IWE-IWPkursant szablon.p65

Podstawy lutowania twardego i miękkiego (mechanizm łączenia, napięcie
powierzchniowe, zwilżanie, zjawiska kapilarne)

Zgodnie z terminologią z zakresu lutowania wg normy ISO/CD 857-2 lutowanie

jest metodą łączenia (spajania), w której na skutek nagrzewania, roztopione spoiwo
(lut) wypełnia (wpływa i/lub pozostaje) przestrzeń pomiędzy  ściśle dopasowanymi
powierzchniami elementów łączonych, w wyniku oddziaływania sił kapilarnych.
Spoiwa (luty) - materiały dodatkowe (metale lub stopy metali) niezbędne do
wykonania połączeń lutowanych mają zawsze temperaturę likwidus niższą od
temperatury solidus materiałów podstawowych (materiałów  łączonych) oraz
odmienny skład chemiczny. Lutowanie jest zasadniczo stosowane do łączenia metali
lecz może być też stosowane do łączenia materiałów ceramicznych i węglowych. Ze
względu na temperaturę topnienia spoiw lutowanie dzieli się na: „miękkie” -
lutowanie przy użyciu spoiw o temperaturze likwidus 450

°C (723 K) lub niższej i

„twarde” - lutowanie przy użyciu spoiw o temperaturze likwidus powyżej 450

°C

(723 K). Spotyka się również jako wydzielone w tej klasyfikacji twarde lutowanie
wysokotemperaturowe z użyciem spoiw o temperaturach topnienia wyższych od
1000

°C (1223K).

Podstawowe zjawiska fizyczne i chemiczne występujące podczas lutowania to:
redukcja chemiczna lub dysocjacja tlenków, topienie (spoiwa), zjawiska kapilarne
(zwilżanie, rozpływność, wnikanie spoiwa w kapilarne szczeliny lutownicze), dyfuzja i
rozpuszczanie się składników oraz krystalizacja lutowiny.
Zjawiska te można pogrupować w trzech następujących po sobie etapach,
składających się na cykl powstawania połączenia lutowanego:

íaktywowanie powierzchni łączonych materiałów oraz stopionego spoiwa;

íoddziaływanie na granicy faz: stopione spoiwo – materiał łączony;

íkrystalizacja lutowiny.

Pierwszy z powyższych etapów tworzenia się połączenia lutowanego obejmuje:

− redukcję chemiczną lub dysocjację termiczną niemetalicznych warstw

absorpcyjnych (związanych siłami Van der Waalsa) lub chemisorpcyjnych,
głównie typu tlenkowego (o wiązaniach jonowych), istniejących na powierzchni
materiału łączonego i stopionego spoiwa jako, efekt oddziaływania atmosfery
otoczenia;

ízapewnienie w strefie łączenia, atomom spoiwa i materiału łączonego,

wymaganego poziomu energii aktywacji.

Stan aktywacji w procesach lutowania jest osiągany przez nagrzewanie
elementów łączonych i spoiwa do wymaganej temperatury lutowania, na ogół
wyższej od temperatury topnienia spoiwa o ok. 30

÷ 50 °C, która zapewnia atomom

materiałów  łączonych i lutu wymagany poziom energii aktywacji do wzajemnego
oddziaływania. W tej temperaturze spoiwo ulega stopieniu w obecności odpowiednio
aktywnego topnika lutowniczego lub atmosfery kontrolowanej o chemicznym
oddziaływaniu odtleniającym (atmosfery redukujące), czy też atmosfer neutralnych
chemicznie i próżni, sprzyjających dysocjacji termicznej tlenków. Odtlenione
powierzchnie  łączonych materiałów i stopionego spoiwa powinny być chronione
przez działanie topnika lub atmosfery kontrolowanej przed ponownym utlenieniem w
trakcie całego procesu lutowania. Należy przy tym wspomnieć,  że istnieją również
tzw. spoiwa samozwilżające, które nie wymagają stosowania topnika ani atmosfer
kontrolowanych podczas lutowania. Zawierają one w swoim składzie pierwiastki
redukujące skutecznie tlenki niektórych materiałów łączonych.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 1

Po usunięciu niezwilżalnych przez luty tlenkowych warstw niemetalicznych, gdy
atomy spoiwa i materiałów łączonych osiągną w procesie lutowania wymagany
poziom energii aktywacji, następuje zwilżenie spoiwem powierzchni łączonych
materiałów. Proces ten jest uwarunkowany bądź to absorpcją fizyczną i dyfuzją
powierzchniową, bądź też chemisorpcją (adsorpcją chemiczną). Konsekwencją
zwilżenia powierzchni materiałów łączonych przez ciekłe spoiwo jest rozpływanie się
spoiwa i jego wnikanie do kapilarnej szczeliny złącza. Z II prawa teorii kapilarności,
wyrażonego równaniem Younga-Dupree wynika, że rozpływanie cieczy po zwilżonej
powierzchni ciała stałego jest ściśle związane z rozkładem sił napięcia
powierzchniowego na granicy kontaktujących się faz. Schematyczny rozkład napięć
powierzchniowych układających się w jednej płaszczyźnie, dla niewielkiej
objętościowo kropli lutu zwilżającego materiał podstawowy, przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Rozkład sił napięć powierzchniowych w układzie fazowym: materiał
podstawowy (M); ciekły lut (L); ośrodek zewnętrzny (T) tj. topnik lub atmosfera.

Warunek zwilżalności (rozpływności) dla powyższego przypadku można przedstawić
w następujący sposób:

( ) (

)

−

cos

gdzie:

;

– siły napięć powierzchniowych na granicach międzyfazowych (indeksy:

M, L, T odnoszą się się do poszczególnych faz – rys. 12.2);

(t)

– czasowy kąt zwilżenia;

(t)<

, gdzie

- kąt zwilżenia w warunkach równowagi;

– współczynnik chropowatości powierzchni (k=1,0

÷1,2 dla ciał stałych).

Według przedstawionej zależności, rozpływność lutu na materiale
podstawowym jest uwarunkowana jego napięciem powierzchniowym w warunkach
zwilżania oraz kątem zwilżenia, stanowiącym często bezpośrednią miarę
zwilżalności. Z chemii fizycznej wiadomo również, że zwilżenie i w konsekwencji
rozpływanie się cieczy na stałym podłożu ma miejsce tylko wtedy, gdy siły adhezji
pomiędzy atomami cieczy i materiału podłoża są wyższe od sił kohezji między
atomami tej cieczy. Rozpływność lutu zależy również od struktury powierzchni
materiału lutowanego. Chropowata powierzchnia stanowi dla ciekłego lutu sieć
kanalików kapilarnych, poszerzając zasięg jego rozpościerania się. Bezpośrednią
miarę rozpływności, a pośrednio zwilżalności, stosowaną najczęściej w praktyce,
stanowi planimetrowana powierzchnia rozpłynięcia się lutu na materiale

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 2

podstawowym lub grubość jego warstwy po rozpłynięciu oraz utworzone w oparciu o
te wielkości odpowiednie współczynniki.
Podobnie jak rozpływność także i wnikanie lutu do szczeliny kapilarnej złącza
jest ściśle związane z jego napięciem powierzchniowym w warunkach procesu. Dla
szczelin lutowniczych pionowych, po odpowiednich przekształceniach równania
Younga-Laplace’a (I prawo kapilarności), a dla poziomych, po dodatkowym
uwzględnieniu równania lepkości Newtona oraz uznaniu wpływania lutu za przepływ
Poisseille’a (przepływ ustalony, laminarny płynu nieściśliwego), można wyznaczyć
wysokość (h) i głębokość (x) wpływania lutu. Zależności te dla płaskich szczelin
lutowniczych o równoległych ściankach (rys. 2), przedstawiają się następująco:
- dla szczelin pionowych

agd

cos

- dla szczelin poziomych

(

)

[

]

cos

gdzie:
a

– szerokość szczeliny;

– napięcie powierzchniowe lutu na granicy z ośrodkiem zewnętrznym (topnik,

atmosfera);

- kąt zwilżenia;

- lepkość lutu w warunkach badania;

– gęstość lutu w warunkach badania

– przyspieszenie grawitacyjne

Rys. 2. Wpływanie lutu w płaskie szczeliny kapilarne złączy:

a) pionowe; b) poziome.

Jak wynika z powyższych zależności na wysokość (h) i głębokość (x) wnikania
kapilarnego spoiwa oprócz napięcia powierzchniowego wpływają: jego lepkość
i gęstość, a także kąt zwilżenia ścianek szczeliny oraz szerokość szczeliny. Należy
podkreślić, że zależności te dotyczą układów nie reagujących lub słabo reagujących
ze sobą i w praktycznych przypadkach lutowania mogą być stosowane

w odpowiednim przybliżeniu.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 3

Należy przy tym podkreślić, że najbardziej prawidłowy i najczęściej stosowany

typ złącza w konstrukcjach lutowanych stanowi złącze zakładkowe. Pozwala ono,
przez dobór odpowiedniej wielkości zakładki, na uzyskanie wysokiej wytrzymałości
połączenia, a także takich jego własności, jak: szczelność, przewodność elektryczna i
cieplna itp.

Ważnym parametrem istotnie wpływającym na wnikanie kapilarne lutu do

zakładki złączy a także na jakość i własności mechaniczne połączeń lutowanych, jak
wykazano powyżej, jest wielkość szczeliny lutowniczej w temperaturze lutowania. W
praktyce częściej operuje się jako parametrem szczeliną montażową tj. szczeliną w
temperaturze pokojowej pomiędzy elementami podlegającymi lutowaniu (pasowanie).
Jeżeli elementy lutowane charakteryzują się zróżnicowaną rozszerzalnością cieplną,
wielkość szczeliny musi uwzględniać poprawkę wynikającą z tych właściwości. W
przypadku lutowania z użyciem topników lutami cynowymi, cynowo-ołowiowymi,
cynkowymi, aluminiowymi, srebrnymi, mosiężnymi, złotymi, zalecane wielkości
szczelin lutowniczych wynoszą 0,05

÷0,3 mm. Natomiast w przypadku lutowania

beztopnikowego lutami samozwilżającymi (miedziano-fosforowymi) lub lutowania w
atmosferach kontrolowanych i próżni lutami: miedzianymi, srebrnymi i niklowymi,
wielkości zalecanych szczelin wynoszą 0,01

÷0,05 mm. Drugim ważnym parametrem

konstrukcyjnym połączeń lutowanych jest wielkość zakładki, decydująca o
wytrzymałości połączenia (powinna zabezpieczać rozerwanie w materiale
podstawowym) a także o jakości i takich jego własnościach. W praktyce wielkość
zakładki złącza lutowanego można obliczyć lub przyjąć jako 3

÷5 wielokrotności

grubości cieńszego elementu łączonego.

Oprócz zwilżenia, które jest podstawowym warunkiem rozpływania się spoiwa

po materiale łączonym i wnikania kapilarnego do szczeliny złącza, w tworzącej się
lutowinie rozwijają się zwykle pomiędzy składnikami obydwu faz procesy dyfuzji
(dyfuzja atomowa lub reakcyjna) oraz rozpuszczania. Zjawiska te przebiegają zwykle
jednocześnie i trudne jest ich rozgraniczenie dlatego niekiedy są one przedstawiane
w literaturze specjalistycznej są pod wspólną nazwą: „roztwarzanie” lub „migracja”.

Fizykalne podstawy transportu masy w procesach dyfuzyjnych podczas

lutowania są przedstawiane przez szczegółowe rozwiązania równań opisujących
prawa Fick’a, wyprowadzonych w oparciu o gradient stężeń dyfundujących
składników oraz gradient ich potencjałów chemicznych. Towarzyszący dyfuzji proces
rozpuszczania się materiału łączonego lub jego składników w ciekłym lucie
występuje zwykle w warunkach dynamicznych, podczas wypełniania lutem szczeliny
złącza. Kinetykę tego typu procesów można w przybliżeniu opisać szczegółowymi
rozwiązaniami równania Nernsta – Šukariewa.
Wynikiem oddziaływania dyfuzyjno-rozpuszczeniowego w procesie lutowania
jest powstawanie w lutowinie roztworów o ograniczonej i stałej rozpuszczalności,
mieszanin eutektycznych oraz faz międzymetalicznych.

Ostatni etap tworzenia połączenia lutowanego to krystalizacja lutowiny.

Lutowina jest definiowana jako część połączenia lutowanego obejmująca stopiwo
lutownicze (powstałe ze stopionego spoiwa) oraz strefy dyfuzyjne. Na przebieg
procesu jej krzepnięcia wpływają charakterystyczne przy lutowaniu warunki takie jak:
istnienie cienkiej warstewki kąpieli lutu w szczelinie kapilarnej złącza oraz
kierunkowe, intensywne i czasami nierównomierne odprowadzenie ciepła przez
ścianki szczeliny, a także brak nadmiernego przegrzania kąpieli (temperatura kąpieli
jest bliska temperaturze jej krzepnięcia). Dlatego też w wielu przypadkach lutowiny
charakteryzują się strukturami niejednorodnymi lub odległymi od stanu równowagi
(np. roztwory stałe przesycone). Mogą one zatem podlegać czasowym procesom

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 4

starzenia w trakcie eksploatacji połączeń, co może z kolei powodować zmiany ich
własności mechanicznych.
Na rys 3 przedstawiono budowę strefową złącza lutowanego, uzyskanego w procesie

lutowania dyfuzyjno - rozpuszczeniowego.

Rys.3. Budowa strefowa złącza lutowanego uzyskanego w procesie lutowania
dyfuzyjno-rozpuszczeniowego: I – część lub zespół lutowany, II – materiał
podstawowy, III – złącze lutowane, IV – strefa wpływu ciepła, V – lutowina, VI – strefa
dyfuzji/przejściowa, VII – strefa stopiwa lutowniczego; (1 – materiał podstawowy, 2 –
materiał podstawowy poddany wpływowi procesu lutowania, 3 – faza
dyfuzyjna/przejściowa, 4 – stopiwo lutownicze)

Przegląd metod lutowania twardego i miękkiego, urządzenia, zakres
zastosowania

Oprócz podziału na miękkie i twarde, z uwagi na metalurgię procesu lutowanie dzieli
się na: topnikowe (z użyciem topników lutowniczych) i beztopnikowe, obejmujące
lutowanie w atmosferach kontrolowanych i próżni, lutowanie spoiwami
samozwilżającymi, zawierającymi skuteczne odtleniacze i lutowanie z mechanicznym
usuwaniem tlenków z łączonych materiałów (przez pocieranie lub z użyciem fal
ultradźwiękowych). Osobno klasyfikowane są: lutowanie reakcyjne i dyfuzyjne.

Lutowanie reakcyjne, zwane też chemicznym, jest stosowaną przede

wszystkim do łączenia aluminium odmianą miękkiego lutowania topnikowego, w
którym spoiwo cynowo-cynkowe powstaje w trakcie podgrzewania (najczęściej
płomieniowego) w wyniku reakcji aluminium z chlorkami cyny i cynku, zawartymi w
specjalistycznym topniku. Metoda ta znalazła również zastosowanie do cynowania
stali i tytanu. Jest jednak ona bardzo rzadko stosowana z uwagi na uciążliwość
wykonania oraz stosunkowo niską jakość połączeń (wtrącenia topnikowe).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 5

Lutowanie dyfuzyjne jest metodą lutowania, w której proces dyfuzji decyduje

o składzie chemicznym i własnościach fizycznych lutowiny, powstałej przy użyciu lutu
dozowanego z zewnątrz lub wytworzonego w postaci niżej topliwej fazy w wyniku
dyfuzyjnego oddziaływania na styku łączonych elementów. Ten drugi sposób
lutowania dyfuzyjnego jest możliwy tylko dla materiałów tworzących ze sobą
mieszaniny eutektyczne lub roztwory stałe z minimum. Warunki powyższe można
również zapewnić, stosując odpowiednie pokrycia na materiałach łączonych.
Lutowanie dyfuzyjne dzieli się na lutowanie nisko- i wysokotemperaturowe.
Niskotemperaturowe lutowanie dyfuzyjne (ang. diffusion soldering) jest stosowane
głównie w elektronice i elektrotechnice dla układów: srebra, miedzi, niklu, złota z
cyną, indem, bizmutem, galem, a także aluminium z niklem. Temperatury lutowania
mieszczą się w zakresie 200

÷700 °C. Proces lutowania, prowadzony w piecach z

atmosferami kontrolowanymi, polega na stopieniu lutu lub wytworzeniu w wyniku
dyfuzji niskotopliwej fazy ciekłej w złączu, a następnie wytrzymaniu jej w
temperaturze lutowania aż do wystąpienia zjawiska krzepnięcia izotermicznego i
wymaganego wzrostu tworzących się faz międzymetalicznych. Fazy te
charakteryzują się znacznie wyższymi temperaturami topnienia niż temperatura
procesu, a więc uzyskane złącza wykazują dobrą odporność termiczną i własności
mechaniczne. Szerokość uzyskanych tak lutowin nie przekracza kilku mikrometrów.
Wysokotemperaturowe lutowanie dyfuzyjne (ang. diffusion brazing), zwane również
spajaniem TLP (ang. transient liquid phase bonding – spajanie z przejściową fazą
ciekłą), przebiega w temperaturach wyższych od 700

÷800 °C. Przebieg procesu,

prowadzonego również w czystych atmosferach kontrolowanych (najczęściej
wodorowej, neutralnych chemicznie lub próżni), obejmuje: topienie lutu lub jego
dyfuzyjno-rozpuszczeniowe powstawanie na styku elementów łączonych,
izotermiczną krystalizację lutowiny oraz jej homogenizację, niekiedy wręcz do
pełnego ujednorodnienia z materiałem  łączonym. W tych przypadkach własności
eksploatacyjne złączy (wytrzymałość, odporność na korozję,  żarowytrzymałość) są
zbliżone do własności materiałów  łączonych. Lutowanie dyfuzyjne jest stale
doskonaloną metodą  łączenia i doczekało się już kilku odmian np. lutowanie z
gradientem temperatury, lutowanie z izostatycznym dociskiem itp. Metoda ta jest
stosowana przede wszystkim do łączenia: stali i stopów żarowytrzymałych
(nadstopów) drobnokrystalicznych, monokrystalicznych i umacnianych wydzieleniowo
(ODS), faz międzymetalicznych (typu Ti-Al, Ni-Al, Ni-Al-Hf), kompozytów na osnowie
metali, metali wysokotopliwych (W, Nb, Mo) oraz reaktywnych (Ti, Zr, Be) i ich
stopów, stopów aluminium, miedzi, a także materiałów węglowych i kompozytów na
ich osnowie.
W  zależności od metod nagrzewanie złączy i stosowanych do tego celu
urządzeń rozróżnia się metody lutowania omówione poniżej.
Lutowanie lutownicą - jest to najbardziej rozpowszechniona w praktyce metoda
lutowania miękkiego. Narzędziami stosowanymi w tej metodzie są ręczne lutownice
elektryczne i gazowe lub kolby lutownicze pozbawione własnych źródeł ciepła, które
zapewniają nagrzewanie łączonych elementów i lutu przez przewodność cieplną, za
pomocą tzw. grotu, do temperatur nie przekraczających 350

°C. Grot lutownicy

pobielony uprzednio lutem służy również do dozowania lutu. Zastosowanie tej
metody to lutowanie obwodów elektrycznych i elektronicznych, a także prace
blacharskie. Odmianą tej metody jest zmechanizowane lutowanie z użyciem płyt i
mat grzewczych w produkcji seryjnej drobnych elementów.
Lutowanie płomieniowe (gazowe) - źródłem ciepła przy tej popularnej metodzie
lutowania, zarówno miękkiego jak i twardego, jest płomień gazowy, wytwarzany za

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 6

pomocą odpowiednich palników, najczęściej:tlenowo-acetylenowych,tlenowo-
propanowych,powietrzno-acetylenowych, a także zasilanych sprężonym powietrzem
i gazem koksowniczym, ziemnym lub mieszanką propan-butan. Dobór
odpowiedniego palnika do lutowania zależy od wielu czynników, takich jak: rodzaj
materiału  łączonych elementów, ich wymiary gabarytowe, rodzaj lutu, wymagane
własności połączeń itp. Jest to metoda o bardzo uniwersalnym zastosowaniu w wielu
dziedzinach techniki i gospodarki.
W produkcji wielkoseryjnej i masowej są stosowane często specjalne
wielostanowiskowe urządzenia z podajnikami: taśmowymi, karuzelowymi lub
wózkowymi, wyposażone w stacjonarne palniki lutownicze.
Lutowanie piecowe -   jest to najstarsza, wywodząca się z kowalstwa metoda
lutowania miękkiego i twardego, zapewniająca w nowoczesnym wykonaniu:
równomierne nagrzanie części z dokładną kontrolą temperatury, wysoką jakość
połączeń oraz łatwą mechanizację procesu i znaczną jego wydajność. Lutowanie
piecowe jest stosowane do łączenia bardziej złożonych konstrukcji i części
wrażliwych na odkształcenia termiczne. Lutowanie w klasycznych piecach do obróbki
cieplnej z użyciem topników lutowniczych jest obecnie ograniczone do procesów
lutowania miękkiego w produkcji seryjnej. Procesy lutowania twardego prowadzi się
natomiast beztopnikowo w specjalistycznych komorowych i przepustowych piecach z
atmosferami aktywnymi chemicznie – redukującymi, neutralnymi chemicznie lub w
specjalistycznych piecach próżniowych. W niektórych przypadkach lutowania w
atmosferach redukujących i neutralnych chemicznie stosuje się jedynie wspomaganie
topnikowe. Metoda ta jest niezastąpiona w przypadku lutowania twardego materiałów
o dużej skłonności do utleniania, materiałów zaawansowanych, a także do
wykonywania złączy o bardzo wysokich wymaganiach eksploatacyjnych.
Lutowanie indukcyjne - nagrzewanie lutowanych (lutowanie twarde i miękkie) tą
metodą  złączy, polega na indukowaniu w szybkozmiennym polu magnetycznym
prądów wirowych (prądów Foucaulta), których przepływ w strefie powierzchniowej
elementów łączonych zgodnie z prawem Joule’a jest źródłem ciepła. Urządzenia do
lutowania indukcyjnego stanowią generatory prądów o średniej i wysokiej
częstotliwości, wyposażone w cewki grzejne (induktory, wzbudniki). Do nagrzewania
wskrośnego masywnych elementów zaleca się stosować  średnią częstotliwość (do
100 kHz) prądu, dla elementów cienkościennych częstotliwość wysoką (do 1 MHz).
Kształt induktora powinien być odpowiednio dostosowany do postaci konstrukcyjnej
połączenia. Proces nagrzewania metali lub stopów ferromagnetycznych dodatkowo
intensyfikuje zjawisko tzw. histerezy magnetycznej, dlatego też sprawność ich
nagrzewania jest szczególnie wysoka. Podstawowe zalety lutowania indukcyjnego to
miejscowe i szybkie (do kilkunastu sekund) nagrzewanie, co gwarantuje wysoką
wydajność procesu oraz zmniejsza możliwość utlenienia się  łączonych części.
Mechanizacja lub automatyzacja procesu lutowania jest stosunkowo łatwa. Proces
można prowadzić również w atmosferach neutralnych chemicznie i niskiej próżni.
Zastosowanie tej metody to łączenie spieków narzędziowych, końcówek giętkich
przewodów instalacyjnych, obrotowych części maszyn itp.
Lutowanie kąpielowe - źródłem ciepła jest metaliczna kąpiel stopionego spoiwa
(lutowanie miękkie) lub stopionych soli topnikowych (lutowanie twarde), w której
zanurza się  łączone elementy. Oba rodzaje kąpieli poza nagrzewaniem lutowanych
elementów spełniają dla nich dodatkowo rolę ochronną przed utleniającym
działaniem atmosfery. Kąpiel metaliczna stanowi ponadto źródło lutu, natomiast
kąpiel solna spełnia zwykle zadania klasycznego topnika lutowniczego lub atmosfery
redukującej. Lutowanie kąpielowe należy do wysoko wydajnych metod lutowania.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 7

Największe zastosowanie znajduje obecnie lutowanie miękkie w kąpielach lutów w
elektronice przedstawione bliżej w dalszej części rozdziału.
Lutowanie rezystancyjne, lutozgrzewanie - jest to metoda lutowania miękkiego i
twardego, w której niezbędne ciepło jest uzyskiwane przez przepływ prądu
elektrycznego między łączonymi elementami lub przez przepływ prądu poprzez jeden
z tych elementów. Źródłem ciepła w powyższym procesie jest oporność elektryczna
(rezystancja) styku łączonych elementów lub samego elementu. Lutozgrzewanie jest
procesem lutowania rezystancyjnego lecz wyróżnia się istnieniem kontrolowanego
docisku (stanowi parametr procesu) elementów łączonych. Procesy lutowania
rezystancyjnego i lutozgrzewania mogą być prowadzone na zgrzewarkach:
oporowych, punktowych lub liniowych. Mogą być również stosowane do tego celu
odpowiednie, ręczne kleszcze lutownicze, wyposażone w grafitowe lub wykonane ze
spieków elektrody. Metodę  tę, zalecaną dla elementów o niewielkich gabarytach,
cechuje zlokalizowane i szybkie nagrzewanie złączy, łatwość regulacji temperatury i
czasu procesu. Znajduje ona zastosowanie przy produkcji narzędzi, maszyn
elektrycznych, w instalatorstwie itp.
Inne metody lutowania, związane z rzadziej stosowanymi w praktyce lutowniczej
źródłami ciepła, o skoncentrowanej energii to lutowanie twarde (lutospawanie)
rozogniskowaną  wiązką elektronów, miękkie i twarde lutowanie  światłem i
promieniowaniem podczerwonym  przy użyciu zogniskowanej energii lamp
łukowych oraz promienników podczerwieni, a także  lutowanie miękkie gorącym
gazem przy użyciu strumienia gazu neutralnego (N

, Ar) nagrzanym do odpowiedniej

temperatury.

Spoiwa i topniki do lutowania twardego i miękkiego, rodzaje, zastosowanie,
główna funkcja topników.

Spoiwa do lutowania (luty) jak już wspomniano w wstępie rozdziału dzielą się na
spoiwa do lutowania twardego (luty twarde) i miękkiego (luty miękkie). Spoiwa do
lutowania twardego charakteryzują się temperaturą topnienia (solidus) wyższą niż
450

°C, (najczęściej 600÷1200 °C), a spoiwa do lutowania miękkiego wykazują

temperaturę topnienia (likwidus) równą lub niższą niż 450

°C (najczęściej

100

÷350 °C). Własności mechaniczne, (wytrzymałość i twardość) lutów twardych są

znacznie wyższe niż lutów miękkich.

Zasady oznaczenia spoiw do lutowania i lutospawania określa norma PN-EN

ISO 3677, wg której pierwszą część oznaczenia stanowi litera „S” dla lutów miękkich
(od ang. Solder) i litera „B” dla lutów twardych (od ang. Braze), określająca rodzaj
(przeznaczenie) lutu. Druga część oznaczenia składa się dla lutów miękkich z
symboli chemicznych składników spoiwa i liczb, określających ich nominalną
zawartość. Spoiwa do lutowania twardego i lutospawania posiadają w oznaczeniu
symbole chemiczne składników i liczbę określającą zawartość składnika głównego, a
także trzecią część oznaczenia, określającą temperaturę solidus/likwidus w

°C.

Oprócz tego podstawowego systemu oznaczenia spoiw do lutowania, normy

przedmiotowe określają numery dla lutów miękkich (PN-EN ISO 9453) oraz kody
skrócone (klasy i numery) dla lutów twardych (PN-EN ISO 17672). Ponadto niektóre
luty twarde jako znormalizowane stopy różnych metali (np.: Al i Cu) mogą posiadać
trzeci rodzaj oznaczenia.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 8

Spoiwa do lutowania twardego

Spoiwa do lutowania twardego są przedmiotem normy PN-EN ISO

17672:2010, która ze względu na skład chemiczny, dzieli je na siedem,
następujących klas: Al – spoiwa aluminiowe i magnezowe, Ag – spoiwa srebrne, CuP
– spoiwa miedziano – fosforowe, Cu – spoiwa miedziane, Ni – spoiwa niklowe i
kobaltowe, Pd – spoiwa zawierające pallad, Au – spoiwa zawierające złoto.
Oznaczenia i nazwy powyższych klas spoiw bazują na symbolu chemicznym i nazwie
pierwiastka, stanowiącego osnowę lutu lub wywierającego zasadniczy wpływ na jego
właściwości.
Spoiwa aluminiowe (klasa Al) do lutowania twardego to stopy Al-Si (siluminy)
o zawartości 4

÷13 % krzemu i temperaturze topnienia 575÷630 °C. Luty o

zawartości 5 i 7 % Si stosuje się do lutowania twardego stopów aluminium o wyższej
temperaturze topnienia. Do lutowania aluminium i jego stopów o niższej
temperaturze topnienia jest najczęściej stosowane spoiwo B-Al88Si-574/585
zawierające 12 % krzemu (o składzie zbliżonym do eutektycznego - 11,6 % Si) lub B-
Al90Si-575/590, zawierające 10 % krzemu, a także spoiwo B-Al86SiCu-520/585 z
dodatkiem miedzi (4%), która obniża temperaturę solidus (do 520

°C) ale

równocześnie pogarsza plastyczność i odporność na korozję połączeń. Wyższą
odporność na korozję, dobrą wytrzymałość mechaniczną lecz również niewysoką
plastyczność połączeń lutowanych zapewniają spoiwa typu Al-Si-Zn (0,5

÷3 % Zn).

Spoiwa Al-Si z dodatkiem magnezu (1,0

÷2,0%) stosuje się natomiast do lutowania

aluminium i jego stopów w piecach próżniowych.
Spoiwo magnezowe typu Mg-Al-Zn-Mn (B-Mg88AlZnMn-443/599) jest
przeznaczone tylko do lutowania płomieniowego lub piecowego magnezu
(temperatura topnienia 650

°C i niektórych jego stopów. Wymaga ono stosowania

odpowiednio aktywnego topnika lutowniczego.
Spoiwa srebrne (klasa Ag) należą do najbardziej uniwersalnych spoiw do
lutowania twardego. Można nimi lutować większość metali i stopów konstrukcyjnych
z wyjątkiem metali i stopów lekkich (Al, Mg). Ich jedynym „mankamentem” jest
stosunkowo wysoka cena. Luty srebrne w PN-EN ISO 17672 ze względu na skład
chemiczny spoiw podzielono na cztery serie stopów: Ag-Cu-Zn-Sn, Ag-Cu-Zn,
Ag-Cu-Zn-Cd, Ag-Cu-Zn-Ni-Mn. Pierwsza seria obejmuje stopy typu Ag-Cu-Zn-Sn,
które charakteryzują się stosunkowo niskimi temperaturami topnienia. Stanowią one
proekologiczną alternatywę, dla równie niskotopliwych lutów srebrnych zawierających
kadm (metal ten zastąpiono cyną). Spoiwa srebrne drugiej serii stanowią stopy typu
Ag-Cu-Zn o zróżnicowanej zawartości srebra (4

÷73 %), niekiedy z dodatkiem krzemu

(odtleniacz). Najbardziej popularnym spoiwem tej grupy jest lut B-Ag45CuZn-
665/735, zawierający nominalnie 45 % srebra, charakteryzujący się dobrą
zwilżalnością stopów miedzi i stali wysokostopowych (przy użyciu odpowiednich
topników). Wśród tych stopów jest lut B-Ag72Cu-780, będący stopem eutektycznym
typu Ag-Cu. Jest on bardzo często stosowany do lutowania w piecach próżniowych
stali wysokostopowych, metali reaktywnych itp., w tym także elementów pracujących
w próżni. Z tego względu mogą być dla niego wymagane niższe granice
zanieczyszczeń pierwiastkami o niskiej temperaturze wrzenia. Norma PN-EN ISO
17672 dla spoiw o specjalnych zastosowaniach próżniowych określa wielkość
dopuszczalnych zanieczyszczeń tymi pierwiastkami Trzecią serię lutów srebrnych
tworzą stopy typu Ag-Cu-Zn-Cd, które wyróżniają się najniższymi temperaturami
topnienia (solidus ok. 600

°C) spośród wszystkich spoiw do lutowania twardego. Przy

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 9

stosowaniu tych lutów należy jednak zwrócić szczególną uwagę na zapewnienie
bezpiecznych warunków pracy, uwzględniających zagrożenia szkodliwymi,
kancerogennymi parami kadmu. W niektórych krajach z tego względu stosowanie
tych spoiw jest ograniczane lub zabronione odpowiednimi przepisami. Czwartą serię
spoiw srebrnych tworzą trzy stopy typu Ag-Cu-Zn-Ni-Mn, przeznaczone do lutowania
płytek z węglików spiekanych do korpusów narzędzi. Są wśród nich także spoiwa
typu Ag-Cu-Zn-Ni i Ag-Cu-Ni. Do serii tej zaliczono ponadto spoiwo dwuskładnikowe
typu Ag-Mn (B-Ag85Mn-960/970) stosowane się do lutowania stali wysokostopowych
w piecach z atmosferą ochronną oraz spoiwo typu Ag-Cu-Sn-Ni (B-Ag63CuSn-
690/800) zalecane do lutowania piecowego w atmosferach ochronnych stali
nierdzewnych oraz stopów niklu i żelaza utwardzanych wydzieleniowo.
Spoiwa miedziano - fosforowe (klasa CuP) są szczególnie korzystne do
lutowania miedzi, gdyż nie wymagają stosowania topników ze względu na silne
działanie odtleniające fosforu obecnego w spoiwie (spoiwa samozwilżajace). Do
lutowania tymi spoiwami mosiądzów i brązów konieczne jest jednak stosowanie
odpowiednich topników boranowych. Spoiw miedziano-fosforowych nie należy
stosować do lutowania stopów na osnowie żelaza oraz niklu, a także miedzionikli
(powyżej 10 % Ni), ze względu na tworzenie się kruchych faz międzymetalicznych
zawierających fosfor. Norma PN-EN ISO 17672 obejmuje trzy serie spoiw miedziano-
fosforowych: CuP – pięć spoiw zawierających 4,8

÷8,1 % P, Ag-CuP zawierającą 9

spoiw o zawartości 5,8

÷7,5 % P oraz 1,5÷19 % Ag oraz CuSn-Si-Sb zawierającą 3

niżej topliwe spoiwa jedno z dodatkiem Sn i Sb, drugie z dodatkiem Sn i trzecie z
dodatkiem Sb (temperatury lutowania 645

÷740°C). Cechą charakterystyczną

wszystkich tych spoiw jest możliwość lutowania miedzi i jej stopów poniżej
temperatury likwidus spoiwa. Zaletą lutów miedziano-fosforowych, zwłaszcza
bezsrebrowych, jest ich stosunkowo niska cena, w porównaniu ze spoiwami
srebrnymi o podobnych temperaturach topnienia, a wadą stosunkowo niskie
własności plastyczne.
Spoiwa miedziane (klasa Cu) ze względu na skład chemiczny dzielą się na 9
grup stopów (serie Cu-Cu

O, Cu, Cu-Ag, Cu-Ni, Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Si-Mn, Cu-Al, Cu-

Mn-Ni) o zróżnicowanych właściwościach i zastosowaniu. Seria spoiw Cu-Cu

O to

proszkowe luty miedziane o zawartości 86,5 i 99 % Cu (reszta Cu

O) a seria Cu

obejmuje czystą miedź (trzy gatunki o zróżnicowanej czystości i postaci).
Przeznaczone są one do lutowania stopów żelaza (wszystkich rodzajów stali) oraz
niklu i jego stopów (w tym miedzionikli) bez użycia topników w atmosferach
redukujących, neutralnych lub w próżni. Podobne przeznaczenie mają stopy serii Cu-
Ag (0,8

÷1,2%Ag) i Cu-Ni (2,5÷3,5 % Ni). Spoiwa te cechuje bardzo dobra zwilżalność

i zdolność do wypełniania nawet najmniejszych szczelin lutowniczych oraz
stosunkowo dobre własności wytrzymałościowe połączeń. Serię spoiw Cu-Sn
stanowią dwa brązy cynowe (ok. 6 i 12 % Sn) z małym dodatkiem fosforu (do 0,4 %).
Ich zaletą w porównaniu z miedzią jest niższa temperatura topnienia. Stosuje się je
do lutowania stali i żeliwa. Seria spoiw Cu-Zn to luty mosiężne, zawierające ok.
46

÷61 %Cu i Zn (reszta) oraz małe dodatki: krzemu, cyny, oraz dodatkowo

manganu, manganu i niklu oraz niklu, które polepszają ich własności lutownicze.
Spoiwa te stosuje się przede wszystkim do lutowania płomieniowego i indukcyjnego
stali niestopowych i niskostopowych oraz żeliwa. Zaletą tych spoiw jest stosunkowo
niska cena oraz dobre własności wytrzymałościowe. W skład tej serii spoiw wchodzą
też 3 luty będące mosiądzami niklowymi: jeden o dużej zawartości (9

÷11 %) niklu i 2

o mniejszej zawartości niklu i manganu a także 2 luty zawierające niewielkie ilości
manganu. Spoiwa te stosuje się głównie do lutowania płytek z węglików spiekanych

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 10

do trzonków różnych narzędzi. Spoiwa serii Cu-Si-Mn, Cu-Al przeznaczone są do
lutospawania łukowego (MIG/MAG, TIG) i laserowego blach stalowych , stalowych -
ocynkowanych i aluminiowanych. Spoiwa typu Cu-Mn-Ni zaleca się do wykonywania
w ochronnych atmosferach kontrolowanych połączeń stali nierdzewnych i
żarowytrzymałych.
Spoiwa niklowe (klasa Ni) obejmują 7 serii stopów na osnowie niklu o bardzo
zróżnicowanym składzie chemicznym, zalecanych do lutowania w atmosferach
ochronnych i próżni stali nierdzewnych i żarowytrzymałych, niklu i jego stopów
(nadstopów), stopów kobaltu itp. Spoiwa te są pogrupowane w następujący sposób:
Ni-Cr-B, Ni-Si-B, Ni-Cr-Si, Ni-W-Cr, Ni-P, Ni-Mn-Si-Cu, Ni-Cr-B-Si-Cu-Mo-Nb.
Stosunkowo najniższą temperaturę topnienia (800

÷950 °C) posiadają luty niklowe

zawierające fosfor typu Ni-P (11 % P - eutektyka) i Ni-Cr-P, odznaczające się wysoką
rozpływnością w atmosferach ochronnych o niezbyt wysokich parametrach
redukujących. Najszersze zastosowanie mają luty typu Ni-Cr-Si i Ni-Cr-B, które
zapewniają wysoką odporność korozyjną i wytrzymałość połączeń. Najwyższą
żarowytrzymałość połączeń zapewniają natomiast luty niklowe zawierające dodatek
wolframu, molibdenu i niobu, które stosuje się do lutowania stopów z kobaltem,
molibdenem i wolframem o wysokiej żarowytrzymałości.
Spoiwo kobaltowe typu Co-Ni-Si-W (zawiera również Cr,B,C) ze względu na
bardzo wysokie własności mechaniczne w wysokich temperaturach stosuje się do
lutowania twardego stopów kobaltu lub stopów żarowytrzymałych zawierających ten
metal.
Spoiwa z palladem (klasa Pd) tworzą grupy stopów o odmiennych składach
chemicznych. Pierwszą stanowią stopy typu Ag-Cu-Pd o stopniowanej zawartości
poszczególnych składników. Charakteryzują się one stosunkowo niską temperaturą
topnienia (800

÷950 °C) oraz wąskim zakresem topnienia. Druga seria stopów

obejmuje spoiwa dwuskładnikowe typu Pd-Ni, Cu-Pd, Pd-Co oraz Ag-Pd a także
spoiwa typu Ni-Mn-Pd i Ag-Pd-Mn o znacznie wyższych temperaturach topnienia.
Spoiwa te charakteryzują się bardzo dobrą zwilżalnością większości
zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych i pomimo wysokiej ceny są one często
stosowane w procesach lutowania próżniowego odpowiedzialnych elementów o
wymaganej wysokiej niezawodności eksploatacyjnej. Z tego względu przewiduje się
wytwarzanie tych spoiw o ograniczonej zawartości zanieczyszczeń dla specjalnych
zastosowań próżniowych.
Spoiwa zawierające złoto (klasa Au) obejmują stopy typu Au-Cu, Au-Ni, Au-
Pd, Au-Ni-Pd, Au-Cu-Ag, Au-Cu-Ni, które charakteryzują się wysokimi własnościami
lutowniczymi oraz eksploatacyjnymi, jak np. wysoka odporność na utlenianie w
różnych środowiskach gazowych oraz w podwyższonych temperaturach. Ze względu
na te właściwości, ale równocześnie bardzo wysoką cenę, spoiwa złote stosuje się w
specjalnych przypadkach np. w energetyce, lotnictwie i kosmonautyce, elektronice itp
Należy również podkreślić, że dla lotnictwa i kosmonautyki opracowano serię norm
(PN-EN 3917

÷ 4105) dotyczących niklowych i złotych spoiw do lutowania twardego.

Każda norma tej serii obejmuje tylko jeden rodzaj spoiwa, określając jego skład
chemiczny i temperaturę likwidus/solidus oraz postać i warunki wytwarzania.

Spoiwa do lutowania twardego są dostępne w postaci: prętów, drutów, folii,

kształtek (wytwarzanych z drutów lub folii) oraz proszku, past lutowniczych
(mieszaniny sproszkowanego spoiwa, topnika i środka wiążącego), prętów otulonych
topnikiem oraz z rdzeniem topnikowym, warstw platerowanych, a także taśm
trójwarstwowych z rdzeniem kompensującym naprężenia dla narzędzi zbrojonych
spiekami.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 11

Spoiwa do lutowania miękkiego

Spoiwa do lutowania miękkiego są przedmiotem normy PN-EN ISO 9453, która
dzieli je na stopy: cyna - ołów o temperaturze solidus 183

°C (nr 101÷104), ołów –

cyna o temperaturze solidus 183

°C (nr 111÷117), cyna - ołów o temperaturze solidus

pow. 183

°C (nr 121÷124), cyna – ołów – antymon (nr 131÷137), cyna – ołów –

bizmut (nr 141

÷142), cyna – ołów – kadm (nr 151), cyna – ołów – miedź (nr

161

÷162), cyna – ołów – srebro (nr 171), ołów – srebro (nr 181÷182), ołów – srebro –

cyna (nr 191), cyna – antymon (nr 201), bizmut – cyna (nr 301), cyna – miedź –
srebro (nr 501

÷503), ind – cyna (nr 601), cyna – ind – srebro – bizmut (nr 611÷612),

cyna – srebro (nr 701

÷704), cyna – srebro – miedź (nr 711÷714), cyna – srebro –

bizmut – miedź (nr 721), cyna – cynk (nr 801), cyna – cynk – bizmut (nr 811).

Pierwsze grupy lutów miękkich objętych ww. normą stanowią stopy cyny (Sn)

z ołowiem (Pb), zawierające (2

63) % Sn. Najlepsze własności lutownicze i

najniższą temperaturę topnienia (183

°C) ma lut Sn-Pb o składzie eutektycznym,

zawierający 63 %Sn. W pozostałych lutach Sn-Pb wraz z malejącą zawartością Sn
(w zakresie 60 do 20 %), przy stałej temperaturze solidus 183

°C, rośnie temperatura

likwidus zwiększając zakres krzepnięcia oraz stopniowo maleje zwilżalność
większości materiałów podstawowych. Luty Pb-Sn o najniższej zawartości cyny (2
÷15%), mają już znacznie wyższe temperatury lutowania (około i powyżej 300 °C).
Kolejną grupę spoiw do lutowania miękkiego stanowią stopy Sn-Pb zawierające
(20

60 %) cyny oraz dodatek antymonu (Sb). Antymon obniża wprawdzie

własności zwilżające lutów, zwłaszcza na miedzi, lecz równocześnie jako dodatek w
ilości około 7 % (tj. graniczna rozpuszczalność w cynie, powyżej której powstaje
krucha faza SnSb) wywiera korzystny wpływ na niektóre własności i trwałość
eksploatacyjną połączeń. Luty zawierające (0,5

÷3,0)% Sb mają nieco wyższą

twardość, wytrzymałość i odporność na pracę w podwyższonych temperaturach.
Ponadto obecność antymonu w spoiwie wyklucza wystąpienie zjawiska tzw. „zarazy
cynowej” (przemiana alotropowa cyny w temperaturze 13,2

°C na szary proszek).

Spoiwa te stosuje się zatem głównie do wykonywania połączeń pracujących w
obniżonych temperaturach np. w urządzeniach chłodniczych oraz do połączeń o
wymaganych wyższych własnościach mechanicznych i odporności termicznej, jak np.
wyrównywanie nierówności w wyrobach blaszanych przed lakierowaniem na gorąco.
Natomiast nie należy ich stosować do lutowania mosiądzów i blach ocynkowanych,
gdyż antymon tworzy z cynkiem kruchą fazę. Luty Sn-Pb-Sb zawierające mniejszy
dodatek antymonu (0,12

÷0,50% Sb) zaleca się stosować do lutowania elementów

mosiężnych i ocynkowanych, pracujących w obniżonych temperaturach. Przy tej
obniżonej zawartości antymonu nie powstaje jeszcze krucha faza z cynkiem, a
możliwość wystąpienia zarazy cynowej jest już ograniczona.

Pozostałe znormalizowane luty miękkie zawierające ołów to stopy:
• cynowo-ołowiowe z dodatkiem bizmutu, który nieco obniża temperaturę

topnienia spoiw i polepsza własności mechaniczne połączeń;

• cynowo-ołowiowe z dodatkiem miedzi, który ogranicza rozpuszczanie się

miedzianych grotów lutownic w roztopionym lucie, zwiększając tym samym ich
żywotność;

• cynowo-ołowiowe z dodatkiem srebra przeznaczone do lutowania

elementów srebrzonych w elektronice (ograniczone rozpuszczanie się powłoki
srebrnej w roztopionym lucie);

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 12

• cynowo – ołowiowo – kadmowe o niskiej topliwości (145 °C) do lutowania

elementów ceramicznych i wrażliwych na podgrzanie do wyższych
temperatur:

• na osnowie ołowiu z dodatkiem srebra oraz srebra i cyny, zapewniające

stosunkowo dobre własności wytrzymałościowe połączeń oraz odporność na
podwyższone temperatury (do ok. 200

°C).

Ważnym zagadnieniem w świetle obowiązującej w kraju od 01.07.2006

(Rozporządzenie MGiP z 06.10.2004) dyrektywy 2002/95/WE (RoHS), uchwalonej
przez Parlament Europejski w sprawie zakazu stosowania w urządzeniach
elektrycznych i elektronicznych m in. ołowiu, pozostaje obecność tego toksycznego
pierwiastka chemicznego w większości najczęściej stosowanych lutów miękkich.
Pierwiastek ten stwarza duże zagrożenie dla zdrowia, zarówno w produkcji lutów jak
i podczas lutowania oraz znacznie utrudnia efektywną gospodarkę odpadami,
zagrażając  środowisku, ze względu na powszechność występowania lutowanych
spoiwami zawierającymi ołów (zużyte opakowania, sprzęt elektroniczny i
elektrotechniczny itp.). W wielu krajach są prowadzone badania materiałowe i
technologiczne nad „lutowaniem bezołowiowym”, zwłaszcza w elektronice.

W przedstawionej normie spoiwa pozbawione tego toksycznego metalu

(bezołowiowe) reprezentują:
- niskotopliwe stopy typu: bizmut - cyna (139

C) i cyna - ind (118

C),

przeznaczone do lutowania elementów wrażliwych na podgrzanie do wyższych
temperatur;
- dwuskładnikowe stopy na osnowie cyny z antymonem, miedzią, srebrem
lub cynkiem oraz wieloskładnikowe stopy cyny z dodatkiem miedzi i srebra;
indu, srebra i bizmutu; srebra, bizmutu i miedzi; cynku i bizmutu, o
temperaturze topnienia w większości przypadków zbliżonej i wyższej (190

÷380 °C)

od spoiw cynowo – ołowiowych, stosowane do lutowania elementów
nagrzewających się do ok. 100

°C podczas eksploatacji oraz wszędzie tam, gdzie są

niedopuszczalne spoiwa zawierające szkodliwy ołów.
Oprócz przedstawionych znormalizowanych spoiw w technice wykorzystuje
się jeszcze inne luty miękkie jak np. luty cynkowe stosowane do lutowania
aluminium, cynku i ich stopów, luty kadmowe do lutowania aluminium i miedzi oraz
ich stopów, luty bizmutowe i cynowe - bardzo niskotopliwe (poniżej 100

°C), do

specjalnych zastosowań.

Norma PN-EN ISO 9453 określa, że spoiwa do lutowania miękkiego powinny

być dostarczane w następujących postaciach: gąska, płyta, pałeczka, sztaba, pręt,
drut, tasma, granulki, kształtki, proszek, pasta/zawiesina, kulki. Luty w postaci pręta,
drutu, kształtek lub proszków mogą być także dostarczane z topnikiem integralnym.
Charakterystyczną postacią tego rodzaju lutów miękkich są druty z rdzeniem
topnikowym na bazie kalafonii stosowane powszechnie do lutowania lutownicami.
Druty takie mają jeden lub więcej rdzeni o różnorodnym kształcie i rozmieszczeniu na
przekroju poprzecznym.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 13

Topniki lutownicze

Topnik lutowniczy to substancja chemiczna, której zadaniem podczas lutowania
jest odtlenienie i ochrona powierzchni łączonych materiałów i spoiwa przed
ponownym utlenieniem podczas procesu lutowania i w efekcie zapewnienie
odpowiednio dobrego zwilżenia materiału podstawowego przez roztopione spoiwo,
niezbędnego do wypełnienia spoiwem szczeliny lutowniczej i uzyskania połączenia o
wymaganych własnościach i jakości. Ze względu na przeznaczenie topniki
lutownicze, podobnie jak spoiwa do lutowania, dzielą się na dwie podstawowe grupy
tj. topniki do lutowania twardego i topniki do lutowania miękkiego.

Topniki do lutowania twardego

Topniki  do  lutowania  twardego  dzielą się na topniki do lutowania twardego
metali ciężkich, takich jak: stale, miedź, nikiel i ich stopy, metale szlachetne,
molibden, wolfram itp. oraz topniki do lutowania twardego metali lekkich, tj. przede
wszystkim aluminium, magnezu i ich stopów.
W ten też sposób topniki do lutowania twardego klasyfikuje norma PN-EN 1045
(tabl. 1). Topniki do lutowania twardego metali ciężkich stanowią klasę FH, która
obejmuje siedem typów topników, a topniki do lutowania twardego metali lekkich
tworzą klasę FL, która składa się z dwóch typów topników.
Topniki do lutowania twardego mogą być dostarczane w postaci: proszku, pasty
lub cieczy, a także jako mieszanina lutu twardego z topnikiem, w postaci proszku lub
pasty. Ponadto coraz bardziej są popularne luty twarde w postaci prętów lub drutów z
integralnym topnikiem, który stanowi otulinę lub rdzeń.
Specyficzną odmianę topników do lutowania twardego metodą  płomieniową
stanowi tzw. topnik lotny, który jest cieczą, charakteryzującą się stosunkowo dużą
intensywnością parowania już w temperaturze otoczenia (stąd jego nazwa). Jest to
roztwór alkoholowy boranu trimetylu z dodatkiem stabilizatorów i aktywatorów.
Topnik ten jest dozowany do strefy lutowania w postaci par za pośrednictwem
zasilającego palnik gazowy gazu palnego (acetylen) i jego płomienia. Najcenniejszą
zaletą tego topnika jest czystość strefy lutowania, która tylko śladowo jest pokryta
łatwo usuwalnym nalotem (brak szkliwa charakterystycznego dla topników
klasycznych).

Topniki do lutowania miękkiego

Ze

względu na główny składnik (osnowa), topniki do lutowania miękkiego

dzielą się na trzy rodzaje: żywiczne, organiczne i nieorganiczne. Oprócz osnowy
topniki mogą jeszcze zawierać dodatki zwiększające aktywności topnika (aktywatory)
oraz inne składniki, celem uzyskania odpowiedniej postaci topnika. Klasyfikację
topników do lutowania miękkiego ze względu na ich główne składniki określa norma
PN-EN 29454-1 (tabl 2)
Osnowę topników żywicznych stanowi żywica naturalna (kalafonia) rzadziej
żywica syntetyczna. Podczas lutowania topnikiem kalafoniowym, zawarty w nim
kwas abietynowy reagując z tlenkami miedzi i niektórymi innymi metalami, tworzy sól
abietynową, która jest łatwa do usunięcia.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 14

Tablica 1
Klasyfikacja topników do lutowania twardego według PN-EN 1045

Klasa

topnika

Typ

topnika

Temperatura

aktywności [

°C]

Charakterystyczne

składniki topnika

Przeznaczenie

FH10

550

÷880

związki boru, proste fluorki

topniki ogólnego
przeznaczenia

FH11

550

÷800

związki boru, proste i złożone
fluorki, chlorki

lutowanie stopów
miedzi z aluminium

FH12

550

÷850

związki boru, wolny bor, proste i
złożone fluorki

lutowanie stali
nierdzewnych i innych
stali oraz metali
twardych

FH20

700

÷1000

związki boru, fluorki

topnik

ogólnego

przeznaczenia

FH21

750

÷1100

związki boru

topnik

ogólnego

przeznaczenia

FH30

550

÷880

związki boru, fosforany,
krzemiany

lutowanie spoiwami
miedzianymi i
niklowymi

FH40

> 1000

chlorki, fluorki

lutowanie gdzie nie
jest wskazana
obecność boru

FL10 >

550

higroskopijne fluorki, głównie
związki litu

FL20

> 550

niehigroskopijne fluorki

lutowanie aluminium i
jego stopów

– topniki do lutowania metali ciężkich

– topniki do lutowania metali lekkich

Resztki topnika, które nie brały udziału w reakcji z tlenkami, tworzą po
skrzepnięciu twardą, niekorozyjną, przeźroczystą powłokę odporną na wilgoć i o
dobrych własnościach elektroizolacyjnych. Dzięki tym własnościom topniki
kalafoniowe są szeroko stosowane w elektronice i elektrotechnice. Aktywność
kalafonii można zwiększyć stosując dodatki aktywatorów niehalogenkowych (kwasy
organiczne) lub halogenkowych (np. chlorki). Pozostałości topników kalafoniowych -
aktywowanych należy już jednak w wielu przypadkach usuwać ze złączy lutowanych
ze względu na zagrożenie korozyjne. Inne topniki organiczne oparte na kwasach
organicznych jak np.: mlekowy, salicylowy, oleinowy, stearynowy itp. są bardziej
aktywne niż topniki kalafoniowe, a ich pozostałości są łatwiej usuwalne niż topników
kalafoniowych.
Najwyższą aktywnością charakteryzują się topniki nieorganiczne, których
osnowę stanowią związki nieorganiczne jak sole, kwasy lub alkalia. Do
najpopularniejszych topników tej grupy należą topniki na osnowie chlorku cynku,
często z dodatkiem chlorku amonu, wytwarzane w postaci cieczy lub pasty. Topniki
nieorganiczne umożliwiają lutowanie miękkie większości metali i stopów. Ich
pozostałości są silnie korozyjne. Można je więc stosować tylko w takich przypadkach,
gdy jest możliwe dokładne przemycie elementów po lutowaniu, celem usunięcia
resztek topnika.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 15

Tablica 2
Klasyfikacja topników do lutowania miękkiego według ich głównych
składników wg PN-EN 29454-1
Rodzaj topnika

Osnowa

Aktywator

Postać

Kalafoniowa

Żywiczny

Niekalafoniowa
(żywiczna)

Ciekła A

Rozpuszczalna w wodzie

Organiczny

Nierozpuszczalna w wodzie

1 Bez aktywatora

2 Aktywator halogenkowy

3 Aktywator niehalogenkowy

Stała B

Sole

1 Z chlorkiem amonu
2 Bez chlorku amonu

Kwasy

1 Kwas fosforowy
2 Inne kwasy

Pasta C

Nieorganiczny

Alkalia

1 Aminy i/lub amoniak

Mogą być stosowane inne aktywatory

Topniki powinny być oznaczone zgodnie z ww. tabl., jak na przykład:
1.1.1B - topnik

żywiczny o osnowie kalafoniowej bez aktywatora, w postaci

stałej;

1.1.3A - topnik żywiczny o osnowie kalafoniowej z aktywatorem

niehalogenkowym, w postaci ciekłej;

3.1.1C - topnik

nieorganiczny na osnowie soli (np. chlorek cynku) z dodatkiem

chlorku amonu (aktywator), w postaci pasty.

Metody badań topników do lutowania miękkiego określa wieloczęściowa
norma PN-EN ISO 9455.

Materiały nadające się do lutowania, wymagania lutownicze

Zastosowanie lutowania obejmuje prawie wszystkie metale i stopy konstrukcyjne
(żelazo, stale, żeliwa, miedź i jej stopy, metale lekkie, metale wysokotopliwe, metale
reaktywne i ich stopy, cermetale) w układach jedno i różnoimiennych, a także
ceramikę inżynierską oraz materiały węglowe. Poniżej omówiono warunki lutowania
podstawowych metali i stopów konstrukcyjnych.

Żelazo i stale

Lutowanie jest szeroko stosowanym procesem spajania w produkcji wyrobów ze
stopów żelaza i stali. Lutowalność tych materiałów jest bardzo zróżnicowana,
zależnie od rodzaju tych stopów i ich składu chemicznego.

Do lutowania miękkiego (lutowanie płomieniowe, indukcyjne, oporowe,

kąpielowe oraz za pomocą lutownic) żelaza (np.: żelazo ARMCO) oraz stali
niestopowych i niskostopowych stosuje się spoiwa cynowo-ołowiowe oraz topniki
nieorganiczne.
Do lutowania twardego tych materiałów w powietrzu najczęściej stosuje się
spoiwa mosiężne (Cu-Zn), topniki na bazie związków boru (typ FH 21) oraz
nagrzewanie płomieniowe, indukcyjne lub oporowe. Stale niskostopowe zawierające
dodatki stopowe metali o bardziej twałych tlenkach (Cr, Mo, V itp.) wymagają

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 16

zastosowania lutów srebrnych serii Ag-Cu-Zn-Sn, Ag-Cu-Zn, Ag-Cu-Zn-Cd, zwykle o
niezbyt wysokiej zawartości srebra oraz topników boranowo-fluorkowych o
podwyższonej aktywności (typ FH 10 i FH 20). W produkcji wielkoseryjnej oraz dla
elementów o wymaganej wysokiej jakości połączeń coraz powszechniej stosuje się
lutowanie twarde tych stali w piecach z atmosferą kontrolowaną. Wówczas jako
spoiwa najczęściej znajdują zastosowanie luty miedziane serii Cu-Cu

O, Cu, Cu-Ag,

Cu-Ni, Cu-Sn, a niekiedy luty srebrne typu Ag-Cu i Ag-Cu-Ni lub spoiwa niklowe
(klasa Ni).
Stale niestopowe i niskostopowe podlegające obróbce cieplnej należy lutować w
temperaturze znacznie niższej lub wyższej od temperatury obróbki cieplnej, którą
przeprowadza się odpowiednio przed lub po lutowaniu.
Elementy ze stali niestopowych przeznaczone do lutowania są niekiedy
wcześniej ocynkowane albo wykonywane z blach i rur ocynkowanych. Do łączenia
ich stosuje się najczęściej lutowanie miękkie spoiwami na osnowie cyny bez
antymonu (tworzy z cynkiem kruche fazy międzymetaliczne) lub lutospawanie
gazowe i łukowe (MIG/MAG) zapewniające trwałość powłoki w strefie łączenia,
stanowiącej zwykle zabezpieczenie antykorozyjne oraz spełniającej funkcje
dekoracyjne lub inne.
Spośród wielu rodzajów stali wysokostopowych lutowaniu najczęściej
podlegają stale nierdzewne (PN-EN 10088-1). Lutowalność tych stali jest zróżni-
cowana zależnie od ich składu chemicznego i struktury, która może być:
austenityczna, ferrytyczna, martenzytyczna oraz ferrytyczno-austenityczna (stale
duplex). Są one znacznie trudniej lutowalne niż stale niestopowe i niskostopowe,
przede wszystkim ze względu na stosunkowo dużą zawartość chromu (bardzo trwałe
tlenki typu FeO-Cr

). Łatwiej zwilżalne przez luty są stale austenityczne, które

zawierają stosunkowo duży dodatek niklu.
Do lutowania miękkiego stali nierdzewnych stosuje się luty cynowo-ołowiowe,
najlepiej o składzie eutektycznym lub zbliżonym, oraz wysokoaktywne topniki
nieorganiczne na osnowie soli lub kwasów (typu 3.1.1 lub 3.2.1). Elementy z blach,
zwłaszcza cienkich, lutuje się lutownicami lub płomieniowo, a elementy o zwartych
kształtach lutuje się najczęściej płomieniowo lub indukcyjnie. Powierzchnie

podlegające lutowaniu należy odtłuścić i starannie oczyścić mechanicznie. Po
lutowaniu należy dokładnie usunąć wszelkie pozostałości agresywnego chemicznie
topnika.
Do lutowania twardego stali nierdzewnych w powietrzu zaleca się luty srebrne o
o zawartości ok. 45% Ag i stosunkowo niskich temperaturach topnienia (ok. 600

÷750

°C) serii: Ag-Cu-Zn-Sn, Ag-Cu-Zn, Ag-Cu-Zn-Cd oraz topniki fluorkowe o wysokiej
aktywności (klasa FH 10). Elementy ze stali nierdzewnej najczęściej lutuje się
metodą: płomieniową, indukcyjną lub oporową. Ważnym czynnikiem
technologicznym, decydującym o jakości połączeń, jest: duża czystość powierzchni
lutowanych, właściwe dozowanie topnika oraz kontrola temperatury nagrzewania.
Przegrzanie złączy powoduje tworzenie się bardzo trwałej warstewki tlenkowej,
niezwilżalnej przez lut srebrny, która uniemożliwia uzyskanie jakościowego
połączenia lutowanego.
Szeroko stosowanym procesem lutowania twardego stali nierdzewnych jest
lutowanie w piecach próżniowych oraz w piecach z atmosferą redukującą o wysokiej
czystości. Do lutowania stosuje się wówczas spoiwa: srebrne typu Ag-Cu, miedziane
serii Cu-Cu

O, Cu, Cu-Ni, niklowe i kobaltowe (klasa Ni i Co), a w przypadku

specjalnych wymagań także spoiwa zawierające pallad i złoto (klasa Pd i Au).
Dobierając: metodę nagrzewania, materiały dodatkowe oraz warunki lutowania stali

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 17

wysokostopowych, należy uwzględnić wymagane właściwości połączeń w
przewidywanych warunkach eksploatacyjnych oraz specyficzne właściwości
poszczególnych rodzajów tych stali. Elementy ze stali nierdzewnych często są
eksploatowane w podwyższonych temperaturach, co determinuje wybór spoiwa. Dla
temperatur pracy: do ok. 200

°C można stosować wszystkie luty srebrne, do około

350

°C – lut srebrny B-Ag72Cu-780, do ok. 450 °C – luty miedziane serii Cu, a do

ok. 550

°C – spoiwa typu Cu-Mn-Ni. Dla wyższych temperatur pracy należy

stosować odpowiednie stale żaroodporne i żarowytrzymałe oraz spoiwa niklowe,
kobaltowe, złote lub palladowe. Stale austenityczne wyróżniają się wysoką
rozszerzalnością cieplną i niską przewodnością cieplną, co należy uwzględnić przy
projektowaniu złączy i oprzyrządowania oraz wyborze metody lutowania i cyklu
nagrzewania. Ponadto mając na uwadze skłonność nierdzewnych stali ferrytycznych
i austenitycznych do korozji międzykrystalicznej, należy stosować możliwie krótkie
czasy nagrzewania. Elementy o większej masie, wymagające dłuższych cykli
lutowania, powinny być wykonywane z gatunków stali austenitycznej o minimalnej
zawartości węgla lub stabilizowanych tytanem albo niobem. Przy lutowaniu stali
austenitycznych istnieje zagrożenie wystąpienia korozji naprężeniowej, objawiające
się głęboką penetracją ciekłego lutu (zwłaszcza na osnowie miedzi) po granicach
ziaren austenitu co powoduje destrukcję złącza lutowanego. Dlatego też należy
wyżarzyć przed lutowaniem elementy wykonywane metodami przeróbki plastycznej
celem usunięcia naprężeń wewnętrznych, unikać oprzyrządowań wywołujących
naprężenia w strefie lutowania, stosować sposoby nagrzewania minimalizujące
wystąpienie naprężeń cieplnych w złączu oraz w razie potrzeby zastąpić luty
miedziane spoiwami srebrnymi. Przy lutowaniu stali wysokostopowych obrabianych
cieplnie, jak np. stale martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo, należy tak dobrać
rodzaj spoiwa i temperaturę lutowania, aby połączyć ten proces z hartowaniem stali.

Miedź i jej stopy

Miedź należy do najłatwiej lutowalnych metali, gdyż pokrywa się cienką i niezbyt
trwałą chemicznie warstewką tlenkową (CuO lub Cu

O). Pewną niedogodność

podczas lutowania miedzi stanowi jej wysoka przewodność cieplna (około 7

÷11-

krotnie wyższa niż stali) i wynikająca stąd potrzeba stosowania źródeł ciepła o
odpowiednio większej mocy cieplnej, zwłaszcza przy lutowaniu elementów o dużej
masie. Ponadto przy projektowaniu złączy należy uwzględniać dużą rozszerzalność
cieplną miedzi i skurcz, co jest szczególnie ważne przy złączach różnoimiennych, jak
np. miedź-stal niestopowa.
Do lutowania miękkiego miedzi można stosować niemal wszystkie luty miękkie
zależnie od wymaganych właściwości połączeń, metody lutowania i innych
uwarunkowań, także ekonomicznych. Powszechnie, a w elektronice i elektrotechnice
wyłącznie, miedź lutuje się przy użyciu topników żywicznych o osnowie kalafoniowej,
bez lub z aktywatorem, w zastosowaniach instalacyjnych i maszynowych natomiast z
użyciem topników kwasowych.
Lutowanie twarde miedzi można wykonywać przy użyciu szerokiej gamy spoiw:
miedziano-fosforowych (klasa CuP), srebrnych (klasa Ag) oraz niekiedy mosiężnych
(seria Cu-Zn). Do lutowania miedzi w powietrzu (najczęściej płomieniowego) lutami
miedziano-fosforowymi nie ma potrzeby stosowania topnika, a przy użyciu
pozostałych spoiw, topnik należy dobrać stosownie do temperatury lutu. Lutowanie
indukcyjne i oporowe miedzi jest nisko efektywne ze względu na wysoką
przewodność elektryczną i cieplną. Miedź można także lutować piecowo spoiwami

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 18

srebrnymi typu Ag-Cu, stosując wszystkie rodzaje atmosfer redukujących lub niezbyt
wysoką próżnię.
Mosiądze (stopy miedzi z cynkiem) lutuje się nieco trudniej niż czystą miedź ze
względu na występujący na ich powierzchni tlenek cynku (ZnO), który jest nieco
trwalszy niż tlenki miedzi. Pomimo tego mosiądze zalicza się do stopów dobrze
lutowalnych. Wyjątek stanowią mosiądze z dodatkiem ołowiu (polepsza
skrawalność), który znacznie pogarsza zwilżalność przy lutowaniu twardym,
zwłaszcza gdy jego zawartość przekracza 2,5%. Do lutowania miękkiego mosiądzów
można stosować niemalże wszystkie znormalizowane luty miękkie z wyjątkiem spoiw
Sn - Pb o zwiększonej (ponad 0,5%) zawartości antymonu (kruchość lutowin). W
elektrotechnice do lutowania mosiądzów stosuje się najczęściej topniki żywiczne lub
organiczne odpowiednio aktywowane, natomiast do lutowania wszelkich innych
elementów powszechnie stosuje się topniki nieorganiczne (typu 3.1.1.). Lutowanie
twarde mosiądzów wykonuje się najczęściej spoiwami miedziano-fosforowymi (klasa
CuP) lub spoiwami srebrnymi (klasa Ag). Przy użyciu lutów klasy CuP, w
przeciwieństwie do miedzi, należy stosować odpowiednie topniki (typu FH 10,
FH 20), podobnie jak przy lutach srebrnych. Ze względu na parowanie cynku,
mosiądzów nie lutuje się w piecach, a zwłaszcza w piecach próżniowych. Można
zastosować do ich lutowania wszystkie pozostałe metody.
Lutowalność brązów i miedzionikli jest zróżnicowana w zależności od rodzaju
stopu, czyli głównego składnika stopowego. Do łatwo lutowalnych zalicza się brązy
cynowe i miedzionikle, natomiast nieco trudniej lutowalne są brązy: krzemowe,
aluminiowe i berylowe, ze względu na wysoką trwałość tlenków tych składników.
Elementy z brązów kształtowane na zimno są podatne na wystąpienie korozji
naprężeniowej pod wpływem ciekłego spoiwa. Należy je więc przed lutowaniem
wyżarzać odprężająco albo stosować powolne nagrzewanie do temperatury
lutowania. Lutowanie miękkie brązów i miedzionikli prowadzi się stosując spoiwa
cynowo-ołowiowe o zawartości cyny 50

÷63 %, cynowe oraz wysokoaktywne topniki

nieorganiczne. W przypadku niedostatecznego zwilżania należy przed lutowaniem
zastosować trawienie w kwasach odpowiednich dla danego brązu oraz wstępne
pobielenie elementów. Do lutowania twardego tych materiałów stosuje się najczęściej
luty srebrne (klasa Ag) oraz topniki fluorkowe o temperaturze aktywności
dostosowanej do temperatury topnienia lutu. Do lutowania brązów cynowych można
też stosować spoiwa miedziano-fosforowe (klasa CuP). Dobierając spoiwa do
lutowania brązów berylowych należy uwzględnić ich obróbkę cieplną (przesycanie i
starzenie). Elementy obrobione cieplnie należy lutować spoiwami o najniższej (około
600

°C) temperaturze topnienia. Można też połączyć lutowanie z procesem

przesycania (760

÷780 °C) i wówczas stosuje się najczęściej eutektyczny lut srebrny

B-Ag72Cu-780.

Węgliki spiekane

Węgliki spiekane stosowane na ostrza narzędzi do obróbki skrawaniem to

spieki bardzo twardych węglików metali wysokotopliwych: wolframu, niobu i tantalu
(występują pojedynczo: WC, TaC lub zbiorowo: WC + TaC + NbC) z osnową
kobaltową lub niekiedy też niklową lub żelazną. Lutowanie twarde oprócz skręcania
śrubami jest podstawową metodą ich łączenia z korpusami narzędzi, wykonanymi
najczęściej ze stali konstrukcyjnych niestopowych i stopowych (np. ze stali
narzędziowych) lub niekiedy z miedzi.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 19

Podstawowy problem przy lutowaniu płytek z węglików spiekanych do

stalowych korpusów narzędzi stanowi kompensacja naprężeń w lutowinie,
wynikających z prawie trzykrotnego zróżnicowania współczynników rozszerzalności
cieplnej tych materiałów, a także ochrona spieku przed nadmiernym wskrośnym
utlenieniem. Podstawowe metody lutowania powyższych materiałów to: lutowanie
płomieniowe, indukcyjne, oporowe, piecowe w czystych atmosferach kontrolowanych
(aktywnych i neutralnych chemicznie) i próżni oraz obecnie już bardzo rzadko
stosowane lutowanie w kąpielach solnych.

Do lutowania: płomieniowego, indukcyjnego i oporowego, wykonywanego w

atmosferze powietrza stosuje się najczęściej spoiwa mosiężne z manganem, niklem,
niklem i manganem (CU 303

÷306) oraz topniki boranowe (typ FH 20 i FH 21), a

także spoiwa srebrne typu Ag-Cu-Zn-Mn-Ni, Ag-Cu-Zn-Ni, Ag-Cu-Zn-Cd-Ni, oraz
topniki fluorkowe i fluoroboranowe (typ FH 10, FH 11, FH 12).

Dla kompensacji naprężeń w odpowiedzialnych narzędziach o

skomplikowanym kształcie i większych gabarytach (> 20 mm) stosuje się specjalne
wkładki pośredniczące z folii lub siatki (stalowe, miedziane, niklowe, żelazo-niklowe
itp.), wprowadzane do szczeliny złącza. Produkowane są również wkładki
kompensujące platerowane obustronnie lutem – tzw. luty przekładkowe
(wielowarstwowe) np. folia miedziana w formie dwustronnego plateru z lutem
srebrnym typu Ag-Cu-Zn-Mn-Ni lub Ag-Cu-Zn-Cd oraz folia niklowa formie
dwustronnego plateru z lutem miedzianym (serii Cu).

W przypadku lutowania płytek z węglików spiekanych z dyfuzyjnie zespojoną

wkładką diamentową (ostrza diamentowe) lub wkładką z regularnego azotku boru
zaleca się stosowanie wyłącznie lutów srebrnych o możliwie niskiej temperaturze
topnienia, a więc lutów typu: Ag-Cu-Zn-Cd, Ag-Cu-Zn-Cd-Mn-Ni, Ag-Cu-Zn-Cd-Ni i
Ag-Cu-Zn-Mn-Ni o zawartości powyżej 40 % Ag.

Inne czynniki powodujące obniżenie naprężeń cieplnych w połączeniach

narzędzi to: równomierne nagrzewanie łączonych elementów z intensywniejszym
dogrzewaniem części stalowej oraz zmniejszenie szybkości chłodzenia polutowanych
narzędzi (wolne studzenie w piecu lub w nagrzanym piasku).

Lutowanie piecowe płytek z węglików spiekanych w atmosferach

kontrolowanych i próżni, stosowane najczęściej dla narzędzi wieloostrzowych i
narzędzi z płytkami spiekanymi o skomplikowanych kształtach i większych
gabarytach, prowadzi się przy użyciu lutu miedzianego (seria Cu) lub lutów
miedziano-niklowych (CuNi10, CuNi25, CuNi35, temperatura topnienia 1150

÷1250 °C)

oraz miedziano-manganowych z kobaltem i niklem (CuMn10Co4, temperatura
topnienia 1020

°C; CuMn38Ni9,5; CuMn20Ni19, temperatura topnienia 950÷1040 °C).

Do lutowania w próżni płytek z węglików spiekanych powlekanych warstwami węglika
tytanu (TiC – kolor szary) lub azotku tytanu (TiN – kolor złoty) zaleca się stosowanie
lutów srebrnych aktywnych typu Ag-Cu-Ti (Ag-Cu27Ti4,5, AgCu35Ti2). Luty te
można również stosować do łączenia ostrzy wykonanych z diamentu. Połączenia
takie są jednak dość kruche.

Aluminium i jego stopy

Na

lutowalność aluminium i jego stopów wpływają następujące podstawowe

własności fizyko-chemiczne tego pierwiastka: stosunkowo niska temperatura
topnienia - 658

° C, niska gęstość (2,7 g/cm

), duża plastyczność oraz niskie

własności wytrzymałościowe (zwłaszcza w podwyższonych temperaturach), wysoka
przewodność (0,209 kW/m

⋅K) i rozszerzalność cieplna (26⋅10

-6

), duże

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 20

powinowactwo do tlenu i tworzenie trudno topliwej (2060

°C), trwałej chemicznie

(energia tworzenia 1116 kJ/mol O

) i szczelnej powierzchniowo powłoki Al

gęstości 3,9 g/cm

, a więc wyższej od gęstości czystego aluminium. Podstawowy

problem w procesach miękkiego i twardego lutowania aluminium i jego stopów
stanowi konieczność usunięcia niezwilżalnej przez luty warstewki tlenku aluminium z
ich powierzchni łączonej. Wymaga to wstępnego oczyszczenia chemicznego
(trawienie w roztworach zasadowych lub kwasowych) lub mechanicznego
(oczyszczenie z użyciem szybkoobrotowych szczotek drucianych, skrobaków,
ściernic itp.) powierzchni łączonych przed lutowaniem oraz zapewnienia dokładnej
ich ochrony przed ponownym utlenieniem w trakcie lutowania przez zastosowanie
odpowiednio aktywnych topników lub atmosfer kontrolowanych.

Oprócz czystego aluminium metodą lutowania miękkiego można łączyć prawie

wszystkie stopy aluminium. Jako spoiwa w tych procesach można stosować
odpowiednio luty cynowe, cynkowe i kadmowe. Najwyższą, spośród lutów miękkich,
odporność na korozję połączeń aluminiowych zapewniają stosunkowo wysokotopliwe
luty cynkowe typu: ZnAl5 (temp. topn. 382

°C), ZnAg3 (temp. topn. 431 °C), ZnCu1,7

(temp. topn. 424

°C). Wraz z tymi spoiwami do lutowania stosuje się wysokoaktywne

topniki fluorkowo-chlorkowe, których korozyjne pozostałości wymagają bezwzględnie
usunięcia ze złączy po lutowaniu, lub też nowoopracowane, specjalne topniki
fluoroglinianowe ze związkami cezu o niekorozyjnych pozostałościach. Stosowane
jest również lutowanie aluminium spoiwami na osnowie stopów cyny z cynkiem, po
pobieleniu wstępnie powierzchni łączonych lutem z mechanicznym usunięciem
warstwy tlenkowej (np.:pocieranie drucianą szczotką lub stalowym drutem
powierzchni materiału podstawowego pod warstwą nadtopionego lutu). Pobielanie
powyższe można również wykonać z wykorzystaniem ultradźwięków (w kąpieli lub
specjalną lutownicą), wykorzystując erozję kawitacyjną do usunięcia warstwy
tlenkowej z powierzchni aluminium.
Lutowanie

twarde

aluminium i jego stopów, najczęściej typu: Al-Mn, Al-Mn-Mg,

Al-Mg-Si (stopy serii 3xxx i 6xxx) oraz Al-Mg (stopy serii 5xxx) o ograniczonej do
około 3 % zawartości magnezu, prowadzi się stosując spoiwa na bazie stopów: Al-Si,
Al-Si-Cu, Al-Si-Zn a także Al-Si-Ni, Al-Si-Ge. Lutowanie twarde aluminium i jego
stopów w atmosferze powietrza można prowadzić płomieniowo lub indukcyjnie przy
użyciu wysokoaktywnych topników fluorkowych (typ FL10), których korozyjne
pozostałości muszą być bezwzględnie usunięte ze złączy po lutowaniu lub z użyciem
niekorozyjnych topników opartych na fluoroglinianach metali alkalicznych (typ FL20).

W produkcji seryjnej i w przypadku wysokich wymagań odporności na korozję

aluminium i jego stopów można lutować piecowo w wysokiej próżni (min. 10

-2

Pa) lub

w atmosferze neutralnej chemicznie (Ar, N

) i niskiej próżni ze wspomaganiem

topnikowym. W pierwszym przypadku z uwagi na wysoką trwałość tlenku aluminium
(podlega dysocjacji w temperaturze lutowania dopiero w próżni rzędu 10

-25

Pa),

należy stosować luty Al-Si-Mg zawierające ok. 2 % Mg, ułatwiającego redukcję
tlenku aluminium. Luty te występują najczęściej w postaci plateru z materiałem
łączonym. W drugim przypadku lutowania piecowego stosuje się typowy lut
siluminowy (np.:Al-Si), atmosferę czystego azotu (punkt rosy min. – 40

°C, maks. 100

ppm O

) lub próżnię 2

÷3 kPa i niekorozyjny topnik fluoroglinianowy (typ FH 20).

Aluminium i jego stopy, zwłaszcza stanowiące osnowę kompozytów
metalowych, można również lutować dyfuzyjnie przez warstewkę miedzi lub srebra, a
także stosując mieszankę topnikową (niekorozyjny topnik fluoroglinianowy) z
proszkiem krzemu, miedzi lub germanu. Pierwiastki te tworzą z aluminium niżej
topliwe fazy, stanowiące spoiwo w procesie łączenia.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 21

  Lutowanie twarde próżniowe i w atmosferach kontrolowanych

Atmosfery  kontrolowane  w  procesie lutowania, zwykle piecowego, spełniają
podobną rolę jak topniki lutownicze, a więc odtleniają powierzchnie łączonych
materiałów i spoiwa oraz zapewniają ich metaliczną czystość podczas całego
procesu lutowania. Proces odtleniania, w zależności od rodzaju atmosfery, odbywa
się drogą redukcji chemicznej lub dysocjacji termicznej. Dlatego też atmosfery te
dzielą się na aktywne chemicznie (gazy redukujące) oraz neutralne chemicznie (gazy
obojętne) i próżnię.
Atmosfery  redukujące, zawierające skuteczne reduktory tlenków metali jak
wodór (H

) i tlenek węgla (CO), dzieli się zależnie od sposobu otrzymywania na

bezgeneratorowe np. wodór butlowy i generatorowe, pochodzące z niepełnego
spalania gazów opałowych – egzo- i endotermiczne (zawierają H

, CO), lub

uzyskiwane z dysocjacji amoniaku (zawierają H

, N

Zawarte w nich gazy redukujące reagują one z tlenkami metali według następujących
ogólnych wzorów:

+ mH

⇔ nMe + mH

+ mCO

⇔ nMe + mCO

Aktywność atmosfery zależy od jej zawilgocenia parą wodną, wyrażanego tzw.
punktem rosy (temperatura początku skraplania się pary wodnej zawartej w
atmosferze), a także od zawartości w atmosferze tlenu i dwutlenku węgla.
Drugi typ atmosfer kontrolowanych stosowanych w procesach lutowania
stanowią atmosfery neutralne chemicznie i próżnia. Wspólną ich cechą jest
stworzenie warunków do dysocjacji termicznej tlenków na powierzchni łączonych
materiałów i lutu według ogólnej reakcji:
Me

⇔ nMe + mO

O przebiegu tej reakcji w określonej temperaturze decyduje ciśnienie cząstkowe
tlenu w przestrzeni procesu (wysokość próżni lub czystość gazu neutralnego). W
praktyce wymagania dotyczące ciśnienia cząstkowego tlenu niezbędnego do
dysocjacji są nieco złagodzone, gdyż procesom dysocjacji tlenków towarzyszą
zwykle zjawiska ich sublimacji i rozpuszczania. Niemniej, aby gaz neutralny – argon,
hel lub niekiedy azot zapewnił takie warunki przy ciśnieniu równym atmosferycznemu,
jego czystość powinna wynosić 10

-5

÷ 10

-6

%. Niezbędne warunki mogą zapewnić

również gazy neutralne o niższej czystości i nieco obniżonym ciśnieniu (np. argon
spawalniczy przy ciśnieniu 1

÷4 kPa).

Niedogodnością lutowania w próżni jest zjawisko sublimacji i intensywnego
parowania (wrzenia) pierwiastków, występujące w odpowiednio niższych
temperaturach w warunkach obniżonego ciśnienia. Występowanie tego zjawiska
eliminuje całkowicie możliwość zastosowania do lutowania próżniowego stopów
(materiały  łączone i spoiwa), zawierających pierwiastki stopowe o stosunkowo
niskich temperaturach wrzenia, jak: Zn, Cd, Pb, Na, P, Si itp.
Podstawowe zalety lutowania  próżniowego i w atmosferach kontrolowanych to
przede wszystkim :
-  brak potrzeby stosowania aktywnych chemicznie topników o trudnych do

usunięcia, korozjotwórczych pozostałościach;

- wysoka, powtarzalna jakość i czystość metalurgiczna połączeń oraz powierzchni

polutowanych detali, a także (np.: w przypadku próżni) brak niekorzystnych
przemian powierzchniowych w materiałach łączonych (absorbcja gazów,
nawęglanie, odwęglanie);

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 22

- duża stabilność postaci i kształtu łączonych detali, dzięki równomiernemu ich

nagrzewaniu i chłodzeniu;

- możliwość bezpiecznego prowadzenia procesów lutowania w temperaturach

powyżej 1000, a nawet 2000

°C;

- możliwość pełnej autoryzacji sterowania cyklem procesu lutowania i mechanizacji

produkcji;

W świetle powyższych zalet lutowanie w atmosferach kontrolowanych o
wysokiej czystości, a zwłaszcza próżniowe, jest często uznawane za metodę
zapewniającą najwyższą jakość połączeń spośród wszystkich innych metod
lutowania.

Z uwagi jednak na stosunkowo wysoki koszt urządzeń – specjalistycznych

pieców, w praktyce przemysłowej lutowanie próżniowe i w atmosferach
kontrolowanych wciąż jest zalecane i stosowane przede wszystkim do łączenia
materiałów o stosunkowo trwałych tlenkach oraz do wykonywania odpowiedzialnych
złączy o wysokich wymaganiach eksploatacyjnych lub też w procesach
wielkoseryjnych lutowania.

Podstawowe grupy materiałowe łączone tą metodą to :

- żelazo (Armco), stale niestopowe, niskostopowe oraz miedź i jej stopy (brązy),

w przypadkach łączenia podzespołów maszyn i urządzeń o złożonych i
zróżnicowanych kształtach i konstrukcji (wykonywanie wielu złączy w jednej
operacji lutowania), przy wymaganej wysokiej ich czystości i odporności
korozyjnej;

- wysokostopowe

stale nierdzewne i żarowytrzymałe, w lotnictwie i

kosmonautyce, energetyce, w produkcji aparatury chemicznej;

- żeliwa szare i sferoidalne (po degrafityzacji powierzchni) w przemyśle

motoryzacyjnym i maszynowym;

- węgliki spiekane (bez powłok, powlekane i z wkładkami diamentowymi) oraz

stale narzędziowe – szybkotnące (konwencjonalne lub spiekane) w produkcji
odpowiedzialnych narzędzi lub wykładzin na powierzchniach części maszyn
odpornych na ścieranie;

- aluminium i jego stopy (głównie serii 3xxx, 5xxx, 6xxx) w produkcji

wymienników ciepła, części urządzeń wentylacyjnych oraz aparatury
chemicznej;

- metale reaktywne Ti, Zr, Be i ich stopy w lotnictwie, kosmonautyce oraz

chemii;

- metale lekkie (Al, Ti) i ich stopy ze stalami (najczęściej nierdzewnymi) w

przemyśle lotniczym oraz w produkcji sprzętu gospodarstwa domowego,
urządzeń komunikacyjnych i aparatury chemicznej;

- żarowytrzymałe, mono- i polikrystaliczne stopy niklu i kobaltu (nadstopy) oraz

stopy na osnowie faz międzymetalicznych (Ni-Al., Ni-Al-Hf) w lotnictwie i
kosmonautyce oraz w produkcji urządzeń energetycznych;

- metale

wysokotopliwe

Nb, Mo, Ta, W i ich stopy w lotnictwie i kosmonautyce,

przemyśle nuklearnym;

- materiały ceramiczne i węglowe oraz kompozyty na ich osnowie w elektronice

oraz w produkcji aparatury elektropróżniowej, a także lotnictwie i
kosmonautyce (części silników i osprzęt).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 23

Lutospawanie (łukowe, laserowe)

Do  procesów lutowniczych należy również lutospawanie. Jest to lutowanie
twarde, niekapilarne złączy przygotowanych jak do spawania, wykonywane techniką
spawania gazowego, spawania łukowego metodami TIG, MIG/MAG i plazmową lub
spawania laserowego. Lutospawanie łukowe nosi często nazwę lutowania twardego
łukowego, a jego odmiany odpowiednio: lutowanie twarde TIG, MIG/MAG i
plazmowe.
Spoiwa  stosowane w tych procesach stanowią typowe luty mosiężne
(lutospawanie gazowe) oraz specjalistyczne, nie stosowane w procesach lutowania
kapilarnego spoiwa brązowe typu Cu-Si, Cu-Si-Mn, Cu-Si-Al, Cu-Sn i Cu-Al
(lutospawanie  łukowe), znormalizowane w PN-EN ISO 17672, PN-EN 13347 (dot.
miedzianych prętów i drutów do spawania i lutospawania) a także w PN-EN 14640
(dot. spoiw do spawania miedzi i jej stopów).
Lutospawanie jest metodą ograniczającą w porównaniu ze spawaniem wielkość
zmian cieplnych w łączonych materiałach. Lutospawanie gazowe jest stosowane
przeważnie do łączenia instalacji wodnych z rur ocynkowanych ogniowo (zapewnia
zachowanie powłoki w strefie łączenia), a także jest już od od dawna
wykorzystywane do łączenia i napraw elementów żeliwnych. Lutospawanie metodą
MIG/MAG (łukiem pulsującym) stosuje się przede wszystkim do łączenia konstrukcji
z cienkich blach ze stali konstrukcyjnych: niestopowych i stopowych, co pozwala
uniknąć lub ograniczyć występowanie odkształceń cieplnych a także niemal już
powszechnie do łączenia cienkich blach powlekanych cynkiem (galwanicznie - np.:
ocynkowane blachy karoseryjne) lub aluminium, co ponadto pozwala na zachowanie
ciągłości powłoki w strefie łączenia. Jest ono również wykorzystywane do łączenia
stopów aluminium niskotopliwymi spoiwami cynkowymi (Zn-Al) oraz stopów
aluminium ze stalami nierdzewnymi spoiwami siluminowymi (Al-Si). Obecny rozwój
lutospawania  łukowego ukierunkowany jest na wprowadzanie procesów
„niskoenergetycznych” t.j. plazmowych oraz MIG/MAG typu: CMT (Cold Metal
Transfer), Cold-Arc, STT (Surface Tension Transfer), Cold Process.
W  procesach  lutospawania  laserowego (lutowania twardego laserowego)
nagrzewanie elementów łączonych realizowane jest koherentną, monochromatyczną
wiązką energii elektromagnetycznej laserów diodowych lub rozogniskowaną wiązką
energii laserów gazowych (CO

) i na ciele stałym (Nd:YAG). Możliwość przekazania

w krótkim czasie tak znacznej energii cieplnej na stosunkowo niewielkiej powierzchni
elementu łączonego pozwala zastosować tę metodę do łączenia materiałów
wrażliwych na odkształcenia cieplne, oraz części o zróżnicowanych wymiarach
gabarytowych i masie, a także do wykonywania precyzyjnych połączeń w niewielkich
gabarytowo podzespołach. Metodę tę, podobnie jak lutospawanie MIG/MAG, stosuje
się też do łączenia blach powlekanych (np.: ocynkowanych, karoseryjnych) a także
stopów Al niżej topliwymi spoiwami Zn-Al. Proces lutospawania laserowego można
prowadzić w atmosferze kontrolowanej, a także można go stosunkowo łatwo
zautomatyzować lub zrobotyzować.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 24

Przegląd metod lutowania miękkiego (zanurzeniowe, falowe, w fazie parowej)

Podstawowe  metody  lutowania  miękkiego takie jak lutowanie lutownicami,
lutowanie indukcyjne, oporowe i inne zostały omówione wcześniej, dlatego też
poniżej przedstawiono tylko specjalistyczne metody tej odmiany lutowania.

Lutowanie kąpielowe – zanurzeniowe i falowe

W  procesach  lutowania  miękkiego kąpielowego źródłem ciepła oraz lutu jest
kąpiel metaliczna (spoiwo). Metoda ta znajduje zastosowanie w elektronice do
lutowania seryjnego płytek obwodów drukowanych. Proces realizowany jest na
specjalistycznych urządzeniach przez nieznaczne zanurzenie i przesuwanie
odpowiednio przygotowanych płytek obwodów (z nałożonym topnikiem) po
powierzchni kąpieli lutu (lutowanie zanurzeniowo-przesuwne) lub przesuwanie płytek
po grzbiecie tzw. stojącej fali (lub kilku fal), wytworzonej mechanicznie lub
pneumatycznie w kąpieli lutu cynowego (lutowanie falowe).

Lutowanie w fazie parowej

Jest  to  metoda  lutowania  miękkiego, nazywana również lutowaniem
kondensacyjnym (ang. condensation soldering) i lutowaniem z przetapianiem (ang.
reflow soldering), stosowana do łączenia podzespołów mikroelektronicznych.
Elementy lutowane wraz z nałożonym wstępnie spoiwem (pasta, warstwa
platerowana), najczęściej cynowym lub cynowo-ołowiowym, są umieszczane w
komorze nad neutralną względem materiałów  łączonych wrzącą cieczą o
temperaturze nieco wyższej od temperatury topnienia lutu. Faza parowa skrapla się
(w temperaturze parowania) na elementach łączonych oddając im swoje ciepło
parowania. W efekcie tego procesu elementy lutowane nagrzewają się do
wymaganej temperatury lutowania, natomiast powstała ze skroplonej pary ciecz
ścieka na dno komory. Jako parujące ciecze stosuje się w tej metodzie
fluoropochodne węglowodanów, np.: perfluoroizobutylen, perfluoropolieter itp.
Metoda ta zapewnia wysoką wydajność procesów oraz dobrą i powtarzalną jakość
połączeń.

Zalety i wady lutowania miękkiego i twardego

Paradoksalnie,  ta  najstarsza technologia spajania, której ślady stosowania
noszą wyroby artystyczne wytwarzane w Mezopotamii i Egipcie ok. 3 tysięcy lat.
p.n.e., jest współcześnie nadal niezastąpiona zarówno w tradycyjnych, jak i w
najnowocześniejszych dziedzinach przemysłu i gospodarki. Decydują o tym
następujące jej zalety:
- możliwość  łączenia ze sobą prawie wszystkich metali i stopów konstrukcyjnych,

materiałów ceramicznych i węglowych a także materiałów o zróżnicowanych
własnościach fizyko – chemicznych (np.: metale lekkie – stale, żeliwa – stale,
metale kolorowe – stale, ceramika – metal, materiały węglowe – metale itp.) oraz
elementów o zróżnicowanych kształtach i wymiarach;

- możliwość łączenia części o dużych powierzchniach;
- uzyskiwanie połączeń o wysokiej wytrzymałości, niekiedy zbliżonej do

wytrzymałości łączonych materiałów, a także o wymaganych specjalnych

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 25

własnościach eksploatacyjnych (przewodność elektryczna, odporność na korozję,
szczelność itp.);

- możliwość wykonywania w jednej operacji wszystkich połączeń w podzespołach o

złożonej postaci konstrukcyjnej;

- zachowanie wysokich tolerancji wymiarowych w polutowanych elementach oraz

ograniczenie występowania w nich naprężeń;

- możliwość pełnej mechanizacji i automatyzacji procesów (wymagane dokładne

dopasowanie elementów łączonych, stosowanie spoiw o szerszych zakresach
temperaturowych topnienia i w postaci kształtek lub past lutowniczych).
Do wad lutowania można zaliczyć wysokie ceny lutów, pracochłonne
przygotowanie złączy i stosunkowo niskie własności mechaniczne połączeń
wykonanych lutami miękkimi.

Zastosowanie lutowania i typowe problemy

Jak już wcześniej wspomniano lutowanie można stosować do łączenia

prawie wszystkich metali i stopów konstrukcyjnych, a także materiałów ceramicznych
i węglowych (ze sobą i z metalami). Przy stosowaniu lutowania miękkiego należy
jednak uwzględnić stosunkowo niską wytrzymałość doraźną złączy (30

÷ 80 MPa) i

bardzo niską wytrzymałość ich czasową (własności te gwałtownie jeszcze maleją z
podwyższeniem temperatury do 100

°C) oraz stosunkowo niską przewodność

elektryczną (do ok. 10 MS/m t.j. ok. 10% przewodności miedzi). Dlatego też
lutowanie miękkie stosuje się do wykonywanie połączeń uszczelniających i
elektroprzewodzących niskiej mocy, nie pracujących w temperaturach
przekraczających 80

÷120°C. Lutowanie twarde zapewnia znacznie wyższe własności

mechaniczne połączeń, oczywiście w przypadku zastosowania właściwych dla
danego układu materiałowego warunków technologiczno – metalurgicznych procesu,
a także konstrukcji złączy. Zalecane typy złączy to połączenia pracujące na ścinanie
– zakładkowe, nakładkowe, kielichowe, mufowe o wielkości zakładki zaprojektowanej
w zależności od grubości łączonych elementów (zwykle powyżej 3

÷5 grubości

cieńszego elementu) i naprężeń ścinających a także o kapilarnej szczelinie
lutowniczej w zależności od materiałowo – technologicznych warunków lutowania w
zakresie 0,03

÷0,3 mm.

Konstrukcja połączeń powinna zapewniać ponadto brak karbów postaciowych,

a także możliwość odgazowania w trakcie krystalizacji powstającej lutowiny oraz
możliwość wypłynięcia na jej powierzchnię pozostałości topnikowych (żużel).

W terminologii norm dotyczących systemów jakości lutowanie twarde jest
uważane jako proces specjalny. Normy te zwykle wymagają, aby procesy specjalne
były wykonywane zgodnie z pisemnymi instrukcjami, w przypadku lutowania zgodnie
z Instrukcją Technologiczną Lutowania Twardego (BPS – Brazing Procedure
Specification), podającą opisy lub wartości zmiennych procesu, którego wynik
powinien spełniać określone zastosowanie. Celem sprawdzenia prawidłowości
instrukcji i sposobu jej stosowania, technologię należy poddać procedurze uznania
przez niezależną jednostkę egzaminującą (jednostka notyfikowana) zgodnie z PN-
EN 13134 jednym z trzech sposobów:

• poprzez przedłożenie udokumentowanych dowodów do sprawdzenia, że dana

technologia została sprawdzona doświadczalnie i nadaje się do uznania;

• poprzez przedłożenie stosownej technologii, wcześniej zaakceptowanej przez

inną jednostkę egzaminującą;

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 26

• poprzez przeprowadzenie odpowiednich badań technologii lutowania

twardego w celu jej uznania.

Norma  ta  nie  ustala  szczegółowych wymagań dla złączy lutowanych na twardo
lecz zaleca aby w każdym przypadku uwzględniać wymagania będące przedmiotem
kontroli złączy produkcyjnych oraz stosowne kryteria akceptacji. Najczęściej
stosowane uznawanie technologii poprzez jej badanie, obejmuje: przedłożenie
dokumentacji (pBPS), wykonanie złączy próbnych, badania złączy próbnych oraz
analizę wyników badań. Minimalny zakres badań złączy obejmuje badania wizualne
wg PN-EN 12799 oraz badania metalograficzne wg PN-EN 12797. Szczegółowy
zakres badań należy tak dobrać aby upewnić się, że w złączu próbnym nie występują
niezgodności i że spełnia ono wymagania eksploatacyjna. Na podstawie
pozytywnych wyników badań jednostka egzaminująca wystawia dla wytwórcy
Protokół Uznania Technologii Lutowania Twardego (BPAR – Brazing  Procedure
Approval Record), który składa się z trzech części: świadectwa uznania technologii,
uznanej technologii lutowania twardego i wynikow badań. Jeżeli badaną technologią
jest ręczne lutowanie twarde palnikiem (lutowanie płomieniowe) wówczas lutowacz,
który z wynikiem zadowalającym wykonywał  złącza próbne, uzyskuje Świadectwo
Egzaminu Lutowacza wg PN-EN 13133:2003. Świadectwa takie można uzyskać
indywidualnie poddając się procedurze egzaminowania wg powyższej normy.
Postępowanie jest zbliżone do procedury uznawania technologii.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

Wymagania w zakresie bhp w procesach lutowania określa Rozporządzenie

Ministra Gospodarki z dn. 27.04. 2000 r. „w sprawie bhp przy pracach
spawalniczych”. Określa ono wymagania dla stanowisk i urządzeń lutowniczych, dla
postępowania z materiałami dodatkowymi (luty i topniki), a także dla personelu
wykonującego prace lutownicze. Do ważniejszych wymagań dotyczących stanowisk
i urządzeń lutowniczych należy posiadanie udokumentowanego potwierdzenia
spełniania przez nie wymagań bezpieczeństwa określonych w przedmiotowych
obowiązujących przepisach i normach (PN EN), a także zapewnienie wymaganej
ochrony przed szkodliwymi zanieczyszczeniami w postaci pyłów i dymów (wentylacja
stanowiskowa) oraz przed promieniowaniem cieplnym. Wymagania dotyczące
materiałów dodatkowych do lutowania, zawierających lub wydzielających substancje
szkodliwe dla zdrowia lub życia, obejmują wymóg stosowania rygorów Ustawy z dnia
11 stycznia 2001 roku „o substancjach i preparatach chemicznych” oraz
odpowiednich przepisów wykonawczych do tej Ustawy (klasyfikacja i oznaczenie tych
materiałów, posiadanie kart charakterystyk). Osoby wykonujące procesy lutowania
ręcznego, a także zmechanizowanego i zautomatyzowanego zobowiązane są do
wykazania się co najmniej zaświadczeniem o ukończeniu szkolenia w zakresie
określonym w obowiązujących przepisach i normach (PN-EN).

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 27

Normy (nie uwzględniono związanych z lutowaniem specjalistycznych norm z
zakresu elektroniki oraz lotnictwa i kosmonautyki)
PN-EN 1792:2001 Spawanie. Wielojęzyczny wykaz terminów dotyczących spawania
i procesów pokrewnych.
PN-EN 14324:2007 Lutowanie twarde. Wytyczne dotyczące stosowania złączy
lutowanych na twardo.
PN-EN ISO 3677:2001 Spoiwa do lutowania miękkiego, twardego i lutospawania –
Oznaczenie.
PN-EN ISO 9453:2007 Luty miękkie. Skład chemiczny i postać.
PN-EN 29454-1:2000 Topniki do lutowania miękkiego. Klasyfikacja i wymagania.
Część 1: Klasyfikacja, etykietowanie i pakowanie.
PN-EN 9454-2:2003 Topniki do lutowania miękkiego. Klasyfikacja i wymagania.
Część 2: Wymagania użytkowe.
PN-EN ISO 17672:2010 Lutowanie twarde - Spoiwa.
PN-EN 13347:2002 Miedź i stopy miedzi. Pręty i druty do spawania i lutospawania.
PN-EN 1045:2001 Lutowanie twarde. Topniki do lutowania twardego. Klasyfikacja i
techniczne warunki dostawy.
PN-EN ISO 10564:2001 Materiały do lutowania miękkiego i twardego. Metody
pobierania próbek lutów miękkich do analizy.
PN-EN ISO 9455-1:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 1:
Oznaczanie składnika nielotnego, metoda wagowa.
PN-EN ISO 9455-2:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 2:
Oznaczanie składnika nielotnego, metoda ebuliometryczna.
PN-EN ISO 9455-3:2001 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 3:
Określanie liczby kwasowej metodami miareczkowania potencjometrycznego i
wizualnego.
PN-EN ISO 9455-5:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 5:
Próba lustra miedzi.
PN-EN ISO 9455-6:2000 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 6:
Wykrywanie zawartości halogenków (z wyjątkiem fluorków).
PN-EN ISO 9455-8:2001 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 8:
Oznaczenie zawartości cynku.
PN-EN ISO 9455-9:2001 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 9:
Oznaczenie zawartości amoniaku.
PN-EN ISO 9455-10:2004 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 10:
Próba wydajności topnika, metodą rozprysku.
PN-EN 9455-11:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 11:
Rozpuszczalność pozostałości topnika.
PN-EN 9455-12:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 12:
Próba korozyjna ze stalową rurką.
PN-EN ISO 9455-13:2004 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część
13: Określenie rozprysku topników.
PN-EN ISO 9455-14:2002 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 14:
Ocena kleistości pozostałości topnika.
PN-EN ISO 29455-15:2004 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część
15: Badanie korozji miedzi.
PN-EN ISO 9455-16:2004 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 16:
Badanie skuteczności topnika metodą meniskograficzną.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

1.16

AW 28

PN-EN ISO 9455-17 Topniki do lutowania miękkiego. Metody badań. Część 17:
Badanie rezystancji izolacji powierzchniowej metodą grzebieniową i metodą
elektrochemicznej migracji pozostałości topnika.
PN-EN 12797:2002 Lutowanie twarde. Badania niszczące złączy lutowanych na
twardo.
PN-EN 12799:2003 Lutowanie twarde. Badania nieniszczące złączy lutowanych na
twardo.
PN-EN ISO 18279:2007 Lutowanie twarde. Niezgodności w połączeniach
lutowanych.
PN-EN 13133:2003 Lutowanie twarde. Egzaminowanie lutowaczy.
PN-EN 13134:2003 Lutowanie twarde. Uznawanie technologii.

Literatura pomocnicza

1.  Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera, Spawalnictwo. T. 1 , WNT, Warszawa, 2005.
2.  Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera, Spawalnictwo. T. 2, WNT, Warszawa, 2007.
3.  Praca zbiorowa: Technika Spawalnicza w Praktyce. Poradnik Inżyniera,

Konstruktora i Technologa. T.3. Rozdz. 13. Verlag Dashoffer. Warszawa, 2010.

4. Nowacki J., Chudziński M., Zmitrowicz P. : Lutowanie w budowie maszyn. WNT,

Warszawa, 2007.

5. Czuchryj J., Papkala H., Winiowski A. : Niezgodności w złączach spajanych.

Instytut Spawalnictwa, Gliwice, 2005.

6. Mirski Z.: Sterowanie szerokością szczeliny lutowniczej w procesach spajania

materiałów różnoimiennych. Wrocław. Politechnika Wrocławska, 2000.

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze¿one. Powielanie lub rozpowszechnianie ca³oœci wzglêdnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIÊDZYNARODOWEGO

IN¯YNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Lutowanie miêkkie i twarde

1.16

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 29