Lijmverbindingen van Aluminium (deel 1)

Lijmen is een verbindingsproces waarbij gebruik wordt gemaakt van lijm (gewoonlijk is dat een thermohardende of thermoplastische hars), die wordt aangebracht tussen overlappende oppervlakken en die vervolgens uithardt tot een lijmverbinding. 
 

Inleiding

Lijmverbindingen worden op grote schaal gebruikt in de vliegtuigbouw, voor onderdelen en samenstellingen, waar structurele integriteit kritisch is. De afbeeldingen 1 en 2 geven voorbeelden van typische constructieve lijmverbindingen zoals die in de vliegtuigbouw en daarbuiten veelvuldig worden toegepast. Het gebruik beperkt zich niet tot de vliegtuigbouw, ze worden ook veel toegepast in commerciële producten en in consumptieartikelen. In termen van productiekosten, vermogen om tegemoet te komen aan fabricagetoleranties en productcomplexiteit, gereedschapseisen, betrouwbaarheid en repareerbaarheid, kunnen lijmverbindingen de concurrentie met andere verbindingstechnieken goed aan.

Legeringen

Legeringen die vaak worden gelijmd omvatten 2014 (T3, T6 en T86), legeringen uit de 3xxx reeks, 5052-H39, 5056-H39 en 7075-T6. Deze legeringen kunnen zichzelf worden gelijmd, aan andere metalen en aan tal van niet-metalen, waaronder allerlei papierproducten, isolatieplaat, gipsplaat, triplex, fiberglas en verscheidene polymeren en organische-matrixcomposieten.



Afbeelding 1. Enkele typische lijmverbindingen in constructies.

Functie van lijmverbindingen

Mechanisch verbinden

De belangrijkste functie van lijm is het maken van een mechanische verbinding. Omdat lijm belastingen kan overdragen van de ene kant van de verbinding naar de nadere, is er sprake van een gelijkmatiger lastenverdeling dan die welke mogelijk is met mechanische bevestigingsmiddelen. Lijm staat dus de fabricage toe van constructies die mechanisch gelijkwaardig zijn of zelfs beter dan conventionele assemblages en dat tegen lagere kosten en gunstiger gewicht. Zo is het goed mogelijk om dunwandig materiaal aan dikwandig materiaal te lijmen waarbij gebruik wordt gemaakt van de volledige sterkte van het dunwandige materiaal. Conventionele mechanische bevestiging of puntlassen produceren een constructie waarvan de sterkte beperkt blijft tot die gebieden van het dunwandige materiaal die contact maken met de bevestigingsmiddelen of puntlassen. Daar komt nog bij dat er met lijm verbindingen worden geproduceerd met hoge sterkte , stijfheid en vormvastheid in lichte metalen zoals aluminium, die anders zouden worden verzwakt of vervormd door lassen.

Isolatie en afdichting
Omdat de lijm in een op juiste wijze vervaardigde verbinding volledig contact maakt met de aanliggende oppervlakken, vormt hij een afsluiting zodat vloeistoffen niet kunnen binnendringen met alle gevolgen van dien. Lijm kan ook optreden als elektrische en/of thermische isolatie in een verbinding. De thermische isolatie kan zonodig worden verhoogd door gebruik te maken van schuimende lijm met een geschikte celstructuur. In tegenstelling hiermee kunnen de elektrische en thermische geleidbaarheid aanzienlijk worden verhoogd door toevoeging van metallische vulstoffen. Oxiden zoals aluminiumoxide, verhogen alleen de thermische geleidbaarheid. Er zijn elektrisch geleidende lijmsoorten, gevuld met zilverplaatjes beschikbaar met soortelijke weerstanden van minder dan 50 keer die van bulk zilver.

Weerstand tegen corrosie en trillingen
Lijm kan elektrochemische corrosie in verbindingen tussen verschillende metalen tegen gaan. Lijm kan ook fungeren als demper van trillingen. De mechanische dempingskarakteristieken van een lijmtype kan worden gewijzigd door middel van een andere formulering. DE verandering van een eigenschap gaat in het algemeen gepaard met verandering van andere eigenschappen van de verbinding, zoals de trek- of afschuifsterkte, de rek, of de weerstand tegen afbladderen of splijten.

Weerstand tegen vermoeiing
Een eigenschap die enigszins verband houdt met het vermogen om trillingen te dempen is de weerstand tegen vermoeiing. Een juist gekozen lijm kan in het algemeen herhaalde spanningen die het gevolg zijn van wisselende belastingen weerstaan zonder dat er scheuren ontstaan die uiteindelijk tot breuk kunnen leiden.

Gladmaken van omtrekken
Lijm veroorzaakt gewoonlijk geen verandering van de omtrekken van de onderdelen die ze verbinden. In tegenstelling tot schroeven, klinknagels, of bouten geeft lijm weinig of geen zichtbaar bewijs van zijn aanwezigheid. Dergelijke constructies bezitten tevens een groter vermogen om belasting op te nemen en hogere weerstand tegen vermoeiing dan conventioneel verbonden constructies. Zo worden rotorbladen van helicopters bijeen gehouden door alleen maar lijm en ze gaan langer mee dan hun mechanisch vastgezette voorgangers.

Vergelijking met andere verbindingsmethodes
Enkele van de problemen met andere methodes hebben geleid tot een groeiend gebruik van lijmverbindingen. Relatieve prijs bevordert vaak het gebruik van lijmverbindingen.
Mechanisch verbinden met schroeven, moeren of klinknagels zijn de populairste verbindingsmethodes wegens lage prijs en het eenvoudig gereedschap. Het is echter moeilijk om grondige mechanische verbindingen te ontwikkelen waarbij de spanningen gelijkmatig worden verdeeld en de verbinding wordt afgesloten voor corrosie. Daar komt nog eens de tijd bovenop die nodig is voor het boren van gaten en het uitlijnen van de te verbinden delen.
Solderen van aluminiumlegeringen gaat soms gepaard met elektrolytische corrosieproblemen ter plaatse van de verbindingen en moeite om gebruikt fluxmiddel te verwijderen. Verder kan aluminium niet rechtstreeks aan niet-metallische oppervlakken worden gesoldeerd.
Hardsolderen van aluminium resulteert doorgaans in een verbinding die beter bestand is tegen corrosie dan gewoon solderen. De hoge temperaturen die nodig zijn voor hardsolderen en de nauwkeurige controle van deze temperaturen vereisen speciale en dure apparatuur, die het hardsoldeerproces in zijn gebruik beperkt.
Lassen is een veel gebruikte manier om aluminiumlegeringen te verbinden omdat hiermee een grondige verbinding wordt verkregen met in de meeste gebruiksmilieus goede prestaties. De laswarmte reduceert vaak de eigenschappen van het basismetaal en aanliggende niet-metallische delen. Het lassen van aluminium aan andere metalen geeft moeilijkheden die vaak het gebruik van complexe speciale technieken vereist. Zulke verbindingen tussen ongelijksoortige metalen zijn vaak bros en elektrolytische corrosie kan ernstige vormen aannemen in vochtige milieus. Aluminium kan niet aan een niet-metaal worden gelast.

Beperkingen en voordelen  
- Afbladder- en kerfslagsterkte veroorzaken grotere beperkingen dan de treksterkte. Elastomere lijmsoorten met hoge afbladdersterkte worden gebruikt beneden 150°C. Epoxy-polyamide en epoxy-fenol systemen kunnen worden gebruikt tot 750°C.
- Om te komen tot een zo goed mogelijke hechting zijn er bewerkelijke metaal-reinigingsprocedures nodig en gereinigde oppervlakken moeten worden beschermd tegen verontreiniging tot ze zijn verbonden.
- Huidige gebruikstemperaturen voor lange duur liggen gemiddeld rond 250°C, dit geldt zelfs voor de epoxy-fenolen die zijn ontworpen voor lage kruip bij verhoogde temperaturen. Hoge-temperatuur polyamide lijmen kunnen continu worden gebruikt bij bedrijfstemperaturen tussen 250 en 250°C.
- Lijmverbindingen kunnen niet worden geopend voor inspectie zonder de verbinding te vernietigen.
- Als het uitharden van de lijm tijd vergt of warmte of druk, dan kan er dure opspanapparatuur nodig zijn.
- De houdbaarheid van lijm in opslag varieert sterk en kan betrekkelijk kort zijn.
- Het uitharden van lijmverbindingen boven 150°C kan verhoogde gevoeligheid voor interkristallijne corrosie veroorzaken in sommige aluminiumlegeringen. Dit geldt met name voor hoge-temperatuur lijmen, zoals polyimiden, die uithardingstemperaturen vergen van wel 350°C.

Afbeelding 2. Voorbeeld van een gelijmde honingraatconstructie.


Lijmen van aluminium heeft de volgende inherente karakteristieken waaraan het zijn bruikbaarheid ontleent:
- De verbinding is altijd aan het zicht onttrokken, hetgeen het productuiterlijk ten goede komt.
- Belasting van de verbinding wordt gelijkmatig verdeeld.
- De lijm fungeert als afdichting tegen het milieu.
- De verbinding kan zodanig worden ontworpen dat deze vrijwel dezelfde treksterkte bezit als het basismetaal.
- De lijm kan helpen bij het reduceren van de galvanische corrosie die gewoonlijk optreedt als ongelijksoortige metalen met elkaar worden verbonden en vervolgens worden blootgesteld aan een elektrolyt.
- Het metalen en niet-metalen kunnen hecht met elkaar worden verbonden hetgeen voorheen alleen met mechanische methodes mogelijk was.
- Er kan een hechte verbinding worden gemaakt tussen gelijksoortig materiaal dat aanzienlijk in dikte verschilt.
- Het is mogelijk om hechte verbindingen te maken tussen aluminium plaat en dunne non-metallische films.
- Er kan gewichtsbesparing van een constructie worden bereikt door gebruik van dunwandiger aluminium, omdat bij een lijmverbinding de oppervlaktelaag vollediger kan worden belast dan met andere verbindingsmethodes. Constructies bestaande uit aluminium of papier honingraatpanelen zijn voorbeelden van gewichtsbesparing. De honingraat zelf is ook een gelijmde eenheid.
- Lijmen maakt het behoud mogelijk van de aanvankelijke sterkte van aluminiumlegeringen, inclusief die van volledig warmtebehandelde aluminiumlegeringen.
- Gelijmde verbindingen zijn superieur in hun weerstand tegen geluidstrillingen.
- Conventionele constructie die moeilijk zouden zijn te verspanen kunnen vaak eenvoudiger worden gefabriceerd in de vorm van een laminaatconstructie.
- Lijm kan vaak aanzienlijke vereenvoudiging van het ontwerp geven.

 Voor deel 2 uit deze serie klikt u hier