Zinek má velmi nízkou teplotu tání (~419,5 °C), což spolu s vysokou tepelnou vodivostí, měkkostí a snadnou oxidací vytváří specifické požadavky na laserové značení. Lesklý povrch zinku odráží většinu dopadajícího záření (až 80 % viditelného světla), takže za nízkých teplot laserovou energii většinou jen odráží. Po zahřátí zinku však reflexe prudce klesá a vzrůstá absorpce.
Laserové značení zinku proto musí pracovat v tzv. ultra-nízkoenergetickém režimu s krátkými pulzy, aby se zabránilo roztavení a deformaci materiálu. V praxi to znamená použít pulzní laser, vysoké frekvence (≥200 kHz) a přesné zaostření paprsku, aby se energie soustředila lokálně a minimalizovalo se přehřívání okolního materiálu.
Metody laserového značení
Při značení zinku a pozinku laserem lze použít etching, ablaci nebo gravírování.
Nejrychlejší metodou při laserovém značení zinku je etching neboli leptání povrchu, kdy při vhodné volbě parametrů laser jen krátce nataví povrch zinku a vytvoří na něm řídkou tenkou vrstvu oxidu ZnO. Oxid zinečnatý o tloušťce několik desítek nanometrů se jeví bíle nebo světle šedě, čímž vzniká kontrastní světlé značení na tmavém podkladu. Proces probíhá při kontrolované teplotě pod ~350 °C, aby nedošlo k tání základního materiálu.
Při ablaci laserový paprsek selektivně odpařuje tenkou vrstvu zinku a odkrývá základní materiál, obvykle ocel. Značení vzniká jako kontrast mezi světlým povrchem zinku a tmavším podkladem. Typicky se používají pulzy vedené těsně pod teplotu tání (380–400 °C) a velmi vysoké frekvence (≥200 kHz), aby se odstranila jen povrchová vrstva. Při správném nastavení vznikne ostré, tmavé značení vysokého kontrastu, aniž by došlo k prohřátí a deformaci dílu.
U aplikací, kde nevadí zásah do základního materiálu, se používá také hloubkové gravírování. V prvním kroku se laserem odebere zinková vrstva a následně se dalšími pulzy postupně taví i podkladová ocel. Vzniká tak velmi kontrastní tmavé značení na světlém zinkovém pozadí. Počet průchodů je vhodné minimalizovat, protože každý další průchod zvyšuje tepelnou zátěž a riziko rozlití hran nebo deformace dílu.
Vhodný typ laseru
-
Vláknový laser (1064 nm): Nejčastěji používaný typ pro značení kovů. Vláknové lasery, zejména s MOPA architekturou, umožňují generovat velmi krátké pulzy, vysoké špičkové energie a extrémní rychlosti skenování. Díky tomu umí vytvářet jemné detaily, např. QR kódy, a současně rychle zpracovávat i rozsáhlé plochy. Nevýhodou je nižší absorpce 1064nm paprsku zinkem, pouhých 25–30 %. Proto se musí často používat vyšší frekvence pulzů a pečlivé nastavení, aby došlo spíše k tavení a získání kontrastu než k okamžitému roztavení materiálu.
-
Zelený laser (532 nm): Vzhledem k vysoké absorpci (55–65 %) je pro čistý zinek optimálním zdrojem. Tyto lasery se často používají pro čisté oxidační značení, kdy nižší výkon a kratší pulzy vytvoří hustý tenký film ZnO s bílým značením. Zelené lasery ale nejsou vždy běžnou součástí průmyslových linek, typicky doplňují vláknová řešení.
-
CO₂ laser (10,6 µm): Pro přímé značení čistého zinku není vhodný. Jeho absorpce je velmi nízká (<5 %), takže téměř všechnu energii paprsek odrazí a materiál se spíše přehřívá než efektivně označuje. CO₂ laser se někdy používá u pozinkovaných dílů poté, co vláknovým laserem odstraníme Zn vrstvu. Pak totiž paprsek pracuje na oceli, kterou CO₂ laser pohlcuje velmi dobře. I tak se ale zpravidla ke značení zinku upřednostňuje vláknový laser kvůli jeho přesnosti a účinnosti.
-
UV laser (~355 nm): Speciální volba pro jemné mikrogravírování. Díky krátké vlnové délce dosahují UV lasery submikronových rozlišení a minimálního tepelně ovlivněného pásma. Mívají ale malý výkon v jednotkách wattů, jsou pomalejší a často velmi drahé. Používají setedy převážně v aplikacích, kde je nutná extrémní přesnost, jako je např. mikroelektronika či lékařské součástky, nikoli při průmyslovém značení větších dílů.
Doporučené parametry
Při značení zinku a pozinku se obecně uplatňuje vysoká intenzita v krátkém čase. Typická nastavení vláknového laseru mohou vypadat například takto:
- Pro tenké čisté zinkové vrstvy je vhodný výkon 10–20 W, hlubší gravírování nebo silnější materiály vyžadují 30–50 W..
- Rychlost skenování se pro světlé povrchové značení zinku běžně volí 800–1000 mm/s. Při ablačním režimu se postupuje pomaleji (~400–600 mm/s), aby laser stačil odebírat materiál. Pro vysokorychlostní značení lze rychlost nad 1000 mm/s za cenu nižšího kontrastu.
- Frekvence pulzů se při značení zinku volí vysoká, v řádu stovek kHz. Krátké pulsy s vysokou frekvencí snižují akumulaci tepla a zabraňují tavení povrchu.
- Délka pulzu stačí pár nanosekund, aby mělo značení ostré hrany.
- Obvykle postačuje 1 průchod, další průchody zvyšují hloubku a kontrast, ale také riziko přehřátí zinku a rozostření hran. U pozinkovaných dílů se někdy používají 2 až 3 průchody: první pro seškrábnutí vrstvy Zn a další k prohloubení kontrastu.
- Při značení zinku se minimalizuje překryv skenovacích řádků (hatch overlap ~0,02–0,05 mm), aby se stejné oblasti nezahřívaly opakovaně. Doporučuje se auto-fokus s přesností ~0,01 mm, protože i nepatrné rozostření znatelně zvýší hustotu energie a může způsobit nežádoucí tavení. U velmi tenkých vrstev (< 10 µm) lze výjimečně použít mírnou defokusaci za cenu snížení rozlišení a kontrastu.
Správnou volbou laserového systému, optimalizací parametrů a dodržením popsaných postupů lze získat na zinku i pozinkovaných površích vysoce kontrastní a trvanlivé značení.
V průmyslové praxi se zpravidla využívají vláknové lasery, které zvládnou vysoké rychlosti a jemné detaily. Tajemství úspěchu spočívá v řízené tvorbě tenké oxidační vrstvy nebo selektivním odstranění materiálu.