Lutowanie to podstawowa technika trwałego łączenia metali, wykorzystywana chętnie zarówno w przemyśle, jak i hobbystycznie. Ten proces dzielimy – ze względu na temperaturę topnienia spoiwa lutowniczego – na lutowanie miękkie i twarde. Każda z metod ma specyficzne zastosowania, a także wymaga innych narzędzi, spoiw czy dedykowanych preparatów, które mają na celu usprawnienie prac lutowniczych – takich jak topniki.
Czym różni się lutowanie miękkie od twardego? Temperatura topnienia i skład stopów
Fundamentalną różnicą między lutowaniem miękkim a twardym jest temperatura topnienia spoiwa (oraz temperatura procesu lutowania), która wpływa bezpośrednio na właściwości mechaniczne i odporność termiczną połączenia metali.
Lutowanie miękkie
Metoda zapewnia dobrą przewodność elektryczną i optymalną odporność na uszkodzenia mechaniczne w instalacjach niskotemperaturowych.
Spoiwa lutownicze używane do lutowania miękkiego mają temperaturę topnienia poniżej 450°C. Najczęściej wykorzystujemy:
- Stopy cyny z ołowiem (Pb-Sn) – klasyczne spoiwa o dobrej zwilżalności. Niegdyś chętnie stosowane w elektronice, a obecnie ich produkcja jest stopniowo ograniczana ze względu na zawartość ołowiu. Przykład to topnik RF800.
- Bezołowiowe stopy cyny z miedzią (Sn-Cu) – popularne i zgodne z RoHS (dyrektywy UE, ograniczającej użycie substancji niebezpiecznych w sprzęcie elektronicznym i elektrycznym). Charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia (~227°C) oraz mniejszą płynnością niż luty z ołowiu.
- Stopy cyny ze srebrem (Sn-Ag) – stosowane głównie w sytuacjach wymagających większej wytrzymałości, siły i odporności termicznej, np. w motoryzacji czy niektórych urządzeniach przemysłowych.
- Stopy cyna-srebro-miedź (Sn-Ag-Cu) – tzw. stopy SAC. Najpopularniejszy typ w elektronice bezołowiowej. Podobnie jak stopy Sn-Cu mają stosunkowo małą płynność, jednak w stopach SAC wszelkie gorsze właściwości lutownicze mogą być kompensowane przez obecność srebra. Reprezentuje je pasta lutownicza Easy Print /Sn96.5Ag3Cu0.5/.
Lutowanie twarde
Lutowanie twarde wykorzystuje spoiwa o temperaturze topnienia powyżej 450°C (choć umownie maksymalną temperaturą topnienia jest 900°C, w praktyce nie istnieje jedna, sztywna górna granica dla lutowania twardego). Pomagają one stworzyć bardzo wytrzymałe i trwałe połączenia metali w instalacjach ciśnieniowych i ogrzewaniu wysokotemperaturowym.
Zgodnie z podziałem na metodę aplikacji mogą to być:
- Stopy srebra, miedzi i cynku (Ag-Cu, Ag-Cu-Zn) – mają bardzo dobrą kapilarność. Stosuje się je np. w chłodnictwie, instalacjach HVAC czy rurociągach ze stali nierdzewnej.
- Stopy miedzi z fosforem (Cu-P) – popularne w połączeniach elementów miedzianych, bez konieczności stosowania topnika. Fosfor pełni tu funkcję odtleniacza/topnika.
- Stopy niklu i kobaltu, mosiądz – cechujące się wysoką odpornością na korozję i skrajne temperatury. Wykorzystuje się je w przemyśle lotniczym, energetyce, a także przy produkcji wymienników ciepła. Przykładowym preparatem do lutowania i spawania lutami mosiężnymi jest topnik borax.
Lutowanie miękkie i twarde – różnice pod względem wytrzymałości połączeń i odporności eksploatacyjnej
Lutowanie miękkie
Luty miękkie zapewniają przeciętną wytrzymałość mechaniczną (zazwyczaj <50 MPa) – jednak to nie przeszkadza w wielu przypadkach, m.in. w elektronice, automatyce czy lekkiej instalacji sanitarnej.
Te spoiwa lutownicze cechują się również dobrą przewodnością elektryczną – ta właściwość jest nieoceniona przy łączeniu przewodów, pól lutowniczych i komponentów elektronicznych.
Lutowanie twarde
Luty twarde zapewniają znacznie wyższą wytrzymałość mechaniczną (nawet 200–300 MPa) aniżeli miękkie odpowiedniki. Mają także lepszą odporność na wibracje oraz czynniki agresywne (np. gazy techniczne, kwasy, solanki). Te spoiwa stosuje się w połączeniach wymagających szczelności i trwałości – gdy są narażone na zmiany temperatur, wysokie ciśnienie czy naprężenia dynamiczne.
Lutowanie miękkie i twarde – różnice w przebiegu procesu
Lutowanie miękkie
Lutowanie miękkie można wykonywać punktowo, przy użyciu nieskomplikowanych narzędzi i niskiej energii, bez konieczności mocnego podgrzewania każdego detalu. Proces przebiega szybko. Lutowanie miękkie nie zagraża materiałom, z którymi się styka (np. tworzywami sztucznymi, izolacjami PCB). Można je również zautomatyzować.
Lutowanie twarde
Lutowanie twarde wymaga wstępnego nagrzania całego złącza do temperatury przewyższającej 450°C, co może oznaczać konieczność użycia palnika gazowego, indukcji i adekwatnego sposobu chłodzenia. Czasami za nagrzewanie odpowiadają piece kontrolowane atmosferycznie – tylko w określonych zastosowaniach (np. lutowanie próżniowe w produkcji wymienników ciepła).
Wymaga się także, by zwracać uwagę na odpowiednie przygotowanie roboczej powierzchni (przed lutowaniem) oraz stosować specjalistyczne topniki, silnie odporne na wysokie temperatury.
Zastosowanie obu metod lutowania
Lutowanie miękkie – precyzja, przewodność, uniwersalność w niskich temperaturach. Typowe zastosowania
Lutowanie miękkie ma szerokie zastosowanie w tych branżach, gdzie wymaga się bardzo dobrej przewodności elektrycznej, precyzji montażu i niewielkich naprężeń mechanicznych w miejscu połączenia metali.
Elektronika użytkowa i profesjonalna
Lutowanie miękkie to standardowa technika przy montażu komponentów elektronicznych, w tym: układów scalonych (SMD, THT), kondensatorów, rezystorów oraz mikroprocesorów na płytkach PCB. Używa się tu lutów cynowo-ołowiowych lub bezołowiowych – często w postaci drutu z rdzeniem topnika (luty otulone). Taki sposób aplikacji pozwala uprościć proces lutowania, nieraz eliminując konieczność dodawania topnika.
Elektrotechnika i automatyka przemysłowa
W produkcji sterowników, przekaźników, transformatorów czy złączek wykorzystuje się miękkie luty, zapewniające dobrą przewodność i odpowiednią trwałość połączeń.
Instalacje sanitarne i CO (do 110°C)
Łączenie łączeniu rur i kształtek miedzianych w instalacjach wodociągowych (ciepła woda użytkowa) czy centralnym ogrzewaniu – to kolejne zastosowanie lutowania miękkiego, szczególnie z wykorzystaniem lutów cynowo-miedzianych lub cynowo-ołowiowych. Warunkiem powodzenia tego procesu jest optymalna temperatura pracy (maksymalnie 110°C). Jeśli zdarzy się sytuacja, w której temperatura gwałtownie wzrośnie, kluczową rolę odegra dobrze dobrany topnik. Przykładowym preparatem do lutowania miękkiego – w instalacjach sanitarnych! – jest nasza woda lutownicza, która zapewnia lepsze zwilżanie metali i redukcję tlenków, co przekłada się na szczelność i trwałość spoiny.
Modelarstwo, naprawy hobbystyczne i DIY
Lutowanie miękkie chętnie stosuje się także w pracach rękodzielniczych oraz naprawach metali niezależnych i ich stopów, m.in. miedzi, mosiądzu, cyny, cynku. Proces nie wymaga rozbudowanego zaplecza narzędziowego (wystarczy lutownica oporowa bądź transformatorowa), dlatego stał się najatrakcyjniejszą opcją dla użytkowników domowych.
Lutowanie twarde – wysoka wytrzymałość, ekstremalne warunki pracy. Typowe zastosowania
Lutowanie twarde zapewnia bardzo trwałe połączenia o wysokiej odporności mechanicznej, termicznej i chemicznej. Technika odnajduje się doskonale w instalacjach wysokotemperaturowych oraz przemyśle energetycznym, motoryzacyjnym i lotniczym.
Instalacje chłodnicze, klimatyzacyjne i gazowe
Łączenie rur miedzianych w układach klimatyzacyjnych, chłodniczych oraz instalacjach z przesyłem gazów technicznych i palnych wymaga lutowania z wykorzystaniem spoin o wysokiej odporności na zmiany ciśnienia, wibracje i temperaturę pracy. Stosuje się wtedy luty miedziano-fosforowe bądź luty srebrne.
Hydraulika przemysłowa i instalacje techniczne
W przemyśle lutowanie twarde wykorzystywane jest głównie do montażu i napraw instalacji ciśnieniowych ze stalą, mosiądzem, brązem i miedzią. Ta metoda poradzi sobie w momentach, gdy wymagana jest odporność na działanie agresywnych chemicznie środków (np. solanki, glikole techniczne, czynniki chłodnicze typu R410A, R32, R290).
Przemysł motoryzacyjny i lotniczy
Lutowanie twarde umożliwia trwałe łączenie elementów, które są narażone na drgania, zmienne temperatury oraz korozję. Zarówno w motoryzacji, jak i lotnictwie mogą to być takie części, jak: układy chłodzenia, przewody paliwowe, komponenty turbosprężarek czy elementy powstałe z tzw. stopów trudnoobrabialnych (niklowe superstopy, stopy tytanu).
Produkcja narzędzi, części maszyn, osprzętu
Lutowanie twarde wykorzystuje się do tworzenia połączeń głowic i tulei narzędziowych bądź osadzania płytek węglikowych na narzędziach skrawających (np. frezach, wiertłach) – czyli tam, gdzie urządzenia przemysłowe zderzają się z dużymi obciążeniami. Liczy się, by spoina była jak najmocniej odporna na ścinanie i zmęczenie materiału.
Jubilerstwo, elektronika przemysłowa, zaawansowane układy elektroniczne
W zastosowaniach specjalistycznych (np. w jubilerstwie) wykorzystujemy luty szlachetne – złote, srebrne, palladowe. Muszą wykazywać one wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne i chemiczne, a także spełniać wysublimowane wymagania estetyczne. Co ciekawe, luty szlachetne odgrywają także ważną rolę w mikroelektronice, uczestnicząc w lutowaniu m.in. układów mikrofalowych.
Podsumowanie
Lutowanie może wydawać się prostą czynnością – to nieprawda. Czynność wymaga dużej precyzji, ostrożności oraz – to najważniejsze – odpowiedniej wiedzy. Aby zrozumieć tajniki lutowania, musisz poznać kluczowe różnice między lutowaniem miękkim a twardym – wynikają one z temperatury pracy, rodzaju spoiwa oraz zastosowań. Ta wiedza uchroni Cię przed potencjalnymi zagrożeniami – pamiętaj, wymagania bezpieczeństwa to informacje, z którymi powinieneś się zapoznać przed użyciem jakiegokolwiek urządzenia, narzędzia czy preparatu!
W AG TermoPasty mamy różne preparaty, które wykorzystasz w lutowaniu i spawalnictwie – w przypadku procesu lutowania nasze produkty są przeznaczone głównie do lutowania miękkiego (nie tylko!). Zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, skontaktuj się z nami! Chętnie dobierzemy odpowiednie topniki do Twojej branży i potrzeb, a także odpowiemy na wszystkie pytania związane z technikami lutowania.