Lutowanie Wprowadzenie Lutowaniem nazywamy metodę spajania metali za pomocą wprowadzania między łączone powierzchnie innego roztopionego metalu lub stopu (czynnika łączącego), zwanego spoiwem. Podczas lutowania części łączone nagrzewają się, lecz nie topią w miejscu łączenia, jak to ma miejsce podczas spawania. Połączenie następuje wskutek zwilżania części lutem oraz dyfuzji zachodzącej między obu materiałami. Rozróżnia się lutowanie lutami miękkimi (temperatura topnienia lutu poniżej 500 o C), twardymi lub specjalnymi (temperatura topnienia lutu powyżej 500 C) oraz lutospawanie. 1
Wprowadzenie Uzyskanie dobrego złącza zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to: dobór lutu; dobór metody lutowania; przygotowanie łączonych powierzchni; dobór parametrów lutowania głównie temperatury procesu i czasu jego trwania. Wprowadzenie Prawidłowo dobrany lut powinien odpowiadać następującym warunkom: temperatura topnienia lutu powinna być niższa od temperatury topnienia lutowanych metali; lut powinien dobrze zwilżać powierzchnię łączonych części; w obszarze złącza lut powinien tworzyć z łączonym metalem roztwory stałe (tworzenie się tu faz międzymetalicznych nie jest pożądane ze względu na ich złe własności mechaniczne i elektryczne); 2
Wprowadzenie zakres temperatury krzepnięcia powinien być mały; współczynnik rozszerzalności temperaturowej lutu powinien być zbliżony do współczynnika rozszerzalności temperaturowej łączonego metalu; lutowane połączenie powinno mieć dobre własności mechaniczne i elektryczne. Wprowadzenie Istnieje wiele sposobów lutowania różniących się sposobem dostarczania ciepła. W przemyśle są stosowane następujące sposoby lutowania miękkiego: 1. lutowanie za pomocą lutownicy; 2. lutowanie piecowe; 3. lutowanie kąpielowe; 4. lutowanie indukcyjne; 5. lutowanie płomieniowe. Spośród sposobów lutowania twardego najczęściej są stosowane: lutowanie gazowe, lutowanie elektryczne oporowe i indukcyjne, lutowanie piecowe oraz lutowanie kąpielowe. 3
Zastosowanie lutowania Wprowadzenie Lutowanie jest jednym z najstarszych sposobów łączenia metali. Jest jedną z nielicznych metod umożliwiających łączenie ze sobą różnych metali i stopów o różnych własnościach. Lutowanie jest jedyną metodą zapewniającą połączenia właściwej jakości. Największe zastosowanie znajduje w przemyśle elektrotechnicznym, elektronicznym i telekomunikacyjnym do łączenia przewodów elektrycznych. Jest stosowane podczas prac blacharskich, szczególnie do lutowania blach ocynkowanych, np. w produkcji rynien, do zamykania blaszanych puszek z konserwowanymi produktami spożywczymi. Zastosowanie lutowania c.d. Wprowadzenie Ponadto lutowanie stosuje się w blacharstwie samochodowym, np. przy wypełnianiu wgłębień, wykonywaniu i naprawie chłodnic samochodowych, łączeniu uzwojeń silników elektrycznych, a także w naprawach pękniętych odlewów. Połączenia lutowane dobrze przewodzą prąd i dlatego są stosowane zamiast spawania w przypadkach, gdy spoiny nie muszą nosić dużych obciążeń, ale powinny zapewnić dobre przewodzenie prądu, 4
Przygotowanie materiału do lutowania Przygotowanie łączonych powierzchni polega na mechanicznym i chemicznym ich oczyszczaniu. Oczyszczanie mechaniczne odbywa się przez piłowanie, szczotkowanie i inne podobne zabiegi. Oczyszczanie chemiczne polega na odtłuszczeniu lub trawieniu. Odtłuszczanie można wykonać: z użyciem rozpuszczalników organicznych (trójchlorku etylu, czterochlorku etylu, czterochlorku węgla, alkoholu etylowego), roztworów alkalicznych (wodorotlenku sodu, węglanu sodu, krzemianu sodu), elektrolitycznie oraz ultradźwiękowo. Przygotowanie materiału do lutowania Zastosowanie określonej metody odtłuszczania zależy od rodzaju zanieczyszczeń, wymiarów i kształtu przedmiotu oraz wielkości produkcji. Do trawienia służą wodne roztwory kwasu siarkowego, solnego, azotowego, chromowego lub inne. Po trawieniu zwilżone powierzchnie należy zobojętnić, zmywając je wodą. 5
Lutowanie lutem miękkim Lutowanie lutami miękkimi stosuje się do łączenia części o niedużych naprężeniach w złączu i niewysokiej temperaturze pracy, jak również do uszczelniania połączeń zawalcowanych i innych (np. cienkościennych zbiorników, pojemników, rynien, rurociągów). Luty miękkie są wykonywane w postaci prętów, drutu, płytek, proszków. Do lutowania miękkiego są stosowane przede wszystkim spoiwa cynowo-ołowiowe. Lutowanie lutem miękkim Istnieje bardzo dużo gatunków tych spoiw o różnej zawartości cyny i ołowiu. Niektóre z nich zawierają ponadto drobne domieszki antymonu, srebra i miedzi, a prawie wszystkie zanieczyszczenia w postaci śladowej zawartości żelaza, bizmutu, arsenu, aluminium, cynku i kadmu. Do lutowania potrzebne są również topniki, bez których lut się utlenia i źle wypełnia szczeliny między łączonymi powierzchniami. Jako topników do lutowania miękkiego stali, miedzi i mosiądzu używa się najczęściej wody lutowniczej, którą tworzy chlorek cynku rozpuszczony w wodzie (np. 300 gramów stopionego technicznego chlorku cynku na 1 litr wody). 6
Lutowanie lutem miękkim Jako topników do oczyszczania chemicznego powierzchni łączonych części używa się także salmiaku, kalafonii, stearyny i specjalnie przyrządzonych past. Oczyszczania mechanicznego powierzchni łączonych dokonuje się piłowaniem, skrobaniem, ścieraniem itp. Lutowanie lutem miękkim Lutowanie wykonuje się za pomocą narzędzia zwanego lutownicą. Najważniejszą częścią lutownicy jest końcówka miedziana 1, która po nagrzaniu służy do roztopienia cyny i przeniesienia jej na miejsce lutowania. Końcówka najczęściej jest osadzona na pręcie 2 zakończonym rękojeścią 3. Miedzianą końcówkę lutownicy nagrzewa się w płomieniu lampy lutowniczej, palnika gazowego lub w ognisku kowalskim. 7
Lutowanie lutem miękkim Obecnie są stosowane (jako wygodniejsze w użyciu) lutownice gazowe, benzynowe, a najczęściej elektryczne. Ostrze końcówki każdej lutownicy należy co pewien czas, w miarę zanieczyszczenia się, opiłowywać pilnikiem. Lutownica benzynowa Schemat lutownicy elektrycznej 1 końcówka miedziana, 2 spirala grzejna, 3 rękojeść, 4 przewód doprowadzający prąd elektryczny Lutowanie lutem miękkim Przebieg lutowania jest następujący: Po nagrzaniu lutownicy szybko pociera się jej ostrze o salmiak i przykłada do lutu, który roztapia się i przylepia do ostrza lutownicy. Następnie ostrze lutownicy przykłada się do miejsca lutowanego i pociąga ostrzem wzdłuż szwu. Lutując większe połączenia należy lut trzymać lewą ręką nad spoiną. Lutownica trzymana prawą ręką rozgrzewa materiał łączony i jednocześnie topi lut. Roztopiony lut ścieka i łączy powierzchnie, zastygając między nimi. Gdy zachodzi potrzeba, to lutownicę kilkakrotnie przesuwa się wzdłuż szczeliny łączącej. W czasie lutowania należy tak prowadzić lutownicę, żeby lut nie rozpływał się po wierzchu, lecz spływał w głąb szwu. 8
Lutowanie lutem miękkim Po zalutowaniu usuwa się nadmiar lutu za pomocą skrobaka lub pilnika i przemywa się szew letnią wodą. Do lutowania przewodów elektrycznych stosuje się małe lutownice elektryczne, w których końcówkę nagrzewającą stanowi wygięty drut miedziany. Lutowanie lutem twardym Lutowanie lutami twardymi stosuje się przy znacznych naprężeniach w złączu i wysokiej temperaturze pracy (ponad 150 C). Jest u żywane do połączeń ślusarskich, w budowie ram rowerowych, w kołnierzach połączeń rurociągów, do łączenia części mechanizmów precyzyjnych, w produkcji narzędzi skrawających. Jako czynnik odtleniający podczas lutowania ma zastosowanie boraks. Lutami twardymi są miedź lub stopy miedzi (mosiądze, brązy, stopy miedzi z fosforem, srebrem, krzemem, manganem), stopy srebra z miedzią, cynkiem i in. oraz prawie czysty nikiel z dodatkiem manganu. 9
Lutowanie lutem twardym Lutowanie odbywa się następująco: Powierzchnie łączone dokładnie czyści się i dopasowuje do siebie. Następnie smaruje sieje pędzlem zanurzonym w roztworze boraksu i kładzie się między te powierzchnie blaszkę lutu, a potem wiąże się obie części drutem. Po posypaniu boraksem związanych części nagrzewa sieje w ognisku kowalskim, palnikiem gazowym lub lampą lutowniczą tak długo, aż lut się roztopi i zwiąże części łączone. Do podgrzewania można używać także palnika acetylenowego, lecz trzeba bardzo uważać, aby nie przegrzać spoiny. Lutowanie lutem twardym W niektórych przypadkach lut umieszcza się nie między powierzchniami łączonymi, lecz na zewnątrz wzdłuż szwu. Wiązanie drutem łączonych elementów nie zawsze jest konieczne, zwłaszcza podczas nagrzewania palnikiem. Łączone elementy można zamocować w imadle, położyć na stalowej płycie lub stole spawalniczym, ale trzeba wtedy bardzo uważać, aby łączone elementy i lut nie zmieniły swojego położenia podczas lutowania. Po wykonaniu lutowania wyjmuje się połączone części i zostawia je do powolnego ostygnięcia, a następnie przemywa szew woda zakwaszoną i usuwa nadmiar lutu pilnikiem. Do oczyszczania chemicznego używa się przeważnie roztworu wodorotlenku sodu, który skutecznie usuwa tlenki z powierzchni przeznaczonej do lutowania. 10
Lutospawanie Lutospawanie jest w zasadzie lutowaniem twardym dokonywanym bez nadtapiania materiału łączonego. Stosuje się tu przeważnie luty mosiężne. Łączone elementy wymagają jednak przed lutowaniem jednostronnego lub dwustronnego zukosowania krawędzi, gdyż złącze lutospawane musi mieć w przekroju kształt litery V (przy jednostronnym ukosowaniu) lub kształt litery X (przy obustronnym ukosowaniu). Ukosowanie dwustronne stosuje się do lutospawania części o dużej grubości. Lutospawanie Przygotowanie łączonych elementów jest podobne jak do spawania. Lutospawania dokonuje się za pomocą palnika acetylenowego, a spoiwo w postaci pręta trzyma się w ręce. Położenie palnika i drutu 11
Lutospawanie Po zukosowaniu krawędzi materiału łączonego należy je dobrze oczyścić, a następnie pobielić łączone krawędzie rozprowadzając po ich powierzchni cienką warstwę lutu. Po tej operacji można przystąpić do stopniowego wypełniania rowka lutem. Pręt lutu należy topić przez zagrzanie końca w jeziorku 2. Jeziorko tworzy się wśrodku spoiny, gdzie lut najpóźniej stygnie. Po wykonaniu złącza należy pozostawić je do powolnego stygnięcia. Obraz spoiny Lutospawanie Lutospawanie znalazło szerokie zastosowanie szczególnie do naprawy pękniętych odlewów żeliwnych (kadłubów maszyn i urządzeń). Stosowanie lutospawania w tych przypadkach jest znacznie korzystniejsze od spawania, gdyż jest ono dokonywane w temperaturze do 850 C i nie powoduje powstawania naprężeń wewnętrznych, czyli nie powstaje niebezpieczeństwo zmiany kształtu. Lutospawanie stosuje się zawsze tam, gdzie spawanie sprawia trudność z powodu konieczności stosowania wysokiej temperatury lub niedostatecznej spawalności danego metalu. 12
Zasady bezpiecznej pracy podczas lutowania Podczas pracy z kwasami należy chronić ciało i ubiór przed ich żrącym działaniem. Przygotowując wodny roztwór kwasu należy zawsze wlewać kwas do wody, nie odwrotnie. Lampę lutowniczą powinno się zapalać i rozgrzewać w miejscach nie zagrożonych powstaniem pożaru. Paliwo do lampy można nalewać tylko po jej ugaszeniu i całkowitym ostudzeniu. Stosując lutownicę elektryczną należy sprawdzić, czy jest uziemiona lub zerowana. W czasie naprawy lutowaniem zbiorników po benzynie lub innym płynie łatwo palnym należy dobrze wypłukać zbiornik, a następnie lutować go, gdy jest częściowo napełniony wodą. 13