Lutowanie – o co w tym chodzi?
Lutowanie – stara metoda łączenia
Już pięć tysięcy lat przed naszą erą lutowanie było bardzo popularną techniką łączenia materiałów. Archeologia zna wiele przypadków artefaktów wytworzonych z metali szlachetnych przy pomocy tej techniki. W dzisiejszych czasach lutowanie obok spawania to najpopularniejsza metoda łączenia elementów materiałów. Ta technika polega na łączeniu elementów za pomocą lutu, który jest metalowym spoiwem. Jego temperatura topnienia jest niższa od temperatury topnienia elementów lutowanych. Żeby przeprowadzić lutowanie poprawnie, należy lutować w temperaturze wyższej od temperatury topnienia, natomiast nie większej niż temperatura topnienia łączonych materiałów. Lutowanie stosuje się w przypadku metali i niemetali (szkło, ceramika, grafit). Możliwe jest łączenie nie tylko materiałów jednorodnych, ale też różniących się strukturą. Największa różnica między lutowaniem a spawaniem to fakt, że spawanie wytwarza bardzo wysoką temperaturę, która topi dodatkowy materiał i brzegi elementów łączonych. Trwałe połączenie zapewnia wytworzenie zjawiska adhezji oraz dyfuzji. Aby powstało lutowane złącze musi zaistnieć metaliczne wiązanie pomiędzy lutem a elementami. W tym celu ciekły lut musi nawilżyć lutowane materiały. Lutowanie dzieli się ze względu na temperatury topnienia lutu na:
- lutowanie wysokotemperaturowe (od 900°C wzwyż)
- lutowanie twarde (powyżej 450°C)
- lutowanie miękkie (poniżej 450°C)
Lut zwany także lutowiem jest materiałem służącym do łączenia, zaś narzędzie do lutowania to lutownica bądź palnik. W tym procesie można również wykorzystywać specjalne piece.
Odlutowywanie
W celu odwrócenia lutowania stosuje się odlutowywanie. Jest to proces odwrotny i używa się go do naprawy lub wymiany elementów zlutowanych. To czynność niezbędna do przeprowadzenia naprawy sprzętu. Do odlutowania możemy użyć lutownicy lub rozlutownicy, zazwyczaj wraz z odsysaczem do cyny. By usunąć cynę używa się lutownicy lub taśmy do rozlutowania. W momencie, gdy trudno jest rozłączyć elementy i istnieje ryzyko uszkodzeniu któregoś z nich, należy wykorzystać specjalistyczne oprzyrządowanie.
Lutowanie w przemyśle
Przemysłowe, masowe lutowanie elementów powstałych w wyniku techniki montażu przewlekanego przeprowadza się tak zwaną metodą “na fali”. Chodzi w niej o przesuwanie obwodu drukowanego, gdy już włożone są wszystkie potrzebne elementy. Na powierzchni lutu tworzy się poprzeczny garb, który znajduje się w zbiorniku z lutem. Tak powstaje fala, której szczyt styka się ze spodem ruchomego obwodu drukowanego a części wykonane z metalu pokrywa stopiony lut. Po wystygnięciu lut tworzy bardzo dobre jakościowe połączenie. Lutowanie bezdotykowe polega na rozgrzewaniu elementów ciepłym powietrzem bądź podczerwienią. Stosuje się ją przy obwodach drukowanych. W tej sytuacji topnik wraz z lutem nakłada się w postaci pasty na różne obszary obwodu. Gdy wszystko jest na swoim miejscu, płyta i pozostałe elementy są rozgrzewane wcześniej wspomnianym gorącym powietrzem bądź tak zwanym promiennikiem podczerwieni. Później następuje chłodzenie obwodu, lut ulega zakrzepnięciu, złącza wystygają i proces się kończy. Nowoczesne stacje do lutowania, które wykorzystują gorące powietrze noszą nazwę hot air. Pompa wytwarza w nich strumień powietrza, który następnie jest podgrzewany do określonej temperatury. Nad wszystkim czuwa mikroprocesor, którego zadania to regulacja temperatury, przepływu powietrza oraz czasu pracy. By regulować strumień powietrza wedle własnego uznania używa się dysz.
Lutowanie bezołowiowe
Ten typ lutowania przeprowadza się przy pomocy stopu niezawierającego ołowiu. 1 lipca 2006 roku Unia Europejska wprowadziła ograniczenie użycia substancji niebezpiecznych, w tym na przykład właśnie ołowiu w stopach lutowniczych. Rozwój technologii wymusił zmianę w parametrach urządzeń lub ich kompletną wymianę w celu dostosowania do nowych wymagań. W technice bezołowiowej istnieją pewne przeszkody utrudniające cały proces takie jak:
- szansa na pojawienie się tak zwanej zarazy cynowej przy niskiej temperaturze,
- występowanie wąsów cynowych, które doprowadzają do zwarć i różnego rodzaju uszkodzeń,
- podwyższona temperatura rozpływu lutu.
Istnieje ryzyko powstawania kulek kapilarnych na opornikach i kondensatorach, które mogą mieć różne rozmiary w zależności od tego jak powstały. Przyczyny tego zjawiska to:
- gorące ześlizgnięcie,
- zbyt mała rozpływalność,
- zwilżalność topnika.
By nastąpił rozpływ w tym rodzaju lutowania potrzeba temperatury w granicach 215– 220°C. Ze względu na matową i ziarnistą powierzchnię lutu bezołowiowego trudno jest wykryć złe połączenie czy tak zwany zimny lut.
Lutowanie pod wpływem azotu
Ten rodzaj procesu polega na wprowadzeniu azotu tam, gdzie lutowie ulega stopieniu. W ten sposób poprawia się parametry połączenia. Lutowanie w atmosferze azotu stosuje się przy masowej produkcji, jak również przy ręcznej pracy.
Lutowanie miękkie
Ten typ lutowania odbywa się w temperaturze, która nie przekracza 450°C (zazwyczaj około 320). Polega na łączeniu metalu o niższej temperaturze topnienia niż temperatury metali, które są ze sobą łączone. Ta technika używana jest przy niewysokiej temperaturze pracy, czyli na przykład w układach elektronicznych, przewodach elektronicznych, blachach itd.
Najpopularniejszymi metalami stosowanymi przy lutowaniu miękkim są stal, mosiądz, cynk czy miedź. Miękkie lutowie topi się w temperaturze 183– 280°C. Można je spotkać pod postacią drutu, płytek, proszku czy pałeczek. W spoiwach najczęściej korzysta się ze stopów cyny, bizmutu, kadmu i antymonu. Topnik stosuje się, by obniżyć temperaturę topnienia lutowia, zatrzymuje jego utlenianie i usprawnia wniknięcie w trudno dostępne struktury metalu. Bardzo często topniki spotyka się w postaci różnego rodzaju płynów żrących, specjalnej pasty lub w postaci stałej.
Lutowanie twarde
Rodzaj lutowania odbywający się w temperaturze powyżej 450°C. Używa się przy jego wykonywaniu lutów twardych. Za pomocą lutowania twardego łączy się stale węglowe, wolframowe, molibdenowe czy niklowe. Ponadto stosuje się je przy złocie, srebrze czy miedzi. W procesie lutowania twardego wykorzystuje się palnik acetylenowo – tlenowy bądź też lampę lutowniczą. Można także lutować indukcyjnie za pomocą prądu elektrycznego czy też na ognisku kowalskim. Bardzo ważne jest, aby stosować właściwe topniki, które służą do rozpuszczania tlenków metalu, co ułatwia rozpuszczenie się lutu i jego dokładniejsze wniknięcie we wszystkie szczeliny. Dodatkowo zapobiegają one utlenieniu całego procesu.
Różnica między lutowaniem a spawaniem
Podczas procesu spawania oba metale topią się przez wytworzone ciepło. Jest to spowodowane utworzeniem się wiązania atomowego, które znacznie poprawia efekt połączenia. Lutowanie natomiast nie wytwarza tego rodzaju wiązania, przez co do połączenia elementów potrzebny jest trzeci metal, zwany właśnie lutem. Po spawaniu zostaje gruby i brzydko wyglądający szew, który trzeba później maskować. Lut natomiast zapewnia lepszy i mniej rzucający się w oczy efekt. Ponadto lutowanie wymaga mniej czasu niż spawanie, co zdecydowanie przemawia na jego korzyść.