レーザーマーキングとレーザー彫刻は同じものですか?

レーザーマーキングとレーザー彫刻はどちらもレーザーを用いて材料に消えない痕跡を残しますが、レーザー彫刻は材料を蒸発させるのに対し、レーザーマーキングは材料を溶融させます。溶融した材料の表面は膨張し、深さ80µmの溝を形成します。これにより材料の粗さが変化し、白黒のコントラストが形成されます。以下では、レーザーマーキングにおける白黒のコントラストに影響を与える要因について説明します。

レーザーマーキングの3つのステップ

（１）ステップ１：レーザービームが材料表面に作用する

レーザーマーキングとレーザー彫刻の共通点は、レーザービームがパルス状であることです。つまり、レーザーシステムは一定間隔でパルスを入力します。100Wのレーザーは、毎秒10万パルスを入力できます。したがって、単一パルスのエネルギーは1mJ、ピーク値は10kWに達すると計算できます。

材料に作用するレーザーエネルギーを制御するには、レーザーのパラメータを調整する必要があります。最も重要なパラメータは走査速度と走査距離です。これら2つは、材料に作用する2つの隣接パルスの間隔を決定するからです。隣接パルスの間隔が短いほど、吸収されるエネルギーは多くなります。

レーザー彫刻と比較すると、レーザーマーキングは消費電力が少ないため、スキャン速度が速くなります。レーザー彫刻とレーザーマーキングのどちらを選択するかを決める際には、スキャン速度が決定的なパラメータとなります。

（２）ステップ２：材料がレーザーエネルギーを吸収する

レーザーが材料表面に作用すると、レーザーエネルギーの大部分は材料表面で反射されます。レーザーエネルギーのごく一部だけが材料に吸収され、熱に変換されます。レーザー彫刻では材料を蒸発させるのに多くのエネルギーが必要ですが、レーザーマーキングでは材料を溶かすのに必要なエネルギーは少なくて済みます。

吸収されたエネルギーが熱に変換されると、物質の温度が上昇します。融点に達すると、物質の表面が溶けて形状が変化します。

波長1064nmのレーザーの場合、アルミニウムの吸収率は約5%、鋼鉄の吸収率は30%を超えます。そのため、鋼鉄の方がレーザーマーキングしやすいと思われがちですが、実際はそうではありません。材料の融点など、他の物理的特性も考慮する必要があります。

（３）ステップ３：材料表面に局所的な膨張と粗さの変化が生じる。

材料が数ミリ秒で溶けて冷えると、材料表面の粗さが変化し、シリアル番号、形状、ロゴなどを含む永久的なマーキングが形成されます。

材料表面に異なるパターンをマーキングすると、色の変化も生じます。高品質のレーザーマーキングでは、白黒のコントラストが最適なテスト基準となります。

粗い材料表面が入射光を拡散反射すると、材料表面は白く見えます。

粗い材料の表面が入射光の大部分を吸収すると、材料の表面は黒く見えます。

一方、レーザー彫刻では、高エネルギー密度のレーザーパルスが材料表面に作用します。レーザーエネルギーは熱に変換され、材料を固体から気体へと変化させ、材料表面を除去します。

では、レーザーマーキングとレーザー彫刻のどちらを選びますか?

レーザーマーキングとレーザー彫刻の違いを理解したら、次に考慮すべきことはどちらを選ぶかです。そして、3つの要素を考慮する必要があります。

1.耐摩耗性

レーザー彫刻はレーザーマーキングよりも深く浸透します。そのため、ワークピースが摩耗を伴う環境で使用された場合や、表面研磨や熱処理などの後処理が必要な場合は、レーザー彫刻の使用をお勧めします。

2.処理速度

レーザー彫刻と比較すると、レーザーマーキングは浸透深さが浅いため、加工速度が速くなります。ワークピースが使用される作業環境が摩耗を伴わない場合は、レーザーマーキングの使用をお勧めします。

3.互換性

レーザーマーキングは材料を溶かしてわずかな凹凸を形成しますが、レーザー彫刻は材料を蒸発させて溝を形成します。レーザー彫刻には、材料を昇華温度まで到達させ、数ミリ秒で蒸発させるのに十分なレーザーエネルギーが必要であるため、すべての材料にレーザー彫刻を施すことはできません。

上記の説明により、レーザー彫刻とレーザーマーキングについての理解が深まったと思います。

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