ما الذي يجعل وصلة قضبان التوزيع المربوطة بالبراغي موثوقة

شوط قضبان التوزيع مسألة محلولة في معظمها. فالقضيب يُحجَّم من تيار، ويُتحقَّق من ارتفاع درجة الحرارة، ويفعل المعدن ما يفعله المعدن. أما الوصلات فهي حيث تكمن الهندسة فعلاً، وهي حيث تحترق لوحات التوزيع الرئيسية. وكثير مما يقرر عمر خدمة وصلة يُحسم في ورشة التصنيع قبل أن يصل القضيب إلى الموقع: مدى استواء الوجهين المتقابلين، وهل أُزيل النتوء، وكيف صُنعت الثقوب، وكيف يبدو السطح حيث سيتلامس القضيبان.

مساحة التلامس الظاهرية وهم

قضيبان بعرض 50 mm متراكبان بمقدار 70 mm يعطيان مساحة تلامس اسمية قدرها 3500 mm². ولا شيء منها تقريباً يحمل تياراً.

فالأسطح الحقيقية ليست مستوية. وعند كبسها معاً يتلامس القضيبان عند قمم الخشونات فقط، ويعبر التيار حيث اخترقت تلك القمم أغشية السطح إلى تلامس معدني مباشر. وهذه هي البقع الموصلة، وتُسمّى عالمياً بقع a تبعاً لمعالجة Holm لها. وإرشادات قضبان التوزيع لدى جمعية تطوير النحاس تضعها في حدود 1% من مساحة التراكب.

والقياسات أقل تفاؤلاً. فعمل Braunovic على الوصلات المتراكبة المربوطة بالبراغي عالية القدرة، المنشور في IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies عام 2002، حسب نسبة المساحة الموصلة الحقيقية إلى مساحة التلامس المتوقعة لوصلات رابط بقضيب توزيع بأربعة وستة براغٍ. فمن دون أي تحضير للسطح خرجت النسبة عند 0.0003% إلى 0.0023%. ومع التشغيل بالقطع والتزييت بلغت أفضل حالة نحو 4%. وحتى في أفضل وصلة مُحضَّرة اختُبرت، كان 96% من مساحة التلامس لا يفعل شيئاً.

والعلاقة الحاملة للحمل خلف ذلك مباشرة: فقوة التلامس F ترتبط بالمساحة الظاهرية A وبالصلادة H بالعلاقة F = ξHA، وقد أظهر Holm أن الصلادة ترتبط بإجهاد الخضوع بالعلاقة H ≈ 3σy. والمادة الأطرى تخضع عند ضغط أدنى وتعطي مساحة تلامس حقيقية أكبر عند حمل البرغي نفسه، ولهذا يصنع الألمنيوم تلامساً حميماً بسهولة، ولهذا يعاني الألمنيوم بعدها من مشكلة زحف.

مقاومة التضييق

لأن التيار لا يستطيع العبور إلا عند بقع a، تتقارب خطوط التيار في المعدن السائب إلى داخل كل بقعة وتتباعد خارجةً منها. وذلك التقارب مقاومة بحد ذاته، مستقلة عن أي غشاء سطحي، وتُسمّى مقاومة التضييق. ولبقعة دائرية واحدة نصف قطرها a بين معدنين متطابقين مقاوميتهما ρ:

Rc = ρ / 2a

وبين معدنين مختلفين تصبح (ρ₁ + ρ₂) / 4a. وتُضاف إلى مقاومة التلامس الكلية مقاومة الغشاء Rf = σ/πa²، حيث σ المقاومة لوحدة المساحة لأي غشاء أكسيد أو ملوّث على التيار أن ينفق خلاله أو يخترقه.

والمقام هو الجزء المهم. فمقاومة التضييق تتناسب مع نصف قطر البقعة لا مع مساحتها، فمضاعفة مساحة بقعة لا تخفض مقاومة تضييقها إلا بعامل 1.4 تقريباً، بينما مضاعفة عدد البقع تنصّفها. ولهذا يتفوق تحضير السطح على عزم البرغي كرافعة: فالعزم يكبّر البقع الموجودة، والتحضير يخلق بقعاً جديدة.

ضع رقماً على ذلك. فالنحاس عند 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m مع بقعة a واحدة نصف قطرها 10 µm يعطي Rc = 862 µΩ لتلك البقعة وحدها. وألف بقعة على التوازي كانت ستعطي 0.86 µΩ. والوصلات الحقيقية تقع فوق ذلك، لأن البقع المتقاربة تتداخل حقول تيارها ويتصرف العنقود جزئياً كتضييق واحد أكبر، لكن رتبة المقدار تفسّر لماذا تقيس وصلة جيدة ميكروأوماً بخانة واحدة.

أهداف ضغط التلامس

مقاومة التلامس تهبط بحدّة مع ضغط التلامس ثم تكفّ عن الهبوط. وإرشادات جمعية تطوير النحاس محددة: فوق نحو 30 N/mm² لا يوجد تحسن يُذكر بعد ذلك، ودون 7 N/mm² لا يُنصح به في معظم الحالات، والضغوط فوق 10 N/mm² مفضّلة. وعمل مستقل على وصلات قضبان النحاس اختبر 6 إلى 36 MPa ووجد مقاومة التلامس تهبط من نحو 16 µΩ عند 6 MPa إلى نحو 11 µΩ عند 30 MPa، بلا مكسب ذي شأن بعد ذلك.

فهدف التصميم نطاق لا حدّ أقصى: في مكان ما بين 10 و30 N/mm² بالمتوسط على امتداد التراكب. وهو نطاق لا رقم لأن الضغط ليس منتظماً على الإطلاق عبر التراكب.

العزم بديل عن الشدّ المسبق، وبديل رديء

ضغط التلامس لا يمكن قياسه في الميدان. بل يُستنتج من عزم البرغي عبر:

T = K F D

حيث T العزم بـ Nm، وF قوة البرغي بـ N، وD قطر البرغي الاسمي بـ m، وK معامل الصامولة، الذي يتوقف على احتكاك الأسنان وتشطيب السطح والطلاء وحالة التزييت. وتذكر جمعية تطوير النحاس 0.20 إلى 0.22 جافاً، و0.19 إلى 0.21 مع مركّب مساعد على التلامس، و0.15 إلى 0.16 مع مزلّق حدّي من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم. أجرِ ذلك على الترتيب الجدولي لدى جمعية تطوير النحاس نفسها لقضيب 50 mm: تراكب 70 mm، ومساحة وصلة 3500 mm²، وبرغيا M12 عند 45 Nm.

مفتاح العزم نفسه، والضبط نفسه، والمركّب نفسه. تشتت بنسبة 47% في الشدّ المسبق، ووصلة تحطّ إما داخل النطاق المفضّل بأريحية أو أدنى منه قليلاً تبعاً لما إذا كان أحدهم قد مسح الأسنان. وذلك قبل معايرة المفتاح أو تسلسل البراغي. والتحكم بالعزم ليس عديم الفائدة، لكنه وحده يعطيك وصلة لا تستطيع ادعاء ضغط تلامس لها، وهو جزء كبير من سبب اتساع النطاق الموصى به إلى هذا الحد.

الزنبركات المخروطية تستحق مكانها حرارياً

السبب الثاني في ألا يبقى الشدّ المسبق حيث وضعته هو الحرارة.

فـIEC 61439-1 تسمح بارتفاع درجة حرارة قدره 105 K على قضبان التوزيع النحاسية العارية، فقضيب في حرارة محيطة 35 °C قد يجلس مشروعاً عند 140 °C. والبرغي المارّ فيه ليس عند الحرارة نفسها ولا بمعامل التمدد نفسه. فالنحاس يسير عند نحو 16.5 × 10⁻⁶ لكل °C، والفولاذ عالي الشدّ عند 11.1 × 10⁻⁶، وبرونز الألمنيوم CW307G عند 16.2 × 10⁻⁶.

ومع برغي فولاذي عبر وصلة نحاسية ينمو النحاس أسرع من البرغي، فيرتفع شدّ البرغي مع تسخّن الوصلة. ويبدو ذلك مفيداً وهو ليس كذلك. فجمعية تطوير النحاس تشترط أن يبقى أقصى شدّ للبرغي في أي موضع من نطاق العمل دون 95% من إجهاد الإثبات، لأن البرغي الذي يُدفع إلى ما بعد الخضوع لا يعود، وعند التبريد تكون الوصلة أرخى مما بدأت. كرّر تلك الدورة يومياً عشر سنوات وترتخي الوصلة إلى لا شيء.

وثمة مخرجان. استخدم برغياً يطابق تمدده تمدد النحاس، وهي الحجة لـ CW307G عند 16.2 × 10⁻⁶ مقابل 16.5 للنحاس، وهو فارق صغير بما يكاد الشدّ معه لا يتحرك. أو أبقِ البرغي الفولاذي وضع زنبركاً قرصياً في الرزمة، محدَّداً على الارتفاع ومعدل الزنبرك بحيث يضغط النمو الحراري الزنبرك بدل أن يمطّ البرغي.

والزنبركات المخروطية تُباع عادةً كتدبير مضاد للاهتزاز. وليس ذلك ما تفعله هنا. بل هي عنصر مطاوعة يحوّل وصلة مربوطة صلبة قليلة المشوار إلى وصلة أطرى، فلا يصير بضعة أجزاء من مئة المليمتر من التمدد التفاضلي تغيّراً كبيراً في الحمل. ووصلات Braunovic استخدمت حلقات مسطحة سميكة بسماكة 3 إلى 4 mm، بقطر 1.4 ضعف قطر الزنبرك القرصي، لمنع حافة الزنبرك من الغرز.

ما الذي يساويه تحضير السطح فعلاً

قاس Braunovic مقاومة تلامس الوصلة على عتاد متطابق دون تغيير شيء سوى معالجة السطح. وصلات بأربعة وستة براغٍ، و60 Nm، وزنبركات قرصية، و150 A تيار مستمر، بمتوسط قراءات على مدى ساعة.

وتلك وسائد رابط من ألمنيوم على قضيب توزيع من ألمنيوم، فلا تنقل القيم المطلقة إلى وصلة نحاسية. والنسب هي المقصود. فبين سطح كما ورد وسطح مشغّل بالقطع ومزيّت على العتاد نفسه، هبطت مقاومة التلامس بعامل 24 في تهيئة الأربعة براغٍ و70 في تهيئة الستة. ولا شيء تستطيع فعله بمفتاح عزم يقترب من ذلك.

كما تفوقت الأسطح المشغّلة بالقطع على المفروشة بالسلك، ويُعزى ذلك إلى انتظام ارتفاع تسنينات التشغيل وتباعدها بما يعطي مساحة حاملة للحمل أكثر قابلية للضبط. ولاحظ اتجاه ذلك: فالسطح المخشَّن عمداً يتفوق على السطح المصقول بنعومة، لأن الخشونات الحادة تخترق أغشية الأكسيد عند حمل أدنى بكثير من الخشونات المتبلّدة. فصقل وجه وصلة حتى يصير مرآةً يأتي بنتيجة عكسية.

وسترى أيضاً أرقام "نحاس لامع 3 إلى 5 µΩ، تكلّس خفيف 15 إلى 25 µΩ، أكسيد كثيف 50 إلى 200 µΩ" مذكورة في عدة مواضع. ولم نستطع تتبعها إلى قياس أولي، ورقم مقاومة تلامس لا يعني شيئاً دون هندسة الوصلة وعدد البراغي وتيار الاختبار إلى جانبه. تعامل معها كتوضيح للترتيب، لا كبيانات تصميم.

الطلاء: أربعة خيارات، وأربعة أنماط فشل مختلفة

النحاس العاري هو الخيار الافتراضي، وهو خيار افتراضي أفضل مما يفترض معظم الناس. فالنحاس يتأكسد ببطء، والغشاء المتشكّل شبه موصل لا عازل، لأن أيونات النحاس تنتشر فيه ويجري التوصيل في الاتجاهين. وجمعية تطوير النحاس لا توصي بطلاء وصلات النحاس على النحاس ما لم تفرض البيئة ذلك، لسبب يفاجئ الناس: فمواد الطلاء طرية، والطبقة الطرية قد تجري وهي ساخنة فتقلل ضغط التلامس. أما النحاس العاري فيحتاج مركّباً مساعداً على التلامس ليملأ الفراغات بين بقع a ويُبقي الأكسجين والرطوبة خارجاً. والفازلين يعمل، وشحم الفراغ السيليكوني يعمل عند حرارة أعلى.

والقصدير رخيص وأكسيده سهل التفكك تحت الضغط، لكنه طري، فيزحف تحت الضغط المستمر ويتضرر بسهولة تحت الاحتكاك التذبذبي. والقصدير النقي ينبت شعيرات قد تسبب قصراً عابراً، فتنصح جمعية تطوير النحاس بتجنبه، وسبائك القصدير-الرصاص التي حلّت ذلك تاريخياً صارت خارج الطرح بيئياً. والمركّبات البينية نحاس-قصدير تنمو عند الواجهة مع الحرارة وهي أعلى مقاومة من أي من المعدنين الأصليين، ما يعطي القصدير أدنى سقف خدمة بين الأربعة.

والفضة أفضل أداءً كهربائياً. فأكسيدها موصل ورفيع بما يكفي ليُزاح تحت ضغط التلامس، وهي تصمد عند أعلى الحرارات. وهي باهظة، وهي خاطئة في الأجواء الحاملة للكبريت حيث يتشكل كبريتيد الفضة بسهولة: مصانع الورق، ومحطات الصرف الصحي، وأي مكان قرب مصفاة.

والنيكل هو الطلاء العام المفضّل لدى جمعية تطوير النحاس، لكونه رخيصاً ومتيناً وصلداً بما يكفي للنجاة من مناولة التركيب. والمقايضة كهربائية. فأكسيد النيكل صلب ويحتاج ضغط تلامس عالياً لاختراقه، فالوصلة المطلية بالنيكل والمجمَّعة عند الطرف الأدنى من النطاق لن تؤدي، والنيكل ضعيف عند الرطوبة العالية.

والطلاءات المعدنية رفيعة، عادةً 2 إلى 5 µm، ولا تحمي إلا إن كانت متصلة. والثقب الإبري في بيئة أكّالة أسوأ من غياب الطلاء، لأنه يركّز الهجوم.

الاقتران بالألمنيوم

النحاس والألمنيوم في تلامس مباشر مع وجود أي إلكتروليت يشكّلان خلية جلفانية، والألمنيوم هو النصف الفدائي. وجهود الأقطاب المعيارية هي +0.34 V للنحاس و−1.66 V للألمنيوم مقابل قطب الهيدروجين المعياري. وفي خزانة داخلية جافة محكمة قد تنجو بذلك سنوات؛ وفي أي بيئة رطبة أو ساحلية لن تنجو. والحلول، بترتيب تصاعدي للكلفة، هي مركّب وصل يختم الواجهة ضد الرطوبة، أو طلاء بالقصدير ليصبح السطحان المتقابلان من الجنس نفسه، أو صفيحة انتقال ثنائية المعدن ملحومة بالاحتكاك أو مربوطة بالتفجير تنقل واجهة المعدنين المختلفين إلى داخل المصنع. والفروق التصنيعية بين المعدنين تمتد إلى أبعد من الوصلة.

الاحتكاك التذبذبي والارتخاء: كيف تسوء الوصلات الجيدة

آليتان بطيئتان تفسّران معظم الوصلات التي تجتاز التشغيل التجريبي ثم تفشل بعد سنوات.

الاحتكاك التذبذبي ضرر سطحي من حركة تذبذبية صغيرة جداً عند الواجهة، والسعات صغيرة بشكل مذهل. فانزياحات دون 100 nm تكفي لبدئه، ولأن الانزلاق دون نحو 125 µm لا يستطيع كنس الحطام خارج منطقة التلامس، تبقى جسيمات التآكل المؤكسدة في مكانها وتتراكم إلى جسم ثالث عازل سميك. ثم ترتفع مقاومة التلامس بحدّة نحو دائرة مفتوحة. والتذبذب يأتي من الاهتزاز، أو من التمدد الحراري التفاضلي، أو من مجرد تسخّن الوصلة وتبردها مع دورات الحمل.

والزحف وارتخاء الإجهاد هما الآلية الأخرى. فالزحف تغيّر أبعادي تحت حمل مستمر؛ وارتخاء الإجهاد فقدان لضغط التلامس دون تغيّر أبعادي، مع تحوّل الانفعال المرن إلى لدن. وكلاهما يتوقف على الزمن والحرارة والإجهاد، وكلاهما أسوأ بوضوح في الألمنيوم. ومقارنة جمعية تطوير النحاس تضع الفرق بوضوح: فالألمنيوم 1080 المُلدَّن عند 20 °C يُظهر أدنى معدل زحف قدره 0.022% لكل 1000 ساعة عند 26 N/mm²، بينما لا يبلغ النحاس المُلدَّن عالي التوصيل ذلك المعدل عند الإجهاد نفسه إلا حين يُسخَّن إلى 150 °C.

وتلك هي مشكلة وصل الألمنيوم في سطر واحد. فعند حرارة الغرفة يكون الألمنيوم تحت ضغط تلامس قضبان توزيع عادي زاحفاً أصلاً بمعدل لا يبلغه النحاس حتى ما فوق نطاق خدمته بكثير. ووصلات الألمنيوم المربوطة بالبراغي تحتاج زنبركات قرصية كممارسة قياسية لا كترقية، وتحتاج جداول إعادة ربط لا تحتاجها وصلات النحاس.

أين تدخل ورشة التصنيع

الاستواء أولاً. فقد عزا Braunovic الأداء الرديء للوصلات غير المشقوقة إلى عدم المحاذاة بين قضبان صلبة: فبعض المناطق تحمل إجهاداً عالياً وتخضع، وأخرى تكاد لا تتلامس، وتنتهي المساحة الحاملة للحمل صغيرة. والقضيب الذي فيه 1 mm من الالتواء على امتداد طوله لن يستلقي مستوياً على جاره أياً كان العزم الذي تطبّقه.

ثم النتوءات. فالنتوء على حافة ثقب مثقوب معدن بارز فوق الوجه المتقابل. وهو يُبقي القضبان متباعدة حول الثقب، وهو بالضبط حيث يطبّق البرغي ضغطه، ويحوّل التلامس الوجهي إلى تلامس حلقي على النتوء. وماكينة إزالة النتوءات BND800-2 تعالج قضباناً بسماكة 0.5 إلى 50 mm وعرض 100 إلى 800 mm بسرعة 5 إلى 30 m/min، وهي سريعة بما يجعل إزالة النتوءات عن كل قضيب قرار جدولة لا عنق زجاجة.

وجودة الثقب تتبع العملية نفسها. فـالتثقيب بالخلوص الصحيح يترك جدار ثقب نظيفاً ونتوء خروج صغيراً ومتسقاً؛ والخلوص المفرط يترك حافة ممزقة ونتوءاً كبيراً. والموضع يهم كهربائياً أيضاً: فينبغي أن تقع الثقوب مصطفّة على امتداد الوصلة، لأن إزاحتها تشوّش جريان التيار أكثر، والحدّ المهيمن في كفاءة الوصلة هو المقطع المفقود بسبب الثقوب. وDIN 43673-1 تثبّت مواضع الثقوب ومقاساتها وهي نقطة انطلاق أفضل من مواصفة داخلية.

وعلى الأوجه المتقابلة تريد خشونة منتظمة ومضبوطة لا صقلاً، وحافة مضبوطة عند حدّ التراكب، حيث تكون الزاوية الحادة رافع إجهاد في توزيع الضغط ونقطة تركّز مجال في آن. وتلك النتيجة الثانية هي موضوع الشطف ونصف قطر الحافة في قضبان التوزيع.

وهندسة التراكب هي آخرها. فعقوبة تشويه التيار عند وصلة متراكبة، أي أثر خطوط الجريان، تهبط سريعاً مع ارتفاع نسبة التراكب إلى السماكة حتى نحو 2 ثم تستوي. فالتراكبات الطويلة جداً لا تشتري شيئاً؛ وأنت تحتاج طولاً يكفي لاستيعاب البراغي التي تولّد ضغط التلامس. وثمة تغييران هندسيان مجانيان عند مرحلة التثقيب. فقصّ أطراف القضيب بزاوية أقل من 45° يخفض مقاومة الوصلة الابتدائية بنحو 15% ويبطئ ارتفاع المقاومة تحت دورات التيار بعامل 1.3 إلى 1.5. وشقّ طولي في القضيبين معاً يخفض مقاومة التلامس بنسبة 30 إلى 40%، بتسوية الضغط عبر كل ساق. وكلاهما أرخص صنعاً على خط التثقيب والقص من شرحهما لاحقاً.

والوصلة دون كفاءة 100% تعمل أسخن من القضيب حولها، وفي خزانة مليئة بالوصلات تكون تلك الحرارة تراكمية. وحاسبة سعة التيار تعطي خط الأساس الحراري للقضيب، وهو الميزانية التي على الوصلات أن تعيش داخلها.