201206_PSpaw.pdf 37Przegląd sPawalnictwa 6/2012 Andrzej Winiowski niezgodności złączy lutowanych spoiwami twardymi i przyczyny ich powstawania imperfections in brazed joint and sources  of their formation Dr inż. Andrzej Winiowski – Instytut Spawalnictwa, Gliwice. Streszczenie Omówiono rodzaje niezgodności lutowniczych oraz fi- zykochemiczne i technologiczne przyczyny ich powstawa- nia. Scharakteryzowano również normę PN-EN ISO 18279 Lutowanie twarde – niezgodności w złączach lutowanych na twardo. Abstract Types of brazing imperfections and physical, che- mical and technological sources of their formation have been presented. Additionally PN-EN ISO 18279 Brazing – imperfections in brazed joints standard has been di- scused. Wstęp Podczas lutowania twardego, a więc lutowania spo- iwami o temperaturze topnienia wyższej niż 450°C (723 K), nie dochodzi przetapiania brzegów łączonych materiałów, lecz tylko ich nagrzania do temperatury lu- towania i stopienia spoiwa (lutu). Połączenie lutowane powstaje w tych warunkach w wyniku występujących zwykle kompleksowo zjawisk charakterystycznych dla teorii kapilarności (zwilżenie materiału łączonego przez lut, rozpływanie się lutu po powierzchniach łączonych materiałów, wnikanie kapilarne lutu w szczelinę złącza) i w wyniku oddziaływania rozpuszczeniowo-dyfuzyj- nego pomiędzy ciekłym lutem i materiałem łączonym w stanie stałym. Jeżeli oddziaływanie między lutem i materiałem łączonym ogranicza się wyłącznie do zja- wisk kapilarnych, powstaje połączenie bezdyfuzyjne typu adhezyjnego. Efektem procesu lutowania jest lu- towina utworzona w części centralnej ze stopiwa lu- towniczego, powstałego ze stopionego spoiwa – lutu (może zawierać również składniki materiałów łączo- nych) i obejmująca od strony materiałów łączonych strefy przejściowe – dyfuzyjne [1÷6]. Ta odmienność procesów fizykochemicznych stanowiących podstawę tworzenia połączeń luto- wanych w porównaniu z połączeniami spawanymi i zgrzewanymi powoduje, że również niezgodności lutownicze mają nieco odmienny charakter od nie- zgodności spawalniczych i zgrzewalniczych. Dotyczy to również lutozgrzewania i lutospawania (gazowego, łukowego, laserowego i wiązką elektronów). W artykule przedstawiono typowe niezgodności lu- townicze i podstawowe przyczyny ich powstawania, a także komentarz do stosowania obowiązującej nor- my PN-EN ISO 18279 Lutowanie twarde. Niezgodno- ści w złączach lutowanych na twardo. Rodzaje niezgodności w połączeniach lutowanych lutami twardymi i przyczyny ich powstawania Niezgodności lutownicze występujące w połącze- niach wykonanych przez lutowanie twarde można po- dzielić na następujące rodzaje: – pęknięcia, – pustki, – wtrącenia stałe, – brak połączenia, – niezgodności kształtu i wymiarów, – inne niezgodności. niezgodności te dzieli się na: zewnętrzne – po- wierzchniowe, które obejmują: pęknięcia (powierzch- niowe), porowatość powierzchni lutowiny, niezgodności 38 Przegląd sPawalnictwa 6/2012 kształtu i wymiarów złącza, przetopienie miejsco- we, chropowatość powierzchni lutowiny, wniknię- cie topnika w powierzchnię lutowiny i jego pozosta- łości na złączu, rozprysk lutu, barwy nalotowe (ciepl- ne), erozję powierzchni materiałów łączonych itp; we- wnętrzne, takie jak: pęknięcia (wewnętrzne), brak po- łączenia, wtrącenia stałe (metaliczne, tlenkowe, top- nikowe), pustki gazowe, przyklejenie lutowiny, skut- ki nadmiernego przereagowania spoiwa z materiałem podstawowym itp. [4÷7]. Pęknięcia lutownicze Pęknięcie lutownicze definiuje się zwykle jako ogra- niczone rozdzielenie materiału w wyniku występowania naprężeń rozciągających. Pęknięcia mogą być ułożone podłużnie lub poprzecznie względem osi złącza i wy- stępować w lutowinie lub na jej granicy (w stopiwie lu- towniczym lub w strefie dyfuzji), a także w strefie wpły- wu ciepła w materiale łączonym oraz w materiale łą- czonym poza strefą wpływu ciepła [3÷7]. Ze względu na mechanizm powstawania, pęknięcia w połączeniach lutowanych dzieli się na zimne, powsta- jące podczas chłodzenia połączenia lutowanego w tem- peraturze do ok. 200oC, i gorące, występujące w wyż- szych temperaturach. Przyczyną zimnych pęknięć, wy- stępujących na ogół w obrębie lutowiny w stopiwie lu- towniczym lub w strefach dyfuzyjnych złącza, jest naj- częściej powstawanie w strukturze złącza kruchych faz międzymetalicznych i mieszanin eutektycznych (rys. 1). Pęknięcia te mogą być także wynikiem zbyt szybkiego chłodzenia złącza po lutowaniu wskutek dużej różnicy rozszerzalności cieplnej między łączonymi materiałami lub lutowiną (lutem) i łączonym materiałem. Pęknięcia gorące, występujące czasem w luto- winach w stopiwie lutowniczym, powstają na ogół w procesie krystalizacji lutowiny lub poniżej jej tem- peratury solidusu podczas poligonizacji granic ziaren. Bezpośrednią przyczyną tych pęknięć jest zbyt mała (przy stosunkowo wysokich naprężeniach podczas krzepnięcia) wytrzymałość i zdolność do odkształce- nia lutowiny lub występujących w niej niżej topliwych faz. Szczególnie narażone na takie pęknięcia są luto- winy wykonane wieloskładnikowymi spoiwami o szero- kim zakresie krystalizacji. Pęknięcia w materiale lutowanym powstają naj- częśściej przy lutowaniu materiałów o małej pla- styczności i rozszerzalności cieplnej. Ich przyczy- ną może być również dyfuzja lutu do materiału łączo- nego, np. w warunkach słabej rozpuszczalności lutu w tym materiale. Pustki Niezgodności tego typu obejmują: drobne i obszer- ne pęcherze gazowe (powierzchniowe, pojedyncze lub grupowe w postaci gniazd lub łańcuchów) oraz pory powierzchniowe. Ze względu na mechanizm powstawania pęcherze i pory w połączeniach lutowanych można podzielić na: gazowe, usadowe i dyfuzyjne [3÷7]. Pęcherze gazowe powstają najczęściej w wyniku miejscowego braku zwilżenia powierzchni materiału łą- czonego przez ciekły lut, wydzielania się gazów z cie- kłej lutowiny przy krzepnięciu (wraz z obniżeniem tem- peratury zmniejsza się rozpuszczalność gazów), a nie- kiedy również w wyniku odgazowania materiałów łą- czonych w strefie przyległej do lutowiny (rys. 2). Mogą też powstawać podczas nagrzewania z zanieczysz- czeń organicznych i tlenkowych na powierzchniach łą- czonych materiałów oraz w wyniku miejscowego odpa- rowania lutu i topnika lub ich składników o niskich tem- peraturach wrzenia. Pęcherze (pustki) usadowe powstają niekiedy w przestrzeniach międzydendrytycznych przy krzep- nięciu lutowin, wykonanych lutami o bardzo szerokim zakresie krzepnięcia. Pęcherze (pustki) dyfuzyjne powstają natomiast w wyniku nierównomiernej dyfuzji składników (np. efek- tu Kirkendalla) w złączu w procesie jego powstawa- nia lub podczas wyżarzania ujednoradniającego (do- tyczy to np. homogenizacji połączeń lutowanych dy- fuzyjnie), czy też w eksploatacji połączeń lutowanych w wysokiej temperaturze. Występowaniu pęcherzy (pustek) w połączeniach lutowanych sprzyjają też: zbyt wysoka temperatura i długi czas lutowania, nierównomierne nagrzanie złą- cza lub wadliwa konstrukcja połączeń, uniemożliwiają- ca całkowite wypchnięcie przez ciekły lut na zewnątrz powietrza ze szczeliny lutowniczej. Rys. 1. Pęknięcie zimne pomiędzy kruchymi fazami w połączeniu stal nierdzewna (góra) – tytan (dół), lutowanym spoiwem srebrno- -miedzianym w próżni. Traw. odczynnikiem Buehler Fig. 1. Cold crack between brittle phases in stainless steel (up) – ti- tanium (down) joint brazed with silver – cooper filler metal in vaacum. Etch. Buehler Rys. 2. Pęcherze gazowe w połączeniu elementów mosiężnych luto- wanych spoiwem srebrnym i topnikiem fluorkowym. Traw. FeCl3 Fig. 2. Gas pore in joint of braze elements brazed with silver filler me- tal and fluoride flux. Etch. FeCl3 39Przegląd sPawalnictwa 6/2012 Wtrącenia stałe Wtrącenia stałe, występujące w lutowinach, mogą być niemetaliczne i metaliczne. Do pierwszych należą przede wszystkim wtrącenia tlenkowe i topnikowe, a do drugich wtrącenia obcych metali [3÷7]. Wtrącenia tlenkowe (tlenki z powierzchni materia- łów łączonych) występują zwykle na granicach lutowi- ny. Ich źródłem są źle oczyszczone powierzchnie łą- czonych materiałów. W wyniku reakcji metalurgicznych pomiędzy reaktywnymi składnikami lutów i gazami z at- mosfery w lutowinie mogą powstawać również wtrące- nia węglików i azotków. Wtrącenia topnikowe (topnik, żużel topnikowy) wy- stępują w lutowinie lub na jej powierzchni w przypadku stosowania zbyt niskiej temperatury lub zbyt krótkiego czasu lutowania, niewłaściwego dozowania lutu (np. z obydwu stron) do szczeliny lutowniczej złącza, sto- sowania topników o zbyt dużej gęstości w porównaniu z gęstością ciekłego lutu oraz zastosowania zbyt ma- łych szczelin lutowniczych w złączach. Powstawaniu takich wtrąceń sprzyja nadmiar topnika lutowniczego. Wtrącenia obcych metali mogą pochodzić z ze- wnątrz, np. z elementów oprzyrządowań mocujących i ustalających położenie łączonych części. Brak połączenia Niezgodności tego typu obejmują: przyklejenie luto- winy, a więc brak lub niedostateczne połączenie o cią- głości fizycznej pomiędzy materiałem łączonym i luto- winą, miejscowy brak wypełnienia lutem szczeliny złą- cza oraz niedolutowanie, tj. niepełne wniknięcie lutu do szczeliny złącza na całej długości (rys. 3) [3÷7]. Pierwsza z tych niezgodności, przyklejenie lutowi- ny, jest powodowana zwykle brakiem właściwego zwil- żenia przez lut jednej lub obu powierzchni łączonych materiałów. Sprzyja temu utleniona lub zanieczysz- czona substancjami organicznymi powierzchnia łączo- nego materiału, mała aktywność topnika lub atmosfe- ry kontrolowanej w procesie lutowania, zbyt mała ilość topnika, a także za niska temperatura i zbyt krótki czas lutowania. Przyczyną braku wypełnienia lutem szczeliny złą- cza oraz niedolutowania może być np.: zastosowa- nie zbyt małej lub zbyt dużej szczeliny lutowniczej, czy też zbyt szerokiej zakładki złącza. Może też wy- nika z zastosowania zbyt małej ilości lutu (zwłaszcza niedolutowania) lub topnika, a także niskiej tempera- tury (niedogrzania części) i krótkiego czasu lutowania. Niezgodności kształtu i wymiaru złącza Do niezgodności tego typu należą [3÷7]: – nadmiar lutu, – niezgodności kształtu złącza, – liniowe przemieszczenie elementów złącza, – kątowe przemieszczenie elementów złącza, – odkształcenie złącza, – miejscowe stopienie/przetopienie wskośne złącza lub materiału łączonego w przyległym obszarze, – nadtopienie powierzchni łączonego materiału, – erozja powierzchni złącza w wyniku agresywnego oddziaływania lutu, – chropowatość powierzchni złącza, – niedomiar lutu/wklęsła wypływka pochwinowa (pachwina) lutowiny, – niedostateczna wypływka pochwinowa (pachwina) lutowiny, – nieregularna wypływka pochwinowa (pachwina) lu- towiny. Przyczyn tych niezgodności należy upatrywać w zastosowaniu zbyt dużej ilości lutu lub jego niewła- ściwej postaci, niedostatecznym ustaleniu położenia elementów lutowanych, źle zaprojektowanym oprzy- rządowaniu pomocniczym do lutowania (liniowe i ką- towe przemieszczenie elementów, odkształcenie złą- cza), czy też doprowadzeniu nadmiernej ilości ciepła w wyniku źle dobranego źródła ciepła przy lutowaniu. Powodami mogą być również: zbyt wysoka tempera- tura i długi czas lutowania, brak wprawy w operowa- niu źródłem ciepła przy lutowaniu ręcznym (miejsco- we stopienie lub przetopienie, nadtopienie powierzch- ni, erozja), zbyt mała ilość lutu, zbyt szeroka szczelina lutownicza (niedomiar lutu – wklęsła pachwina)), nie- dostateczne warunki zwilżania, źle dobrany topnik lu- towniczy, niedogrzanie lub przegrzanie złącza (chro- powatość powierzchni), czy też nieregularne krzepnię- cie i likwacja w lutowinie (chropowatość powierzchni, nieregularna lub niedostateczna pachwina). Inne niezgodności Trzeba też zauważyć niezgodności, które nie są sklasyfikowane w przedstawionych powyżej grupach. Należą do nich [3÷7]: – odpryski lutu na powierzchni łączonych elementów, – cieplne barwy nalotowe (utlenienie) na powierzchni złącza, – wtrącenia lub pozostałości topnika nieusunięte ze złącza po lutowaniu, – nadmierne rozpłynięcie lutu, ślady trawienia mate- riału łączonego przez topnik. Rys. 3. Niedolutowanie w złączu mosiężnym lu- towanym spoiwem srebr- nym i topnikiem fluorko- wym. Traw. FeCl3 Fig. 3. Incomplete pene- tration in braze joint bra- zed with silver filler me- tal and fluoride flux. Etch. FeCl3 40 Przegląd sPawalnictwa 6/2012 Przyczyny powstawania tych niezgodności przed- stawiono już wcześniej. I tak, do podstawowych przy- czyn powstawania odprysków lutu na powierzchniach materiałów łączonych należy zagazowanie i zawilgo- cenie lutu lub topnika oraz jednoczesne przegrza- nie lutu i niedogrzanie materiału łączonego. Ciepl- ne barwy nalotowe i utlenienie złączy mogą być wy- wołane niedostateczną osłoną topnikową lub zanie- czyszczoną atmosferą kontrolowaną w procesie lu- towania. Nadmierne przereagowanie lutu z materia- łami łączonymi może nastąpić w przypadku dostar- czenia nadmiernej ilości ciepła do złącza, stosowa- nia zbyt długiego czasu lutowania lub zbyt dużej ilo- ści lutu. Ważna jest również wysoka skłonność lutu i materiału łączonego lub ich składników do intensyw- nego oddziaływania fizykochemicznego. Przyczyną wtrąceń i pozostałości topnikowych na powierzch- ni lutowiny może być źle dobrany topnik, jego nad- miar, a także zbyt niska temperatura oraz krótki czas lutowania. Nadmierne rozpłynięcie lutu może nato- miast wystąpić po przegrzaniu łączonych elemen- tów lub jednego z nich, a także w przypadku zasto- sowania nadmiaru lutu i topnika. Występowaniu tego zjawiska sprzyja chropowata powierzchnia łączone- go materiału (np. po zgrubnej obróbce skrawaniem), której nierówności stanowią kapilarne mikroszczeliny dla ciekłego lutu. Klasyfikacja niezgodności lutowniczych wg PN-EN ISO 18279:2008 i poziomy jakości połączeń lutowanych W normie PN-EN ISO 18279 Lutowanie twarde – niezgodności w złączach lutowanych na twardo przed- stawiono rodzaj, kształt i położenie niezgodności lu- towniczych. Niezgodności lutownicze są definiowane jako „nie- prawidłowości w złączu lutowanym, a także przemiesz- czenie się elementów lutowanych względem zamierzo- nej pozycji i kształtu podzespołu lutowanego, gdy prze- mieszczenie to zależy tylko od lutowania”. Wszystkie niezgodności lutownicze sklasyfiko- wano w sześciu grupach: pęknięcia (grupa I), pust- ki (grupa II), wtrącenia stałe (grupa III), brak połącze- nia (grupa IV), niezgodności kształtu i wymiarów (gru- pa V), niezgodności różnorodne (grupa VI). Dalsze rozróżnienie jest dokonane pomiędzy zewnętrznymi i wewnętrznymi niezgodnościami, które występują w połączeniach lutowanych. W normie PN-EN ISO 18279 podano również pro- ponowane dla poszczególnych typów niezgodności granice ich występowania w celu określenia poziomów jakości połączeń lutowanych. Ustalono trzy poziomy jakości połączeń lutowanych, wyznaczających wyma- gania: D – umiarkowany, C – pośredni, B – ostry. Przewidziano jeszcze poziom A przeznaczony dla szczególnie ostrych wymagań w specjalistycznych za- stosowaniach lutowania. W zakresie tej klasyfikacji poziomów jakości po- łączeń lutowanych autorzy normy zwracają uwa- gę na ograniczoną możliwość jej zastosowania [8]. Zastosowanie poziomów jakości dla złączy lutowa- nych może być skuteczne bowiem tylko wtedy, kie- dy jest określony wpływ wykazanych niezgodności na eksploatację złączy. W złączach lutowanych wy- stępują niezgodności, które są uznawane za szkodli- we w każdym przypadku lub też uznawane za szko- dliwe lub nieszkodliwe w różnych przypadkach za- stosowań, w zależności od wymagań eksploatacyj- nych stawianych złączom. Ocena wpływu wymienio- nych niezgodności na funkcjonowanie złączy pod- czas eksploatacji jest trudna, gdyż nie prowadzo- no dotychczas wiarygotnych badań w tym zakresie, jak np. dla złączy spawanych. Korzystając z praktycznych doświadczeń przemy- słowych, w normie PN-EN ISO 18279 klasyfikującej szczegółowo niezgodności lutownicze w złączach luto- wanych lutami twardymi, podjęto próbę określenia po- ziomów jakości i przedstawienia proponowanych gra- nic tych niezgodności jedynie dla ogólnych zastoso- wań. Należy je jednak traktować jako propozycje, któ- re mogą być przydatne, gdy brak jest innych szczegó- łowych przepisów w tym zakresie. Wymagania dotyczące funkcjonowania złączy od- powiedzialnych i ważnych konstrukcji lutowanych zale- ca się określać, korzystając z odpowiednich dokumen- tów, np. dokumentacji produkcyjnej lub instrukcji tech- nologicznej wytwarzania. Jest również ważne, aby wymagania stawiane po- szczególnym złączom lutowanym były szczegółowo przedstawione oraz w pełni udokumentowane przed każdym przystąpieniem do klasyfikacji i w związku z tym możliwe do weryfikacji. Spełnienie tych wyma- gań może być sprawdzane przez badanie albo same- go złącza lutowanego, lub też odpowiedniej próbki wy- tworzonej w warunkach porównywalnych do produk- cyjnych. Nie można jednak pominąć uwag krytycznych do tej ważnej i potrzebnej normy, dotyczących tłuma- czenia na język polski niektórych nazw niezgodno- ści, dokonanych przez weryfikatorów w Polskim Ko- mitecie Normalizacyjnym, niezależnie od Komite- tu Technicznego, w którym ta norma była tłumaczo- na. I tak, „niedolutowanie” niewłaściwie występuje w niej jako „brak przetopu” (!), „brak wypełnienia lu- tem szczeliny złącza” jako „niezgodności materiału wypełniającego”, „nadmiar lutu” jako „nadmiar luto- winy twardej”, „nieregularna lub niedostateczna wy- pływka pachwinowa (pachwina) lutowiny” jako „nie- wystarczające lub nieregularne zaokrąglenie”, „ciepl- ne barwy nalotowe” jako „zmiana barwy”, „wtrącenie topnikowe” jako „wyciek topnika”, „nadmierne roz- płynięcie lutu” jako „nadmierne rozpłynięcie lutowiny twardej” itp. 41Przegląd sPawalnictwa 6/2012 Literatura [1] Praca zbiorowa: Brazing Handbook. AWS, Miami, Florida, 2007. [2] Schwartz M.: Brazing. ASM International, Material Park, Ohio, 2003. [3] Laško N.F., Laško S.V.: Pajka metałłov. Mašinostrojenie, Mo- skva, 1984. [4] Praca zbiorowa: Spravočnik po pajkie. Mašinostrojenie, Mo- skva, 2003. [5] Pietrunin J.E.: Fiziko-chimičeskije processy pri pajkie. Wysša- ja Škoła, Moskva, 1972. [6] Pietrunin I.E., Markowa I.J., Jekatowa A.S.: Metałłowiedenie pajki. Metałłwurgia, Moskwa 1978. [7] Czuchryj J., Papkala H., Winiowski A.: Niezgodności w złą- czach spajanych. Skrypt Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, 2005. [8] Łomozik M., Pietras A., Stano S., Węglowska A., Węglowski M., Winiowski A.: Makroskopowe i mikroskopowe badania me- talograficzne materiałów konstrukcyjnych i ich połączeń spaja- nych. Skrypt Instytutu Spawalnictwa. Gliwice, 2009. Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego „Kursy zawodowe, metodą MAG i TIG – szansą zdobycia dobrego zawodu” Szkolenia spawalnicze dla osób niepełnosprawnych Jesteś osobą niepełnosprawną? Pragniesz doskonalić swoje umiejętności i zdobyć kwalifikacje zawodowe najbardziej poszukiwane na Opolszczyźnie? Dzięki wsparciu z Europejskiego Funduszu Społecznego możesz skorzystać z darmowych szkoleń zawodowych z zakresu spawania metodami MAG 135 i TIG 141, będącymi jednymi z najbardziej poszukiwanych na Opolszczyźnie kwalifikacji. Organizator szkolenia zapewnia: wyżywienie i materiały dydaktyczne. Do udziału w szkoleniach szczególnie zapraszamy kobiety. Więcej informacji w Biurze Projektu w Opolu, ul. Kępska 3-5, pod numerem telefonu: 510 265 115 oraz na stronie: www.profesja1.pl To twoja szansa na lepsze jutro, czy stać Cię, by ją zmarnować?