Qué hace fiable una unión atornillada de barra colectora

Un tendido de barra colectora es, en su mayor parte, un problema resuelto. La barra se dimensiona a partir de una corriente, se verifica el calentamiento y el metal hace lo que hace el metal. La ingeniería de verdad está en las uniones, y es ahí donde arden los cuadros. Buena parte de lo que decide la vida en servicio de una unión queda fijado en el taller de fabricación antes de que la barra llegue a obra: cuán planas son las caras que van a casar, si se quitó la rebaba, cómo se hicieron los agujeros y qué aspecto tiene la superficie allí donde las dos barras se van a tocar.

El área aparente de contacto es una ficción

Dos barras de 50 mm solapadas 70 mm dan un área nominal de contacto de 3500 mm². Casi nada de ella conduce corriente.

Las superficies reales no son planas. Al apretarlas una contra otra, dos barras solo se tocan en los picos de rugosidad, y la corriente solo cruza allí donde esos picos han atravesado las películas superficiales hasta lograr contacto metal-metal. Son los puntos conductores, universalmente llamados a-spots desde el tratamiento que les dio Holm. La guía de barra colectora de la Copper Development Association los sitúa en el orden del 1 % del área de solape.

Las mediciones son menos halagüeñas. El trabajo de Braunovic sobre uniones atornilladas solapadas de alta potencia, publicado en IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies en 2002, calculó la relación entre el área conductora real y el área de contacto esperada para uniones conector-barra de cuatro y seis tornillos. Sin preparación superficial, la relación salió entre el 0.0003 % y el 0.0023 %. Mecanizada y lubricada, el mejor caso llegó a un 4 % aproximadamente. Incluso en la unión mejor preparada de las ensayadas, el 96 % del área de contacto no hacía nada.

La relación de carga que hay detrás es sencilla: la fuerza de contacto F se relaciona con el área aparente A y la dureza H como F = ξHA, y Holm demostró que la dureza se relaciona con el límite elástico como H ≈ 3σy. Un material más blando fluye a menor presión y da más área real de contacto para la misma carga de tornillo, y por eso el aluminio consigue contacto íntimo con facilidad y por eso el aluminio tiene después un problema de fluencia.

Resistencia de constricción

Como la corriente solo puede cruzar por los a-spots, las líneas de corriente en el metal masivo convergen hacia cada punto y divergen al salir de él. Esa convergencia es en sí misma una resistencia, independiente de cualquier película superficial, y se llama resistencia de constricción. Para un único punto circular de radio a entre dos metales idénticos de resistividad ρ:

Rc = ρ / 2a

Entre metales distintos pasa a ser (ρ₁ + ρ₂) / 4a. La resistencia de contacto total añade la resistencia de película Rf = σ/πa², donde σ es la resistencia por unidad de área de la película de óxido o de contaminante que la corriente tiene que atravesar por efecto túnel o por ruptura dieléctrica local.

El denominador es la parte importante. La resistencia de constricción va con el radio del punto, no con su área, de modo que duplicar el área de un punto solo reduce su resistencia de constricción en un factor de 1.4 aproximadamente, mientras que duplicar el número de puntos la reduce a la mitad. Por eso la preparación superficial es mejor palanca que el par de apriete: el par hace crecer los puntos existentes; la preparación crea puntos nuevos.

Pongámosle un número. El cobre a 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m con un a-spot de 10 µm de radio da Rc = 862 µΩ solo para ese punto. Mil en paralelo darían 0.86 µΩ. Las uniones reales quedan por encima de eso, porque los puntos muy próximos interfieren entre sí en sus campos de corriente y el conjunto se comporta en parte como una única constricción mayor, pero el orden de magnitud explica por qué una buena unión mide microohmios de un solo dígito.

Presión de contacto objetivo

La resistencia de contacto cae con fuerza al aumentar la presión de contacto y después deja de caer. La guía de la CDA es concreta: por encima de unos 30 N/mm² apenas hay mejora adicional, por debajo de 7 N/mm² no es aconsejable en la mayoría de los casos, y se prefieren presiones por encima de 10 N/mm². Un trabajo independiente sobre conexiones de barra de cobre ensayó de 6 a 36 MPa y encontró que la resistencia de contacto bajaba de unos 16 µΩ a 6 MPa a unos 11 µΩ a 30 MPa, sin ganancia apreciable más allá.

Así que el objetivo de diseño es una banda, no un máximo: entre 10 y 30 N/mm² promediados sobre el solape. Es una banda y no un número porque la presión no es ni de lejos uniforme a lo largo del solape.

El par de apriete es un indicador del apriete previo, y uno malo

La presión de contacto no se puede medir en obra. Se deduce del par de apriete del tornillo mediante:

T = K F D

donde T es el par en Nm, F la fuerza del tornillo en N, D el diámetro nominal del tornillo en m y K el coeficiente de apriete, que depende del rozamiento de la rosca, del acabado superficial, del recubrimiento y del estado de lubricación. La CDA da de 0.20 a 0.22 en seco, de 0.19 a 0.21 con compuesto de contacto y de 0.15 a 0.16 con lubricante de contorno de disulfuro de molibdeno. Aplíquelo a la disposición que la propia CDA tabula para barra de 50 mm: 70 mm de solape, 3500 mm² de área de unión, dos tornillos M12 a 45 Nm.

La misma llave dinamométrica, el mismo ajuste, el mismo montador. Una dispersión del 47 % en el apriete previo, y una unión que cae holgadamente dentro de la banda preferida o ligeramente por debajo según si alguien limpió o no las roscas. Y eso antes de contar la calibración de la llave o la secuencia de apriete. El control por par no es inútil, pero por sí solo le deja una unión para la que usted no puede declarar una presión de contacto, que es en buena parte la razón de que la banda recomendada sea tan ancha.

Las arandelas Belleville se ganan el sitio por razones térmicas

La segunda razón por la que el apriete previo no se queda donde usted lo dejó es la temperatura.

IEC 61439-1 admite un calentamiento de 105 K en barra de cobre desnuda, así que una barra en un ambiente de 35 °C puede estar legítimamente a 140 °C. El tornillo que la atraviesa ni está a la misma temperatura ni tiene el mismo coeficiente de dilatación. El cobre está en torno a 16.5 × 10⁻⁶ por °C, el acero de alta resistencia en 11.1 × 10⁻⁶ y el bronce al aluminio CW307G en 16.2 × 10⁻⁶.

Con un tornillo de acero atravesando una unión de cobre, el cobre crece más deprisa que el tornillo, de modo que la tensión del tornillo sube al calentarse la unión. Suena útil y no lo es. La CDA exige que la tensión máxima del tornillo en cualquier punto del rango de trabajo se mantenga por debajo del 95 % de su tensión de prueba, porque un tornillo llevado más allá del límite elástico no vuelve, y al enfriarse la unión queda más floja que al principio. Repita ese ciclo a diario durante diez años y la unión se relaja hasta quedarse en nada.

Hay dos salidas. Emplear un tornillo cuya dilatación case con la del cobre, que es el argumento a favor del CW307G con 16.2 × 10⁻⁶ frente a los 16.5 del cobre, un diferencial lo bastante pequeño para que la tensión apenas se mueva. O mantener el tornillo de acero y poner una arandela de muelle de disco en el apilamiento, dimensionada en altura y en rigidez para que el crecimiento térmico comprima el muelle en lugar de estirar el tornillo.

Las arandelas Belleville se venden normalmente como medida antivibración. No es eso lo que hacen aquí. Son un elemento de flexibilidad que convierte una unión atornillada rígida y de poco recorrido en otra más blanda, de modo que unas centésimas de milímetro de dilatación diferencial no se traduzcan en un cambio grande de carga. Las uniones de Braunovic usaban arandelas planas gruesas de 3 a 4 mm, de 1.4 veces el diámetro del muelle de disco, para evitar que el canto del muelle se clavara.

Cuánto vale realmente la preparación superficial

Braunovic midió la resistencia de contacto de la unión con material idéntico y sin cambiar nada salvo el tratamiento superficial. Uniones de cuatro y seis tornillos, 60 Nm, arandelas de muelle de disco, 150 A CC, media de lecturas a lo largo de una hora.

Son pletinas de conector de aluminio contra barra de aluminio, así que no traslade los valores absolutos a una unión de cobre. Lo que importa son las relaciones. Entre una superficie tal como se recibe y otra mecanizada y lubricada, con el mismo material, la resistencia de contacto cayó en un factor de 24 en la configuración de cuatro tornillos y de 70 en la de seis. Nada que usted pueda hacer con una llave dinamométrica se acerca a eso.

Las superficies mecanizadas también superaron a las cepilladas con cepillo de alambre, lo que se atribuye a que la altura y el paso uniformes de las estrías de mecanizado dan un área portante más controlable. Fíjese en la dirección de ese resultado: una superficie deliberadamente rugosa vence a otra pulida a espejo, porque las asperezas agudas atraviesan las películas de óxido con mucha menos carga que las romas. Pulir una cara de unión hasta dejarla como un espejo es contraproducente.

También encontrará citadas en varios sitios las cifras «cobre brillante de 3 a 5 µΩ, deslustre ligero de 15 a 25 µΩ, óxido fuerte de 50 a 200 µΩ». No hemos podido rastrearlas hasta una medición primaria, y una cifra de resistencia de contacto no significa nada sin la geometría de la unión, el número de tornillos y la corriente de ensayo al lado. Tómelas como ilustración del orden de magnitud, no como dato de diseño.

Recubrimiento: cuatro opciones, cuatro modos de fallo distintos

El cobre desnudo es la opción por defecto, y mejor opción por defecto de lo que la mayoría supone. El cobre se oxida despacio, y la película que forma es semiconductora en lugar de aislante, porque los iones de cobre difunden en ella y la conducción se produce en ambos sentidos. La CDA no recomienda recubrir las uniones cobre-cobre salvo que el entorno lo exija, por una razón que sorprende: los materiales de recubrimiento son blandos, y una capa blanda puede fluir en caliente y reducir la presión de contacto. El cobre desnudo sí necesita un compuesto de contacto que rellene los huecos entre los a-spots y mantenga fuera el oxígeno y la humedad. La vaselina funciona, y la grasa de vacío de silicona funciona a más temperatura.

El estaño es barato y su óxido se rompe con facilidad bajo presión, pero es blando, así que fluye bajo presión sostenida y se daña con facilidad por fretting. El estaño puro forma whiskers que pueden provocar cortocircuitos transitorios, por lo que la CDA lo desaconseja, y las aleaciones estaño-plomo que históricamente resolvían eso están hoy descartadas por razones medioambientales. Los compuestos intermetálicos cobre-estaño crecen en la interfaz con la temperatura y son más resistivos que cualquiera de los dos metales de partida, lo que da al estaño el techo de servicio más bajo de los cuatro.

La plata es la que mejor se comporta eléctricamente. Su óxido es conductor y lo bastante fino para desplazarse bajo la presión de contacto, y aguanta a las temperaturas más altas. Es cara, y es una mala elección en atmósferas con azufre, donde el sulfuro de plata se forma con facilidad: fábricas de papel, depuradoras, cualquier sitio cerca de una refinería.

El níquel es el recubrimiento de uso general preferido por la CDA: barato, duradero y lo bastante duro para sobrevivir a la manipulación en montaje. La contrapartida es eléctrica. El óxido de níquel es tenaz y necesita presión de contacto alta para romperse, de modo que una unión niquelada montada en el extremo bajo de la banda no rendirá, y el níquel se comporta mal con humedad alta.

Los recubrimientos metálicos son finos, normalmente de 2 a 5 µm, y solo protegen si son continuos. Un poro pasante en un ambiente corrosivo es peor que no llevar recubrimiento, porque concentra el ataque.

Emparejamiento con aluminio

El cobre y el aluminio en contacto directo, con cualquier electrolito presente, forman una pila galvánica, y el aluminio es la mitad que se sacrifica. Los potenciales normales de electrodo son +0.34 V para el cobre y −1.66 V para el aluminio frente al electrodo normal de hidrógeno. En un armario interior seco y estanco puede salirle bien durante años; en cualquier ambiente húmedo o costero no. Las soluciones, en orden creciente de coste, son un compuesto de unión que selle la interfaz contra la humedad, un estañado que deje las superficies en contacto como iguales, o una placa bimetálica de transición soldada por fricción o por explosión que lleve la interfaz de metales distintos al interior de la fábrica. Las diferencias de fabricación entre ambos metales van más allá de la unión.

Fretting y relajación: cómo se estropean las uniones buenas

Dos mecanismos lentos explican la mayoría de las uniones que pasan la puesta en servicio y fallan años después.

El fretting es el daño superficial producido por un movimiento oscilatorio muy pequeño en la interfaz, y las amplitudes son sorprendentemente pequeñas. Desplazamientos por debajo de 100 nm bastan para iniciarlo y, como un deslizamiento inferior a unos 125 µm no consigue barrer los restos fuera de la zona de contacto, las partículas de desgaste oxidadas se quedan ahí y van formando un tercer cuerpo aislante y grueso. La resistencia de contacto sube entonces con fuerza hacia el circuito abierto. La oscilación viene de la vibración, de la dilatación térmica diferencial o simplemente de que la unión se caliente y se enfríe al ciclar la carga.

La fluencia y la relajación de tensiones son el otro. La fluencia es el cambio dimensional bajo carga sostenida; la relajación de tensiones es la pérdida de presión de contacto sin cambio dimensional, a medida que la deformación elástica se convierte en plástica. Ambas dependen del tiempo, de la temperatura y de la tensión, y ambas son notablemente peores en aluminio. La comparación de la CDA lo enuncia con claridad: el aluminio 1080 recocido a 20 °C presenta una velocidad mínima de fluencia del 0.022 % por cada 1000 horas a 26 N/mm², mientras que el cobre recocido de alta conductividad solo alcanza esa velocidad, a la misma tensión, calentado a 150 °C.

Ahí está el problema de las uniones de aluminio en una línea. A temperatura ambiente, el aluminio bajo la presión de contacto normal de una barra ya está fluyendo a una velocidad que el cobre no alcanza hasta muy por encima de su rango de servicio. Las uniones atornilladas de aluminio necesitan muelles de disco como práctica habitual y no como mejora opcional, y necesitan planes de reapriete que las de cobre no piden.

Dónde entra el taller de fabricación

La planitud, lo primero. Braunovic atribuyó el mal comportamiento de las uniones sin ranurar a la desalineación entre barras rígidas: algunas zonas soportan tensión alta y fluyen, otras apenas se tocan, y el área portante acaba siendo pequeña. Una barra con 1 mm de alabeo a lo largo de su longitud no apoyará plana contra su vecina, aplique usted el par que aplique.

Después, las rebabas. Una rebaba en el canto de un agujero punzonado es metal levantado que sobresale de la cara de contacto. Mantiene las barras separadas alrededor del agujero, justo donde el tornillo aplica su presión, y convierte un contacto de cara en un contacto de corona sobre la rebaba. La máquina de desbarbado BND800-2 trata barra de 0.5 a 50 mm de espesor y de 100 a 800 mm de ancho a 5 a 30 m/min, lo bastante rápido para que desbarbar todas las barras sea una decisión de planificación y no un cuello de botella.

La calidad del agujero sale de la misma operación. El punzonado con la holgura correcta deja una pared de agujero limpia y una rebaba de salida pequeña y constante; una holgura excesiva deja un canto desgarrado y una rebaba grande. La posición también importa eléctricamente: los agujeros deben quedar alineados a lo largo de la unión, ya que descentrarlos perturba más el flujo de corriente, y el término dominante en el rendimiento de la unión es la sección perdida por los agujeros. DIN 43673-1 fija posiciones y tamaños de agujero y es mejor punto de partida que una norma interna.

En las caras de contacto lo que interesa es una rugosidad uniforme y controlada en lugar de pulido, y un canto controlado en el borde del solape, donde una esquina viva es a la vez un concentrador de tensiones en la distribución de presión y un punto de concentración de campo. Esa segunda consecuencia es el tema de biselado y radio de canto en barra colectora.

La geometría del solape es la última. La penalización por distorsión de la corriente en una unión solapada, el efecto de líneas de corriente, cae rápidamente a medida que la relación entre solape y espesor sube hasta 2 aproximadamente, y después se aplana. Los solapes muy largos no compran nada; basta con la longitud necesaria para alojar los tornillos que generan la presión de contacto. Hay dos cambios de geometría que salen gratis en la fase de punzonado. Achaflanar los extremos de la barra a menos de 45° reduce la resistencia inicial de la unión en torno a un 15 % y frena el aumento de resistencia bajo ciclado de corriente en un factor de 1.3 a 1.5. Una ranura longitudinal practicada en ambas barras reduce la resistencia de contacto entre un 30 y un 40 %, al uniformizar la presión en cada rama. Las dos salen más baratas de hacer en la línea de punzonado y cizallado que de explicar después.

Una unión con un rendimiento por debajo del 100 % funciona más caliente que la barra que la rodea y, en un armario lleno de uniones, ese calor se acumula. La calculadora de capacidad de corriente da la línea base térmica de la barra, que es el presupuesto dentro del cual tienen que vivir las uniones.