Over de technische achtergronden van de fiets - the technical background of the bicycle
Home » framebouw

 Framebouwtechnieken: solderen, lassen, lijmen en popnagelen

 

 HET SOLDEREN VAN ALUMINIUM

    Het solderen van aluminium is nooit in de mode geweest; lassen is voor aluminium een betere verbindingsmethode.  Een van de problemen bij solderen, vormt de zeer hardnekkige oxidelaag. Door goed te schuren vlak voor het solderen  worden oxides verwijderd; bovendien hecht het soldeer beter op het ruwe oppervlak. Om te voorkomen dat er tijdens het verwarmen een nieuwe oxidehuid ontstaat, smeert men de te solderen oppervlakte in met vloeimiddel (flux). Agressieve vloeimiddelresten naderhand verwijderen vanwege de corrosiegevoeligheid.

     De eerste drie soldeersoorten uit het tabelletje hieronder zijn niet sterk genoeg om een frame te bouwen; het is hooguit iets voor nokjes, maar makkelijk met een propaanbrander te doen. Er zijn weinig goede en goed verkrijgbare soldeersoorten voor aluminium. Het enige is Silumin, maar het smelt pas rond 580°C en dit is helaas vlakbij het smeltpunt van de meeste aluminiumlegeringen. Hiervoor is een autogene lasbrander nodig. We zien het materiaal niet echt warm worden en de aluminiumoxide laag smelt pas bij 2200°C; als we met de vlam te dicht bij het metaal komen, kruipt de smelt ineens eronderuit.

     Technoweld heeft geen vloeimiddel nodig en is met een propaanbrander te verwerken; het hoofdbestanddeel (>90%) is zink.. Belangrijk bij dit soort soldeer is het feit dat we niet aan de oplostemperatuur van 500°C komen. Hierdoor hoeven we geen nieuwe oplossingsbehandeling uit te voeren; kunstmatig ouderen wordt wel aanbevolen, maar dat is minder moeilijk. Alutite en Easyweld ( www.durafix.nl ) zijn tin-solderen en lang niet zo sterk.

Gerenommeerde firma's voor soldeer zijn bijvoorbeeld: J.W.Harris (USA) , Johnson Matthey (Engeland) en Castolin (Zwitserland). Op het internet kunt u hierover informatie vinden. Castolins  variant van het silumin-soldeer heet "190" en wordt door fabrikant Columbus als verbindings-methode genoemd voor hun 6061 en 7000 buismateriaal ; gebruik hierbij flux 190 NH (NonHygroscopic). Dit soldeer is ook als pasta (soldeer + flux) te koop. De verkrijgbaarheid is vaak het probleem.

 HET HARDSOLDEREN VAN STAAL  

    Hiervoor zijn tientallen soldeersoorten verkrijgbaar, maar het valt niet altijd mee om een bepaald soldeer te vinden. De eerste vier soldeer soorten bevatten zilver en worden daarom zilversoldeer genoemd. Hoe meer zilver, hoe duurder. Een voordeel is de lage smelttemperatuur, waardoor we nog net met een goede turbo propaanbrander kunnen werken. Voor de andere soorten moeten we een zuurstof-acetyleen of zuurstof-propaan gebruiken. Volgens Europese regelgeving voor chemicaliën (REACH) is het gebruik van cadmiumhoudende solderen na 2011 verboden. 

De laatste twee soorten noemen wij messingsoldeer. Om een goede hechting te krijgen tussen soldeer en basismateriaal, zal het oppervlak perfect schoon moeten zijn; eerst reinigen met een ontvetter en daarna opruwen met fijn schuurpapier. Hierbij worden restanten van oxides verwijderd; bovendien hecht het soldeer beter op het ruwe oppervlak. Smeer de te solderen oppervlakten in met vloeimiddel. Bij zilversoldeer gebruikt men hiervoor b.v. Flux-6 (smeltpunt 550°C), en bij messing b.v. Boracit (smeltpunt 800°C). Met messingsoldeer kan  men ook goed lugloze frames solderen (braseren). Deze methode laat ons vrij in hoeken en buisafmetingen.

    Alleen als het staal gevoelig is voor hoge temperaturen of als we met roestvast staal werken, moeten we voor zilversoldeer kiezen; gebruik voor RVS wel een speciale flux b.v. Activatec 1000. De prijzen van zilversoldeer liggen momenteel (2013) rond de €1000 per kilo; messing kost ongeveer €25 per kilo. Fabrikanten als J.W.Harris, Johnson Matthey en Castolin  leveren ook hier soldeer en flux. Bij Castolin voor lugs bij voorbeeld zilversoldeer 1020 (57%) of 1703 (45%); als flux 1802 PF en bij RVS Activatec 1000. Hier is een lijstje met wat vergelijkbare zilver-soldeertypes van meerdere leveranciers; niet alles is in Nederland te koop.

 In moderne soldeertoepassingen wordt er ook wel een flux in het verbrandingsgas gemengd; dit zijn zure Chloorhoudende producten. De kleur van de vlam is dan groen. Een goede ventilatie is noodzakelijk, maar het werkstuk blijft veel schoner.

   Via braseren kan men lugloze frames bouwen. Voor een goed resultaat dient men de buizen nauwkeurig passend te vijlen. Neem liever geen wanddiktes kleiner dan 0,8mm voor de verbindingen; het hechtoppervlak wordt dan wel erg klein. Kies bij voorbeeld bij lugloos braseren met zilver (20%) Castolin type 181 en de flux 181 PF Atmosin (bij RVS Activatec 1000). Voor messingsolderen met lugs of braseren, Castolin type 18 met flux 18, of type 16 met flux 16. Deze soldeersoorten zijn varianten op de laatste twee uit de tabel, maar hieraan is 1% zilver toegevoegd, waardoor de verwerkingstemperatuur tientallen graden zakt en de treksterkte toeneemt. In Engeland maakt men vaak gebruik van SIF-bronze 101; dit is feitelijk een messingsoldeer Cu60Zn40 met enkele promilles mangaan, silicium en tin. Cycle-design USA heeft een speciaal zilversoldeer voor braseren met zilver ontwikkeld: Fillet Pro; dit soldeer wordt veel gebruikt met Reynolds 953 en Columbus XCr buizen.

   Messingsoldeer heeft een ideale spleetbreedte 0,1 tot 0,3 mm; het soldeer dient geheel door de verbinding te vloeien, dus aan de binnenkant moet overal een soldeerrandje zitten. Eigenlijk is het makkelijker van binnen naar buiten te werken. Daarom breng ik soms een papje van vloeimiddel en soldeerpoeder aan de binnenkant van de buis aan. Dit vloeit bij verhitten van binnen naar buiten. Aan de buitenkant breng ik alsnog een walletje soldeer aan om de overgang zo geleidelijk mogelijk te maken. Niet zozeer voor de maximale sterkte, maar vooral voor lagere piekspanningen door een vloeiender krachtenverloop. Zodra we de vereiste temperatuur bereikt hebben, verwarmen we het soldeerstaafje met wat flux erop, mee in de vlam; daarna zetten we aan. Het soldeer vloeit naar de warmste plaats; we kunnen het dus met de vlam sturen. Kijk hierbij uit dat de “hotspot” (vlak voor de vlamtong van de brander), niet aan het soldeer komt. Het soldeer kan dan ontleden! De temperatuur van het staal is af te leiden uit de kleur

   LASSEN

  Er bestaan diverse lasprocedés, maar helaas zijn ze niet allemaal geschikt om een kwaliteitsframe te bouwen. Autogeen lassen met een brander en het lassen met beklede elektroden (MMA), waren vroeger het meest gangbaar. De doe-het-zelver die hiervoor kiest, dient grote veiligheidsmarges te hanteren, d.w.z. een dikwandige buis (1,5 tot 2mm) gebruiken! De enorme warmte-inbreng bij deze lasmethodes, betekent dat we het frame nog flink zullen moeten richten, want het trekt ongetwijfeld krom. Tijdens het lassen zet de buis namelijk uit; daarna zal bij het afkoelen de buis krimpen en ontstaan er spanningen in het frame. Deze blijven ook na het richten. De voortdurend wisselende belastingen op het frame kunnen echter het frame “ontlaten”. Daarbij trekt het vaak weer krom. Wie een autogene lasinstallatie heeft of huurt, kan dus beter solderen. Met een simpele lastrafo dient men elektroden te gebruiken van 1,5 of 2mm, bij een stroom-sterkte 20 tot 35A. Veel voorkomende fouten zijn slakinsluitingen en hechtingsfouten.

   Het volgende procedé is het MIG/MAG-lassen, ook wel CO2-lassen genoemd. Deze lassets zijn in de afgelopen jaren binnen het bereik van de doe-het-zelver gekomen. De allerkleinste uitvoeringen hebben slechts voor enkele minuten gas in hun dure gasflesjes. Ik adviseer de meer gangbare 10 liter flessen te nemen. Hierin zijn vrijwel alle soorten beschermgas leverbaar en het is per liter stukken goedkoper. MIG/MAG-lassen is bruikbaar bij wanddiktes vanaf 1,2 mm. Er zijn meerdere fouten mogelijk, o.a. gasinsluitingen en bindingsfouten. De belangrijkste oorzaak voor gasinsluitingen, is dat de toorts te schuin (d.w.z. niet haaks op de buis) gehouden wordt. Hierdoor kan de gasstroom lucht aanzuigen. Tijdens het lassen dient men erop te letten dat het moedermateriaal voldoende smelt. Bij te hoge lassnelheid ontstaan bindingsfouten! Voor wanddiktes van 1,2 tot 1,5 mm, kiest men gewoonlijk een draadsnelheid van 3-5 m/min, bij een draaddiameter van 0,8mm en een gassnelheid van 8 tot 10 l/min

Een nieuwe ontwikkeling is het gebruik van een CuSi3 "lasdraad" voor MIG lasmachines met argon als beschermgas. In feite is dit dus een soldeerverbinding, die met name bij verzinkte staalplaat in de auto-industrie en oldtimerrestauratie wordt toegepast. De smelttemperatuur ligt rond de 1000°C. 

De enige goede lasmethode voor frames is TIG-lassen; helaas is de benodigde apparatuur nogal prijzig. Men maakt hierbij gebruik van een lastoorts, waarbij een vlamboog getrokken wordt tussen een wolfraam spits en het werkstuk, onder een beschermgas als argon of helium. Net als bij autogeen lassen wordt met een lasdraad materiaal toegevoegd. De kijk op dit lasprocedé is goed te noemen. De warmte-inbreng is beperkt en de las behoeft nauwelijks nabewerking. Vaak is het noodzakelijk om ook de binnenkant van de buis tijdens het lassen d.m.v. inert gas te beschermen. Gelaste topframes van staal, aluminium of titanium, zijn allemaal TIG-gelast. Ook RVS kan TIG gelast worden.

Zoals bij elke verbindingsmethode hangt de kwaliteit af van het vakmanschap van de bouwer. Voor het TIG-lassen van aluminium is een wisselstroominstallatie noodzakelijk; enige richtwaardes voor dit proces:

*staal (elektrode minpool): wanddikte 0,9mm, elektrode 1,6mm 

 lasstroom 90 A,  argon 5 l/min, lasdraad 1,5mm

*aluminium (wisselstroom!): wanddikte 1,5mm,  elektrode 1,6mm

 lasstroom 115 A, argon 6 l/min, lasdraad 1,6mm

Er bestaan ook kopersoldeer soorten voor verwerking met de TIG-lasset, in de USA aangeduid met siliconbronze; met TIG kun je geen zinkhoudende solderen gebruiken. Een bekende merknaam is Everdur Cu95Si4Mn1. In Nederland is b.v. ESAB OK TIG-rod 19.30 goed verkrijgbaar (halveer de stroomsterkte en pool eventueel het lasapparaat om).   

Het lassen van aluminium is niet makkelijk. Kies bij AA 7000 een lasdraadtype 5356, 5180 of 5183. Voor AA 6000 hebben we lasdraad 4043 of 4145 nodig. Speciale legeringen als Scandium of Zirconium hebben een speciale lasdraad nodig die door de buisfabrikant geleverd wordt! We beginnen met ontvetten bijvoorbeeld met aceton; dan moet de oxide laag van de buis eraf geschuurd worden met Scotch Brite of RVS-schuursponsjes (geen schuurpapier). Ontvet daarna nog eens. Na de laatste ontvetting moet de buis binnen een uur verwerkt worden om de nieuwe vorming van oxides te voorkomen. De vooropening tussen de buizen bij het lassen moet ongeveer 0,5mm zijn; meer dan 0,75mm kan al problemen opleveren. De naad moet in een keer gelegd worden; begin en eind van de las moeten aan de zijkant zitten (neutrale lijn). Er mag geen tweede keer met de lastoorts over de las gelopen worden om correcties te maken of een gladder oppervlak te krijgen. Direct na het lassen, als het frame nog warm is, moet het eventuele richten plaatsvinden. De buisfabrikanten zijn tegen het glad vijlen van de las, omdat de kans op beschadiging groot is en de verbinding er niet sterker van wordt; aanbevolen wordt te schuren met fijn schuurpapier 400 of 600.

     LIJMEN

  Er zijn twee lijmsoorten geschikt voor het bouwen van frames: anaerobe kunstharsen en epoxylijmen. Anaerobe kunstharsen harden uit, als ze in een dunne laag tussen twee metaaloppervlakken zitten en er geen zuurstof bij kan komen. Bekende namen zijn Locktite en Threebond. Bij Alan, waar men pionierswerk verricht heeft, zijn de  buizen en lugs geschroefd met een fijne draad en verlijmd met Locktite 317.

 Er zijn twee types epoxy lijmen. Ten eerste de twee componenten lijmen, zoals Araldit AW2104. Dit product wordt geleverd in een dubbelspuit, waarin harder en hars tijdens ‘t spuiten vermengen. Het hardt al bij kamertemperatuur uit. In de oven gaat dit echter sneller en wordt de kwaliteit van de verbinding beter. De schuifsterkte van Araldit AW106 uitgehard bij 23°C is 17N/mm²; bij 100°C: 27N/mm². Verder is de hardingstijd korter: bij 23°C 12 uur, bij 100°C 10 minuten! Een tweede type epoxy is de een-component lijm; in feite is de verharder hier al met het hars vermengd, maar deze wordt pas bij hogere temperaturen actief (in de koelkast bewaren!). Lijmen van dit type, zoals Araldit 118 en 119, zijn zeer geschikt voor metaal-metaal­verbindingen. Bij een uithardingtijd van 1 uur bij 150°C bereikt men een schuifsterkte van 30 N/mm². Omdat de schuifsterkte van lijm veel lager ligt dan die van soldeer, zal het hechtoppervlak vele malen groter moeten zijn. De ontwikkeling van exotische framematerialen maakt een keuze voor lijmen aantrekkelijk, omdat vrijwel elk materiaal verlijmd kan worden. Om een goede verbinding te krijgen dient men het metaal eerst te ontvetten. Daarna wordt de te verlijmen naad aan beide zijden opgeruwd met fijn schuurpapier en in een beitsbad gehangen. Men moet na het beitsen en drogen zo snel mogelijk tot verlijmen overgaan, om nieuwe oxidatie te voorkomen. Gewapende kunststoffen voor het verlijmen ontvetten, opruwen en weer ontvetten. De ideale lijmlaag is voor metalen ongeveer 0,1 mm en voor kunststoffen ongeveer 0,4 mm. Voor een optimaal resultaat, dient de lijm in een oven uit te harden. Begin pas aan een dergelijke klus, als u de vereiste bewerkingen kunt uitvoeren. Consulteer bij twijfel de leverancier VIBA Zoetermeer. Met name de verbinding tussen aluminium en carbon kan problemen opleveren (corrosie door galvanische werking). De beitsbaden die men gebruikt, verschillen per metaalsoort; de lijmleverancier kan ze kant en klaar leveren. Hier volgt een recept voor staal: eerst ontvetten en schuren. We maken nu een beitsbad door 1 liter zoutzuur (35%) bij 1 liter demiwater te voegen. We houden het bad op een temperatuur van 25°C, en we etsen gedurende 3 tot 10 minuten (afhankelijk van buisdikte). Spoelen met demiwater en goed drogen bij 65°C gedurende 10 minuten; onmiddellijk verlijmen.

  De overgang van lug naar buis heeft een grote invloed op de uiteindelijke sterkte en weerstand tegen wisselende belastingen. De vorm van de lijmnaad is erg belangrijk; de schuifsterkte van de lijmnaad in FIG.2 is 3X zo hoog als die van FIG.1; die van FIG.3 is nog iets beter. De schuifsterkte van een goede lijm is 30 N/mm²; die van goede soldeer is 500 N/mm²: een lijmnaad moet dus een veel grotere oppervlakte hebben! Voor een goede bevochtiging moeten beide te verlijmen delen met lijm ingestreken worden. De juiste overlap van ‘n lijmnaad voor een 30 mm buis is ± 45mm. De verbinding dient de sterkste plaats te zijn; naarmate de buis sterker is, moet het lijmoppervlak groter zijn.

 

POPNAGELEN

  Dit is een simpele wijze van verbinden, waarvoor de investeringen in gereedschap gering zijn. De boormachine, enkele lijmklemmen, een popnageltang, een winkelhaak, een centerpunt en een rolmaat zijn de gewenste hulpmiddelen. Vaak zit het meeste al in de gereedschapskist. Het bouwen van een ontwerp met deze verbindingsmethode, vereist een totaal andere benadering. De materiaalkeuze is in principe vrij, maar is in de praktijk vrijwel altijd aluminiumplaat, hier en daar versterkt met profielen.

Op de foto links is een verbinding te zien bij een Moulton vouwfiets; hier zijn twee stalen kokers met elkaar verbonden. Het staal van de bovenste koker is in pasvorm geperst, met stalen klinknagels verbonden en vervolgens rondom afgesoldeerd.

  Hoewel de techniek eenvoudig is en weinig training vergt, is zorgvuldig werken een must! Een goede popnagelverbinding dient aan één voorwaarde te voldoen om effectief bij te dragen aan de sterkte van een frame: hij moet de platen vast op elkaar klemmen. Net als bij de klinknagelverbinding komt de sterkte namelijk uit de wrijving tussen de platen. Als er speling is tussen de verbonden platen b.v. door braamvorming bij het boren, bestaat de kans dat de verbinding gaat “werken”. Door wisselende belastingen op het frame, zal de popnagel de gaatjes in de plaat oprekken. Het frame piept en knarst, omdat de platen schuiven en er kunnen scheuren in de plaat optreden. Zorg er dus voor dat de beide platen bij het doorboren vast op elkaar geklemd worden, zodat zich geen braam tussen de platen kan vormen. Verwijder de eventuele braam aan de achterkant, door met de hand met een boortje van enkele mm’s grotere diameter, de braam “eraf te draaien”. Ook daar kan speling in de verbinding door ontstaan. Helaas is dit in de eindfase van de bouw niet mogelijk, omdat we nergens meer bij kunnen; kies dus meer verbindingen dan strikt noodzakelijk. Dat zorgt voor een lagere belasting per verbinding en dus minder kans op problemen. Het is mogelijk een van de te poppen platen geheel vooraf te boren. Doe dit niet met  beide platen, omdat de plaat zich zet tijdens het poppen en de gaatjes t.o.v. elkaar kunnen gaan verschuiven. Probeer zoveel mogelijk van buiten naar binnen te poppen, zo komt namelijk de vlakke kant van de popnagel boven; mooier en vuilwerend. Neem popnagels van 3 en/ of 5mm; liever veel kleine dan enkele grote nagels. Als u met een eenvoudig handapparaat werkt, is groter dan 5 mm is af te raden; het kost te veel kracht bij het verwerken. Met een (pneumatisch) apparaat gaat het duidelijk beter en makkelijker; bovendien kunt u de plaat beter vasthouden, zodat er minder deukjes en vervormingen optreden.

 

 Goede informatie over de diverse lasprocessen: http://www.cybercomm.nl/~cesmetel/kennisweb/lassen/las0_1.htm   

 Informatie van BrazeTec http://www.technicalmaterials.umicore.com/de ;   van Thessco:  http://www.thessco.nl

en van Castolin: www.castolin.com, van J.W.Harris (USA) www.jwharris.com ; en Johnson Matthey (Engeland) www.jm-metaljoining.com

Zeer compleet over solderen: http://www.induteq.nl/metaal-werktuigbouw/bestanden/VM126%20Zacht-%20en%20hardsolderen.pdf 

 Goede informatie over framebouw: zie de pagina downloads Framebouw: Doe-het-zelf 

 

Klik hier om een tekst te typen.