Lutowanie – Jak lutować? – Poradnik

Czym jest prawidłowe lutowanie? Jak się lutuje?

Lutowanie to proces polegający na łączeniu ze sobą dwóch elementów metalowych w sposób trwały i nierozłączny bez użycia fizycznej siły. Wykorzystuje się w tym celu spoiwo wykonane z metalu.

Lutowanie – krok po kroku

Spoiwo należy ogrzać do temperatury wyższej niż topnienie, lecz niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów, dzięki czemu podczas lutowania elementy łączone pozostaną w stanie docelowym, a spoiwo zmieni swój stan skupienia na ciekły. Temperatura lutowania powinna więc być równa temperaturze topnienia spoiwa. Przewodzenie napięcia między dwoma połączonymi elementami jest skutkiem adhezji, polegającej na łączeniu ze sobą warstw powierzchniowych, bez występowania nietrwałych wiązań chemicznych. W przewodzeniu pomaga również dyfuzja, czyli rozprzestrzenianie się cząsteczek i energii w danym ośrodku.

Wyróżniamy dwa rodzaje lutowania, które różnią się temperaturą topnienia lutu:

• lutowanie twarde polega na rozgrzewaniu lutu do temperatury wyższej niż 450 stopni Celsjusza
• lutowanie miękkie (lutowanie na zimno) – temperatura lutowania miękkiego równa jest lub niższa  niż 450 stopni Celsjusza

Oba rodzaje lutowania mogą być wykonywane nawet przez amatorów. Spoiwo w stanie bliskim ciekłego wypełnia szczelinę między dwoma elementami łączonymi, a także przywiera do niewielkich porów znajdujących się na każdym z nich. Pory zwiększają powierzchnię styku spoiwa, umożliwiając stworzenie bardzo wytrzymałych połączeń. Aby jednak nasz lut właśnie taki był, należy zadbać między innymi o topnik, który oczyści łączone powierzchnie z tlenków, co umożliwia stworzenie metalicznego wiązania. Pamiętaj, aby dostosować sposoby lutowania do wykorzystywanych materiałów!

Co to jest spoiwo? Zasady lutowania

Stop lutowniczy służy do lutowania i charakteryzuje się składem umożliwiającym jego rozgrzanie we właściwej temperaturze. Niecałe 15 lat temu najczęściej spotykanym spoiwem była mieszanka cyny i ołowiu, lecz ograniczenie względem tego drugiego materiału w 2006 roku spowodowało, że producenci zaczęli stosować luty bezołowiowe. Może to być stop lutowniczy z dodatkami srebra, miedzi lub bizmutu, a nawet antymonu. Spoiwa różnią się między sobą głównie temperaturą topnienia. Zazwyczaj jednak temperatura zmiany na stan ciekły wynosi od 215 do 230 stopni Celsjusza. Spoiwo sprzedawane w sklepach ma kształt lasek lub drutu nawiniętego na szpulę. 

Drut może być z kanałami wypełnionymi topnikiem. Topnik ułatwia proces lutowania i przyspiesza go, a przy tym pozwala na stworzenie znacznie mocniejszych połączeń za sprawą ciągłego oczyszczania łączonych powierzchni z tlenków. Co ciekawe, w sklepach znajdziemy również topnik w płynie. Czasami potrzeba go znacznie więcej niż w kanalikach wewnątrz spoiwa, dlatego warto się zaopatrzyć w niewielką butelkę na wypadek poprawiania lutów.

Rodzaje lutownic – poradnik. Jak używać lutownicy?

Na rynku znajdziemy bardzo wiele rodzajów lutownic. Poszczególne modele różnią się między sobą głównie budową, formą użytkowania i komfortem pracy, a także sposobem emitowania ciepła. Najważniejsze modele, które przyjęły się w elektronice i nie tylko, to:

• Lutownice oporowe (grzałkowe). Na ten moment najczęściej używany rodzaj lutownicy do robotyki, zazwyczaj w formie stacji lutowniczej zawierającej lekką kolbę (ostateczny element lutownicy) oraz zasilacz, którego nie trzeba brać w dłonie. Dzięki temu stacje lutownicze w rodzaju oporowych charakteryzują się bardzo wysokim stopniem precyzji dzięki lekkiej i ergonomicznie zaprojektowanej kolbie, a przy tym łatwością użytkowania i ustawienia temperatury.
• Lutownice transformatorowe to poprzednik lutownic oporowych i różnią się od nich głównie sposobem generowania energii. W tym wariancie odpowiada za to masywny transformator generujący dużą energię, która przepływa przez drut, będący jednocześnie grotem. Bardzo duża waga i niewielka precyzja to główne wady tej konstrukcji. Z zalet warto wymienić kilka ustawień mocy oraz względnie dużą trwałość, a przy tym niedługi czas niezbędny do rozgrzania grota.
• Lutownice hot-air (stacje na gorące powietrze) to bardzo precyzyjny wariant tego urządzenia elektronicznego, który polega na lutowaniu powietrzem o temperaturze wystarczającej do stopienia spoiwa. Temperaturę powietrza podnosi w przypadku tego modelu grzałka elektryczna. Urządzenie to znakomicie się sprawdza w rozlutowywaniu i podczas montażu SMD, lecz znacznie gorzej w samym lutowaniu.

Proces lutowania wykorzystujący zimny lut

Podczas procesu lutowania możemy natknąć się na wiele pułapek, które prowadzą do zniweczenia naszych starań. Częstą problemem dla osób rozpoczynających lutowanie jest powstawanie zimnego lutu, zwanego także zimnym stykiem. Sytuacja ta jest zawsze związana z nieodpowiednio dobrze wykonanym procesem lutowania, dlatego da się jej uniknąć poświęcając więcej czasu na naukę.

Podstawowym warunkiem, który musi zostać spełniony podczas lutowania, jest między innymi dyfuzja, która polega na przenikaniu cząsteczek lub energii w danym ośrodku. Z zimnym lutem mamy do czynienia wtedy, kiedy podczas lutowania następuje stopienie lutu lutownicą, a nie przez rozgrzane, łączone elementy. Taka sytuacja powoduje, że nie dochodzi do procesu dyfuzji, a jedynie do adhezji, czyli “sklejenia” się dwóch elementów ze sobą. Trwałe i mocne połączenia bez ryzyka zimnego lutu powstają tylko wtedy, kiedy zarówno sam grot, jak i pozostałe elementy lutowane będą rozgrzane do temperatury wyższej niż temperatura topnienia lutu. Wówczas spełnione zostaną dwa warunki do właściwego lutowania – adhezja oraz dyfuzja. Zimny lut może powstać także wskutek niezastosowania topnika lub przy jego zbyt małej ilości. Na powierzchniach lutowanych znajduje się warstwa tlenków, która stanowi barierę dla lutu i tym samym wpływa na siłę połączenia.

Parametry dobrej stacji lutowniczej

Każda lutownica oraz stacja lutownicza różni się między sobą wieloma parametrami, które warto wziąć pod uwagę podczas dokonywania zakupu. To w głównej mierze właśnie od nich zależy łatwość wykonywania pracy, jak i jej precyzja i brak uczucia zmęczenia. Warto także wiedzieć, że niektóre modele zupełnie nie nadają się do danej pracy, szczególnie dla osób, które zajmują się robotyką profesjonalnie lub amatorsko.

Bardzo istotny jest wybór formy lutownicy w formie stacji. Tylko taki model zapewni łatwość użytkowania i pełen komfort pracy, nawet podczas wielogodzinnych sesji lutowania elementów wymagających mnóstwa precyzji. Stacja jest rozdzielona, dlatego w dłoni trzymamy wyłącznie samą kolbę z grotem, zaś w stacji położonej tuż obok znajduje się cała reszta elektroniki. 

• Moc lutownicy jest zdecydowanie najważniejszym parametrem wpływającym na wybór konkretnego modelu. Zbyt mała moc w lutownicy oporowej powoduje, że ogrzanie grota zajmuje nawet 30 minut, co w skrajnych przypadkach będzie wymagało włączenia lutownicy jeszcze przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac. Kolejnym następstwem zbyt niskiej mocy jest fakt, iż podczas procesu lutowania następuje obniżenie temperatury grota. Lutowanie małych rezystorów nie będzie żadnym problemem, jednak kłopoty zaczną się przy lutowaniu złącz, gdyż urządzenie nie będzie w stanie zapewnić temperatury odpowiedniej do wykonania tej pracy.
• Grot jest równie istotny i należy poświęcić mu dużo uwagi, gdyż to od niego może zależeć powodzenie danego lutu. Grot to końcowy element lutownicy, który często jest traktowany przez producentów najtańszego sprzętu zbyt ogólnikowo, przez co ulega bardzo szybkiemu zużyciu wskutek tracenia kształtu i właściwości. Zniszczony grot już po kilku sesjach lutowania będzie wymagał wymiany, zaś ten ze stacji renomowanego producenta będzie mógł kontynuować swoją pracę przez znacznie dłuższy czas.
• Należy zwrócić ogromną uwagę również na wygodę użytkowania. Rączka powinna być lekka i dobrze leżeć w dłoni, a przy tym nie powinna ulegać zbyt szybkiemu nagrzewaniu. Warto wiedzieć, że osoby zajmujące się robotyką często spędzają na lutowaniu wiele godzin.

Jak lutować – krok po kroku

Proces lutowania opisywanego w tym poradniku tyczy się wyłącznie elektroniki użytkowej, dlatego wszelkie informacje w nim zawarte tyczą się lutowania miękkiego – do 450 stopni Celsjusza. Warto jednak wiedzieć, że lutowanie elektroniki odbywa się w znacznie niższej temperaturze, która przeważnie nie przekracza 250 stopni Celsjusza. Lutowanie to dość łatwy proces, wymaga jednak doświadczenia i dużej precyzji, nawet od zaawansowanych i profesjonalnych konstruktorów. Każdy ruch musi być pewny i stanowczy, lecz przy tym także stosunkowo spokojny i powolny. Większość osób zajmujących się lutowaniem amatorsko popełnia dwa podstawowe błędy, które mogą zaważyć na trwałości pracy i jej bezpieczeństwie. Należy do nich między innymi przenoszenie roztopionej cyny na grocie oraz pośpiech podczas pracy.

Lutowanie rozpoczynamy od przyłożenia grota lutownicy do lutowanego elementu. Grot przykładamy nie do spoiwa, a do elementów, które chcemy ze sobą zespolić, skutecznie podwyższając ich temperaturę. Wiele osób pierwszy krok rozumie absolutnie niewłaściwie i rozpoczyna swoją pracę od rozgrzania kawałka cyny, która osiada na grocie naszej lutownicy, po czym przenoszą ją na lutowane elementy. To ogromny błąd i działanie zupełnie niezgodnie ze sztuką.

Drugim etapem lutowania jest chwilka przerwy, której potrzebujemy na właściwe rozgrzanie się powierzchni, które ze sobą spajamy. Pamiętajmy jednak, że chodzi o rozgrzanie powierzchni, a nie o ich spalenie nadmierną temperaturą. Elementy powinny być gorące, lecz nie w takim stopniu, aby je uszkodzić. Powinno to zająć nie więcej niż kilka sekund.

W dalszym ciągu trzymając lutownicę w miejscu łączenia, przechodzimy do ostatniego punktu, w którym przykładamy cynę, np. w postaci drutu lub laski do miejsca, w którym grot dotyka lutowanych elementów. Wówczas temperatura grota w połączeniu z temperaturą spajanych przedmiotów spowoduje zmianę stanu skupienia cyny poprzez jej roztopienie. Dzięki temu połączenie będzie mocne i trwałe, a przy tym bardzo równe.

Dodatki akcesoryjne, które warto mieć

Zawsze i niezależnie od tego, czy zajmujemy się robotyką profesjonalnie czy może robimy to hobbystycznie, powinno się posiadać dobrze wyposażony warsztat. Niedobór narzędzi może skutkować między innymi źle wykonaną pracą i irytacją, dlatego warto go unikać za wszelką cenę. Co warto mieć?

• Odsysacz do cyny przyda się zawsze i wszędzie. Narzędzie to umożliwia odsysanie podgrzanej cyny i ma formę strzykawki lekarskiej bez igły. To małe akcesorium działa jednak na odwrotnej zasadzie, gdyż po wciśnięciu przycisku w górnej części tworzymy podciśnienie zamiast nadciśnienia, dzięki czemu stopiona cyna wpływa do środka. To małe urządzenie przyda się między innymi podczas oczyszczania płytek.
• Bardzo istotne jest, by zawsze pod ręką mieć dodatkową butelkę topnika. Płyn ten ułatwi nam lutowanie i wstępnie przygotowuje powierzchnie elementów, oczyszczając je z wielu osadów, takich jak tlenki. Ponadto topnik ułatwia i przyspiesza topnienie cyny.
• Okulary chronią oczy i warto je stosować nawet podczas bardzo krótkich sesji lutowania. Zbieg niefortunnych zdarzeń może spowodować, że kawałek odcinanego drutu wystrzeli w stronę naszej twarzy, w skrajnych wypadkach raniąc oko.
• Obcinaczki są niezbędne do odcinania nóżek lutowanych elementów i warto je mieć zawsze pod ręką. Podobnie z wkrętakami i śrubokrętami w wielu rozmiarach. Zajmują bardzo niewiele miejsca, a czasami okazują się absolutnie niezbędne.

Czym jest trzecia ręka?

Akcesorium, które warto opisać znacznie dokładniej niż powyższe, jest zdecydowanie uchwyt uniwersalny, zwany również potocznie trzecią ręką. Uchwyt ten jest wyposażony w dwa krokodylki oraz dużą lupę. Przedmiot ten jest w większości przypadków niezbędny. Ułatwia proces lutowania i zapewnia duży komfort operatorowi lutownicy.

Podczas lutowania, jedną ręką trzymamy lutownicę za kolbę, drugą zaś trzymamy cynę. Innymi słowy – brak nam ręki do przytrzymania lutowanych elementów, co wywołuje mnóstwo irytacji u większości osób zajmujących się lutowaniem sporadycznie. Lutowaną płytkę zaczepiamy o dwa krokodylki (lub jeden, zależnie od potrzeb), po czym rozpoczynamy pracę w wygodnej pozycji. Możemy praktycznie dowolnie ustawić sobie kąt nachylenia i uzyskać doskonałą widoczność oraz łatwość dostępu do wszystkich części lutowanego elementu.

Równie istotna jest lupa. Wbrew pozorom lupa służy nie tylko jako akcesorium dla ludzi starszych, którzy miewają problemy ze wzrokiem. Wielogodzinne sesje lutowania mogą wywołać szybkie zmęczenie oczu i problemy z ich akomodacją. Oznacza to, że tego typu kłopoty miewają nawet młodsi konstruktorzy, dla których w pewnym momencie problemy przybiorą na sile i mogą spowodować przymus założenia okularów. Lupa doskonale przed tym chroni.

Na czym ćwiczyć lutowanie? Co można lutować?

Nauka lutowania poprzez ćwiczenia jest zawsze praktyczna i umożliwia szybkie nabranie wprawy w tej czynności, bez zbędnego niszczenia dobrych płytek drukowanych. Są to płytki treningowe PCB. Modele przeznaczone do ćwiczeń są wykonane zgodnie ze sztuką i mają bardzo wysoką jakość, dzięki czemu do złudzenia przypominają płytki drukowane, używane szeroko w robotyce.

Drugim urządzeniem niezbędnych podczas treningów lutowania jest sama lutownica. Zawsze należy do celów treningowych używać profesjonalnej lutownicy, najlepiej tej, z której będziemy korzystać już po naszym kursie. Wiele osób błędnie zakłada, że trening powinno się wykonywać na prostej i taniej lutownicy transformatorowej. Prawda jest jednak taka, że ćwicząc w ten sposób wyrobimy sobie pewne nawyki, które przeniesiemy także do pracy z lutownicą oporową.

Płytki drukowanie i ich charakterystyka – lutowanie przewodów

Płytki drukowane PCB (Printed Circuit Board) mają dość podobną zasadę działania do płytek stykowych. Mianowicie w płytkach stykowych w celu stworzenia urządzenia elektrycznego, należało za pomocą blaszek i przewodów stworzyć połączenie elektryczne. W płytkach drukowanych, wszelkie połączenia między stykami są nadrukowane (co imituje blaszki i przewodu), dzięki czemu nie ma potrzeby ich ponownego łączenia. Ma to ogromne znaczenie w przypadku elektroniki użytkowej i robotyki. Łączenie ze sobą luźnych przewodów i wykorzystywanie do tego celu wielu elementów mechanicznych nie przekłada się na trwałość i bezpieczeństwo danych urządzeń.

W budowie płytki drukowanej warto wyróżnić między innymi warstwę TOP (górna warstwa elementów) oraz warstwę opisu w postaci nadruków naniesionych na płytkę. Cała płytka jest wykonana z laminatu szklano-epoksydowego pokrytego soldermaską, którego grubość wynosi przeważnie od 1 do 3 mm. Laminat nie przewodzi prądu, a przy tym jest niezwykle wytrzymały na zniszczenia fizyczne. Po drugiej stronie płytki znajdziemy z kolei warstwę ścieżek, czyli połączeń wykonanych z miedzi. Miejsca przeznaczone do zalutowania (pady) są pokryte bardzo cienką warstwą cyny, naniesionej wskutek procesu zwanego cynowaniem. W droższych modelach producenci stosują także procesy złocenia padów, co ma zwiększyć ich walory praktyczne.