Nagling er sammen med sveising og skruing en av de vanligste sammenføyningsmetodene for aluminiumkonstruksjoner. En fordel med bruk av aluminiumnagling er at naglingen utføres med  kalde nagler.

Når en varmklinket stålnagle avkjøles, oppstår det en betydelig klemkraft mellom delene på grunn av naglens krymping. Vi får derved friksjon mellom delene som forhindrer glidning mellom dem.

Kaldklinking av aluminiumnagler gir relativt liten klemkraft. Hele lasten som skal overføres i forbindelsen, kommer derfor til å opptas som hullkanttrykk mellom naglen og platene, og som skjærkrefter i naglen.

For at lasten skal fordeles jevnt på de forskjellige naglene, må naglen fylle ut hele naglehullet. Det er derfor viktig å bruke riktig hulldiameter til den nagle som skal benyttes.

1.1 Valg av Nagler

De naglene som er mest vanlige har rundt eller flatt forsenket hode. Diameter og lengde er standardisert.

Som en generell regel ved nagling av aluminium, gjelder det at vi bør bruke aluminiumnagle av samme legering som de deler som skal sammenføyes. Dette er spesielt viktig på steder hvor korrosjonforholdene er vanskelige.

Hvis det er nødvendig å benytte stålnagle, må denne isoleres fra de andre delene i forbindelsen.

Nagler av kobber eller messing bør ikke brukes på grunn av risikoen for galvanisk korrosjon.

Tabellen under viser vanlige naglelegeringer og deres kombinasjon med grunnmaterialet.

Beregninger og dimensjonering av belastede nagleskjøter skjer etter gjeldende normer og standarder.

Generelt kan verdiene for tillatte spenninger for nagler som angitt i tabellen over benyttes.

For kontroll av belastning, P, benyttes:

hvor n₁ = antall nagler

t_a = skjærspenning i nagle (N/mm²)

s_0,2 = flytegrense (N/mm²)

d = naglens diameter etter klinking (mm)

g_m = materialkoeffisioent (0,95 – 1,44 etter NS
 

     Dimensjonerende skjærspenning (etter NS):

hvor s_H = hullkanttrykk (N/mm²)

- på brudd i grunnmaterialet ved strekk (netto flate):

hvor s_n = strekkspenning i grunnmaterialet (N/mm²)        

     Dimensjonerende spenning (etter NS):

Figuren under vise følgen av for stort hullkanttrykk.

For kontroll av belastning, P, benyttes:

- på flatetrykk:

eller

Minste verdi av (3.1.6 a) eller (3.1.6b) skal brukes.

- Overlapp eller enkeltlasket skjøt:

for t ≥ 2mm          : (2t + 2) ≤ d ≤ 3t

- Dobbeltlasket skjøt:

for t ≥ 4mm         : (2t + 2) ≤ d ≤ 1,5t

2e) Dynamisk belastning

Utmattingsbrudd kan oppstå ved naglede forbindelser som utsettes for dynamisk belastning. Slike brudd oppstår som regel i grunnmaterialet og sjelden i naglen.

Årsakene kan som regel vises til uheldig konstruktiv utforming. En vanlig årsak kan være at det benyttes for mange nagler i lastens retning. Det bør ikke benyttes mer enn 3 naglerader.

3a) Lokking og boring

Naglehullene bør bores. Stansing bør bare benyttes ved tynne plater og når påkjenningene er lave. Hullene bør dessuten grades for å gi plass til hulkile mellom nagleskaft og –hode. Dette sikrer at naglehodet får godt anlegg mot platen. Gradingen bør også utføres på baksiden, slik at en hulkile bygges opp ved stuking av naglens hode. Skarpe overganger gir bruddanvisninger som spesielt ved dynamisk belastninger nedsetter fastheten.

Det er viktig at naglen fyller hullet helt etter klinkingen. Dette forutsetter at differansen mellom hulldiameter og naglediameter holdes innenfor snevre grenser.

Tabellen under angir passende diameterforskjeller:

3b) Nagling

Før naglingen begynner, bør delene heftes sammen med skruer eller spesielle klemmer. For tynne plater bør avstanden mellom klemmene ikke overstige 250mm.

Naglerekkefølgen bør være som vist i figuren under.

Figur.3.1.8
Rekkefølge for klinking. (3)

Klinkingen bør skje med så få slag som mulig. Klinkhammeren bør derfor være tung og arbeide med størst mulig slaglengde. Også motholdet bør være tungt og holdes fast mot setthodet.

Passende vekt på hammer og mothold er vist i tabellen under.

 Ved klinking av nagler opp til 5 – 6mm kan det benyttes en indirekte metode. Ved denne metoden slår hammeren på setthodet og motholdet stuker opp stukhodet. Stukhodet utformes vanligvis som et flatt, sylindrisk hode ved denne metoden.

En ulempe ved den indirekte metoden er at en stor del av slagkraften går tapt ved at energien overføres til platen og ikke utnyttes til stukingen, men til å vibrere de delene som skal sammenføyes.

For små nagler spiller ikke disse tapene noen stor rolle. De kan lett kompenseres ved at det benyttes en større klinkhammer eller klinkemaskin.

For grove nagler spiller derimot klinkhammerens eller klinkemaskinens vekt liten rolle, og alle energitap bør derfor unngås.

For nagler med diameter på 8mm og over bør vi derfor bruke en direkte klinkemetode, hvor motholdet settes mot setthodet og hammeren utformer stukhodet.

Det er vanskelig å slå et flatt, sylindrisk hode til rett form ved denne metoden. Naglen vil lett kantre, eller andre feil kan oppstå. Den grove naglens stukhode bør utformes rundt eller som konisk hode og med motholdet mot setthodet.

Håndhammer kan anvendes for nagler opp til 8mm diameter. For grovere nagler benyttes alltid lufthammer eller naglepressemaskiner. Nødvendig stukkraft ved bruk av naglepresser avhenger av naglens legering og tilstand, samt diameter og stukhodeform.

Tabellen under viser nødvendig stukkraft for ulike naglediametre, legeringer og tilstander ved pressing i naglepresse. Verdiene i tabellen gjelder for et flatt, sylindrisk stukhode.

Tabellen under viser opplysninger om andre stukhodeformer.

Figur 3.1.9
Vanlige stukehodeformer. (3)

Ved klinking av grove nagler med trykklufthammer, passer den koniske hodeformen spesielt godt. Forsenkede stukhoder bør om mulig unngås.

Mothold for runde og koniske naglehoder er vist i figuren under. For flate, sylindriske stukhoder benyttes et flatt mothold.

Figur 3.1.10
Mothold for rundt og konisk hode. (3)

Nagler med diameter over 12mm i AlSiMg og AlCuMgSi klinkes vanligvis kalde i innherdet tilstand og før materialet rekker å bli kaldutherdet. Dette skjer ganske raskt, og allerede etter 2 til 3 timer er klinkbarheten klart dårligere.

Hvis vi oppbevarer naglen i en fryseboks med temperatur mellom –5 og –20⁰C forsinkes kaldutherdingsprosessen, og mykheten kan beholdes i flere døgn.

Blindnagler kan stukes uten mothold og muliggjør derfor nagling på steder hvor det ikke er plass for mothold. Naglene er dessuten raske og enkle å benytte.

Det finnes ulike typer blindnagler. Felles for dem er at de har et helt eller delvis gjennomgående hull i aksiell retning. Avhengig av nagletypen er hullet etter naglingen tomt eller fylt av en stift.

Det må ved bruk av tomme nagler tas hensyn til at skjøten kan gli ved tilstrekkelig høy belastning på grunn av at naglen trykkes sammen. Nagleprodusenten gir opplysninger om tillatte belastninger.

Forskjellige nagler er vis i figuren under.

Figur 3.1.12
Vanlige blindnagler. (3)

1.6 Andre nagleforbindelser

Figuren under viser eksempel på selvstansende nagler som lager sine egne hull og danner en forbindelse, alt i en operasjon.

Metoden anvendes bl.a. i bilindustrien for å feste aluminiumsplater på profiler. 

Det er også mulig å nagle uten nagler.

Metoden, som egner seg godt for store serier, forbinder ulike materialer i en stukeoperasjon. Resultatet blir et gradfritt, rundt punkt.

Det finnes også andre lignende metoder.

Skruer med skive og mutter kan benyttes som et alternativ til nagler. Valget kan bestemmes av at det ikke er plass for nagleverktøy, eller at skjøten skal være mulig å løsne.

Skruene kan inndeles i vanlige mutterskruer og i forskjellige typer selvgjengende og selvborende skruer.

Selvgjengende skruer lager gjengene selv når de skrues inn i et bløtere materiale.

Selvgjengende plateskruer brukes til å forbinde tynne plater.

Selvborende skruer har herdet spiss og borer sitt eget hull i motsetning til de selvgjengende skruene og plateskruene som må ha hull som svarer til den lille diameteren, d, i figuren under.

For materialer i vanlige mutterskruer, se tabellen under.

Vanligvis benytter vi stålskruer. Disse bør være forsinket eller av korrosjonsbestandig stål. Det benyttes skiver av samme materiale under så vel mutter som hode.

Ved forbindelser som utsettes for korrosivt miljø, bør anleggsflatene males med sinkkromat for å forhindre spaltekorrosjon.

Tettningspasta kan også benyttes for å forhindre at fuktighet trenger inn.

2.4 Utførelse av skrueforbindelser

Ved kaldklinking stukes nagleskaftet og fyller hullet helt. Dette er en forutsetning for en god skjøt.

I en skrueforbindelse oppfyller vi dette kriteriet for en riktig funksjon ved å bore og brotsje hullene, og ved å bruke skruer innenfor en snever toleranseklasse.

For enkelte forbindelser kan forskjellen i diameter mellom skrue og hull være opp til 1mm. Da må så vel tillatt hullkanttrykk som skruens tillatte skjærspenning reduseres. I slike skjøter er det ikke nødvendig å brotsje hullene.

I motsetning til ved sveising, er lodding en sammenføyningsmetode der metallflatene forbindes med et loddemiddel med lavere smeltepunkt enn grunnmaterialet.

Lodding av aluminium ble gjort mulig ved utvikling av fluxmidler som bryter ned oksidskiktet på overflaten til aluminium.

- Lodding er spesielt egnet når:

Myklodding av aluminium er benyttet i liten utstrekning. I de fleste tilfeller der hvor denne sammenføyningsmetoden benyttes, er loddemetall på sink- (Zn) og tinn- (Sn) basis mest vanlig.

- Smeltetemperaturer for loddemetallene er:

3.2 Hardlodding (slaglodding)

Smeltepunktet for loddemetall ved hardlodding av aluminium ligger mye nærmere grunnmaterialets smeltepunkt enn ved hardlodding av andre metaller. Forskjell i smeltetemperatur mellom grunnmaterialet og loddemetallet ligger oftest omkring ca. 40⁰C, men ved eksakt temperaturkontroll, kan denne forskjellen komme helt ned i 10⁰C.

De vanlige benyttede loddemetall har smeltepunkt på 550 - 640⁰C. Dette er legeringer av aluminium og silisium (Si) med Si-innhold på 7 – 12%. 

Ved hardlodding av aluminium brukes derfor fortrinnsvis legeringer med lavt legeringsinnhold og  uten lavtsmeltelige, intermetalliske faser.

Renaluminium, lavlegerte AlMg, AlMn og AlMgSi kan hardloddes.

Aluminium legert med kobber (Cu) og eller sink (Zn) er lite egnet for hardlodding.

- smelte ved en så lav temperatur at oksidasjon av delene minimeres

- være smeltet når loddemetallet smelter

- flyte utover forbindelse og loddemetall for å hindre oksidasjon

- penetrere oksidfilmer

- senke overflatespenning mellom fast og flytende metall for å bedre vætingen

- forbli flytende inntil loddemetallet har størknet

- være enkel å fjerne etter at hardloddingen er utført

Flux for hardlodding av aluminium består av alkaliske klorider og fluorider, og de inneholder i visse tilfeller kryolitt.

Ved harlodding i vakum, kan bruk av flux utelates. Det er da ingen fare for rester av flux i eller på ferdige delersom kan føre til korrosjon. Videre så unngås miljøproblemer knyttet til bruk av flux samt kostnader til innkjøp.

De mekaniske egenskapene i hardloddet aluminium lokalt rundt loddeforbindelsen, tilsvarer grunnmaterialets mekaniske egenskaper i utglødet tilstand. Aluminiumet har vært utsatt for en temperatur som ligger  langt over utherdingstemperaturen og/eller så har effekten av kaldbearbeiding blitt fjernet.

Hardlodding utføres vanligvis som overlappskjøt. Lengden på overlappen bør være minimum 3 – 4 ganger tykkelsen av grunnmaterialet for at loddeforbindelsen ikke skal bli det svakeste ledd ved strekkbelastning av forbindelsen.

Figuren under viser noen eksempler på skjøter for hardlodding

4.1 Sveiseliming

Sveiseliming er en sammenføyningsmetode for tynne plater hvor vi kombinerer liming og punktsveising. Vanligvis betraktes metoden som en lim-metode hvor punktsveising benyttes for å beskytte limforbindelsen mot skrelling (peeling) for å unngå at forbindelsen går tidlig til brudd.

Punktsveisene kan være motstands-punktsveising, ultralyd-punktsveising eller punktsveising utført ved andre prosesser som kan penetrere gjennom limet for å lage en solid sveis.

Metoden ble først utviklet i Sovjetunionen, USSR. Den er derfor benyttet i flere sovjetiske fly.

- Trinnene i prosessen:

- Fordeler med sveiseliming:

- Metoden er begrenset til overlappskjøter.

- Metoden er begrenset til tykkelser opp til ca. 3,5mm.

- Metoden krever tilgang fra begge sider av skjøten.

- Maksimal størrelse av en sveist konstruksjonsdel er ikke ubegrenset

- Utstyret er kostbart.

- Prosessen er ikke lett å gjøre mobil.

Nagling og liming er vanlig brukt i flykonstruksjoner. Ved denne metoden oppnår vi fordelene ved liming med hensyn til utmattingsegenskaper samtidig som naglene kan ta opp store statiske laster og forhindrer at limfugen rives opp.

Ved sammenføyning av ekstruderte profiler hvor styrkekravene til forbindelsen er lave, anvender vi ofte såkalte ”Snap”- eller hurtigforbindelser.

I disse forbindelsene utnytter vi aluminiums elastisitet. De er derfor designet slik at materialets flytegrense ikke overskrides ved montering.

”Snap”- eller hurtigforbindelser benyttes i en del opphengsdetaljer, vinduer, lastebil-lemmer og lignende.

Det er to hovedtyper av disse forbindelsene, permanente og demonterbare.

”Snap”-forbindelsens lengde påvirker utformingen.