Vågar man lita på lim?
En läsare frågar: Vi skulle gärna vilja limma, men vågar vi…? Svetsning, lödning och mekaniska förband tycker vi oss kunna och förstå. Limma kan vi troligen lära oss, men hur skall vi veta att limfogen kommer att hålla under lång tid? Det är det ingen som hittills kunnat förvissa oss om.
Åke Dolk svarar:
Tyvärr måste du nog förvissa dig själv! Ingen annan kan troligen göra det på ett sätt som gör dig lugn. Det är många frågor du måste ställa och söka svar på innan tryggheten infinner sig, - möjligen gör den det aldrig…
Långtidspåverkan av limfogen kan resultera i:
Påverkan av limmet
Svällning
Krympning
Mjukning
Krackelering
Dekomposition (Hydrolys, förgasning, omvandling)
Påverkan av ytan hos det limmade materialet
Som för limmet (se ovan)
Omvandling av metallytas oxider
Korrosion av metaller
Påverkan av adhesionsarbetet ("bindningarna")
Reduktion av jon-par växelverkan i gränsskiktet oxid/polymer (lim)
"Bortträngning" av limmet (Limmet "utkonkurrerat" av t ex vatten)
Långtidshållfastheten hos limfogar blir beroende av många faktorer. Det är den samverkande effekten av dessa faktorer (synergin), som bestämmer hur länge limfogen kommer att hålla. Belastade limfogar åldrar fortare än obelastade.
Nedgången i hållfasthet ökar med ökande temperatur. Limfogar, som belastas vid förhöjd temperatur, i "åldringsmiljö", kommer med största sannolikhet att uppvisa kortare livslängd, än limfogar som enbart utsätts för den åldrande miljön.
Innan vi går in på detaljer kan det vara av "viss psykologisk betydelse", att konstatera, att det finns limfogar i flygplanskonstruktioner - som efter 40 år - uppvisar samma hållfasthet som de hade när de tillverkades. (Fogarna har tagits ur skrotade plan och jämförts med provning av referenser.) Å andra sidan förekommer det också limfogar som inte håller för några dygns vattenlagring…
Det kan också vara bra att först definiera vad man menar med långtidshållfasthet. Tänker man på ett år, 10 år eller 50 år? Är fogarna belastade eller obelastade? Vilken miljö utsätts fogarna för, - och hur stor del av tiden.
Hur stor del av limmets kapacitet utnyttjas normalt? Hur stor nedgång av initialhållfastheten kan man tillåta?
Traditionellt brukar man indela långtidshållfasthet i kryphållfasthet, utmattningshållfasthet och miljöhållfasthet .
I verkligheten uppträder de olika påkänningarna samtidigt.
Generellt sett visar krypprovning och utmattningsprovning - vid rumstemperatur och i inomhusmiljö - inga stora problem ifråga om långtidshållfasthet. (Detta sagt om konstruktionslim. Det finns givetvis lim, som är så mjuka att de kan kallflyta även vid rumstemperatur.)
Utmattningshållfastheten för limfogar är generellt mycket god. Många jämförelser mellan nitade och limmade konstruktioner finns. Man har också jämfört med utmattningshållfastheten hos intergrälfrästa (fogfria) detaljer. De limmade konstruktionerna uppvisar alltid större utmattningshållfasthet.
För utmattningshållfastheten har limfogar ofta en positiv inverkan på materialets utmattningshållfasthet. Limfogen fungerar som en "sprickspärr".
Miljöhållfasthet
Det är vid belastning i olika miljöer med varierande luftfuktighet och temperaturer som problemen brukar uppträda.
Det medium som visat sig vara mest farligt för limfogar (vid limning mot metall) är vatten, såväl i vätskeform som i ångform. Tillsammans med värme och under belastning kan resultatet ibland bli förödande. Saltvatten har vanligen större negativ inverkan än sötvatten.
Inverkan utan korrosion uppkommer genom att fukt och vatten diffunderar genom limmet, - eller genom invandring i ofullständigt utfyllda ytprofiler. Det första är en långsam process och tar därför lång tid att undersöka för obelastade fogar. Invandring i gränsskikten kan däremot gå betydligt fortare, men även detta tar normalt månader och år i anspråk. Är däremot fogen belastad vid en temperatur över rumstemperatur (50 - 60oC), så sker åldringen betydligt snabbare.
Betraktade i ett tillräckligt bra mikroskåp, finns det inga släta, jämna ytor. Ytan kan då - i bästa fall - se ut som en bit knäckebröd ("sportbröd"). Högviskösa (trögflytande) och snabbstelnande lim kommer troligen endast i kontakt med topparna i ytan. Detta resulterar i en limfog med inlagda brottanvisningar (luft), där man inte utnyttjar limningens möjligheter.
Inte ens om limmet får "all tid i världen" att komma i kontakt med ytan, blir denna helt fylld. Det finns alltid plats för vatten. Vattenmolekylerna är mycket små (cirka 0,12 nm), - betydligt mindre än plastmolekylerna. Det finns inga plaster (lim) som är till 100% diffussionstäta. Alla tar upp vatten (procent eller promille). I ofullständigt utfyllda profildjup kan vattnet "ställa till problem" - speciellt på metallytor.
I fuktig miljö kommer denna luft så småningom, att ersättas av vatten. Vattnet kan ha en korroderande inverkan på metaller. Vid låga temperaturer fryser vattnet och kan ge upphov till spänningar i gränsskiktet ("frostsprängning").
Härdning vid förhöjd temperatur ger ofta en fullständigare uthärdning, som ofta ger ett hårdare och mer beständigt lim. Direkt (och enbart) härdning i värme sänker också viskositeten på limmet, så att kontakten med underlaget blir större. Detta uppnås inte om limmet först får härda vid rumstemperatur och därefter efterhärdas i värme.
Förbehandlingen före limning har visat sig ha stor mycket stor betydelse för långtidshållfastheten, vid limning av metaller.
Det vanligaste är att metallen under limmet påverkas, - inte limmet i sig.
Grundprincipen för långtidsbeständiga limfogar är välfyllda profildjup och beständiga oxider.
Primning före limning , har till stor del till uppgift att fylla ut (täta) ytprofilen, då högviskösa och/eller snabbstelnande lim användes. Behovet av primer ökar med användning i korrosiv miljö och när ingen korrosionsskyddande ytbehandling utföres, (t ex anodisering på aluminium). Primern "impregnerar" och förstärker också porösa oxider, som t ex efter kromatering.
Primern har som regel lägre hållfasthet än limmet. Den skall påläggas så tunt att den inte sticker upp ovanför profiltopparna. Tjocka primerskikt kan medföra försämrad initialhållfasthet. Principen är att primern endast skall fylla det utrymme i ytprofilen, som inte limmet har möjligheter att fylla, d v s "hålla vattnet borta".
Limmolekylerna hos många konstruktionslim är förhållandevis stora. Det kann ses lite som "att lägga tennisbollar i en äggkartong". Primern består av mindre molekyler ("ärtor" i bild 2 nedan). I bild 3 symboliserar riset vattenmolekyler, som är ännu mindre. Vattenmolekylerna går inte att hålla helt borta med ett organiskt material. Det gäller därför också att limma mot en korrosionsbeständig oxid.
Vid limning mot plastmaterial är vanligen långtidshållfasthetsproblemen mindre. Plasten kan inte korrodera. Elasticiteten hos plastmaterialen är större, än den är för metaller. Det invandrade vattnet ger som regel inte heller upphov till samma spänningar vid låga temperaturer, som de gör mot de styvare metallerna.
För några limtyper kan man få uppgifter om hur limmet i sig, som konstruktionsmaterial, påverkas av olika medier. Ofta finns utförliga data om silikonlim. Data beträffande svällning, hårdhetsökning, förändrad brottöjning finns t ex redovisade.
Liknande data kan ibland också fås för andra limtyper.
Faktorer som påverkar långtidshållfastheten:
* Limvalet
Limmets egen beständighet
Beständigheten hos de bindningar som uppstår
Inverkan av de elektrolyter, som lim och invandrat vatten har på materialet
* Det limmade materialets beständighet
Ythållfasthet
Förbehandling av ytan (för att öka beständigheten)
* Appliceringsförhållanden
Vilken kontakt mellan lim och material som uppnås
(Limviskositet; Primer eller inte)
Utrymme för "miljö" (ofta vatten) i gränsskiktet lim/material
* Härdningsförhållanden
Grad av uthärdning
Eventuella inbyggda spänningar som ger belastning
Skillnader i temperaturutvidgning
Limmets stelningskrympning
* Användningsmiljö
* Användningstemperatur
* Belastning
Frekvens (statisk, växlande, chock, etc)
Riktning (Skjuv, drag, klyv, fläk)
Storleksordning
* Fogutformning
Kraftflöde i fogen (spänningskoncentrationer)
Ovanstående genomgång har troligen inte gjort dig säkrare. Många konstruktioner limmas med tämligen bristfälliga kunskaper i bagaget. Med tiden brukar det visa sig att man borde ha tagit fram ett bättre underlag för att göra en prognos för limfogens livslängd. Troligen är det bättre att uppleva osäkerheten och ställa frågorna innan man startar produktionen.
Det finns mycket skrivet om limning. Merparten har haft anknytning till flygindustrin, men det förekommer mer och mer om mer jordnära limning. Det kan dock vara så olyckligt att du inte finner svar på de frågor som uppstår. Det är inte sällan man blir tvungen att genomföra egna prov.
Hur genomför man då provning som skall ge trygghet för hållfasta limfogar om 30 år?
Vi kan ju inte gärna vänta i 30 år!
Kanske är det ändå så att vi måste ta reda på ”så mycket det finns att ta reda på”, komplettera detta med viss egen provning och förtränga resterande osäkerhet.
Det är den samtidiga påkänningen (synergi) av belastning, miljöpåkänning och användningstemperatur som avgör hur länge limfogarna skall hålla. Utrustning för sådan provning brukar kunna bli ganska omfattande och relativt kostsam. Det finns emellertid ett enkelt, billigt och föga utrustningskrävande sätt att få en uppfattning om limfogars beständighet.
Det så kallade ”kilfläkprovet” innebär att två "lagom styva" bitar av materialet (materialen) limmas samman. (Om aluminium 3 x 25 x 200 mm.) En kil pressas in i limfogens ena kortsida. Limfogen spricker då vanligtvis något framför kilspetsen. Sprickans längd märkes ut på materialets kant.
Provbitarna placeras i önskad påkänningsmiljö. (Om limningen sker mot metaller, vanligen i luft med relativ fuktighet på 95-100 %, .) Temperaturen kan ökas något eller några 10-tal grader. (50oC är vanlig vid provning av limfogar mot metall.)
Eftersom spänningen på randen är "99,999 %", krävs ytterst lite tilläggspåkänning, i form av "miljö", för att sprickan skall löpa vidare, om inte beständiga bindningar uppnåtts. Provtiden kan därför ofta göras kort. Påverkas limfogen av provningsmiljön, kan någon timmes provning vara tillräcklig, för att resultatet skall kunna avläsas.
Den successiva spricktillväxten märks ut på provets kant.
Denna provningsmetod är lämplig för att jämföra olika lim och förbehandlingar.
När provet avbryt (vanligen efter några veckor) bryts bitarna isär och fogytorna bedöms. Sprickan bör inte ha övergått till att ske mellan limmat material och lim.
Den minst påverkade kombinationen av förbehandling och lim väljs lämpligen för den kommande produktionen. Möjligen gör detta att du sover lite bättre om natten.
