Лазерная маркировка на металле: оборудование и встраивание в линию

Лазерная маркировка оставляет метку в самом материале детали. Зеркала и линзы собирают луч в точку, и сконцентрированная мощность выжигает или вытравливает знак на поверхности. Инструмент не касается детали, расходных материалов почти нет, а волоконные излучатели, по данным российского производителя, не требуют обслуживания. Но работает метод только на материалах, которые поддаются лазеру.

Лазером наносят идентификационные коды, штрихкоды и логотипы. На заготовках ответственных металлоконструкций метка нужна, чтобы проследить деталь сквозь все этапы производства. Код в металле невозможно отделить, смыть или случайно повредить, поэтому лазер берут там, где этикетка не переживёт обработку и эксплуатацию детали.

Страница входит в семейство «Маркировка и этикетирование». Если код достаточно напечатать на стикере и наклеить на короб или изделие, выбирают этикетирование print&apply. Метки на грузовые места ставит стикеровка паллет. Обе задачи закрывает принтер с аппликатором.

Для металла берут волоконный лазер с длиной волны 1,064 мкм. Такие маркеры в основном гравируют металл и пластик. CO2-лазер рассчитан на органические и неметаллические материалы: дерево, стекло, керамику, пластик, ткань. Ультрафиолетовый лазер на 355 нм уменьшает зону термического влияния, а зелёный подходит материалам, которые плохо реагируют на инфракрасное излучение.

Мощность подбирают под материал и объём маркировки. По руководству GS1 она обычно лежит в пределах 10–100 Вт. Стандартный лазер МиниМаркер 2 выпускают на 20, 30, 50 или 100 Вт. Для глубокой маркировки, например VIN-номеров, есть системы на 200 Вт.

Отдельно стоят MOPA-лазеры. У них можно менять длительность импульса: в МиниМаркер 2 это 4–200 нс против 100 нс у стандартного источника. Если управлять импульсом, металл можно нагреть до нужного оксидного слоя и не испарить.

Один и тот же лазер оставляет на металле разные метки. Результат задаёт режим.

Отжиг. Луч нагревает нержавеющую сталь или титан ниже температуры плавления. Поверхность окисляется под контролем и даёт контрастный оксидный слой, а материал остаётся на месте. В поверхности не появляются микроканавки, где скапливаются бактерии, и метка выдерживает многократную стерилизацию. Поэтому отжигом маркируют медицинские изделия. На лопатках турбин глубокая гравировка может дать трещины, а отжиг сохраняет прочность и коррозионную стойкость.

Гравировка. Луч испаряет металл и оставляет канавки. Установка горячей маркировки VPG LaserONE делает их глубиной до 600 мкм.

Снятие покрытия. В зависимости от режима лазер удаляет тонкое анодное или фосфатное покрытие, меняет цвет лакокрасочного покрытия или снимает краску целиком и углубляется в металл. Так делают шильды из анодированного алюминия и надписи на окрашенных панелях приборов.

Цветная маркировка. Если металл нагреть на воздухе, на нём растут интерференционные оксидные плёнки. Они и дают цвет, без всяких красок.

Лазерный маркиратор собирают из трёх узлов: источника излучения, маркировочной головки со сканатором и объективом и блока управления с программой. Зеркала сканатора водят луч по полю обработки, а линзы фокусируют его. У российского МиниМаркер 2 сканаторы дают до 20 м/с, а поле зависит от объектива: 110×110, 160×160 или 250×250 мм. ТурбоМаркер того же производителя пишет до 500 символов в секунду. Волоконный излучатель рассчитан на 100 000 часов работы. Станки МиниМаркер выпускают серийно с 2004 года, в том числе для линий, которые работают 24/7, а Минпромторг включил их в реестр отечественной промышленной продукции.

Остальное добирают опциями. Автофокус с триангуляционным датчиком и электропривод оси Z нужны для деталей разной высоты. Вращатель поворачивает изделие, пока луч пишет, а линейные оси расширяют поле. Видеокамера следит за процессом, привязывает программу к положению детали и считывает штрихкоды. Вытяжка забирает из зоны обработки дым и продукты сгорания.

Корпус и защита зависят от того, кто подаёт деталь: оператор, конвейер или робот. Основные компоновки собраны в таблице.

Код на самой детали называют прямой маркировкой, по-английски direct part marking (DPM). Руководство GS1 различает два вида таких кодов DataMatrix. Лазер и химическое травление дают модули, которые сливаются в сплошную L-образную рамку (тип A). Ударно-точечная маркировка оставляет отдельные точки (тип B). У этих видов разные допустимые размеры модуля и критерии качества, и читать их иногда приходится разными сканерами.

На мелких деталях лазер выигрывает. Для малых хирургических инструментов GS1 допускает модуль от 0,100 мм у кода типа A и от 0,200 мм у типа B. Минимум 0,100 мм выбран под площадку около 2,5 × 2,5 мм, на которую нужно уместить GTIN и серийный номер, и для таких инструментов GS1 рекомендует лазер.

Качество кода на металле оценивают по ISO/IEC TR 29158: критериев ISO/IEC 15415 для прямой маркировки недостаточно. Среди параметров руководства есть равномерность отражения внутри модуля и минимальная отражательная способность выше 5 %. Поэтому за маркиратором ставят камеру: система машинного зрения проверяет контраст, читаемость и положение метки.

В линии маркиратор работает как одна из станций. Головку ставят в конвейер или механизм заказчика и добавляют узлы, которые подают деталь в поле и подтверждают результат: координатные оси, вращатели, датчики положения, машинное зрение. Некоторые маркеры наносят код и на неподвижную, и на движущуюся деталь, а волоконная система Telesis Summit.Pro подключается к сети завода по EIP и PROFINET.

Как это выглядит в производстве автокомпонентов, показывает проект для «Федерал Могул Набережные Челны». Это совместное предприятие КАМАЗа и Federal Mogul: оно выпускает поршни, гильзы и поршневые кольца для двигателей грузовиков. В 2018 году «Лазерный Центр» модернизировал там два участка. На участке поршневых колец вышедший из строя твердотельный лазер с диодной накачкой европейского производителя заменили волоконным ТурбоМаркером. Систему согласовали с осью Z и связали сигналами с подачей и контролем колец. На участке контроля гильз маркировку синхронизировали с датчиком наличия детали, пневмосистемой и защитой, и комплекс работает 24/7.

Данные для метки берут из учётной системы: ТурбоМаркер подключается к базам данных, так что номер вручную никто не набирает. Как связать станцию с MES и 1С, разбирает страница об интеграции с ИТ-контуром завода.

Робот нужен, когда деталь крупная и тяжёлая или маркировать надо несколько сторон. Схем две. В первой робот загружает деталь в кабину или на поворотный стол. Двухпозиционную станцию Telesis DialPro с защитой класса 1 в том числе можно загружать роботом: на одной позиции деталь маркируют и читают код, на другой в это время меняют.

Во второй схеме робот носит лазерную головку. Такую систему «Лазерный Центр» спроектировал для «ОДК-Сатурн»: робот-манипулятор меняет головы, у каждой свой источник и свои устройства фокусировки и слежения. Головы на этом комплексе режут и варят, а датчик дистанции с осью Z держит расстояние до детали нестандартной формы. Как подобрать робот под маркировку, разбирает страница робот для маркировки.

На металлургических производствах код часто наносят на раскалённый металл, чтобы не прерывать технологический цикл. VPG LaserONE описывает, как маркировать металл при 800–950 °C. Установка работает на наносекундном волоконном лазере средней мощностью 5 кВт, пиковой 70–80 кВт, с энергией импульса до 10 мДж. Сканатор наносит код QR или DataMatrix размером до 75 × 75 мм и испаряет металл на глубину до 600 мкм; на это уходит не больше 60 с. Технологию защищает патент № 2852885 от 16 декабря 2025 года.

Раньше горячие заготовки метили ударно-механически или краской. Первому способу нужно громоздкое оборудование: оно много потребляет и требует менять изнашиваемые детали. Под краску поверхность приходится охлаждать, потом краска сохнет, а код легко повредить. В обоих случаях номер читали вручную.

Постоянный код на металл можно поставить и без лазера. Ударно-точечная маркировка выбивает знак серией одинаковых точек бойком из очень прочного материала, обычно вольфрама, и подходит для твёрдых плоских металлических поверхностей. Краска ложится на поверхность, а не в материал. Различия собраны в таблице.

Излучение маркера опасно для оператора, поэтому в ручных системах оператора защищают отдельно. В моноблоке МиниМаркер 2 излучение блокируют стенки кабины и защитное стекло, и оборудование получает 1 класс лазерной опасности. Кабина Telesis ProStation класса 1 соответствует требованиям CDRH Class 1 и ISO 13849-1. Дым и продукты сгорания отводит вытяжка.

В роботизированной ячейке одного стандарта на роботы мало. ГОСТ Р 60.1.2.2-2016 об интеграции робототехнических систем специально не рассматривает опасности технологических процессов, в том числе лазерное излучение, и отсылает к другим стандартам. Защиту от луча проектируют отдельно от ограждения робота.

• Материал. Лазер маркирует только материалы, которые поддаются его излучению. CO2-лазер рассчитан на неметаллы, поэтому для металла выбирают волоконный или другой подходящий источник.
• Поле обработки. За один проход головка покрывает поле 110×110, 160×160 или 250×250 мм, в зависимости от объектива. Крупные изделия маркируют с линейными осями, вручную или роботом.
• Высота детали. Детали разной высоты требуют автофокуса или оси Z. Без них метка на части деталей выйдет не в фокусе.
• Глубина против такта. Горячая маркировка на глубину до 600 мкм занимает до 60 с на код, а на участке поршневых колец такт составляет 2 с на деталь. Глубокая метка небыстрая, поэтому станцию считают от такта линии.
• Проверка кода. Для прямой маркировки критериев ISO/IEC 15415 недостаточно, качество оценивают по ISO/IEC TR 29158. Без камеры нечитаемый код уйдёт дальше по линии.
• Разные виды кода. Лазерный код DataMatrix (тип A) и ударно-точечный (тип B) различаются критериями качества и могут требовать разных сканеров. Если меняют способ маркировки, считыватели проверяют по всей цепочке.
• Безопасность процесса. ГОСТ Р 60.1.2.2-2016 не рассматривает специально лазерное излучение. Кабину, экраны и блокировки проектируют отдельно от ограждения робота.