Pro značení oceli, včetně nerezové, je nejvhodnější vláknový laser. Používají se dva základní procesy laserového značení: laserové žíhání, laserové gravírování, případně laserová karbonizace.
- Laserové žíhání (annealing): Laser zahřívá povrch oceli na vysokou teplotu, čímž pod povrchem vzniká oxidická vrstva. Bez odpaření materiálu tak vzniká barevná změna povrchu. U nerezové oceli lze touto metodou docílit široké škály barev (od zlaté přes modrozelenou až po černou) podle teploty zahřátí. Například při zahřátí nerezu na ~300 °C se objeví světlejší oxidy, při ~600 °C tmavne až k černé. Výsledkem je hladký popis, který neporušuje pasivní vrstvu nerezi a zachovává odolnost proti korozi. Tato metoda je pomalejší, ale ideální pro černé značení nerezové oceli nebo vytváření barevných dekorativních popisů bez jakýchkoli aditiv. Barevného popisu laserem lze dosáhnout téměř výhradně u nerezové oceli a titanu, u jiných kovů ne.
- Laserové gravírování (ablace materiálu): Při vyšším výkonu a soustředěném paprsku laser odebírá materiál (taví a odpařuje ocel) a vytváří hlubší reliéfní značení. Vláknový laser díky vysokému pulznímu výkonu (~kW) a malému průměru svazku dokáže ocel přímo vypařovat. Hluboké gravírování se využívá např. pro značení VIN kódů do rámů a podvozků – cílem je nesmazatelný popis, který nelze odstranit ani obroušením. Při hlubokém rytí oceli se však často tvoří okuje a tmavé zabarvení okolo značky vlivem spáleného kovu, které je potřeba odstranit. To lze snadno zajistit dalším krátkým laserovým přejetím povrchu (s jinými parametry) pro očištění, čímž se dosáhne čistého finálního vzhledu. Alternativně lze použít tzv. polishing laserem – změnou parametrů značení (nižší výkon, vyšší frekvence) se materiál spíše taví a uhlazuje, čímž vzniká světlý, lesklý popis bez výrazného odběru materiálu.
- Laserová karbonizace: Tato metoda značení mění chemické složení povrchové vrstvy oceli. Při vysoké teplotě a omezeném přístupu kyslíku způsobí laserový paprsekzpůsobit difúzi uhlíku z okolního prostředí či z povrchových nečistot do povrchové vrstvy kovu, čímž vznikne tenká zóna s vyšším obsahem uhlíku – tzv. karbonizovaný povrch. Tento proces je výrazný zejména u nelegovaných a nízkolegovaných uhlíkových ocelí, které dobře reagují na změny obsahu uhlíku. Výsledkem je tmavý až černý popis s mírně odlišnou strukturou, odolný vůči otěru a chemickému působení. Karbonizace le dosáhnout použitím dlouhých pulzů s vyšší frekvencí a defokusovaným paprskem, který hlouběji zahřívá povrch. Parametry se podobají annealingu, ale s důrazem na minimalizaci přístupu vzduchu. Při značení pod ochranným plynem (dusík, argon) je karbonizace výraznější.
Vhodný typ laseru
Pro veškeré značení ocelí je ideální vláknový laser. Vláknové pulzní lasery (Ytterbiem dopované) o vlnové délce ~1,06 µm se velmi dobře absorbují v kovech a umožňují rychlé a kontrastní popisy. Lze jimi značit všechny typy ocelí – konstrukční, nástrojové, nerezové, kalené i litiny Naproti tomu CO₂ laser (~10,6 µm) není pro značení holé oceli vhodný, protože kov tuto vlnovou délku špatně absorbuje – většina energie se odrazí.
CO₂ laser tak nedokáže ocel přímo gravírovat či kalit (nelze dosáhnout ablace materiálu). Jedinou možností značení kovů CO₂ laserem je buď odstranitelná povrchová úprava, nebo použití speciálních termochemických pastů. Například u lakované či eloxované oceli může CO₂ laser odstranit vrchní vrstvu (lak, elox), a tím odkryje kontrastní podklad.
Nebo lze na čistý kov nanést tenkou vrstvu absorpčního spreje (obsahující např. keramické částice), který se působením CO₂ paprsku natrvalo přichytí k povrchu a vytvoří tmavé značení. Tyto metody však nedosahují kvality a trvanlivosti přímého popisu vláknovým laserem. Při použití pasty se nedocílí hlubokého rytí a proces je pomalejší a nákladný (nutnost nanášet a smývat pastu).
Doporučené parametry
Při značení kovů vláknovým laserem se typicky používají střední až vyšší výkony a pomalejší rychlosti než u plastů. Obecně se výkon nastavuje od cca 50 W výše (u pulzních vláknových laserů to odpovídá např. 50% výkonu 100W zdroje). Frekvence pulzů se pro ocel volí relativně nízká (řádově desítky kHz, např. 20–60 kHz) pro dosažení vysoké energie v každém pulzu.
Nižší frekvence a vyšší energie pulzu podporuje účinnou ablaci materiálu a hluboký zářez. Např. pro gravírování oceli 20W vláknovým laserem se nastaví 100% výkon, frekvence 20 kHz a pomalá rychlost ~300 mm/s.
Naopak pro povrchové žíhání (annealing, popouštění) se využívají spíše delší doby působení s nižší hustotou energie: často se záměrně rozostří paprsek (např. o několik milimetrů mimo ohnisko) a zvolí se vyšší frekvence pulzů, aby nedošlo k ablaci, ale pouze k ohřevu povrchu. Doporučené nastavení pro černý popouštěcí popis nerezi je např. 80–100% výkonu, velmi pomalá rychlost 80–120 mm/s a frekvence 20–30 kHz, s defokusací cca +5 mm. V praxi se pro dokonalý černý odstín na nerezi osvědčuje i extrémně vysoká frekvence (statisíce Hz) dostupná u MOPA vláknových laserů a defokus ~1–3 mm. Tím se dosáhne rovnoměrného zahřátí bez odpaření materiálu.
Rychlost značení kovů bývá obecně nižší: typicky kolem 200–400 mm/s (pro hluboké gravírování i méně), aby laser měl dost času na interakci s materiálem. Při více průchodech se rychlost může zvýšit pro finální čištění povrchu. Počet průchodů záleží na požadované hloubce. Povrchové značení (včetně barevného) se dělá jedním pomalým průchodem, hlubší rytina může vyžadovat i desítky opakování.
Výhody vláknového laseru pro ocel
Vláknový laser umožňuje na oceli vytvořit vysoce kontrastní značení. Černé žíhané popisy na nerez oceli jsou dobře čitelné a odolné, aniž by porušily povrch. Lze také rychle gravírovat kód nebo text do hloubky s vysokou přesností (malý průměr paprsku ~50 µm umožňuje jemné detaily). Nevýhody jsou minimální: relativně pomalejší proces při požadavku na velkou hloubku, případně nutnost odsávat zplodiny.
CO₂ laser pro přímé značení oceli nemá smysluplné využití – jeho nevýhodou je nízká absorpce, tedy neefektivita (výjimkou je zmíněné značení přes vrchní vrstvy nebo pomocí speciálních přípravků, což je však komplikovanější a méně trvalé řešení).