Lutowanie a spawanie: czym się różnią i kiedy co wybrać

Obie metody łączą metalowe elementy trwale, ale robią to inaczej. Przy spawaniu brzegi łączonych części topią się razem z dodanym materiałem i po zastygnięciu tworzą jedną całość. Przy lutowaniu elementy nie są topione: ogrzewa się je tylko tak, by stopione spoiwo, zwane lutem, wpłynęło w szczelinę i po zastygnięciu je związało. To rozróżnienie decyduje o wytrzymałości, temperaturze pracy i o tym, do czego każda metoda się nadaje.

Na czym polega spawanie

W spawaniu źródłem ciepła jest łuk elektryczny, płomień gazowy, wiązka lasera albo prąd oporowy. Metal rodzimy przechodzi w stan ciekły, miesza się z materiałem dodatkowym i krzepnie jako spoina, która ma zbliżone właściwości do łączonych elementów. Dlatego spoina, wykonana poprawnie, bywa równie wytrzymała jak materiał podstawowy, a często przenosi duże obciążenia konstrukcyjne.

Cena tej zalety to silne nagrzanie strefy złącza, odkształcenia cieplne i zmiany struktury metalu przy spoinie. Szczegóły metod łukowych opisują artykuły o spawaniu MIG/MAG i spawaniu TIG.

Na czym polega lutowanie

Lut ma niższą temperaturę topnienia niż łączone metale, więc elementy nie topią się, tylko się nagrzewają. Ciekły lut zwilża powierzchnię i w wąskiej szczelinie jest zasysany siłami kapilarnymi. Aby zwilżanie się powiodło, powierzchnie muszą być czyste, a w wielu zastosowaniach stosuje się topnik, który rozpuszcza tlenki i chroni miejsce lutowania przed utlenianiem.

Przyjęto umowny podział na lutowanie miękkie, w temperaturach poniżej 450 stopni Celsjusza, i twarde, w temperaturach wyższych. Lutowanie miękkie, na przykład cyną z dodatkami, stosuje się w elektronice i do łączenia cienkich elementów miedzianych, a spoina jest stosunkowo słaba mechanicznie. Lutowanie twarde, na lutach zawierających miedź, mosiądz lub srebro, daje znacznie mocniejsze połączenie i występuje w instalacjach chłodniczych, w narzędziach i przy łączeniu rur miedzianych. Przy lutowaniu twardym często mówi się też o lutospawaniu, gdy lut wypełnia większą szczelinę niż w typowym złączu kapilarnym.

Porównanie obu metod

Cecha	Spawanie	Lutowanie
Materiał rodzimy	topi się w miejscu złącza	nie topi się, tylko nagrzewa
Spoiwo	zbliżone składem do materiału rodzimego	lut o niższej temperaturze topnienia niż łączone części
Temperatura w strefie złącza	bardzo wysoka, powyżej topnienia metalu	niższa, w granicach temperatury topnienia lutu
Wytrzymałość złącza	zwykle dorównuje materiałowi rodzimemu	niższa, zależna od rodzaju lutu i szczeliny
Odkształcenia cieplne	większe, trzeba je kontrolować	mniejsze, element mniej się wypacza
Łączenie różnych metali	ograniczone, wymaga dobrej zgodności materiałów	łatwiejsze, na przykład miedź ze stalą
Przygotowanie złącza	ukosowanie, sczepianie, czasem podgrzewanie	wąska, równa szczelina i czyste powierzchnie
Typowe zastosowania	konstrukcje stalowe, zbiorniki, rurociągi, ramy	elektronika, instalacje miedziane, narzędzia, cienkie elementy

Kiedy wybrać spawanie

Spawanie wybiera się wszędzie tam, gdzie złącze ma przenosić duże siły lub pracować w wysokiej temperaturze. Dotyczy to konstrukcji nośnych, zbiorników ciśnieniowych, ram maszyn i rurociągów. Mała cena na jednostkę długości spoiny i możliwość prowadzenia prac na budowie to kolejne argumenty. Za wyborem spawania przemawia też grubość materiału, bo gruba blacha trudno się lutuje.

Trzeba pamiętać, że spawanie wymaga kwalifikacji spawacza, dobrego przygotowania i kontroli. W konstrukcjach odpowiedzialnych spoiny bada się metodami nieniszczącymi, a procedury spawania opisuje się i kwalifikuje według norm. Jeśli ktoś dopiero zaczyna naukę, prostszym wejściem jest spawanie elektrodą otuloną.

Koszty, kwalifikacje i bezpieczeństwo pracy

Lutowanie miękkie wymaga prostego sprzętu: lutownicy lub palnika i luta z topnikiem, więc łatwo je opanować. Lutowanie twarde potrzebuje palnika gazowego albo pieca i większej wprawy w kontroli temperatury, bo przegrzanie niszczy topnik, a niedogrzanie nie daje zwilżenia. Spawanie wymaga spawarki, osłony gazowej lub elektrod i uprawnień spawacza, jeśli konstrukcja podlega wymaganiom normowym.

W obu przypadkach trzeba zadbać o wentylację. Dym spawalniczy i opary topników są szkodliwe, a lut zawierający kadm lub ołów wymaga szczególnej ostrożności. Stosuje się środki ochrony oczu i rąk oraz odciąg przy stanowisku, a materiały łatwopalne usuwa się z okolicy pracy.

Kiedy wybrać lutowanie

Lutowanie sprawdza się tam, gdzie nie można dopuścić do przegrzania elementów ani ich odkształcenia. Dotyczy to cienkich blach, drobnych części, łączenia metali o różnych właściwościach oraz wszystkich połączeń elektrycznych i hydraulicznych w instalacjach miedzianych. Złącze lutowane bywa szczelne i estetyczne, a po zakończeniu często nie wymaga obróbki.

• Złącza elektroniczne i elektryczne: lutowanie miękkie.
• Instalacje chłodnicze, grzewcze i gazowe z rur miedzianych: lutowanie twarde, zgodnie z przepisami dla danej instalacji.
• Łączenie stali z miedzią lub mosiądzem, gdzie spawanie jest utrudnione.
• Naprawy drobnych pęknięć i uszczelnianie, gdy element nie może się odkształcić.

Wytrzymałość i temperatura pracy w praktyce

Złącze lutowane jest tak mocne, jak lut i powierzchnia sklejenia. Dlatego konstruktor stara się, by lut pracował na ścinanie na dużej powierzchni, a nie na odrywanie. Złącze zakładkowe z odpowiednią długością zakładki przenosi znacznie większe siły niż styk doczołowy. Szczelina przy lutowaniu twardym powinna być bardzo wąska, rzędu dziesiątych części milimetra, bo przy szerszej lut traci właściwości kapilarne i złącze słabnie.

Temperatura pracy złącza musi być wyraźnie niższa od temperatury topnienia lutu. Spoina lutowana cyną nie nadaje się więc do miejsc, w których element się mocno nagrzewa, a spoina spawana pracuje w tych samych warunkach co materiał rodzimy. Warto też pamiętać o korozji: topniki po lutowaniu trzeba usunąć, bo ich pozostałości mogą atakować metal, a różnica potencjałów między lutem a łączonym materiałem sprzyja korozji elektrochemicznej.

Jak podjąć decyzję

1. Określ, jakie obciążenie ma przenosić złącze i w jakiej temperaturze będzie pracować.
2. Sprawdź grubość i rodzaj materiałów, a także to, czy są to metale o różnych właściwościach.
3. Oceń, czy element zniesie nagrzanie i odkształcenie, czy trzeba je ograniczyć.
4. Zdecyduj, czy złącze ma być szczelne, estetyczne i gotowe bez obróbki.
5. Sprawdź wymagania normowe i przepisowe dla danej konstrukcji lub instalacji i wybierz technologię, dla której masz kwalifikacje.