Framebouw technieken voor metalen frames*

AUTOGEEN SOLDEREN & LASSEN

    Om gassen te verbranden is dus zuurstof nodig. Deze zuurstof kan als zuivere zuurstof via een gasfles worden aangevoerd, of als zuurstof uit de lucht. Wanneer wij gassen met lucht verbranden in plaats van zuivere zuurstof, is de verbrandingssnelheid en de vlamtemperatuur veel lager. Dit komt omdat de lucht voor circa 80% uit stikstof bestaat. Deze stikstof neemt warmte op en de vlamtemperatuur daalt dus. Voor acetyleen wordt dat 2.325 °C, bij een gas- lucht verhouding van 1: 9. Voor propaan is die temperatuur  1.925°C, bij een gas- lucht verhouding van 1: 22.  Het solderen van een zware verbinding als het bracket, is met een lucht-gas brander nauwelijks haalbaar. Het kan alleen als de warmte gevangen wordt in een vuurhaard als in een smidse; bij de fabriek van Achielle, gebeurt dit nog steeds zo (zie FIG.1).   Het bracket is gefixeerd (gepind) en wordt in de vuurhaard met een grote propaanbrander verhit tot circa 1000°C. Nu wordt het messingsoldeer toegevoegd. Gewoonlijk is er voor elke verbinding een aparte brander of serie branders opgesteld. Het gasverbruik is hoog, maar het gas goedkoop.

   Een autogene lasinstallatie werkt met een zuurstoffles en een gasfles.  Acetyleen bereikt zijn hoogste vlamtemperatuur en verbrandingssnelheid bij een mengverhouding van 1 deel gas : 1,5 delen zuurstof. De vlamtemperatuur bedraagt: 3.170 °C  Bij propaan is er meer zuurstof nodig om de maximum vlamtemperatuur van 2.850 °C te bereiken, 1 deel propaan : 4,3 delen zuurstof.

Wordt het zuurstofaandeel vergroot dan daalt de vlamtemperatuur. De primaire kegel wordt bleker en de vlam krijgt dan een sterk oxiderend (roestvormend) karakter. Bij lassen en solderen is het nodig met een licht reducerende vlam te werken d.w.z. een licht overschot aan gas (een klein "waasje" voor de blauwe kegel). We noemen dat dan neutraal; bij een teveel aan gas treedt er roetvorming op en is de vlam gelig.

  Gewoonlijk praat men over zacht-solderen als de temperatuur onder de 500°C blijft, vaak is tin (Sn) het belangrijkste bestanddeel; boven 500°C praten we over hardsolderen, hier is koper (Cu) het belangrijkst. Een Campinggas soldeerbrandertje heeft een vlamtemperatuur van circa 1500°C, maar de geleverde hoeveelheid warmte is beperkt. Bovendien lekt deze, naarmate de temperatuur van het werkstuk hoger wordt, steeds sneller weg. Sommige soorten zilversoldeer smelten al bij 600-700°C; maar dit moet ook de temperatuur van het werkstuk zijn.

   Wil je vrij solderen met een brander, dan zul je met een zuurstof/ gas (autogeen) set moeten werken. Er bestaan wegwerpsetjes voor hardsolderen. De naam zegt het al: niet echt geschikt. Mocht je het toch willen proberen, kies dan in elk geval niet voor propaan als gas, maar gebruik een menggas als MAP (= propyn/ propadieen). Dit geeft een wat hogere temperatuur dan propaan. Of zo'n brandertje voldoende warmte oplevert voor de benodigde minimale werktemperatuur van 650°C (55% zilversoldeer) voor een bracket, betwijfel ik. 

    Solderen met een autogene vlam, is jarenlang gebruikelijk geweest in de framebouw. Het was een eeuw lang het standaard werkproces. Hierbij kun je ook gebruik maken van een wat goedkoper gas zoals propaan; de vlamtemperatuur is dan wel lager. Om te lassen moet het gas acetyleen zijn.  Autogeen lassen van frames werd voor de oorlog toegepast in Frankrijk, zowel bij staal als aluminium (Barra). 

    De verbrandingssnelheid van acetyleen is 2,5x hoger dan propaan en dat levert 3x zoveel warmte per seconde. De professional kiest daarom voor acetyleen: de gewenste temperatuur wordt eerder bereikt en het zuurstof verbruik is lager. De mix acetyleen/ zuurstof is 1:1,5. De mix gas/ zuurstof 1:4,3. Verdere algemene informatie over solderen vinden we hier in deze pdf van de firma Hatek. 

   Hervulbare flessen zijn vaak op inruil-basis te koop. Eenmaal betalen bij instappen, en inruilen voor een volle, als de fles leeg is.

   Heel fraai zijn de ALBee Easyflam minisetjes: acetyleen/ zuurstof in 3 of 5 liter, zie FIG.2a.  De beschermkop van de fles bevat ook de drukregelaars o.a. Webshop - Gas Las Centrum. 

   Propaan-zuurstof is een goedkopere investering; de propaanfles kan een 10 liter Primagaz statiegeldfles zijn van de Gamma (barbecue- gas) incl. statiegeld circa 50 euro. Een 10L zuurstof kost circa €160, vulling €40. Als vlammenwerper zijn er aangepaste pitten van de Gloor Lilliput , een handgreep met twee pitten en de drukregelaars komt op circa €300 (FIG.2); 

   Een acetyleenfles van 10L kost al gauw 400 euro, maar daar kun je ook echt mee lassen en het zuurstofverbruik is veel lager. De drukregelaars en greep + laspitten kosten circa 350 euro.

  Amerikanen werken wel met een medische zuurstof-concentrator  i.p.v. een zuurstoffles; soms zijn ze voor €500 tweedehands te koop (meer dan 5 l /pm opbrengst is gewenst).

HET SOLDEREN VAN ALUMINIUM

  HET HARDSOLDEREN VAN STAAL 

   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 (flux). Bij zilversoldeer gebruikt men hiervoor b.v. Flux-6 (smeltpunt 550°C), en bij messing b.v. Boracit (smeltpunt 800°C). 

   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 (56%) liggen momenteel (2021) boven de €1000 per kilo; messing kost ongeveer €35 per kilo. Fabrikanten  leveren ook de flux. Gebruik bij Thessco en lugs bij voorbeeld zilversoldeer CS111 (56%) of CS81 (40%). Hierboven is een tabel 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 o.a. verkrijgbaar via SIF. 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 solderen met zilver (25%) Thessco type T50. Voor messingsolderen met lugs of braseren, Castolin type 18, of type 16. Deze soldeersoorten zijn varianten op messingsoldeer, 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 messing soldeer Cu60Zn40 met enkele promilles mangaan, silicium en tin. Cycle-design USA heeft een speciaal zilversoldeer voor lugloos solderen: Fillet Pro; dit soldeer wordt veel gebruikt met Reynolds 953 en Columbus XCr buizen. De prijs wordt aangegeven, zoals bij zilver gebruikelijk is (dagkoers in Troy-ounce). Het smelttraject ligt tussen 600-640 ºC . 

ELEKTRISCH LASSEN

  Er bestaan diverse lasprocedés, maar helaas zijn ze niet allemaal geschikt om een kwaliteitsframe te bouwen. Het lassen met beklede elektroden (MMA), was 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 lasmethode, 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. 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 1050°C. 

    De enige goede lasmethode voor frames is TIG-lassen; 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. 

De moderne elektronische inverter-techniek heeft een efficiënt proces mogelijk gemaakt om de standaard 230V - 400V wisselstroom om te zetten in een veilige spanning van 45V gelijkstroom voor het lassen. Het lasapparaat wordt hiermee ook lichter en compacter. Algemene info van Wikipedia over TIG-lassen: https://nl.wikipedia.org/wiki/TIG-lassen 

Bij inverters kan men makkelijk elektrode- en TIG lassen in een machine combineren; deze goedkope machines worden al vanaf €200 aangeboden. Uiteraard moet er dan wel een extra investering komen voor de Argon gasfles en het bijbehorende reduceerventiel; samen is dit minimaal €200. De mogelijkheden van deze goedkope machines zijn beperkt. Wil je naast staal (DC) ook aluminium (AC) lassen, zal dat meer kosten. Hoe duurder hoe meer extra's, zoals: voetpedaal, 2 en 4 viertakt, downslope, voor- en nagas, AC-balance, waterkoeling, krachtstroom en een 300 bar fles. Professionele machines zijn al gauw rond de €2000. Koop in elk geval een echte lashelm, die geschikt is voor TIG lassen, want er komt veel UV-licht vrij. 

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, een vergelijkbaar product, goed verkrijgbaar (halveer de stroomsterkte en pool eventueel het lasapparaat om). Het is ook te gebruiken met autogeen en boraxflux bij 1050°C, maar ik kies dan toch liever voor messing.

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.

Het Nederlands Instituut voor Lastechnieken heeft geweldige informatie over lassen en solderen.  Zie VM81, 83, 124, 126   https://www.nil.nl/voorlichtingspublicaties/ 

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.

GEREEDSCHAP VOOR HET BOUWEN, CONTROLEREN EN RICHTEN

Men kan bijna alle stalen frames richten; alleen de Reynolds 753 buis was zover doorgefokt, dat deze prettige eigenschap verloren ging. Er is kwaliteitsverlies na het richten; meerdere malen richten wordt afgeraden. Aluminium frames kunnen alleen vlak na het lassen, als ze nog heet zijn, uitgelijnd worden. Komt er bij gebruik door een val of botsing een vervorming, dan is er geen fabrikant die garandeert, dat die schade veilig hersteld kan worden. Carbon frames kun je ook niet richten, zelfs niet nieuw. Ze moeten recht uit de mal komen.

FIG.1c VAR pattenrichters

De pattenrichter kan gebruikt worden om in de voor- en achtervork de patten uit te lijnen. Ook de inbouwbreedte van de naaf, kan met behulp van deze richters aangepast worden. Rechts in FIG.3d  zien we ook nog een controle apparaat voor de voorvork. Hiermee kunnen we controleren we of de vorkpoten naar boven/ onder en links/ rechts goed in het midden staan. Vermijd heen en weer buigen, dat leidt tot verzwakking.

In FIG.1d/1e zien we twee moderne producten van VAR, Met het richtapparaat uit FIG.1d controleer je of de beweging van de derailleur, evenwijdig is met het vlak door het wiel; in feite gebruik je de velg als referentie. Soms wijkt de mechanieker iets van die lijn af en zet hij de pat enkele iets naar binnen (toe-in) ; dit zou het schakelen verbeteren, schijnt.

Het framevlak loopt midden door de balhoofdbuis en de zitbuis. Als de voelermaat van de framelineaal uit FIG1e op de linker pat is afgesteld, zou bij meting aan de rechterkant de punt ook op de rechterpat terecht moeten komen. Zo niet, moeten we goed opletten welke vorkpoot welke kant op moet, en wat het gevolg is voor de inbouwbreedte van de achteras. De pattenrichters uit FIG.1c komen dan ook goed van pas. Een houten balkje kan als hefboom gebruikt worden. De ontwikkelingen op het gebied van schijfremmen hebben ook tot speciaal gereedschap geleid om die dingen perfect uit te lijnen. Dat verbetert de werking en vermindert de slijtage aan blokken en schijven, zie de Cyclus FIG.1f.

.