Lutowanie miedzi srebrem - przegląd lutów

Artykuł dotyczy wyłącznie lutowania twardego, czyli procesu prowadzonego powyżej 450°C. Omawiamy spoiwa zawierające srebro stosowane do miedzi i jej stopów - ich skład, temperatury, dopuszczenia i postacie handlowe. Topniki mają osobne opracowanie, do którego odsyłamy tam, gdzie jest to potrzebne.

Pod hasłem „lutowanie miedzi srebrem” kryją się dwie rodziny spoiw o odmiennych właściwościach i ograniczeniach zastosowania, których nie można dobierać zamiennie wyłącznie na podstawie zawartości srebra. Pomylenie tych grup jest jednym z istotnych błędów doboru spoiwa i od tego rozróżnienia zaczynamy. 

Kluczowa zasada: Dobór spoiwa powinien odbywać się zawsze według wymagań złącza (temperatura robocza, łączone materiały, dopuszczenie do danego medium), a nie wyłącznie na podstawie procentowej zawartości srebra! 

Luty twarde miedziano-fosforowe z dodatkiem srebra (Cu-P-Ag) 

Dlaczego luty miedziano-fosforowe nie wymagają topnika na złączu miedź-miedź? Fosfor pełni wobec tlenków miedzi funkcję redukującą, dzięki czemu podczas lutowania takiego połączenia nie jest wymagany dodatkowy topnik. Przy łączeniu miedzi z mosiądzem lub brązem cynowo-cynkowym producent wymaga już użycia pasty HS. 

UWAGA: NIE WOLNO używać lutów miedziano-fosforowych do lutowania stali oraz stopów zawierających nikiel. Zakaz ten wynika z faktu tworzenia się kruchych związków międzymetalicznych, które prowadzą do uszkodzenia (pękania) złącza. Nie ma przy tym znaczenia, czy spoiwo to zawiera srebro, czy też nie. 

Zachowanie lutów Cu-P-Ag: zawartość srebra a temperatura robocza i płynność

Analizując luty miedziano-fosforowe, można zauważyć wyraźną zależność pomiędzy zawartością srebra, temperaturą roboczą a charakterystyką topnienia spoiwa. Zwiększenie zawartości srebra (przy zachowaniu odpowiednich proporcji fosforu) powoduje obniżenie temperatury roboczej i poprawia płynność lutu.

Dla przykładu, lut o niskiej zawartości srebra jak Ag2P charakteryzuje się stosunkowo wysoką temperaturą roboczą (740°C) oraz szerokim zakresem topnienia (tzw. obszarem plastyczności od 650°C do 810°C). Sprawia to, że lut ten jest bardziej lepki (ciastowaty) w fazie przejściowej, co bywa korzystne przy wypełnianiu nieco większych, nierównych szczelin. 

Zupełnym przeciwieństwem i niezwykle ciekawym materiałem jest z kolei lut Ag18P (18% srebra, 7% fosforu). Jest to stop eutektyczny – oznacza to, że nie posiada on zakresu plastyczności, lecz przechodzi ze stanu stałego w ciekły błyskawicznie, w jednym punkcie temperaturowym (645°C). Posiada on najniższą temperaturę roboczą w tej grupie (650°C) i ekstremalnie wysoką płynność (jest rzadkopłynny), dzięki czemu idealnie nadaje się do bardzo ciasno spasowanych szczelin oraz do lutowania w piecach, chroniąc materiał rodzimy przed przegrzaniem. 

Ag18P jest też inny patrząc przez pryzmat formy jaką najczęściej dostarczamy naszym klientom. Stop ten (występujący np. pod oznaczeniem AS18U / Ag18PU) jest dostępny również w formie pręta otulonego topnikiem. Jest to jedyny lut CuPAg występujący w takiej postaci, co stanowi ogromne ułatwienie przy lutowaniu miedzi z mosiądzem lub brązem – instalator ma topnik od razu na spoiwie i nie musi sięgać po osobną pastę.

Luty twarde wysokosrebrne 

W stopach Ag-Cu-Zn-Sn dodatek cyny pozwala uzyskać zwykle niższe temperatury topnienia i lutowania w porównaniu z częścią odpowiedników bezcynowych. Zawarta w składzie stopu cyna poprawia również płynność ciekłego lutu - luty z tej grupy są bardziej rzadkopłynne. Wiele spoiw z tej grupy przeznaczonych jest do wymagających zastosowań instalacyjnych i chłodniczych, gdzie często lutowana jest miedź ze stalą. 

Formy dostawy a wygoda pracy 

Osobnym kryterium jest podział lutów na formę dostawy. Luty CuPAg standardowo dostarczamy w postaci prętów o przekroju okrągłym i kwadratowym. Dodatkową formą na zamówienie są taśmy i pierścienie lutownicze.

Luty wysokosrebrne dostarczamy w postaci prętów gołych i pokrytych otuliną. Otulina może być standardowa, ale coraz częściej dostarczamy naszym klientom luty w zredukowanej otulinie. Czyszczenie szklistych resztek po lutowaniu z tradycyjnej otuliny bywa uciążliwe, a ich pozostawienie prowadzi do korozji. To jak proszenie się o problemy... Na zamówienie dostarczamy również taśmy, pierścienie i inne formy zgodnie z zapotrzebowaniem klienta. 

Najczęstsze błędy instalatorów – o czym warto pamiętać? 

1. Mit „gołego drutu” – kiedy topnik jest niezbędny?
   Część instalatorów, mając w ręku lut goły, uważa, że przy lutowaniu miedzi z miedzią mogą zawsze zrezygnować z topnika. Wynika to z nierozróżniania poszczególnych stopów. O ile lut miedzianofosforowy (np. Ag5P), który występuje zawsze w formie gołej, jest samotopnikujący na złączu miedź-miedź, o tyle lutowanie gołym lutem wysokosrebrnym (np. Ag40Sn, Ag34Sn) bez topnika to poważny błąd! Powoduje to drastyczne pogorszenie zwilżania i brak prawidłowego wypełnienia szczeliny.
   
2. Rozmiar szczeliny lutowniczej ma znaczenie
   Kolejnym powszechnym problemem jest złe pasowanie elementów. Trzeba to jasno podkreślić: za duża szczelina lutownicza to gorsze parametry złącza. Luty twarde działają z wykorzystaniem zjawiska kapilarności, które jest najskuteczniejsze w ściśle określonym przedziale szczeliny (zwykle 0,05-0,2 mm).
   
3. Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej złącza
   To niezwykle ważny, a często pomijany parametr. Określa on zakres temperatur, w jakim zlutowane połączenie może trwale pracować bez utraty swoich właściwości mechanicznych i szczelności. Ma to kluczowe znaczenie m.in. w chłodnictwie, klimatyzacji (szczególnie w pompach ciepła) oraz instalacjach przemysłowych. Luty miedziano-fosforowe charakteryzują się z reguły węższym zakresem pracy (do +150°C), podczas gdy luty wysokosrebrne wykazują znacznie wyższą odporność na
   ekstremalne temperatury (od -200°C aż do +200°C), dzięki czemu są niezastąpione w instalacjach kriogenicznych i wysokotemperaturowych.