Znakowanie laserowe żeliwa stosowane jest w przemyśle do trwałej identyfikacji masywnych odlewów: bloków i głowic silników, obudów skrzyń biegów, tarcz hamulcowych, pomp, zaworów i armatur itp. Celem jest oznaczenie czytelne wizualnie i maszynowo, odporne na ścieranie i korozję.
Z punktu widzenia znakowania laserowego żeliwo różni się od stali oraz innych stopów żelaza wyższą zawartością węgla (powyżej 2 %, typowo 3–4 %) oraz tym, że istotna część tego węgla występuje w matrycy w postaci wolnych wtrąceń grafitowych. Grafit absorbuje promieniowanie laserowe znacznie lepiej niż matryca żelazna i ma inną przewodność cieplną, co wpływa na wygląd oznaczenia. Odlewy żeliwne mają ponadto chropowatą powierzchnię odlewniczą z piaskową skorupą, której nie da się znakować bezpośrednio z tymi samymi parametrami, co powierzchnia obrobiona.
Które typy żeliwa można znakować laserem
- Żeliwo szare (EN-GJL, dawniej oznaczane GG): W tym najbardziej rozpowszechnionym typie żeliwa grafit występuje w postaci płatków w osnowie perlityczno-ferrytycznej. Płatkowy grafit ma wyższą absorpcję lasera niż osnowa, więc w miejscu znakowania powstają nierównomierne gradienty temperatury. W otoczeniu znakowania uwalnia się pył grafitowy oraz ciemna sadza, którą trzeba usunąć kolejnym przejściem czyszczącym. Zastosowanie: bloki silników, cylindry silników spalinowych, obudowy przekładni, łoża obrabiarek.
- Żeliwo sferoidalne (EN-GJS, dawniej GGG): Grafit występuje tu w postaci kulek. Z punktu widzenia znakowania jest to najbardziej wdzięczny do znakowania typ żeliwa. Kulkowa forma grafitu oznacza bardziej równomierną absorpcję promieniowania laserowego i czystszy efekt bez wyraźnego pylenia sadzy. Zastosowanie: wały korbowe, tłoki, głowice cylindrów, komponenty samochodowe, wysoko obciążone odlewy.
- Żeliwo z grafitem wermikularnym (EN-GJV, ang. CGI): Krok pośredni między żeliwem szarym a sferoidalnym, w którym grafit ma postać wydłużonych, robakowatych form. Przy znakowaniu laserowym zachowuje się podobnie jak żeliwo sferoidalne. Zastosowanie: nowoczesne bloki silników wysokoprężnych, układy wydechowe.
- Żeliwo ciągliwe (EN-GJM, dawniej GTW dla białego i GTS dla czarnego ciągliwego): Żeliwo po długotrwałej obróbce cieplnej, w wyniku której węgiel przekształca się w postać płatków grafitu lub zostaje całkowicie usunięty z powierzchni. Jest bardziej miękkie i ciągliwe niż pozostałe żeliwa. Z praktyki wynika, że jest najłatwiejsze do znakowania ze wszystkich żeliw, jego zachowanie jest najbliższe stalom konstrukcyjnym. Zastosowanie: drobne armatury, fitingi, ogniwa łańcucha, elementy łączące.
- Żeliwo białe (EN-GJN): Twarde, kruche żeliwo z węglem związanym w cementycie (Fe₃C, twardość ok. 800 HV), bez wolnego grafitu. Ma wysoką odporność na ścieranie. Pod względem znakowania jest najtrudniejsze ze względu na twardość. Wynik jest jednak czystszy niż przy żeliwie szarym dzięki braku grafitu, ponieważ nie powstaje sadza. Zastosowanie: walce, szczęki kruszarek, korpusy młynów.
- Żeliwa stopowe (Ni-Resist, Ni-Hard, żeliwa austenityczne): Specjalne stopy do wysokich temperatur, środowisk korozyjnych lub ekstremalnego zużycia. Z punktu widzenia znakowania zachowują się zgodnie z dominującą strukturą osnowy (austenityczne podobnie jak stal nierdzewna, perlityczne podobnie jak żeliwo szare).
Przy znakowaniu żeliwa laserem znaczenie ma również stan powierzchni. Chropowata powierzchnia odlewnicza z piaskową skorupą lub ze zgorzelinami po obróbce cieplnej absorbuje laser bardzo nierównomiernie i uzyskane oznaczenie jest estetycznie niedoskonałe. Dlatego w większości zastosowań przemysłowych znakowanie wykonuje się dopiero na powierzchni obrobionej lub na powierzchni z powłoką (lakier, farba proszkowa, fosforanowanie), gdzie parametry można dostosować do konkretnej warstwy wierzchniej.
Metody znakowania laserowego żeliwa
Na żeliwo można w zależności od gęstości energii i czasu trwania impulsu zastosować kilka procesów. W praktyce przemysłowej stosowane są przede wszystkim cztery:
- Wyżarzanie laserowe (annealing): Laser podgrzewa powierzchnię tuż poniżej temperatury topnienia, dzięki czemu powstaje cienka warstwa tlenkowa, która zmienia kolor powierzchni. Przy żeliwie i stali powstaje typowo ciemnoszare lub czarne oznaczenie odporne na ścieranie i działanie środków chemicznych. Wyżarzanie jest preferowaną metodą dla żeliwa sferoidalnego (EN-GJS) i żeliwa ciągliwego (EN-GJM), gdzie osnowa odpowiada bardziej jednorodnej stali. Uwaga na stabilność temperaturową: warstwa tlenkowa powstała w wyniku wyżarzania jest stabilna kolorystycznie tylko do temperatur około 200 °C; przy wyższym nagrzaniu siatka krystaliczna powraca do stanu pierwotnego, a oznaczenie znika. To ogranicza stosowanie annealingu do części pracujących poniżej 200 °C lub poza strefą bezpośredniej ekspozycji cieplnej.
- Karbonizacja: W przypadku żeliwa proces ten jest bardziej wyrazisty niż w stali zwykłej. Osnowa jest już nasycona węglem, a pod wpływem nagrzewania laserowego w otoczeniu wtrąceń uwalnia się kolejna porcja węgla. Powstaje bardzo ciemne, intensywnie czarne oznaczenie z lekko teksturowaną powierzchnią. Karbonizacja działa podobnie jak wyżarzanie, ale z wyraźniejszym udziałem węgla w warstwie powierzchniowej. Jest to metoda odpowiednia szczególnie dla żeliwa szarego (EN-GJL), gdzie płatkowy grafit przy nagrzewaniu uwalnia pigmentującą sadzę. Dla wyrazistego kontrastu pomaga znakowanie pod osłoną azotu lub argonu, który ogranicza utlenianie i wzmacnia czystą ciemną barwę. Oznaczenie karbonizacyjne jest bardziej stabilne temperaturowo niż wyżarzane, ponieważ koloru nie utrzymuje warstwa tlenkowa, lecz zreorganizowany węgiel w powierzchni.
- Grawerowanie (ablacja materiału): Przy wyższej mocy i większej liczbie przejść laser usuwa materiał i powstaje głęboki relief. W przypadku żeliwa jest to trudniejsze niż w stali. Grafit odparowuje przy niższej energii niż matryca żelazna, co prowadzi do nierównomiernej głębokości i chropowatej powierzchni dna oznaczenia. Aby uzyskać regularny relief 3D, potrzeba więcej przejść z niższą energią oraz zazwyczaj końcowego przejścia czyszczącego, które wyrówna krawędzie i usunie uwolniony grafit. Typowe zastosowanie: kody VIN do ram podwozia, głęboka identyfikacja odlewów, stemple.
- Ablacja powłoki powierzchniowej: Jeśli żeliwo pokryte jest lakierem, fosforanowane, czernione lub pokryte galwanicznie, laser potrafi selektywnie usunąć warstwę powierzchniową i odsłonić matrycę metalową pod nią. Powstaje wysokokontrastowe oznaczenie przy minimalnym nagrzaniu materiału bazowego. Ta metoda jest przy przemysłowych częściach żeliwnych najbardziej ekonomiczna.
Niezależnie od metody przy żeliwie szarym praktycznie konieczne jest uwzględnienie końcowego przejścia czyszczącego z niższą mocą i wyższą prędkością, które usunie z otoczenia oznaczenia uwolnioną sadzę. Bez niego w otoczeniu oznaczenia pozostają ciemne plamy od grafitu, które zmniejszają czytelność i estetycznie psują efekt.
Odpowiedni typ lasera
Standardem znakowania żeliwa jest iterbowy impulsowy laser światłowodowy (1064 nm), najlepiej w wersji MOPA dla elastycznego sterowania długością impulsu. Żeliwo absorbuje promieniowanie w tym zakresie znacznie lepiej niż polerowana stal. Po pierwsze dzięki wyższej zawartości węgla w osnowie, a także dzięki wtrąceniom grafitowym, które mają odmienną (wyższą) absorpcję niż żelazo, oraz w przypadku części odlewanych również dzięki bardziej chropowatej powierzchni. Do zwykłego znakowania numerów seryjnych i kodów na powierzchniach obrobionych wystarczają 20–30 W, do głębszego grawerowania stempli i kodów VIN odpowiednie są modele 50–100 W.
MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) umożliwia niezależne ustawianie długości impulsu i częstotliwości powtarzania. Przy żeliwie pomagają krótkie impulsy (4–20 ns) uzyskać czystą ablację z minimalną dyfuzją cieplną, dzięki czemu zmniejsza się efekt rozprzestrzeniania sadzy grafitowej poza obszar oznaczenia. Do bardziej wymagających zastosowań o wysokich wymaganiach estetycznych (tablice pamiątkowe, dekoracyjne elementy żeliwne, widoczne oznaczenia na rzeźbach) MOPA jest jednoznacznym wyborem.
Laser CO₂ nie nadaje się do znakowania gołego żeliwa. Matryca żelazna słabo absorbuje długość fali 10,6 µm (rzędu kilku procent), a znakowanie jest niestabilne i nieefektywne. Laser CO₂ ma sens jedynie w przypadku żeliwa z powłoką (lakier, farba proszkowa), gdzie usunie warstwę wierzchnią i odsłoni metal pod nią, ewentualnie przy zastosowaniu pasty termochemicznej naniesionej na powierzchnię przed znakowaniem. Druga metoda jest w praktyce wolna i mniej trwała, dlatego do znakowania żeliwa stosuje się ją wyjątkowo.
Zalecane parametry znakowania
Konkretne wartości zawsze zależą od typu źródła, układu optycznego, gatunku żeliwa i stanu powierzchni. Poniższe orientacyjne zakresy dotyczą lasera światłowodowego 20–60 W (idealnie MOPA) z soczewką F-theta o ogniskowej 100–160 mm.
- Ciemne oznaczenie wyżarzaniem na obrobionej powierzchni żeliwa sferoidalnego lub ciągliwego: moc 80–100 %, częstotliwość 20–30 kHz, czas trwania impulsu 100–200 ns (MOPA), prędkość 80–120 mm/s, jedno przejście, defokusacja +1 do +5 mm. Wartości odpowiadają czarnemu wyżarzanemu oznaczeniu na stali nierdzewnej, które przy jednorodnej osnowie żeliwa sferoidalnego i ciągliwego zachowuje się podobnie. Przy laserach MOPA można alternatywnie zastosować wysoką częstotliwość w setkach kHz z defokusacją 1–3 mm dla czystej czerni.
- Ciemne oznaczenie karbonizacją na obrobionej powierzchni żeliwa szarego: moc 70–100 %, częstotliwość 30–50 kHz, czas trwania impulsu 100–200 ns, prędkość 200–300 mm/s, jedno przejście znakujące plus końcowe przejście czyszczące (~30 % mocy, prędkość 1000+ mm/s) do usunięcia sadzy grafitowej w otoczeniu. Znakowanie pod osłoną azotu lub argonu wzmacnia kontrast.
- Ciemne oznaczenie na chropowatej powierzchni odlewu: moc 80–100 %, częstotliwość 20–30 kHz, prędkość 100–250 mm/s, dwa przejścia znakujące. Pierwsze przejście przebije skorupę i karbonizuje, drugie wyrówna powierzchnię. Chropowata powierzchnia absorbuje wiązkę nierównomiernie, wynik jest estetycznie mniej czysty, ale czytelny.
- Płytkie grawerowanie (do 0,1 mm): moc 80–100 %, częstotliwość 30–35 kHz, impulsy 100–200 ns, prędkość 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 8–15 loops. Wartości wynikają z opublikowanej receptury dla głębokiego grawerowania staliw na 30W laserze światłowodowym (BarchLaser, EZcad 2: 1000 mm/s, 90 %, 35 kHz, 0,03 mm, 25 loops). Żeliwo wymaga o 30–50 % więcej loops niż staliwa ze względu na nierównomierną ablację grafitu i osnowy.
- Głębokie grawerowanie (0,3–1,0 mm): moc 90–100 %, częstotliwość 30–35 kHz, impulsy 100–200 ns, prędkość 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 30–80 loops (przyrost typowo 0,01–0,02 mm na loop). Po fazie znakowania niezbędne końcowe przejście czyszczące z niższą mocą (~30 %) i wysoką prędkością, które wyrówna krawędzie i usunie spieczony grafit.
- Ablacja lakieru lub farby proszkowej: moc 30–50 %, częstotliwość 30–50 kHz, krótkie impulsy, prędkość 1500–3000 mm/s, jedno przejście. Celem jest usunięcie warstwy powierzchniowej bez naruszenia żeliwa pod nią.
- Żeliwo białe (wysoka twardość cementytu): moc 100 %, częstotliwość 20–30 kHz, liczba loops około 1,5× więcej niż przy żeliwie szarym dla tej samej głębokości. Zużycie energii jest wyższe, lecz brak grafitu oznacza czystsze dno oznaczenia bez sadzy.
Przy doborze parametrów dla konkretnego żeliwa obowiązuje kilka ogólnych zasad:
- Między partiami oraz w obrębie jednego odlewu zawartość i kształt grafitu mogą się znacząco różnić, więc parametry dostosowane do jednego odlewu mogą nie dać tego samego wyniku przy drugim. Należy zawsze testować na próbkach z aktualnej dostawy.
- Wyżarzanie jest stabilne kolorystycznie tylko do temperatur około 200 °C, więc dla części pracujących w wyższych temperaturach, takich jak bloki silników czy elementy układu wydechowego, bardziej odpowiednia jest karbonizacja lub grawerowanie z mechanicznie odpornym śladem.
- Niewielka defokusacja o 1–2 mm rozprowadzi energię na większą powierzchnię i wspiera równomierne nagrzewanie przy karbonizacji; do detalu i głębokiego rytu należy natomiast ostro zogniskować.
Żeliwo podczas ablacji uwalnia drobny pył grafitowy, który może zanieczyszczać optykę maszyny i osadzać się na wewnętrznych częściach. Dla długotrwałej, niezawodnej pracy w przypadku maszyn przemysłowych konieczny jest wyciąg z wielostopniową filtracją, najlepiej z filtrem wstępnym na grube cząstki przed filtrem HEPA.