Lutowanie - jest to łączenie dwu względnie więcej metali jednakowych lub różnych w temp. topnienia trzeciego metalu, który spełnia rolą lutu. Temp. topnienia lutu jest zawsze odpowiednio niższa od temp. topnienia łączonych metali. Połączenie uzyskuje się przede wszystkim przez dyfuzję płynnego lutu.
Wyróżniamy wiele rodzajów lutowania, które możemy podzielić:
wg temp. topnienia lutu:
miękkie ( < 450°C)
twarde ( > 450°C)
Generalnie lutowanie twarde tym różni się od miękkiego, że w lutowaniu twardym temperatura topnienia lutu jest niewiele niższa od temperatury topnienia materiałów łączonych.
wg źródła ciepła:
lutownicą,
w kąpieli metalowej,
w kąpieli solnej,
strumieniem gorącego gazu,
nagrzanymi płytami,
płomieniowe,
łukowe,
egzotermiczne,
świetlne,
laserowe,
oporowe,
piecowe,
indukcyjne,
elektronowe .
W trakcie ćwiczenia zademonstrowano lutowanie miękkie i twarde oraz zgrzewanie punktowe i doczołowe zwarciowe.
Uzyskanie poprawnych połączeń lutowanych warunkują trzy podstawowe czynniki:
własności zwilżające lutu
kapilarne własności złącza
dyfuzja.
Zwilżalność - występuje wówczas, gdy kropla lutu jest w stanie się rozpływać. Metal lutowany jest doskonale zwilżony wówczas, gdy kąt zwilżenia jest bliski zera.
Topniki - działanie topnika przy lutowaniu polega na usunięciu tlenków pokrywających powierzchnię metalu, jak i lutu; związaniu tych tlenków i poprawieniu współczynnika zwilżalności.
II. Przebieg ćwiczenia
Lutowanie miękkie - jako źródło ciepła użyto kolby lutowniczej oraz lutu LC60. Jest to lut cynowy o zawartości 60% cyny i 40% ołowiu, dolna temp. topnienia to 183°C, a górna to 185°C. Służy do łączenia stali i miedzi. Zastosowaniem jest lutowanie precyzyjnych urządzeń elektrotechnicznych i teletechnicznych.
Przed rozpoczęciem lutowania brzegi łączonych części należy oczyścić z wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń takich jak rdza, farby lub tłuszcze. Nagrzaną lutownicę należy również oczyścić przez potarcie o salmiak, który powoduje rozpuszczenie tlenków miedzi. Łączeniu poprzez lutowanie, poddano dwie blaszki, których powierzchnie uprzednio zostały zabielone (posmarowane topnikiem), a następnie poprzez silne dociśnięcie ich do siebie wykonano połączenie. W wyniku silnego ścisku nadmiar lutu wypłynął na zewnątrz. Takie złącze działa na zasadzie dyfuzji i adhezji, która wynika ze zwilżalności. Napięcie powierzchniowe tego połączenia jest duże, natomiast zwilżalność bardzo mała.
Topnikiem może być chlorek cynku, chlorek amonu, kwas solny, kwas fosforowy, pasty lutownicze, topniki nie korozyjne, boraks, kalafonia - produkt żywiczny = jantar. Stosuje się też luty z rdzeniem - wtopiona kalafonia ( z kalafonii z dodatkiem kwasu mlekowego, z pasty typu chlorkowego itp. - tinol).
Lutowanie twarde - jako źródło ciepła użyto transformator oraz lut LS70. Jest to lut na osnowie srebra, o zawartości 70% srebra i 30% ołowiu. Temp. topnienia 715°C, stosowany do łączenia srebra i jego stopów oraz miedzi i jej stopów. Zastosowanie przy lutowaniu połączeń o wysokiej przewodności elektrycznej. Wytrzymałość złącza nie zależy od grubości lutu, nie potrzebny jest nam jego nadmiar, gdyż przy większej jego ilości złącze byłoby słabsze.
Natomiast wytrzymałość zależy od szeregu innych czynników:
prawidłowa konstrukcja złącza
czystość łączonych powierzchni
dobór topników i lutów
temperatury lutowania
grubość lutowiny (0,02 - 0,05mm)
jednorodność lutowiny.
Złącze lutowane projektujemy na ścinanie. Tak i nasze złącze poddano procesowi ścinania (próbka została zamocowana w imadle i poddana ciągnięciu, złącze nie uległo rozerwaniu) oraz procesowi rozrywania (próbka została zamocowana w imadle i poddana skręcaniu, złącze uległo rozerwaniu). Wynika z tego, że należy projektować złącze lutowane wyłącznie na ścinanie.
Lutowanie twarde - jako źródło ciepła użyto płomień gazowy oraz lut LM70. Jest to lut mosiężny (stop miedzi z cynkiem) o zawartości 70% miedzi i 30% cynku. Stosowany do łączenia stali, miedzi. Po podgrzaniu płomieniem gazowym elementów do temp. bliskiej ich topnienia, nastąpiło utlenienie cynku i pozostała miedź. Dlatego też zastosowano spawanie szybkie po to, aby nie dokonać odparowania cynku. Gdyby pozostała sama miedź, to własności mechaniczne byłyby samej miedzi, a miedź jest plastyczna i nie spełnia naszych wymogów. Nagrzewamy dość długo, a potem szybko układamy warstwę lutowia. Pozostała biel cynkowa. Do lutowania w temperaturach rzędu 720 - 780°C używane są topniki zawierające przeważnie boraks i kwas borny.
Boraks - uwodniony czteroboran sodowy Na2B4O7 * 10H2O, do wyrobu szkliw, emalii, kosmetyków, do oczyszczania powierzchni metali przed lutowaniem.
Chlorek cynku - otrzymywany zwykle przez wrzucenie w nadmiarze skrawków blachy cynkowej do kwasu solnego. Można również otrzymać przez rozpuszczenie 300g stopionego technicznie chlorku cynku w 1litrze wody.
ZnCl2 + H2O ZnO + 2HCl
2HCl + MeO MeCl2 + H2O
Mamy szereg rodzajów zgrzewarek, które można podzielić wg zjawisk fizycznych charakterystycznych dla procesu zgrzewania na
oporowe, indukcyjne, dyfuzyjne, udarowe, termokompresyjne, łukiem wirującym, żużlowe, gazowe, kuzienne, egzotermiczne, tarciowe, wybuchowe, zgniotowe, ultradźwiękowe.
W laboratorium zapoznano nas ze zgrzewaniem punktowym i doczołowym zwarciowym.
Parametry zgrzewania:
natężenie prądu zgrzewania
czas przepływu prądu zgrzewania
siła docisku elektrod (docisk wstępny i końcowy).
Parametry dobiera się w zależności od:
rodzaju metalu lub stopu
jego grubości
kształtu i wymiarów przedmiotu zgrzewanego.
Ze względu na sposób doprowadzenia prądu do zgrzewanych elementów rozróżnia się zgrzewanie :
jednostronne
dwustronne.
Materiały stosowane na elektrody punktowe powinny odznaczać się dużą przewodnością cieplną i elektryczną, dużą twardością, odpornością na działanie utleniające powietrza zarówno w temp. otoczenia, jak i wyżej, wysoką temp. rekrystalizacji oraz małą skłonnością do tworzenia stopów z materiałem zgrzewanym. Proces dość szybki, który zapewnia nam dużą wydajność, stosunkowo małe zużycie energii elektrycznej oraz wysoką wytrzymałość złączy. Zgrzeiny są projektowane na ścinanie.
Zgrzewanie doczołowe zwarciowe - procesowi łączenia poddano dwa pręciki, w których prąd zgrzewania przepływał przez przylegające i silnie dociśnięte do siebie końce łączonych części. Po osiągnięciu przez pręciki odpowiedniej temp., pod działaniem siły docisku uległy one charakterystycznemu spęczeniu, a stykające się powierzchnie połączyły się. Prąd wyłączono jeszcze przed całkowitym zakończeniem procesu. W przypadku stali 45, część rodzima różni się własnościami mechanicznymi od złącza zgrzewanego, wówczas należy w celu polepszenia własności plastycznych połączeń zgrzewanych gazowo przeprowadzić obróbkę cieplną w postaci wyżarzania odprężającego, które ma na celu usunięcie lub zmniejszenie naprężeń własnych materiału powstałych na skutek: odlewania, spawania, lutowania lub obróbki plastycznej, złączy bezpośrednio po zgrzewaniu w temp. 900°C przez okres 2 do 3 minut.
Zgrzewanie punktowe (kształtowe) - zgrzewać należy tak, aby nie było ubytku materiału. Gdyby zastosowano duży nacisk, wówczas materiał wypłynąłby. Na ćwiczeniu pokazano połączenie na krzyż dwóch pręcików, które z łatwością udało się rozerwać. Natomiast połączenie czterech pręcików w tzw. siatkę sprawiło większy problem, gdyż siateczka nie uległa rozerwaniu, a jedynie zgięciu.
Wnioski.
Zgrzewanie elementów metodą zwarciową i punktową opłacalne jest tylko przy wykonywania dużej ilości połączeń zgrzewanych, w przypadku wykonywania pojedynczych połączeń nieopłacalnym staje się ustawienie maszyny (wykonanie wielu prób).
Po wykonaniu połączenia zgrzewnego powinniśmy wyżarzyć miejsce zgrzewane z uwagi na znaczny wzrost naprężeń na skutek szybkiego chłodzenia.
Połączenia lutowane mogą pracować wyłącznie na ścinanie z powodu małej adhezji lutu i materiału łączonego przy tego typu obciążeniach.