku stali węglowych niskostopowych i niestopowych, które dobrze reagują na zmiany zawartości węgla. Rezultatem jest ciemne do czarnego oznaczenie o nieznacznie zmienionej strukturze, odporne na ścieranie i działanie chemiczne. Karbonizację uzyskuje się stosując dłuższe impulsy z wyższą częstotliwością oraz zdefokusowaną wiązkę, która głębiej nagrzewa powierzchnię. Parametry są podobne do procesu wyżarzania, lecz z naciskiem na minimalizację dostępu powietrza. Znakowanie w atmosferze gazu ochronnego (azotu, argonu) wzmacnia efekt karbonizacji.
Odpowiedni typ lasera
Do wszelkiego rodzaju znakowania stali idealnie nadaje się laser fibrowy. Pulsacyjne lasery fibrowe (domieszkowane iterbem – Ytterbium) o długości fali ~1,06 µm są bardzo dobrze absorbowane przez metale, umożliwiając szybkie i kontrastowe oznaczenia. Można nimi znakować wszystkie typy stali – konstrukcyjne, narzędziowe, nierdzewne, hartowane oraz żeliwo. Natomiast laser CO₂ (~10,6 µm) nie jest odpowiedni do znakowania niezabezpieczonej stali, ponieważ metal słabo absorbuje tę długość fali – większość energii zostaje odbita.
Laser CO₂ nie jest w stanie bezpośrednio grawerować ani hartować stali (nie można osiągnąć ablacji materiału). Jedyną możliwością znakowania metali za pomocą lasera CO₂ jest usuwanie wierzchnich warstw lub stosowanie specjalnych past termochemicznych. Na przykład w przypadku stali lakowanej lub anodowanej, laser CO₂ może usunąć górną warstwę (lakier, anodę), odsłaniając kontrastowe podłoże.
Alternatywnie, na czysty metal można nanieść cienką warstwę specjalnego sprayu absorpcyjnego (zawierającego np. cząsteczki ceramiczne), który pod wpływem wiązki CO₂ trwale przywiera do powierzchni, tworząc ciemne oznaczenie. Metody te jednak nie osiągają jakości i trwałości bezpośredniego znakowania laserem fibrowym. Przy użyciu pasty nie uzyska się głębokiego grawerowania, a sam proces jest wolniejszy oraz bardziej kosztowny (konieczność nakładania oraz późniejszego zmywania pasty).
Zalecane parametry
Do znakowania metali laserem fibrowym zazwyczaj stosuje się średnie lub wyższe moce oraz niższe prędkości niż w przypadku tworzyw sztucznych. Ogólnie, moc ustawiana jest od około 50 W wzwyż (w impulsowych laserach fibrowych odpowiada to np. 50% mocy źródła o mocy 100 W). Częstotliwość impulsów dla stali dobiera się stosunkowo niską (rzędu dziesiątek kHz, np. 20–60 kHz), aby osiągnąć dużą energię w każdym impulsie.
Niższa częstotliwość i wyższa energia impulsu sprzyjają skutecznej ablacji materiału oraz głębokiemu grawerowaniu. Przykładowo, przy grawerowaniu stali laserem fibrowym 20W ustawia się 100% mocy, częstotliwość 20 kHz oraz niską prędkość około 300 mm/s.
Natomiast do powierzchniowego wyżarzania (annealing, odpuszczania) stosuje się raczej dłuższe czasy oddziaływania z mniejszą gęstością energii: wiązkę celowo się rozogniskowuje (np. o kilka milimetrów poza punkt ogniskowy) oraz wybiera się wyższą częstotliwość impulsów, aby nie dochodziło do ablacji, lecz jedynie do podgrzania powierzchni. Zalecane parametry do czarnego znakowania wyżarzającego na stali nierdzewnej to np. 80–100% mocy, bardzo niska prędkość 80–120 mm/s, częstotliwość 20–30 kHz i rozogniskowanie około +5 mm. W praktyce, dla uzyskania idealnej czerni na stali nierdzewnej doskonale sprawdzają się również bardzo wysokie częstotliwości (setki kHz), dostępne w laserach fibrowych typu MOPA oraz rozogniskowanie wiązki na około 1–3 mm. Dzięki temu uzyskuje się równomierne nagrzanie bez odparowania materiału.
Prędkość znakowania metali jest na ogół niższa: zazwyczaj w granicach 200–400 mm/s (przy głębokim grawerowaniu nawet mniej), aby laser miał odpowiednio długi czas na interakcję z materiałem. Przy wielokrotnych przejściach można zwiększyć prędkość przy końcowym oczyszczaniu powierzchni. Liczba przejść zależy od wymaganej głębokości. Znakowanie powierzchniowe (w tym kolorowe) wykonuje się jednym wolnym przejściem, natomiast głębsze grawerowanie może wymagać nawet kilkudziesięciu powtórzeń.
Zalety lasera fibrowego przy znakowaniu stali
Laser fibrowy umożliwia uzyskanie na stali bardzo kontrastowych oznaczeń. Czarne wyżarzane napisy na stali nierdzewnej są dobrze czytelne oraz trwałe, nie naruszając przy tym powierzchni. Laserem fibrowym można także szybko grawerować kody lub teksty na dużą głębokość z wysoką precyzją (mała średnica wiązki ~50 µm pozwala na bardzo drobne szczegóły). Wady tej technologii są minimalne – stosunkowo wolniejszy proces przy konieczności uzyskania dużej głębokości znakowania, ewentualnie konieczność odsysania powstających oparów.
Laser CO₂ do bezpośredniego znakowania stali nie znajduje sensownego zastosowania – jego główną wadą jest niska absorpcja promieniowania, a co za tym idzie niska efektywność (wyjątkiem są wspomniane metody znakowania poprzez usuwanie warstw wierzchnich lub stosowanie specjalnych preparatów, co jednak stanowi bardziej skomplikowane i mniej trwałe rozwiązanie).