Łączenie metali w technice instalacyjnej. Dobrze przylutuj!

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Podstawową zasadą procesu lutowania jest stosowanie materiału dodatkowego zwanego lutem o niższej temperaturze topnienia od temperatury topnienia obu łączonych materiałów. A więc nie nadtapiamy powierzchni materiałów łączonych (fot. 1).

Daje to wiele możliwości łączenia ze sobą materiałów, których nie można połączyć za pomocą innych metod spawalniczych, np. wysokostopową stal nierdzewną z aluminium czy z tytanem, miedzi ze stalą, stal wysokowęglową z węglikami spiekanymi czy żeliwo ze stalą wysokowęglową. Dzięki bardzo dużej wydajności lutowania i niskim kosztom procesu lutowanie znalazło zastosowanie w produkcji najprzeróżniejszych elementów, poczynając od elementów turbin w silnikach odrzutowych, na instalacjach wody pitnej kończąc.

Ze względu na przeważnie mniejsze właściwości wytrzymałościowe lutu niż materiału podstawowego połączenie lutowane powinno być zaprojektowane tak, aby sama lutowina pracowała na ścinanie, a szerokość zakładki w połączeniu lutowanym można było regulować w taki sposób, by uzyskało ono wytrzymałość większą od wytrzymałości materiału podstawowego. W praktyce wielkość zakładki ustala się na 3-5 grubości cieńszego z łączonych elementów. Przykłady połączeń, od których wymagana jest przede wszystkim wysoka wytrzymałość, podano na fot. 2 a. Nieco inaczej będą projektowane połączenia, od których wymagana jest dobra przewodność elektryczna czy szczelność połączenia, fot. 2 b i c.

Podstawowe zjawiska występujące podczas procesu lutowania i decydujące o jakości (szczelności, wytrzymałości, wyglądzie) połączenia lutowanego to zwilżanie powierzchni łączonych elementów lutem oraz zjawisko kapilarne.

Zwilżanie jest zjawiskiem pokrywania powierzchni lutowanych części cienką równomierną i nieprzerwaną powłoką ciekłego lutu. Niestety nie każdy lut będzie zwilżał powierzchnię każdego metalu. W tabeli zestawiono kilka podstawowych lutów i ich przeznaczenie do łączenia materiałów metalowych. Ponadto na zjawiska zwilżania silnie wpływa stan powierzchni łączonych części. Powierzchnia chropowata będzie lepiej zwilżalna przez ciekły lut aniżeli powierzchnia wypolerowana. Ponadto niezwykle istotny wpływ na zwilżanie ma obecność tlenków metali pokrywających powierzchnię elementów łączonych. Należy je usuwać przed lutowaniem i zabezpieczać powierzchnie lutowane przed ponownym utlenieniem w trakcie procesu lutowania, gdyż tlenki te są całkowicie niezwilżalne przez ciekłe luty. Do tego celu stosowane są substancje chemiczne zwane topnikami, które usuwają warstewkę tlenków z powierzchni lutowanych oraz zabezpieczają przed ich ponownym utlenieniem. Niestety, podobnie jak w przypadku lutów, nie ma topników uniwersalnych o aktywności umożliwiającej rozpuszczanie tlenków wszystkich metali. Pewien wyjątek stanowi miedź, którą można lutować lutem samotopnikującym typu LMF8 (tabela), umożliwiającym lutowanie bez dodatku topnika.

Drugim zjawiskiem jest zjawisko kapilarności (włoskowatości) silnie zależne od dobrego zwilżania. Polega ono na tym, że ciekły lut, dobrze zwilżający materiał łączony, zostaje wciągany w szczelinę kapilarną (lutowniczą). Głębokość wnikania lutu w szczelinę, a tym samym – stopień wypełnienia szczeliny, zależy od kilku czynników, tj. napięcie powierzchniowe ciekłego lutu, szerokość szczeliny kapilarnej (im węższa szczelina, tym większa zdolność wnikania lutu w szczelinę kapilarną) oraz gęstość lutu. Dlatego już na etapie projektowania połączenia lutowanego należy pomyśleć, aby szerokość szczeliny wynosiła 0,05-0,3 mm, co może być dosyć trudne do ustalenia, szczególnie w przypadku łączenia materiałów różnoimiennych o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.

Materiały dodatkowe do lutowania Obok zdolności zwilżania powierzchni metalu przez ciekły lut równie mocno temperatura topnienia lutowanych części będzie wpływała na wybór lutu. I tak np. do lutowania aluminium nie będzie możliwe stosowanie lutu miedzianego, który ma wyższą temperaturę topnienia od temperatury topnienia aluminium. Ze względu na temperaturę topnienia lutu istnieje podział na twarde i miękkie, podobnie jak sam proces dzieli się  na lutowanie twarde i miękkie. Graniczną temperaturą jest tutaj temperatura 450°C. Wszystko to, co odbywa się poniżej tej temperatury, będziemy nazywali lutowaniem miękkim, a powyżej – twardym. Luty mogą występować w postaci: drutów, prętów, blach, taśm, folii, siatek, gąsek, kształtek, granulek i proszków. Należy zawsze pamiętać, że podczas lutowania lut musi nagrzewać się do temperatury topnienia poprzez kontakt z powierzchnią elementu lutowanego, a nie poprzez nagrzewanie stosowanym źródłem ciepła, np. płomieniem spalanego gazu, co stanowi częsty błąd powodujący rozczarowanie lutowacza przybieraniem kulistego kształtu ciekłego lutu i brakiem zwilżenia powierzchni lutowanej.

Topniki do lutowania mogą mieć postać płynów, past, proszków, a nawet oparów (topniki lotne), i powinny być nakładane bezpośrednio przed procesem lutowania. Coraz powszechniej dostępne są luty w postaci pręta z otuliną topnikową bądź luty rdzeniowe wypełnione topnikiem. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność przeprowadzania dodatkowej operacji nakładania topnika na elementy lutowane i lut.

Metody i technika lutowania Do lutowania można w zasadzie stosować każde dostępne źródło ciepła, pod warunkiem, że jego moc pozwoli nagrzać element lutowany do temperatury lutowania, tj. 30-50°C powyżej górnej temperatury topnienia lutu. I tak, ze względu na stosowane źródło ciepła, rozróżnia się lutowanie lutownicą, lutowanie płomieniowe, indukcyjne, piecowe, kąpielowe itp. W pracach instalatorskich, z oczywistych przyczyn, w większości przypadków stosuje się lutowanie płomieniowe z wykorzystaniem jako gazu palnego butanu lub mieszanki propan-butan, które są powszechnie i łatwo dostępne. Korzystniejsze właściwości ma płomień tlenowo-acetylenowy, który osiąga wyższą temperaturę spalania, ale jest gazem drogim, niebezpiecznym, a ponadto w skład stanowiska wchodzą dwie butle (z tlenem i acetylenem).

W następnym wydaniu „Magazynu Instalatora skupię swoją uwagę na lutowaniu rurowych instalacji miedzianych.

dr inż. Maciej Różański

Fot. 1. Połączenie zakładkowe stali niestopowej lutowane z użyciem lutu mosiężnego.

Fot. 2. Przykłady połączeń lutowanych dla różnych zastosowań:

a) złącze lutowane wysokowytrzymałe i szczelne: końcówka przewodów hydraulicznych;

b) złącza lutowane elektroprzewodzące: przewody aluminiowe;

c) złącze lutowane szczelne: elementy wymienników ciepła ze stali nierdzewnej.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij