Laserové značení litiny se v průmyslu používá pro trvalou identifikaci masivních odlitků: bloků a hlav motorů, převodovkových skříní, brzdových kotoučů, čerpadel, ventilů a armatur, apod. Cílem je vizuálně i strojově čitelné značení odolné proti otěru a korozi.
Z hlediska laserového značení se litina liší od oceli i ostatních slitin železa vyšším obsahem uhlíku (přes 2 %, typicky 3–4 %) a tím, že podstatná část tohoto uhlíku je v matrici přítomna ve formě volných grafitových inkluzí. Grafit absorbuje laserové záření výrazně lépe než železná matrice a má jinou tepelnou vodivost, což ovlivňuje vzhled značení. Litinové odlitky mívají navíc hrubý litý povrch s pískovou krustou, který nelze značit přímo se stejnými parametry jako obrobenou plochu.
Které typy litiny lze značit laserem
- Šedá litina (EN-GJL, dříve značená GG): V tomto nejrozšířenějším typu litiny je grafit přítomen ve formě lupínků v perliticko-feritické matrici. Lupínkový grafit má vyšší absorpci laseru než matrice, takže v místě značení vznikají nestejnoměrné teplotní gradienty. V okolí značení se uvolňuje grafitový prach a tmavé saze, které je třeba odstranit dalším čisticím průchodem. Použití: bloky motorů, válce spalovacích motorů, převodové skříně, lůžka obráběcích strojů.
- Tvárná litina (EN-GJS, dříve GGG): Grafit je zde ve formě uzlů. Z hlediska značení je to nejvděčnější typ litiny. Nodulární tvar grafitu znamená rovnoměrnější absorpci laserového záření a čistší výsledek bez výrazného úletu sazí. Použití: klikové hřídele, písty, hlavy válců, automobilové komponenty, vysoce zatížené odlitky.
- Litina s vermikulárním grafitem (EN-GJV, anglicky CGI): Mezikrok mezi šedou a tvárnou litinou s grafitem ve formě protáhlých červíkovitých útvarů. Při značení laserem se chová podobně tvárné litině. Použití: moderní vznětové motorové bloky, výfuková potrubí.
- Temperovaná litina (EN-GJM, dříve GTW pro bílou a GTS pro černou temperovanou): Litina po dlouhodobém tepelném zpracování, kterým se uhlík přemění do podoby grafitových vloček nebo úplně odstraní z povrchu. Je měkčí a tažnější než ostatní litiny. Z praxe vychází jako nejsnáze značitelná ze všech litin, její chování je nejbližší konstrukčním ocelím. Použití: drobné armatury, fitinky, řetězové články, spojovací prvky.
- Bílá litina (EN-GJN): Tvrdá křehká litina s uhlíkem vázaným v cementitu (Fe₃C, tvrdost cca 800 HV), bez volného grafitu. Má vysokou otěruvzdornost. Pro značení je nejnáročnější kvůli tvrdosti. Výsledek je ale čistší než u šedé litiny díky absenci grafitu, protože nevznikají saze. Použití: válce, čelisti drtičů, mlýnská tělesa.
- Legované litiny (Ni-Resist, Ni-Hard, austenitické litiny): Speciální slitiny pro vysoké teploty, korozní prostředí nebo extrémní otěr. Z hlediska značení se chovají podle převažující struktury matrice (austenitická obdobně jako nerezová ocel, perlitická obdobně jako šedá litina).
Při značení litiny laserem záleží i na stavu povrchu. Hrubý litý povrch s pískovou krustou nebo s okujemi po tepelném zpracování absorbuje laser velmi nerovnoměrně a výsledné značení bývá esteticky nedokonalé. Ve většině průmyslových aplikací se proto značí až na obrobeném povrchu nebo na povrchu s nátěrovou úpravou (lak, prášková barva, fosfátování), kde lze parametry sladit s konkrétní svrchní vrstvou.
Metody laserového značení litiny
Na litinu lze podle hustoty energie a délky pulzu aplikovat několik procesů. V průmyslové praxi se uplatňují především čtyři:
- Laserové žíhání (annealing): Laser zahřívá povrch těsně pod bod tání, čímž vzniká tenká oxidická vrstva, která mění barvu povrchu. U litiny i oceli vzniká typicky tmavě šedá až černá značka odolná proti otěru a chemikáliím. Žíhání je preferovanou metodou pro tvárnou litinu (EN-GJS) a temperovanou litinu (EN-GJM), kde matrice odpovídá více homogenní oceli. Pozor na teplotní stabilitu: vrstva oxidů vzniklá žíháním je barevně stabilní pouze do teplot kolem 200 °C, při vyšším ohřevu se mřížka vrací do původního stavu a značka mizí. To omezuje použitelnost annealingu na dílech, které pracují pod 200 °C nebo mimo přímou tepelnou expozici.
- Karbonizace: U litiny je tento proces výraznější než u běžné oceli. Matrice je již uhlíkem nasycená a vlivem laserového ohřevu se v okolí inkluzí uvolňuje další uhlík. Vzniká velmi tmavá až sytě černá značka s mírně texturovaným povrchem. Karbonizace pracuje obdobně jako žíhání, ale s výraznějším podílem uhlíku v povrchové vrstvě. Je to metoda vhodná zejména pro šedou litinu (EN-GJL), kde lupínkový grafit při ohřevu uvolňuje pigmentující saze. Pro výrazný kontrast pomáhá značení v ofuku dusíku nebo argonu, který omezí oxidaci a podpoří čistou tmavou barvu. Karbonizační značka je teplotně stabilnější než žíhaná, protože barvu nedrží oxidická vrstva, ale reorganizovaný uhlík v povrchu.
- Gravírování (ablace materiálu): Při vyšším výkonu a více průchodech laser odebírá materiál a vzniká hluboký reliéf. U litiny je to obtížnější než u oceli. Grafit se odpařuje při nižší energii než železná matrice, což vede k nestejnoměrné hloubce a hrubému povrchu dna značky. Pro pravidelný 3D reliéf je třeba více průchodů s nižší energií a obvykle závěrečný čisticí průchod, který srovná hrany a odstraní uvolněný grafit. Typická aplikace: VIN kódy do podvozkových rámů, hluboká identifikace odlitků, razníky.
- Ablace povrchové úpravy: Pokud je litina opatřená lakem, fosfátovaná, černěná nebo galvanicky pokovená, laser dokáže selektivně odstranit povrchovou vrstvu a obnažit kovovou matrici pod ní. Vzniká vysoce kontrastní značení při minimálním ohřevu základního materiálu. Tato metoda je u průmyslových litinových dílů nejekonomičtější.
Bez ohledu na metodu je u šedé litiny prakticky nutné počítat se závěrečným čisticím průchodem s nižším výkonem a vyšší rychlostí, který odstraní z okolí značky uvolněnou saz. Bez něj zůstávají v okolí značky tmavé skvrny od grafitu, které snižují čitelnost a esteticky kazí výsledek.
Vhodný typ laseru
Standardem pro značení litiny je ytterbium pulzní vláknový laser (1064 nm), ideálně ve verzi MOPA pro flexibilní řízení délky pulzu. Litina absorbuje záření v této oblasti výrazně lépe než leštěná ocel. Jednak díky vyššímu obsahu uhlíku v matrici, a také díky grafitovým inkluzím, které mají odlišnou (vyšší) absorpci než železo, a u litých dílů také díky drsnějšímu povrchu. Pro běžné značení sériových čísel a kódů na obrobených plochách stačí 20–30 W, pro hlubší gravírování razníků a VIN kódů jsou vhodné modely 50–100 W.
MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) umožňuje nezávisle nastavit délku pulzu a opakovací frekvenci. U litiny pomáhá krátké pulzy (4–20 ns) využít na čistou ablaci s minimální tepelnou difuzí, takže se sníží efekt rozšíření grafitové saze mimo plochu značky. Pro náročnější aplikace s vysokým estetickým nárokem (pamětní desky, dekorativní litinové prvky, viditelné značky na sochách) je MOPA jednoznačná volba.
CO₂ laser není pro značení holé litiny vhodný. Železná matrice vlnovou délku 10,6 µm absorbuje slabě (řádově jednotky procent) a značení je nestabilní a neefektivní. CO₂ laser má smysl pouze u litiny s povrchovou úpravou (lak, prášková barva), kde odstraní svrchní vrstvu a obnaží kov pod ní, případně při použití termochemické pasty nanesené na povrch před značením. Druhá metoda je v praxi pomalá a méně trvanlivá, takže se na litinu nasazuje výjimečně.
Doporučené parametry značení
Konkrétní hodnoty se vždy odvíjejí od typu zdroje, optické soustavy, jakosti litiny a stavu povrchu. Následující orientační rozsahy počítají s vláknovým laserem 20–60 W (ideálně MOPA) s F-theta čočkou ohniskové délky 100–160 mm.
- Tmavý popis žíháním na obrobeném povrchu tvárné nebo temperované litiny: výkon 80–100 %, frekvence 20–30 kHz, délka pulzu 100–200 ns (MOPA), rychlost 80–120 mm/s, jeden průchod, defokusace +1 až +5 mm. Hodnoty odpovídají černému žíhanému popisu na nerezové oceli, který se u homogenní matrice tvárné a temperované litiny chová obdobně. U MOPA strojů lze alternativně použít vysokou frekvenci ve stovkách kHz s defokusací 1–3 mm pro čistou černou.
- Tmavý popis karbonizací na obrobeném povrchu šedé litiny: výkon 70–100 %, frekvence 30–50 kHz, délka pulzu 100–200 ns, rychlost 200–300 mm/s, jeden značicí průchod plus závěrečný čisticí průchod (~30 % výkonu, rychlost 1000+ mm/s) pro odstranění grafitové saze v okolí. Značení v ofuku dusíku nebo argonu zvýrazní kontrast.
- Tmavý popis na hrubém litém povrchu: výkon 80–100 %, frekvence 20–30 kHz, rychlost 100–250 mm/s, dva značicí průchody. První průchod prorazí slupku a karbonizuje, druhý vyrovná plochu. Hrubý povrch absorbuje paprsek nerovnoměrně, výsledek bývá esteticky méně čistý, ale čitelný.
- Mělké gravírování (do 0,1 mm): výkon 80–100 %, frekvence 30–35 kHz, pulzy 100–200 ns, rychlost 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 8–15 loops. Hodnoty vycházejí z publikované receptury pro hluboké gravírování litých ocelí na 30W vláknovém laseru (BarchLaser, EZcad 2: 1000 mm/s, 90 %, 35 kHz, 0,03 mm, 25 loops). Litina vyžaduje o 30–50 % více loops než lité oceli kvůli nerovnoměrné ablaci grafitu vs. matrice.
- Hluboké gravírování (0,3–1,0 mm): výkon 90–100 %, frekvence 30–35 kHz, pulzy 100–200 ns, rychlost 800–1000 mm/s, line space 0,02–0,03 mm, 30–80 loops (přírůstek typicky 0,01–0,02 mm na loop). Po značicí fázi nezbytné závěrečné čisticí přejetí s nižším výkonem (~30 %) a vysokou rychlostí, které srovná hrany a odstraní napečený grafit.
- Ablace laku nebo práškové barvy: výkon 30–50 %, frekvence 30–50 kHz, krátké pulzy, rychlost 1500–3000 mm/s, jeden průchod. Cílem je odstranit povrchovou vrstvu, ale nenarušit litinu pod ní.
- Bílá litina (vysoká tvrdost cementitu): výkon 100 %, frekvence 20–30 kHz, počet loops zhruba 1,5× více než u šedé litiny pro stejnou hloubku. Energetická spotřeba je vyšší, ale absence grafitu znamená čistší dno značky bez sazí.
Při ladění parametrů na konkrétní litinu platí několik obecných zásad:
- Mezi šaržemi i v rámci jednoho odlitku se může významně lišit obsah a tvar grafitu, takže parametry doladěné na jeden odlitek nemusí dát stejný výsledek na druhém. Je nutné vždy testovat na vzorcích z aktuální dodávky.
- Žíhání je barevně stabilní pouze do teplot okolo 200 °C, takže pro díly pracující za vyšších teplot, jako bloky motorů či díly výfukového potrubí je vhodnější karbonizace nebo gravírování s mechanicky odolnou stopou.
- Mírná defokusace o 1–2 mm rozprostře energii na větší plochu a podpoří rovnoměrný ohřev při karbonizaci; pro detail a hluboké rytí naopak ostře zaostřit.
Litina při ablaci uvolňuje drobný grafitový prach, který může zanášet optiku stroje a usazovat se na vnitřních dílech. Pro dlouhodobý spolehlivý provoz je u průmyslových strojů nutné odsávání s vícestupňovou filtrací, ideálně s předfiltrem na hrubé částice před HEPA filtrem.